国外军工制造领域增强现实技术应用现状分析

李晓红 徐可

（中国兵器工业集团第二一〇研究所，北京，100089）

增强现实技术是在虚拟现实技术基础上发展起来的一项新技术，可将数字信息、三维虚拟模型精确地叠加到真实场景中，使虚拟对象与真实场景融为一体，指导现实操作，已经成为促进智能制造技术发展的关键技术之一。近两年，美欧军事强国积极推进增强现实技术在军工制造领域的应用，应用范围已经扩展到武器装备设计研发、加工制造、维修保障等各个阶段。

1 武器装备设计研发阶段

在武器装备设计研发阶段，通过增强现实技术，可以将虚拟设计快速、逼真的融合于现实场景中，在研制阶段就能对最终产品有直观的感受，可有效降低研制成本，为产品研制提供全新的科学辅助手段。当前，增强现实技术已经成为洛马、BAE系统等大型军工企业武器装备研发所采用的重要手段之一，在航天系统、舰船、战车等多领域获得应用。

1.1 用于航天系统装备研制

2016年 起，NASA开 始 利用微软开发的头戴式混合现实装置“全息眼镜”（HoloLens）开展“火星虚拟漫步”等活动，探索其在“火星2020”巡视探测器设计中的应用潜力。此前NASA已针对太空探索和教育研发了多种“全息眼镜”应用，如NASA喷气推进实验室（JPL）“原型太空”（ProtoSpace）应用可将计算机仿真图像投射到工程师视场中，帮助在“火星2020”巡视器设计过程中评估各仪器组件的组装情况，并与真实硬件进行对比研究，从而在巡视器真正组装之前解决潜在的设计冲突。NASA目前还在研究一种“视线范围”（OnSight）应用，计划利用“全息眼镜”规划“好奇”火星巡视器行进路径，开展“目标：火星”混合现实之旅。

洛马公司在太空飞船和卫星系统制造中应用增强现实技术每年执行2～3次“深潜式审查”，一组设计、制造和安全工程师演练从头到尾建造飞行器。在这个过程中，工程人员完全处于虚拟环境中，以他们实际在生产线建造中的相同顺序组装数千个零件，识别可能的问题或潜在的改进之处。

1.2 用于新型舰船设计

2016年，澳大利亚BAE系统公司开始实施沉浸式增强现实计划，开发出沉浸式仿真软件包，融合了CAD和游戏软件的3D仿真技术，可为武器装备原型系统研制和系统升级提供沉浸式模拟映射。该软件包提供了用于船舶设计与建造的数字模型，可预测装备和用户需求；同时通过识别和确定潜在的设计缺陷，在研发阶段就可解决潜在的安全问题，确保更安全的工作环境，从而能有效降低新型舰船设计和建造所带来的安全和运营风险。采用增强现实技术还有助于实现协同设计，可以帮助设计人员、工程人员、客户确定设备的可达性，防止可能妨碍生产或在构建维护过程中出现安全隐患等问题的发生。一旦确定了解决方案，就可以对利益相关方和客户进行试用和演示验证，以确保在设计完成之前解决问题，从而大大降低制造风险。

图1 BAE系统公司展示头戴式虚拟现实显示设备

图2 洛马公司“猎户座”航天器制造中测试微软HoloLens智能眼镜及其相关软件

1.3 用于地面战车研制

2016年欧洲国际防务展（Eurosatory）期间，BAE系统公司展示了利用头戴式虚拟现实显示设备（图1）探索猎狗（Terrier®）战斗工程车。目前，该公司的工程师已经在利用这种虚拟现实设备设计和测试新零部件，减少设计迭代，加速设计过程，并提高了产品性能。BAE系统公司研究人员表示，以往每次想升级一个车辆或甚至只是设计一个简单的新零部件，都很难预测它是如何工作的，以及是否会影响用户体验，而且一旦需要制作零部件并把它固定在车辆上进行观察和测试，就会增加数小时至数周的过程时间。在虚拟现实场景中将一个新零部件固定到车辆，可以清楚地看到其工作过程，而且研究人员可以虚拟成为一名车内乘员，人手可以实时进入虚拟场景“触摸”到车，从而全面观察该零部件对车辆性能的影响。BAE系统公司还在虚拟环境下与士兵合作对改动进行测试，并借助他们的反馈意见，对设计进行实时改进。

2 武器装备生产制造阶段

在武器装备的生产制造阶段，增强现实技术可实时呈现零部件关键工艺信息，并将装配维修的标准工作流程指南准确地显示给操作人员，实现智能化制造，大幅提高生产效率和产品一致性，缩短制造时间。洛马、波音、空客等大型军工企业已经在装配、电缆组装等武器装备加工制造中部署实施了增强现实技术。

