面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统及仿真分析方法。该面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统包括虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块，用于模拟宇航员在轨维修操作中较为复杂的动作，从而实现有约束或支撑的运动，进而获取真实人运动姿态；微重力虚拟环境构建模块，用于负责实现无约束或支撑的自由态运动或需全身协调的位置转移类运动,从而获取虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态；作业任务仿真分析模块，其实现通用虚拟场景、空间布局的快速构建和预分析，生成作业任务操作流程所需各类动作，并进行虚拟人动作的人机功效仿真分析，以实现虚拟人作业任务规划的反馈优化或可行性决策。

【技术实现步骤摘要】
面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统及方法
本专利技术涉及制造仿真领域，尤其涉及一种面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统及仿真分析方法。
技术介绍
有人参与的空间在轨作业任务是载人航天工程的关键技术之一，包括载人航天器的在轨装配与维修、空间科学实验、空间有效载荷释放或回收、空间救援等。目前航天员在轨作业任务(包括出舱和舱外活动)的训练和验证主要在如中性浮力水槽、失重飞机、舱外活动训练模拟器、气压舱、脱挂试验台、气垫平台等半实物仿真大型模拟设备中进行。这种方法的局限性在于系统造价高、应用柔性差、太空微重力环境模拟差异性大等。虚拟现实技术是指综合利用计算机系统和各种特殊的软、硬件来产生一种可以替代现实世界和环境的仿真环境，并具有沉浸感、交互性及实时性的特点。利用虚拟现实技术模拟失重特性下虚拟人肢体姿态和运动，结合沉浸式图形图像、力觉反馈等感官刺激，可为航天员提供逼真的操作体验。基于虚拟现实的微重力环境下虚拟人在轨作业任务仿真分析系统既可用于训练，也可用于任务规划和分析。目前，随着虚拟现实技术的成熟和发展，人们已经开始将虚拟现实技术引入制造仿真领域。如专利“基于航天器装配仿真技术的虚拟装配系统和虚拟装配方法”(申请号为200810180605，公开号为101739478)构建了包括CAD建模模块、虚拟装配规划模块、装配工艺设计模块的虚拟装配系统，并给出基于航天器装配仿真技术的虚拟装配方法。专利“基于DELMIA环境下的沉浸式虚拟维修仿真系统虚拟人控制方法”(申请号为201110442411，公开号为102521464)利用二次开发接口将动作捕捉设备所捕捉的人体动作实时导入专业软件提供的虚拟维修平台的虚拟人上，有效实现真人对虚拟人的控制和功效分析。上述各类系统和方法存在以下问题：(1)CAD模型的虚拟现实渲染均需以固定的格式导入仿真系统，处理过程既耗费时间，又易带来数据的丢失，尤其对于航天器等大型模型；(2)虚拟现实环境的虚拟人及模型均为纯几何而不具备物理属性，无法构建并生成微重力环境下的运动姿态：无论是Delmia、还是自行开发的仿真软件，其虚拟人的姿态库以及捕获自空间位置跟踪系统的真人动作均来自正常重力环境，在缺乏半物理模拟硬件的条件下，无法生成微重力环境的运动姿态；
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于提供一种面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统及仿真分析方法，以通过通用CAD模型的虚拟现实实时渲染，避免模型转换，实现虚拟数字样机及环境的快速沉浸式交互评估；通过专业软件构建微重力环境并以离线方式生成虚拟人在轨作业姿态，结合运动捕捉系统捕捉的实时人体动作，形成微重力环境虚拟人操作仿真模拟；将虚拟人操作导入专业人机功效分析模块，完成姿态分析、疲劳度评估等定量化分析，最终实现面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真及分析。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统，该面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统包括：虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块，用于模拟宇航员在轨维修操作中较为复杂的动作，从而实现有约束或支撑的运动，进而获取真实人运动姿态；微重力虚拟环境构建模块，用于负责实现无约束或支撑的自由态运动或需全身协调的位置转移类运动,从而获取虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态；虚拟人驱动接口模块，用于将所述真实人运动姿态和所述虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态导入并驱动作业任务仿真分析模块的虚拟人，以实现人机功效仿真分析；作业任务仿真分析模块，其利用所述虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块实现通用虚拟场景、空间布局的快速构建和预分析，利用所述虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块和所述微重力虚拟环境构建模块生成作业任务操作流程所需各类动作，并进行虚拟人动作的人机功效仿真分析，以实现虚拟人作业任务规划的反馈优化或可行性决策。