虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在空間站艙內(nèi)定向訓(xùn)練中的應(yīng)用

姜國(guó)華，劉玉慶，朱秀慶，安　明，周伯河，陳學(xué)文，胡福超（.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京00094；2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京00094）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在空間站艙內(nèi)定向訓(xùn)練中的應(yīng)用

姜國(guó)華1，2，劉玉慶1，2，朱秀慶1，2，安明1，2，周伯河1，2，陳學(xué)文1，2，胡福超1
（1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094）

載人航天中，失重環(huán)境和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空間站對(duì)航天員空間定向能力的影響極大，導(dǎo)致航天員可能出現(xiàn)空間失定向現(xiàn)象。針對(duì)在地面難以使用實(shí)物進(jìn)行空間定向任務(wù)訓(xùn)練的問(wèn)題，闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在空間定向訓(xùn)練中的應(yīng)用，并對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的空間定向訓(xùn)練系統(tǒng)提供飛行前的適應(yīng)性訓(xùn)練，使航天員掌握依賴視覺信息進(jìn)行空間定向的技能，為后續(xù)更為復(fù)雜的航天員空間操作任務(wù)提供新的訓(xùn)練方式。

空間站；空間定向；虛擬現(xiàn)實(shí)；訓(xùn)練

1　引言

根據(jù)國(guó)家載人航天的發(fā)展戰(zhàn)略，我國(guó)載人航天在未來(lái)將建設(shè)空間站，開展空間應(yīng)用和空間新技術(shù)試驗(yàn)。空間站往往由多個(gè)實(shí)驗(yàn)艙連接而成，根據(jù)美、俄經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)航天員在不同艙段之間穿行時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)空間失定向的問(wèn)題［1］，特別是在艙內(nèi)失火、失壓等低能見度條件下，艙內(nèi)定向會(huì)更加困難，直接影響到空間站和航天員的安全，因此，艙內(nèi)定向和應(yīng)急操作是航天員必須掌握的重要救生技能，也是航天員訓(xùn)練的重要內(nèi)容。

在微重力條件下，航天員主要依賴視覺信息完成空間定向，視覺線索便成為空間定向判斷中的主要依據(jù)［1］。而由于重力的缺失，航天員自身體坐標(biāo)系在艙內(nèi)可呈任意姿態(tài)，這與地面重力環(huán)境下以正立狀態(tài)對(duì)艙內(nèi)布局的認(rèn)知有很大變化。另外由于空間站內(nèi)各艙段視覺垂直正向軸的不一致，以及獲得和保持對(duì)整個(gè)航天器的一個(gè)綜合認(rèn)知圖的困難，是引起航天員空間定向困難的主要因素［2］。

目前，航天員艙內(nèi)、艙外活動(dòng)訓(xùn)練設(shè)施主要包括地面實(shí)物模擬器、中性浮力水槽和拋物線飛行。由于地面重力限制，現(xiàn)有實(shí)物模擬器難以模擬艙內(nèi)定向訓(xùn)練。中性浮力水槽訓(xùn)練可以為航天員提供在不熟悉的身體體位情況下觀察各個(gè)艙段，但由于在訓(xùn)練中其前庭器官還是能感受重力的作用，并幫助航天員辨別方向，與太空失重環(huán)境下的空間定向還有較大區(qū)別，另外水下裝置的有限尺寸意味著不可能把整個(gè)飛行器放入水下。拋物線飛行可以產(chǎn)生微重力環(huán)境，但時(shí)間短且內(nèi)部容積受限。另外上述訓(xùn)練設(shè)施也無(wú)法提供煙火等特殊環(huán)境下的緊急撤離訓(xùn)練。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為航天員提供飛行前的空間定向訓(xùn)練。在虛擬環(huán)境中，航天員能夠以多種身體狀態(tài)體驗(yàn)周圍環(huán)境，減少以單一身體狀態(tài)訓(xùn)練所致的空間定向障礙。同時(shí)，航天員也可以體驗(yàn)在視覺垂直正向坐標(biāo)軸定義不一致的艙段間穿行，幫助航天員建立一個(gè)關(guān)于整體飛行器的空間關(guān)系認(rèn)知圖。另外，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬由煙霧、水霧、能源故障等所致的能見度降低的艙內(nèi)環(huán)境，完成故障情況下的緊急撤離訓(xùn)練。

