王群淼

摘要：本文依據(jù)目前航空發(fā)動機(jī)維修工作的現(xiàn)狀，對應(yīng)用的顯示增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了介紹，同時根據(jù)航空發(fā)動機(jī)在維修過程中的具體需要，開發(fā)出了一套基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的航空發(fā)動機(jī)維修系統(tǒng)。通過進(jìn)行相應(yīng)的分析研究，對航空發(fā)動機(jī)維修工作的深入推進(jìn)以及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)實中的應(yīng)用都有重要意義。

Abstract： According to the current situation of aero-engine maintenance， this paper introduces the application of display enhancement technology， and according to the specific needs of aero-engine in the maintenance process， A set of aero-engine maintenance system based on augmented reality technology is developed. Through the corresponding analysis and research， it is of great significance to the further development of aero-engine maintenance and the application of augmented reality technology in reality.

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù);航空發(fā)動機(jī);維修

Key words： augmented reality technology;aeroengine;maintenance

中圖分類號：V263.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0159-02

0? 引言

航空發(fā)動機(jī)屬于大型的復(fù)雜機(jī)電機(jī)構(gòu)，涵蓋了大量的技術(shù)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，在進(jìn)行拆裝以及維修時十分的麻煩，對技術(shù)人員的綜合能力要求極高，并且相關(guān)的費用十分高昂?，F(xiàn)階段在對航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行維修時，采取的都是十分原始的方法，即根據(jù)發(fā)動機(jī)的紙質(zhì)版文檔或者電子手冊進(jìn)行維修，在維修的過程中需要不時的查看相關(guān)的內(nèi)容，因此整個維修過程的效率十分低下，并且比較容易受到環(huán)境等相關(guān)因素的干擾，在維修過程中易出現(xiàn)裝配錯誤。此外，航空發(fā)動機(jī)的維修裝配的質(zhì)量完全依賴于技術(shù)人員的維修經(jīng)驗與實際的維修技術(shù)水平，因此不能夠?qū)S修質(zhì)量進(jìn)行良好控制。面對航空發(fā)動機(jī)目前的維修現(xiàn)狀，需要一套更加高效智能的裝配維修引導(dǎo)系統(tǒng)，輔助技術(shù)人員能夠以較快的速度完成復(fù)雜耗時的維修裝配工作，從而使整個維修工作的難度下降，維修效率提升，并確保維修過程中不會出現(xiàn)差錯。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)從屬于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是當(dāng)下十分熱門的研究話題。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)通過利用計算機(jī)圖形技術(shù)以及可視化技術(shù)，可以產(chǎn)生現(xiàn)實中沒有的虛擬物體，借助相關(guān)的傳感信息等技術(shù)可以把虛擬的影像按照實際的需要完成在真實環(huán)境中的呈現(xiàn)，利用相關(guān)的顯示設(shè)備就可以將虛擬的影像與顯示中的物體進(jìn)行無縫連接。增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)能夠?qū)⑻摂M和現(xiàn)實相結(jié)合，并且還具備實時交互等特點，而這些特點對于目前航空發(fā)動機(jī)維修裝配工作的發(fā)展要求是非常符合的。將增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)與航空發(fā)動機(jī)維修工作結(jié)合在一起，以增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化維修必將是未來航空發(fā)動機(jī)維修的趨勢。

1? 增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)概述

發(fā)展到目前比較成熟的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)主要由虛擬場景發(fā)生設(shè)備、頭部位置跟蹤設(shè)備以及頭盔顯示器等多種設(shè)備組成，技術(shù)含量非常高。增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)根據(jù)透視方式不同有光學(xué)透視以及視頻透視兩種。第一種采用的頭盔顯示器為光學(xué)透視的，光學(xué)合成器通過利用頭盔放置在使用者的視覺前方。合成器并不是完全黑暗的，因此使用者能夠透過合成器看到現(xiàn)實的環(huán)境。同時合成器還能夠進(jìn)行反射部分的影像，使用者借助頭盔上的顯示器能夠看到反射到合成器上的虛擬影像。而視頻透視式增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)的頭盔顯示器對視線進(jìn)行了封閉，通過一到兩個攝像頭來觀察現(xiàn)實世界周圍的環(huán)境。場景合成器完成攝像機(jī)拍攝到的視頻與圖形的合成工作，之后將得到的圖像投射到頭盔的顯示器中。

