“传感器与测试技术”中的虚拟实验研究

面向飞行器设计与工程专业本科生,将“传感器与测试技术”课程与航空航天应用相结合,能够加深学生对传感器原理的理解、提高对测试技术的掌握,并促进理论和实践的联系。以飞行器结构无损检测的具体应用为基础,开展了结构虚拟检测实验平台的建立,探讨了虚拟实验在课程中运行和评测的方式,满足了学生动手操作实验的需求,实现了知识和应用的融合,促进了学生自主和探索式的学习。

基于虚拟手交互的航天员虚拟装配训练仿真方法

针对我国载人航天任务中的航天员虚拟训练需求,提出了一种基于虚拟手交互的航天员虚拟装配训练仿真方法。该方法利用Leap Motion设备采集的手部信息,构建出符合人手结构特征的虚拟手进行训练交互,提出了交互按钮设计方法和抓取规则,以某在轨装配设备的装配训练需求为依据建立虚拟装配训练系统,并设计了主、客观评价实验及其评价标准。实验结果表明,该交互按钮设计方法与抓取规则适用于航天员虚拟训练的交互要求,与传统的手册学习训练方法相比,该基于虚拟手交互的航天员虚拟装配训练方法具有更高的训练沉浸感和主观认可度,训练效率高,效果好。

基于虚拟现实的太空操作仿真技术研究

为了降低现有地面设备在训练航天员操作效果方面与实际太空操作的较大差异性,提出一种新的训练手段-基于虚拟现实的太空操作仿真,分析其意义、研究内容,讨论实现方法,给出虚拟现实实现系统原理和仿真流程图并作简单分析,构建太空操作仿真的原型系统和试验基础平台。最后通过实例验证该系统及其仿真方法的有效性和实用性。

航天员虚拟训练系统可用性实验研究

目的为了查找系统中存在的问题,提升系统的可用性,对一套航天员虚拟训练系统进行可用性评估。方法设计了一份可用性主观问卷,综合运用用户测试法、事后问卷调查法和访谈法,从任务绩效、易学性、易用性、交互性、沉浸感、学习有效性、舒适性、满意度及副作用等指标开展实验研究。结果系统在任务绩效测试中已满足基本要求;易学性、易用性、交互性、沉浸感、学习有效性等指标显著高于中值3分,副作用程度较低,具备较好的可用性。结合访谈结果,对系统中存在的问题进行了挖掘,获得系统开发人员较高认可度,可为系统改进提供参考。结论该评估实验可为系统可用性的提升提供指导。

载人航天器虚拟维修环境的设计与实现

文章详细介绍了载人航天器虚拟维修流程和虚拟维修环境的构建方法及其在软件环境中的实现,并利用此方法对"天宫一号"在轨更换操作的全过程进行了仿真分析,得到了仿真的操作流程、可视/可达性和物品通过性的分析结果。结果表明,该虚拟维修环境可有效仿真设备的维修操作流程,满足载人航天器维修性设计验证需求。

面向航天虚拟操作分析的航天员人体建模与姿态仿真技术

目的建立支持虚拟操作分析的航天员三维人体模型。方法研究了层次化、关节化和参数化人体建模方法;通过CATIA软件建立人体骨骼层、皮肤层和服饰层静态模型,并将其导入到JACK环境当中进行关联处理,赋予人体关节运动特性。结果生成了可根据百分位和各体段参数进行调整的航天员模型,并实现了姿态仿真。结论建立的航天员人体模型具有几何外观特性和基本动力学特性,结合JACK软件环境,可以实现航天操作的可视性、可达性、疲劳度等分析。

航天员太空协同操作虚拟训练仿真系统研究

针对多名航天员在太空完成协同操作的实际需求,借助于虚拟现实技术在地面模拟一个太空协同操作训练系统。提出并实现航天员太空协同操作训练仿真系统结构、软件组成、仿真流程、协同仿真策略及网络通信协议。该系统能支持多名航天员逼真地模拟太空协同操作训练任务、能实现各参训航天员计算机虚拟场景的实时一致、能处理访问冲突问题。最后,以仿真神七任务两名航天员协同完成"取载荷—传递载荷—接收载荷"的操作应用实例验证该操作仿真系统,并对操作响应时间进行分析,数据显示满足操作实时性要求,该试验验证了该系统的合理性和有效性。

