李曉紅 徐可

（中國兵器工業(yè)集團第二一〇研究所，北京，100089）

增強現(xiàn)實技術是在虛擬現(xiàn)實技術基礎上發(fā)展起來的一項新技術，可將數(shù)字信息、三維虛擬模型精確地疊加到真實場景中，使虛擬對象與真實場景融為一體，指導現(xiàn)實操作，已經(jīng)成為促進智能制造技術發(fā)展的關鍵技術之一。近兩年，美歐軍事強國積極推進增強現(xiàn)實技術在軍工制造領域的應用，應用范圍已經(jīng)擴展到武器裝備設計研發(fā)、加工制造、維修保障等各個階段。

1 武器裝備設計研發(fā)階段

在武器裝備設計研發(fā)階段，通過增強現(xiàn)實技術，可以將虛擬設計快速、逼真的融合于現(xiàn)實場景中，在研制階段就能對最終產(chǎn)品有直觀的感受，可有效降低研制成本，為產(chǎn)品研制提供全新的科學輔助手段。當前，增強現(xiàn)實技術已經(jīng)成為洛馬、BAE系統(tǒng)等大型軍工企業(yè)武器裝備研發(fā)所采用的重要手段之一，在航天系統(tǒng)、艦船、戰(zhàn)車等多領域獲得應用。

1.1 用于航天系統(tǒng)裝備研制

2016年 起，NASA開 始 利用微軟開發(fā)的頭戴式混合現(xiàn)實裝置“全息眼鏡”（HoloLens）開展“火星虛擬漫步”等活動，探索其在“火星2020”巡視探測器設計中的應用潛力。此前NASA已針對太空探索和教育研發(fā)了多種“全息眼鏡”應用，如NASA噴氣推進實驗室（JPL）“原型太空”（ProtoSpace）應用可將計算機仿真圖像投射到工程師視場中，幫助在“火星2020”巡視器設計過程中評估各儀器組件的組裝情況，并與真實硬件進行對比研究，從而在巡視器真正組裝之前解決潛在的設計沖突。NASA目前還在研究一種“視線范圍”（OnSight）應用，計劃利用“全息眼鏡”規(guī)劃“好奇”火星巡視器行進路徑，開展“目標：火星”混合現(xiàn)實之旅。

洛馬公司在太空飛船和衛(wèi)星系統(tǒng)制造中應用增強現(xiàn)實技術每年執(zhí)行2～3次“深潛式審查”，一組設計、制造和安全工程師演練從頭到尾建造飛行器。在這個過程中，工程人員完全處于虛擬環(huán)境中，以他們實際在生產(chǎn)線建造中的相同順序組裝數(shù)千個零件，識別可能的問題或潛在的改進之處。

1.2 用于新型艦船設計

2016年，澳大利亞BAE系統(tǒng)公司開始實施沉浸式增強現(xiàn)實計劃，開發(fā)出沉浸式仿真軟件包，融合了CAD和游戲軟件的3D仿真技術，可為武器裝備原型系統(tǒng)研制和系統(tǒng)升級提供沉浸式模擬映射。該軟件包提供了用于船舶設計與建造的數(shù)字模型，可預測裝備和用戶需求；同時通過識別和確定潛在的設計缺陷，在研發(fā)階段就可解決潛在的安全問題，確保更安全的工作環(huán)境，從而能有效降低新型艦船設計和建造所帶來的安全和運營風險。采用增強現(xiàn)實技術還有助于實現(xiàn)協(xié)同設計，可以幫助設計人員、工程人員、客戶確定設備的可達性，防止可能妨礙生產(chǎn)或在構建維護過程中出現(xiàn)安全隱患等問題的發(fā)生。一旦確定了解決方案，就可以對利益相關方和客戶進行試用和演示驗證，以確保在設計完成之前解決問題，從而大大降低制造風險。