2　空間站艙內(nèi)定向訓(xùn)練

空間站艙內(nèi)定向包含兩方面具體內(nèi)容［3］，一是定向，即確定自身的空間朝向，主要基于本體視覺線索認(rèn)識(shí)自身在空間站艙內(nèi)的姿態(tài)朝向以及所處位置；二是導(dǎo)航，即通過(guò)坐標(biāo)或目標(biāo)指引穿越空間環(huán)境到達(dá)目標(biāo)艙體，需要對(duì)所處空間站結(jié)構(gòu)有著超越直觀的認(rèn)識(shí)。針對(duì)以上兩個(gè)方面問(wèn)題，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的空間站艙內(nèi)定向訓(xùn)練系統(tǒng)主要需解決的問(wèn)題，一是采用實(shí)時(shí)交互的方式，模擬微重力下人體的運(yùn)動(dòng)，從而給受訓(xùn)者以接近真實(shí)的空間運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)；二是通過(guò)逼真的三維場(chǎng)景建模、立體顯示以及力反饋等技術(shù)，增強(qiáng)受訓(xùn)者的沉浸感，提升訓(xùn)練效果。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出艙活動(dòng)訓(xùn)練可以使航天員在視覺上熟悉航天飛機(jī)和空間站外型，并可以預(yù)先規(guī)劃出艙活動(dòng)路徑。針對(duì)艙內(nèi)活動(dòng)，Harm等將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于方向迷失和空間運(yùn)動(dòng)病對(duì)抗性訓(xùn)練［4］，他們利用位于NASA約翰遜航天中心的一個(gè)具有球形投影幕的適應(yīng)性訓(xùn)練仿真器（Device for Orientation and Motion Environments，DOME），提供給受訓(xùn)人員一個(gè)虛擬空間工作環(huán)境，虛擬環(huán)境由空間站的一個(gè)節(jié)點(diǎn)艙和一個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成，在實(shí)驗(yàn)艙中有14個(gè)設(shè)備架，設(shè)備架上配有可以上下?lián)軇?dòng)的開關(guān)。訓(xùn)練任務(wù)為讓受訓(xùn)人員以不同的初始身體姿態(tài)從實(shí)驗(yàn)艙外部移動(dòng)到實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的設(shè)備架附近，撥動(dòng)架子上的開關(guān)，然后再移動(dòng)到艙外。Harm報(bào)告中指出經(jīng)過(guò)姿態(tài)和方向適應(yīng)性訓(xùn)練的人員在完成艙內(nèi)移動(dòng)及操作任務(wù)中很少出現(xiàn)空間方向迷失和空間運(yùn)動(dòng)病癥狀，且完成艙內(nèi)移動(dòng)任務(wù)所用的時(shí)間明顯縮短。由此可見，飛行前的空間環(huán)境適應(yīng)性訓(xùn)練對(duì)提高航天員的空間定向能力具有重要作用。

