基于VR的AN24飛機(jī)維修與排故教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

李冠宸，邱峰，鄭嘉富，施浩

（上海工程技術(shù)大學(xué)航空運(yùn)輸學(xué)院/飛行學(xué)院，上海 201620）

目前，我國在航空維修實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在諸多的問題，如教學(xué)成本較高、初學(xué)者上手困難、安全隱患頗多等。VR技術(shù)的出現(xiàn)能夠很好地解決在航空維修實(shí)訓(xùn)教學(xué)中遇到的諸多問題。

本文通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，基于3ds Max和Unity3D建立一個(gè)AN24飛機(jī)維修教學(xué)的平臺(tái)。目前國內(nèi)外基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于航空方面的研究有很多。在國內(nèi)，施新宇等人利用VR技術(shù)針對(duì)渦噴六航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修設(shè)計(jì)制作了虛擬教學(xué)平臺(tái)[1]；張雪峰等將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與起落架模型相結(jié)合模擬起落架收放運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到虛擬教學(xué)目的[2]；也有將VR技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)中：張鈺等人將VR技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械加工虛擬仿真教學(xué)[3]；王璐等人將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在體育教學(xué)中[4]；王景濤等人將VR/AR運(yùn)用在婦科手術(shù)教學(xué)[5]以及季娟等人將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用在3D鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)[6]。國外方面，Haslina Arshad等人提出將VR技術(shù)作為教學(xué)工具運(yùn)用于工程學(xué)中[7]。項(xiàng)目通過大量建模，將AN24飛機(jī)以及渦槳-5發(fā)動(dòng)機(jī)模型真實(shí)還原出來，利用VR技術(shù)的交互特性，構(gòu)建出一個(gè)沉浸感強(qiáng)的科普及維修一體的教學(xué)平臺(tái)。通過三維模型的建立，將VR技術(shù)帶入航空維修教學(xué)當(dāng)中，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)維修專業(yè)性前提下，不但滿足高校關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)維修專業(yè)的教學(xué)需求，而且可以促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的空間能力、動(dòng)手能力。

1 項(xiàng)目制作

1.1 模型測(cè)繪

將渦槳-5發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行部件拆卸并進(jìn)行編號(hào)測(cè)量、繪制簡易圖紙，同時(shí)在網(wǎng)上和書籍等相關(guān)渠道查詢AN24飛機(jī)相關(guān)參數(shù)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于精密度要求很高，在測(cè)量過程中使用千分尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器等工具，為了避免由于測(cè)量方法不當(dāng)、誤讀等人為因素造成的差異，采用多次測(cè)量取平均值的方法使測(cè)量得到的模型數(shù)據(jù)更貼近實(shí)際。根據(jù)標(biāo)注的數(shù)據(jù)在Au?toCAD中進(jìn)行部件三視圖的繪制。圖紙數(shù)據(jù)整理完畢后，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)用以建模。

圖1 啟動(dòng)發(fā)電機(jī)外部三視圖

1.2 模型建模

本文將3ds Max2018版本作為主要建模平臺(tái)。發(fā)動(dòng)機(jī)零部件較多，且部分部件為不規(guī)則體，所以需將此類部件進(jìn)行簡單的三維模型拆分，確定每一個(gè)拆分部件的參數(shù)以及三維坐標(biāo)，最終通過布爾運(yùn)算將其整合為一個(gè)復(fù)雜的部件。也可以將一個(gè)基本的三維模型轉(zhuǎn)換成可編輯多邊形，通過不斷修改模型上的點(diǎn)、線、面的位置來得到想要的復(fù)雜零件。當(dāng)重復(fù)出現(xiàn)多個(gè)部件時(shí)，可以使用FFD（將物體以自身坐標(biāo)軸或指定坐標(biāo)軸進(jìn)行復(fù)制、平移、旋轉(zhuǎn)陣列等）。要注意的是，布爾是在建立模型中比較方便的運(yùn)算方式，它可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)物體的交集、并集、補(bǔ)集等運(yùn)算，但是經(jīng)過運(yùn)算后會(huì)產(chǎn)生一些多余的模型，此時(shí)需要考慮是否重新選擇運(yùn)算對(duì)象或者將多余模型刪除。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)部件建模

1.3 從3ds Max到Unity3D構(gòu)建場(chǎng)景

將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D之前，需要先將各零部件按照拆分需要進(jìn)行組類分別，以便后續(xù)在Unity3D中對(duì)各部件添加特定代碼。同時(shí)為保證零件均為可拆分體，且位置能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，需要按照零件自身重置坐標(biāo)軸，保證坐標(biāo)統(tǒng)一。對(duì)于某些看起來不平整的模型，需要對(duì)其添加渦輪平滑的命令以增加其視覺效果。

