一種基于增強現實的航模設計與制作方法

徐夢悅 洪宇航 繆君

摘 要：航模飛機是深受高校同學喜愛的自制、放飛、操縱的航空模型之一，是鍛煉同學們科技創新能力的重要實踐平臺。本文針對航模飛機氣動外形設計困難、木制復雜零件難以成型等問題，提出了一種基于增強現實技術的航模設計方法來制作既具備良好氣動外形又符合航模特性的飛機。

關鍵詞：航模;增強現實;三維重建;3D打印

1、前言

航模飛機是深受高校同學喜愛的自制、放飛、操縱的航空模型之一[1]。它不僅是一項競技體育運動產品，更是空氣動力學理論與工程設計與制作等技術相結合的創新成果，其設計與制作具有趣味性、知識性、創新性，是鍛煉同學們科技創新能力的重要實踐平臺。

但是對于普通學生來說，制作像真實飛行器一樣既具有良好氣動外形又擁有好的結構強度的航模飛機是一個很大的挑戰。目前航模飛機大多首先借助計算機輔助3D設計軟件（CATIA或Solidworks等）設計外形，通過CAD輸出2D工程圖樣;然后依照這些圖樣，采用手工作業戒機械加工制出航模所需要的結構組件;最后通過螺接或膠接等方法裝配整機。為了減輕航模飛機重量，制作材料絕大部分是桐木或輕木等木質材料[2]。

隨著 3D 打印技術的日益普及， 使用 3D 打印的 PLA（聚乳酸）、ABS（丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯塑料）、光敏樹脂等材料制作航模成為一種新趨勢[3]。在制作多軸無人機整機機架和零部件方面，3D 打印技術已經展現出全面的應用潛力。但是，3D打印的前提須具備數字模型。對于未經過專業訓練的非工業設計類青少年、學生來說，設計外形美觀、氣動性好的模型非常困難。

本文針對航模飛機氣動外形設計困難、木制復雜零件難以成型等問題，通過增強現實的設計方法，讓3D打印這種先進的制造技術與傳統的木質航模制作技術結合，制作既具備良好氣動外形，又符合航模特性的飛機，并通過數字仿真和氣動分析軟件優化航模的設計與制造。本文創新點在于：1）利于基于圖像的三維重建技術建立具備良好氣動外形的航模數字模型，解決航模飛機氣動外形設計的困難;2）將3D打印技術與木質航模制作技術結合，解決木制復雜零件難以成型、組裝的問題。

2、三維重建技術支撐下的航模設計與制作

2.1 航模的設計

三維重建是對三維物體建立適合計算機表示和處理的數學模型，是在計算機中建立表達客觀世界的增強現實的關鍵技術[4]。目前比較流行的非接觸式三維重建方式主要有兩種。一種是基于三維激光掃描儀點云數據的三維重建，一種是基于數字圖像進行的三維重建。

三維激光掃描系統主要由激光掃描儀和慣性導航系統組成，用于測量點的三維坐標和激光反射強度;數碼相機用于測量點的三維坐標和顏色信息。根據移動激光掃描系統和數碼相機采集的數據可以得到點云數據，包括三維坐標、激光反射強度、顏色信息。三維激光掃描重建精度高，信息量豐富但是儀器價格昂貴，操作專業，普及率不高[5]。

基于圖像的三維重建技術是計算機輔助設計（CAD）與計算機圖形學中很重要的一個研究領域。三維重建是根據物體或者場景所拍攝的兩個或者兩個以上二維的圖像，由計算機自動進行計算和匹配，計算出物體或者場景的二維的幾何信息和深度信息，并建立三維的立體模型的過程。通常意義上所說的基于圖像的三維建模是利用圖像來恢復物體的幾何模型，圖像包括真實的照片、繪制圖像、視頻圖像以及深度圖像等。而廣義的基于圖像建模技術還包括從圖像中恢復出物體的外觀特性、光照環境以及運動學特征等很多屬性，其中的外觀特征包括表面的紋理貼圖和反射屬性等決定所重建模型的外觀效果的因素?；趫D像建模技術的實現需要依靠基于圖像的繪制技術，基于圖像繪制技術可以在沒有任何三維幾何信息或者少量幾何信息的情況下，只需要依據若干幅對于某個三維物體或者場景原始圖像就可以繪制出該三維物體或者場景的新視點圖像。目前國內外對基于圖像的三維重建技術這一熱點技術有很多的研究，已經有很多成果和進展，主要是對特征檢測、特征匹配、攝像機標定幾個部分進行研究?；趫D像的三維重建操作簡單，特別是近些年，隨著數碼相機的成像質量和分辨率的大幅度提高，以及數碼相機的高性價比，使得基于圖像的三維重建模型有了更廣闊的發展空間。其在文物保護、街景環境重建、數字地圖中已有大量應用，而且產生了諸如photoscan、街景工廠等商業軟件[6]。

