基于循環(huán)迭代的飛機虛擬拆裝過程建模方法

董健康，楊 柳，耿 宏

(中國民航大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300)

0 引 言

虛擬拆裝訓(xùn)練是飛機維修訓(xùn)練系統(tǒng)的重要組成之一[1]，對民航維修人員熟悉工作，提高維修人員的拆裝操作水平具有重要意義。采用虛擬拆裝仿真訓(xùn)練的方式，是較為有效的維修訓(xùn)練途徑，虛擬拆裝仿真主要包括人與拆裝部件的行為、人與拆裝部件的交互，行為是交互過程中產(chǎn)生的一系列動作，為更好地實現(xiàn)虛擬拆裝訓(xùn)練的仿真效果，提高拆裝訓(xùn)練效率，很多學(xué)者對拆裝過程進(jìn)行研究[2]。

如劉佳等基于Petri網(wǎng)[3]、UML狀態(tài)機[4]等方法對飛機拆裝部件間的約束關(guān)系、運動方式及拆裝序列進(jìn)行描述；張云榮等利用著色Petri網(wǎng)[5]、資源競爭機制[6]等方法建立虛擬拆裝過程模型，研究了拆裝對象的結(jié)構(gòu)、人員間的協(xié)作關(guān)系，將虛擬人定義為維修資源、“空閑”狀態(tài)、“忙碌”狀態(tài)等形式。以上的學(xué)者只考慮了虛擬場景中拆裝部件的狀態(tài)變遷和行為變化，對“人”的站立、行走、拆裝操作等行為及人與部件間的交互關(guān)系考慮較少，沉浸感不足；另外，在對虛擬人拆裝行為進(jìn)行仿真時，國內(nèi)外學(xué)者通過捕獲人體動作數(shù)據(jù)[7]、運動跟蹤系統(tǒng)[8]、動作組合[9]等方法，實現(xiàn)了虛擬人拆裝行為的控制，但沒有從拆裝任務(wù)角度去描述虛擬人在拆裝過程中的行為變化。

考慮到拆裝過程不僅包含拆裝部件，也包含虛擬人，且部件的拆裝是由虛擬人完成，因此可以通過描述虛擬人行為動作反映部件的運動方式，以虛擬人逐步完成拆裝的過程體現(xiàn)部件的拆裝流程，減少對部件拆裝信息的表達(dá)。

針對上述問題和思想，以飛機部件的拆裝為對象，研究在拆裝部件的過程中虛擬人與拆裝部件的交互關(guān)系及虛擬人拆裝行為的表達(dá)方式。首先將拆裝過程分為拆裝部件的狀態(tài)變化過程和虛擬人多個拆裝子過程交叉構(gòu)成；建立語義通用的虛擬人拆裝行為參數(shù)化模型，用于統(tǒng)一表示虛擬人行為信息；最后分析虛擬人與拆裝對象的交互關(guān)系，建立虛擬拆裝模型，并依據(jù)飛機虛擬拆裝過程循環(huán)性和迭代的思想，構(gòu)建虛擬人拆裝行為、部件狀態(tài)、拆裝次序之間的迭代關(guān)系函數(shù)，以循環(huán)迭代的方式表示虛擬人拆裝行為變化過程及部件的拆裝流程。

1 飛機虛擬拆裝過程分析

1.1 拆裝過程特性分析

拆裝過程是指下發(fā)拆裝任務(wù)后，虛擬人依照飛機維護(hù)手冊，通過工具或徒手與拆裝對象進(jìn)行交互的過程，主要包含虛擬人拆裝行為信息，拆裝對象的狀態(tài)信息，以及虛擬人、維修工具、拆裝對象之間的交互信息，分析拆裝過程中虛擬人、拆裝對象之間的關(guān)系，總結(jié)拆裝過程主要具有以下特性：①動態(tài)性：拆裝部件是由多個零件組成的，動態(tài)是指拆裝部件的狀態(tài)隨著各零件拆裝的完成而發(fā)生改變；②循環(huán)性：虛擬人拆裝某一零件的過程可以看作一個子過程，子過程分為準(zhǔn)備拆裝、正在拆裝、結(jié)束拆裝，而整個拆裝過程則由子過程多次循環(huán)組成，構(gòu)成了循環(huán)事件系統(tǒng)。

