虛擬現實技術在空間站艙內定向訓練中的應用

姜國華，劉玉慶，朱秀慶，安　明，周伯河，陳學文，胡福超（.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京00094；2.中國航天員科研訓練中心，北京00094）

虛擬現實技術在空間站艙內定向訓練中的應用

姜國華1，2，劉玉慶1，2，朱秀慶1，2，安明1，2，周伯河1，2，陳學文1，2，胡福超1
（1.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京100094；2.中國航天員科研訓練中心，北京100094）

載人航天中，失重環境和結構復雜的空間站對航天員空間定向能力的影響極大，導致航天員可能出現空間失定向現象。針對在地面難以使用實物進行空間定向任務訓練的問題，闡述了虛擬現實技術在空間定向訓練中的應用，并對其特點進行了分析，設計了基于虛擬現實技術的空間定向訓練系統提供飛行前的適應性訓練，使航天員掌握依賴視覺信息進行空間定向的技能，為后續更為復雜的航天員空間操作任務提供新的訓練方式。

空間站；空間定向；虛擬現實；訓練

1　引言

根據國家載人航天的發展戰略，我國載人航天在未來將建設空間站，開展空間應用和空間新技術試驗?？臻g站往往由多個實驗艙連接而成，根據美、俄經驗，當航天員在不同艙段之間穿行時，經常會出現空間失定向的問題［1］，特別是在艙內失火、失壓等低能見度條件下，艙內定向會更加困難，直接影響到空間站和航天員的安全，因此，艙內定向和應急操作是航天員必須掌握的重要救生技能，也是航天員訓練的重要內容。

在微重力條件下，航天員主要依賴視覺信息完成空間定向，視覺線索便成為空間定向判斷中的主要依據［1］。而由于重力的缺失，航天員自身體坐標系在艙內可呈任意姿態，這與地面重力環境下以正立狀態對艙內布局的認知有很大變化。另外由于空間站內各艙段視覺垂直正向軸的不一致，以及獲得和保持對整個航天器的一個綜合認知圖的困難，是引起航天員空間定向困難的主要因素［2］。

目前，航天員艙內、艙外活動訓練設施主要包括地面實物模擬器、中性浮力水槽和拋物線飛行。由于地面重力限制，現有實物模擬器難以模擬艙內定向訓練。中性浮力水槽訓練可以為航天員提供在不熟悉的身體體位情況下觀察各個艙段，但由于在訓練中其前庭器官還是能感受重力的作用，并幫助航天員辨別方向，與太空失重環境下的空間定向還有較大區別，另外水下裝置的有限尺寸意味著不可能把整個飛行器放入水下。拋物線飛行可以產生微重力環境，但時間短且內部容積受限。另外上述訓練設施也無法提供煙火等特殊環境下的緊急撤離訓練。

虛擬現實技術可以為航天員提供飛行前的空間定向訓練。在虛擬環境中，航天員能夠以多種身體狀態體驗周圍環境，減少以單一身體狀態訓練所致的空間定向障礙。同時，航天員也可以體驗在視覺垂直正向坐標軸定義不一致的艙段間穿行，幫助航天員建立一個關于整體飛行器的空間關系認知圖。另外，通過虛擬現實技術模擬由煙霧、水霧、能源故障等所致的能見度降低的艙內環境，完成故障情況下的緊急撤離訓練。

2　空間站艙內定向訓練

空間站艙內定向包含兩方面具體內容［3］，一是定向，即確定自身的空間朝向，主要基于本體視覺線索認識自身在空間站艙內的姿態朝向以及所處位置；二是導航，即通過坐標或目標指引穿越空間環境到達目標艙體，需要對所處空間站結構有著超越直觀的認識。針對以上兩個方面問題，基于虛擬現實技術的空間站艙內定向訓練系統主要需解決的問題，一是采用實時交互的方式，模擬微重力下人體的運動，從而給受訓者以接近真實的空間運動體驗；二是通過逼真的三維場景建模、立體顯示以及力反饋等技術，增強受訓者的沉浸感，提升訓練效果。

