基于虛擬現(xiàn)實的太空操作仿真研究

基于虛擬現(xiàn)實的太空操作仿真研究

地面模擬設(shè)備在訓(xùn)練操作效果方面與實際大氣操作操作相結(jié)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(jìn)行了訓(xùn)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(shè)備。這些訓(xùn)練設(shè)備使用的技術(shù)手段是對電路的半真實模擬，并為學(xué)生提供與實際部件相對應(yīng)的模擬部件操作培訓(xùn)。這種方法有它的優(yōu)越性也有它的局限性。優(yōu)越性表現(xiàn)在:系統(tǒng)的真實感強(qiáng),操作員在感官上容易產(chǎn)生臨場感;操作員無附加約束,因此訓(xùn)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(xiàn)在:系統(tǒng)造價高,加大了航天員的訓(xùn)練成本;系統(tǒng)柔性差,一種模擬器只能對應(yīng)一種型號,無法實現(xiàn)一機(jī)多用;系統(tǒng)龐大,很難適應(yīng)機(jī)動訓(xùn)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(shè)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(xùn)練太空操作的體驗與太空中的實際操作體驗差異性很大?，F(xiàn)有訓(xùn)練設(shè)備在訓(xùn)練操作效果方面與實際太空中操作的差異性主要體現(xiàn)在兩個方面:1)在太空中完成操作比在地面模擬設(shè)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(dāng)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(guān)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(fēng)險。通過神七任務(wù)發(fā)現(xiàn)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(jìn)行太空操作的時候,手部需要產(chǎn)生一定的力量完成操作任務(wù)(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(diào)整身體姿態(tài)的同時產(chǎn)生的,如果使力不當(dāng),不但任務(wù)失敗,還能導(dǎo)致目標(biāo)偏離或身體自身不必要的旋轉(zhuǎn),一旦身體轉(zhuǎn)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(shù)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(guān)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(guān)系。結(jié)合圖形圖像和虛擬現(xiàn)實技術(shù),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(xiàn)實的太空操作仿真技術(shù)的模擬器可用于以太空操作體驗為目的的程序訓(xùn)練模擬器,也可用于訓(xùn)練部門或任務(wù)規(guī)劃部門設(shè)計和規(guī)劃操作任務(wù)的技術(shù)手段。由此可見,開展基于虛擬現(xiàn)實的太空操作仿真技術(shù)的研究具有重要的意義。太空操作仿真的內(nèi)容多,涉及的知識面廣,本文介紹太空操作仿真的虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)框架、仿真流程及部分仿真內(nèi)容,最后給出一個在太空中取載荷-傳遞載荷的仿真應(yīng)用實例。2計算機(jī)仿真系統(tǒng)組成基于虛擬現(xiàn)實的太空操作仿真主要由提供感官刺激的人機(jī)交互設(shè)備、承擔(dān)仿真計算的軟件和計算機(jī)構(gòu)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(wù)過程中人體的運動、手部的力覺反饋及真實、準(zhǔn)確的抓握物體的過程等等太空操作情景。2.1位置跟蹤設(shè)備該系統(tǒng)使用的虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備有:頭盔顯示器、力反饋數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤儀和數(shù)據(jù)手套。頭盔顯示器選擇VirtualResearchSystems的VR1280。力反饋數(shù)據(jù)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(shè)備如美國SensAble公司的PHANTOM?系列觸覺交互設(shè)備、瑞士Novint公司ForceDimension系列力覺交互設(shè)備、法國haption公司的Virtuose系列力覺交互設(shè)備只能反饋一個點的力和力矩。位置跟蹤設(shè)備選擇由Ascension公司研制的FlockofBirds設(shè)備,該設(shè)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(dá)到0.5mm,角精度可以達(dá)到0.50)、時間延遲小(刷新速率高達(dá)144Hz)。該設(shè)備采用電磁跟蹤原理,易受周圍磁場或者是鐵磁物質(zhì)的影響。因此,每次使用之前都要對其進(jìn)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(jī)視覺跟蹤原理的跟蹤設(shè)備。手部姿態(tài)跟蹤選擇Immersion公司研制的具有22個傳感器數(shù)據(jù)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(shè)備,能提供準(zhǔn)確而連續(xù)的輸出。在設(shè)計上是這樣的:傳感器的輸出僅依賴手指關(guān)節(jié)的角度,而與關(guān)節(jié)的突出無關(guān)、與關(guān)節(jié)的位置無關(guān),因此每次戴手套時,校正數(shù)據(jù)均不變。并且,傳感器輸出和彎曲角度成線性關(guān)系,因此對于關(guān)節(jié)彎曲極點,分辨率不會下降。2.2人體運動仿真實現(xiàn)逼真的太空操作仿真,軟件是關(guān)鍵。其仿真流程如圖4所示。操作者佩戴帶力反饋的數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤儀進(jìn)行交互操作,仿真軟件采集數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤儀的數(shù)據(jù),計算人體和手部各個關(guān)節(jié)的位置和姿態(tài),用計算得到的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動人體和手部各個關(guān)節(jié)的運動,進(jìn)行虛擬手與被操作物體之間的碰撞檢測,依據(jù)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(jù)人體動力學(xué)模型進(jìn)行人體運動仿真,依據(jù)物體動力學(xué)進(jìn)行物體運動仿真。2.3一些模塊模型的模擬2.3.1對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理數(shù)據(jù)采集并處理模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤儀各個傳感器的值并對其進(jìn)行平滑處理。其中數(shù)據(jù)采集需要利用數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤儀設(shè)備驅(qū)動程序提供的API函數(shù)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(shù)據(jù)有跳變,對于數(shù)據(jù)手套由于采集得到的數(shù)據(jù)精度不高,因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。