来源：第三维度
    作者：赵新灿、左洪福、徐兴民
    单位：南京航空航天大学

    摘要:：在分析增强现实维修诱导系统与虚拟维修系统区别的基础上,依据提出的增强现实维修诱导系统基本原理在实验室构建了原型系统,并对增强现实、人机自然交互、交互式电子手册和虚拟样机等维修诱导的关键技术进行了研究;以航空发动机外场典型维修工作为例,将可穿戴式辅助维修基本理论和增强现实技术相结合,开发了一种以维修人员为中心的人性化、智能化的维修辅助系统,实例证实增强现实维修诱导系统在航空器维修中具有良好的应用效果。

    引言

    航空发动机是技术密集的大型复杂机电系统,内部结构复杂,拆装、维修困难,对人员技术和工具设备要求极高。目前,发动机的维修都是依靠纸质或电子手册,效率低下,维修差错难以控制,如果能开发一种以维修人员为中心,以状态信息为“驱动暠,诱导与维修同步,作业与训练同步的主动式、交互式维修诱导、培训系统,帮助操作者完成对大型复杂机电系统的检查、维修工作,将显著提高作业效率、减少维修差错。增强现实(augmented reality,AR)技术将虚拟物体和真实环境相结合,其目的是为真实的场景提供信息扩展[1]。

    在航空维修和航空制造领域,增强现实技术研究取得了许多成果。20世纪90年代初,美国波音公司首先将增强现实技术应用于飞机制造中电力线缆的连接和接线器的装配,其研究成果最为引人注目[2]。2003年,德国Starmate系统和同期Arvika系统的研制成功,预示了AR技术在复杂机电系统维修、装配领域的巨大应用潜力[3,4]。

    目前,国内在航空制造及维修领域的AR技术研究和应用才刚刚起步。

    1、增强现实维修诱导系统与虚拟维修系统的区别

    虚拟维修是以计算机技术与虚拟现实技术为依托,在由计算机生成的、包含了产品数字样机维修人员三维人体模型的虚拟场景中,通过驱动人体模型(包括采用人在回路的方式)来完成整个维修过程仿真的综合性应用技术,实现在设计早期就能对产品的维修性设计及维修工作进行分析评价,达到为系统设计提供帮助的目的,维修过程在计算机上再现的关键在于虚拟人维修动作的准确表达和实现[5]。

    增强现实维修诱导系统是利用增强现实、人机自然交互、虚拟样机和交互式电子手册(IETM)等技术构成的针对大型复杂机电系统的维修指导与培训系统。维修人员通过自然交互手段感知周围场景和维修对象的状态变化,利用增强现实三维注册显示和跟踪定位技术将所需要的数字化维修诱导信息根据自然交互指令(视线和语音等)无缝实时地显示到光学透视式头盔上指导维修操作,从而解放作业人员双手,使之专注于维修工作,提高作业效率,减少维修差错。增强现实维修诱导系统和虚拟维修系统的主要特点比较如表1所示。表1增强现实维修诱导系统和虚拟维修系统的比较如表1所示。

表1、增强现实维修诱导系统和虚拟维修系统的比较

    2、增强现实维修诱导系统的基本原理

    针对航空发动机外场维修构建的增强现实维修诱导系统框架如图1所示,包括头戴式诱导信息显示子系统,维修诱导便携式客户端,维修诱导服务器,诱导用解析式电子交互手册子系统(包括维修手册、故障排除手册和发动机图解零件目录)等。要实现该原型系统,有诸多的关键技术要突破,通过选取发动机典型外场故障排除和复杂拆装为研究对象,开展部分探索性的基础研究。

图1 增强现实维修诱导系统原理图

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