[发明专利]面向航天器维修的虚拟人作业任务仿真分析系统及方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及制造仿真领域，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。

背景技术

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；

发明内容

本发明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。