面向航空发动机的虚拟多人拆装任务的驱动方法

doi:10.16182/j.issn1004731x.joss.22-1026

摘要/Abstract

摘要：

为满足虚拟多人协同拆装系统不同拆装任务的快速开发需求，提出一种可配置任务序列的数据驱动方法。以某型航空发动机样机为研究对象，研究了多人协同拆装的任务要素，对任务进行基于JS对象图谱（JavaScript Object notation，JSON）的参数化设计与表达，以JSON参数化文件驱动任务序列，定义每一步任务的交互操作。实践表明：该方法运用于多人协同拆装系统中，使系统具备可配置性，能根据自定义任务序列驱动任务流程；在多端大任务量的情况下，有效提升部署效率。

关键词: 虚拟拆装, 多人协同, 航空发动机, 参数化模型, 任务驱动

Abstract:

To meet the needs of virtual multi-person collaborative disassembly and assembly system for different disassembly and assembly tasks, this paper proposes a data-driven method with configurable task sequence. Taking an aeroengine prototype as the research object, the paper studies the task elements of multi-person collaborative disassembly and assembly. It parameterizes and expresses the task based on JSON (JavaScript object notation) and drives the task sequence by JSON parametrical files, defining the interactive operation of each task step. The practice shows that this method is applied to the multi-person collaborative disassembly and assembly system, which makes the system configurable and can drive the task flow according to the user-defined task sequence. The method can effectively improve deployment efficiency when dealing with multiple terminals and large tasks.

Key words: virtual disassembly and assembly, multi-person collaboration, aeroengine, parametric model, task-driven

中图分类号:

TP391.9

曾秋玮,胡兆勇,王志乐等 . 面向航空发动机的虚拟多人拆装任务的驱动方法[J]. 系统仿真学报, 2024, 36(1): 220-231.

Zeng Qiuwei,Hu Zhaoyong,Wang Zhile,et al . Driving Method of Virtual Multi-person Disassembly and Assembly Task for Aeroengine[J]. Journal of System Simulation, 2024, 36(1): 220-231.

