基于虛擬現實的太空操作仿真研究

基于虛擬現實的太空操作仿真研究

地面模擬設備在訓練操作效果方面與實際大氣操作操作相結合的措施目前，對大鼠的離開活動（包括出發(fā)過程和船外操作）進行了訓練和驗證，包括中性浮力水槽、虛擬節(jié)目建模器和其他特殊的模擬設備。這些訓練設備使用的技術手段是對電路的半真實模擬，并為學生提供與實際部件相對應的模擬部件操作培訓。這種方法有它的優(yōu)越性也有它的局限性。優(yōu)越性表現在:系統(tǒng)的真實感強,操作員在感官上容易產生臨場感;操作員無附加約束,因此訓練效果好;能提供多維感覺的仿真,如視覺、力感、觸覺等。局限性表現在:系統(tǒng)造價高,加大了航天員的訓練成本;系統(tǒng)柔性差,一種模擬器只能對應一種型號,無法實現一機多用;系統(tǒng)龐大,很難適應機動訓練;受環(huán)境的限制,對于太空環(huán)境來講由于是微重力環(huán)境,這種地面設備模擬太空失重帶來的運動特性和操作特性很困難,使得航天員在地面訓練太空操作的體驗與太空中的實際操作體驗差異性很大。現有訓練設備在訓練操作效果方面與實際太空中操作的差異性主要體現在兩個方面:1)在太空中完成操作比在地面模擬設備上完成同樣操作更困難。神七航天員翟志剛完成出艙活動后講:“地面比較緊湊的動作,到空中都是相當于地面的慢鏡頭,需要的時間變長了,這樣非常消耗精力、消耗體力,這是對人耐力一種考驗”。開關艙門,這在地面上是一件非常簡單的事情,到了太空卻要面臨很多困難和風險。通過神七任務發(fā)現航天員在太空中完成打開艙門(如圖1所示)、整理臍帶與腿的位置(如圖2所示)這兩個動作非常困難。2)航天員在艙外完成操作比在地面上完成操作更危險。人在失重的太空中進行太空操作的時候,手部需要產生一定的力量完成操作任務(如卸載荷、取載荷、安裝載荷和搬運載荷)。在這些操作過程中,第一、人處于漂浮狀態(tài),力量不容易使出來;其二、力量是靠身體及其他肢體的相對運動而調整身體姿態(tài)的同時產生的,如果使力不當,不但任務失敗,還能導致目標偏離或身體自身不必要的旋轉,一旦身體轉動起來,再想控制身體的姿態(tài)是一件非常困難的事情。所以,航天員在艙外完成操作是非常危險的。開展太空操作仿真的研究能夠充分利用計算技術的優(yōu)點:成本低、具有高度的靈活性、能夠突破環(huán)境的限制,可以模擬失重特性下肢體的相對運動與軀體姿態(tài)和運動關系,肢體的運動、軀體的姿態(tài)與操作過程中的力量之間的關系。結合圖形圖像和虛擬現實技術,太空操作仿真能夠為航天員提供逼真的感官刺激,如提供逼真的立體顯示、力覺反饋、接近真實的操作過程和虛擬場景等等,提供逼真的操作體驗。這種基于虛擬現實的太空操作仿真技術的模擬器可用于以太空操作體驗為目的的程序訓練模擬器,也可用于訓練部門或任務規(guī)劃部門設計和規(guī)劃操作任務的技術手段。由此可見,開展基于虛擬現實的太空操作仿真技術的研究具有重要的意義。太空操作仿真的內容多,涉及的知識面廣,本文介紹太空操作仿真的虛擬現實實現框架、仿真流程及部分仿真內容,最后給出一個在太空中取載荷-傳遞載荷的仿真應用實例。2計算機仿真系統(tǒng)組成基于虛擬現實的太空操作仿真主要由提供感官刺激的人機交互設備、承擔仿真計算的軟件和計算機構成,其組成原理如圖3所示。該仿真系統(tǒng)能夠跟蹤頭部位置和姿態(tài),虛擬場景隨著頭部的移動而變化,能提供立體視覺;能夠跟蹤手部的姿態(tài);能夠模擬太空操作任務過程中人體的運動、手部的力覺反饋及真實、準確的抓握物體的過程等等太空操作情景。