基于虛擬現實技術的出艙活動訓練可以使航天員在視覺上熟悉航天飛機和空間站外型，并可以預先規劃出艙活動路徑。針對艙內活動，Harm等將虛擬現實技術應用于方向迷失和空間運動病對抗性訓練［4］，他們利用位于NASA約翰遜航天中心的一個具有球形投影幕的適應性訓練仿真器（Device for Orientation and Motion Environments，DOME），提供給受訓人員一個虛擬空間工作環境，虛擬環境由空間站的一個節點艙和一個實驗艙組成，在實驗艙中有14個設備架，設備架上配有可以上下撥動的開關。訓練任務為讓受訓人員以不同的初始身體姿態從實驗艙外部移動到實驗艙內部的設備架附近，撥動架子上的開關，然后再移動到艙外。Harm報告中指出經過姿態和方向適應性訓練的人員在完成艙內移動及操作任務中很少出現空間方向迷失和空間運動病癥狀，且完成艙內移動任務所用的時間明顯縮短。由此可見，飛行前的空間環境適應性訓練對提高航天員的空間定向能力具有重要作用。

美國麻省理工大學人機交互實驗室在NASA的資助下，進行了空間站艙內定向導航虛擬仿真技術研究［3］，使用3D Max建模軟件建立了虛擬空間站的各艙段模型，虛擬空間站由7個矩形體艙、3個立方體節點艙和一個加壓適配通道組成。虛擬空間站艙內立體視景通過V-8頭盔顯示器（分辨率640×480，Aptos公司）提供給受訓者，其對角線視場角約60度，場景刷新頻率約27～30 Hz。使用一個慣性/超聲混合的跟蹤系統（型號：IS-600 Mk IIPlus，InterSense公司）獲取受訓者的頭部運動，并使用一個含12個按鍵的手部控制器實現在虛擬場景中的穿行和轉向。受訓者可以模擬以不同的姿態和視覺角度在空間站中游歷，熟悉各艙段布局和定向參考標記，了解空間站的工作環境和移動路徑。其研究表明，航天員在實際飛行任務之前，經過虛擬環境的艙內定向訓練，對實際工作環境有了較細致的了解，對于他們在實際任務中很快地進入工作，適應實際環境都會有很大的幫助。特別是對于艙內失火造成的低能見度環境下的艙內定向模擬訓練，很適合應用虛擬現實技術實現。

3　定向訓練系統功能及設計

3.1定向訓練系統功能

為實現空間站內定向虛擬現實訓練任務要求，需要建立一個虛擬訓練系統，模擬空間站各艙段的艙內虛擬視景環境，支持受訓者在虛擬艙內實時交互運動，以實現人在回路的空間站艙內定向訓練，系統應具有以下主要功能：

1）空間站多艙段艙內視景模擬

虛擬場景包括整個空間站外部及內部環境較精細的模型，同時支持立體顯示功能，能使用投影設備及立體頭盔進行顯示。

2）微重力下人體運動仿真

基于物理引擎技術建立虛擬航天員的人體多剛體動力學模型，通過運動捕獲數據實時驅動該模型運動，并結合碰撞檢測結果仿真虛擬航天員與外界環境接觸后的運動。同時將運動中虛擬航天員的第一視角視景反饋給受訓者，從而使受訓者能逼真地感受在太空中的運動狀態。

3）常規定向仿真訓練

能夠支持空間站內多艙段穿行及環境熟悉訓練，對固定路線穿行訓練可提供虛擬導標等輔助信息顯示。能夠支持多種交互方式（數據手套+位置跟蹤儀、三維鼠標、語音指令等）的綜合輸入，來實現空間站內穿行控制。在虛擬向導指引下完成訓練任務，或自行探索進行訓練。