2.1 用于装备零部件装配

图3 空客集团工人使用“月亮”系统指导A400M运输机电缆组装

图4 SART增强现实设备正在检测可以固定液压系统、管路的结构支架

洛马公司在F-35生产过程中，通过采用爱普生Moverio BT-200型眼镜，结合相关软件系统，将零部件虚拟模型叠加到工作环境中，这样戴眼镜的工程师在起落架上安装制动部件时，就可以看到车轮、眼镜上会显示每个螺栓、电缆的效果图、编号，以及每个部件的安装位置等信息，而无需查看纸质安装说明书。这种方式使得工程师的工作效率提高了30%、装配准确率高达96%。此外，还大幅缩短了工程师的上岗培训时间和成本。为提高航天器生产速度，洛马公司正在“猎户座”航天器生产制造中测试使用微软HoloLens智能眼镜及其相关软件等增强现实技术（图2）。增强现实技术的初步应用已经显示出可提升航天器零部件装配效率，“猎户座”航天器钻孔、面板插入等组装过程已经由之前的大约6个星期缩短到约2周；全新钻孔工艺的学习培训时间从原来的8小时缩短到45分钟。

2017年，空客公司通过采用Accenture公司研发的“智能眼镜”，将增强现实技术应用于毫米级精度的客舱安装标记工序。该头戴式设备有一个用于扫描条形码的摄像头，安装人员通过扫描条形码可看到定制的客舱规划和以及相关的顾客个人需求信息，并看到标记区域。眼镜还有一个补偿屏幕，用于显示导引图标和其他增强现实图像。此外，完成标记后，设备还会核对其位置并确认操作生效。智能眼镜最初被用于法国图卢兹总装线上A330系列客机的生产，2016年被推广应用到第2架A330neo客机（采用新发动机）飞行测试设备的安装工作，2017年11月在第3架A330neo客机的生产线上部署智能眼镜。在将智能眼镜应用于客舱安装工作前，客舱设备地板定位工作要求技师不得不先解读复杂的设计图纸，并将设计尺寸转化为公制尺寸。新设备的使用节省了大量的工时，以往3个人需要3天时间才能完成的工作现在一个人只需要6个小时就可以完成。

2.2 用于飞机等装备电缆组装

飞机中的复杂管路和长度达数百千米的电线安装以及连接器插装，是目前增强现实技术应用的主力战场，增强现实系统通过强大的用户界面显示，能够一步步地指导操作人员如何实现这些复杂操作。

图5 增强现实技术在船厂的应用

波音公司在787-8货机电缆组装过程中采用了Google智能眼镜以及Upskill公司的Skylight可穿戴技术。该型飞机上的电缆长度大概有209千米，在采用新技术前，工人需要不断查看技术文档，以确保电缆正确组装，非常耗时、工人也容易疲劳。采用增强现实技术和可穿戴技术，通过语音命令功能和条形码阅读器，可以节省大量时间、提高生产率、提高生产质量、更好的人体工程学。新技术将波音公司的电缆组装时间缩短了25%，并将误差降至接近零。空客开发的“月亮”（以装配为导向授权增强现实）系统用于A400M的机身布线（图3），使用来自工业数字样机（iDMU）的3D信息生成装配指令，以智能平板为界面指导工人进行布线操作。

2.3 用于装备制造质量检测

空客集团开发出一种基于增强现实技术的装配质量检验设备—SART，可将客机复杂结构件装配检验效率提升6倍，且漏检率大幅降低。SART设备（图4）由摄像与定位系统、加固式平板显示系统、投影系统等构成。该设备应用数字模型接口、三维定位、场景构建、虚实场景结合等技术，可与企业的数字化生产线集成，实现航空大型复杂产品结构件的智能化装配质量检验。与当前工业增强现实设备相比，SART设备具备如下优势：一是兼容性、通用性强。SART设备可高度兼容CATIA、CADDS、Pro/E、STEP-NC等工业软件。目前SART设备已部署在空客A320、A380等不同机型装配线，并在斯普利特航空系统公司实现跨企业应用。二是作业效率高。大型客机机身包括6～8万个支架，装配检验精度要求高、难度大，空客公司利用SART设备使装配检验时间由21天减至3天，漏检率降低40%。三是可操作性好。SART设备具有友好的人机交互操作界面，提供了简易、清晰、便捷的操作指示，设备使用培训仅需15分钟。

空客公司已经向美国斯普利特航空系统公司出售了SART智能增强现实设备。未来，空客公司计划将此类设备应用扩展至飞机研制全流程，并向造船、交通运输、发电设备制造等大型装备制造业推广应用。

2.4 用于生产制造培训

随着自动化工作岗位越来越多，需要更多的工人具有自动化方面的技能，增强现实系统可以使行业通过物联网充分利用环境感知来收集相关制造现场环境信息，然后将其提供给工人，具有增强工人能力、提高工人技能的潜力。增强现实技术在复杂、小批量装配和维修维护中的应用已经表明，一线工人在数小时内就可以培训上岗，其成本仅是传统方法的十分之一。

图6 美国联合飞机技术公司开发的增强现实监控系统

BAE系统公司正在使用增强现实技术来改善新员工的培训，通过使用微软公司的HoloLens增强现实眼镜创建具有指导性的装配操作培训方案，逐步分解装配绿色能源车辆电池的组装过程，使培训效率提高了30%～40%。美国在第三艘“福特”级航空母舰（CVN-80）在建造过程中利用增强现实技术（图5），高效连接造船全流程，创建集成化造船环境，使得船舶建造和操作过程更直观，节省船厂造船和海军培训成本，预计可节省15%的建造成本。

