增強現實技在航空發動機維修的應用

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摘要：本文依據目前航空發動機維修工作的現狀，對應用的顯示增強技術進行了介紹，同時根據航空發動機在維修過程中的具體需要，開發出了一套基于增強現實技術的航空發動機維修系統。通過進行相應的分析研究，對航空發動機維修工作的深入推進以及增強現實技術在現實中的應用都有重要意義。

關鍵詞：增強現實技術；航空發動機；維修

航空發動機屬于大型的復雜機電機構，涵蓋了大量的技術，其內部結構十分復雜，在進行拆裝以及維修時十分的麻煩，對技術人員的綜合能力要求極高，并且相關的費用十分高昂?，F階段在對航空發動機進行維修時，采取的都是十分原始的方法，即根據發動機的紙質版文檔或者電子手冊進行維修，在維修的過程中需要不時的查看相關的內容，因此整個維修過程的效率十分低下，并且比較容易受到環境等相關因素的干擾，在維修過程中易出現裝配錯誤。此外，航空發動機的維修裝配的質量完全依賴于技術人員的維修經驗與實際的維修技術水平，因此不能夠對維修質量進行良好控制。面對航空發動機目前的維修現狀，需要一套更加高效智能的裝配維修引導系統，輔助技術人員能夠以較快的速度完成復雜耗時的維修裝配工作，從而使整個維修工作的難度下降，維修效率提升，并確保維修過程中不會出現差錯。增強現實技術從屬于虛擬現實技術，是當下十分熱門的研究話題。增強現實技術通過利用計算機圖形技術以及可視化技術，可以產生現實中沒有的虛擬物體，借助相關的傳感信息等技術可以把虛擬的影像按照實際的需要完成在真實環境中的呈現，利用相關的顯示設備就可以將虛擬的影像與顯示中的物體進行無縫連接。增強現實系統能夠將虛擬和現實相結合，并且還具備實時交互等特點，而這些特點對于目前航空發動機維修裝配工作的發展要求是非常符合的。將增強現實技術與航空發動機維修工作結合在一起，以增強現實技術為基礎的數字化維修必將是未來航空發動機維修的趨勢。

1增強現實系統概述

發展到目前比較成熟的增強現實系統主要由虛擬場景發生設備、頭部位置跟蹤設備以及頭盔顯示器等多種設備組成，技術含量非常高。增強現實系統根據透視方式不同有光學透視以及視頻透視兩種。第一種采用的頭盔顯示器為光學透視的，光學合成器通過利用頭盔放置在使用者的視覺前方。合成器并不是完全黑暗的，因此使用者能夠透過合成器看到現實的環境。同時合成器還能夠進行反射部分的影像，使用者借助頭盔上的顯示器能夠看到反射到合成器上的虛擬影像。而視頻透視式增強現實系統的頭盔顯示器對視線進行了封閉，通過一到兩個攝像頭來觀察現實世界周圍的環境。場景合成器完成攝像機拍攝到的視頻與圖形的合成工作，之后將得到的圖像投射到頭盔的顯示器中。在上世紀六十年代，計算機圖形技術領域的開拓者在不斷的摸索研究中建立了世界上最早的增強現實系統模型。到了九十年代初期，波音公司開始在飛機制造過程中裝配電纜連接和接線器中使用增強現實技術。發現了增項現實技術的便捷性之后，有公司開始在汽車制造領域應用增強現實技術，有的公司則是將增強現實技術應用在機械和相關工具的制造過程中，還有一部分公司則將增強現實技術應用帶了服務業中，都收到了不錯的反饋。隨著相關程序語言以及算法等相關技術的進一步成熟，增強現實技術在不斷完善的同時，其在相關領域進行應用成本正呈下降的態勢，從而使增強現實技術能夠在醫療、設備維修、娛樂以及軍事等多領域得到進一步應用。

2增強現實關鍵技術和開發工具

盡管增強現實技術目前有很多優點，但在實際應用的過程中還有兩個問題制約著增強現實技術的發展，分別為頭盔顯示技術與跟蹤定位技術。2.1頭盔顯示技術。人類如果想要獲得外部環境的信息，必須借助視覺通道這個信息接口，而目前我們所得到的信息有將近八成都是借助視覺獲得的。因此頭盔的顯示技術對增強現實系統在實際中的應用有非常大的影響，是目前需要首要解決的關鍵問題之一。當前國外的相關公司所在增強現實系統中使用的顯示器重量還不如一個雞蛋重，能夠將顯示屏直接安裝在普通的眼睛上，從而達到交互的能力。2.2跟蹤定位。技術如果想要將虛擬圖像和現實中的實物比較完美的結合在一起，則需要將虛擬物放置在現實環境中準確的位置上，這就要求增強現實技術的根據定位系統可以對使用者在環境中的具體位置進行檢測，同時對使用者頭部的角度或者運動方向進行觀察，從而輔助系統判斷現是哪一種虛擬物體，并且根據使用者的視角進行坐標系的重建?，F階段的增強現實系統的跟蹤定位技術主要有以下三種：①使用跟蹤器確定使用者頭部實際所處的位置，目前主要使用的跟蹤器有：電磁跟蹤器、慣性跟蹤器、全球定位系統等，從而能夠對現實環境中的位置和方向進行探測和跟蹤。②基于認知的跟蹤定位技術，國外高校的圖形與用戶接口實驗室研究了一個增強現實系統，這個系統通過在打印機的幾個比較重要的部位安裝了幾個三維跟蹤器，而系統能夠對這些跟蹤器的位置和狀態進行調整，使這些跟蹤器能夠加入相應的增強信息。③以視覺為基礎的跟蹤定位技術，目前在增強現實領域，以計算機視覺為基礎的定位技術是比較熱門與成熟的定位技術，這種技術通過對不同的視頻圖像進行內部處理，從而樂意獲得所需要的具體位置信息，根據使用者頭部的攝像機所拍攝的圖像，從而能夠判斷使用者在現實環境中的位置與方向。2.3增強現實系統所使用的開發工具。增強現實技術經過這幾年的發展，目前有許多增強現實系統開發的工具包發展的已經比較成熟了，常見的包括ARToolkit、MRPlatform等，其中ARToolkit工具包由日本研究人員開發，其代碼是開源的，能夠直接獲取，從而能夠比較方便快速的進行增強現實應用的開發。目前ARToolkit已經得到了世界頂尖的人機界面實驗室的認可，因此其在增強現實領域目前是應用最為廣泛的開發包，許多增強現實的應用都是使用這個開發包或者以這個開發包為基礎進行改進從而完成應用的開發。