圖1 BAE系統(tǒng)公司展示頭戴式虛擬現(xiàn)實顯示設備

圖2 洛馬公司“獵戶座”航天器制造中測試微軟HoloLens智能眼鏡及其相關軟件

1.3 用于地面戰(zhàn)車研制

2016年歐洲國際防務展（Eurosatory）期間，BAE系統(tǒng)公司展示了利用頭戴式虛擬現(xiàn)實顯示設備（圖1）探索獵狗（Terrier?）戰(zhàn)斗工程車。目前，該公司的工程師已經(jīng)在利用這種虛擬現(xiàn)實設備設計和測試新零部件，減少設計迭代，加速設計過程，并提高了產(chǎn)品性能。BAE系統(tǒng)公司研究人員表示，以往每次想升級一個車輛或甚至只是設計一個簡單的新零部件，都很難預測它是如何工作的，以及是否會影響用戶體驗，而且一旦需要制作零部件并把它固定在車輛上進行觀察和測試，就會增加數(shù)小時至數(shù)周的過程時間。在虛擬現(xiàn)實場景中將一個新零部件固定到車輛，可以清楚地看到其工作過程，而且研究人員可以虛擬成為一名車內(nèi)乘員，人手可以實時進入虛擬場景“觸摸”到車，從而全面觀察該零部件對車輛性能的影響。BAE系統(tǒng)公司還在虛擬環(huán)境下與士兵合作對改動進行測試，并借助他們的反饋意見，對設計進行實時改進。

2 武器裝備生產(chǎn)制造階段

在武器裝備的生產(chǎn)制造階段，增強現(xiàn)實技術可實時呈現(xiàn)零部件關鍵工藝信息，并將裝配維修的標準工作流程指南準確地顯示給操作人員，實現(xiàn)智能化制造，大幅提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品一致性，縮短制造時間。洛馬、波音、空客等大型軍工企業(yè)已經(jīng)在裝配、電纜組裝等武器裝備加工制造中部署實施了增強現(xiàn)實技術。

2.1 用于裝備零部件裝配

圖3 空客集團工人使用“月亮”系統(tǒng)指導A400M運輸機電纜組裝

圖4 SART增強現(xiàn)實設備正在檢測可以固定液壓系統(tǒng)、管路的結構支架

洛馬公司在F-35生產(chǎn)過程中，通過采用愛普生Moverio BT-200型眼鏡，結合相關軟件系統(tǒng)，將零部件虛擬模型疊加到工作環(huán)境中，這樣戴眼鏡的工程師在起落架上安裝制動部件時，就可以看到車輪、眼鏡上會顯示每個螺栓、電纜的效果圖、編號，以及每個部件的安裝位置等信息，而無需查看紙質(zhì)安裝說明書。這種方式使得工程師的工作效率提高了30%、裝配準確率高達96%。此外，還大幅縮短了工程師的上崗培訓時間和成本。為提高航天器生產(chǎn)速度，洛馬公司正在“獵戶座”航天器生產(chǎn)制造中測試使用微軟HoloLens智能眼鏡及其相關軟件等增強現(xiàn)實技術（圖2）。增強現(xiàn)實技術的初步應用已經(jīng)顯示出可提升航天器零部件裝配效率，“獵戶座”航天器鉆孔、面板插入等組裝過程已經(jīng)由之前的大約6個星期縮短到約2周；全新鉆孔工藝的學習培訓時間從原來的8小時縮短到45分鐘。

