“飛行操縱系統”虛擬仿真實驗建設及應用研究

張鐵純，孫 斌，楊 柏

（中國民航大學 航空工程學院，天津 300300）

引言

自2017年教育部推進新工科建設以來，大數據、云計算、人工智能、虛擬現實以及智能制造等技術被用于對工科傳統專業的升級。未來新興產業和新經濟需要的是實踐能力強、創新能力強和具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。因此，相應的工科類課程的內容設計也應突出其實用性、交叉性與綜合性［1］。對于我校機務類專業學生，面向新型信息技術的融合與滲透，需具備扎實的機務維修專業知識和技能，熟悉現代民用飛機典型系統組成及工作原理，提升運用專業知識深入分析工程實際問題的能力，以更好地滿足民航領域對飛機系統工程專業人才的需求。

“飛行操縱系統”作為飛機系統課程群教學內容的重要組成部分，同時關聯“飛機系統學”“飛機結構與系統”“飛機系統與附件”等課程。飛機系統類課程實驗部分是針對理論教學的補充與完善，旨在讓學生對將要從事的民航機務維修工作中的相應部分具備綜合且系統的認識，為其畢業后從事飛機系統相關工作提供理論基礎［2］。開設飛機維修相關專業的學校數量有所增加，各學校大多都受設備易損、航材消耗大及對場地的需求等方面的影響難以開展基于實物的實驗教學。

為了使飛機系統類課程擺脫實物實驗的諸多條件限制，迫切需要借助虛擬仿真方法完成實驗環節的設計與實施。因此，基于3DS MAX、CATIA以及ANSYS等軟件對飛行操縱系統進行元件級仿真、系統級仿真以及飛機級仿真研究，并依托Unity3D進行互動流程設計與封裝，從而構建了“飛行操縱系統”虛擬仿真實驗平臺，為該系統虛擬仿真實驗的開展提供了重要支撐。

一、國內外關于虛擬仿真教學的研究現狀

虛擬現實技術（Virtual Reality,VR）這一概念誕生已久，經歷了概念萌芽、技術探索、突破發展及產業應用四個階段［3］。以2012年谷歌公司的Google Glass與Oculus公司的Oculus Rift兩款產品的公布為時間節點，標志著該技術進入了產業應用階段，且虛擬現實技術在消費級應用上獲得了較大的市場反響。后續Gear VR及HTC Vive的陸續問世，進一步推動了虛擬現實技術在工業制造以及軍事國防等非計算機產業中的應用，其中虛擬仿真技術在教育培訓行業中的應用逐步引起了教學方式的發展與變革。

2018年沃爾瑪公司采購了Oculus Go應用于員工的培訓，通過連接斯坦福大學STRIVR實驗室開發的模塊，員工可在虛擬超市空間中學習應對不同顧客的需求和處理大客流等技能。而這些在不利用VR技術時，因為事件的偶發性在現實中復現成本較大，往往不能獲得良好的教學效果。

如江南造船（集團）有限責任公司將虛擬仿真技術應用于對船舶發電機的運維培訓［4］，將船舶對應區域的模型進行輕量化處理，保留核心信息，導入虛擬空間。通過箭頭指引、語音提示以及虛擬操作示范等方式開展培訓，避免了船艙嘈雜、潮濕等惡劣環境，優化了員工的學習環境與體驗。

在虛擬仿真教學的實際操作中，會出現部分技術問題，主要集中在模型優化方面。當涉及如飛機、船舶及汽車等零部件結構復雜且數量巨大的模型時，在虛擬環境中的實際運行效果會受到硬件性能、軟件優化等問題的影響，從而產生卡頓、掉幀、加載時間長等問題，甚至出現閃退、程序崩潰等情況，對教學效果產生不利影響。對于此類問題，劉克等［5］提出了針對Unity3D的內存管理方面的優化方案，通過改變編程方式對三維模型進行管理并動態地根據實時虛擬運行環境需求調取內存，將其余內存用于提高幀數等方面的工作，以此有效提高內存利用率。汪華健等［6］從三維模型調度這一角度，基于四叉樹算法將模型的各個部分根據其特征暫存于四叉樹的各個節點中，當視角對準某一空間區域時，系統預先加載視角四周一定范圍內其他空間區域中的模型，并在視角遠離該空間區域后動態刪除其中的模型，以此提高仿真模型在虛擬空間中的運行效果。