模型搭建完畢后，為了實(shí)現(xiàn)VR的各項(xiàng)交互功能，需要將模型導(dǎo)入游戲開發(fā)平臺(tái)Unity3D進(jìn)行下一步處理。在導(dǎo)入時(shí)，需要將文件保存為obj格式，待所有物體均導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，則要進(jìn)行模型的排布工作。合理運(yùn)用軟件中的xyz坐標(biāo)和三視圖來幫助修改位置參數(shù)。根據(jù)之前在3ds Max中選定的組別來拖動(dòng)每一模型，使之達(dá)到相應(yīng)位置，拖動(dòng)組時(shí)，組別下面的子物體也會(huì)隨之移動(dòng)。Unity3D中場(chǎng)景共分為兩部分，一部分是AN24飛機(jī)展示科普區(qū)，另一部分為發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝區(qū)域，用于學(xué)生進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)拆裝維修培訓(xùn)。

圖3 渦槳-5發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝室

1.4 貼圖

為了使模型更貼合現(xiàn)實(shí)，需要對(duì)模型進(jìn)行貼圖處理，通過拍照取材或者網(wǎng)絡(luò)渠道得到的貼圖材質(zhì)，都需要將這些貼圖制成材質(zhì)球。為了增加貼圖的材質(zhì)感，需要添加凹凸貼圖、漫反射等素材。對(duì)于一些大型的物體，需要將物體在3ds Max中用UVW根據(jù)正面、側(cè)面等視角進(jìn)行展開，并在每個(gè)展開面上依次進(jìn)行貼圖，在導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中時(shí)，需要將貼圖材料按照模型文件路徑一同導(dǎo)入。

2 交互功能的實(shí)現(xiàn)及編程

2.1 環(huán)境的搭建與設(shè)備的選用

項(xiàng)目所選用的設(shè)備為HTCvivepro，該設(shè)備與steamVR匹配良好，通過預(yù)設(shè)Unity3D中的camera可以直接看到所建場(chǎng)景。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)交互更加便捷，首先在Unity3D中導(dǎo)入VRTK及SteamVR Plugin兩個(gè)插件。VRTK可以實(shí)現(xiàn)拋物線及位置定位、手柄發(fā)射射線、處理UI交互、物體拖動(dòng)、射線處理物品拖動(dòng)等操作。

2.2 手部動(dòng)作與物體交互

為了實(shí)現(xiàn)手在抓取物體時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)作，創(chuàng)建一個(gè)AnimatorController資源，將交互每個(gè)部件的動(dòng)畫拖入其中，連接好播放邏輯，角色的Animator中選擇Ani?matorController資源，通過腳本的animator.setXXXX（）等函數(shù)來調(diào)用動(dòng)畫。在進(jìn)行物體交互之前，被抓取的物 體 需 要 添 加collider、Rigidbody、VTRTK_Inter?actableObject，并勾選Is Grabbable或者在手柄的控制器 中 添 加VRTK_InteractGrab、VRTK_InteractTouch、VRTK_ControllerEvent并通過Grab Button選擇拾取物體。給物體加完碰撞體后，還需要不斷進(jìn)入場(chǎng)景中，利用手柄進(jìn)行交互。例如：人和物體可移動(dòng)范圍是否匹配、當(dāng)用工具對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆卸時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)碰撞問題等。為了加強(qiáng)教學(xué)性質(zhì)，當(dāng)學(xué)員進(jìn)行不正當(dāng)操作時(shí)，項(xiàng)目還具有特定的報(bào)錯(cuò)功能。

利用VisualStudio軟件編寫的部分代碼如下：

3 結(jié)束語

針對(duì)目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修教學(xué)方面的問題，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在安全性上規(guī)避了在航空維修時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)難操作、學(xué)員上手困難、零部件易磨損、拆卸時(shí)有安全隱患等問題。同時(shí)學(xué)員也可在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)通過遠(yuǎn)程操作，可以進(jìn)行多設(shè)備聯(lián)機(jī)多次學(xué)習(xí)。在經(jīng)濟(jì)性上航空燃油等化學(xué)材料帶來的環(huán)境問題也能夠避免，做到了綠色環(huán)保。相比于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，用VR帶入教學(xué)不僅能解決上述的問題，同時(shí)學(xué)員能夠得到更加直觀的教學(xué)體驗(yàn)。