2017年，空客公司通過采用Accenture公司研發(fā)的“智能眼鏡”，將增強現(xiàn)實技術應用于毫米級精度的客艙安裝標記工序。該頭戴式設備有一個用于掃描條形碼的攝像頭，安裝人員通過掃描條形碼可看到定制的客艙規(guī)劃和以及相關的顧客個人需求信息，并看到標記區(qū)域。眼鏡還有一個補償屏幕，用于顯示導引圖標和其他增強現(xiàn)實圖像。此外，完成標記后，設備還會核對其位置并確認操作生效。智能眼鏡最初被用于法國圖盧茲總裝線上A330系列客機的生產(chǎn)，2016年被推廣應用到第2架A330neo客機（采用新發(fā)動機）飛行測試設備的安裝工作，2017年11月在第3架A330neo客機的生產(chǎn)線上部署智能眼鏡。在將智能眼鏡應用于客艙安裝工作前，客艙設備地板定位工作要求技師不得不先解讀復雜的設計圖紙，并將設計尺寸轉化為公制尺寸。新設備的使用節(jié)省了大量的工時，以往3個人需要3天時間才能完成的工作現(xiàn)在一個人只需要6個小時就可以完成。

2.2 用于飛機等裝備電纜組裝

飛機中的復雜管路和長度達數(shù)百千米的電線安裝以及連接器插裝，是目前增強現(xiàn)實技術應用的主力戰(zhàn)場，增強現(xiàn)實系統(tǒng)通過強大的用戶界面顯示，能夠一步步地指導操作人員如何實現(xiàn)這些復雜操作。

圖5 增強現(xiàn)實技術在船廠的應用

波音公司在787-8貨機電纜組裝過程中采用了Google智能眼鏡以及Upskill公司的Skylight可穿戴技術。該型飛機上的電纜長度大概有209千米，在采用新技術前，工人需要不斷查看技術文檔，以確保電纜正確組裝，非常耗時、工人也容易疲勞。采用增強現(xiàn)實技術和可穿戴技術，通過語音命令功能和條形碼閱讀器，可以節(jié)省大量時間、提高生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)質(zhì)量、更好的人體工程學。新技術將波音公司的電纜組裝時間縮短了25%，并將誤差降至接近零?？湛烷_發(fā)的“月亮”（以裝配為導向授權增強現(xiàn)實）系統(tǒng)用于A400M的機身布線（圖3），使用來自工業(yè)數(shù)字樣機（iDMU）的3D信息生成裝配指令，以智能平板為界面指導工人進行布線操作。

2.3 用于裝備制造質(zhì)量檢測

空客集團開發(fā)出一種基于增強現(xiàn)實技術的裝配質(zhì)量檢驗設備—SART，可將客機復雜結構件裝配檢驗效率提升6倍，且漏檢率大幅降低。SART設備（圖4）由攝像與定位系統(tǒng)、加固式平板顯示系統(tǒng)、投影系統(tǒng)等構成。該設備應用數(shù)字模型接口、三維定位、場景構建、虛實場景結合等技術，可與企業(yè)的數(shù)字化生產(chǎn)線集成，實現(xiàn)航空大型復雜產(chǎn)品結構件的智能化裝配質(zhì)量檢驗。與當前工業(yè)增強現(xiàn)實設備相比，SART設備具備如下優(yōu)勢：一是兼容性、通用性強。SART設備可高度兼容CATIA、CADDS、Pro/E、STEP-NC等工業(yè)軟件。目前SART設備已部署在空客A320、A380等不同機型裝配線，并在斯普利特航空系統(tǒng)公司實現(xiàn)跨企業(yè)應用。二是作業(yè)效率高。大型客機機身包括6～8萬個支架，裝配檢驗精度要求高、難度大，空客公司利用SART設備使裝配檢驗時間由21天減至3天，漏檢率降低40%。三是可操作性好。SART設備具有友好的人機交互操作界面，提供了簡易、清晰、便捷的操作指示，設備使用培訓僅需15分鐘。

空客公司已經(jīng)向美國斯普利特航空系統(tǒng)公司出售了SART智能增強現(xiàn)實設備。未來，空客公司計劃將此類設備應用擴展至飛機研制全流程，并向造船、交通運輸、發(fā)電設備制造等大型裝備制造業(yè)推廣應用。