根據(jù)拆裝過程的特性分析，可將拆裝過程分為拆裝部件的狀態(tài)變化過程和虛擬人拆裝多個子過程交叉構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 拆裝過程特性分析

1.2 拆裝任務(wù)層次劃分

拆裝任務(wù)劃分是拆裝過程描述的前提，是為虛擬人更容易理解具體的拆裝指令，有利于虛擬人的拆裝操作，基于以上對拆裝過程的特性分析，依據(jù)拆裝任務(wù)的層次關(guān)系，對拆裝任務(wù)進(jìn)行劃分，往往一個拆裝任務(wù)包含不同的拆裝部件，每個拆裝部件又由多個元部件組成，元部件是不可再分的零件，如螺釘、螺帽等，以黃系統(tǒng)儲壓器拆裝為例，具體劃分如圖2所示。

圖2 拆裝任務(wù)層次分析

圖2中，黃系統(tǒng)儲壓器拆裝任務(wù)中包含拆裝部件PTU隔離耦合器、儲壓器，元部件端蓋、螺帽、螺釘?shù)?，則虛擬人在拆裝過程中直接執(zhí)行的指令是拆裝端蓋、螺釘、螺帽。

2 虛擬人拆裝行為分析

圖1中，部件的狀態(tài)變化是由虛擬人拆裝子過程的結(jié)束而觸發(fā)的，因此可將子過程的結(jié)束看成是部件狀態(tài)變化的標(biāo)志，虛擬人拆裝子過程是指虛擬人拆裝元部件的過程，由虛擬人的行為動作組成，通過對拆裝行為進(jìn)行抽象分析，歸納出行為的基本特點，建立通用的行為表示模型，從而簡化對元部件的位置、外部特征、運動方式等信息的描述，減少了模型信息量。

2.1 虛擬人拆裝元部件的行為特點分析

虛擬人在飛機虛擬拆裝過程中改變自身的行為與元部件進(jìn)行交互，從而實現(xiàn)部件狀態(tài)的改變，行為的改變主要由虛擬人的動作變化產(chǎn)生，分析虛擬人的拆裝動作特點，總結(jié)為以下3點：

(1)并行性：指虛擬人在拆裝元部件時伴隨著與元部件拆裝不相關(guān)的動作同時并行，如拆裝大氣資料慣性基準(zhǔn)組件時，虛擬人不僅用手?jǐn)Q螺帽且伴隨著身體蹲下的動作；

(2)相似性：指在拆裝過程中存在相似的元部件，使得虛擬人在拆裝元部件時，用到相同的工具或相似的動作，如拆裝輔助動力裝置啟動接觸器和引起負(fù)載控制活門都需用螺絲刀擰螺釘；

(3)有序性：虛擬人在拆裝元部件時會依次調(diào)整自身的位置、姿態(tài)及手部的動作，以達(dá)到可以拆裝的目的。

分析虛擬人拆裝元部件的動作特點，可將虛擬人的拆裝動作分為：拆裝不相關(guān)動作和拆裝相關(guān)動作。其中拆裝不相關(guān)動作是指虛擬人在準(zhǔn)備拆裝和結(jié)束拆裝中所做的姿態(tài)調(diào)整動作，如虛擬人的抬低頭、彎腰、下蹲等動作；拆裝相關(guān)動作是指虛擬人正在拆裝時利用工具或徒手拆裝元部件的手部動作，如握、擰、拉等。

2.2 虛擬人拆裝行為參數(shù)化建模

在拆裝不同的元部件時，虛擬人的拆裝行為變化不唯一，但拆裝動作類型和動作變化順序一致，為將虛擬人拆裝行為表示規(guī)范化，需建立虛擬人拆裝行為模型，該模型應(yīng)具備以下特性：①語義性：模型中的參數(shù)應(yīng)具備一定的拆裝語義，便于虛擬人理解，且通過參數(shù)的組合可以表述某一拆裝行為；②通用性：即通過修改模型中參數(shù)可以生成各種拆裝行為，以適用于不同的拆裝對象。