图/表 16

图1

图2

图3

表1

表2

表3

图4

图5

表4

图6

图7

图8

图9

图10

表5

图11

参考文献 19

1	罗智勇, 刘洁, 宋海方, 等. 虚拟训练在航空装备维修训练中应用的评估[J]. 航空维修与工程, 2020(11): 25-28.
	Luo Zhiyong, Liu Jie, Song Haifang, et al. The Evaluation of Virtual Training Application in Aviation Equipment Maintenance Training[J]. Aviation Maintenance & Engineering, 2020(11): 25-28.
2	徐文胜, 武博, 蒋坚鸿. 武器装备虚拟维修训练系统行为树设计与实现[J]. 系统仿真学报, 2018, 30(7): 2722-2728.
	Xu Wensheng, Wu Bo, Jiang Jianhong. Design and Realization of Behavior Tree in Weapon Equipment Virtual Maintenance Training System[J]. Journal of System Simulation, 2018, 30(7): 2722-2728.
3	Wang Peng, Zhang Shusheng, Bai Xiaoliang, et al. 2.5DHANDS: a Gesture-based MR Remote Collaborative Platform[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 102(5): 1339-1353.
4	张青, 郑岩, 郭庆, 等. 航空发动机设备拆装快速装配仿真研究[J]. 计算机仿真, 2018, 35(3): 257-262.
	Zhang Qing, Zheng Yan, Guo Qing, et al. Simulation Research on Rapid Assembly and Disassembly of Aeroengine Based on Motion Capture Equipment[J]. Computer Simulation, 2018, 35(3): 257-262.
5	向锦鹏, 赵斌, 张超智, 等. 多人协同航空发动机维护系统开发[J]. 科技资讯, 2021, 19(12): 51-53.
	Xiang Jinpeng, Zhao Bin, Zhang Chaozhi, et al. Development of Multi-person Cooperative Aero-engine Maintenance System[J]. Science & Technology Information, 2021, 19(12): 51-53.
6	秦志南. 沉浸式虚拟装配系统的可用性研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2018.
	Qin Zhinan. Usability Research of an Immersive Virtual Assembly System[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2018.
7	张焕然. 海航技术首推航空维修VR智能培训平台[J]. 航空维修与工程, 2019(4): 18-19.
	Zhang Huanran. HNA Technik Pioneers VR Platform in MRO Training[J]. Aviation Maintenance & Engineering, 2019(4): 18-19.
8	吴思亮, 韩兵, 陈宇, 等. F-35A维修训练体系建设评析[J]. 航空维修与工程, 2018(4): 27-29.
	Wu Siliang, Han Bing, Chen Yu, et al. Analysis on F-35A MRO Training System[J]. Aviation Maintenance & Engineering, 2018(4): 27-29.
9	魏士松, 周正东, 章栩苓, 等. 基于桌面虚拟现实技术的航天器虚拟维修训练系统[J]. 系统仿真学报, 2021, 33(6): 1358-1363.
	Wei Shisong, Zhou Zhengdong, Zhang Xuling, et al. Virtual Training System for Spacecraft Maintenance Based on Desktop Virtual Reality[J]. Journal of System Simulation, 2021, 33(6): 1358-1363.
10	邵绪强, 张浩伟, 冯小华. 面向电力变压器虚拟装配的多感官融合交互方法[J]. 系统仿真学报, 2022, 34(10): 2244-2254.
	Shao Xuqiang, Zhang Haowei, Feng Xiaohua. Multi-sensory Fusion Method for Power Transformer Virtual Assembly[J]. Journal of System Simulation, 2022, 34(10): 2244-2254.
11	朱国涛, 田涛, 王志乐. 某型弹药虚拟维修训练系统的设计与实现[J]. 系统仿真学报, 2008, 20(增1): 70-73.
	Zhu Guotao, Tian Tao, Wang Zhile. Design and Implementation for a Type of Ammunition's Virtual Maintenance Training System[J]. Journal of System Simulation, 2008, 20(S1): 70-73.
12	胡兆勇, 何梓秋, 何汉武, 等. 虚拟装配系统开发中参数化模型表达与交互意图识别研究[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2021, 53(3): 113-121.
	Hu Zhaoyong, He Ziqiu, He Hanwu, et al. The Parametric Model Expression and Interactive Intention Recognition in the Virtual Assembly System[J]. Journal of South China Normal University(Natural Science Edition), 2021, 53(3): 113-121.
13	孙淑铨, 胡兆勇, 吴悦明. 虚拟拆装训练产生式系统设计[J]. 装备制造技术, 2021(4): 1-7.
	Sun Shuquan, Hu Zhaoyong, Wu Yueming. Virtual Disassembly and Assembly Training Generative System Design[J]. Equipment Manufacturing Technology, 2021(4): 1-7.
14	孙淑铨. 虚拟实训中多人协同拆装的关键技术研究[D]. 广州: 广东工业大学, 2021.
	Sun Shuquan. Research on the Key Technology of Multi-person Collaborative Disassembly and Assembly in Virtual Training[D]. Guangzhou: Guangdong University of Technology, 2021.
15	李荣强, 文爱兵, 花斌, 等. 航空装备虚拟维修训练仿真模型快速开发技术[J]. 系统仿真学报, 2021, 33(5): 1167-1176.
	Li Rongqiang, Wen Aibing, Hua Bin, et al. Rapid Development Technology of Virtual Maintenance Training Simulation Model for Aviation Equipment[J]. Journal of System Simulation, 2021, 33(5): 1167-1176.
16	张王卫, 苏群星, 刘鹏远. 虚拟维修拆卸序列智能规划研究[J]. 系统仿真学报, 2013, 25(8): 1912-1918.
	Zhang Wangwei, Su Qunxing, Liu Pengyuan. Research on Virtual Maintenance Disassembly Sequence Intelligent Planning[J]. Journal of System Simulation, 2013, 25(8): 1912-1918.
17	杨艳芳, 贺焕, 舒亮, 等. 基于时间Petri网的断路器虚拟装配系统研究[J]. 中国机械工程, 2019, 30(3): 310-317, 324.
	Yang Yanfang, He Huan, Shu Liang, et al. Research on Circuit Breaker Virtual Assembly Systems Based on Time Petri Net[J]. China Mechanical Engineering, 2019, 30(3): 310-317, 324.
18	钱文高, 马红岩, 耿宏. 动态重组子网的Petri网飞机虚拟维修过程建模与仿真[J]. 计算机应用与软件, 2021, 38(7): 93-99.
	Qian Wengao, Ma Hongyan, Geng Hong. Modeling and Simulation of Aircraft Virtual Maintenance Process Based on Petri Nets with Dynamic Reconfigurable Subnets[J]. Computer Applications and Software, 2021, 38(7): 93-99.
19	信俊昌, 王国仁, 李国徽, 等. 数据模型及其发展历程[J]. 软件学报, 2019, 30(1): 142-163.
	Xin Junchang, Wang Guoren, Li Guohui, et al. State of the Art Data Model and Its Research Progress[J]. Journal of Software, 2019, 30(1): 142-163.

