航天員艙外活動安全繩操作仿真方法研究范文

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摘要:為了解決航天員艙外活動虛擬現實訓練仿真中安全繩的逼真仿真問題，分析了安全繩的結構組成和神七任務航天員出艙過程微重力下的安全繩變形規律，對安全繩采用質點-直線彈簧-彎曲彈簧模型建模，使用基于位置的仿真方法計算了安全繩的變形，給出了安全繩的仿真參數，建立了航天員艙外活動安全繩操作仿真系統。開展了受試者試驗，仿真結果表明，仿真方法實時有效，可為航天員虛擬現實艙外維修仿真提供基礎算法。

關鍵詞:航天員艙外活動;安全繩;繩索仿真;質點-彈簧模型;基于位置的仿真;虛擬現實

1引言

航天員著艙外航天服在艙外攀爬或工作時，要把安全繩掛在航天員附近合適的扶欄上，以保障航天員的安全。因此，在航天員艙外維修等未來空間站任務虛擬現實訓練仿真系統中，為了完整模擬艙外活動，需要三維實時仿真安全繩。目前沒有公開發表的太空失重狀態下航天服安全繩的虛擬現實仿真方法直接可用，但可以借鑒地面其他繩索的仿真方法對安全繩仿真進行研究。安全繩的仿真不同于空間站中其他剛性物體的仿真［1］:安全繩屬于柔性物體，交互操作過程中繩體自身實時變形，同時在與周圍物體或自身接觸時要能實現接觸變形。安全繩仿真也不同于地面其他繩索的仿真:①繩體結構、材料不同，影響仿真效果的仿真參數不同;②安全繩工作在失重狀態下，其變形規律與地面也不同。現有地面繩索仿真模型包括質點彈簧模型及改進算法［2-4］、彈性細桿模型［5-6］、有限元模型［7］、圓柱段節點模型［8］等幾種，不同仿真模型適用范圍不同。有限元模型精度高，但計算復雜，不適合用于實時交互系統。彈性細桿模型計算結果相對穩定，但算法僅適合一端固定另一端自由運動的活動線纜，在應用范圍上有一定局限。質點彈簧模型實時性較好，在交互式系統中有大量應用，不同應用，對質點彈簧模型進行不同的改變。如梁民倉等［2-3］為了模擬繩索彎曲特性，在傳統質點彈簧模型中加入彎曲彈簧，防止繩索因纏繞、扭結受力發生彎曲或折疊過度變形;Loock等［4］在傳統質點彈簧模型基礎上添加扭轉彈簧，實現了對繩索彎曲特性的模擬。質點彈簧模型的求解方法有兩類:基于牛頓第二定律的計算和基于位置的計算［9］。其中，基于牛頓第二定律的計算，完全按照牛頓第二定律由力計算速度，再計算位置，該方法在顯式積分時容易出現溢出問題;基于位置的計算方法通過添加約束方程直接計算位置，省去傳統牛頓定律由力計算加速度、再計算速度的過程，計算速度快、計算穩定、可控、能夠達到實時性要求［10-11］?；谖恢玫挠嬎惴椒ㄔ诮Y果準確性上不如基于牛頓第二定律的計算方法，但其計算結果更視覺感受，適用于交互式虛擬現實系統。本文針對微重力條件下航天服安全繩仿真問題，借鑒地面繩索質點彈簧模型和基于位置的計算方法，基于對航天服安全繩靜態結構和神七實際任務中安全繩動態變形特點的分析，建立一種航天服安全繩質點彈簧粒子系統模型，并比照神七實際任務中安全繩動態變形特點，通過試驗驗證該模型的合理性。

2安全繩建模

2.1安全繩結構航天服安全繩通常一端固定于艙外服腰部靠近右側的位置，另一端是安全掛鉤，如圖1所示。包括固定安全繩和彈簧安全繩兩段。固定安全繩主體結構是特殊材料的編織帶，彈簧安全繩主體結構是彈簧，每根安全繩還包括金屬連接件和安全掛鉤。不同安全繩主體結構不同，對應動態變形規律不同，模型也不同，本文只討論彈簧安全繩在太空失重狀態下，處于自然漂浮狀態，只受航天員拖拽力及與周圍物體的碰撞力。當被航天員操控時，彈簧安全繩可以被拉長或彎曲，但不可受壓，即彈簧安全繩具備伸長特性和彎曲特性。

