基于VR技術的空客A320座椅維修平臺設計

丁佳明，施浩，王建章

(上海工程技術大學航空運輸學院/飛行學院，上海 201620)

1 概述

VR 技術在教學中是作為技術媒體使用的,其技術功能是塑造其所支持學習特征的重要因素。VR技術可以生成一種模擬環境,利用各類傳感設備將用戶“投放”到該環境中,實現用戶與模擬環境的自然交互[1]。本文通過3d Max，Unity3D 等軟件，實現用戶運用VR設備完成在虛擬平臺對空客A320座艙座椅的維修。

當今市場上借助VR 設備做相關專業維修的極其稀少。VR 程序大多都應用于商業領域。因為航材價格昂貴且稀有，因此有些飛機維修工程師得不到全面的訓練。新手維修學員對維修工作不熟練造成身體損傷也是一個重大問題?；谏鲜鰡栴}本文運用VR 設備對航材部件進行維修，使用者戴上頭盔，使用本文制定的軟件來進行指定航材的拆裝及維修，借助VR 平臺幫助飛機維修學員獲得更多的操作機會，加深記憶維修步驟和維修方法，未來能夠熟練維修真實航材。本文選用的維修航材為飛機座艙座椅，在日常生活中由于座椅會被反復使用，所以會出現一些老化磨損等現象，在飛機維修設施中屬于高頻維修設施，飛機維修工程師應該熟練掌握維修座艙座椅的技能[2]。

2 制作過程

2.1 模型的數據采集

本小組所做是空客A320 客艙座椅的維修平臺，上海工程技術大學擁有1:1 客艙模擬器，小組直接對模擬器的尺寸進行測量。測量工具：直尺、卷尺、游標卡尺以及螺旋測微器。測量內容：座椅頭枕、靠背、坐墊、扶手、各式連接件、滑動導軌等。采用數次測量物件求其算術平均值的方法盡可能減小人工對測量過程的影響以保證最大的數據準確性，依次將不同部件的數據分類錄入計算機后并對相同類型的零件個數進行整理，測繪過程完畢。

2.2 在3d Max中1:1建立模型

將座椅按零件和物件兩類分別對其建模再進行組裝。對于零件來說，主要是制作緊固件即各種型號的螺栓、螺柱、螺釘、螺母等。這里以制作六角螺帽的螺栓為例進行說明。

螺栓的螺帽直接在3d Max中選擇生成六邊形，在修改器列表選擇基礎命令并點擊可編輯多邊形，在邊層級中對螺帽進行圓角命令的添加使之更為貼近真實世界。栓體部分建立圓柱體以其俯視圖為主視角添加樣條線中的螺旋線，使之與圓柱體完全貼合，并在修改器中確定螺旋線的高度和匝數，點擊倒角命令并選擇一定的高度值，將該圖像轉換為可編輯多邊形進入邊層級，任選該圖形中的豎直線添加環形命令，這時選擇螺旋線右鍵點擊擠出命令，確定擠出的高度和寬度便可實現螺紋的建立。對于物件來說，例如靠背、頭枕、坐墊等完全可以先建立一個擁有基本尺寸的長方體，在此基礎上在修改器中選擇FFD命令，選擇適合的長寬高分段數，來營造凹坑和凸起的效果，核心就是鼠標選取部分FFD后的關鍵點運用移動、縮放等命令實現。將所有物件零件制作完成后，將他們按先前測繪的比例擺放在一起并打組[3]。

2.3 Unity導入前的預備工作

首先需要所有物體的重置工作軸，避免導入Unity 中產生模型錯位的問題。其次選中所有模型，轉化為可編輯多邊形并點擊塌陷命令，此操作能將所有電腦已執行并記錄的命令全部轉化為坐標關系，便于計算機存儲，盡可能防止緩解Unity后模型數過多導致的幀數下降問題。

將3d Max 中模型保存為obj 格式或fbx 格式放在統一的文件夾里便于一起導入。

2.4 貼圖

Unity中不僅可以簡單設置模型的顏色、光滑度、金屬度等還提供了PBR材質的貼圖可供制作者選擇。PBR即Physically-Based Rendering，意為基于物理的渲染，即通過計算光線與物體表面的交互狀態而實現模擬真實世界畫面的一種渲染方式。其具體材質構成為：DIFFUSION &REFLECTION(擴散和反射)、Translucency(透明度)、Metallice(金屬度)、Albedo(反射率)、Smoothness(光滑度)、Noraml Map(法線貼圖)、Height Map(高度貼圖)等。項目座椅便是運用了PBR材質而達到較為擬真的效果。

