（人机与环境工程专业论文）起落架虚拟维修中碰撞机理与过程评价方法研究.pdf

中国民航人学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y , v i r t u a l m a i n t e n a n c et e c h n o l o g yh a sb e c o m ead e v e l o p m e n tt r e n do fm o d e mm a i n t e n a n c et e c h n i q u e t h ea i r l i n ec o m p a n yc a nu s et h ev i r t u a lm a i n t e n a n c ee n v i r o n m e n tf o rm a i n t e n a n c ep e r s o n n e l t r a i n i n g i tc a ni m p r o v et h ea b i l i t yo fm a i n t e n a n c ep e r s o n n e l ，r e d u c et h em a i n t e n a n c et r a i n i n g c o s ta n di m p r o v et h et r a i n i n ge f f i c i e n c y a tp r e s e n t ，t h ei n t e r n a t i o n a la i rt r a n s p o r tm a r k e ti si n c r e a s i n g l yc o m p e t i t i v ea n de v e r ya i r l i n e c o m p a n yf a c e sag r e a tp r e s s u r e o no n eh a n d ，i no r d e rt oe n s u r et h es a f ea n dt i m eo p e r a t i o no f a i r c r a f t ，t h ea i r l i n ec o m p a n yn e e d st oc o n d u c tas e r i e so fm a i n t e n a n c ep e r s o n n e lt r a i n i n gw i t h t h em a i n t e n a n c ep e r s o n n e l o nt h eo t h e rh a n d ，t h ea i r l i n ec o m p a n yn e e d st or e d u c et h e m a i n t e n a n c et r a i n i n gc o s ta n di m p r o v e st h et r a i n i n ge f f i c i e n c y t h ev i r t u a lm a i n t e n a n c e t e c h n o l o g yw h i c hi su s e di nt r a i n i n go ft h em a i n t e n a n c ep e r s o n n e lc a ns o l v et h ea b o v e c o n t r a d i c t i o ne f f e c t i v e l y i nt h ep r e s e n t e dp a p e r , t h ea u t h o ru s e st h eb o e i n g7 3 7a i r c r a f tl a n d i n gg e a ra st h es t u d yo b j e c t b a s e do nt h eo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n ga n dv i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g y t h ed e t a i l e d d e s c r i p t i o no ft h ec o m p u t e r - b a s e dl a n d i n gg e a rv i r t u a lm a i n t e n a n c et r a i n i n gs y s t e ms t u d y p r o c e s si s c a r r i e do u tf r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：v i r t u a lm a i n t e n a n c em o d e l i n g ，v i r t u a l m a i n t e n a n c es c e n es i m u l a t i o n ，v i r t u a lm a i n t e n a n c es i m u l a t i o na n dv i r t