本专利技术还提供了一种面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析方法，该面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析方法包括：步骤1：在虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块中，模拟宇航员在轨维修操作中较为复杂的动作，从而实现有约束或支撑的运动，进而获取真实人运动姿态；步骤2：在微重力虚拟环境构建模块中，负责实现无约束或支撑的自由态运动或需全身协调的位置转移类运动,从而获取虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态；步骤3：在虚拟人驱动接口模块中，将所述真实人运动姿态和所述虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态导入并驱动作业任务仿真分析模块的虚拟人，以实现人机功效仿真分析；步骤4：在作业任务仿真分析模块中，利用所述虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块实现通用虚拟场景、空间布局的快速构建和预分析，利用所述虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块和所述微重力虚拟环境构建模块生成作业任务操作流程所需各类动作，并进行虚拟人动作的人机功效仿真分析，以实现虚拟人作业任务规划的反馈优化或可行性决策。本专利技术提供的面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统及仿真分析方法同现有技术相比的优点在于：(1)通过虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块，支持将各类CAD场景在不需进行格式转换的情况下实时渲染至虚拟现实，并提供基本交互操作，以辅助实现通用虚拟场景快速构建、空间布局预分析、虚拟数字样机快速评审、基本操作预评估等应用，避免了数据格式转换处理的时间消耗和数据丢失；(2)针对航天员在轨作业任务的两类工况，分别构造虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块和微重力虚拟环境构建模块，覆盖作业任务各类运动姿态模拟仿真，克服了大型半实物模拟仿真硬件系统造价高、应用柔性差等缺点，弥补了单纯虚拟仿真软件无法构建微重力环境的缺陷。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍图1为本专利技术的面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统的结构框图；图2为本专利技术的面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析方法流程图；图3为图1中的作业任务仿真分析模块的工作流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。本专利技术提供了一种面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统及仿真分析方法，以通过通用CAD模型的虚拟现实实时渲染，避免模型转换，实现虚拟数字样机及环境的快速沉浸式交互评估；通过专业软件构建微重力环境并以离线方式生成虚拟人在轨作业姿态，结合运动捕捉系统捕捉的实时人体动作，形成微重力环境虚拟人操作仿真模拟；将虚拟人操作导入专业人机功效分析模块，并完成姿态分析、疲劳度评估等定量化分析，最终实现面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真及分析。图1所示为本专利技术的面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统100的结构框图。面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统包括：虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块110、微重力虚拟环境构建模块120、虚拟人驱动接口模块130、作业任务仿真分析模块140。虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块110用于模拟采集宇航员在轨维修操作中较为复杂的动作，如身体限定上肢活动、脚限定上肢活动、手限定直体活动，对应实现仪表板操作、开关舱门、辅助交互对接、更换设备等作业任务，从而实现有约束或支撑的运动，进而获取真实人运动姿态。