基于VR的AN24飛機維修與排故平臺的設計與制作

鄭嘉富 邱峰 李冠宸 施浩

摘要：文章依托當今普遍使用的虛擬現實技術，結合3ds MAX、Unity3D、Visual Studio等軟件，通過大量建模將AN24飛機的發動機、座艙、外形完整地展現出來，在編程方面利用SteamVR2.0新特性創造出最貼近真實的交互環境，構建出一個既能夠科普航空知識，又能夠為航空類院校作教學之用的航空部件維修平臺，與VR設備相結合給體驗者帶來最直觀的感受。

關鍵詞：AN24飛機;渦槳-5發動機;航空器械維修;虛擬現實技術;拆裝教學

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）16-0103-02

1 概述

當前隨著信息化的推進，虛擬現實技術在生活工作中扮演著重要的角色。民用航空也逐漸興起，甚至成為人們日常出行的選擇之一，飛機種類、數量的增加也使得各大航空公司對專業型及服務型人才的需求急劇上升。機務相當于航空業的醫生，在上萬次的飛行中，機務需要保證飛機的機械、航電設備處于良好可用的狀態，每一個細小的零件都關系到飛行安全，因此對機務人員的培訓不可小覷。

本文依托 VR技術解決目前航空公司及相關院校遇到的問題，目前國內外基于虛擬現實技術應用于航空方面的研究有很多。在國內，施新宇等人利用VR技術針對渦噴六航空發動機的維修設計制作了虛擬教學平臺[1];張雪峰等將虛擬現實技術與起落架模型相結合模擬起落架收放運動，從而達到虛擬教學目的[2];將VR技術運用于教學中在國內也有相關研究可尋：劉德建等人探究VR技術在教學領域方面的前景[3];高義棟等人將VR技術用于紅色場館進行思想教育實踐[4]。同時VR技術也多用于高新技術行業，如王偉的VR手功能康復系統[5]以及孫治博等人在鉆床工程方面的研究[6]。國外方面，Haslina Arshad等人提出將VR技術作為教學工具運用于工程學[7]。本文提出通過VR技術向普通大眾以一種更為有趣、更具沉浸式的體驗科普航空相關的知識;同時通過對飛機整體進行高精度還原，讓VR技術參與到課堂教學中。發動機是飛機的核心部件，若機務維修人員處理不當或操作失誤很可能導致發動機在飛行過程中停止工作，引起飛機空中停車等重大問題。因此發動機的拆卸維修學習是每個機務學生的必修課程。使用相關插件配合VR設備，無論是從專業性而言，還是從較強的交互性而言，本文都能滿足高校關于發動機維修專業的教學需求，在降低成本的同時又能提高教學質量。

2 項目制作

2.1 模型測繪

利用學校發動機陳列室中的渦槳-5發動機及聯航涂裝AN24飛機，通過拆卸發動機，對各零部件進行測量，同時查詢AN24飛機相關參數。測量過程中使用游標卡尺等工具測量，得到所需對象的較高精度測量值，再使用AutoCAD進行三視圖繪制。圖紙數據整理完畢后，導入計算機用以建模。同時，對校園內聯航涂裝AN24飛機進行拍照取樣，以便后續貼圖之用。

2.2模型建模

本文以3d MAX 2018版本作為主要建模平臺。為了盡可能還原整個飛機，需要仔細觀察測量飛機每個部分的細節，同時查詢包括座艙、發動機、起落架、飛機外形的相關數據，按照真實尺寸進行建模。由于零件中有很多是不規則三維圖形，為了特別繪制這些內容，需要采用大量的可編輯多邊形、布爾等操作。要注意的是，采取可編輯多邊形后，模型將由大量的點、線、面構成，需要仔細甄別需要修改的對象，否則會出現缺漏等問題;布爾是模型挖孔、切削等工作中較為便捷的方式，它的運算原理中包含交、并、補等常見功能，但是經過運算后會產生不可見的多余模型，此時需要將多余的模型刪除，否則會在后續導出obj文件、導入到Unity3D平臺等過程中產生卡頓，極大影響渲染速度。

2.3貼圖

通過拍照取材或者網絡渠道得到的貼圖材質，都需要自己將這些貼圖制成材質球，一個材質球包含diffuse、glossiness、height、normal等幾個方面的素材內容。在了解高光、漫反射等貼圖所需素材后，對于AN24飛機的貼圖需要進入UVW這個更難的貼圖領域，首先需要將整個模型按照正面、側面等不同視角拆分成幾個部分再進行貼圖，將現實生活中拍到的聯航涂裝AN24飛機照片導入到Photoshop中進行處理，最后使用UVW貼圖功能進行繪制，最后導出貼圖文件。在模型通過3ds MAX導出成FBX格式后導入到Unity3D中還要按路徑再次附上貼圖。

