一种基于增强现实的航天器电缆网立体成形系统与方法

摘要

本发明涉及一种基于增强现实的航天器电缆网立体成形系统与方法，属于数字化制造技术领域。本发明是针对无木质模板准备周期长，电缆网下线、捆扎点确认不准，现场操作需要反复确认设计及工艺要求等问题，利用AR眼镜将包含卫星结构的三维设计模型叠加到敷设骨架工装结构上，构成电缆网实体的立体成形操作环境。根据三维设计模型中的关键敷设特征提取结果，指导电缆实体快速布线与标识，在敷设骨架工装上增强电缆立体成形的准确性；利用增强现实技术的展示优势，采用增强现实“视频流”方式推送关键敷设特征至实物操作台面；并通过手势交互，快速反馈操作完成状态，提高用户易用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于增强现实的航天器电缆网立体成形系统与方法，属于数字化制造技术领域。

背景技术

电缆网是航天器重要组成部分之一，是各分系统、各舱段的纽带和桥梁。传统电缆网生产主要采用木模+分支长度图进行电缆装配敷设，但是木模制造周期长、占用操作空间大、星上设备布局变化多、跨型号平台通用性不足，分支长度图无法较好体现星上设备的空间占位、关键绑扎点、整星装配、电缆实物成形等要求，电装工人仍需反复查阅接点表、技术要求、工艺文件、辅以三维设计模型，电装工人需要反复调整绑扣位置和绑扎尺寸，导致研制周期长、元器件识别错误等质量隐患。为缩短电缆网产品研制周期进行电缆平面生产、立体成形的方法与操作工具，将成为解决此问题的关键技术途径。

针对电缆网产品在无木模条件下高效实现平面生产、立体成形的需求，提出一种基于增强现实的航天器电缆网立体成形系统与方法，将增强现实技术与可复用的柔性工装相结合构建全新的电缆网立体成形操作环境，通过利用AR眼镜指导现场电缆网快速立体布线、标识与成形，将有效缩短电缆网生产周期，并支持试装绑扎信息向整星总装的有效传递。

当前，国内鲜有关于将增强现实技术应用于航天器产品装配过程的专利，陈畅宇等人提出的专利(CN201810420281.4)是针对卫星舱板基础结构已经搭建好的总装环节，应用增强现实手段引导电缆网产品装配到卫星结构上的过程，其将舱板等实物作为建立空间坐标系的基准以辅助装配。而本专利的应用环节早于卫星总装环节，是针对电缆网产品自身的生产过程，不同之处主要是无木模条件下，按照电缆网三维设计模型中描述的串舱点、绑扎点等空间定位点，在实际物理空间中组装专用的杆系工装，形成电缆立体绑扎的骨架结构，再结合增强现实眼镜技术进行电缆立体绑扎。

发明内容

本发明的技术解决问题是：解决木质模板准备周期长，电缆网下线、捆扎点确认不准，现场操作需要反复确认设计及工艺要求等问题，提出基于增强现实的航天器电缆网立体成形系统与方法，该系统及方法是在二维环境中进行电缆线缆的平面生产绑扎后，利用专用杆系工装与增强现实环境，模拟电缆网在星上装配环境条件下，进行电缆网的立体成形的过程，通过电缆研制要素的映射联动、三维设计模型与柔性工装的虚实融合跟踪注册等关键技术，达到缩短电缆网生产周期、试装绑扎信息向整星装配的有效传递等效果。

本发明的技术解决方案是：

一种基于增强现实的航天器电缆网立体成形系统，该成形系统包括一套敷设骨架工装，用于替代安装电缆网的卫星舱板等实际物体，以支撑电缆网产品的立体成形操作，所述的敷设骨架工装为若干个工装夹具组成，工装夹具为工作台支撑架、带标定靶标的面板、真空吸盘式支撑杆、支撑杆延长卡箍、延长杆、固定夹子、带孔工装板中的至少一个；

所述的真空吸盘式支撑杆配置30cm、50cm、75cm、100cm四种长度；所述的延长杆配置30cm、50cm、75cm、100cm四种长度；

所述的固定夹子上可附加标签，明确标定特征编号。

所述的带孔工装板是中间有孔的平面板型固定工装，可以固定在真空吸盘式支撑杆、延长杆上。配置孔直径为5cm、10cm、20cm三种尺寸。

通过增加安装工作台支撑架与带标定靶标的面板可以扩展安装工作台的操作面积。

敷设骨架工装的使用步骤为：使用四个工作台支撑架支撑带标定靶标的面板；然后在带标定靶标的面板上安装真空吸盘式支撑杆，使用支撑杆延长卡箍增加延长杆，可将固定夹子安装到真空吸盘式支撑杆与延长杆上；可以将带孔工装板安装到真空吸盘式支撑杆与延长杆上。