虚拟现实实时渲染及运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统，其特征在于，所述面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统包括：虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块，用于模拟宇航员在轨维修操作中较为复杂的动作，从而实现有约束或支撑的运动，进而获取真实人运动姿态；微重力虚拟环境构建模块，用于负责实现无约束或支撑的自由态运动或需全身协调的位置转移类运动,从而获取虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态；虚拟人驱动接口模块，用于将所述真实人运动姿态和所述虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态导入并驱动作业任务仿真分析模块的虚拟人，以实现人机功效仿真分析；作业任务仿真分析模块，其利用所述虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块实现通用虚拟场景、空间布局的快速构建和预分析，利用所述虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块和所述微重力虚拟环境构建模块生成作业任务操作流程所需各类动作，并进行虚拟人动作的人机功效仿真分析，以实现虚拟人作业任务规划的反馈优化或可行性决策。

【技术特征摘要】
1.一种面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统，其特征在于，所述面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统包括：虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块，用于模拟宇航员在轨维修操作中较为复杂的动作，从而实现有约束或支撑的运动，进而获取真实人运动姿态；微重力虚拟环境构建模块，用于实现微重力虚拟场景构建、物理属性建模、约束关系建模、虚拟人姿态设置、运动操作设计，从而获取虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态；虚拟人驱动接口模块，用于将所述真实人运动姿态和所述虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态导入并驱动作业任务仿真分析模块的虚拟人，以实现人机功效仿真分析；作业任务仿真分析模块，其利用所述虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块实现通用虚拟场景、空间布局的快速构建和预分析，利用所述虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块和所述微重力虚拟环境构建模块生成作业任务操作流程所需各类动作，并进行虚拟人动作的人机功效仿真分析，以实现虚拟人作业任务规划的反馈优化或可行性决策；其特征在于，所述虚拟现实实时渲染及运动数据采集模块进一步包括：虚拟现实硬件模块，其为沉浸式虚拟现实环境的创建提供硬件支持，辅助真人利用实现尽可能接近在轨真实情况的各类运动操作，并捕捉人体实时动作，同时，为通用虚拟场景构建、空间布局分析、虚拟样机快速评审提供真实体验支撑；虚拟现实实时渲染模块，用于支持将各类CAD场景在不需进行格式转换的情况下实时渲染至虚拟现实，并提供基本交互操作，以辅助实现通用虚拟场景快速构建、空间布局预分析、虚拟数字样机快速评审、基本操作预评估，所述虚拟现实实时渲染模块进一步包括：多通道展示模块，其采用Techviz软件中的TechvizXLBasiclicense基本模块及TechvizXL双通道主动立体节点将各类CAD场景在不需进行格式转换的情况下实时渲染至虚拟现实，将当前虚拟场景进行高分辨率的可视化，同时支持多种虚拟现实显示方案，包括数据头盔、硬屏，其中，所述数据头盔和所述硬屏分别提供操作者视角及第三者评审视角；视角跟踪导航模块，其采用Techviz软件中的NavigationOption基本导航模块和TrackingOption高级跟踪模块提供视角跟踪导航功能，通过三维空间手柄、主视角3D眼镜，实现系统视角或虚拟场景的自由导航，并可进行人体位置跟踪；交互浏览评估模块，其采用Techviz软件中的DMU1和DMU2模块提供交互浏览评估功能，用以辅助操作者利用三维空间手柄实现对虚拟场景评估，提供书签功能、测量功能、剖面功能、缩放功能、注释功能、隐藏和显示组件功能、快照功能；虚拟装配模块，其采用Techviz软件中的虚拟装配模块，允许操作者对虚拟场景中的任一部件进行交互式移动，看到拆装移动过程的碰撞情况并对路径进行记录，为虚拟场景快速布局的预分析、以及装配、拆卸、维修操作的预评估提供支撑。2.根据权利要求1所述的面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统，其特征在于，所述虚拟人驱动接口模块进一步包括：第一虚拟人驱动接口，对应于有约束或支撑的运动工况，将所述真实人运动姿态以实时方式导入并驱动所述作业任务仿真分析模块的虚拟人；第二虚拟人驱动接口，对应于无约束或支撑的自由态运动或需全身协调的位置转移类运动工况，将所述虚拟微重力环境下虚拟人运动姿态以离线方式导入并驱动所述作业任务仿真分析模块的虚拟人。3.根据权利要求1所述的面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统，其特征在于，所述通用虚拟场景构建及空间布局分析在虚拟现实实时渲染模块的支撑下可快速构建符合真实舱内或舱外活动的作业任务场景；操作流程规划及碰撞检测用以...

【专利技术属性】
技术研发人员：万毕乐，吴星辉，贺文兴，徐奕柳，王再成，宋晓晖，刘哲，邢帅，刘智斌，郑鹏，张立建，张强，李鹏，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11