2.4 用于生產(chǎn)制造培訓

隨著自動化工作崗位越來越多，需要更多的工人具有自動化方面的技能，增強現(xiàn)實系統(tǒng)可以使行業(yè)通過物聯(lián)網(wǎng)充分利用環(huán)境感知來收集相關制造現(xiàn)場環(huán)境信息，然后將其提供給工人，具有增強工人能力、提高工人技能的潛力。增強現(xiàn)實技術在復雜、小批量裝配和維修維護中的應用已經(jīng)表明，一線工人在數(shù)小時內(nèi)就可以培訓上崗，其成本僅是傳統(tǒng)方法的十分之一。

圖6 美國聯(lián)合飛機技術公司開發(fā)的增強現(xiàn)實監(jiān)控系統(tǒng)

BAE系統(tǒng)公司正在使用增強現(xiàn)實技術來改善新員工的培訓，通過使用微軟公司的HoloLens增強現(xiàn)實眼鏡創(chuàng)建具有指導性的裝配操作培訓方案，逐步分解裝配綠色能源車輛電池的組裝過程，使培訓效率提高了30%～40%。美國在第三艘“福特”級航空母艦（CVN-80）在建造過程中利用增強現(xiàn)實技術（圖5），高效連接造船全流程，創(chuàng)建集成化造船環(huán)境，使得船舶建造和操作過程更直觀，節(jié)省船廠造船和海軍培訓成本，預計可節(jié)省15%的建造成本。

該技術不僅可以用于培訓或提升工人的技能，還可以針對經(jīng)驗豐富的年邁工人開展有效的技能繼承計劃，幫助工廠避免潛在的勞動力短缺和能力缺口等問題。除對單個技術人員或機械師進行培訓外，公司還可以采用增強現(xiàn)實技術為職工進行知識補充。一些公司正在將一些培訓信息集成到實際零件或裝配件上，使得工備更容易學習和使用。

3 武器裝備運行維護階段

在軍事裝備維修中，增強現(xiàn)實技術可為技術人員提示具體操作步驟和直觀的狀態(tài)信息，還能夠精確定位并實現(xiàn)內(nèi)部零件的可視化，確認其狀態(tài)與故障信息，極大地簡化了維修流程。通過手機、電腦屏幕或者增強現(xiàn)實眼鏡能夠在真實產(chǎn)品上看到操作指南，非常直觀。通過增強現(xiàn)實眼鏡和數(shù)據(jù)手套，可以精確的定位和操作，方便快捷，改變了傳統(tǒng)的維修和安裝模式，提高了效率。

3.1 用于裝備維修檢修

洛馬公司正在使用基于愛普生智能眼鏡的增強現(xiàn)實平臺加速F-22和F-35的維修過程，檢驗員能夠通過眼鏡看到投影到戰(zhàn)斗機上的零件編號和計劃，在飛機旁邊就可以記錄要修理的區(qū)域，減少操作錯誤。這個交互式3D增強現(xiàn)實平臺由NGRAIN公司開發(fā)，能夠讓維修機械師與3D模型、零件規(guī)格、庫存信息、實時數(shù)據(jù)、圖像和視頻進行虛擬交互，來自每個機械師的新數(shù)據(jù)可以在平臺上共享，由系統(tǒng)分析并集成來自每架戰(zhàn)斗機的信息，以實現(xiàn)故障預測與維護規(guī)劃。

賽峰集團飛機起落架系統(tǒng)公司正在通過ARGOTM（地面運行的增強現(xiàn)實）項目研究將增強現(xiàn)實技術應用于飛機起落架檢修過程，2018年初在該公司兩個檢修廠房進行了試驗，評估其對檢修效率、質(zhì)量和故障可追溯等方面的成效，評估通過后，該項目成果將在空客A320起落架檢修中應用，并向其在亞洲和美洲地區(qū)的維修車間推出，并為運營商開發(fā)新的服務，特別是遠程協(xié)助服務。