一种基于增强现实的航天器电缆网立体成形系统，该系统还包括关键敷设特征提取模块、敷设骨架工装安装位置计算模块、三维设计模型导入模块、增强现实与柔性工装虚实融合跟踪注册模块、虚实融合显示模块、实物识别模块和差异化对比判定模块；

关键敷设特征提取模块用于从三维设计模型中提取关键敷设特征数据，并使用黄色高亮标注。所述的关键敷设特征数据包括特征编号、特征类型、物理空间位置。特征类型为关键绑扎点、穿舱点或固定点。

敷设骨架工装安装位置计算模块用于根据特征类型判定选择不同的工装夹具，根据关键敷设特征数据的物理空间位置，计算出各种工装夹具的安装信息，安装信息包括安装位置(X轴坐标值，Y轴坐标值，Z轴高度值)和空间姿态，并在三维设计模型的电缆产品上予以不同形状的工装夹具图形化标识。

三维设计模型导入模块用于将关键敷设特征提取模块和敷设骨架工装安装位置计算模块的输出与三维设计模型进行融合，得到附加了关键敷设特征数据集、工装夹具安装信息的三维设计模型，并执行导入至AR眼镜中。

三维设计模型与敷设骨架工装虚实融合跟踪注册模块用于将三维设计模型导入模块导入的附加了关键敷设特征数据集、工装夹具安装信息的三维设计模型和敷设骨架工装进行精准融合与跟踪注册。基于硬件、视觉的混合方式进行观察者视点与敷设骨架工装的空间基准坐标校对，获取物理空间位置和空间位姿，并基于三维空间计算与视觉误差补偿进行混合现实融合注册，兼顾融合精度和分辨率。

虚实融合显示模块用于在AR眼镜中展示数字模型与真实实物的虚实融合效果。将三维设计模型导入模块导入的附加了关键敷设特征数据集、工装夹具安装信息的三维设计模型叠加至敷设骨架工装上。

实物识别模块用于通过AR眼镜上的摄像头扫描识别电缆网装配前的待立体成形的实物上的标签，并解析获取待立体成形实物的基本属性；所述的待立体成形实物为电缆、电缆分支或元器件。

当待立体成形实物为电缆时，待立体成形实物的基本属性包括电缆编号、电缆版本号、类型。

当待立体成形实物为电缆分支时，待立体成形实物的基本属性包括电缆分支编号、电缆分支版本号、所属的电缆编号、电缆版本号。

当待立体成形实物为电连接器时，待立体成形实物的基本属性包括电缆编号、电缆版本号、元器件代号、元器件类型、物资编码、规格、质量等级。

差异化对比判定模块用于判定实际电缆网产品的安装走向、位置与三维设计模型之间的偏差情况，直至在偏差阈值允许范围内，则物理空间中的敷设特征实现情况被标注为合格，在AR眼镜中的三维设计模型上被标识为绿色。

一种基于增强现实的航天器电缆网立体成形方法，该方法的步骤包括：

(1)使用关键敷设特征提取模块，从电缆网产品的三维设计模型中提取出关键敷设特征数据，并打印出带有关键敷设特征数据的标签。

(2)敷设骨架工装安装位置计算模块根据关键敷设特征提取模块输出判定每种关键敷设特征选择工装夹具，在关键敷设特征物理空间位置的基础上，计算出各种工装夹具的安装信息。

(3)使用三维设计模型导入模块将关键敷设特征提取模块和敷设骨架工装安装位置计算模块的输出与三维设计模型进行融合，得到附加了关键敷设特征数据集、工装夹具安装信息的三维设计模型，并执行导入至AR眼镜中。

(4)使用三维设计模型与敷设骨架工装虚实融合跟踪注册模块，将三维设计模型导入模块导入的附加了关键敷设特征数据集、工装夹具安装信息的三维设计模型与敷设骨架工装系统的带标定靶标的面板进行精准融合的跟踪注册。

(5)虚实融合显示模块在AR眼镜中显示出工装夹具的安装信息；

(6)安装工装夹具；

(7)调用三维设计模型与敷设骨架工装虚实融合跟踪注册模块，实现工装夹具模型与物理空间中“敷设骨架工装”进行无缝融合定位。

(8)使用差异化对比判定模块判定电缆敷设骨架工装的实际安装位置与三维设计模型导入模块导入的附加了关键敷设特征数据集、工装夹具安装信息的三维设计模型中的位置信息之间的一致性。若不一致，操作者对具体电缆敷设骨架工装进行调整安装位置，直到一致，完成了当前一个工装夹具的组装。

