增强现实环境下车间布局设计的注册与协同交互研究

摘要

传统车间布局辅助设计的研究主要是从定量的指标上对生成车间进行最优求解，如设备或单元之间的材料流、工件流以及空间利用率等问题上进行最优求解。本文立足于定性分析的角度在传统车间布局辅助设计的基础上引入增强现实(Augmented Reality，AR)技术，针对在增强现实环境下的网络协同式车间布局系统的特点，着重对混合环境下的注册技术、人机交互技术以及网络协同三个关键技术问题进行研究，以望能突破目前车间布局系统难以进行定性分析的瓶颈。本文主要的研究内容及相应的研究方法有以下几个方面：
　　 首先根据增强现实环境下车间布局系统布局范围的特点，选定相应注册算法，该算法既要保证注册的精度又要满足注册范围的要求。基于以上的事实本文将基于视觉注册与电磁跟踪的注册结合在一起组成了一种混合注册算法。在推导混合注册算法的过程中本文做了两个假设：一是磁跟踪设备不受周边环境的影响；二是发射器和标志物的坐标系完全重合。为了解决假设导致注册精度下降的问题，本文提出了自适应区域基准法来控制误差使其满足增强现实环境下车间布局设计系统的要求。
　　 其次本文设计了一种在增强现实环境下能被计算机视觉所识别的标志工具一魔法棒。这种魔法棒的正反两面都带有能被计算机所识别的不同标志物等特点，本文充分地利用这一特点来定义并实现了车间布局操作过程中所用到的四种语义模型(选定、平移、旋转、删除)。此外，为了让魔法棒与虚拟模型之间能够正确显示它们之间遮挡关系，采用虚拟替身的方法并贴合到真实的魔法棒中把虚实遮挡问题转化为虚拟物体之间的遮挡问题。
　　 协同设计被誉为是一种“以人为本”的设计方法，本文将这种思想引入车间布局系统中。首先为多用户协同通信设计了格式统一的通信命令，利用资源锁的方法解决了多用户对同一虚拟模型竞争所产生的冲突问题。通过实验测试并着重解决协同通信过程中所遇到的网络异常(丢包、断网、延时等)问题。
　　 最后，本文建立了一个基于增强现实硬件和软件系统平台，并通过运行实例验证了本文所提出的注册算法、交互方式和协同通信理论在车间布局系统中的有效性与可行性。