4）應急情景訓練

能夠模擬空間站內低能見度效果，模擬煙霧、水氣等低能見度環境，從而進行緊急情況下的定向能力訓練和應急任務訓練。

5）訓練控制功能

具有教員管理控制功能，在訓練過程中教員可通過訓練控制界面對訓練進行控制，主要包括訓練科目設置、訓練過程控制、數據記錄與維護、訓練綜合評價等功能。能夠對艙內穿行的起點、方位等初始狀態進行設置，并具備實時記錄穿行路徑數據及回放的功能。

3.2訓練系統設計

3.2.1系統結構

系統由受訓者、教員、人機交互界面、虛擬訓練系統軟件組成。如圖1所示。

人機交互界面又分為信息輸入和輸出兩部分。信息輸入界面包括人體軀干跟蹤、手部跟蹤、頭部跟蹤和語音信息輸入。人體運動跟蹤通過電磁式位置跟蹤儀（Flock of Bird，Ascension公司）實現，手部跟蹤通過數據手套（Cyber Glove-22，Immersion公司）實現，能夠實時地獲取手部各關節的角度信息，以支持手部操作仿真。頭部位置跟蹤通過頭盔上安裝位置傳感器實現，頭部轉動時，所看到的場景也隨之變化，從而增強受訓者在虛擬環境中的沉浸感。通過語音輸入實現對系統的功能性指令控制。信息輸出界面包括視覺、力覺和聽覺信息的輸出。頭盔顯示器（自研）為視覺輸出設備，力反饋裝置（自研）為力覺再現設備，當受訓者在虛擬環境中接觸到物體時，力反饋裝置將力覺反饋到受訓者手部，同時，通過聽覺信息反饋場景及操作音效，從而實現受訓者與虛擬環境的逼真交互。系統構建虛擬太空環境包括航天器艙內工作環境模型，艙載交互操作儀器設備模型等。艙內漫游方式上，以基于預設姿勢的手勢識別算法為基礎，實現基于手勢、三維空間定位設備和語音命令的綜合空間定位及漫游。具體訓練過程為受訓者佩戴人機交互設備，其頭部及身體運動通過跟蹤設備和人機交互接口軟件實時捕獲并處理后，傳輸給仿真計算軟件，用于驅動虛擬空間環境中的虛擬人執行預期的行為或動作，仿真計算軟件還將處理仿真中出現的碰撞、抓取等情況，生成相應的音效、操作力及視景反饋給受訓者，從而完成人在回路的仿真。同時教員軟件可對訓練科目、訓練過程等進行控制，同時記錄訓練過程數據進行記錄和評價。

圖1　虛擬訓練系統結構圖Fig.1 The architecture of the virtual training system

3.2.2軟件系統

虛擬訓練系統軟件系統由人機交互接口軟件、視景仿真軟件、仿真計算軟件、教員軟件、數據庫接口軟件、數據記錄軟件組成，各個軟件模塊協同工作，完成訓練仿真系統設置、運行、記錄和評價等功能。各軟件的功能如表1所示。

3.2.3人機交互回路

系統需要滿足受訓者空間定位與導航訓練需求，支持手部動作跟蹤、肢體運動跟蹤、頭盔顯示、力覺反饋、語音命令采集、聽覺信息反饋和立體顯示，受訓者佩戴人機交互設備（頭盔顯示器、力反饋裝置、位置跟蹤儀和數據手套，其中耳機與麥克附加在頭盔上）與系統交互操作，在交互操作過程中，對受訓者的頭部、手部和上肢運動進行跟蹤，由客戶機采集運動信息，通過網絡傳遞給服務器，在服務器端計算虛擬航天員的運動、碰撞及抓持手勢，然后將力覺反饋信息和虛擬場景狀態傳遞給仿真主機，由該主機控制力覺反饋裝置輸出，并生成立體圖像信號，分別輸出到頭盔顯示器和立體投影系統，同時每臺計算機的視頻信號輸出到KVM視頻切換系統中，輸出到監視顯示器?；芈方Y構如圖2所示：