(9)完成了当前一个工装夹具的组装，执行下一个工装夹具的组装，转到，直到敷设骨架工装安装位置计算模块输出的所有工装夹具安装信息均被实现完成，才完成了电缆敷设骨架工装的组装。

(10)操作者取一个待立体成形实物，使用AR眼镜的实物识别模块中待立体成形的实物上的标签，获取待立体成形实物的基本属性。

(11)AR眼镜中的虚实融合显示模块中与待立体成形实物相对应的三维设计模型零件可高亮展示零件详情，所述的零件详情包括线缆走线的起始点位、终止点位、关键敷设特征数据。

(12)操作者根据零件详情提示进行电缆立体绑扎、安装卡箍、做绑扎标识等操作，一个待立体成形实物的被立体成形操作完毕以后，操作者可以采用双击手势标注该零件已完成立体成形操作，在虚实融合显示模块中三维设计模型零件高亮显示为绿色。当前待立体成形实物的立体成形操作与反馈操作完毕。

(13)当前待立体成形实物的立体成形操作与反馈操作完毕以后，执行下一个待立体成形实物的立体成形操作，执行(10)-(12)，直至所有待立体成形实物均被立体成形操作与反馈操作完毕。

有益效果

本发明是针对无木质模板准备周期长，电缆网下线、捆扎点确认不准，现场操作需要反复确认设计及工艺要求等问题，利用AR眼镜将包含卫星结构的三维设计模型叠加到敷设骨架工装结构上，构成电缆网实体的立体成形操作环境。根据三维设计模型中的关键敷设特征提取结果，指导电缆实体快速布线与标识，在敷设骨架工装上增强电缆立体成形的准确性；利用增强现实技术的展示优势，采用增强现实“视频流”方式推送关键敷设特征至实物操作台面；并通过手势交互，快速反馈操作完成状态，提高用户易用性。

附图说明

图1敷设骨架工装设计图；

图2基于增强现实的航天器电缆网立体成形系统构成图；

图3基于增强现实的航天器电缆网立体成形应用过程图；

图4为实施例中第(12)步得到的当前待立体成形实物的虚实融合展示场景示意图。

具体实施方式

下面以电缆网产品的生产过程为实施例，对本发明的具体实施方式作进一步说明。

实施例

如图1-4所示，一种基于增强现实的航天器电缆网立体成形系统，该系统包括关键敷设特征提取模块1、敷设骨架工装安装位置计算模块2、三维设计模型导入模块3、增强现实与柔性工装虚实融合跟踪注册模块4、虚实融合显示模块5、实物识别模块6、差异化对比判定模块7。

关键敷设特征提取模块1用于从一根电缆编号为DL01001的三维设计模型Model中提取电缆网产品的关键绑扎点、穿舱点、固定点位置信息，形成关键敷设特征TZSet＝(TZ100001，TZ200002，TZ300003)，并使用黄色高亮标注。所述的关键敷设特征数据TZSet包括特征编号为TZ100001、特征类型为关键绑扎点、物理空间位置为(100.50，284.12，157.43)；特征编号为TZ200002、特征类型为穿舱点、物理空间位置为(100.50，223.64，120.85)；特征编号为TZ300003、特征类型为固定点、物理空间位置为(100.50，220.00，120.85)；

敷设骨架工装安装位置计算模块2用于根据特征类型判定选择不同的工装夹具，当特征类型为关键绑扎点时，选择固定夹子进行绑扎；当特征类型为穿舱点时，选择带孔工装板；当特征类型为固定点时，选择附加了固定点标记的固定夹子。

在关键敷设特征数据TZSet的关键敷设特征物理空间位置的基础上，计算出TZSet适用的工装夹具的安装信息FixInfoSet，FixInfoSet包括：

特征编号为TZ100001的关键敷设特征的工装夹具为固定夹子(f)，固定夹子(f)的安装信息为安装位置为(100.50，284.12，157.43)、空间位姿为随电缆走向；在敷设骨架工装系统中选择一根真空吸盘式支撑杆(c)、一根延长杆(e)，具体要求为：真空吸盘式支撑杆编号为c1，平面坐标值(100.50，284.12)、c1长度为100；延长杆编号为e1、延长杆e1长度为75。