该技术不仅可以用于培训或提升工人的技能，还可以针对经验丰富的年迈工人开展有效的技能继承计划，帮助工厂避免潜在的劳动力短缺和能力缺口等问题。除对单个技术人员或机械师进行培训外，公司还可以采用增强现实技术为职工进行知识补充。一些公司正在将一些培训信息集成到实际零件或装配件上，使得工备更容易学习和使用。

3 武器装备运行维护阶段

在军事装备维修中，增强现实技术可为技术人员提示具体操作步骤和直观的状态信息，还能够精确定位并实现内部零件的可视化，确认其状态与故障信息，极大地简化了维修流程。通过手机、电脑屏幕或者增强现实眼镜能够在真实产品上看到操作指南，非常直观。通过增强现实眼镜和数据手套，可以精确的定位和操作，方便快捷，改变了传统的维修和安装模式，提高了效率。

3.1 用于装备维修检修

洛马公司正在使用基于爱普生智能眼镜的增强现实平台加速F-22和F-35的维修过程，检验员能够通过眼镜看到投影到战斗机上的零件编号和计划，在飞机旁边就可以记录要修理的区域，减少操作错误。这个交互式3D增强现实平台由NGRAIN公司开发，能够让维修机械师与3D模型、零件规格、库存信息、实时数据、图像和视频进行虚拟交互，来自每个机械师的新数据可以在平台上共享，由系统分析并集成来自每架战斗机的信息，以实现故障预测与维护规划。

赛峰集团飞机起落架系统公司正在通过ARGOTM（地面运行的增强现实）项目研究将增强现实技术应用于飞机起落架检修过程，2018年初在该公司两个检修厂房进行了试验，评估其对检修效率、质量和故障可追溯等方面的成效，评估通过后，该项目成果将在空客A320起落架检修中应用，并向其在亚洲和美洲地区的维修车间推出，并为运营商开发新的服务，特别是远程协助服务。

美国联合飞机技术公司（UAT）正在开发一种可用于用于飞机布线的增强现实监控系统（ARMS）的智能飞机互连夹（ICC）解决方案（图6），ICC中装有一个RFID芯片，可以读取电缆束中的电压和电流参数，通过与3D摄像头技术结合使用，能够可视化线束中的隐藏故障，实现故障在三维空间的精确定位。

图7 雷声公司开发的RM2系统（左：基于平板；中：基于智能眼镜；右：主题专家利用“ghost hands”为远程用户提供指导）

2019年5月，空客公司与西班牙空军达成协议，共同开发基于无人机和增强现实的军用飞机检查技术。依靠配装高清相机和传感器的无人机，该项技术可在几个小时内对正在维修检查的飞机外部进行扫描，生成的数据和信息通过安全连接可在平板电脑和增强现实眼镜上显示，使维修人员能够快速识别和应用维修程序和纠正措施，并确保所有的检查和维护过程正式并完整地记录到维护日志中。空客公司将首先在西班牙Zaragoza空军基地的A400M运输机上应用测试该项技术，后续将扩展到其他机型，包括：C295和CN235飞机。

3.2 用于装备维修远程协作

对于分布式制造，大多数公司都会有专职检验人员和技术人员进行日常维护。但是如果遇到一些维护难题时，派遣专家到用户的工作地点通常成本高昂、耗费时间，也会有一些风险。例如客户会质疑专家是否专业、是否能够诊断出故障。通过采用增强现实技术，可以构建一个共享的远程诊断环境，专家可以观察到工作现场的维修维护情况，协助进行维修维护。基于增强现实技术的远程协作可以将维修人员和合适的领域专家远程联系起来，利用专家经验快速解决问题。

雷声公司与增强现实硬件、软件提供商进行战略合作，利用现成的商用技术，开发出一种可减少人力的远程维护（RM2）系统，是一个平台无关的（platform agnostic）、移动的、安全的、增强现实系统，支持多用户远程协作通信。通过该系统，一位领域专家可以通过远程用户的平板电脑或增强现实眼镜上的经安全加密的音频和视频来远程查看系统。他们的手、姿势、工具和零件可以通过摄像头捕获，并且图像在远程用户的视场中以实时增强现实的方式展现出来。这样，领域专家可以“ghost hands”远程指导用户，远程用户可以与专家手的姿势和位置保持一致。图7所示为雷声公司RM2系统的应用场景。RM2已经在雷声工厂内部部署实施，可为内部和外部客户提供更及时、低成本的协作技术支持服务。

4 结语

美欧军事强国加强增强现实技术在武器装备全寿期的应用实践已经证明，增强现实技术对于武器装备研制生产的高质、高效、低成本具有很重要的作用，可显著提升武器装备快速响应能力。随着增强现实各项关键技术的不断突破，向制造领域的渗透将更加深入，将为制造业的研发、生产、管理、服务、销售和售后市场等各环节都带来深刻变革，对武器装备高质、高效研制生产也将产生不可估量的影响。