表1　軟件功能表Table 1 Software functions

圖2　人機交互回路Fig.2 Human-com puter interaction loop

為提高仿真系統的真實感，增強受訓者的沉浸感受，系統將研制新的交互設備，提高整個虛擬訓練系統的交互性能和受訓者的沉浸體驗。

3.2.4力反饋設備研制

力覺反饋是虛擬環境中的關鍵支撐技術，地面模擬航天員在空間進行科學實驗、傳遞載荷、裝配等接觸性作業時的力覺感受是保障訓練真實性的重要要素。應用力覺建模與反饋可提供更好的沉浸感，增加虛擬訓練環境的逼真性。為實現與虛擬環境交互的真實感，將研制單手力覺反饋設備，采用直流伺服電機實現手臂力反饋輸出的反饋裝置，采用磁流變執行器實現手指力覺反饋輸出的反饋裝置，并綜合實現虛擬操作的力覺反饋。

1）手臂力覺反饋裝置

手臂力覺反饋裝置在機構設計上采用并聯+串聯混合機構的設計方案，具有5個關節自由度，如圖3所示。在固定方式上采用固定在基座上的方式，基座可以與椅子背部的一側相固聯。在力反饋方式上，采用直流伺服電機實現力反饋輸出。在手臂力覺反饋裝置每個關節自由度安裝一個直流伺服電機和一個關節角位置測量編碼器，通過位置計算和力反饋控制算法對每個關節的電機輸出力矩進行控制，從而實現力反饋裝置末端處的三維力反饋和一維（或二維）力矩反饋。

圖3　手臂力覺反饋裝置結構圖Fig.3 The structural scheme of the arm force feedback device

最終研制的手臂力覺反饋裝置位置測量精度為2 mm，其末端具有3個自由度的力反饋和1～2個自由度的力矩反饋，末端最大力反饋為9 N，最大力矩反饋為0.2 Nm。

2）手指力覺反饋裝置

手指力覺反饋裝置在機構設計上采用鉗式的并聯機構的設計方案，具有3個手指關節（大拇指、食指、中指）的轉動自由度，如圖4所示。在固定方式上采用固定在外骨架式手臂力覺反饋裝置末端的方式，減輕手指力覺反饋裝置重量對操作者手部的影響。在力反饋方式上，采用自行研制的磁流變執行器實現手指力反饋輸出，磁流變執行器具有體積小，輸出阻尼力矩大，響應時間短（5 ms左右）的優點。在手指力覺反饋裝置三個并聯的旋轉自由度安裝一個磁流變執行器和一個關節角位置測量編碼器，通過力反饋控制算法對每個關節的磁流變執行器輸出力矩進行控制，從而實現大拇指、食指、中指的力覺反饋。

圖4　手指力覺反饋裝置結構圖Fig.4 The structural scheme of the finger force feedback device

最終研制的手指力覺反饋裝置將具有3個手指關節（大拇指、食指、中指）的轉動自由度，每個轉動角度的測量精度為0.5°，最大力矩反饋為0.2 Nm。

3.2.5高性能頭盔顯示設備研制

使用虛擬現實系統對航天員進行太空作業任務的訓練，視覺上的沉浸感會直接影響訓練效果。由于人的兩只眼睛有視場的重疊，因此人兩只眼睛總的視場約為220°×120°。雖然人眼最敏感的視場只有9°，這區域外視覺靈敏度下降非常劇烈，但是周邊視場在虛擬現實系統中扮演著非常重要的作用，增強了沉浸感，對周圍環境感知以及任務執行也是很重要的，因此寬視場的視覺反饋是增強虛擬場景沉浸感的重要途徑。

為提高視景顯示效果，研制新型頭盔顯示器，采取高分辨率微顯示單元結合超大視場光學系統設計的方法提高頭盔的視場角和分辨率，使頭盔顯示器接近人眼的真實視場范圍，實現更逼真的視景模擬顯示［6］。大視場頭盔顯示設備研制，需設計光學系統結構，滿足大視場顯示的要求，配合研究非球面光學元件的加工和檢測以及非對稱離軸結構的系統精密裝調方法和設備，最終完成大視場高分辨率頭盔顯示系統，其單目水平和垂直視場達到105°和73°，雙目視場達到140°×73°（其中將雙目重疊視場69°），單目顯示像素數目為1920×1080，出瞳直徑為10 mm，出瞳距離為14 mm。