美國聯(lián)合飛機技術公司（UAT）正在開發(fā)一種可用于用于飛機布線的增強現(xiàn)實監(jiān)控系統(tǒng)（ARMS）的智能飛機互連夾（ICC）解決方案（圖6），ICC中裝有一個RFID芯片，可以讀取電纜束中的電壓和電流參數(shù)，通過與3D攝像頭技術結合使用，能夠可視化線束中的隱藏故障，實現(xiàn)故障在三維空間的精確定位。

圖7 雷聲公司開發(fā)的RM2系統(tǒng)（左：基于平板；中：基于智能眼鏡；右：主題專家利用“ghost hands”為遠程用戶提供指導）

2019年5月，空客公司與西班牙空軍達成協(xié)議，共同開發(fā)基于無人機和增強現(xiàn)實的軍用飛機檢查技術。依靠配裝高清相機和傳感器的無人機，該項技術可在幾個小時內(nèi)對正在維修檢查的飛機外部進行掃描，生成的數(shù)據(jù)和信息通過安全連接可在平板電腦和增強現(xiàn)實眼鏡上顯示，使維修人員能夠快速識別和應用維修程序和糾正措施，并確保所有的檢查和維護過程正式并完整地記錄到維護日志中?？湛凸緦⑹紫仍谖靼嘌繸aragoza空軍基地的A400M運輸機上應用測試該項技術，后續(xù)將擴展到其他機型，包括：C295和CN235飛機。

3.2 用于裝備維修遠程協(xié)作

對于分布式制造，大多數(shù)公司都會有專職檢驗人員和技術人員進行日常維護。但是如果遇到一些維護難題時，派遣專家到用戶的工作地點通常成本高昂、耗費時間，也會有一些風險。例如客戶會質(zhì)疑專家是否專業(yè)、是否能夠診斷出故障。通過采用增強現(xiàn)實技術，可以構建一個共享的遠程診斷環(huán)境，專家可以觀察到工作現(xiàn)場的維修維護情況，協(xié)助進行維修維護?；谠鰪姮F(xiàn)實技術的遠程協(xié)作可以將維修人員和合適的領域專家遠程聯(lián)系起來，利用專家經(jīng)驗快速解決問題。

雷聲公司與增強現(xiàn)實硬件、軟件提供商進行戰(zhàn)略合作，利用現(xiàn)成的商用技術，開發(fā)出一種可減少人力的遠程維護（RM2）系統(tǒng)，是一個平臺無關的（platform agnostic）、移動的、安全的、增強現(xiàn)實系統(tǒng)，支持多用戶遠程協(xié)作通信。通過該系統(tǒng)，一位領域專家可以通過遠程用戶的平板電腦或增強現(xiàn)實眼鏡上的經(jīng)安全加密的音頻和視頻來遠程查看系統(tǒng)。他們的手、姿勢、工具和零件可以通過攝像頭捕獲，并且圖像在遠程用戶的視場中以實時增強現(xiàn)實的方式展現(xiàn)出來。這樣，領域專家可以“ghost hands”遠程指導用戶，遠程用戶可以與專家手的姿勢和位置保持一致。圖7所示為雷聲公司RM2系統(tǒng)的應用場景。RM2已經(jīng)在雷聲工廠內(nèi)部部署實施，可為內(nèi)部和外部客戶提供更及時、低成本的協(xié)作技術支持服務。

4 結語

美歐軍事強國加強增強現(xiàn)實技術在武器裝備全壽期的應用實踐已經(jīng)證明，增強現(xiàn)實技術對于武器裝備研制生產(chǎn)的高質(zhì)、高效、低成本具有很重要的作用，可顯著提升武器裝備快速響應能力。隨著增強現(xiàn)實各項關鍵技術的不斷突破，向制造領域的滲透將更加深入，將為制造業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)、管理、服務、銷售和售后市場等各環(huán)節(jié)都帶來深刻變革，對武器裝備高質(zhì)、高效研制生產(chǎn)也將產(chǎn)生不可估量的影響。