u a lm a i n t e n a n c e e v a l u a t i o n t h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n st ot h ep r o b l e m sw h i c ha r ee n c o u n t e r e dd u r i n gt h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ev i r t u a lm a i n t e n a n c et r a i n i n gs y s t e ma r ep r o p o s e di nt h e p a p e r a f t e ra n a l y z i n gt h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o do fv i r t u a lm a i n t e n a n c e t r a i n i n gs y s t e m ，t h ek e yt e c h n o l o g i e su s e di nt h es y s t e ma r es t u d i e d f i n a l l y , t h el a n d i n gg e a r v i r t u a lm a i n t e n a n c et r a i n i n gs y s t e mi sr e a l i z e di nt h ec o m p u t e re n v i r o n m e n t t h em a i na c h i e v e m e n t sd u r i n gt h es t u d yi n c l u d e ： ( 1 ) v i r t u a im a i n t e n a n c ee n v i r o n m e n te s t a b l i s h m e n t ，o r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n t ； ( 2 ) m a na n di n t e r a c t i v ev i r t u a lm a i n t e n a n c ee n v i r o n m e n t ； ( 3 ) c o l l i s i o nd e t e c t i o no ft h ev i r t u a lm a i n t e n a n c es c e n e ； ( 4 ) v i r t u a ld i s a s s e m b l ya n da s s e m b l yp r o c e s ss i m u l a t i o n ； ( 5 ) e v a l u a t i o no ft h ev i r t u a lm a i n t e n a n c ep r o c e s sa c c o r d i n g t oa h pm e t h o d ； ( 6 ) i m p l e m e n t a t i o no ft h el a n d i n gg e a rv i r t u a lm a i n t e n a n c et r a i n i n gs y s t e m k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ；v i r t u a lm a i n t e n a n c e ；c o l l i s i o nd e t e c t i o n ；a n a l y t i a lh i e r a r c h y p r o c e s s 中国民航大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究j ：作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得中国民航大学或其它教育机构的学位或证j b 而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国氏航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权中国l 心航人学研究生部办理。 虢蝌一名：蚨札期：一7 中国民航大学硕士学位论文 1 1 论文选题背景和意义 第一章绪论 随着科学技术的进步，现代飞机及其设备结构越来越复杂，对维修技术和维修成本 的要求也越来越高。但是，国际航空运输市场竞争日益激烈，各航空公司一方面需要对 维修人员进行大量培训，提高其维修技能，以便及时有效地对飞机进行维修和维护，确 保飞机正常地、安全地运行；而另一方面需要降低维修人员培训成本和飞机维修成本， 提高维修人员的培训效率。传统的维修培训难以解决上述矛盾，因为传统的维修培训通 常需要结合实物飞机进行，它存在许多的弊端： ( 1 ) 传统的维修培训需要结合实物飞机进行维修训练，而用于培训的飞机的数量、 训练场地和环境等资源有限，因此受训人员数量和操作时间都难以保障，培训效率较低。 