2.4場景搭建

基于VR的AN24飛機維修與排故平臺大體分為兩個區域：1）包含飛機本體及座艙的科普參觀區域。2）包含渦槳-5發動機的維修區域。首先將場景模型導入到Unity3D場景中，發動機以及飛機模型在導入Unity3d前需要先導出obj文件，否則平臺無法識別。維修區域包含：工具拿取區域、大型零部件放置區域、螺絲放置區域等，場景布置能夠讓學生養成良好的工具收納、零部件收納習慣。

2.5交互功能的實現及編程

首先在Unity3D中導入VRTK及SteamVR Plugin兩個必要插件，但是這兩個插件以及Unity3d版本的兼容性是需要考慮的第一步，在確定了SteamVR 1.2.0以及VRTK1.2.3和Unity3d 2017.1.1f1的組合后，為了后續對功能要求的提高，可以直接采用2.0版本的新版SteamVR插件。

為了貼近真實環境，需要更換手部模型，可以在SteamVR的預設包中找到手部模型進行替換;在需要互動的物體上添加剛體及碰撞體，使用editcolider進行碰撞體范圍設定，然后使用碰撞體的觸發效果完成發動機的拆卸功能，需要注意碰撞體范圍不可重疊，否則會出現Bug;通過編寫腳本使發動機架擁有轉動功能（具體代碼見下文所示），以及用于提醒學員的報錯功能。通過材質球對模型進行渲染，使得整體模型在場景中更為貼近真實。VR場景中使用、觸摸、抓取需要分別對交互物體添加Interactable、Throwable等腳本，以及在場景中添加Teleport Area，使用手柄觸摸盤進行移動。項目中還涉及Steam2.0新功能，利用Skeleton插件為部件定制抓、握、捧等手勢，該插件分為多個層級，手腕、手掌、手指、關節，通過這幾部分的配合調節，最終讓體驗者的沉浸感更進一步。在項目開發過程中，調試人員需要重復穿戴頭盔進行檢查，例如VR視角的高度是否適合場景，操作過程中是否會產生Bug以及不同腳本間是否會產生沖突等。

利用Visual Studio軟件編寫的部分代碼如下：

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using UnityEngine;

public class 運動 ： MonoBehaviour

{? ?int step = 0;

int i = 0;

// Use this for initialization

void Start（）

{ }

// Update is called once per frame

void Update（）

{}

void OnGUI（）

{ if （Input.GetKey（KeyCode.W））

{? ?transform.Rotate（new Vector3（0， 0， -1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"gan1"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， 1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"gan2"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， 1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"zhuanzhou"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， 1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"engine"）.transform.Rotate（new Vector3（1， 0， 0）， 0.5f）;}

if （Input.GetKey（KeyCode.E））

{? ?transform.Rotate（new Vector3（0， 0， 1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"gan1"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， -1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"gan2"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， -1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"zhuanzhou"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， -1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"engine"）.transform.Rotate（new Vector3（-1， 0， 0）， 0.5f）;}}}

3 結束語

針對目前在航空發動機維修教學方面的問題，本文提出通過VR技術介入，不受維修設備數量及地域范圍限制，可以減少培訓成本，提高效率。學員也可在不同時間、不同地點通過遠程操作，進行多次學習，避免了發動機部件磨損、初學者上手困難以及操作過程中出現事故等問題。除了以上提到的幾點外，航空燃油等化學材料帶來的環境問題也能夠避免，做到了綠色環保。本文提出利用虛擬現實技術以及大量的零件建模解決這些問題，可以讓學員充分全面地學習到發動機拆裝技術。

參考文獻：

[1] 施新宇，邱峰，石承玉，等.基于VR的渦噴六航空發動機虛擬實驗平臺的設計與制作[J].電腦知識與技術，2020，16（1）：251-252，256.

[2] 張雪峰，施浩，朱正.基于VR/AR的初教六飛機起落架模型的設計制作[J].電腦知識與技術，2019，15（3）：264-265.

[3] 劉德建，劉曉琳，張琰，等.虛擬現實技術教育應用的潛力、進展與挑戰[J].開放教育研究，2016，22（4）：25-31.

[4] 高義棟，閆秀敏，李欣.沉浸式虛擬現實場館的設計與實現——以高校思想政治理論課實踐教學中紅色VR展館開發為例[J].電化教育研究，2017，38（12）：73-78，85.

[5] 王偉.楊幫華，李博，等.基于VR技術的手功能康復系統設計[C]//濟南：2017中國自動化大會（CAC2017）暨國際智能制造創新大會（CIMIC2017）， 2017： 976-980.

[6] 孫治博，史成坤，李瑞豪，等.基于VR的鉆床工程實踐教學輔助系統的探索與研究[J].實驗技術與管理，2020，37（9）：135-138.

[7] Arshad H，Hamouda A M S，Ismail N，et al.Virtual Reality as a training tool in engineering education[J].World Review of Science，Technology and Sustainable Development，2008，5（3/4）：389.

【通聯編輯：唐一東】