空间站舱内定向虚拟训练方法研究

在失重环境下航天员常常以任意的身体姿态漂浮,依赖视觉线索定向便成为舱内航天员必须掌握的生存技能。针对在地面实物模拟器内难以开展空间定向训练的问题,提出了一套基于虚拟现实技术的空间定向训练方法。该方法以虚拟实验舱和核心舱为训练场景,提供三维空间记忆与定向策略,帮助航天员学习任意视角下定向的技能。实验结果表明,在具有不同视觉垂向信息量的舱段内,该方法均能够明显提高定向任务绩效,所提供的空间记忆策略有助于构建具有层次性的空间知识结构,多姿态定向训练能够帮助航天员建立清晰完整的舱内三维结构认知图。     

航天员低重力运动模拟训练方法与研究综述

针对主要应用于航天员模拟失重训练与低重力环境下的人体科学研究的低重力环境模拟方法,介绍了包括抛物线飞行、中性浮力水池、虚拟现实技术、悬吊式重力补偿系统以及新近出现的被动式外骨骼系统等在内的国内外模拟低重力环境主流方法的工作原理与利用这些方法开展的科学研究与工程应用,对这些方法的优缺点与适用条件进行了比较与分析。发现抛物线飞行的低重力模拟效果较好,但持续时间有限;中性浮力水池为低重力模拟训练提供了充足的空间,但液体阻力会影响训练的效果;虚拟现实技术无法提供对低重力的体感;气浮台与悬吊式重力补偿系统虽然能对航天员受到的重力进行补偿,但其结构对航天员的运动构成了一定的限制。提出研发低重力模拟功能完善、低重力模拟范围可调、多运动自由度、人机工效良好以及支持多人与人机协同训练的新一代低重力模拟系统,作为开展航天员低重力环境模拟训练和低重力人体运动生物力学实验研究的平台,以满足未来载人航天任务的需求。     

穿舱路径对空间站内航天员定向任务绩效影响的仿真试验研究

航天员在空间站内的不同舱段间穿行时常常会遇到失定向的问题。为了探究不同穿舱路径对航天员完成定向任务的影响,建立了多舱段的空间站虚拟环境,并开展试验,研究了不同穿舱路径中完成定向任务绩效的差异。结果表明:定向任务的绩效在不同种类的穿舱路径间具有显著差异,失重条件下运动方式的变化会造成定向任务绩效的下降。研究结果可以为航天员空间站内定向训练和空间站内导航辅助标识的设计提供参考。     

航天员舱外活动安全绳虚拟现实操作仿真方法研究

为了解决航天员舱外活动虚拟现实训练仿真中安全绳的逼真仿真问题,分析了安全绳的结构组成和神七任务航天员出舱过程微重力下的安全绳变形规律,对安全绳采用质点-直线弹簧-弯曲弹簧模型建模,使用基于位置的仿真方法计算了安全绳的变形,给出了安全绳的仿真参数,建立了航天员舱外活动安全绳操作仿真系统。开展了受试者试验,仿真结果表明,仿真方法实时有效,可为航天员虚拟现实舱外维修仿真提供基础算法。     

基于体态识别的航天员虚拟训练仿真技术研究

以未来空间站任务建设虚拟现实训练器为需求,为了最大限度地降低虚拟现实设备穿戴给航天员带来的额外束缚,提出了一种新的基于体态识别的航天员虚拟训练仿真系统:采用平行双目视觉原理和偏振立体电视实现立体图像的生成与显示;采用人体三层模型实现虚拟航天员表达,采用骨骼动画实现人体典型动作自动演示、Kinect实现人机交互过程中人体跟踪和运动控制,适合于空间站任务航天员训练、工效验证、典型流程演示等人机交互应用。     

失重状态下旋转陀螺交互操作的仿真研究

针对在地面难以使用实物进行空间操作任务训练的问题,提出了一种基于人机交互和物理引擎技术的交互操作虚拟仿真方法,并实现了失重状态下旋转陀螺的虚拟操作训练。实现中首先建立航天员和陀螺的三维图形模型和用于碰撞检测的物理模型,并采用虚拟现实设备数据手套和位置跟踪仪实时跟踪获取受训人体的实时运动数据,用于交互控制虚拟航天员的运动,最终通过物理引擎及仿真算法计算失重状态下旋转陀螺的运动状态。结果显示,该方法较好地解决了旋转陀螺定轴特性仿真问题,能够满足虚拟训练的实时性和有效性要求。     