在上世紀(jì)六十年代，計算機(jī)圖形技術(shù)領(lǐng)域的開拓者在不斷的摸索研究中建立了世界上最早的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)模型。到了九十年代初期，波音公司開始在飛機(jī)制造過程中裝配電纜連接和接線器中使用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)。發(fā)現(xiàn)了增項現(xiàn)實技術(shù)的便捷性之后，有公司開始在汽車制造領(lǐng)域應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，有的公司則是將增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械和相關(guān)工具的制造過程中，還有一部分公司則將增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用帶了服務(wù)業(yè)中，都收到了不錯的反饋。隨著相關(guān)程序語言以及算法等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在不斷完善的同時，其在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用成本正呈下降的態(tài)勢，從而使增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)能夠在醫(yī)療、設(shè)備維修、娛樂以及軍事等多領(lǐng)域得到進(jìn)一步應(yīng)用。

2? 增強(qiáng)現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)和開發(fā)工具

盡管增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)目前有很多優(yōu)點，但在實際應(yīng)用的過程中還有兩個問題制約著增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，分別為頭盔顯示技術(shù)與跟蹤定位技術(shù)。

2.1 頭盔顯示技術(shù)

人類如果想要獲得外部環(huán)境的信息，必須借助視覺通道這個信息接口，而目前我們所得到的信息有將近八成都是借助視覺獲得的。因此頭盔的顯示技術(shù)對增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用有非常大的影響，是目前需要首要解決的關(guān)鍵問題之一。當(dāng)前國外的相關(guān)公司所在增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)中使用的顯示器重量還不如一個雞蛋重，能夠?qū)@示屏直接安裝在普通的眼睛上，從而達(dá)到交互的能力。

2.2 跟蹤定位技術(shù)

如果想要將虛擬圖像和現(xiàn)實中的實物比較完美的結(jié)合在一起，則需要將虛擬物放置在現(xiàn)實環(huán)境中準(zhǔn)確的位置上，這就要求增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的根據(jù)定位系統(tǒng)可以對使用者在環(huán)境中的具體位置進(jìn)行檢測，同時對使用者頭部的角度或者運動方向進(jìn)行觀察，從而輔助系統(tǒng)判斷現(xiàn)是哪一種虛擬物體，并且根據(jù)使用者的視角進(jìn)行坐標(biāo)系的重建?，F(xiàn)階段的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)的跟蹤定位技術(shù)主要有以下三種：

①使用跟蹤器確定使用者頭部實際所處的位置，目前主要使用的跟蹤器有：電磁跟蹤器、慣性跟蹤器、全球定位系統(tǒng)等，從而能夠?qū)ΜF(xiàn)實環(huán)境中的位置和方向進(jìn)行探測和跟蹤。

②基于認(rèn)知的跟蹤定位技術(shù)，國外高校的圖形與用戶接口實驗室研究了一個增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)，這個系統(tǒng)通過在打印機(jī)的幾個比較重要的部位安裝了幾個三維跟蹤器，而系統(tǒng)能夠?qū)@些跟蹤器的位置和狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使這些跟蹤器能夠加入相應(yīng)的增強(qiáng)信息。

③以視覺為基礎(chǔ)的跟蹤定位技術(shù)，目前在增強(qiáng)現(xiàn)實領(lǐng)域，以計算機(jī)視覺為基礎(chǔ)的定位技術(shù)是比較熱門與成熟的定位技術(shù)，這種技術(shù)通過對不同的視頻圖像進(jìn)行內(nèi)部處理，從而樂意獲得所需要的具體位置信息，根據(jù)使用者頭部的攝像機(jī)所拍攝的圖像，從而能夠判斷使用者在現(xiàn)實環(huán)境中的位置與方向。

2.3 增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)所使用的開發(fā)工具

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)經(jīng)過這幾年的發(fā)展，目前有許多增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)的工具包發(fā)展的已經(jīng)比較成熟了，常見的包括ARToolkit、MRPlatform等，其中ARToolkit工具包由日本研究人員開發(fā)，其代碼是開源的，能夠直接獲取，從而能夠比較方便快速的進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實應(yīng)用的開發(fā)。目前ARToolkit已經(jīng)得到了世界頂尖的人機(jī)界面實驗室的認(rèn)可，因此其在增強(qiáng)現(xiàn)實領(lǐng)域目前是應(yīng)用最為廣泛的開發(fā)包，許多增強(qiáng)現(xiàn)實的應(yīng)用都是使用這個開發(fā)包或者以這個開發(fā)包為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)從而完成應(yīng)用的開發(fā)。

3? 以增強(qiáng)現(xiàn)實為基礎(chǔ)的航空發(fā)動機(jī)維修系統(tǒng)