2.2安全繩失重狀態下的變形特點神七任務出艙活動中安全繩的表現如圖2所示［12］，可見彈簧安全繩在太空中變形主要是平滑的彎曲。

2.3質點彈簧簡化模型參考梁民倉等對繩索的建模方法［2-3］，把安全繩簡化為間隔一定距離的質點粒子;質點之間由直線彈簧連接，以模擬安全繩的線性伸展特性;間隔一個質點的兩質點之間由彎曲彈簧連接，以模擬安全繩的平滑彎曲特性。從而構建安全繩的質點-直線-彎曲彈簧粒子系統模型如圖3所示。安全繩彎曲時，存在向哪個方向彎曲的問題。從圖2可以看出，安全繩彎曲方向與固定端和安全掛鉤之間相互位置關系有關。經實物觀察，存在如圖4所示的規律:安全繩在由向量OP和向量T形成的平面內、朝向量T相反方向彎曲，其中O為安全繩在航天服上的固定點，P為安全掛鉤上的連接點，T代表安全掛鉤寬截面的朝向。

2.4基于位置的數學模型基于位置的質點彈簧模型求解方法通常假設繩索有N個粒子質點，質點之間的彈簧在數學上用約束表示，并假設有M個約束;按照不同的約束對質點粒子投影，構建約束方程，采用Gauss-Seidel積分法求解方程，直接獲得各質點粒子的位置［9］。質點-直線-彎曲彈簧粒子模型中的直線彈簧和彎曲彈簧對應的約束分別為線性伸展約束和彎曲約束，線性伸展約束C(p1，…，pn)用公式(1)［9］表示，把約束往兩個質點粒子連線方向上投影，如圖5所示，其中m1、m2為粒子質量，p1、p2為粒子位置，Δp1、Δp2為位置投影增量，d為上一個仿真周期內粒子之間的距離?？紤]粒子的質量權重wi=1/mi和直線彈簧彈性系數k，Δp1、Δp2分別如式(2)、(3)［9］:彎曲約束Cbend(p1，…，pn)如公式(4)［9］所示，由p2，1和p2，3之間的角度形成約束，其中0為初始角度，如圖6所示。

3仿真分析驗證

本文通過受試者試驗確定約束參數，使用ObiRope組件(詳見文獻［13］)對地面繩索基于位置的仿真計算進行航天服安全繩模型進行仿真驗證。

3.1仿真場景構建艙外活動三維仿真場景如圖7所示，航天員著艙外服在出艙口模擬出艙過程，操作安全掛鉤，把安全掛鉤掛在附近的安全扶欄上。使用HTCVIVE頭盔和操作手柄為虛擬現實設備，在一對激光基站構建的3m×4m跟蹤區域內跟蹤用戶頭部、手部的位置和姿態。用戶佩戴虛擬現實頭盔觀察三維場景立體圖像，手持操作手柄，控制安全掛鉤，包括安全掛鉤的移動、安全掛鉤舌板的打開與關閉。在交互操作過程中，用戶可以在跟蹤區域內走動，也可以通過手柄控制，調整虛擬場景中航天員出艙位置。安全掛鉤跟隨手柄移動，移動到扶欄附近時，食指扣動手柄扳機，控制打開安全掛鉤舌板，同時調整掛鉤與扶欄之間的位置關系，掛鉤掛上扶欄后，松開手柄的扳機，舌板閉合，完成掛鉤在扶欄上的掛接動作。

