增強現(xiàn)實技術在飛機設計制造領域的應用研究

王 琛

（西南科技大學 計算機科學與技術學院，四川 綿陽 621010）

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術是一種先進的人機交互技術，它通過利用計算機所產(chǎn)生的三維以及多維信息，提高使用者對現(xiàn)實環(huán)境的認識。利用可視化、光電顯示和人機交互等技術通過傳感將虛擬環(huán)境的信息反映在真實世界，并將計算機生成的虛擬場景、虛擬物體或信息準確疊合到現(xiàn)實場景當中，實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬場景的無縫連接[1]。使得用戶在真實場景中訪問虛擬世界時，從視覺、觸覺等感官上呈現(xiàn)給用戶一個真實的環(huán)境效果。

20世紀90年代該技術興起，增強現(xiàn)實技術不斷發(fā)展完善，便攜程度不斷提高，設備價格不斷下跌，增強現(xiàn)實技術以其動態(tài)、交互、多感知、實時和場景融合等特征在各行業(yè)得到了較為廣泛的應用，例如市政建設、工業(yè)維修、旅游展覽、古建筑保護、網(wǎng)絡視頻通信和娛樂游戲等。AR技術利用計算機生成的虛擬場景相比于虛擬現(xiàn)實技術在視覺、聽覺、觸覺等多種感官方面更加貼近現(xiàn)實環(huán)境，同時還具有更強的三維空間表現(xiàn)能力和實時人機交互能力，極大拓展了人類的認知手段，未來必將使得許多傳統(tǒng)性行業(yè)獲得顛覆性變革。

現(xiàn)代飛機制造設計是一個多學科高度融合、過程極其復雜的領域，AR技術可通過其真實性、虛擬性的優(yōu)勢，構建多領域、多層次的虛擬樣機原型，實現(xiàn)性能仿真演示、總體布置、碰撞檢測及裝配維修等功能，達到快速準確地發(fā)現(xiàn)飛機設計制造各階段潛在缺陷，并在初步研發(fā)階段解決這些問題的目的。利用AR技術可使得虛擬與現(xiàn)實兩種研制環(huán)境并存，在飛機設計層面形成“虛-實結(jié)合”“虛-實同步”等試驗方式，對有限的實驗環(huán)境進行虛擬擴展，例如在虛擬環(huán)境中模擬特定的飛行環(huán)境或故障飛行狀態(tài)，使得模擬出的狀態(tài)達到實際環(huán)境無法完成的效果[2]。研發(fā)一種以設計人員為中心，飛機狀態(tài)信息為“驅(qū)動”的基于增強現(xiàn)實技術的飛機制造設計系統(tǒng)，具有極其廣闊的應用前景。

1 AR技術在飛機設計制造中的應用現(xiàn)狀

現(xiàn)代飛機內(nèi)部結(jié)構復雜，航空儀器精密，性能要求更為苛刻。在飛機設計的過程中，利用AR技術可提前展開飛機性能測試、機身總體布置和人機工效分析評估等工作。增強現(xiàn)實技術促進飛機設計和制造的自動化及智能化發(fā)展，充分發(fā)揮了AR技術潛在的巨大應用價值。目前在飛機設計制造領域有如下案例：

1.1 洛克希德-馬丁將AR技術應用于F-22和F-35制造

洛克希德-馬丁公司已經(jīng)將AR技術應用于F-22和F-35飛機的制造裝配過程中，通過愛普生Moverio BT-200型號的智能AR設備提供的視覺輔助平臺，使生產(chǎn)設計人員可以快速對飛機各組成部分進行裝配維修。例如，工程師在使用AR眼鏡設備安裝飛機起落架部件時，只需通過眼鏡觀看起落架，便可以按照安裝手冊的指導一步步進行，安裝可細致到每一個螺栓、每一根電纜，從而達到高效、細致地完成安裝的目的。

在AR平臺的輔助下，工程師可將飛機的裝配速度提高30%，安裝準確率高達96%。由于AR技術應用提供的可視化和流程規(guī)范化，極大提高了工作效率、避免了重復勞動，同時降低事故發(fā)生率[3]。

1.2 空客公司飛機座艙設計開發(fā)

空客集團企業(yè)聯(lián)合戴姆勒公司，運用AR技術進行飛機座艙的開發(fā)系統(tǒng)設計。其使用索尼智能眼鏡的AR功能，輸入計算流體力學軟件的計算結(jié)果以及溫度感應器等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了座艙氣流溫度可視化效果，幫助設計人員進行飛機座艙開發(fā)，減少了昂貴的原型制作成本。并且利用AR設備掃描生產(chǎn)線的飛機部件、檢測維修，提高生產(chǎn)線的效率。

1.3 波音公司使用AR技術提高飛機設計效率

波音航空公司通過將AR技術運用到波音777和787型客機產(chǎn)品的設計生產(chǎn)過程當中，利用AR技術實現(xiàn)了對客機外形、構造、特性等的重新設計，所獲得方案與現(xiàn)實樣機之間的設計誤差影響小于0.01英寸、設計錯誤修改量減少90%、研制周期時間減少50%、綜合管理成本減少60%。