在航空維修這個環(huán)節(jié)中，德國對arvika項目進(jìn)行了資助，具體應(yīng)用場合是飛機(jī)汽車的裝配維修。而歐洲航空防務(wù)與航天公司通過應(yīng)用arvika系統(tǒng)，使歐洲的某款型號的飛機(jī)布線速度和裝配質(zhì)量得到了較為明顯的提升，在具體的裝配過程中，裝配工人能夠利用語音調(diào)用相關(guān)虛擬指示，從而能夠比較容易的根據(jù)具體的提示進(jìn)行裝配，相較以前能夠以較快的速度在長板上進(jìn)行高密度的布線任務(wù)。此外，歐盟還發(fā)起了一個新的維修項目，在幫助客戶進(jìn)行組裝維修的同時對客戶進(jìn)行相關(guān)的培訓(xùn)，目前EADA公司已經(jīng)將這個新的維修項目成功應(yīng)用到了歐洲某款飛機(jī)機(jī)翼組裝的生產(chǎn)線當(dāng)中。參考上述兩個系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，并考慮航空發(fā)動機(jī)在維修和裝配過程中的實際特點，開發(fā)了以增強(qiáng)現(xiàn)實為基礎(chǔ)的航空發(fā)動機(jī)維修系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)硬件組成

3.1.1 遠(yuǎn)程計算機(jī)系統(tǒng)

在遠(yuǎn)程計算機(jī)系統(tǒng)中，有波音的PMA文檔，空客的AirN@ v等相關(guān)存儲文件，航空發(fā)動機(jī)的具體維修流程、相關(guān)語音提示、相關(guān)的視頻信息，此外還包括航空發(fā)動機(jī)相關(guān)組件的三維模型，從而使航空發(fā)動機(jī)的維修技術(shù)人員可以根據(jù)現(xiàn)場工作的需求隨時調(diào)用自己需要的信息。為了使實時性的效果達(dá)到最優(yōu)，將速率優(yōu)化到了15～20幀每秒，并且使用高配的DELL圖形工作站。

3.1.2 頭盔顯示系統(tǒng)

頭盔顯示系統(tǒng)可以確保使用者能夠在安全的前提下沒有障礙的對航空發(fā)動進(jìn)行直接的觀察，并且在頭盔失去電源后依然能夠觀察到現(xiàn)實環(huán)境。維修中所使用的頭盔顯示器為n-vison公司的光學(xué)透視式頭盔顯示器DatavisorHiRes。

3.1.3 跟蹤定位系統(tǒng)

Ascension公司開發(fā)的FlockofBird電磁式位置跟蹤設(shè)備能夠?qū)α鶄€自由度的位置進(jìn)行跟蹤定位。

3.1.4 人機(jī)交互系統(tǒng)

航空發(fā)動機(jī)在進(jìn)行裝拆以及維修時，現(xiàn)場的工作人員的手通常需要操作專業(yè)的作用工具，而相關(guān)的維修流程則通過語音進(jìn)行調(diào)用，進(jìn)而可以完成良好的信息交互，本系統(tǒng)中的人機(jī)交互系統(tǒng)采用的是Microsoftspeechsdk，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。

3.1.5 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

通過借助相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，使用者和計算機(jī)之間能夠保持較好的關(guān)聯(lián)性，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髂軌蛴斜Ｕ希ǔＪ褂镁€纜或者無線進(jìn)行傳輸。

3.2 軟件系統(tǒng)

以Microsoft VC+ +6.0為基礎(chǔ)，完成三維環(huán)境定位算法的編寫，從而能夠在現(xiàn)實的環(huán)境當(dāng)中對相關(guān)的運動物體進(jìn)行追蹤。而部分的虛擬模塊程序的編寫，則以國外公司的虛擬場景開發(fā)平臺為基礎(chǔ)，利用高端虛擬現(xiàn)實建模工具 Multigen Ctreator Pro和場景管理實時生成軟件Multigen Vega軟件完成。

3.2.1 圖像處理模塊

可以令使用者感受到的環(huán)境更加的真實，將融合場景所看到的兩個視頻信號分別傳輸?shù)绞褂谜叩念^盔中，從而完成復(fù)合立體圖像對比顯示。

3.2.2 三維跟蹤定位模塊

獲得的圖像中會有色點以及噪聲問題，需要完成顏色濾波以及邊緣提取工作，之后參照彩色標(biāo)志點結(jié)合基于視覺的跟蹤算法完成系統(tǒng)的三維場景定位。

3.2.3 虛擬物體描繪模塊

虛擬物體描繪模塊導(dǎo)入之前存儲的PMA電子文檔、AirN @v電子文檔、視頻語音文件等，同時利用三維建模工具完成動態(tài)的航空發(fā)動機(jī)維修裝配三維圖的建立。

4? 結(jié)語

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)的維修裝配中有著十分突出的優(yōu)點，盡管目前還存在三維環(huán)境定位不夠準(zhǔn)確、使用成本較高、相關(guān)技術(shù)還不夠成熟等問題，但基于增強(qiáng)現(xiàn)實的數(shù)字化維修定是未來航空發(fā)動機(jī)維修的發(fā)展方向，隨著相關(guān)技術(shù)問題被突破，未來的航空發(fā)動機(jī)維修工作將會變得更加高效。

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