空间机械臂水下试验及其关键技术综述

为配合航天员出舱活动训练以及在中性浮力环境中验证空间机械臂的相关任务和功能,需开展空间机械臂的水下试验工作。对加拿大I臂、Ranger项目、Eurobot欧洲号机器人等国际空间机械臂水下试验情况进行了调研,提炼出水下密封技术、水下接口湿式插拔技术、中性浮力配平技术、水动力特性仿真技术、水压传动与关节设计技术等关键技术,为我国空间机械臂后续开展水下试验工作提供参考和借鉴。     

近地空间航天员训练视景真实感渲染技术研究

载人航天任务中,地面模拟训练是培养提升航天员操作技能的重要手段。视景系统是航天飞行训练模拟的重要组成部分,高逼真度的仿真场景对提升航天员训练效果有重要的意义。针对空间视景仿真场景调度和渲染的特殊性,提出并设计实现视景仿真软件的总体架构。对影响空间场景真实感的地球纹理数据库的生成和调度技术、大气散射仿真技术、场景光照实时渲染等关键技术进行研究,融合各种方法,在视景仿真系统中基于GPU实现。试验验证表明,实现算法准确,模型设计合理,已经应用于航天员的训练中。     

虚拟航天员多层次运动仿真模型研究与实现

为解决虚拟现实训练中航天员模型实时交互控制和失重运动仿真等问题,提出了一种多层次运动仿真模型,在运动控制层实现运动跟踪,并构建标准化人体运动模型;物理控制层采用物理引擎建立人体多刚体动力学模型;规则控制层为不同的运动方式制定相应规则,显示层使用骨骼蒙皮技术提升显示效果。通过各层次组合的方式,共同实现了虚拟航天员的交互运动仿真。通过两个应用实例,证明了该层次化组合模型实现的虚拟航天员运动,可同时实现实时交互控制、失重运动仿真、交互操作仿真、太空行走仿真以及较好的显示效果,并适用于多种任务场景的航天员训练。     

虚拟现实系统可用性评估综述

随着我国空间站项目持续推进,仅采用实物对航天员进行训练已无法满足需求,部分项目采用虚拟现实系统进行训练正成为一种趋势,但对系统可用性评估的研究尚有欠缺。为此,首先介绍了专家学者及国际标准对可用性的定义及可用性的常用指标,总结了在虚拟现实系统中获得良好应用的专家评估、形成性评估和总结性评估三种可用性评估方法,并对这些方法的特点进行了分析。其次,介绍了顺序评估法,强调了多种评估方法在系统整个开发周期中综合应用的重要性。最后,针对航天员虚拟训练系统可用性评估提出了进一步研究建议。     

航天员空间定向训练综合评价方法研究

为评价航天员空间定向的训练绩效,结合空间站任务特点提出了需用的训练科目与考核方法;将粗糙集理论和层次分析思想应用于训练的综合评价,挖掘数据之间的联系,建立并优化出一套训练评价指标体系;结合主客观组合赋权方法的结果确定每个指标的综合权重,进而分层次地获取综合评价结果。通过实例计算对比分析了各综合评价方法的结果,验证了所提评价方法。     

航天员舱内活动的分析及仿真

分析了自由态航天员的运动特性,对航天员在失重状态下的转体技术进行了仿真;根据人体力学的生理学基础,建立了航天员的力量分析模型;使用最优控制方法,对航天员在任务操作时的姿态进行了优化。     

面向空间站在轨服务的人机系统概念设计

针对航天员与空间机器人组成的人机系统,对航天员与机器人的定位和关系进行了分析,根据我国空间站未来舱内外平台运营维护及载荷设备照料对人机系统的任务和功能需求,提出了一种以构型及操作特点与航天员类似的四臂拟人机器人为基础的新型人机系统,并从机器人的机构构型、控制模式及人机交互手段等方面对人机系统进行了概念设计。可为我国空间站后续运营维护手段的配置提供有益参考。     

