虚拟现实技术在空间站舱内定向训练中的应用

载人航天中,失重环境和结构复杂的空间站对航天员空间定向能力的影响极大,导致航天员可能出现空间失定向现象。针对在地面难以使用实物进行空间定向任务训练的问题,阐述了虚拟现实技术在空间定向训练中的应用,并对其特点进行了分析,设计了基于虚拟现实技术的空间定向训练系统提供飞行前的适应性训练,使航天员掌握依赖视觉信息进行空间定向的技能,为后续更为复杂的航天员空间操作任务提供新的训练方式。     

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。     

机器人航天员精细操作方法及在轨验证

针对航天员舱外活动风险与空间探索的效率问题,建立了具有双臂手的机器人航天员系统。该机器人航天员由多自由度机械臂、仿人灵巧手及具有双目视觉系统的头部等构成,具有位置、力矩、视觉等多种感知功能。为了验证机器人航天员及在轨人机协同关键技术,在空间微重力环境下与航天员配合完成多种演示验证试验,为空间机器人辅助或配合航天员开展在轨维修积累了经验和数据。     

面向航天员训练的混合现实场景理解方法研究

针对航天员混合现实系统在人机交互过程中尚未实现自主智能诱导的局限性,结合航天器舱内环境的特殊性,构建了一种航天员混合现实空间场景理解原型系统架构,提出了基于深度学习的空间场景自主理解方法,采用合成样本的方法建立了舱内设备数据库,实现了基于深度学习算法的自主舱内设备识别。实验结果表明,对舱内设备识别的mAP值达到79.8%,混合现实空间场景理解原型架构和场景理解方法可以有效解决航天员舱内训练设备操作状态变化的自然识别需求,并实现混合现实虚拟流程的自主引导。     

漫谈航天员的衣食问题

航天员的衣、食是一项复杂的工程。他们在舱内活动时需穿舱内航天服,舱外活动时又要穿舱外航天服以保证出舱的生命安全。俄罗斯与美国的舱外航天服在外观上相似,但性能差异很大。由于航天员生活在特殊的环境中,为了保证其身体健康,所以航天食品与众不同,吃饭的方式与地面也不同     

超声速内埋武器不同分离方式分析

为给高空高速无人机内埋武器分离方式的选择提供权衡依据,建立了弹舱及弹体模型,采用chimera嵌套网格方法与Menter SST k-ω湍流模式,对舱内重力投放、舱内弹射投放及舱外重力投放三种内埋武器分离方式在高空高速条件下的内埋武器分离过程进行了仿真分析,对比了三种分离方式分离过程的流场特性与弹体运动参数。结果表明,在Ma=3.7,高度为2.5 km的条件下,舱内弹射投放与舱内重力投放能够使内埋武器安全分离,舱外重力投放在高空高速条件下无法完成内埋武器的安全分离,弹体无法快速下落并伴有大幅振荡,威胁无人机的飞行安全。     

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。     

基于关节点遮挡推测的多相机手姿态估计方法

基于视觉的手势交互技术被应用在航天员虚拟训练系统中,其中基于视觉的手姿态估计方法是关键。由于手部关节多、自由度高,因此航天员在操作过程中易出现手势自遮挡,此时难以准确重建航天员手势操作,进而难以构建合适的虚拟训练系统。当关节点严重自遮挡时,甚至出现不能被识别或姿态估计结果畸形的情况。为此提出了基于关节点遮挡预测的多相机融合手姿态估计方法,在不同视角利用单幅手部图像进行关节点遮挡预测和手姿态估计,再依据关节点遮挡预测结果,在决策端将各视角的手姿态估计结果进行融合;并采集双视角手势操作视频样例,设计融合实验进行验证。实验结果表明:通过融合可以有效解决单一视角自遮挡严重、手姿态难以估计的问题,避免了传统多相机方法的相机校准和数据特征匹配过程,在保证算法实时性的基础上提高了手姿态估计的精度。     

空间站舱段精细化声振耦合建模与仿真

在空间站长期飞行中,持续、过度的噪声环境会危害航天员的身心健康,并影响工作效率。空间站设备功率大、噪声源数目多、噪声指标严苛,给噪声控制和设计带来很大的挑战。为确保舱段噪声指标满足要求,基于声学有限元方法,根据已掌握的噪声源频谱特性、舱段构型布局、设备安装方式等建立整舱复杂声振耦合精细化噪声仿真模型。对环控、热控及推进分系统等多种噪声源单独工作或同时工作时密封舱内的噪声进行仿真,得到舱内低频噪声水平特性分布。结果表明:声振耦合下舱内的总体噪声水平远高于不考虑声振耦合的情况,并导致三个航天员睡眠区头部的声压级分布差异较大。此外,睡眠区粘贴吸声材料后,对高频段的吸声降噪效果明显,对中频段有一定的降噪效果,但对低频段几乎不起作用。     