據(jù)公開信息顯示，基于傳統(tǒng)方式的飛機設計需要建造兩個模型樣機實體，每個樣機成本約為60萬美金。采用AR技術之后，可顯著節(jié)省研究經(jīng)費、極大縮短科研開發(fā)周期，保證技術對接成功[4]。

2 AR技術在飛機制造設計中的應用需求

在飛機設計研發(fā)的整個流程中，設計部分主要分為方案論證、初步設計、詳細設計和產(chǎn)品試制等四個階段。采用增強現(xiàn)實技術進行飛機設計制造的突出優(yōu)勢是可以進行“虛擬體驗”，在此過程中即可對飛機各部分進行觀察，又能夠使部分與整體結(jié)構保持關聯(lián)，在飛機整個的設計階段都有極大的應用需求。

在常規(guī)的飛機設計、試制和試飛過程中許多關鍵技術和實驗項目都需要進行實際飛行測試來驗證，此種方式極大地增加了飛機研發(fā)的成本和周期。而使用AR技術建立虛擬樣機來替代實體樣機，也可完成對設計的各項指標的驗證、分析及優(yōu)化，大大降低了研發(fā)成本與研發(fā)周期。

在飛機方案論證階段，借助AR技術的虛擬場景構造，搭建飛機虛擬樣機模型，通過實時演示飛機的總體性能以及主要特征使得設計團隊可以直觀地了解飛機設計方案的可行性;當進入工程研發(fā)階段，在飛機試制的過程中使用AR技術對飛機進行裝配，可解決傳統(tǒng)飛機裝配中存在的諸多弊端，并及時發(fā)現(xiàn)前期設計階段產(chǎn)品存在的缺陷。相比較發(fā)現(xiàn)，AR技術需求最多是在設計論證階段，對于該階段部分需求總結(jié)如下：

（1）飛機整體設計：使用增強現(xiàn)實技術建立的虛擬樣機對完成初步設計的飛機進行整體評估，例如外型顏色、部件結(jié)構強度設計和相關電子器件是否滿足相關技術標準，從而替代傳統(tǒng)方法中的生產(chǎn)概念實體模型來進行評估。

（2）座艙內(nèi)部人機工效評估：包括座艙整體布局、飛行員活動空間與視角舒適度、飛行操作簡易程度、儀表顯示器布置合理性及顯示器信息反饋速度等方面的分析評估工作。

（3）飛機可裝配性、檢修性分析評估：主要包括飛機碰撞檢測、裝配順序規(guī)劃設計、檢測維修時間效率評估、維修維護時效分析評估等。

（4）飛行仿真：包括特定環(huán)境飛行模擬、飛行故障狀態(tài)模擬和飛行特性研究和模擬器仿真等方面。

應用AR技術的設計驗證階段作為各研發(fā)部分的安全性、可靠性和功能分析工作，必須納入設計論證流程，通過AR技術驗證評估后才可轉(zhuǎn)入下一階段的試驗設計工作。

3 飛機設計流程中的AR技術框架

根據(jù)飛機研制單位的實際需求，可針對性地構建飛機設計AR技術體系框架，可分目標、分階段的開展VR技術應用的基礎。當前AR技術系統(tǒng)主要由基于計算機顯示器（Monitor-bansed）系統(tǒng)、視頻合成技術穿透式（Video see-through）系統(tǒng)和光學原理穿透式（Optical see-through）系統(tǒng)三種類型構成，其基于計算機顯示器和視頻合成技術的兩種方案都需要通過攝像機等外設獲取真實場景中的圖像，并在計算機中完成虛實圖像結(jié)合后輸出，整個過程存在由于系統(tǒng)延遲造成AR應用中虛實注冊錯誤[5]。而基于光學原理穿透式顯示技術的實現(xiàn)方法則是實時傳送真實場景的視頻圖像，不受計算機控制，大大減少了系統(tǒng)延遲，并且該方案也具有多專業(yè)多人員協(xié)同、遠近距離調(diào)節(jié)實時交互的特點。因此對于飛機設計這類較大規(guī)模、高度復雜的設計活動，基于光學原理穿透式顯示的AR實現(xiàn)方案更為適用。

實現(xiàn)AR技術與飛機研制流程的有效結(jié)合，必須借助飛機數(shù)字化設計體系，結(jié)合必要的分析軟件并建立相關基礎數(shù)據(jù)庫[6]。

飛機研制流程中的AR體系將采用分層結(jié)構，主要分為交互層、應用層、對象層和數(shù)據(jù)層等四個層次。

（1）交互層。交互層主要為輸入和輸出交互操作，是用戶與AR系統(tǒng)交互的接口。輸入操作是用于接收用戶的輸入指令，例如用戶通過鼠標、手勢識別設備或人體跟蹤系統(tǒng)的輸入，捕獲用戶的肢體動作，從而產(chǎn)生指令進行交互。輸入操作則是將框架應用層中處理好的結(jié)果以圖像、文字、解說和觸覺反饋等方式通過顯示器、音響、3D眼鏡等外設反饋給用戶。