(1)數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)的處理數(shù)據(jù)手套采集得到的數(shù)據(jù)值是0-255之間的整數(shù)值,數(shù)據(jù)之間的間隔太大,精度不高。如果直接使用該數(shù)據(jù)來計算手部各個關(guān)節(jié)的角度并驅(qū)動虛擬手的運動,會產(chǎn)生明顯的跳躍而不連續(xù),因此需要對該原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。處理方法是采用線性插值,即當(dāng)前幀的數(shù)據(jù)是前幾幀數(shù)據(jù)的平均值,用公式表示為:(2)位置跟蹤儀數(shù)據(jù)的處理在試驗中發(fā)現(xiàn)位置跟蹤儀采集得到的數(shù)據(jù)存在抖動。理論上當(dāng)位置跟蹤儀傳感器靜止時采集得到的數(shù)據(jù)應(yīng)該恒定不變,但實際上當(dāng)傳感器靜止時采集得到的數(shù)據(jù)是跳變的。如果直接使用采集得到的數(shù)據(jù)驅(qū)動人體的運動,從視覺上會產(chǎn)生抖動,同時由于數(shù)據(jù)不穩(wěn)定而增加了操作難度。因此需要對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。處理方法采用管道思想[dataOld-ξ,dataOld+ξ],當(dāng)數(shù)據(jù)在管道范圍內(nèi)時,認(rèn)為是靜止數(shù)據(jù),即當(dāng)前數(shù)據(jù)采用前一幀數(shù)據(jù);當(dāng)數(shù)據(jù)在管道范圍外時,對于位置采用線性插值法(同數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)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(guān)節(jié)鏡數(shù)據(jù)手套有22個傳感器能夠采集手部各個關(guān)節(jié)的活動,本文把虛擬手抽象成17個關(guān)節(jié),分別是手腕、手掌、5個手指中每個手指3個關(guān)節(jié);17個關(guān)節(jié)形成一個父子關(guān)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(qū)動手腕運動,其它各個關(guān)節(jié)通過數(shù)據(jù)手套采集的數(shù)據(jù)計算關(guān)節(jié)角度。每個關(guān)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(guān)系的節(jié)點樹,每個節(jié)段的坐標(biāo)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(shè)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(dá)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(qū)干的位置和姿態(tài)可以通過位置跟蹤儀傳感器的數(shù)據(jù)通過直接計算得到。上臂的位置即肩關(guān)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(biāo)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(guān)節(jié)在軀干坐標(biāo)系下的位置,WBRinit表示腕關(guān)節(jié)坐標(biāo)系相對于軀干坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。下臂的姿態(tài)即肘關(guān)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(guān)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(guān)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(jī)構(gòu),以單個手指CD為例來說明:當(dāng)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(cè)運動時,角α為鈍角,手指繼續(xù)與物體接觸;當(dāng)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(chǔ)的碰撞檢測算法計算來判斷。本文利用該規(guī)律設(shè)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(shù),提高碰撞檢測的速度。2.3.5誤抓現(xiàn)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(dǎo)致誤抓現(xiàn)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(dǎo)致較嚴(yán)重的滯后現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)抓穩(wěn)物體的判斷。在第3節(jié)應(yīng)用實例中實現(xiàn)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(zhuǎn)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(jié)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(xiàn);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(guān)系;這個關(guān)系是人體動力學(xué)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(xué)需要解決的問題。虛擬力的計算、人體動力學(xué)和物體動力學(xué)的計算在本文還沒有得到很好的實現(xiàn),在后續(xù)工作中再進(jìn)行深入的研究。3數(shù)字載荷模擬本文利用上面介紹的系統(tǒng)和仿真方法構(gòu)建一個虛擬操作仿真原型系統(tǒng)和試驗基礎(chǔ)平臺,為了方便調(diào)試,把視覺信息輸出到顯示器上,其它虛擬現(xiàn)實設(shè)備與2.1節(jié)介紹的相同。系統(tǒng)運行在在微機(jī)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(shù)運行,艙門已打開,航天員已出艙,實現(xiàn)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(nèi)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(dá)到每秒88幀到103幀,能夠即時響應(yīng)用戶的操作,平均操作響應(yīng)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(nèi)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(nèi)航天員已接收載荷時艙內(nèi)航天員第一視點圖像。4是否需要系統(tǒng)仿真為了降低現(xiàn)有地面設(shè)備在訓(xùn)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(xiàn)有訓(xùn)練設(shè)備的一個補(bǔ)充,提出一種新的訓(xùn)練手段-基于虛擬現(xiàn)實的太空操作仿真,分析其意義、研究內(nèi)容,討論實現(xiàn)方法,給出虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)系統(tǒng)原理、仿真流程圖并對各個模塊仿真模型進(jìn)行了詳細(xì)描述,構(gòu)建太空操作仿真的原型系統(tǒng)和試驗基礎(chǔ)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