3.2仿真設置交互操作過程中，在安全繩之間、安全繩與掛鉤之間、安全繩與三維場景中的其他物體之間、掛鉤與扶欄之間碰撞檢測將占用大量的計算資源，為了提高計算速度，繩索的碰撞檢測由粒子代替，粒子直徑與繩的直徑相同，相距兩個粒子直徑的距離，如圖8所示。安全繩通過將一端粒子與航天服右側腰部位置固連實現與航天服的連接;另一端采用扣針約束與安全掛鉤相連，以保證安全繩能隨著掛鉤移動，掛鉤也隨著安全繩移動。質點粒子之間的直線彈簧通過距離約束實現，間隔質點粒子之間的彎曲彈簧通過彎曲約束實現。航天服及安全繩的仿真靜態圖如圖9所示。安全繩長約1m，直徑約0.03m。圖9航天服及安全繩仿真圖Fig．9Simulatedsafetyropeandspacesuit基于位置的求解方法中，重力參數G設為(0，0，0)以模擬微重力環境;為了獲得較好的視覺效果，平滑參數和阻尼系數經反復試驗，分別設為1.0與0.01。約束方程(1)、(4)采用Gauss-Seidel積分法求解，在數值計算時存在迭代次數和迭代方式的選擇。在迭代次數上，由于安全繩中間質點粒子之間的線性伸展約束的影響和彎曲約束對間隔質點粒子的影響，如果迭代次數太少，安全繩變形不自然，如果迭代次數太多，占用太多計算時間，影響實時性。反復測試后設置為:線性伸展約束下迭代10次，彎曲約束下迭代20次;兩端的固定約束和扣針約束的影響范圍較小，只需迭代3次。在迭代方式上，線性伸展約束對相鄰質點粒子順序傳遞影響，故采用順序方式迭代;彎曲約束對間隔質點粒子可以獨立并行影響，故采用并行方式迭代;兩端的固定約束和扣針約束對質點粒子影響范圍固定，故采用并行方式迭代。

3.3仿真試驗招募20人(8女12男，年齡在25～42歲之間)使用安全繩交互操作仿真系統對安全繩進行圖10所示操作試驗，然后比對神七任務出艙活動視頻中安全繩變形［12］，主觀評價安全繩仿真效果，評價結果如表1所示。從評價結果看，虛擬安全繩及掛鉤視覺效果與真實安全繩接近程度高，虛擬安全掛鉤操作方式與真實安全掛鉤操作方式近似程度高，在操作過程中虛擬安全繩變形效果與視頻中安全繩變形效果近似程度高;掛鉤往扶欄上掛的操作比從扶欄上取下的操作更容易;安全繩仿真操作較容易。通過試驗也暴露出一些問題，在把掛鉤往扶欄上掛和從扶欄上取下掛鉤的過程中，存在掛鉤與扶欄穿透現象(主要原因是當虛擬掛鉤碰到扶欄后，用戶繼續向前移動掛鉤導致)、掛鉤突然碰開的現象(主要原因是缺乏對用戶手的約束，當虛擬掛鉤與扶欄快接近時，用戶沒有正確控制虛擬掛鉤移動而與扶欄相撞)，這是第4、5、6、7條得分不高的原因;安全繩變形能力具備了，但是安全繩變形過程顯得“輕飄飄”，沒有質量感，這是第3、8得分不很高的原因。在后續工作中需要再優化安全繩交互操作仿真系統的容錯性、碰撞處理過程和安全繩的仿真。

4結論

1)本文基于質點-直線彈簧-彎曲彈簧模型和基于位置的求解算法建立的航天服安全繩仿真模型，效果經試驗驗證，基本符合失重狀態下的變形及動態運動規律，能實時、有效地完成出艙安全繩操作模擬，可應用于航天員虛擬現實訓練系統，并為線纜、柔性管路等柔性繩類物體提供借鑒。2)安全繩實時變形過程在質量感上需再進一步優化，掛鉤與扶欄碰撞處理魯棒性需進一步提高。

參考文獻(References)

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［12］神七問天［EB/OL］．CCTV，2008．(2008-09-27)［2018-11］．

作者：陳學文 黃鵬 張炎 杜芳 王海亮 單位：中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室