特征编号为TZ200002的关键敷设特征的工装夹具为带孔工装板，带孔工装板的安装信息为安装位置为(100.50，223.64，120.85)、空间位姿为随电缆走向；在敷设骨架工装系统中选择一根真空吸盘式支撑杆(c)、一根延长杆(e)、一个3cm孔径的带孔工装板(g)，具体要求为：真空吸盘式支撑杆编号为c2，平面坐标值(100.50，223.64)、c2长度为100；延长杆编号为e2、延长杆e2长度为50。带孔工装板编号为g1，安装在延长杆e2上。

特征编号为TZ300003的关键敷设特征的工装夹具为附加了固定点标记的固定夹子，附加了固定点标记的固定夹子的安装信息为安装位置为(100.50，220.00，120.85)、空间位姿为固定在X轴为100.50与Y平行的平面上；在敷设骨架工装系统中选择一根真空吸盘式支撑杆(c)、一根延长杆(e)，具体要求为：真空吸盘式支撑杆编号为c3，平面坐标值(100.50，220.00)、c3长度为100；延长杆编号为e3、延长杆e3长度为30。

三维设计模型导入模块3用于将关键敷设特征提取模块1的输出TZSet、敷设骨架工装安装位置计算模块2的输出FixInfoSet，与三维设计模型进行融合，得到附加了关键敷设特征数据集、工装夹具安装信息的三维设计模型Model’，并执行导入至AR眼镜中。

三维设计模型与敷设骨架工装虚实融合跟踪注册模块4用于将三维设计模型导入模块3导入的附加了关键敷设特征数据集、工装夹具安装信息的三维设计模型Model’和敷设骨架工装进行精准融合的跟踪注册。基于硬件、视觉的混合方式进行观察者视点与敷设骨架工装的空间基准坐标校对，获取空间位置、姿态关系，并基于三维空间计算与视觉误差补偿进行混合现实融合注册，兼容融合精度和分辨率。

虚实融合显示模块5用于在AR眼镜中展示数字模型与真实实物的虚实融合效果。将三维设计模型导入模块3导入的附加了关键敷设特征数据集、工装夹具安装信息的三维设计模型Model’叠加至敷设骨架工装上。

实物识别模块6用于通过AR眼镜上的摄像头扫描识别电缆网装配前的待立体成形的实物(例如电缆编号为DL01001的电缆)上的标签(标签上打印了条码)，并解析获取待立体成形实物的基本属性；所述的待立体成形实物包括电缆、电缆分支、元器件。

当待立体成形实物为电缆时，待立体成形实物的基本属性包括电缆编号为DL01001、电缆版本号为A、类型为电缆。

当待立体成形实物为电连接器时，待立体成形实物的基本属性包括电缆编号为DL01001、电缆版本号为A、元器件代号N01-X17、类型为元器件、物资编码为0107000003343、规格为340100101BDBM5W5PNMB、质量等级宇航级。

当待立体成形实物为电缆分支时，待立体成形实物的基本属性包括电缆分支编号为DL01001-1、电缆分支版本号为A、类型为分支、所属的电缆编号为DL01001、电缆版本号为A；电缆分支编号为DL01001-2、电缆分支版本号为A、类型为分支、所属的电缆编号为DL01001、电缆版本号为A。

差异化对比判定模块7用于判定实际电缆网产品的安装走向、位置与三维设计模型之间的偏差情况，直至在偏差阈值允许范围内，则物理空间中的敷设特征实现情况被标注为合格，在AR眼镜中的三维设计模型上被标识为绿色。

一种基于增强现实的航天器电缆网立体成形系统与方法，该方法的步骤包括：

(1)使用关键敷设特征提取模块1，从一根电缆编号为DL01001的三维设计模型Model中提取出关键敷设特征集TZSet＝(TZ100001，TZ200002，TZ300003)。所述的关键敷设特征数据集TZSet包括特征编号为TZ100001、特征类型为关键绑扎点、物理空间位置为(100.50，284.12，157.43)；特征编号为TZ200002、特征类型为穿舱点、物理空间位置为(100.50，223.64，120.85)；特征编号为TZ300003、特征类型为固定点、物理空间位置为(100.50，220.00，120.85)；并打印出关键敷设特征信息的标签。

(2)敷设骨架工装安装位置计算模块2根据关键敷设特征提取模块1输出的关键敷设特征集TZSet，判定每种关键敷设特征选择合理的工装夹具，在关键敷设特征物理空间位置的基础上，计算出TZSet适用的工装夹具的安装信息FixInfoSet，FixInfoSet包括：

特征编号为TZ100001的关键敷设特征的工装夹具为固定夹子，固定夹子的安装信息为安装位置为(100.50，284.12，157.43)、空间位姿为随电缆走向；在敷设骨架工装系统中选择一根真空吸盘式支撑杆(c)、一根延长杆(e)，具体要求为：真空吸盘式支撑杆编号为c1，平面坐标值(100.50，284.12)、c1长度为100；延长杆编号为e1、延长杆e1长度为75。