基于以上對拆裝動作特點的總結(jié)及動作的分類，拆裝行為模型包含虛擬人的姿態(tài)調(diào)整動作、拆裝工具、手部拆裝動作，依據(jù)拆裝行為的有序性：調(diào)整姿態(tài)—使用工具/徒手操作—調(diào)整手部拆裝動作，依次用參數(shù)的形式表示，建立虛擬人拆裝行為模型。

定義1 虛擬人拆裝行為參數(shù)化模型

Di={Human,Posture,Tool,HMotion}

(1)

Di為拆裝元部件i的拆裝行為集合，其中Human用于表示執(zhí)行拆裝行為的虛擬人代號，Posture表示虛擬人在拆裝元部件i時身體保持的姿態(tài)動作集合，Tool表示虛擬人拆裝使用的工具集合，主要包括徒手(Hand)、螺絲刀(Sdriver)、扭力扳手(TWrench)、柳釘槍(GRivet)、剪鉗(CPattern)、扳手(Wrench)、榔頭(Hammer)等工具，HMotion表示虛擬人拆裝元部件i時的手部拆裝動作集合。在飛機拆裝過程中常用姿態(tài)動作(Posture)和手部拆裝動作(HMotion)，見表1，若虛擬人拆裝元部件i的行為參數(shù)為Di={Human,Squat,Wrench,WScrew}， 根據(jù)以上定義可將虛擬人的拆裝行為描述為：虛擬人拆裝元部件i時，身體保持下蹲的姿勢，用扳手沿著元部件i的運動方向擰動元部件i。

3 飛機虛擬拆裝模型的建立

3.1 虛擬拆裝模型

虛擬人在拆裝操作時，根據(jù)部件的信息，調(diào)整自身的姿態(tài)，并選擇相應(yīng)的工具對部件進(jìn)行拆裝操作，虛擬人與

表1 拆裝動作描述

部件的交互作用關(guān)系如圖3所示。

圖3 人與部件的交互關(guān)系

通過對虛擬人拆裝部件的分析，虛擬人拆裝部件所包含的信息有：組成部件的所有元部件信息、虛擬人拆裝部件的姿態(tài)動作、拆裝部件使用的工具、虛擬人的手部動作，對其集中表示，建立虛擬拆裝模型。

定義2 虛擬拆裝模型為

DI=(C,P,T,M)

(2)

式中：C=(c1,c2,…,ci,…,cn)Τ表示拆裝任務(wù)中所有元部件的列向量，元素ci對應(yīng)元部件的名稱；P=(p1,p2,…,pi,…,pn)Τ為虛擬人在拆裝過程中姿態(tài)動作列向量，向量中的元素pi屬于同一虛擬人姿態(tài)動作集合，即pi∈Posture， 為拆裝元部件i時，對應(yīng)的虛擬人姿態(tài)動作參數(shù)；T=(t1,t2,…,ti,…,tn)Τ為虛擬人拆裝元部件使用的工具列向量，向量中的元素ti屬于工具集合，即ti∈Tool；M=(m1,m2,…,mi,…,mn)Τ為虛擬人拆裝部件過程中手部動作列向量，向量中的元素mi表示拆裝元部件i時，虛擬人手部動作的參數(shù)，mi∈HMotion。

由虛擬拆裝模型可知，DI的每一行表示虛擬人拆裝元部件的各種行為信息，如DI中第i行為 (ci,Stand,Hand,Insert)， 表示虛擬人拆裝元部件ci的行為信息為虛擬人保持站立的姿態(tài)，用手插入元部件ci。