美國(guó)麻省理工大學(xué)人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)室在NASA的資助下，進(jìn)行了空間站艙內(nèi)定向?qū)Ш教摂M仿真技術(shù)研究［3］，使用3D Max建模軟件建立了虛擬空間站的各艙段模型，虛擬空間站由7個(gè)矩形體艙、3個(gè)立方體節(jié)點(diǎn)艙和一個(gè)加壓適配通道組成。虛擬空間站艙內(nèi)立體視景通過(guò)V-8頭盔顯示器（分辨率640×480，Aptos公司）提供給受訓(xùn)者，其對(duì)角線視場(chǎng)角約60度，場(chǎng)景刷新頻率約27～30 Hz。使用一個(gè)慣性/超聲混合的跟蹤系統(tǒng)（型號(hào)：IS-600 Mk IIPlus，InterSense公司）獲取受訓(xùn)者的頭部運(yùn)動(dòng)，并使用一個(gè)含12個(gè)按鍵的手部控制器實(shí)現(xiàn)在虛擬場(chǎng)景中的穿行和轉(zhuǎn)向。受訓(xùn)者可以模擬以不同的姿態(tài)和視覺角度在空間站中游歷，熟悉各艙段布局和定向參考標(biāo)記，了解空間站的工作環(huán)境和移動(dòng)路徑。其研究表明，航天員在實(shí)際飛行任務(wù)之前，經(jīng)過(guò)虛擬環(huán)境的艙內(nèi)定向訓(xùn)練，對(duì)實(shí)際工作環(huán)境有了較細(xì)致的了解，對(duì)于他們?cè)趯?shí)際任務(wù)中很快地進(jìn)入工作，適應(yīng)實(shí)際環(huán)境都會(huì)有很大的幫助。特別是對(duì)于艙內(nèi)失火造成的低能見度環(huán)境下的艙內(nèi)定向模擬訓(xùn)練，很適合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

3　定向訓(xùn)練系統(tǒng)功能及設(shè)計(jì)

3.1定向訓(xùn)練系統(tǒng)功能

為實(shí)現(xiàn)空間站內(nèi)定向虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練任務(wù)要求，需要建立一個(gè)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，模擬空間站各艙段的艙內(nèi)虛擬視景環(huán)境，支持受訓(xùn)者在虛擬艙內(nèi)實(shí)時(shí)交互運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)人在回路的空間站艙內(nèi)定向訓(xùn)練，系統(tǒng)應(yīng)具有以下主要功能：

1）空間站多艙段艙內(nèi)視景模擬

虛擬場(chǎng)景包括整個(gè)空間站外部及內(nèi)部環(huán)境較精細(xì)的模型，同時(shí)支持立體顯示功能，能使用投影設(shè)備及立體頭盔進(jìn)行顯示。

2）微重力下人體運(yùn)動(dòng)仿真

基于物理引擎技術(shù)建立虛擬航天員的人體多剛體動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)該模型運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合碰撞檢測(cè)結(jié)果仿真虛擬航天員與外界環(huán)境接觸后的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)將運(yùn)動(dòng)中虛擬航天員的第一視角視景反饋給受訓(xùn)者，從而使受訓(xùn)者能逼真地感受在太空中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3）常規(guī)定向仿真訓(xùn)練

能夠支持空間站內(nèi)多艙段穿行及環(huán)境熟悉訓(xùn)練，對(duì)固定路線穿行訓(xùn)練可提供虛擬導(dǎo)標(biāo)等輔助信息顯示。能夠支持多種交互方式（數(shù)據(jù)手套+位置跟蹤儀、三維鼠標(biāo)、語(yǔ)音指令等）的綜合輸入，來(lái)實(shí)現(xiàn)空間站內(nèi)穿行控制。在虛擬向?qū)е敢峦瓿捎?xùn)練任務(wù)，或自行探索進(jìn)行訓(xùn)練。

4）應(yīng)急情景訓(xùn)練

能夠模擬空間站內(nèi)低能見度效果，模擬煙霧、水氣等低能見度環(huán)境，從而進(jìn)行緊急情況下的定向能力訓(xùn)練和應(yīng)急任務(wù)訓(xùn)練。

5）訓(xùn)練控制功能

具有教員管理控制功能，在訓(xùn)練過(guò)程中教員可通過(guò)訓(xùn)練控制界面對(duì)訓(xùn)練進(jìn)行控制，主要包括訓(xùn)練科目設(shè)置、訓(xùn)練過(guò)程控制、數(shù)據(jù)記錄與維護(hù)、訓(xùn)練綜合評(píng)價(jià)等功能。能夠?qū)ε搩?nèi)穿行的起點(diǎn)、方位等初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，并具備實(shí)時(shí)記錄穿行路徑數(shù)據(jù)及回放的功能。