另外在维修培训过程中，会造成大量工具、零件、材料的损耗，维修人员的培训成本较 高。 ( 2 ) 对于最新设计生产的新型飞机( 比如空客a 3 8 0 ) ，由于成本、技术等原因导致不 能及时将该类型飞机用于维修人员的培训，从而导致该类型飞机维修培训工作开展的时 间相对比较滞后，这势必造成该类飞机维修能力短缺。 ( 3 ) 在传统的维修培训过程中，受训人员如果操作失误，可能会造成比较严重的后 果和事故，受训人员和培训设备的安全性没有保障。 ( 4 ) 传统的维修培训方式单调，不够多样化。受训人员所遇到的故障和所能体会的 维修操作和维修技术有限，多数情况下只能根据培训老师讲解或者从书本上进行抽象理 解。 2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术、图形图像处理技术以及虚拟现实技术的发展，虚 拟维修技术在国内外引起了广泛的关注，虚拟维修技术已经成为现代维修技术的发展趋 势之一。相对于传统的维修培训，利用虚拟维修技术对维修人员进行培训能够有效地解 决上述问题。 虚拟维修技术利用计算机建立实时的、三维的虚拟维修环境，维修人员可以在计算 机上进行维修预处理，对设备故障进行分析、维修处理。利用虚拟维修环境对维修人员 进行维修培训，相对于传统维修培训方式，突破了时间和空间的限制，可以实现逼真的 设备拆装、故障维修等操作，通过多媒体方式传授维修知识和维修技巧，对于提高维修 人员能力，降低维修培训成本，提高培训效率等具有重要意义。另外，在现代制造业中， 设计人员可以在虚拟环境中通过对产品的维修、零部件的拆卸仿真来发现设计中存在的 维修问题，进行维修性分析，而且可以通过完整的维修过程模拟来辅助维修人员的训练、 生成相应的维修技术手册。 中国民航大学硕士学位论文 总之，研究开发虚拟维修训练系统用于飞机维修人员培训，能够有效地降低培训成 本，提高培训效率，改善一些培训工作相对滞后的状况，对于提高航空公司的经济效益 和市场竞争力具有重要的作用。 1 2 国内外研究现状 从2 0 世纪8 0 年代中后期起，国内外许多大学和研究机构对虚拟现实技术在维修领 域的应用进行了大量研究 6 1 ， 这些研究包括虚拟维修、虚拟样机、虚拟装配拆卸系统 以及虚拟人体模型技术的研究等。 1 2 1 国外研究现状 美国哈勃望远镜( h s t ) 的虚拟维修训练是虚拟维修应用的典范。1 9 9 0 年4 月哈 勃望远镜进入轨道后不久，天文学家发现它的光学系统存在缺陷，n a s a 决定在太空中 完成对h s t 的维修任务。为此，n a s a 专门建立了h s t 的虚拟环境，在该环境下可 以模拟各种维修活动。从1 9 9 3 年9 月到1 9 9 3 年1 2 月，1 0 5 名宇航员参加了训练， 平均每个宇航员训练的时间超过了2 0 0 小时。这是人类历史上第一次大规模地采用虚拟 训练技术完成实际任务。h s t 的维修任务于1 9 9 3 年1 2 月成功完成后，n a s a 对参加 该项维修工作的人员进行了广泛的问卷调查，反馈的信息说明，虚拟环境训练对任务的 完成是非常有效的。 1 9 9 2 年，英国的a r r l ( 先进机器人研究实验室) 在工业界1 6 家企业的支持下， 提出一项虚拟现实仿真计划，首批项目之一就是为罗尔斯罗伊斯公司的飞机发动机建 立模型，以便在设计过程中就能评估发动机维护中容易出现的问题。利用虚拟现实技术， 在相对低的成本下，可以通过视觉和实验，进行故障检测和维修程序学习，而且时间比 以前更快。通过这个项目，公司已经接受了虚拟维修的概念。此后，罗尔斯罗伊斯公 司又开发研究了一个皇家海军舰载原子能推进系统维修训练项目( m o r i s s e y1 9 9 6 ) ，该 项目也是一个运用虚拟现实技术进行维修训练的典型事例，同样这个项目也取得了良好 的军事和经济效益。 1 9 9 5 年，洛克希德马丁战斗机系统( l m t a s ) 的f 1 6 项目面临维修性和人因学方 面的技术问题，公司首先淘汰用来支持多个f 1 6 项目的金属模型，转而利用c a d 进行 维修性和人因学设计评估与验证，其中涉及到通过虚拟维修进行维修性分析与人因工程 分析。从经济角度看，飞机装置的一次重新设计和样式翻新所需要的金属模型的造价就 会超出一个虚拟维修系统的费用。虚拟维修的优势还在于它比金属模型更能够缩短研制 进度。利用金属模型的时候，设计组对模型进行设计审查的准备工作要花费数周时间： 而利用虚拟维修系统，在几天内就可以将模型转换成虚拟维修模型，在一周内就可以将 详细的分析结果返回到设计组。虚拟维修在f 1 6 项目的首次应用是一次挑战性的学习 2 中国民航大学硕十学位论文 过程。通过利用虚拟现实技术，极大地改善了维修性设计技术手段，促进了维修工程人 员与设计人员的信息交流。该公司提出在以后的飞机维修性设计与分析中要广泛采用虚 拟现实技术。 波音公司于2 0 世纪9 0 年代末建立了一个虚拟现实实验室，主要用于对“联合攻 击机( j s f ) 的保障性进行评估和试验。该实验室可以使设计人员在进行设计的同时就 能够了解维修任务是否可行，在飞机设计定型之前，就可以发现潜在的保障性问题。