扰流板对内埋导弹偏航姿态角的影响

在内埋武器舱前缘设计扰流板进行流动控制,可改善内埋导弹分离过程的偏航力矩特性,从而使弹头反向舱门,保证分离航向安全。为了研究该问题,通过理论分析在内埋武器舱前缘设计了不同高度的扰流板;通过部件测力风洞试验研究了不同高度扰流板对舱内流型、内埋导弹偏航力矩特性的影响,进而分析了扰流板对内埋导弹偏航分离特性的影响;通过轨迹捕获风洞试验验证了分离偏航姿态角特性分析的可靠性。研究结果表明：在内埋武器舱前缘设计一定高度的扰流板可以有效控制舱内流型,改善内埋导弹分离的航向气动特性,提高分离航向安全性。     

基于随动机器人的舱内/外航天服手臂测试方法

 提出了一种新的方法用于测量中国舱内和舱外航天服的关节力学特性。测量原理基于机器人运动学、静力学和动力学。首先,建立了随动机器人的运动学模型,然后根据航天服特殊的机械结构同时建立了舱内和舱外航天服手臂通用的运动学模型;其次,针对包含有柔性关节的舱内和舱外航天服手臂给出了求解其运动学逆运算的方法;最后,根据航天服手臂末端的力矩、位置和姿态信息计算出航天服关节的阻尼力矩。实验结果和SGI工作站上的仿真证明了该测量方法的正确性和有效性。     

载人航天器应急状况下密封舱压力控制分析

为了对载人航天器应急状况下密封舱进行压力控制,保障航天员的生命安全,采用集总参数法建立了密封舱压力控制物理数学模型,分析了长期飞行任务中载人航天器应急状况下的舱内压力变化;提出了一种舱压控制方案,计算了不同漏孔通径所需补气速率以及舱压复压变化规律。结果表明:密封舱内总压和氧分压的变化呈现指数递减,泄漏速率随着泄漏时间的增加而减小,漏孔通径越大,密封舱容积越小,泄漏速率变化梯度越大;随着漏孔通径的增大,恢复舱内压力所需要的补气速率呈线性趋势增加,复压模式维持7天飞行时间的供气量相比较维持舱压模式减少高达82.1%。     

舱外航天服无人低压试验技术研究

舱外航天服是出舱活动过程中保障航天员生存和工效的关键系统,为保证其性能的可靠性和安全性,必须在地面进行全面的验证与测试,且需对系统在模拟低压环境下进行充分的验证试验后方可进行人服系统功能检查。舱外航天服无人低压试验技术是在模拟低压环境下建立一套全面、可行的无人低压试验方法,全面验证飞行产品在低压和空间中可能的运行状态下功能及其动态特性,故障预案与安全措施的合理性,保证人服功能检查的安全性和测试覆盖全面性,并为有人低压检测和航天员的低压训练积累经验。     

载人航天器的舱内通风问题

舱内通风系统是载人航天器环境控制与生命保障系统的重要组成部分。在微重力条件下,自然对流消失,舱内通风系统造成的强迫对流可以确保舱内气体循环流动,从而保证舱内有害物质得到及时的处理和回收。同时,通风系统驱动的舱内气体流动情况与舱内防火和灭火的研究也直接相关。对载人航天器舱内通风系统的研究涉及了航天员的生命安全保障,是改善航天员生活、工作环境的必备工作,同时也为载人航天器设计提供了重要的参考意见。     

内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验

针对内埋武器系统设计面临的多学科交叉问题,通过高速风洞实验,开展内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验研究,为内埋弹舱气动/结构一体化设计和作战环境评估提供支撑。基于相似原理,建立内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验技术,采用高时间分辨率多场载荷同步测试方法与时频数据处理方法,获取亚、跨、超声速条件下内埋弹舱多场载荷特征,分析多场载荷作用下内埋弹舱流动特性、共振条件和结构响应规律。结果显示,内埋弹舱非定常绕流促进了舱内复杂噪声环境的形成,噪声载荷与结构振动数据呈现强相关性。当舱内噪声模态频率与结构固有频率耦合时,内埋弹舱结构响应明显增强,在噪声载荷主频位置,结构振动谱出现峰值,此时噪声/振动数据相关性最大,且耦合频率范围的噪声谱能量提高显著。     