3.2訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由受訓(xùn)者、教員、人機(jī)交互界面、虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件組成。如圖1所示。

人機(jī)交互界面又分為信息輸入和輸出兩部分。信息輸入界面包括人體軀干跟蹤、手部跟蹤、頭部跟蹤和語(yǔ)音信息輸入。人體運(yùn)動(dòng)跟蹤通過(guò)電磁式位置跟蹤儀（Flock of Bird，Ascension公司）實(shí)現(xiàn)，手部跟蹤通過(guò)數(shù)據(jù)手套（Cyber Glove-22，Immersion公司）實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崟r(shí)地獲取手部各關(guān)節(jié)的角度信息，以支持手部操作仿真。頭部位置跟蹤通過(guò)頭盔上安裝位置傳感器實(shí)現(xiàn)，頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所看到的場(chǎng)景也隨之變化，從而增強(qiáng)受訓(xùn)者在虛擬環(huán)境中的沉浸感。通過(guò)語(yǔ)音輸入實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的功能性指令控制。信息輸出界面包括視覺、力覺和聽覺信息的輸出。頭盔顯示器（自研）為視覺輸出設(shè)備，力反饋裝置（自研）為力覺再現(xiàn)設(shè)備，當(dāng)受訓(xùn)者在虛擬環(huán)境中接觸到物體時(shí)，力反饋裝置將力覺反饋到受訓(xùn)者手部，同時(shí)，通過(guò)聽覺信息反饋場(chǎng)景及操作音效，從而實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)者與虛擬環(huán)境的逼真交互。系統(tǒng)構(gòu)建虛擬太空環(huán)境包括航天器艙內(nèi)工作環(huán)境模型，艙載交互操作儀器設(shè)備模型等。艙內(nèi)漫游方式上，以基于預(yù)設(shè)姿勢(shì)的手勢(shì)識(shí)別算法為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)基于手勢(shì)、三維空間定位設(shè)備和語(yǔ)音命令的綜合空間定位及漫游。具體訓(xùn)練過(guò)程為受訓(xùn)者佩戴人機(jī)交互設(shè)備，其頭部及身體運(yùn)動(dòng)通過(guò)跟蹤設(shè)備和人機(jī)交互接口軟件實(shí)時(shí)捕獲并處理后，傳輸給仿真計(jì)算軟件，用于驅(qū)動(dòng)虛擬空間環(huán)境中的虛擬人執(zhí)行預(yù)期的行為或動(dòng)作，仿真計(jì)算軟件還將處理仿真中出現(xiàn)的碰撞、抓取等情況，生成相應(yīng)的音效、操作力及視景反饋給受訓(xùn)者，從而完成人在回路的仿真。同時(shí)教員軟件可對(duì)訓(xùn)練科目、訓(xùn)練過(guò)程等進(jìn)行控制，同時(shí)記錄訓(xùn)練過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和評(píng)價(jià)。

圖1　虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The architecture of the virtual training system

3.2.2軟件系統(tǒng)

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件系統(tǒng)由人機(jī)交互接口軟件、視景仿真軟件、仿真計(jì)算軟件、教員軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)接口軟件、數(shù)據(jù)記錄軟件組成，各個(gè)軟件模塊協(xié)同工作，完成訓(xùn)練仿真系統(tǒng)設(shè)置、運(yùn)行、記錄和評(píng)價(jià)等功能。各軟件的功能如表1所示。