2.1位置跟蹤設備該系統(tǒng)使用的虛擬現實交互設備有:頭盔顯示器、力反饋數據手套、位置跟蹤儀和數據手套。頭盔顯示器選擇VirtualResearchSystems的VR1280。力反饋數據手套選擇Immersion公司研制的CyberGrasp,能夠同時反饋五個手指端受到的力。目前其他力反饋設備如美國SensAble公司的PHANTOM?系列觸覺交互設備、瑞士Novint公司ForceDimension系列力覺交互設備、法國haption公司的Virtuose系列力覺交互設備只能反饋一個點的力和力矩。位置跟蹤設備選擇由Ascension公司研制的FlockofBirds設備,該設備能同時測量出移動物體的位置和姿態(tài),其測量范圍大、跟蹤精度高(平移精度可以達到0.5mm,角精度可以達到0.50)、時間延遲小(刷新速率高達144Hz)。該設備采用電磁跟蹤原理,易受周圍磁場或者是鐵磁物質的影響。因此,每次使用之前都要對其進行校正,以獲得較高的測量精度。采用該原理的還有Polhemus公司的Fastrak。另外,還有采用超聲波、計算機視覺跟蹤原理的跟蹤設備。手部姿態(tài)跟蹤選擇Immersion公司研制的具有22個傳感器數據手套CyberGlove,每個手指有三個彎曲傳感器和一個外展肌傳感器,拇指與小手指有一個傳感器相連,手腕處有一個傳感器。CyberGlove是一個高精度設備,能提供準確而連續(xù)的輸出。在設計上是這樣的:傳感器的輸出僅依賴手指關節(jié)的角度,而與關節(jié)的突出無關、與關節(jié)的位置無關,因此每次戴手套時,校正數據均不變。并且,傳感器輸出和彎曲角度成線性關系,因此對于關節(jié)彎曲極點,分辨率不會下降。2.2人體運動仿真實現逼真的太空操作仿真,軟件是關鍵。其仿真流程如圖4所示。操作者佩戴帶力反饋的數據手套和位置跟蹤儀進行交互操作,仿真軟件采集數據手套和位置跟蹤儀的數據,計算人體和手部各個關節(jié)的位置和姿態(tài),用計算得到的位置和姿態(tài)數據驅動人體和手部各個關節(jié)的運動,進行虛擬手與被操作物體之間的碰撞檢測,依據抓持規(guī)則判斷虛擬手是否抓住被操作的物體,計算操作過程中的虛擬力并通過力反饋裝置反饋給操作者,依據人體動力學模型進行人體運動仿真,依據物體動力學進行物體運動仿真。2.3一些模塊模型的模擬2.3.1對數據進行平滑處理數據采集并處理模塊負責采集數據手套和位置跟蹤儀各個傳感器的值并對其進行平滑處理。其中數據采集需要利用數據手套和位置跟蹤儀設備驅動程序提供的API函數采集各個傳感器的值;對于位置跟蹤儀由于信號噪音的存在使得采集得到數據有跳變,對于數據手套由于采集得到的數據精度不高,因此需要對數據進行平滑處理。(1)數據手套數據的處理數據手套采集得到的數據值是0-255之間的整數值,數據之間的間隔太大,精度不高。如果直接使用該數據來計算手部各個關節(jié)的角度并驅動虛擬手的運動,會產生明顯的跳躍而不連續(xù),因此需要對該原始數據進行平滑處理。處理方法是采用線性插值,即當前幀的數據是前幾幀數據的平均值,用公式表示為:(2)位置跟蹤儀數據的處理在試驗中發(fā)現位置跟蹤儀采集得到的數據存在抖動。理論上當位置跟蹤儀傳感器靜止時采集得到的數據應該恒定不變,但實際上當傳感器靜止時采集得到的數據是跳變的。