航天测控虚拟现实系统的设计实现

利用虚拟现实系统进行航天测控监视，能够直观表现航天器的空间位置、轨道、姿态、外部件工作状况、以及日地星相对运动规律、设备跟踪情况，为指挥和技术人员分析掌握航天器的运行情况提供监控手段，同时能够对各种岗位人员进行任务培训。本文介绍了虚拟现实（VR）的一般概念，分析了航天测控系统的需求，详细论述了航天测控虚拟现实系统的设计实现方法以及主要的技术问题。     

载人深空探测虚拟生活舱概念研究

载人深空探测任务中,航天员对生存空间的需求大小在很大程度上决定了任务规模和成本。针对该问题,根据实际生活中数字空间一定程度上能够替代实体空间的现象,提出了虚拟生活舱的概念,对虚拟生活舱的空间需求、功能定位等进行了初步的构想;并对载人火星探测任务虚拟舱的规模和质量进行了估算分析,结果表明,引入虚拟生活舱会使飞行器总规模降低22%。最后,对虚拟生活舱涉及到的关键技术进行了梳理,为日后的研究提供参考。     

神舟七号载人航天飞行任务航天员选拔与训练

航天员选拔训练是载人航天工程中至关重要的环节,选拔训练合格的飞行乘组将直接影响到工程计划的顺利实施和飞行任务的成败。简要分析和阐述神舟七号载人航天飞行出舱活动任务对飞行乘组及航天员选拔训练的要求与挑战、选拔的策略和原则,概述选拔训练的项目、内容、方法、实施安排与结果,以及出舱活动训练简况。     

虚拟训练仿真中空间定向能力的影响因素分析

虚拟定向训练是空间站内定向训练的重要手段,制定合理有效的虚拟定向训练方案需要探究清楚影响虚拟环境下人定向能力的各类因素。结合空间站内虚拟训练的特点,从人的空间能力和虚拟训练系统的交互方式两个方面提出了影响虚拟训练仿真中定向能力的因素,并从理论上分析了这两大类因素在虚拟定向训练中的作用,形成了虚拟训练仿真中空间定向能力影响因素的综合分析结果。     

载人航天废弃物的空间辐射防护性能研究

针对载人深空探索中的空间辐射,特别是大规模太阳粒子事件对航天员的威胁,需要在载人航天器内建立空间辐射应急防护区,为航天员在遭遇太阳粒子事件的时候提供必要的保护。考虑热融化压实技术在降低废弃物的空间占用率、高温杀菌和回收水分的同时能在不增加额外载荷的情况下为航天员空间辐射应急防护区的建设提供材料,在载人航天废弃物模型的基础上,利用Monte Carlo方法对其热融化压实产物的质子防护能力进行了计算,结合太阳粒子事件能谱和组织器官剂量计算转换因子,对不同屏蔽条件下太阳粒子事件造成航天员组织器官剂量的变化进行了研究。结果表明,在10 g/cm~2屏蔽厚度下,皮肤、脑、心脏以及红骨髓的辐射剂量都大大降低,均在剂量限值之下;除了需要对眼采取额外的局部防护措施以外,5 g/cm~2铝屏蔽+5 g/cm~2载人航天废弃物热融化压实产物基本上可以满足对太阳粒子事件的防护需求。     

载人登月航天员辐射剂量分析与防护建议

针对载人登月航天员任务全周期中可能遭受空间粒子辐射损伤的问题,从航天器辐射防护设计流程出发,梳理了国际现行航天员辐射防护要求。通过蒙特卡罗模拟程序Geant4构建皮肤、眼晶体、造血器官等效人体组织模型,并对典型载人登月任务航天员受到的辐射剂量开展量化分析。从任务设计和辐射防护设计2个层面,对我国载人登月航天员辐射防护提出建议:在不超过20天的载人登月任务期内,5 g/cm~2铝材料屏蔽下的剂量即可比NASA剂量限值小一个数量级;而如果遭遇极端太阳粒子事件,航天员防护材料可选用聚乙烯等富氢材料作为保护层,屏蔽厚度需要约30 g/cm~2。     

太空行走的训练

人类长期以来生活在重力环境里,而航天员在舱外执行各种任务时是处于一种微重力环境。在微重力环境下行走或工作可不是一件容易的事,当航天员按照地面的习惯来行走或操作时往往会用力过度,使自己飘离航天器或无法准确地完成操作。而且,在分析航天事故中,可以发现很多事故与航天员违反操作规程和训练不够有关。因此,为了更好地完成出舱任务,航天员在执