该 实验室的建成与投入使用，有效地避免了由于设计修改而导致的费用支出。美国空军阿 姆斯特朗实验室( a r m s t r o n gl a b ) 与宾夕法尼亚大学联合开发的d e p t h 项目，是采用 可视化和虚拟现实技术进行维修与保障分析的计算机应用系统。该项目的研究主要采用 数字样机与3 d 人体模型技术，提前确定维修过程内容与过程中的人力资源需求、生成 训练辅助材料。通过将维修仿真结果输入i e t m ( i n t e r a c t i v ee l e c t r o n i ct e c h n i c a lm a n u a l ， 交互式电子技术文档) ，使其成为维修手册与维修训练资料的一部分，可以实现在一次 仿真中完成多项与维修相关的任务，大大地减少了以往重复性的开发工作。 1 9 9 8 年，日本京都大学的h i s h i i 等人开发了一个用于快速建立虚拟现实维修训 练系统的工具。该工具提供了一个可视化的p e t r i 网建模工具，用户可通过图形化的界 面建立p e t r i 网来描述维修作业场景中的行为。在此工具中，p e t r i 网描述了非常详细的 场景对象行为，如螺栓移动的条件约束等。通过使用该工具，可以在一定程度上把人们 从繁琐的编码工作中解脱出来。但是，用户需要描述场景复杂的场景状态关系，虚拟场 景中所有的行为都处在同一个细节描述层次上，对于复杂的应用而言建模比较困难。 1 9 9 9 年，加拿大卡尔加里大学的f u h u al i n 等人研究开发了“基于虚拟现实技术 的智能化训练系统”。在f u h u al i n 所提出的用于描述系统框架的多智能体( m u l t i a g e n t ) 框架中，训练作业规划( t p ) a g e n t 负责对维修作业的内容进行处理，采用p e t r i 网技术 来描述具体的维修操作。t p a g e n t 对所有的作业以及作业之间可能的优先级关系都要进 行识别、描述。整个的t p 是通过连接一个处理计划模型与其他基本的手工操作模型来 建立的。这样，改变作业规划可以通过只改变一部分内容( 如处理计划模型) 来实现。 t p 网中的作业内容可以进行层次化分解，直至网络模型中的所有作业都可以表达为一 个具体的动作。f u h u al i n 这部分工作的研究重点在于作业规划的智能化实现，其中的 许多处理方法、思路、结论都可以用于建立虚拟维修中的作业模型。但是，这里的p e t r i 网模型规模较小，只是作为一种维修步骤知识的表达方法，没有充分地考虑采用p e t r i 网 在描述完整的维修过程时所需要处理的模型规模、复杂行为关系表达等问题。 2 0 0 0 年，a f r l 与g e 公司、l o c k h e e dm a r t i n 公司对维护手册的自动化开发方法 进行了研究。该项目命名为s m g ( s e r v i c em a n u a lg e n e r a t i o n ) ，计划为期3 年。s m g 是一种面向维修性工程的新框架。通过尽早地提供浸入感更强的维修过程观察手段， s m g 能够改进维修分析过程，使维修性工程师可以省时、高效地发现并排除严重的产 品设计缺陷。同时，许多以往需要人工进行的维修、装配数据获取工作在此框架下可自 动完成，进而显著地减少了维护手册的开发时间与费用。此外，美国联邦航空局在意识 中国民航大学硕i ：学位论文 到飞机维修保障工业的复杂性和相关人机因素的重要性后，丌展了入因学方面的相关研 究，开发了一个用于飞机维修人员培训的虚拟现实系统，并将该虚拟现实培训系统的效 果与以往的培训系统的效果进行了比较。实验数据表明，虚拟现实技术的运用极大的方 便了各种与飞机维修保障相关的研究活动的开展，并加深了参加培训的维修人员对工效 学和维修过程的理解。美国三大汽车公司( 通用、福特和克莱斯勒) 都在新车型的设计中 进行以实体建模为基础的虚拟现实技术的研究。设计人员可以在虚拟环境中检验车内部 件的设计、安装是否正确。这样，设计人员不必等到新车的实物模型制造出来后才去修 改那些不合理的设计，从而节省了开发时间，提高了生产效率。 2 0 0 1 年，维也纳科技大学的r e i t m a y r 等人研究开发了用于虚拟现实交互的开放软 件结构框架o p e n t r a c k e r 5 3 j 。相对于一般的虚拟现实开发软件包，o p e n t r a c k e r 框架提 供了更加灵活的方式，简化了硬件设备的开发和维护。该软件框架通过基于x m l 的面 向对象技术的开发，允许使用标准的x m l 工具的开发，配置和文件。美国克莱姆森大 学的v o r a ，j e e n a l 等人对虚拟现实技术在飞机检修方面的应用进行了研究【5 4 1 ，开发了基 于虚拟现实的飞机货仓目视检查任务的模拟训练装置，帮助飞机检修人员提高检修能力 和检修效率，并对模拟训练装置的性能进行了评估。 2 0 0 2 年，日本九州工业大学的b e l l a m i n e 等人研究开发了基于互联网和虚拟现实技 术的远程维修系统【5 5 1 ，并对系统的结构、执行过程和优点作了介绍。利用虚拟现实技术 进行远程操作，可以有效的解决远程故障诊断和维修中出现的问题。