3.2.3人機(jī)交互回路

系統(tǒng)需要滿足受訓(xùn)者空間定位與導(dǎo)航訓(xùn)練需求，支持手部動(dòng)作跟蹤、肢體運(yùn)動(dòng)跟蹤、頭盔顯示、力覺反饋、語(yǔ)音命令采集、聽覺信息反饋和立體顯示，受訓(xùn)者佩戴人機(jī)交互設(shè)備（頭盔顯示器、力反饋裝置、位置跟蹤儀和數(shù)據(jù)手套，其中耳機(jī)與麥克附加在頭盔上）與系統(tǒng)交互操作，在交互操作過(guò)程中，對(duì)受訓(xùn)者的頭部、手部和上肢運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤，由客戶機(jī)采集運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞給服務(wù)器，在服務(wù)器端計(jì)算虛擬航天員的運(yùn)動(dòng)、碰撞及抓持手勢(shì)，然后將力覺反饋信息和虛擬場(chǎng)景狀態(tài)傳遞給仿真主機(jī)，由該主機(jī)控制力覺反饋裝置輸出，并生成立體圖像信號(hào)，分別輸出到頭盔顯示器和立體投影系統(tǒng)，同時(shí)每臺(tái)計(jì)算機(jī)的視頻信號(hào)輸出到KVM視頻切換系統(tǒng)中，輸出到監(jiān)視顯示器?；芈方Y(jié)構(gòu)如圖2所示：

表1　軟件功能表Table 1 Software functions

圖2　人機(jī)交互回路Fig.2 Human-com puter interaction loop

為提高仿真系統(tǒng)的真實(shí)感，增強(qiáng)受訓(xùn)者的沉浸感受，系統(tǒng)將研制新的交互設(shè)備，提高整個(gè)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的交互性能和受訓(xùn)者的沉浸體驗(yàn)。

3.2.4力反饋設(shè)備研制

力覺反饋是虛擬環(huán)境中的關(guān)鍵支撐技術(shù)，地面模擬航天員在空間進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)、傳遞載荷、裝配等接觸性作業(yè)時(shí)的力覺感受是保障訓(xùn)練真實(shí)性的重要要素。應(yīng)用力覺建模與反饋可提供更好的沉浸感，增加虛擬訓(xùn)練環(huán)境的逼真性。為實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境交互的真實(shí)感，將研制單手力覺反饋設(shè)備，采用直流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)手臂力反饋輸出的反饋裝置，采用磁流變執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)手指力覺反饋輸出的反饋裝置，并綜合實(shí)現(xiàn)虛擬操作的力覺反饋。

1）手臂力覺反饋裝置

手臂力覺反饋裝置在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用并聯(lián)+串聯(lián)混合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，具有5個(gè)關(guān)節(jié)自由度，如圖3所示。在固定方式上采用固定在基座上的方式，基座可以與椅子背部的一側(cè)相固聯(lián)。在力反饋方式上，采用直流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)力反饋輸出。在手臂力覺反饋裝置每個(gè)關(guān)節(jié)自由度安裝一個(gè)直流伺服電機(jī)和一個(gè)關(guān)節(jié)角位置測(cè)量編碼器，通過(guò)位置計(jì)算和力反饋控制算法對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)輸出力矩進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)力反饋裝置末端處的三維力反饋和一維（或二維）力矩反饋。

圖3　手臂力覺反饋裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structural scheme of the arm force feedback device

最終研制的手臂力覺反饋裝置位置測(cè)量精度為2 mm，其末端具有3個(gè)自由度的力反饋和1～2個(gè)自由度的力矩反饋，末端最大力反饋為9 N，最大力矩反饋為0.2 Nm。

2）手指力覺反饋裝置

手指力覺反饋裝置在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用鉗式的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，具有3個(gè)手指關(guān)節(jié)（大拇指、食指、中指）的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，如圖4所示。在固定方式上采用固定在外骨架式手臂力覺反饋裝置末端的方式，減輕手指力覺反饋裝置重量對(duì)操作者手部的影響。在力反饋方式上，采用自行研制的磁流變執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)手指力反饋輸出，磁流變執(zhí)行器具有體積小，輸出阻尼力矩大，響應(yīng)時(shí)間短（5 ms左右）的優(yōu)點(diǎn)。在手指力覺反饋裝置三個(gè)并聯(lián)的旋轉(zhuǎn)自由度安裝一個(gè)磁流變執(zhí)行器和一個(gè)關(guān)節(jié)角位置測(cè)量編碼器，通過(guò)力反饋控制算法對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)的磁流變執(zhí)行器輸出力矩進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)大拇指、食指、中指的力覺反饋。