交会对接航天员训练电视图像仿真

以航天员对接过程电视图像仿真为应用背景,研究了近地空间复杂光环境下电视摄像机曝光成像特性和人的视觉成像感知特性,提出了一种基于GPU延迟着色模式下的空间图像浮点纹理着色、光饱和特效、调光和高动态映射显示的电视图像实时渲染方法。采用浮点纹理、高斯模糊等方法实现了逼真源成像和特效渲染;基于降采样的图像平均亮度统计,采用光源亮度和像素亮度两种调节模式实现了实时调光仿真,应用色调映射实现了目标图像的视觉感知高动态渲染显示。经工程验证,仿真图像与实飞图像一致,可以满足航天员训练,具有很好的工程应用价值。     

内埋武器舱动态流动特性及降噪控制方法研究

流动经过武器舱会产生诸如边界层分离、剪切层失稳、气动噪声等一系列复杂流动特征,进而可能对舱内设备和结构造成破坏。本文以近真实复杂内埋武器舱为研究对象,通过高精度数值仿真获取内埋武器舱动态流动特性;根据流场特性,分析武器舱内噪声产生机理,提出了前缘扰流片、导波管以及前缘吹气三种流动控制方案。通过高速风洞试验,系统分析了舱门开度、内埋武器挂载等因素对武器舱内噪声水平的影响,并且对不同扰流装置的降噪效果进行了测试分析。结果表明：内埋武器舱内流动以小尺度湍流结构为主;前舱在舱门小开度时总声压级较高,随开度增加后舱总声压级增大,舱门开到一定程度后,舱内总声压级分布基本一致。舱内挂载武器减弱流动对各壁面的拍击强度,使得舱内各壁面总声压级降低。三种控制方式均能够抬高剪切层,减弱武器舱内的能量注入,进而对武器舱内总声压级产生一定的降噪效果。在本文研究范围内,前缘扰流片的降噪效果最为显著,降噪幅值达5 dB。     

递进式路径转移姿态机动快速规划方法

当前空间探测活动需要航天器具有大角度姿态机动能力,然而复杂的空间环境和航天器姿态约束限制了姿态机动的可行空间和姿态规划效率。针对这一问题,进行了多约束条件下大角度姿态机动快速规划研究,提出一种基于路径转移策略的快速规划方法。该方法由参考路径规划、松弛路径规划和路径转移规划3部分组成,递进式处理姿态规划中的初始参考路径生成、姿态有界约束满足和姿态指向约束满足问题。在路径转移规划中,建立基于指向角的姿态指向约束评价函数,设计对应的转移动作集合,能够快速得到满足多种约束条件的安全机动路径。最后,通过大角度姿态机动对比仿真,验证了该方法在机动时间方面的快速性和规划速度方面的高效性。     

中性浮力和失重环境人体运动仿真比较研究

为了模拟失重状态,航天技术发达的国家都建立了用于航天员出舱活动训练的中性浮力水槽。但与太空失重环境相比,水中存在的水动阻力会导致两种环境下人体运动反馈的差异性。基于ADAMS多体动力学仿真软件,按照“飞天”舱外航天服的质量分布,建立了着舱外服人体动力学模型。利用此模型仿真比较了水下和失重环境中肘关节屈伸、肩内收外展、肩矢状面内运动时人体躯干的动力学反馈,发现水下环境中模型躯干的转动速度峰值和平均值均较大。研究结果已应用于神舟七号载人飞行任务出舱活动航天员训练,建立的航天员人体动力学模型可应用于我国未来空间站任务出舱活动仿真分析。     

内埋式弹舱流场特性及武器分离特性改进措施

为改善内埋弹舱的流场特性以及内埋武器分离特性,采用在弹舱前缘悬细金属条的方法对弹舱流场进行流动控制,并在高速风洞中进行了试验研究。通过分析舱底静态压力试验结果以及脉动压力试验结果,研究了武器模型处于不同分离位置时流动控制对弹舱流场特性的影响;通过测量武器模型力和力矩,研究了流动控制对武器分离特性的影响。研究结果表明：武器模型处于不同分离位置时,该流动控制方法对弹舱底部静态压力分布以及总声压级分布的影响是相似的;当弹舱的流场类型为过渡／闭式穴流动时,采用该流动控制措施能有效降低舱内的静态压力梯度,并能有效改善武器的分离特性;当弹舱的流场类型为开式穴流动时,采用该流动控制措施能有效抑制舱内产生的气动噪声。