美国亚利桑那州空 军研究实验室w e n z e l b m 等人，对于空军基地内的虚拟环境安全维修训练设备( v i r t u a l e n v i r o n m e n ts a f e f o r m a i n t e n a n c et r a i n e r ，v e s t ) 进行了培训效果和可用性方面的评 估阳。v e s t 是一个沉浸式虚拟现实环境，能够提供f 1 5 e 战斗机模型的示范、演练、 性能检查等功能。评估的内容包括v e s t 的性能数据和受训学员对培训经历的反馈，从 评估结果来看，v e s t 通过虚拟现实技术为飞机维修学员提供了大量有效的训练和维修 经验。空中客车德国公司的k a s c h 等人进行了虚拟开发环境中人体模型的研列 j ，并将 人体模型用于整个机舱的开发过程。西班牙纳瓦拉大学的a a m u n d a r a i n 等人对虚拟现 实技术在飞机发动机维修方面的应用进行了研究，开发了航空维修性仿真的虚拟现实系 统r e v i m a 4 1 。r e v i m a 系统设计了一个触觉力反馈系统，用于跟踪手部运动和反馈作 用力。r e v i m a 系统的软件部分主要包括：图形生成模块、碰撞检测模块和控制模块： 硬件部分包括2 台互联的p c ，它们协同工作，共享数据和任务。 2 0 0 3 年，美国克莱姆森大学的s h a n n o nr b o w l i n g 等人对利用虚拟现实技术实现飞 机检查训练进行了评估【3 】，描述了如何利用虚拟现实技术支持培训工作和提高检查性能， 并对虚拟场景中故障的表示以及虚拟培训场景中的主要故障进行了研究。美国新墨西哥 州州立大学的j a u r e g u i ，d a v i dv 等人对虚拟现实技术在桥梁日常检查中的应用进行了研 究【5 9 1 ，以创新的方式利用( q u i c k t i m ev i r t u a lr e a l i t y ，q t v r ) 和全景图像制作工具， 记录和报告桥梁日常检查中的观察数据和测量数据。这种虚拟现实的方法使用多媒体方 式记录桥梁的状态，能提供比书面检查报告明显的更高层次的细节。 4 中国民航人学硕1 ：学位论文 2 0 0 4 年，新加坡南洋理工大学研究开发了v - r e a l i s m 维修培训系统1 5 】，该系统基 于桌面式的虚拟现实，采用面向对象的思想，以低成本建立。该系统并不涉及人体模型 在维修仿真培训中的应用，而将重点放在维修路径的规划和演示。系统用户界面的布局 为培训者提供了良好学习环境和操作方便性，上方为常用的操作菜单，左边为结构树窗 口，右边为c a d 模型及图标式的操作菜单，包含了c a d 软件最常用的一些操作；下 方为系统产生的消息窗口，提供系统的输出，与培训人员进行交互。德国蒙坦技术有限 公司的s c h m i d 等人，对虚拟现实教学和培训系统在采矿业中的应用进行了研究【6 0 】，建 立了虚拟现实训练环境。受训人员能够在其中操作大型多钻头钻机、装料机、连续采煤 机等，通过维修系统知识( k b m s ) 中心，可以帮助煤矿进行修理、装配和维修活动。 2 0 0 5 年，美国安柏瑞德航空航天大学的h a r i t o s ，t o m 等人对增强型虚拟现实在航 空航天维修培训中的应用进行了研究【6 1 1 。传统的训练方法，如在职培 i i ( o j t ) ，无法满 足未来航空维修培训的需求，利用增强型虚拟现实( a r ) 培训系统对飞机维修技术人员 ( a m t s ) 进行培训，能够帮助飞机维修技术人员获得更高水平的工作知识和技能。增强型 虚拟现实系统可以使飞机维修技术人员在真实世界的环境中接受培训，能够降低培训成 本。此外，日本九州工业大学的b e l l a m i n e ，m o e z 等人对基于虚拟现实技术的旋转机械 远程故障诊断系统进行了研究1 6 2 1 ，利用2 d 3 d 匹配技术和虚拟现实技术进行远程操作， 收集机械振动数据。 2 0 0 6 年，克莱姆森大学的s a d a s i v a n ，s a j a y 等人对虚拟现实技术在飞机维修培训中 的应用进行了研究和评估畔6 引。相对于传统的在职培训( o j t ) ，基于计算机的培 j i i ( c b t ) 具有多种优势，同时促进培训标准化和支持远程学习。利用c b t 和虚拟现实技术相结 合进行培训，能够有效提高检修人员的能力。在虚拟环境中，研究人员进行离线控制的 研究，方便地收集性能数据和工艺数据。这些研究的结果，可以用来从不同方面了解飞 机的检查过程及其影响因素。利用虚拟现实技术可以在课堂上创建复杂的飞机维修环 境，为学生提供身临其境的感受，这是传统的多媒体技术无法实现的。研究结果表明， 在为期两年的飞机维修技术培训课程中，利用虚拟现实进行教学，为大学生和企业员工 提供了一种创新的、高影响力的模式。 2 0 0 7 年，美国宾夕法尼亚州立大学w h i s k e r ，v a u g h ne 等人研究了虚拟现实技术在 核电反应堆方面的应用1 6 6 1 ，借助沉浸式虚拟现实开发工具c a v e ，开发了新一代核电反 应堆的虚拟样机。