基于体态识别的航天员虚拟训练仿真技术研究

以未来空间站任务建设虚拟现实训练器为需求,为了最大限度地降低虚拟现实设备穿戴给航天员带来的额外束缚,提出了一种新的基于体态识别的航天员虚拟训练仿真系统:采用平行双目视觉原理和偏振立体电视实现立体图像的生成与显示;采用人体三层模型实现虚拟航天员表达,采用骨骼动画实现人体典型动作自动演示、Kinect实现人机交互过程中人体跟踪和运动控制,适合于空间站任务航天员训练、工效验证、典型流程演示等人机交互应用。

国家级虚拟仿真实验教学项目建设与思考

虚拟仿真实验教学是通过多媒体技术、人机交互技术、计算机编程技术、网络信息技术等多个门类交叉协同实现的结果,是高等教育信息化建设的重要内容。虚拟仿真实验教学可以针对高额成本、高危险和不可逆操作、极端环境、大型综合训练等真实实验无法完成的情况进行虚拟仿真化处理,文章从虚拟仿真实验教学项目的建设目的意义、主要建设的学科门类、网络建设、开放共享等方面进行了总结和思考。

航天员虚拟训练中的一维直线运动速度规划算法

研究了身穿航天服的航天员在搬运物体时的运动规律,将搬运物体的过程进行了分类。结合传统的六段加减速算法,对每种情况下的肌肉激活度进行了规划,并采用粒子群算法进行求解。利用Matlab/Simulink搭建了上肢骨骼肌模型,实现了目标物体的速度规划。将动态加速度约束转变为静态肌肉激活度约束,提出了一种在动态加速度约束下基于肌肉激活度规划的速度规划算法。用Matlab对提出的算法进行了验证,证明了算法的可行性。与其他的速度规划算法相比,提出的算法所规划的肌肉激活度更符合人体生物力学,提高了航天员的训练效率。

浅谈航空航天工程方向虚拟仿真实验教学

虚拟仿真技术发展迅速,在各行各业的应用发展趋势良好。文章从虚拟仿真技术在实验教学方面的应用入手,从什么是虚拟仿真、为什么要开展虚拟仿真实验教学、虚拟仿真技术在航空航天工程方向实验教学的发展现状以及如何开展虚拟仿真实验教学等问题进行了简单阐述。

虚拟航天员多层次运动仿真模型研究与实现

为解决虚拟现实训练中航天员模型实时交互控制和失重运动仿真等问题,提出了一种多层次运动仿真模型,在运动控制层实现运动跟踪,并构建标准化人体运动模型;物理控制层采用物理引擎建立人体多刚体动力学模型;规则控制层为不同的运动方式制定相应规则,显示层使用骨骼蒙皮技术提升显示效果。通过各层次组合的方式,共同实现了虚拟航天员的交互运动仿真。通过两个应用实例,证明了该层次化组合模型实现的虚拟航天员运动,可同时实现实时交互控制、失重运动仿真、交互操作仿真、太空行走仿真以及较好的显示效果,并适用于多种任务场景的航天员训练。

航天测量船通用测试平台设计

结合航天测量船特点,为了提高设备的维护保养和故障诊断效率,提升应急处置能力。在此采用基于虚拟仪器技术的方法,提出了测试平台的总体设计思想以及软硬件设计。针对种类繁多的测控设备,测试系统具有高度智能化和广泛通用性的特点,可完全应用于全测控网设备,夯实了测量船执行任务的基础。测试系统提供了友好的人机交互界面,使整个测试过程操作方便,获得较好的实际应用效果,拓展了任务准备的可操作性。

航天员舱外活动虚拟现实训练系统研究

虚拟现实训练系统为舱外作业提供直观、逼真的视觉场景,是重要的舱外作业训练设备。针对航天员舱外作业训练需求,提出虚拟现实训练系统的总体结构,实现了基于物理的三维场景渲染、安全绳交互操作仿真、多人协同操作仿真等关键技术,构建虚拟现实训练系统并应用于舱外作业训练。对照SZ-12任务两次出舱活动,进行了航天员舱外作业训练感知一致性对比分析和航天员使用问卷调查。结果表明:该系统具有视觉感知一致性、操作感知近似性、听觉感知一致性、运动感知近似性的特点,已应用于SZ-12、SZ-13任务航天员的训练、机械臂联合演练及舱外协同指挥程序演练等。