2.5 VR平臺的搭建

使用steam VR 與VRTK 兩款插件，在Unity 3d(版本號：2017 4.35f1)實現VR的各種功能。

首先，在steam VR 的子文件夾prefabs 中選定camerarig 作為主攝像頭組件并將其拖入場景中，可以看到淡藍色區域便是程序運行后體驗者的出生位置(如圖1)，適當調整攝像頭高度即與場景中的物體保持一定的比例。其次在場景中創建一個空物體，命名為“VRTKK SDK”，將camerarig 拖入子目錄，并創建left controller 與right controller 兩個空物體，將自己做的左右手模型和動畫分別放在這兩個目錄下[4]?！癡RTKK SDK”添加VRTK_SDK Manger 組件，具體設置如圖2。最后在left controller 與right controller兩個物體加入如圖3組件，至此，VR平臺基本搭建完成。

圖1 Steam VR 預設體導入場景

圖2 VRTK_SDK的具體設置

圖3 left/right controller 需要應用的插件

2.6 VR場景的交互實現

在VR 場景搭建中，為了顯著增強畫面感并且進一步降低由于絢麗畫面對于實時燈光的依賴而造成的性能下降，主要光照烘培應用主要集中在烘培靜態場景中。處理好場景后對手部模型進行更改，steam VR 軟件中對應的手部模型為普通手柄，為了達到切實的維修，需要制作切合實際的手部模型，同時將專業維修工具添加到制作的維修倉場景中。座艙座椅導入到Unity軟件后要進行相關設置。首先要賦予物體質量并添加碰撞體積，在box collider指令中調整碰撞體的大小來仿真現實中碰撞效果。完成上述操作后需要添加動畫從而實現手部模型對物體的抓取，與零件之間的交互動作來完成擬真維修。本文利用VRTK 和Steam VR 的插件來實現一些比較簡單的交互并使用Visual C++軟件編程一些插件實現不了的操作的代碼。

2.7 座艙座椅維修步驟

使用者進入VR 場景，按下手柄上扳機鍵即可拾取維修工具，當工具與零件相接觸時，零件會高亮顯示，這代表虛擬雙手已觸碰維修部件，隨后對照AMM大修手冊，首先進行座椅的拆卸，保持座椅不動，用規定扳手擰松螺釘，之后轉動座椅，使其能夠從導向裝置上松開滾筒并拆下座椅。座椅拆好后即可進行靠背拆卸，首先拆下尼龍搭扣帶連接的護罩，其次擰松螺釘，拆下靠背的后面框。最后進行安全帶的拆卸，將與座椅相連的安全帶上的兩個卡簧拆卸下來并拆下兩個銷，最后將安全帶拆下。完全拆好后對照維修手冊進行維修并對老化的零部件進行更換，安裝的步驟要按照拆卸步驟的順序逆推一遍，切忌跳步[5]。

2.8 編程與調試

為了達到商業使用標準，本文在制作完成后繼續美化場景、優化軟件、不斷試錯，將軟件運行中遇到的問題一一解決。本文在場景中搭建了創立了專業的維修平臺，且均通過精密儀器測量加以嚴謹的軟件繪制完成座艙中物體的制作，添加了手部模型完成對物體的交互，使用戶維修零部件時看到的是自己逼真的雙手來操作工具。交互中使用Visual C++部分代碼如下所示。

圖4 最終效果圖

3 意義

相較于傳統的維修訓練，VR 技術依托計算機創建的虛擬場景，硬件上只需電腦主機、VR 頭盔、VR 手柄即可，有效地減少了傳統訓練中使用訓練器材的購置成本，訓練過程中對于器材的磨損及修復成本[6]。同時也極大降低了訓練時對于環境的嚴苛要求程度，VR 可在近乎任意地點運行。最后在傳統維修訓練中由于學員的不當操作所造成的安全事故也屢屢發生，VR的出現把發生危險的可能性降到了比較低的位置。總體來說，VR具有高度的可重復性和拓展性，也減少了在真實世界中為了演示所耗費的材料成本、時間成本和金錢成本，是一個能夠極大提升訓練效率的實用技術。