增强现实技在航空发动机维修的应用

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摘要：本文依据目前航空发动机维修工作的现状，对应用的显示增强技术进行了介绍，同时根据航空发动机在维修过程中的具体需要，开发出了一套基于增强现实技术的航空发动机维修系统。通过进行相应的分析研究，对航空发动机维修工作的深入推进以及增强现实技术在现实中的应用都有重要意义。

关键词：增强现实技术；航空发动机；维修

航空发动机属于大型的复杂机电机构，涵盖了大量的技术，其内部结构十分复杂，在进行拆装以及维修时十分的麻烦，对技术人员的综合能力要求极高，并且相关的费用十分高昂。现阶段在对航空发动机进行维修时，采取的都是十分原始的方法，即根据发动机的纸质版文档或者电子手册进行维修，在维修的过程中需要不时的查看相关的内容，因此整个维修过程的效率十分低下，并且比较容易受到环境等相关因素的干扰，在维修过程中易出现装配错误。此外，航空发动机的维修装配的质量完全依赖于技术人员的维修经验与实际的维修技术水平，因此不能够对维修质量进行良好控制。面对航空发动机目前的维修现状，需要一套更加高效智能的装配维修引导系统，辅助技术人员能够以较快的速度完成复杂耗时的维修装配工作，从而使整个维修工作的难度下降，维修效率提升，并确保维修过程中不会出现差错。增强现实技术从属于虚拟现实技术，是当下十分热门的研究话题。增强现实技术通过利用计算机图形技术以及可视化技术，可以产生现实中没有的虚拟物体，借助相关的传感信息等技术可以把虚拟的影像按照实际的需要完成在真实环境中的呈现，利用相关的显示设备就可以将虚拟的影像与显示中的物体进行无缝连接。增强现实系统能够将虚拟和现实相结合，并且还具备实时交互等特点，而这些特点对于目前航空发动机维修装配工作的发展要求是非常符合的。将增强现实技术与航空发动机维修工作结合在一起，以增强现实技术为基础的数字化维修必将是未来航空发动机维修的趋势。

1增强现实系统概述

发展到目前比较成熟的增强现实系统主要由虚拟场景发生设备、头部位置跟踪设备以及头盔显示器等多种设备组成，技术含量非常高。增强现实系统根据透视方式不同有光学透视以及视频透视两种。第一种采用的头盔显示器为光学透视的，光学合成器通过利用头盔放置在使用者的视觉前方。合成器并不是完全黑暗的，因此使用者能够透过合成器看到现实的环境。同时合成器还能够进行反射部分的影像，使用者借助头盔上的显示器能够看到反射到合成器上的虚拟影像。而视频透视式增强现实系统的头盔显示器对视线进行了封闭，通过一到两个摄像头来观察现实世界周围的环境。场景合成器完成摄像机拍摄到的视频与图形的合成工作，之后将得到的图像投射到头盔的显示器中。在上世纪六十年代，计算机图形技术领域的开拓者在不断的摸索研究中建立了世界上最早的增强现实系统模型。到了九十年代初期，波音公司开始在飞机制造过程中装配电缆连接和接线器中使用增强现实技术。发现了增项现实技术的便捷性之后，有公司开始在汽车制造领域应用增强现实技术，有的公司则是将增强现实技术应用在机械和相关工具的制造过程中，还有一部分公司则将增强现实技术应用带了服务业中，都收到了不错的反馈。随着相关程序语言以及算法等相关技术的进一步成熟，增强现实技术在不断完善的同时，其在相关领域进行应用成本正呈下降的态势，从而使增强现实技术能够在医疗、设备维修、娱乐以及军事等多领域得到进一步应用。

2增强现实关键技术和开发工具

尽管增强现实技术目前有很多优点，但在实际应用的过程中还有两个问题制约着增强现实技术的发展，分别为头盔显示技术与跟踪定位技术。2.1头盔显示技术。人类如果想要获得外部环境的信息，必须借助视觉通道这个信息接口，而目前我们所得到的信息有将近八成都是借助视觉获得的。因此头盔的显示技术对增强现实系统在实际中的应用有非常大的影响，是目前需要首要解决的关键问题之一。当前国外的相关公司所在增强现实系统中使用的显示器重量还不如一个鸡蛋重，能够将显示屏直接安装在普通的眼睛上，从而达到交互的能力。2.2跟踪定位。技术如果想要将虚拟图像和现实中的实物比较完美的结合在一起，则需要将虚拟物放置在现实环境中准确的位置上，这就要求增强现实技术的根据定位系统可以对使用者在环境中的具体位置进行检测，同时对使用者头部的角度或者运动方向进行观察，从而辅助系统判断现是哪一种虚拟物体，并且根据使用者的视角进行坐标系的重建。现阶段的增强现实系统的跟踪定位技术主要有以下三种：①使用跟踪器确定使用者头部实际所处的位置，目前主要使用的跟踪器有：电磁跟踪器、惯性跟踪器、全球定位系统等，从而能够对现实环境中的位置和方向进行探测和跟踪。②基于认知的跟踪定位技术，国外高校的图形与用户接口实验室研究了一个增强现实系统，这个系统通过在打印机的几个比较重要的部位安装了几个三维跟踪器，而系统能够对这些跟踪器的位置和状态进行调整，使这些跟踪器能够加入相应的增强信息。③以视觉为基础的跟踪定位技术，目前在增强现实领域，以计算机视觉为基础的定位技术是比较热门与成熟的定位技术，这种技术通过对不同的视频图像进行内部处理，从而乐意获得所需要的具体位置信息，根据使用者头部的摄像机所拍摄的图像，从而能够判断使用者在现实环境中的位置与方向。2.3增强现实系统所使用的开发工具。增强现实技术经过这几年的发展，目前有许多增强现实系统开发的工具包发展的已经比较成熟了，常见的包括ARToolkit、MRPlatform等，其中ARToolkit工具包由日本研究人员开发，其代码是开源的，能够直接获取，从而能够比较方便快速的进行增强现实应用的开发。目前ARToolkit已经得到了世界顶尖的人机界面实验室的认可，因此其在增强现实领域目前是应用最为广泛的开发包，许多增强现实的应用都是使用这个开发包或者以这个开发包为基础进行改进从而完成应用的开发。