3.2 DPMCI建立

分析飛機虛擬拆裝過程的循環(huán)特性，拆裝過程是由拆裝多個元部件循環(huán)重復(fù)組成的活動，將每一次對拆裝部件過程的重復(fù)稱為一次“迭代”，將每一次迭代得到的拆裝信息作為下一次迭代的初始值，因此根據(jù)飛機虛擬拆裝過程循環(huán)性和迭代的思想，建立基于循環(huán)迭代的飛機虛擬拆裝過程模型(disassembly process model cycle iteration，DPMCI)，并引入與飛機虛擬拆裝相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，即部件狀態(tài)、拆裝次序，從而給出DPMCI的定義。

定義3 基于循環(huán)迭代的飛機虛擬拆裝過程模型(DPMCI)

DPMCI={DI,S,DS,f}

(3)

式中：DI為虛擬人拆裝行為，詳解見式(2)；S為拆裝部件的狀態(tài)，部件的初始狀態(tài)S0=E為n階的單位陣；DS表示虛擬人拆裝元部件的次序

DS=(ds1,ds2,…,dsi,…dsn)Τ

其中，dsi=(dsi1,dsi2,…,dsij,…dsin) 表示元部件i與其它元部件之間的拆裝次序，dsij=0或1，若dsij=1， 則虛擬人需先執(zhí)行元部件i拆裝，再執(zhí)行元部件j拆裝，若dsij=0表示無拆裝次序；f為DI,S,DS之間的迭代關(guān)系函數(shù)， (DIci+1,Sci+1,DSci+1)=f(DIci,Sci,DSci)， 表示虛擬人完成元部件ci的拆裝操作后，使得拆裝部件C的狀態(tài)改變，由迭代函數(shù)f獲得虛擬人拆裝元部件ci+1的行為等信息。

3.3 DPMCI算法實現(xiàn)

基于循環(huán)迭代的思想，虛擬人對元部件數(shù)為n的部件進(jìn)行拆裝，由以上定義得初始值DI0，S0，DS0， 搜索S0中的每一列S0[:,k]，k=1,2,…,n， 計算DS0×S0[:,k]， 若結(jié)果等于0，表示元部件k準(zhǔn)備進(jìn)行拆裝，當(dāng)元部件k拆裝完成后，部件狀態(tài)S0發(fā)生一次改變，S1=zero(S0(:,k))， 表示將S0的第k列置0，并由S1得出虛擬人的拆裝行為DI1=S1×DI0及虛擬人拆裝元部件的次序DS1=S1×DS0， 完成一次迭代過程，得出的結(jié)果作為下次迭代的初始值，虛擬人準(zhǔn)備進(jìn)行下一步拆裝操作。當(dāng)虛擬人完成n次拆裝操作后，DIn=0， 迭代結(jié)束，表示部件拆裝完成，實現(xiàn)了虛擬人拆裝部件的過程描述，其DPMCI算法偽代碼描述如下：

DPMCI算法：

Input： 初始值DI0,S0,DS0,n

Output： 虛擬人拆裝行為DIx,Sx

(1) Initializex←0，U[n];

(2)ifDIx!=0then

(3)fork ←x+1 to n do

(4)ifDSx×Sx[:,k]=0then

(5) i←0;

(6)U[i]←k;

(7) i←i+1;

(8)end

(9)end

(10)Sx+1←zero(Sx[:,U[0]]);

(11)DIx+1←Sx+1×DIx;

(12)DSx+1←Sx+1×DSx;

(13)U[n]←{0};

(14) returnDIx+1,Sx+1;

(15) x←x+1;

(16)end

4 實例驗證

結(jié)合A320分布式虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，以集中故障顯示接口組件(CFDIU)的拆卸實驗為例進(jìn)行驗證，其安裝過程為逆過程，這里不具體闡述，CFDIU的拆卸流程如圖4所示。

圖4 CFDIU拆卸流程

分析CFDIU的拆卸流程，需拆卸的元部件有：工作平臺(c1)、艙門按鈕(c2)、艙門把手(c3)、艙門(c4)、螺帽(c5、c6)、CFDIU組件(c7)、堵蓋(c8)，虛擬人的姿態(tài)動作包含直立(Stand)、蹲下(Squat)，手部動作包含推(Push)、按壓(Press)、旋轉(zhuǎn)(Rotate)、拉出(Pull)、插入(Insert)、徒手?jǐn)Q(Screw)。拆卸過程中虛擬人行為與元部件的交互關(guān)系如圖5所示。

