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。

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。

基于虚拟现实的航天员舱内导航训练方法

为了帮助航天员掌握在失重环境下依赖视觉信息进行舱内导航的技能,提出2种训练方法并探讨其优劣.首先利用虚拟现实技术建立了空间站模型,模拟航天员以不同身体姿态漫游时获取的视觉反馈,设计了强调舱段视觉正向的局部正向法和注重空间站视觉正向的整体正向法,并开展实验探究;然后通过数据分析得出文中方法对导航任务绩效存在显著影响,其中局部正向法能够强化地标和路线知识;而整体正向法有利于建立完整的空间认知地图,并且适合于低能见度条件下的应急撤离训练.

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。

模拟失重条件下航天员旋转运动方法实验验证

航天员太空飞行中,需要改变自身位置与朝向以完成不同的作业任务,当其无法触碰到手脚限制器等借助物时,会涉及通过自身动作的转换产生人体旋转的问题。为此,首先基于Roberson-Wittenburg方法建立了人体动力学方程,据此提出能够使得人体转动的肢体操作方法,然后采用悬吊法模拟太空失重环境,对比不同控制方法产生的旋转作用效果,发现肢体旋转时与身体的夹角和肢体旋转速度是影响人体旋转完成时间和关节力矩的主要因素,最后结合推荐动作与实验结果提出空间姿态变换运动的操作建议。结果表明本文推荐动作有一定的优越性,对航天员处于太空中的自旋转运动具有实用意义。

航天员虚拟训练系统启发式评估准则研究

目的设计一套适用于航天员虚拟训练系统的启发准则。方法在Nielsen十大准则和其他学者启发准则研究的基础上,结合航天员虚拟训练系统特点,完成启发准则设计。为验证所设计准则的有效性,与Nielsen准则评估效果进行对比。结果这套准则在发现独特问题的数量,准则彻底性、有效度和可靠性等方面都要优于Nielsen准则,同时评估人员对这套准则适用性的评价也显著高于Nielsen准则。结论该启发准则可用于开发前中期的航天员虚拟训练系统启发式评估。

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。

交会对接航天员训练电视图像仿真

以航天员对接过程电视图像仿真为应用背景,研究了近地空间复杂光环境下电视摄像机曝光成像特性和人的视觉成像感知特性,提出了一种基于GPU延迟着色模式下的空间图像浮点纹理着色、光饱和特效、调光和高动态映射显示的电视图像实时渲染方法。采用浮点纹理、高斯模糊等方法实现了逼真源成像和特效渲染;基于降采样的图像平均亮度统计,采用光源亮度和像素亮度两种调节模式实现了实时调光仿真,应用色调映射实现了目标图像的视觉感知高动态渲染显示。经工程验证,仿真图像与实飞图像一致,可以满足航天员训练,具有很好的工程应用价值。

航天员空间定向训练综合评价方法研究

为评价航天员空间定向的训练绩效,结合空间站任务特点提出了需用的训练科目与考核方法;将粗糙集理论和层次分析思想应用于训练的综合评价,挖掘数据之间的联系,建立并优化出一套训练评价指标体系;结合主客观组合赋权方法的结果确定每个指标的综合权重,进而分层次地获取综合评价结果。通过实例计算对比分析了各综合评价方法的结果,验证了所提评价方法。

航天员混合现实训练与支持技术研究

基于航天员地面单人便携训练、多人协同操作训练、空间在轨操作辅助支持以及远程协同支持等工程任务需要,开展混合现实训练与支持技术研究。设计了航天员混合现实训练与支持的工程实现总体技术框架,针对航天员地面训练环境、在轨任务环境以及远程支持环境等特殊因素,对混合现实头盔头部位姿实时估计技术、多人协同操作技术以及远程支持场景匹配等关键技术进行研究。试验验证和航天员体验表明,技术方法有效、用户体验良好,满足空间站航天员地面与长期在轨典型性训练和支持任务需求,提高了训练支持质量和效率。

基于深度学习目标识别的航天员训练场景理解技术

增强现实(AR)是航天员训练的有效途径,其关键技术是场景重建与空间定位。针对当前AR设备只能进行场景空间静态识别,无法感知目标动态变化的问题,提出了深度学习与AR技术相结合的目标识别与位姿估计方法。采用YOLO v5神经网络实现了小训练样本量的操作目标识别,结合深度信息实现了目标点云分割,与目标CAD模型点云进行ICP匹配后估计出目标的三维空间位姿,从而在AR显示空间中实现目标的动态定位与虚实融合。结果表明:YOLO v5的识别平均精度可以达到0.995,虚实结构可以准确叠加。该方法可有效提高AR设备的场景理解能力,扩展航天员AR训练手段。