利用虚拟现实技术对新一代核电反应堆的设计和施工进行优化，能够 有效降低成本，缩短开发时间。西班牙维戈大学的o l i v e i r a ，d a v i dm a r t i n e z 等人对虚拟 现实技术在工业培训中的应用进行了研究【67 。，开发了用于工业设备维修的虚拟现实训练 系统。工业设备通常是采用c a d 工具设计的，这为创建虚拟现实模型提供了可行性。 c a d 模型通常采用c a d 文件、s t e p 文件等格式，虚拟现实模型通常采用v r m l 文件、 f l t 文件等格式，借助一些商业软件可以实现c a d 模型向虚拟现实模型的转换。根据 虚拟现实模型建立虚拟维修训练环境，借助一些商、i k 软件设计合理的维修训练交互序 列，进一步实现虚拟维修训练系统。 中国民航大学硕士学位论文 2 0 0 8 年，德国科研机构f r a u n h o f e ri n s t i t u t e 的a r e n d a r s k i ，b a r t l o m i e j 等人对虚拟现 实技术在电力系统中的应用进行了研究【6 8 l 。研究结果表明，借助三维可视化的方式对维 修人员进行复杂设备的故障诊断、维修等方面的培训和教育，能够提高职业培训效率。 美国弗吉尼亚理工大学的l u c a s ，j a s o n 等人对虚拟现实培训系统在采矿业中的应用进行 了研究 6 9 1 。采矿业是一个高危险的产业，多数的事故的发生都是人为因素造成的，如不 当的维修保养程序，缺乏有效的培训，或缺乏安全认识等都会造成潜在的危险。为了减 少事故发生次数，利用虚拟现实系统进行安全培训被认为是现行安全培训方式的有效替 代。新加坡国立大学的o n g ，s k 等人对增强型虚拟现实( a r ) 在制造业中的应用进行了 调查研究1 7 。调查结果为研究人员提供了增强型虚拟现实的最新应用和发展现状。增强 型虚拟现实在很多领域都具有良好的应用前景，如军事训练、手术、娱乐、维修、装配、 产品设计和其他制造业等。 总之，国外虚拟现实技术已经在军事、航空航天、汽车制造、采矿业、核工业等领 域进入实用阶段，很多企业和科研机构都在开发基于虚拟现实的维修系统和培训系统， 显示出良好的社会经济效益和应用前景。 1 2 2 国内研究现状 相对于一些发达国家，国内关于虚拟现实技术的研究起步较晚【3 8 l ，但已引起有关部 门的关注和重视。目前国内一些重点院校和科研单位已经积极投入到这一领域的研究， 如清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、西安交通大学、西北工 业大学、上海交通大学、华中科技大学、国防科技大学、南京航空航天大学、南京理工 大学、军械工程学院等。近些年国内虚拟现实技术的一些主要研究成果如下： 2 0 0 0 年，清华大学李实等人研究开发了基于虚拟现实的船舶轮机仿真训练系统【3 9 1 ， 该系统实现了传统船舶轮机仿真系统所无法实现的一些特殊运行情况的模拟，并为训练 者提供真实的临场感觉。北京航空航天大学刘伟等人对虚拟现实技术的应用及发展趋势 做了分析概括和总结1 5o - 。上海交通大学严隽琪、蒋祖华等研究了基于全息产品建模的虚 拟加工1 6 3 1 ，从虚拟产品的科学定义出发，发展出一套全息产品建模的方法。清华大学吴 祚宝、肖田元对虚拟制造环境下有限元分析的应用进行了研究【7 2 j ，提出了以设计为中心 虚拟制造系统的体系结构，分析了虚拟制造环境下有限元分析的特点，并用i d e f lx 方 法描述了有限元分析的信息模型。研究结果表明，有限元分析与虚拟制造系统的集成有 效地减少了产品开发的时间和成本，提高了产品质量。 2 0 0 1 年，上海交通大学范秀敏，马登哲等人虚拟产品制造规划中仿真优化技术进行 了研究【4 0 1 ，提出了将工艺计划和生产计划的集成规划置于制造系统仿真的多级优化环境 框架，并对仿真优化的目标进行层次分类。北京航空航天大学王飞，杨湘龙等研究了虚 拟现实仿真技术及在飞机装配中的应用 7 3 1 ，利用v r m l ( 虚拟现实建模语言) 进行三维环 境构型的基础上，以j a v a 语言设计仿真器并在三维环境下实时驱动对象进行运动，提出 6 中国民航大学硕1 ：学位论文 及完成了基于因特网浏览器的虚拟现实仿真技术方案，达到了虚拟现实仿真的基本要 求。西北工业大学罗冠，郝重阳等人研究了虚拟现实引擎的设计与实现f 川，从引擎的底 层细节开始讨论，侧重引擎实时性的要求，分析、提出了引擎所应具有的“驱动性”、“完 整性”和“独立性”的特征，着重介绍了实时虚拟现实引擎中的若干关键技术。北京航空 航天大学吴威，隋爱娜研究了具有位置力混合控制的虚拟装配模型【7 5 】，采用位置力混 合控制的方法，通过具有力反馈的数据手套在虚拟约束空间中装配虚拟物体可获得触觉 效果，使操纵者感受到操纵的细腻过程，如同操纵者直接与物体相接触一样，达到了虚 拟装配过程的临场感目的。研究结果表明，采用力控制技术可使零件的设计质量、装配 速度得到显著提高。 2 0 0 2 年，北京航空航天大学杨宇航等学者以虚拟现实为基础，提出了装备虚拟维修 训练系统建设的总体方案【4 。