3以增強現實為基礎的航空發動機維修系統

在航空維修這個環節中，德國對arvika項目進行了資助，具體應用場合是飛機汽車的裝配維修。而歐洲航空防務與航天公司通過應用arvika系統，使歐洲的某款型號的飛機布線速度和裝配質量得到了較為明顯的提升，在具體的裝配過程中，裝配工人能夠利用語音調用相關虛擬指示，從而能夠比較容易的根據具體的提示進行裝配，相較以前能夠以較快的速度在長板上進行高密度的布線任務。此外，歐盟還發起了一個新的維修項目，在幫助客戶進行組裝維修的同時對客戶進行相關的培訓，目前EADA公司已經將這個新的維修項目成功應用到了歐洲某款飛機機翼組裝的生產線當中。參考上述兩個系統的具體結構，并考慮航空發動機在維修和裝配過程中的實際特點，開發了以增強現實為基礎的航空發動機維修系統。3.1系統硬件組成。3.1.1遠程計算機系統。在遠程計算機系統中，有波音的PMA文檔，空客的相關存儲文件，航空發動機的具體維修流程、相關語音提示、相關的視頻信息，此外還包括航空發動機相關組件的三維模型，從而使航空發動機的維修技術人員可以根據現場工作的需求隨時調用自己需要的信息。為了使實時性的效果達到最優，將速率優化到了15~20幀每秒，并且使用高配的DELL圖形工作站。3.1.2頭盔顯示系統。頭盔顯示系統可以確保使用者能夠在安全的前提下沒有障礙的對航空發動進行直接的觀察，并且在頭盔失去電源后依然能夠觀察到現實環境。維修中所使用的頭盔顯示器為n-vison公司的光學透視式頭盔顯示器DatavisorHiRes。3.1.3跟蹤定位系統。Ascension公司開發的FlockofBird電磁式位置跟蹤設備能夠對六個自由度的位置進行跟蹤定位。3.1.4人機交互系統。航空發動機在進行裝拆以及維修時，現場的工作人員的手通常需要操作專業的作用工具，而相關的維修流程則通過語音進行調用，進而可以完成良好的信息交互，本系統中的人機交互系統采用的是Microsoftspeechsdk，并在此基礎上進行二次開發。3.1.5數據傳輸系統。通過借助相應的數據傳輸系統，使用者和計算機之間能夠保持較好的關聯性，使數據傳輸的工作能夠有保障，通常使用線纜或者無線進行傳輸。3.2軟件系統。以MicrosoftVC++6.0為基礎，完成三維環境定位算法的編寫，從而能夠在現實的環境當中對相關的運動物體進行追蹤。而部分的虛擬模塊程序的編寫，則以國外公司的虛擬場景開發平臺為基礎，利用高端虛擬現實建模工具MultigenCtreatorPro和場景管理實時生成軟件MultigenVega軟件完成。3.2.1圖像處理模塊。可以令使用者感受到的環境更加的真實，將融合場景所看到的兩個視頻信號分別傳輸到使用者的頭盔中，從而完成復合立體圖像對比顯示。3.2.2三維跟蹤定位模塊。獲得的圖像中會有色點以及噪聲問題，需要完成顏色濾波以及邊緣提取工作，之后參照彩色標志點結合基于視覺的跟蹤算法完成系統的三維場景定位。3.2.3虛擬物體描繪模塊。虛擬物體描繪模塊導入之前存儲的PMA電子文檔、AirN@v電子文檔、視頻語音文件等，同時利用三維建模工具完成動態的航空發動機維修裝配三維圖的建立。

4結語

增強現實技術在航空發動機的維修裝配中有著十分突出的優點，盡管目前還存在三維環境定位不夠準確、使用成本較高、相關技術還不夠成熟等問題，但基于增強現實的數字化維修定是未來航空發動機維修的發展方向，隨著相關技術問題被突破，未來的航空發動機維修工作將會變得更加高效。

參考文獻：

[1]張偉，趙新燦，徐興民.增強現實技術及其在航空發動機維修中的應用[J].江蘇航空，2006（001）：21-23.

[2]楊西平.增強現實中若干關鍵技術研究[D].華中科技大學，2007.

[3]李旭東.基于特征點的增強現實三維注冊算法研究[D].天津大學，2009.

作者:王群淼 單位:濟南國際機場股份有限公司