3以增强现实为基础的航空发动机维修系统

在航空维修这个环节中，德国对arvika项目进行了资助，具体应用场合是飞机汽车的装配维修。而欧洲航空防务与航天公司通过应用arvika系统，使欧洲的某款型号的飞机布线速度和装配质量得到了较为明显的提升，在具体的装配过程中，装配工人能够利用语音调用相关虚拟指示，从而能够比较容易的根据具体的提示进行装配，相较以前能够以较快的速度在长板上进行高密度的布线任务。此外，欧盟还发起了一个新的维修项目，在帮助客户进行组装维修的同时对客户进行相关的培训，目前EADA公司已经将这个新的维修项目成功应用到了欧洲某款飞机机翼组装的生产线当中。参考上述两个系统的具体结构，并考虑航空发动机在维修和装配过程中的实际特点，开发了以增强现实为基础的航空发动机维修系统。3.1系统硬件组成。3.1.1远程计算机系统。在远程计算机系统中，有波音的PMA文档，空客的相关存储文件，航空发动机的具体维修流程、相关语音提示、相关的视频信息，此外还包括航空发动机相关组件的三维模型，从而使航空发动机的维修技术人员可以根据现场工作的需求随时调用自己需要的信息。为了使实时性的效果达到最优，将速率优化到了15~20帧每秒，并且使用高配的DELL图形工作站。3.1.2头盔显示系统。头盔显示系统可以确保使用者能够在安全的前提下没有障碍的对航空发动进行直接的观察，并且在头盔失去电源后依然能够观察到现实环境。维修中所使用的头盔显示器为n-vison公司的光学透视式头盔显示器DatavisorHiRes。3.1.3跟踪定位系统。Ascension公司开发的FlockofBird电磁式位置跟踪设备能够对六个自由度的位置进行跟踪定位。3.1.4人机交互系统。航空发动机在进行装拆以及维修时，现场的工作人员的手通常需要操作专业的作用工具，而相关的维修流程则通过语音进行调用，进而可以完成良好的信息交互，本系统中的人机交互系统采用的是Microsoftspeechsdk，并在此基础上进行二次开发。3.1.5数据传输系统。通过借助相应的数据传输系统，使用者和计算机之间能够保持较好的关联性，使数据传输的工作能够有保障，通常使用线缆或者无线进行传输。3.2软件系统。以MicrosoftVC++6.0为基础，完成三维环境定位算法的编写，从而能够在现实的环境当中对相关的运动物体进行追踪。而部分的虚拟模块程序的编写，则以国外公司的虚拟场景开发平台为基础，利用高端虚拟现实建模工具MultigenCtreatorPro和场景管理实时生成软件MultigenVega软件完成。3.2.1图像处理模块。可以令使用者感受到的环境更加的真实，将融合场景所看到的两个视频信号分别传输到使用者的头盔中，从而完成复合立体图像对比显示。3.2.2三维跟踪定位模块。获得的图像中会有色点以及噪声问题，需要完成颜色滤波以及边缘提取工作，之后参照彩色标志点结合基于视觉的跟踪算法完成系统的三维场景定位。3.2.3虚拟物体描绘模块。虚拟物体描绘模块导入之前存储的PMA电子文档、AirN@v电子文档、视频语音文件等，同时利用三维建模工具完成动态的航空发动机维修装配三维图的建立。

4结语

增强现实技术在航空发动机的维修装配中有着十分突出的优点，尽管目前还存在三维环境定位不够准确、使用成本较高、相关技术还不够成熟等问题，但基于增强现实的数字化维修定是未来航空发动机维修的发展方向，随着相关技术问题被突破，未来的航空发动机维修工作将会变得更加高效。

参考文献：

[1]张伟，赵新灿，徐兴民.增强现实技术及其在航空发动机维修中的应用[J].江苏航空，2006（001）：21-23.

[2]杨西平.增强现实中若干关键技术研究[D].华中科技大学，2007.

[3]李旭东.基于特征点的增强现实三维注册算法研究[D].天津大学，2009.

作者:王群淼 单位:济南国际机场股份有限公司