面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真分析系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及制造仿真領(lǐng)域，尤其涉及一種面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真分析系統(tǒng)及仿真分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]有人參與的空間在軌作業(yè)任務(wù)是載人航天工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，包括載人航天器的在軌裝配與維修、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間有效載荷釋放或回收、空間救援等。目前航天員在軌作業(yè)任務(wù)(包括出艙和艙外活動(dòng))的訓(xùn)練和驗(yàn)證主要在如中性浮力水槽、失重飛機(jī)、艙外活動(dòng)訓(xùn)練模擬器、氣壓艙、脫掛試驗(yàn)臺、氣墊平臺等半實(shí)物仿真大型模擬設(shè)備中進(jìn)行。這種方法的局限性在于系統(tǒng)造價(jià)高、應(yīng)用柔性差、太空微重力環(huán)境模擬差異性大等。
[0003]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指綜合利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和各種特殊的軟、硬件來產(chǎn)生一種可以替代現(xiàn)實(shí)世界和環(huán)境的仿真環(huán)境，并具有沉浸感、交互性及實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬失重特性下虛擬人肢體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)，結(jié)合沉浸式圖形圖像、力覺反饋等感官刺激，可為航天員提供逼真的操作體驗(yàn)?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的微重力環(huán)境下虛擬人在軌作業(yè)任務(wù)仿真分析系統(tǒng)既可用于訓(xùn)練，也可用于任務(wù)規(guī)劃和分析。
[0004]目前，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟和發(fā)展，人們已經(jīng)開始將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入制造仿真領(lǐng)域。如專利“基于航天器裝配仿真技術(shù)的虛擬裝配系統(tǒng)和虛擬裝配方法”(申請?zhí)枮?00810180605，公開號為101739478)構(gòu)建了包括CAD建模模塊、虛擬裝配規(guī)劃模塊、裝配工藝設(shè)計(jì)模塊的虛擬裝配系統(tǒng)，并給出基于航天器裝配仿真技術(shù)的虛擬裝配方法。專利“基于DELMIA環(huán)境下的沉浸式虛擬維修仿真系統(tǒng)虛擬人控制方法”(申請?zhí)枮?01110442411，公開號為102521464)利用二次開發(fā)接口將動(dòng)作捕捉設(shè)備所捕捉的人體動(dòng)作實(shí)時(shí)導(dǎo)入專業(yè)軟件提供的虛擬維修平臺的虛擬人上，有效實(shí)現(xiàn)真人對虛擬人的控制和功效分析。
[0005]上述各類系統(tǒng)和方法存在以下問題:
[0006](I)CAD模型的虛擬現(xiàn)實(shí)渲染均需以固定的格式導(dǎo)入仿真系統(tǒng)，處理過程既耗費(fèi)時(shí)間，又易帶來數(shù)據(jù)的丟失，尤其對于航天器等大型模型；
[0007](2)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的虛擬人及模型均為純幾何而不具備物理屬性，無法構(gòu)建并生成微重力環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)姿態(tài):無論是Delmia、還是自行開發(fā)的仿真軟件，其虛擬人的姿態(tài)庫以及捕獲自空間位置跟蹤系統(tǒng)的真人動(dòng)作均來自正常重力環(huán)境，在缺乏半物理模擬硬件的條件下，無法生成微重力環(huán)境的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真分析系統(tǒng)及仿真分析方法，以通過通用CAD模型的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染，避免模型轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)字樣機(jī)及環(huán)境的快速沉浸式交互評估；通過專業(yè)軟件構(gòu)建微重力環(huán)境并以離線方式生成虛擬人在軌作業(yè)姿態(tài)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)捕捉的實(shí)時(shí)人體動(dòng)作，形成微重力環(huán)境虛擬人操作仿真模擬；將虛擬人操作導(dǎo)入專業(yè)人機(jī)功效分析模塊，完成姿態(tài)分析、疲勞度評估等定量化分析，最終實(shí)現(xiàn)面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真及分析。
[0009]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真分析系統(tǒng)，該面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真分析系統(tǒng)包括:虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊，用于模擬宇航員在軌維修操作中較為復(fù)雜的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)有約束或支撐的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而獲取真實(shí)人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；微重力虛擬環(huán)境構(gòu)建模塊，用于負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)無約束或支撐的自由態(tài)運(yùn)動(dòng)或需全身協(xié)調(diào)的位置轉(zhuǎn)移類運(yùn)動(dòng)，從而獲取虛擬微重力環(huán)境下虛擬人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；虛擬人驅(qū)動(dòng)接口模塊，用于將所述真實(shí)人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和所述虛擬微重力環(huán)境下虛擬人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)導(dǎo)入并驅(qū)動(dòng)作業(yè)任務(wù)仿真分析模塊的虛擬人，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)功效仿真分析；作業(yè)任務(wù)仿真分析模塊，其利用所述虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)通用虛擬場景、空間布局的快速構(gòu)建和預(yù)分析，利用所述虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊和所述微重力虛擬環(huán)境構(gòu)建模塊生成作業(yè)任務(wù)操作流程所需各類動(dòng)作，并進(jìn)行虛擬人動(dòng)作的人機(jī)功效仿真分析，以實(shí)現(xiàn)虛擬人作業(yè)任務(wù)規(guī)劃的反饋優(yōu)化或可行性決策。