圖4　手指力覺反饋裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structural scheme of the finger force feedback device

最終研制的手指力覺反饋裝置將具有3個(gè)手指關(guān)節(jié)（大拇指、食指、中指）的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測(cè)量精度為0.5°，最大力矩反饋為0.2 Nm。

3.2.5高性能頭盔顯示設(shè)備研制

使用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)航天員進(jìn)行太空作業(yè)任務(wù)的訓(xùn)練，視覺上的沉浸感會(huì)直接影響訓(xùn)練效果。由于人的兩只眼睛有視場(chǎng)的重疊，因此人兩只眼睛總的視場(chǎng)約為220°×120°。雖然人眼最敏感的視場(chǎng)只有9°，這區(qū)域外視覺靈敏度下降非常劇烈，但是周邊視場(chǎng)在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中扮演著非常重要的作用，增強(qiáng)了沉浸感，對(duì)周圍環(huán)境感知以及任務(wù)執(zhí)行也是很重要的，因此寬視場(chǎng)的視覺反饋是增強(qiáng)虛擬場(chǎng)景沉浸感的重要途徑。

為提高視景顯示效果，研制新型頭盔顯示器，采取高分辨率微顯示單元結(jié)合超大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法提高頭盔的視場(chǎng)角和分辨率，使頭盔顯示器接近人眼的真實(shí)視場(chǎng)范圍，實(shí)現(xiàn)更逼真的視景模擬顯示［6］。大視場(chǎng)頭盔顯示設(shè)備研制，需設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，滿足大視場(chǎng)顯示的要求，配合研究非球面光學(xué)元件的加工和檢測(cè)以及非對(duì)稱離軸結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)精密裝調(diào)方法和設(shè)備，最終完成大視場(chǎng)高分辨率頭盔顯示系統(tǒng)，其單目水平和垂直視場(chǎng)達(dá)到105°和73°，雙目視場(chǎng)達(dá)到140°×73°（其中將雙目重疊視場(chǎng)69°），單目顯示像素?cái)?shù)目為1920×1080，出瞳直徑為10 mm，出瞳距離為14 mm。

大視場(chǎng)顯示系統(tǒng)對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)具有很大的難度。不僅視場(chǎng)要求大，畸變和像質(zhì)要求高，其結(jié)構(gòu)形式要滿足頭盔目鏡式，因此對(duì)體積大小均有限制。單目光學(xué)系統(tǒng)由同軸結(jié)構(gòu)的四片非球面透鏡構(gòu)成，如圖5所示，前三片透鏡材質(zhì)均為玻璃，第四片為光學(xué)塑料，第一片透鏡主要實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)光線偏折，第二、三片透鏡為雙分離結(jié)構(gòu)，主要用來(lái)校正色差，第四片透鏡為雙非球面透鏡，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)畸變的校正。

圖5　高性能頭盔顯示設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.5 The design of compact optical system in w ide-angle head mounted disp lay

4　定向訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用

以空間站計(jì)劃為背景，通過(guò)建立與實(shí)際航天器具有相似結(jié)構(gòu)布局的虛擬空間站各艙段模型，可以幫助航天員建立一個(gè)關(guān)于整體空間站的集成認(rèn)知圖，圖6為中國(guó)未來(lái)空間站的構(gòu)想圖，圖7為受訓(xùn)航天員采用現(xiàn)有人機(jī)交互設(shè)備（未佩戴高性能顯示頭盔及力反饋設(shè)備）進(jìn)行空間站艙內(nèi)定向訓(xùn)練的場(chǎng)景，圖8為采用動(dòng)力學(xué)方法模擬失重狀態(tài)下虛擬航天員以不同的身體姿態(tài)和視覺角度在空間站中游歷。在定向訓(xùn)練中，航天員可熟悉各艙段布局和定向參考標(biāo)記，通過(guò)數(shù)據(jù)手套或其它交互設(shè)備進(jìn)行交互漫游，了解空間站的工作環(huán)境和移動(dòng)路徑，減少以單一身體方位訓(xùn)練所致的空間方向認(rèn)知欠缺，進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)病對(duì)抗性訓(xùn)練等。另外，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)容易模擬由失火產(chǎn)生的煙霧或水霧等導(dǎo)致的低能見度艙內(nèi)環(huán)境，進(jìn)行故障情況下的緊急撤離仿真操作訓(xùn)練。