如果直接使用采集得到的數據驅動人體的運動,從視覺上會產生抖動,同時由于數據不穩(wěn)定而增加了操作難度。因此需要對采集得到的數據進行平滑處理。處理方法采用管道思想[dataOld-ξ,dataOld+ξ],當數據在管道范圍內時,認為是靜止數據,即當前數據采用前一幀數據;當數據在管道范圍外時,對于位置采用線性插值法(同數據手套數據的處理方法),對于姿態(tài)采用Slert插值法。2.3.2虛擬手與自然腳手架的關節(jié)鏡數據手套有22個傳感器能夠采集手部各個關節(jié)的活動,本文把虛擬手抽象成17個關節(jié),分別是手腕、手掌、5個手指中每個手指3個關節(jié);17個關節(jié)形成一個父子關系的節(jié)點樹(如圖5所示),虛擬手的整體位置和姿態(tài)通過位置跟蹤儀獲取,即用獲取手腕的值驅動手腕運動,其它各個關節(jié)通過數據手套采集的數據計算關節(jié)角度。每個關節(jié)角度計算公式如下:2.3.3組成和跟蹤范圍把人體分成9個節(jié)段(不包括手部),分別是每只手臂2段(上臂和前臂)、每只腿2段(大腿和小腿)和軀干1段(頭部與軀干看成一段)。9個節(jié)段形成一個具有父子關系的節(jié)點樹,每個節(jié)段的坐標系建立在父節(jié)點末端位置,如圖6所示。采用FlockofBird位置跟蹤儀的3個傳感器跟蹤人體的運動,1個傳感器固定在軀干中心位置,2個傳感器分別固定在左手手腕和右手手腕的位置(腿的相對運動暫時沒有考慮)。每個傳感器的跟蹤范圍是以發(fā)射器為中心的1.2m或3m的半球(本文選用1.2m的設備),三個傳感器共用一個發(fā)射器,為了使三個傳感器的可跟蹤范圍綜合達到最大,把發(fā)射器放在人體兩肩中間且與肩同高的位置。發(fā)射器、傳感器的布局及其跟蹤范圍如圖7所示。驅干的位置和姿態(tài)可以通過位置跟蹤儀傳感器的數據通過直接計算得到。上臂的位置即肩關節(jié)的位置,該位置相對于軀干固定不動,在程序初始時通過坐標系的變換(公式4)可以得到。在下面公式中P表示位置、R表示姿態(tài)、B表示軀干、W表示手腕、S表示肩、T表示發(fā)射器、L表示手臂的長度,如BPS0init表示肩關節(jié)在軀干坐標系下的位置,WBRinit表示腕關節(jié)坐標系相對于軀干坐標系的旋轉矩陣。下臂的姿態(tài)即肘關節(jié)的姿態(tài)可以通過位置跟蹤儀直接獲得。即EBR=WBR。下臂的位置即肘關節(jié)的位置通過公式(9)計算得到。2.3.4健全的抓抓兩種接觸模型碰撞檢測用來計算虛擬手與被操作物體的接觸情況,包括是否與物體接觸、接觸點、接觸法向量及接觸深度信息,為抓持判斷及虛擬力的計算提供一個輸入條件。虛擬手與被操作物體的碰撞檢測有其特殊性:(1)多手指可同時與物體接觸;(2)在抓握物體的操作過程中每個手指繞各自關節(jié)作圓弧運動且仿真幾何模型都是面模型。在抓握虛擬物體的過程中手指與物體接觸過程存在如下的規(guī)律,接觸過程如圖8所示,在圖中用球代表操作的物體,把手指看成連桿機構,以單個手指CD為例來說明:當手指CD在抓握物體過程中手指接觸物體后繼續(xù)用力抓握物體即手指繼續(xù)向物體這側運動時,角α為鈍角,手指繼續(xù)與物體接觸;當手指CD在抓握物體過程中試圖松開物體,手指向物體外部即背離物體運動時,角α為銳角,手指有可能與物體接觸(圖8b所示),也可能不與物體接觸(圖8d所示),這時需要通過基礎的碰撞檢測算法計算來判斷。