圖5 虛擬人行為與部件的交互關(guān)系

依據(jù)虛擬人行為與元部件間的交互關(guān)系及所需描述的信息，建立CFDIU的虛擬拆裝模型DI0依據(jù)DPMCI算法步驟，可得拆卸CFDIU的虛擬人行為描述為：

步驟1 虛擬人推放工作平臺到824電子艙處，接近824電子艙；

步驟2 用手按壓艙門按鈕，艙門把手彈出；

步驟3 虛擬人手握艙門把手并旋轉(zhuǎn)；

步驟4 推開艙門，進(jìn)入824電子艙中，接近CFDIU；

步驟5 虛擬人保持身體蹲下的姿勢，用手?jǐn)Q松左/右螺帽并放低；

步驟6 手握CFDIU組件把手并拉出CFDIU組件；

步驟7 雙手抱住CFDIU組件，將組件放置在工作平臺上；

步驟8 手持堵蓋并插入到電插頭上。

當(dāng)完成第一次循環(huán)迭代后，得出迭代結(jié)果DI1

將DI1作為下次迭代的初始值，進(jìn)入下一步操作，以此類推，當(dāng)虛擬人完成最后一次操作后，得出迭代結(jié)果DI8=0， 表示迭代結(jié)束，CFDIU拆卸完成，虛擬人拆卸CFDIU的過程仿真如圖6所示。

圖6 CFDIU拆裝過程仿真

結(jié)合CFDIU拆卸任務(wù)應(yīng)用實例，對文獻(xiàn)[3]Petri網(wǎng)模型、文獻(xiàn)[4]狀態(tài)機模型、DPMCI的拆裝效率采用以上4個指標(biāo)進(jìn)行評估對比，評估結(jié)果見表2。

表2 拆裝效率評估

如表2所示，在拆卸任務(wù)相同的情況下，元部件種類、數(shù)量及使用的工具也都相同，因此3種方法所得的工具更換次數(shù)與部件的穩(wěn)定性一致；而在執(zhí)行者拆裝部件的過程中，DPMCI考慮了虛擬人的拆裝行為及虛擬人與部件的交互關(guān)系，以虛擬人拆裝行為變化表示部件的狀態(tài)變化，減化拆裝部件間的約束、狀態(tài)等信息的描述，給出了虛擬人拆裝行為的參數(shù)化表達(dá)，從虛擬人的角度進(jìn)行拆裝操作，增強拆卸目標(biāo)與虛擬人的交互作用，使虛擬拆卸仿真效果更貼近實際拆卸過程，并且實驗結(jié)果得出的元部件可見性值為0.8932和拆裝角度值為0.7646均大于文獻(xiàn)[3]的0.7854和0.6739、文獻(xiàn)[4]的0.6023和0.7333，且總值最大，為2.4245。由文獻(xiàn)[15]知，元部件的拆裝可見性和拆裝角度值越大，維修人員完成拆裝訓(xùn)練任務(wù)越方便，拆裝效率越高，參照以上實驗結(jié)果及對比分析說明，將DPMCI虛擬拆裝過程建模方法應(yīng)用到拆裝仿真訓(xùn)練中，可以提高部件的拆裝效率。

5 結(jié)束語

對飛機拆裝過程進(jìn)行研究，結(jié)合參數(shù)化行為描述和循環(huán)迭代法建立了飛機虛擬拆裝過程模型，實現(xiàn)虛擬人拆裝行為的參數(shù)化描述及部件狀態(tài)變化的表達(dá)，并將這種模型應(yīng)用在基于OSG開發(fā)的分布式三維虛擬維修訓(xùn)練平臺中，經(jīng)實例驗證與對比，該方法從虛擬人行為變化角度描述的部件拆裝過程，增加了部件可見性和拆裝角度，使虛擬人與拆裝對象間的交互關(guān)系更為簡單直觀，受訓(xùn)人員更容易完成拆裝任務(wù)，從而提高拆裝訓(xùn)練效率。