（2）服務層。服務層是AR系統(tǒng)的關鍵核心，主要包括AR虛擬樣機建模、設計/仿真數(shù)據(jù)一體化、人機工效分析優(yōu)化、設計方案評估，以及設計工具的開發(fā)使用。

（3）對象層。對象層是用于存儲、維護和管理AR設計系統(tǒng)運行過程中生成的虛擬樣機模型、虛擬人體模型和虛擬環(huán)境模型等對象，主要功能是為相關設計人員提供必要的數(shù)據(jù)支持，完成相關模型數(shù)據(jù)的存取、修改和保存。

（4）資源層。資源層是AR設計系統(tǒng)中所需要的各種類型的軟硬件、數(shù)據(jù)庫以及必需的相關網(wǎng)絡平臺，是AR系統(tǒng)應用的基礎層。

4 AR技術在飛機制造設計中的關鍵技術

AR技術仍在快速發(fā)展。要完成AR技術與飛機設計制造流程的高效融合，實現(xiàn)其大范圍、規(guī)?；膽茫枰黄平鉀Q以下一些關鍵技術。

4.1 基于AR技術的飛機設計制造技術體系

根據(jù)飛機設計制造的實際過程，以AR技術在飛機設計制造各個階段的應用需求為切入點，形成平臺建設方案；研究AR系統(tǒng)與飛機研發(fā)相關集成軟件的關聯(lián)特點，明確數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換的要求，確定數(shù)據(jù)在設計過程中的業(yè)務狀態(tài)控制方法；研究基于AR技術的飛機設計制造應用技術規(guī)范，為其在設計開發(fā)過程中的應用提供技術支持。

4.2 AR系統(tǒng)建模技術

AR建模是以三維建模為基礎，包含幾何設計、物體運動和物理屬性建模等。幾何建模設計是飛機設計制造的基礎，對于相關數(shù)據(jù)的處理必須進行“輕量化”設計以保證消除視覺延遲，防止對設計人員造成模擬障礙。物體運動建模必須要由真實模擬物體、人體的運動、位置狀態(tài)，防止出現(xiàn)物體位置重疊、人體穿墻等不符合自然規(guī)律的現(xiàn)象發(fā)生。物理屬性建模則是對建模物體重量、形變以及表面紋路等物理屬性的表現(xiàn)，是系統(tǒng)中較高層次的建模要求[7]。而在傳統(tǒng)的飛機設計制造中，大都是基于圖紙的設計，極大限制了設計人員的可操作性；在飛機設計制造中采用虛擬產(chǎn)品建模開發(fā)，能夠?qū)μ摂M物體進行構建、設計、制造和分析，使其在工程計算上極大地優(yōu)化工作流程，提高飛機研發(fā)效率。

4.3 人機交互技術

實現(xiàn)三維人機實時交互技術是增強現(xiàn)實應用于飛機設計制造領域中的關鍵。主要難點包含：虛擬物體在真實場景中的定位問題、基于AR設備響應的靈敏度問題、虛擬場景與真實場景疊加與區(qū)分問題、虛擬觸覺反饋問題等。其技術先進而復雜，具有較大挑戰(zhàn)性。

4.4 系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)處理與顯示

對于飛機設計過程中產(chǎn)生的技術資料對其進行信息組織和實現(xiàn)是一種較難解決的問題。在飛機的設計、論證和試制過程中，從整個系統(tǒng)到各個模塊中每一個參數(shù)都是設計人員需要掌握的信息，數(shù)據(jù)量巨大。為了使設計人員及相關工作人員更容易地了解掌握系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)，必須通過不同的信息顯示樣式來表達，主要包括圖形、文字、動畫、虛擬原型機顯示等形式[8]。

4.5 飛機裝配與檢修仿真技術

研究基于AR環(huán)境的模型操作實時交互技術，打造裝配檢修相關人員與虛擬場景的交互基礎；分析以AR技術為基礎創(chuàng)建的環(huán)境中對飛機裝配或檢修效率的驗證與評估，并建立相關評級體系。為飛機的裝配、檢測維修提供更為科學規(guī)范的輔助手段。

5 結(jié)束語

我國在增強現(xiàn)實技術領域的研究起步較晚，在飛機設計制造方面的AR技術研究和應用與國外先進飛機設計技術還有較大差距。隨著互聯(lián)網(wǎng)新時代的快速發(fā)展，AR技術將在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽米兊酶訌V泛。在飛機設計制造方面，如果將AR技術與飛機設計完美結(jié)合，并且在應用上不斷完善創(chuàng)新，必將大幅度降低飛機研發(fā)經(jīng)費，大大縮短研制周期，同時對我國趕超西方先進飛機設計水平具有重大意義。