本文利用該規(guī)律設計出基于手指運動方向判斷的動態(tài)碰撞檢測算法,減少碰撞檢測次數,提高碰撞檢測的速度。2.3.5誤抓現象的消除抓持規(guī)則用于判斷虛擬手抓穩(wěn)物體所遵循的條件,條件既不能過于簡化,又不能過于繁瑣。條件過于簡化會導致誤抓現象,并且其抓取姿態(tài)也不真實自然;相反,規(guī)則過于繁瑣,則計算耗時過大,從而導致較嚴重的滯后現象。目前有兩類抓持規(guī)則:(1)在力計算完備的情況下,利用力平衡或力封閉來實現抓穩(wěn)物體的判斷;(2)在力計算不完備的情況下,利用抓持時的幾何條件來實現抓穩(wěn)物體的判斷。在第3節(jié)應用實例中實現了第二種抓持規(guī)則。2.3.6受力模型航天員在太空中的操作包括按鍵操作、沿著艙壁攀爬、抓取運動的物體(如捕獲衛(wèi)星)、抓取靜止的物體、旋轉物體等,在執(zhí)行這些操作的時候手部受力情況是不同的,仿真中虛擬手受力模型可以歸結為三種虛擬力計算模型:單手指接觸物體時的接觸力、抓穩(wěn)靜止物體各手指受力、抓穩(wěn)運動物體手指受力。航天員在太空中的行走需要依靠肢體的相對運動來實現;航天員在執(zhí)行太空操作的過程中,人體的姿態(tài)、肢體的運動和操作力之間有一定的因果關系;這個關系是人體動力學需要解決的問題。物體在太空中沒有約束情況下的運動以及虛擬手沒有拿住物體或物體脫離手之后的運動,是物體動力學需要解決的問題。虛擬力的計算、人體動力學和物體動力學的計算在本文還沒有得到很好的實現,在后續(xù)工作中再進行深入的研究。3數字載荷模擬本文利用上面介紹的系統(tǒng)和仿真方法構建一個虛擬操作仿真原型系統(tǒng)和試驗基礎平臺,為了方便調試,把視覺信息輸出到顯示器上,其它虛擬現實設備與2.1節(jié)介紹的相同。系統(tǒng)運行在在微機上(IntelCore2DuoCPUE7200@2.53GHz(2CPUs)、RAM2046、NVIDIAGeForce9800GT、WindowsXPProfessional),用戶操作環(huán)境如圖9所示。在該原型系統(tǒng)中飛船、航天員按照神七的軌道參數運行,艙門已打開,航天員已出艙,實現兩名航天員在艙外傳遞載荷過程的模擬,其中一名航天員在艙外取載荷,然后傳遞給艙門處的艙內航天員,其仿真生成的圖像如圖5所示。在這過程中實時計算,圖像逼真,渲染平滑,幀速率達到每秒88幀到103幀,能夠即時響應用戶的操作,平均操作響應延遲為24毫秒,在取載荷和傳遞載荷的過程中碰撞檢測算法穩(wěn)定,能夠正確判斷虛擬手與物體的接觸情況,抓持規(guī)則可靠,抓持穩(wěn)定。抓持操作過程中的部分截圖如圖10所示,圖10(a)表示艙外航天員在取載荷過程中虛擬手抓住載荷時第三視點圖像;圖10(b)表示艙外航天員抓住載荷時艙外航天員第一視點圖像;圖10(c)表示艙內航天員已接收載荷時艙外航天員第一視點圖像;圖10(d)表示艙內航天員已接收載荷時艙內航天員第一視點圖像。4是否需要系統(tǒng)仿真為了降低現有地面設備在訓練航天員太空操作效果方面與實際太空操作的較大差異性,對現有訓練設備的一個補充,提出一種新的訓練手段-基于虛擬現實的太空操作仿真,分析其意義、研究內容,討論實現方法,給出虛擬現實實現系統(tǒng)原理、仿真流程圖并對各個模塊仿真模型進行了詳細描述,構建太空操作仿真的原型系統(tǒng)和試驗基礎平臺,最后通過實例驗證該系統(tǒng)及其仿真方法的有效性。但是太空操作仿真