近地空间航天员训练视景真实感渲染技术研究

载人航天任务中,地面模拟训练是培养提升航天员操作技能的重要手段。视景系统是航天飞行训练模拟的重要组成部分,高逼真度的仿真场景对提升航天员训练效果有重要的意义。针对空间视景仿真场景调度和渲染的特殊性,提出并设计实现视景仿真软件的总体架构。对影响空间场景真实感的地球纹理数据库的生成和调度技术、大气散射仿真技术、场景光照实时渲染等关键技术进行研究,融合各种方法,在视景仿真系统中基于GPU实现。试验验证表明,实现算法准确,模型设计合理,已经应用于航天员的训练中。

面向航天员训练的混合现实场景理解方法研究

针对航天员混合现实系统在人机交互过程中尚未实现自主智能诱导的局限性,结合航天器舱内环境的特殊性,构建了一种航天员混合现实空间场景理解原型系统架构,提出了基于深度学习的空间场景自主理解方法,采用合成样本的方法建立了舱内设备数据库,实现了基于深度学习算法的自主舱内设备识别。实验结果表明,对舱内设备识别的mAP值达到79.8%,混合现实空间场景理解原型架构和场景理解方法可以有效解决航天员舱内训练设备操作状态变化的自然识别需求,并实现混合现实虚拟流程的自主引导。

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。

交会对接航天员训练电视图像实时高动态范围渲染

应用基于人眼视觉系统的高动态范围实时渲染技术处理交会对接仿真场景,可以为航天员手控交会对接训练提供高逼真度的电视图像.文中结合交会对接电视图像的特点,分析了交会对接航天员训练电视图像高动态范围实时渲染的关键技术;根据两航天器相对距离,将交会对接过程分为远、中和近3个距离段,采用S-curve算法、自适应对数算法和Reinhard算法分别对每个距离段进行调和映射处理;改进了自适应对数算法和Reinhard算法,并基于GPU处理技术实现仿真电视图像的实时显示.实验结果表明,采用基于距离变化调整调和映射算法的方法处理交会对接仿真电视图像可以高逼真地模拟实录视频场景,为航天员手控交会对接训练提供了视景支持.

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。

Leap Motion虚拟手构建方法及其在航天训练中的应用

针对我国载人航天地面虚拟训练中虚拟手构建的需求,利用Leap Motion手势采集设备,研究了虚拟手构建方法,提出了一种Leap Motion虚拟手模型与约束。采用获取的信息构建出符合人手生理学结构的虚拟手,并通过对比实验、主观评价实验验证了所构建的虚拟手与真实手在完成操作手势时的构型、姿态等的相似性。Leap Motion虚拟手构建方法在设备组装的虚拟操作训练中的应用实践表明:该方法构建出的虚拟手与真实手基本一致,构建速度快,交互性好,能够应用于以虚拟操作为代表的航天员虚拟训练中。

航天人因工程研究进展

航天人因工程是人因工程学在载人航天领域中的应用,秉承"为航天员使用而设计"的理念,系统研究解决航天员、航天器、航天环境之间的关系问题,确保航天员在轨安全、舒适、高效工作。从航天人因工程概念和作用出发,通过系统梳理国际国内航天人因工程研究的发展现状,重点分析了其研究特点及未来发展趋势。结合我国载人航天后续发展对航天人因工程的迫切实际需求,系统梳理了航天人因工程研究技术体系,并从管理与技术研究两个方面,系统论述了我国航天人因工程的研究应迫切开展的工作及后续发展的思路。

航天员舱外活动安全绳虚拟现实操作仿真方法研究

为了解决航天员舱外活动虚拟现实训练仿真中安全绳的逼真仿真问题,分析了安全绳的结构组成和神七任务航天员出舱过程微重力下的安全绳变形规律,对安全绳采用质点-直线弹簧-弯曲弹簧模型建模,使用基于位置的仿真方法计算了安全绳的变形,给出了安全绳的仿真参数,建立了航天员舱外活动安全绳操作仿真系统。开展了受试者试验,仿真结果表明,仿真方法实时有效,可为航天员虚拟现实舱外维修仿真提供基础算法。