5　結(jié)論

本文以空間站長(zhǎng)期在軌飛行為應(yīng)用背景，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到航天員空間定向訓(xùn)練中，建立一個(gè)航天員空間定向虛擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，同時(shí)研制手臂力反饋設(shè)備和高性能頭盔顯示設(shè)備，并建立包括視覺、力覺和語(yǔ)音的人機(jī)交互回路。在此基礎(chǔ)上，后續(xù)將根據(jù)實(shí)際航天飛行任務(wù)需求設(shè)計(jì)航天員空間定向訓(xùn)練科目和訓(xùn)練方法，完成空間站內(nèi)定向常規(guī)訓(xùn)練和緊急撤離訓(xùn)練，為后續(xù)更為復(fù)雜的航天員空間操作任務(wù)提供新的訓(xùn)練方式。研究結(jié)果不僅可用于航天員艙內(nèi)定向訓(xùn)練，還可以用于航天員艙內(nèi)活動(dòng)任務(wù)規(guī)劃，航天員太空操作工效分析和特定操作任務(wù)預(yù)演。通過(guò)拓展并完善基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的訓(xùn)練仿真平臺(tái)，深化相關(guān)軟、硬件技術(shù)的研究，將為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航天員訓(xùn)練中的應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

［1］Oman C.Spatial orientation and navigation in microgravity［M］//Spatial processing in navigation，imagery and perception.Springer US，2007：209-247.

［2］Small R L，Oman CM，Jones TD.Space Shuttle FlightCrew Spatial Orientation Survey Results［J］.Aviation，space，and environmentalmedicine，2012，83（4）：383-387.

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［5］盧海平，劉偉奇，康玉思，等.超大視場(chǎng)頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)精密工程，2012，20（5）：979-987. Lu Haiping，Liu Weiqi，Kang Yusi，etal.Design of compact optical system in wide-angle head mounted display［J］.Optics and Precision Engineering，2012，20（5）：979-987.（in Chinese）

Application of Virtual Reality in Spatial Orientation Training for Space Station

JIANG Guohua1，2，LIU Yuqing1，2，ZHU Xiuqing1，2，AN Ming1，2，ZHOU Bohe1，2，CHEN Xuewen1，2，HU Fuchao1
（1.National Key Laboratory of Human Factors Engineering，Beijing 100094，China；2.China Astronaut Research and Training Center，Beijing100094，China）

Duringmanned spaceflight，weightless environment has great influence on astronaut＇s spatial orientation ability，especially in the complicated configuration of space station，which often results in astronaut spatial disorientation.Aiming at the difficulty of conducting spatial orientation training on the ground with physical training simulator，the application of Virtual Reality（VR）training in spatial orientation training was discussed and its features were analyzed.A spatial orientation training simulation system based on VR wasdesigned to provide pre-flightadaptation training，and to help astronauts building orientation skillswith visual cues It provides a new trainingmethod for the complex operations of astronauts in future spaceflightmissions.

space station；spatial orientation；virtual reality；training

TP391.9；V423.7

A

1674-5825（2015）02-0115-06

2014-09-11；

2015-01-19

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃（B1720132001）

姜國(guó)華（1966-），男，碩士，研究員，研究方向?yàn)楹教烊艘蚬こ?、?jì)算機(jī)仿真。E-mail：jgh_isme@sina.com