面向過(guò)程的維修誘導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、民用航空器維修保障是一項(xiàng)技術(shù)難度高、勞動(dòng)強(qiáng)度大的工作，如何降低維修難度、避免維修差錯(cuò)、提高工作效率、壓縮維修成本始終為航空公司所關(guān)心，因而以此為課題展開研究無(wú)論是在理論層面還是在應(yīng)用層面都具有重大意義。本文以構(gòu)建面向過(guò)程的維修作業(yè)系統(tǒng)為目標(biāo)，以應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，深入研究了在實(shí)際構(gòu)建該系統(tǒng)時(shí)所必需的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。該系統(tǒng)的功能是：以維修任務(wù)為中心、以維修過(guò)程為線索向現(xiàn)場(chǎng)維修人員提供所需的文字和圖像，幫助他們理解維修任務(wù)、提高認(rèn)知能

2、力?，F(xiàn)將本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下：
　　 (1)根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣是SO3流形的事實(shí)，文章提出了在2D-3D點(diǎn)對(duì)應(yīng)情形下用流形優(yōu)化的方法獲取對(duì)象位姿的新穎算法，算法利用泰勒展開和收縮映射消除了用正交投影模型代替針孔投影模型所引入的理論誤差，減小了連續(xù)視頻對(duì)象位姿跟蹤中累積誤差的傳播，實(shí)驗(yàn)表明流形優(yōu)化法得到對(duì)象位姿精度和所需的迭代次數(shù)均優(yōu)于正交迭代，在綜合數(shù)據(jù)試驗(yàn)中噪聲方差為1時(shí)，前者的旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)角的相對(duì)誤差為0.5％和0.

3、25%，僅為后者相對(duì)誤差的1/5和1/2；隨后文章針對(duì)工業(yè)對(duì)象表面通常缺乏點(diǎn)特征，但具有共面圓特征一類常見工業(yè)對(duì)象的事實(shí)，研究了利用共面圓特征作為對(duì)象坐標(biāo)系，依據(jù)絕對(duì)二次曲線的射影理論求解對(duì)象位姿的新方法，真實(shí)對(duì)象的試驗(yàn)表明該方法得到的位姿最大相對(duì)誤差分別只有：旋轉(zhuǎn)軸2.7%，旋轉(zhuǎn)角1.7%，平移1.7%；最后針對(duì)特征點(diǎn)3D坐標(biāo)不易獲取的實(shí)際問(wèn)題，文章給出了重構(gòu)穩(wěn)定匹配的SIFT特征點(diǎn)3D坐標(biāo)的方法。
　　 (2)動(dòng)態(tài)地跟蹤對(duì)象

4、位姿是實(shí)現(xiàn)連續(xù)視頻圖像注冊(cè)的前提。本文改進(jìn)了具有直線邊緣輪廓對(duì)象位姿跟蹤方法，提出了基于共面圓輪廓特征的對(duì)象位姿跟蹤方法。文章利用前一幀圖像的輪廓位置，采用計(jì)算輪廓的梯度歸一化互相關(guān)系數(shù)的方式隱式緣搜索直線邊緣或橢圓輪廓，建立2D-3D的輪廓對(duì)應(yīng)關(guān)系，為提高隱式輪廓搜索的效率文章還采用擴(kuò)展卡爾曼濾波，一方面預(yù)測(cè)當(dāng)前幀圖像的對(duì)象位姿，另一方面限制直線或共面圓輪廓特征搜索起點(diǎn)和搜索位置。對(duì)于直線邊緣對(duì)象，文章綜合采用Tukey估計(jì)子和權(quán)重直

5、線擬合構(gòu)造位姿計(jì)算目標(biāo)函數(shù)并用SVD法求解，實(shí)驗(yàn)表明本文基于直線的位姿跟蹤方法的旋轉(zhuǎn)角最大的平均偏差0.29°，絕對(duì)偏差為1.90°，跟蹤速度大約為10幀/秒，綜合性能明顯優(yōu)于基于LM的位姿跟蹤算法；對(duì)共面圓輪廓圖像，文章則采用Sampson距離剔除野值、采用各項(xiàng)異性數(shù)據(jù)回歸通過(guò)提高橢圓擬合精度獲得高精度對(duì)象位姿，實(shí)驗(yàn)表明該方法跟蹤對(duì)象位姿的最大角度誤差為1.4°、平移為3.5mm，跟蹤速率達(dá)10～12幀/秒。實(shí)驗(yàn)還表明利用擴(kuò)展卡爾曼濾

6、波的可以有效地將位姿跟蹤速度提高近一倍。
　　 (3)標(biāo)定光學(xué)透視式頭盔(HMD)是實(shí)現(xiàn)信息增強(qiáng)的基礎(chǔ)工作，文章改進(jìn)了Azuma所提出的HMD標(biāo)定方法，克服了其標(biāo)定方法中的缺陷。利用前兩章共面圓位姿的研究成果，首先在標(biāo)定過(guò)程用相機(jī)替代電磁位置跟蹤器的HMD的位姿；其次用3D重構(gòu)的方式確定對(duì)象坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系間的變換，免除了使用標(biāo)定工作臺(tái)確定該變換關(guān)系所需的高昂代價(jià)；最后將HMD的內(nèi)、外參數(shù)分開標(biāo)定，且認(rèn)為外參數(shù)固定不變，減輕普

7、通用戶標(biāo)定HMD的負(fù)擔(dān)。標(biāo)定性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)中HMD標(biāo)定單眼最大平均誤差為2.15像素，說(shuō)明本文改進(jìn)的HMD方法是有效的、可行的，假設(shè)外參數(shù)固定不變是正確的：隨即文章還簡(jiǎn)單地研究了3D模型獲取過(guò)程中涉及到的位姿變換以及比例因子的問(wèn)題。
　　 (4)維修環(huán)境中的指令增強(qiáng)和人機(jī)自然交互可以有效地免除維修人員注意力頻繁切換的弊端?；诖吮疚脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了利用菜單式人機(jī)自然交互的方式，用于切換虛擬的維修指令，具體內(nèi)容包括：將維修任務(wù)中的指令信

8、息抽象成維修任務(wù)菜單和維修任務(wù)子菜單、菜單的內(nèi)容以虛擬成像的方式出現(xiàn)在HMD上、菜單的輸入焦點(diǎn)通過(guò)對(duì)象位姿跟蹤和虛擬成像的方式固定在對(duì)象表面、輸入焦點(diǎn)區(qū)域的點(diǎn)擊動(dòng)作則來(lái)自于手勢(shì)識(shí)別、最后則采用菜單狀態(tài)轉(zhuǎn)換有限狀態(tài)機(jī)建立手勢(shì)輸入與菜單內(nèi)容切換的聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)表明該方式的人機(jī)交互成功率可達(dá)76%，輸入速度達(dá)8～10幀/秒。
　　 (5)文章最后以實(shí)現(xiàn)面向過(guò)程的維修原型系統(tǒng)為目標(biāo)，首先研究了如何利用現(xiàn)有的民航維修技術(shù)出版物獲得指令增強(qiáng)、2