特征编号为TZ200002的关键敷设特征的工装夹具为带孔工装板，带孔工装板的安装信息为安装位置为(100.50，223.64，120.85)、空间位姿为随电缆走向；在敷设骨架工装系统中选择一根真空吸盘式支撑杆(c)、一根延长杆(e)、一个3cm孔径的带孔工装板(g)，具体要求为：真空吸盘式支撑杆编号为c2，平面坐标值(100.50，223.64)、c2长度为100；延长杆编号为e2、延长杆e2长度为50。带孔工装板编号为g1，安装在延长杆e2上。

特征编号为TZ300003的关键敷设特征的工装夹具为附加了固定点标记的固定夹子，附加了固定点标记的固定夹子的安装信息为安装位置为(100.50，220.00，120.85)、空间位姿为固定在X轴为100.50与Y平行的平面上；在敷设骨架工装系统中选择一根真空吸盘式支撑杆(c)、一根延长杆(e)，具体要求为：真空吸盘式支撑杆编号为c3，平面坐标值(100.50，220.00)、c3长度为100；延长杆编号为e3、延长杆e3长度为30。

(3)使用三维设计模型导入模块3将关键敷设特征提取模块1的输出TZSet、敷设骨架工装安装位置计算模块2的输出FixInfoSet，与三维设计模型进行融合，得到附加了关键敷设特征数据集、工装夹具安装信息的三维设计模型Model’，并执行导入至AR眼镜中。

(4)使用三维设计模型与敷设骨架工装虚实融合跟踪注册模块4，将三维设计模型导入模块3导入的附加了关键敷设特征数据集、工装夹具安装信息的三维设计模型Model’与敷设骨架工装系统的带标定靶标的面板(b)进行精准融合的跟踪注册。

(5)虚实融合显示模块5在AR眼镜中显示出工装夹具的安装信息；

(6)安装敷设骨架工装系统中的一个工装夹具，转到(7)；

(7)调用三维设计模型与敷设骨架工装虚实融合跟踪注册模块4，实现工装夹具模型与物理空间中“敷设骨架工装”进行无缝融合定位。

(8)使用差异化对比判定模块7判定电缆敷设骨架工装的实际安装位置与三维设计模型导入模块3导入的附加了关键敷设特征数据集、工装夹具安装信息的三维设计模型中的位置信息之间的一致性。若不一致，操作者对具体电缆敷设骨架工装进行调整安装位置，直到一致，完成了当前一个工装夹具的组装。

(9)完成了当前一个工装夹具的组装，执行下一个工装夹具的组装，转到(7)，直到敷设骨架工装安装位置计算模块2输出的所有工装夹具安装信息均被实现完成，才完成了电缆敷设骨架工装的组装。

(10)操作者取一个待立体成形实物，使用AR眼镜的实物识别模块6中待立体成形的实物(例如电缆编号为DL01001的电缆)上的标签，获取待立体成形实物的基本属性。当待立体成形实物为电缆时，待立体成形实物的基本属性包括电缆编号为DL01001、电缆版本号为A、类型为零部件。

(11)AR眼镜中的虚实融合显示模块5中与待立体成形实物相对应的三维设计模型Model’零件(电缆编号为DL01001的电缆)可高亮展示零件详情，电缆编号为DL01001的电缆零件详情包括线缆走线的起始点位为N01-X17，终止点位为N01-X18、关键敷设特征集TZSet＝(TZ100001，TZ200002，TZ300003)。所述的关键敷设特征数据集TZSet包括特征编号为TZ100001、特征类型为关键绑扎点、物理空间位置为(100.50，284.12，157.43)；特征编号为TZ200002、特征类型为穿舱点、物理空间位置为(100.50，223.64，120.85)；特征编号为TZ300003、特征类型为固定点、物理空间位置为(100.50，220.00，120.85)；

(12)操作者根据零件详情提示进行电缆立体绑扎、安装卡箍、做绑扎标识等操作，待立体成形实物的一个关键敷设特征操作完毕以后，操作者可以采用双击手势标注关键敷设特征已完成操作，在虚实融合显示模块5中三维设计模型Model’中关键敷设特征高亮显示为绿色，如图4所示。待立体成形实物的全部关键敷设特征都被实现完成后，当前待立体成形实物的操作完成。

(13)当前待立体成形实物的立体成形操作与反馈操作完毕以后，执行下一个待立体成形实物的立体成形操作，执行(10)-(12)，直至所有待立体成形实物均被立体成形操作与反馈操作完毕。