载人潜水器VR系统研究及工程应用.pdf
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1、引言风浪流、海底地形地貌等诸多未知变化因素,对潜航员的作业操作提出了更高的要求。近年来利用虚拟现实技术(VR),构建沉浸式交互体验平台,真实地模拟深海环境及海底作业过程,成为辅助设计人员开展设计、潜航员开展操作训练的有效手段1。目前,国内外主要开展了可视化深海机器人视景仿真研究、深潜器虚拟运动仿真系统和训练模拟器等方面的研究。美国海军研究生院为水下机器人“Phoenix”建立了三维水下虚拟视景,可以实时模拟水下实际环境的一些显著特征2;日本东京大学在水下机器人虚拟视景仿真方面构造了多个型号机器人的仿真模型,包括“ALBAC”、“TWIN-BURGER”等自主式水下机器人,并在仿真环境下进行调试
2、3-4;中国船舶科学研究中心通过 MultiGen Creator 和 Vega 仿真软件平台开发出一套深海机器人视景仿真系统5,并在中国科学技术馆展馆项目上获得成功应用;中科院沈阳自动化研究所通过运动仿真和控制系统完成了排爆机器人教学模拟训练系统6-7;哈尔滨工程大学基于虚拟现实的最新成果研制开发高度逼真的潜艇航行训练系统8。本文分析了载人潜水器 VR 系统研发的关键技术,介绍了我国具有自主知识产权的载人潜水器 VR 系统设载人潜水器VR系统研究及工程应用钱卫东1,管芳景2,3,徐 源1,林 达1(1.中国船舶科学研究中心,江苏 无锡 2140822;无锡环境科学与工程研究中心,江苏 无锡
3、214153;3.无锡城市职业技术学院 物联网工程学院,江苏 无锡 214153)摘 要:本文介绍具有自主知识产权的深海载人潜水器VR系统研发情况。在对国内外潜水器视景系统最新发展动态分析的基础上,以应用需求为驱动,开展深海载人潜水器 VR 系统顶层设计,确定了研究目标、主要研究内容,进行了关键技术分析,给出了系统研发的总体思路。VR 系统在“深海勇士号”载人潜水器的应用示范结果表明,载人潜水器 VR 系统的建立,可显著缩短设计周期,降低研制中的试验成本。关键词:载人潜水器;VR 模型体系;人机工程分析;VR 多人协同中图分类号:U665.2 文献标识码:A DOI:10.19727/ki.c
4、bwzysc.2023.06.019引用格式钱卫东,管芳景,徐源,等.载人潜水器 VR 系统研究及工程应用 J.船舶物资与市场,2023,31(6):58-60.计方案,以及在国产 4500 m 级深海载人潜水器“深海勇士”号上的应用情况。1 深海载人潜水器 VR 系统关键技术1.1 VR 系统模型体系构建技术VR 系统模型是潜水器 VR 系统的重要组成要素。VR 系统模型主要由以下部分组成:1)用于虚拟设计的潜水器三维几何模型;2)潜水器航行运动仿真的数学模型;3)用于 VR 虚拟场景的海洋地形、地貌、热液喷口、深海生物、钴结壳等环境模型;4)用于人-机-环评估的人体数据模型、光照模型等。针
5、对深海载人潜水器仿真设计、制造与培训等不同阶段的 VR 系统需求,进行模型需求分析,识别建模及模型转换关键点,形成潜水器 VR 系统模型体系,同时考虑模型的重用性、可扩展性与可维护性,建立标准,最终形成 VR 系统模型库,支撑 VR 系统研发。1.2 VR 人机工程分析与评价技术基于虚拟现实、人机操作分析、动作捕捉等技术,在 VR 环境中,将动作捕捉映射到潜水器的操控识别,形成载人潜水器的虚拟人模型和虚拟操控模型,这些模型作为人机工程学建模和评价的基础。之后开展数字化设计、制造及仿真验证,并最终返回到 VR 系统开展操作台舒适性、装配合理性及人-机-环境健康性等人机收稿日期:2022-12-1
6、5基金项目:国家重点研发计划资助项目(2018YFC0309300)作者简介:钱卫东(1985-),男,硕士,高级工程师,研究方向为船舶 CAE、船舶信息化。第 6 期 59 工程验证。该技术主要包括基于人机交互驱动的载人潜水器虚拟样机建模和基于动作捕捉-操作识别的人机工程学建模。1)基于人机交互驱动的载人潜水器虚拟样机建模研究 NURBS 曲面模型转化为多边形网格模型技术,可快速将 CATIA 模型(如海水泵、机械臂、推进器等载人潜水器关键部件数字模型)导入 VR 系统,实现虚拟场景中六自由度查看模型,通过自然的手部交互方式,体验缩放、旋转、剖面等功能的操作感受,寻找模型中不合理的设计进行改
7、进,更新到设计模型上。还可以进行虚拟装配,研究设计的可装配性,寻找不合理的设计点并进行修改。开展人-机-环境设计的评价,评价人员可以在不同距离、不同光线和不同场景下观看设计,通过在空间画出不同粗细和颜色的线条表达各种信息。基于人机交互驱动的载人潜水器虚拟样机建模技术实现了模型的导入、模型的交互以及对设计模型的更新等功能。2)基于动作捕捉-操作识别的人机工程学建模及评价基于沉浸式虚拟现实、人机操作分析、动作捕捉等技术,将设计制造及评价子系统中的操作动作进行捕捉,将动作捕捉映射到潜水器的操控识别,形成载人潜水器的虚拟人模型和虚拟操控模型,这些模型可以作为人机工程需建模和评价的基础,然后利用人机工程
8、学原则开展数字化设计、制造及仿真验证。1.3 大范围高精度手部动作交互技术在载人潜水器 VR 系统中,手势交互设备是重要的交互方式。目前的手势交互主要设备包括机械式交互手套、计算机视觉手势识别设备和惯性交互手套。本系统结合高精度计算机视觉和大空间范围惯性交互手套的优势,使用多传感器融合技术,实现大范围高精度手部运动捕捉。1.4 多人多遮挡追踪定位技术遮挡是影响定位追踪的主要因素,在载人潜水器VR 系统设计中需重点考虑。本系统中要求有 3 名人员在小空间范围进行操控,其遮挡会时常发生,需要充分利用惯性、光学、计算机视觉等多种手段,进行多传感器融合算法的研发,实现多人多遮挡情况下的人体动作捕捉。该
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