PhysX物理引擎在航天员虚拟现实训练系统中的应用

为了在航天员虚拟现实训练系统中仿真太空失重状态下人体及物体运动特性,提出了一种基于PhysX物理引擎的仿真方法,利用PhysX物理引擎结合数据手套和位置跟踪仪等人机交互设备建立了基于碰撞体的可驱动虚拟人模型,并通过PhysX物体引擎实现了太空操作中人体与飞船及被操作物体之间的碰撞检测,完成了手部接触力计算及力反馈设备与PhysX接口。最后,对所建立的模型及方法进行了仿真验证。仿真结果表明,利用所建立的方法可有效仿真人体及物体运动,增强了虚拟现实训练系统的沉浸感和真实感。

交互方式对航天员虚拟训练效率和体验影响研究

目的研究不同交互方式对航天员虚拟训练效率和体验的影响,制定更好的航天员虚拟训练交互方案。方法针对选择/操纵类虚拟交互任务,设计用户实验,对比研究航天员虚拟训练过程中动作捕捉手套和交互手柄两种交互方式的差异。通过比较任务完成时间,客观比较两种交互方式的交互效率,同时通过主观量表比较两种交互方式的用户体验。结果两种交互方式在不同类型任务中交互效率不同;动作捕捉手套用户体验评分更高,但交互手柄也能带来出色的体验。结论在航天员虚拟训练系统开发过程中,应该优先根据任务类型选择交互方式,以更高的交互效率保证航天员虚拟训练效率。

航天员虚拟交互操作训练多体感融合驱动方法研究

针对航天员虚拟训练中的人机自然交互问题,基于体态/手势识别和人体运动特性,提出一种多通道数据融合的虚拟驱动与交互方法。结合Kinect设备能够完整识别人体姿态特点及Leap Motion设备能精确识别手势姿态的优势,提出了基于判断的数据传递方法,在人体关节识别的基础上对手部关节进行识别与数据处理计算,采用多通道体感识别融合方法将二者结合,并进行了实验。结果表明,通过采用Leap Motion和Kinect对手部识别的判别,当手势在Leap Motion识别范围内,能够在实现人体体感识别的基础上增加较为精确的手势识别。此方法成功实现了人体姿态识别和手势精确识别的结合,可应用于航天员虚拟训练中的人机自然交互中去。

航天员虚拟训练手部操作力模型建立

目的研究一种航天员虚拟训练仿真中手部操作力生成方法。方法假设影响航天员手部操作力的两个因素是合力、合力与扶栏之间夹角,通过设计模拟失重环境下力测量实验进行验证。结果数据分析检验了假设的正确性,并且建立了基于合力、合力与扶栏之间夹角的手部操作力计算模型。结论将本模型应用于航天员虚拟操作训练仿真系统,增强了系统的沉浸感和交互性。

航天员虚拟训练中运动物体抓持规则研究

目的探索航天员虚拟训练中运动物体抓持规律,为提升地面仿真训练中存在的航天员协同操作训练效果提供技术基础。方法在力封闭虚拟手抓持规则的基础上,以手为研究对象,建立指尖和物体组成的碰撞系统,采用弹塑性力学推导建立物体运动和抓持碰撞时最大接触力之间的关系;开展实验分别验证手姿、材质和物体速度对抓持的影响。结果手姿对是否符合抓持规则起着重要影响,主要取决于抓持接触点位置和法矢;物体密度主要影响最大抓持压力,摩擦系数影响是否满足力封闭原理,杨氏模量对抓持影响较小;物体的运动速度越大,越难抓持。结论通过碰撞模型和力封闭原理实现了抓持判断,仿真手部抓持运动物体的场景,可以应用到航天员虚拟训练的虚拟手抓持场景,对航天员虚拟训练有应用价值。

航天员舱内虚拟训练体验质量评价试验研究

针对虚拟训练系统的体验质量问题,采用用户主观评价的方法,从多个维度设计指标,选取典型的虚拟训练任务,设计了用户体验试验,对航天员舱内导航与操作虚拟训练系统的体验质量展开了评价。结果表明,用户总体体验满意度较高,系统能够模拟逼真的环境,带给用户身临其境的感觉,且用户自觉虚拟训练有实效;但也存在诱发生理不适,交互设备使用不自然的问题,需要进一步完善。