运动类型	操作对象	实际操作
公转	套筒	用套筒将螺栓拧松或拧紧
自转	高温合金螺栓	捏住对象使其自转
自转	反馈调整螺钉	用螺丝刀拧松/拧紧
平移	高温合金螺栓	插入或抽出螺栓孔
平移	转子叶片	从扇叶底座插入或抽出
单手拾取	转速传感器	单手控制对象位姿
	滑油回油管
	滑油散热器
	作动半环
	燃油喷嘴
多手搬运	前整流锥	多手共同控制对象位姿
	滑油箱
	燃油总管
	进气机闸

抽象运动	所需参数	执行效果
公转	操作模式、公转轴、工具类型、工具轴向偏移值和目标值	使用指定工具根据公转轴和轴向偏移动态调节自然就位位姿，待手触发，使物体自转、工具绕公转轴旋转，一同达到目标角度
自转	操作模式、自转轴、工具类型、工具轴向偏移值和目标值	使用指定工具根据自转轴和轴向偏移动态调节自然就位位姿，待手触发，使工具和物体一同自转达到目标角度
平移	操作模式、移动方向、工具类型和目标值	使用指定工具，使物体根据移动方向平移目标距离
单手拾取	操作模式、目标位置、手势	为物体动态加载单手控制行为模型封装脚本，识别手势，实现单手自由控制物体位姿，放至目标位置
多手搬运	操作模式、目标位置、手势	为物体动态加载多手协同行为模型封装脚本，识别手势，实现多手协同控制物体位姿，放至目标位置

运行时属性名称	数据类型	释义
Tasks	List<Task>	由所有任务组成的任务列表
Task	Task	自定义任务类
TaskID	int	任务序号
OperationalObject	GameObject	操作对象
OperationMode	(Enum) MoveType	操作模式
AbsAxis	Vector3	轴向量
TargetValue	float	目标值
ToolBias	float	工具轴向偏移量
DestinationTransform	Transform	目标位置
IsDone	bool	是否完成
IsMove_ OtherChildren	bool	是否连带其他同级物体
ToolType	(Enum)ToolType	工具类型
PromptInfoTitle	string	任务提示标题
PromptInfo	string	任务具体信息
Gesture	（Enum）Gesture	手势类型
PreviousTaskIDs	List<int>	前序任务列表
NextTaskIDs	List<int>	后序任务列表
ColliderType	(Enum) ColliderType	碰撞体类型
TriggerBeAdd	bool	是否已添加触发器

数学表达	含义	系统数据类型
U	总任务集合	List<int>
U₀	未完成任务集合	List<int>
U₁	可执行任务集合	List<int>
U₂	已完成任务集合	List<int>
i	任务序号	int
P_i	任务i的前序任务集合	List<int>
N_i	任务i的后序任务集合	List<int>
P_i [k]	任务i的前序任务集合中第k个任务	int
N_i [j]	任务i后序任务集合中第j个任务	int

任务数量	配置文件	占用空间/Byte	JSON较XML小/％
500	XML	271 795	27.98
500	JSON	195 752	27.98
1 000	XML	539 797	28.17
1 000	JSON	387 754	28.17
1 500	XML	811 535	28.10
1 500	JSON	583 492	28.10
2 000	XML	1 079 537	28.16
2 000	JSON	775 494	28.16