基于三維重建技術，我們可以利用網上的圖像或自行拍攝飛機或模型的多視角圖像，也可購買自己喜歡的模型（縮小版的玩具模型）或改造現有航模，使用計算機視覺的三維重建或三維掃描技術，獲取模型的三維點云，然后通過Imageware這類專業逆向工程軟件構建局部或整機數字模型。然后，利用數字模型進行航模的結構設計與優化，例如設計圖1所示的機翼肋條設計、翼尖設計、重心預測等，使其滿足自己的結構要求。為了進一步優化設計，我們還可將該數字模型導入相關的空氣動力學分析軟件AMI VLAERO PLUS進行氣動分析，提供更有說服力的理論優化依據。

設計完成之后，我們還可以利用數字模型進行航模的結構設計與優化，例如設計機翼肋條設計、翼尖設計、重心預測等，使其滿足自己的結構要求。為了進一步優化設計，我們還可將該數字模型導入相關的空氣動力學分析軟件AMI VLAERO PLUS進行氣動分析，提供更有說服力的理論優化依據。

2.2 航模結構成型

使用3D打印技術制作固定航模整機，由于目前常用3D打印機的打印空間尺寸有限，一般不能一次性整體打印成形，而是將機身、機翼、尾翼、舵面等組件分別打印，然后組裝成整機。

當設計完成后，針對3D打印成本高、材料（PLA、ABS樹脂等最常用）密度較木材大的缺點，我們擬采用木材與PLA相結合的方法制作出結構件。例如機翼部分，仍采用蒙皮骨架式，但肋條采取3D打印，這樣可以實現復雜結構、高精度、高強度翼型。采取3D打印，還可以制作出木材無法成型的翼梢的翼尖小翼，這有利于改變翼尖附近的空氣流場從而減小渦流的強度，減小機翼誘導阻力。另外，像電機座、起落架這類復雜結構件也可以用3D打印一體成型。使用3D打印制作固定翼航模的舵角、舵機揺臂、攝像頭支架、鋰電池保護盒等部件，也可以獲得很好的效果。所有結構制作完成后，對整機進行組裝，安裝動力設備和電子設備進行調試與試飛。

3、結論

本文介紹了一種基于增強現實技術的航模優化設計與制作。對于航模飛機氣動外形設計困難、木制復雜零件難以成型等問題進行了有效的解決。從而達到了既具有良好氣動外形又擁有好的結構強度的效果。

參考文獻

[1].劉霞， 劉瓊. 航模制作對大學生創新能力培養的研究——以南昌航空大學體育學院航模隊為例[J]. 教育現代化， 2016 （10）： 13.

[2].何承俊， 文圖， 李忠于. 彈射模型滑翔機專用模具的制作 （上）[J]. 航空模型， 2009 （2）： 10-12.

[3].張喜鳳. 3D 打印技術在電動固定翼航模中的應用[J]. 電子制作， 2017， 1.

[4].朱淼良， 姚遠， 蔣云良. 增強現實綜述[J]. 中國圖象圖形學報， 2004， 9（7）： 767-774.

[5].袁夏. 三維激光掃描點云數據處理及應用技術[D]. 南京： 南京理工大學， 2006.

[6].董鵬輝， 柯良軍. 基于圖像的三維重建技術綜述[J]. 無線電通信技術， 2019， 45（2）： 115-119.