[0010]本發(fā)明還提供了一種面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真分析方法，該面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真分析方法包括:步驟1:在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊中，模擬宇航員在軌維修操作中較為復(fù)雜的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)有約束或支撐的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而獲取真實(shí)人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；步驟2:在微重力虛擬環(huán)境構(gòu)建模塊中，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)無約束或支撐的自由態(tài)運(yùn)動(dòng)或需全身協(xié)調(diào)的位置轉(zhuǎn)移類運(yùn)動(dòng)，從而獲取虛擬微重力環(huán)境下虛擬人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；步驟3:在虛擬人驅(qū)動(dòng)接口模塊中，將所述真實(shí)人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和所述虛擬微重力環(huán)境下虛擬人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)導(dǎo)入并驅(qū)動(dòng)作業(yè)任務(wù)仿真分析模塊的虛擬人，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)功效仿真分析；步驟4:在作業(yè)任務(wù)仿真分析模塊中，利用所述虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)通用虛擬場景、空間布局的快速構(gòu)建和預(yù)分析，利用所述虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊和所述微重力虛擬環(huán)境構(gòu)建模塊生成作業(yè)任務(wù)操作流程所需各類動(dòng)作，并進(jìn)行虛擬人動(dòng)作的人機(jī)功效仿真分析，以實(shí)現(xiàn)虛擬人作業(yè)任務(wù)規(guī)劃的反饋優(yōu)化或可行性決策。
[0011]本發(fā)明提供的面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真分析系統(tǒng)及仿真分析方法同現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0012](I)通過虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊，支持將各類CAD場景在不需進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換的情況下實(shí)時(shí)渲染至虛擬現(xiàn)實(shí)，并提供基本交互操作，以輔助實(shí)現(xiàn)通用虛擬場景快速構(gòu)建、空間布局預(yù)分析、虛擬數(shù)字樣機(jī)快速評審、基本操作預(yù)評估等應(yīng)用，避免了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換處理的時(shí)間消耗和數(shù)據(jù)丟失；
[0013](2)針對航天員在軌作業(yè)任務(wù)的兩類工況，分別構(gòu)造虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊和微重力虛擬環(huán)境構(gòu)建模塊，覆蓋作業(yè)任務(wù)各類運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模擬仿真，克服了大型半實(shí)物模擬仿真硬件系統(tǒng)造價(jià)高、應(yīng)用柔性差等缺點(diǎn)，彌補(bǔ)了單純虛擬仿真軟件無法構(gòu)建微重力環(huán)境的缺陷。
【附圖說明】
[0014]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需使用的附圖作簡單地介紹
[0015]圖1為本發(fā)明的面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0016]圖2為本發(fā)明的面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真分析方法流程圖；
[0017]圖3為圖1中的作業(yè)任務(wù)仿真分析模塊的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。
[0019]本發(fā)明提供了一種面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真分析系統(tǒng)及仿真分析方法，以通過通用CAD模型的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染，避免模型轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)字樣機(jī)及環(huán)境的快速沉浸式交互評估；通過專業(yè)軟件構(gòu)建微重力環(huán)境并以離線方式生成虛擬人在軌作業(yè)姿態(tài)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)捕捉的實(shí)時(shí)人體動(dòng)作，形成微重力環(huán)境虛擬人操作仿真模擬；將虛擬人操作導(dǎo)入專業(yè)人機(jī)功效分析模塊，并完成姿態(tài)分析、疲勞度評估等定量化分析，最終實(shí)現(xiàn)面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真及分析。
[0020]圖1所示為本發(fā)明的面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真分析系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)框圖。面向航天器維修的虛擬人作業(yè)任務(wù)仿真分析系統(tǒng)包括:虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊110、微重力虛擬環(huán)境構(gòu)建模塊120、虛擬人驅(qū)動(dòng)接口模塊130、作業(yè)任務(wù)仿真分析模塊140。
[0021]虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊110用于模擬采集宇航員在軌維修操作中較為復(fù)雜的動(dòng)作，如