军械工程学院研究了基于虚拟现实的装备维修仿真训练系 统，介绍了虚拟装备维修训练的系统的设计思想、总体结构及系统的组成和特点1 4 2 1 。海 军工程大学的一些研究人员研究了设备维修培训虚拟装配系统的关键技术【4 3 1 ，分别从虚 拟设备的建模、虚拟环境立体显示、数据手套为基础的人机交互和3 d 空间复合碰撞检 测四个方面进行了介绍。北京理工大学的姚瑶，宁汝新等人对虚拟现实环境下的产品装 配规划进行了研究1 76 。，分析了系统的功能结构，建立了系统的面向对象的u m l ( u n i f i e d m o d e l i n gl a n g u a g e ，统一建模语言) 模型，给出了虚拟环境下装配约束关系的识别方法， 实现了零部件基于约束的三维空间运动，建立了原型系统，为虚拟环境下的装配工艺规 划奠定了基础。浙江大学的刘振宇，谭建荣，张树有，对基于语义识别的虚拟装配运动 引导进行了研究1 7 7 j ，通过语义识别捕捉虚拟装配过程中用户交互意图，进行装配零部件 的运动引导与精确定位，使得用户能够在虚拟环境中自如地、准确地进行装配定位。从 装配语义元的空间位置属性匹配、空间方向属性匹配、类型属性匹配与参数属性匹配4 个方面进行装配语义的识别。从装配语义的角度识别装配意图，将虚拟装配系统对装配 关系的识别从几何体素层次提高到装配任务层次。相关方法在虚拟装配系统的研究与开 发中得到实现，并应用到汽车发动机部分零部件的虚拟装配中。 2 0 0 3 年，北京航空航天大学刘杰，彭晓源等人进行了飞行器动力学虚拟样机技术研 究【_ 7 8 】，提出了一个支持复杂动力学虚拟样机系统的设计开发集成环境，并对基于运行 时间框架r t i ( r u nt i m ei n f r a s t r u c t u r e ) 的协同仿真环境做了较深入探讨，提出利用数据网 关技术解决实时性能高的仿真子网与协同仿真主干网的互联问题，并总结了动力学虚拟 样机的特点和关键技术。华中科技大学杨彩云，尹文生等研究并论述了注塑机虚拟维修 的体系结构，系统关键技术及其实现【_ 7 9 】，着重描述了基于知识的故障诊断专家系统的构 建原理，并给出了知识库的构造、推理机的设计以及知识库的修改和扩充方法。浙江大 学的刘振宇等人对虚拟环境中基于约束动态解除的产品拆卸技术进行了研究0 1 ，提出虚 拟拆卸过程中配合约束的自动解除方法随着拆卸过程的递进，根据设计者的交互意图， 适时取消零件所受的配合约束，实现了虚拟拆卸过程中零件的约束运动，将运动传感器 检测到的设计者手的实际运动映射到虚拟环境中零件的可自由运动空间，以有效地支持 中国民航大学硕士学位论文 虚拟环境中交互拆卸的完成。 2 0 0 4 年，海军工程大学朱晓军等人对舰船虚拟维修训练系统开发进行了研究【引】， 针对舰船维修训练实际情况，提出了舰船虚拟维修训练的设想，并基于开放源代码虚拟 现实开发平台v rj u g g l e r ，对舰船虚拟维修训练系统进行了开发研究，提出了虚拟维修 训练系统的解决方案和应用实例。哈尔滨工业大学全红艳，刘庆江对虚拟样机工程中的 虚拟现实系统进行了研究瞵2 。，为了提高虚拟现实系统的性能，采用了虚拟场景显示与信 息交换分开的多层体系结构，利用可变长队列数据结构的并行扩展策略来提取虚拟样机 产品的层次结构，并依据计算机视觉原理，利用二维视图和三维场景中点的对应关系， 设计出了性能良好的路径编辑器，在提高v r 系统性能方面提出了切实可行的措施。研 究结果表明，在虚拟样机工程的实践中运用这些方法所设计的虚拟现实系统具有性能高 的特点，证实了这些方法策略的有效性。浙江大学的刘振宇，谭建荣进行了面向过程的 虚拟环境中产品装配建模研究1 83 。，提出了面向过程的虚拟装配建模方法，在虚拟环境中 将装配建模与装配仿真相结合，建立装配关系模型的同时，实现了对装配过程的创建与 仿真，从而在虚拟环境中将面向结果的装配建模发展为面向过程的装配建模。设计者采 用直接三维交互进行装配建模操作的同时，系统通过装配关系识别自动捕捉设计者的装 配设计意图，通过装配约束运动确定零件的装配路径，通过虚拟装配建模过程信息重用 为装配规划提供有效的支持，开发了面向过程的虚拟装配建模原型系统。研究结果表明， 面向过程的虚拟环境中产品装配建模方法有效地提高了产品装配设计的质量与效率。北 京理工大学刘检华，姚瑶等人对虚拟环境下的产品装配工艺规划进行了研究【8 4 j ，分析虚 拟环境下面向集成的装配工艺规划系统结构。对虚拟装配工艺规划的三个核心问题( 装 配模型、装配序列规划和装配路径规划) 进行描述，提出虚拟环境下面向工艺设计的产 品装配模型总体结构。给出虚拟环境下装配约束关系的识别方法，实现了零部件基于约 束的三维空间导航运动。建立原型系统，能够为虚拟环境下的装配工艺规划奠定基础。 上海交通大学武殿梁，杨润党等人基于约束识别和混合建模思想开发了一个虚拟装配系 统( v a e ) 【8 5 】，分析并构建了系统的功能模块和体系结构，研究了特征和网格混合建模、 约束识别和求解以及实时碰撞检测等支撑v a e 的关键技术，据此开发了基于p o w e r w a l l 硬件系统的v a e 原型系统。该原型系统可以完成产品的装配工艺规划和装配操作培训， 并具备简单的参数化几何建模功能。 