大視場顯示系統對光學設計來說具有很大的難度。不僅視場要求大，畸變和像質要求高，其結構形式要滿足頭盔目鏡式，因此對體積大小均有限制。單目光學系統由同軸結構的四片非球面透鏡構成，如圖5所示，前三片透鏡材質均為玻璃，第四片為光學塑料，第一片透鏡主要實現大視場光線偏折，第二、三片透鏡為雙分離結構，主要用來校正色差，第四片透鏡為雙非球面透鏡，主要負責系統畸變的校正。

圖5　高性能頭盔顯示設備光學系統設計Fig.5 The design of compact optical system in w ide-angle head mounted disp lay

4　定向訓練系統應用

以空間站計劃為背景，通過建立與實際航天器具有相似結構布局的虛擬空間站各艙段模型，可以幫助航天員建立一個關于整體空間站的集成認知圖，圖6為中國未來空間站的構想圖，圖7為受訓航天員采用現有人機交互設備（未佩戴高性能顯示頭盔及力反饋設備）進行空間站艙內定向訓練的場景，圖8為采用動力學方法模擬失重狀態下虛擬航天員以不同的身體姿態和視覺角度在空間站中游歷。在定向訓練中，航天員可熟悉各艙段布局和定向參考標記，通過數據手套或其它交互設備進行交互漫游，了解空間站的工作環境和移動路徑，減少以單一身體方位訓練所致的空間方向認知欠缺，進行空間運動病對抗性訓練等。另外，通過虛擬現實技術容易模擬由失火產生的煙霧或水霧等導致的低能見度艙內環境，進行故障情況下的緊急撤離仿真操作訓練。

5　結論

本文以空間站長期在軌飛行為應用背景，將虛擬現實技術應用到航天員空間定向訓練中，建立一個航天員空間定向虛擬訓練仿真系統，同時研制手臂力反饋設備和高性能頭盔顯示設備，并建立包括視覺、力覺和語音的人機交互回路。在此基礎上，后續將根據實際航天飛行任務需求設計航天員空間定向訓練科目和訓練方法，完成空間站內定向常規訓練和緊急撤離訓練，為后續更為復雜的航天員空間操作任務提供新的訓練方式。研究結果不僅可用于航天員艙內定向訓練，還可以用于航天員艙內活動任務規劃，航天員太空操作工效分析和特定操作任務預演。通過拓展并完善基于虛擬現實技術的訓練仿真平臺，深化相關軟、硬件技術的研究，將為虛擬現實技術在航天員訓練中的應用奠定技術基礎。

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Application of Virtual Reality in Spatial Orientation Training for Space Station

JIANG Guohua1，2，LIU Yuqing1，2，ZHU Xiuqing1，2，AN Ming1，2，ZHOU Bohe1，2，CHEN Xuewen1，2，HU Fuchao1
（1.National Key Laboratory of Human Factors Engineering，Beijing 100094，China；2.China Astronaut Research and Training Center，Beijing100094，China）

Duringmanned spaceflight，weightless environment has great influence on astronaut＇s spatial orientation ability，especially in the complicated configuration of space station，which often results in astronaut spatial disorientation.Aiming at the difficulty of conducting spatial orientation training on the ground with physical training simulator，the application of Virtual Reality（VR）training in spatial orientation training was discussed and its features were analyzed.A spatial orientation training simulation system based on VR wasdesigned to provide pre-flightadaptation training，and to help astronauts building orientation skillswith visual cues It provides a new trainingmethod for the complex operations of astronauts in future spaceflightmissions.

space station；spatial orientation；virtual reality；training

TP391.9；V423.7

A

1674-5825（2015）02-0115-06

2014-09-11；

2015-01-19

國防基礎科研計劃（B1720132001）

姜國華（1966-），男，碩士，研究員，研究方向為航天人因工程、計算機仿真。E-mail：jgh_isme@sina.com