2 0 0 5 年，军械工程学院蒋科艺、郝建平进行了沉浸式虚拟维修仿真系统的研究，给 出了沉浸式虚拟维修仿真系统的框架，从样机建模和交互技术两个方面对其关键技术进 行了研究，提出了虚拟维修样机的概念，通过定义样机部件的约束运动和交互特征来实 现其要求的功能。对系统在维修性设计分析( 核查) 、维修程序确认和辅助维修训练中的 应用进行了说明，建立了基于j a c k 系统的沉浸式虚拟维修仿真原型系统1 4 4 , 4 5 】。北京航 空航天大学的吕川，徐宏强等人对虚拟维修仿真过程中虚拟人的控制进行了研刭4 引。为 了提高维修仿真的实现效率，提出混合控制的方法及实现结构，即在算法控制虚拟人的 仿真过程中插入虚拟外设控制方式，目的在于充分利用这两种控制方法的优点。对混合 中国民航大学硕士学位论文 控制系统结构进行了描述，分析了两种控制方式之间的转换机制，并用实例加以验证。 研究结论表明，在当前的软硬件技术条件下混合控制方法为实现维修仿真提供了有效的 技术手段。南京航空航天大学的姚正军等人研究了材料变形过程的虚拟仿真技术【8 6 】，应 用计算机模拟技术，结合v r m l 、3 d s m a x 和v b 开发环境，建立了拉伸夹头和游标卡 尺的三维几何模型以及材料的拉伸仿真，实现了材料拉伸过程中实时动态调试与控制的 各种功能。在几何建模、物理建模、三维虚拟场景的组装与仿真的实时操作控制，以及 系统总体设计等方面，为v r 技术在材料科学与工程领域的应用作了有益的探索。北京 理工大学郑轶，宁汝新等人为了解决虚拟装配工艺规划系统实际应用中的问题，提出了 面向虚拟装配的计算机辅助装配工艺规划系统( c a a p p s f v a ) 体系结构，通过功能模型 和信息流模型分析了该体系结构【87 1 ，提出了使用工艺设计树对当前产品结构及其相关工 艺文件进行管理的方法。原型系统的实现表明，该体系结构具有开放性、实用性，能够 满足虚拟装配系统的需求。 2 0 0 6 年，北京航空航天大学的马麟，吕川研究了虚拟维修技术的内涵，给出了虚拟 维修技术的明确定义，并讨论了当前虚拟维修技术研究中的关键问题，提出了可扩展的 虚拟维修应用系统结构，总结了虚拟维修应用系统的搭建流程，为进一步推动虚拟维修 技术的应用奠定了较好的基础【2 j 。周栋，吕川提出并建立了维修任务仿真管理模型 m t n ( m a i n t e n a n c et a s kn e t ) ，构建m t n 模型框架并建立基本功能模块，同时阐述了m t n 建模的3 个要素：状态、活动和条件。基于状态描述各种维修资源，基于活动定义维修 动作行为，基于条件建立资源与活动间约束关系。进一步阐述m t n 驱动虚拟场景进行 维修仿真，同时控制管理整个维修仿真过程。研究表明，该模型对实际工程中维修工作 分析评价的开展具有一定的实用价值。清华大学的杨宇航等人应用桌面虚拟现实技术研 究开发了一个导弹维修训练系统( m r s ) 4 7 】，该系统可以根据不同的维修对象和任务建立 相应的维修训练系统。南京理工大学的苏群星，刘鹏远提出基于虚拟现实技术、虚拟样 机技术和过程仿真技术的大型复杂装备虚拟维修训练系统设计方法。将系统划分为虚拟 样机和虚拟维修过程仿真控制两大部分，虚拟维修仿真控制又包括虚拟环境生成和输 出、人机交互、维修任务控制和虚拟样机及工具行为状态控制等4 个模块，阐述每部分 的组成和实现方法【5 0 】。在此基础上，重点研究基于维修知识描述网( m k d n ) 的维修知识 描述方法，设计沉浸式虚拟维修训练系统仿真控制流程。军械工程学院的解璞等人提出 虚拟维修训练系统中新的场景图结构【2 4 。，新的场景图的结构由物体、表面和多边形组成。 虚拟对象的行为特征由4 元结构表示，虚拟对象之间的状态转换通过p e t r i 网描述。物 体表面间的碰撞检测采用场景图实现，考虑并解决了碰撞检测中的限制问题。柳辉、郝 建平提出了基于虚拟维修仿真的维修性分析系统的结构框架，并进行了系统的设计，系 统主要由虚拟维修样机模块、维修仿真模块、维修性分析与评价模块以及系统管理模块 等4 个功能模块组成【4 6 1 。 2 0 0 7 年，华中科技大学唐力，张新访对虚拟维修拆卸层次与维修空间划分方法进行 了研究【3 3 】，提出了虚拟维修过程中拆卸的实现方法，可适用于多层次的拆卸和装配过程， 9 中国民航大学硕士学位论文 研究结果表明，该方法简化了虚拟维修的拆卸过程，提高了虚拟维修系统的实时性，有 效地解决了复杂机电设备虚拟维修过程的实时性问题。海军工程大学的王政，朱晓军， 闵少松提出基于p e t r i 网手部维修动素模型f 9 3 】，将虚拟维修手部动作根据维修操作封装 为若干动素单元的组合，降低了仿真计算的难度，从而提高手部动作控制的精确性。闵 少松，朱晓军对面向对象的虚拟维修性分析中零件信息建模方法进行了研究 9 4 】，采用面 向对象建模的方法，在研究维修活动的基础上，利用逆向思维将维修活动中的维修对象 即零部件作为维修活动的主体，借用计算机语言中类的定义方式，将零部件的各种数据 定义为类的相应属性值，将零部件在维修活动的被动行为定义为零件类的动作函数，将 维修作业中维修动作的人为判断变成基于零件属性的自动判断，并给出了基于这种建模 方式的虚拟环境中自动维修仿真作业的实现过程。结果表明，虚