二、“飛行操縱系統”虛擬仿真建設內容及應用

“飛行操縱系統”虛擬仿真實驗針對飛機系統類課程大綱中的實驗要求，對典型民用客機的飛行操縱系統進行模型創建以及優化渲染。從系統級（虛擬鐵鳥）、元件級（虛擬試驗臺）、飛機級（模擬風洞）三個層面進行“飛行操縱系統”虛擬仿真實驗內容總體設計（如圖1所示）。以目標研究機型的飛機維護手冊、圖解零件目錄、部件維修手冊、飛機修復手冊、重量平衡手冊以及飛機特性手冊等工程技術資料為建模參考，開展相應的虛擬仿真實驗項目建設。

（一）“飛行操縱系統”的系統級虛擬實驗場景（虛擬鐵鳥）建設

系統級虛擬仿真從宏觀角度出發，創建虛擬鐵鳥實驗場景，對飛行操縱系統中各個子系統進行仿真模型建設，如主操縱系統中的副翼、方向舵和升降舵驅動，以及輔助操縱系統中的襟翼、縫翼、擾流板和水平安定面等。選取飛機飛行操縱系統部件級別中的副翼操縱、增升操縱以及增阻操縱部分作為目標建設對象，使用3DS MAX等軟件完成對其三維模型的零件建模、約束關系設定、裝配體構建以及工作原理動畫仿真。學生可結合所學“飛行操縱系統”課程專業知識，充分借助虛擬仿真目標分系統相關工程技術資料收集系統級仿真模型所需尺寸信息，參與各分系統基礎模型的三維零件體開發，并按照分系統部件相對位置關系完成虛擬裝配。另外，所開發的虛擬鐵鳥場景對機身構造、機翼構造、操縱面進行了全面建模，模型清晰度高，交互操縱性強，功能全面。“飛行操縱系統”的系統級虛擬仿真模型除了實現學生在學院虛擬維修實驗室計算機終端進行分系統零件體認知與工作過程模擬等基本操作外，會在后續階段將渲染完成的系統級模型融入3D+VR技術平臺，以全新視角實現飛行操縱系統部件級別仿真模型的空間虛擬裝配等實驗操作。

（二）“飛行操縱系統”的元件級虛擬實驗場景（虛擬實驗臺）建設

元件級虛擬仿真從單體附件出發，將仿真重點置于飛行操縱系統的關鍵附件，以反映系統各附件在飛行操縱過程中的工作特征與工作性能。元件級虛擬仿真可面向如擾流板作動器及副翼作動器等，重點模擬飛機飛行操縱系統中伺服動作器的基本工作原理，研究伺服作動器的輸入參數及性能曲線。通過三維建模軟件進行基本模型體建立與裝配，并借助軟件附帶電子樣機（Digital Mock-up,DMU）運動機構仿真模塊實現對元件作動過程的模擬。另外，使用MATLAB軟件中的SIMULINK模塊相關邏輯庫進行活門控制邏輯設計，可對如伺服作動器等元件的工作性能進行仿真分析。

將已建設元件級虛擬仿真主體模型預導入虛擬實驗平臺，學生可不受實驗地點約束，在各自計算機終端獨立開展虛擬仿真實驗。同時，結合仿真輸出的各種性能曲線輔助學生進行飛行操縱系統元件的具體工作性能研究，從性能參數層面深入認識相應元件的工作特點，以提升學生借助虛擬仿真工具獨立分析和解決工程實際問題的能力。

（三）“飛行操縱系統”的飛機級虛擬實驗場景（虛擬風洞）建設

飛機級虛擬仿真實驗相當于建立了整機級的虛擬風洞，通過軟件模擬風速、密度、溫度各不相同的氣流，考慮不同構型機翼在虛擬風洞中的流場特性分析。選取飛機正常起飛、中斷飛行、橫側操縱、進場階段及接地剎車這五種常見工況為目標研究對象，設定主操縱面和輔助操縱面的不同偏轉狀態，通過流場仿真研究飛機的飛行操縱特性和增升增阻特性，并以實際風洞構型與其工作原理為參考，搭建飛機級虛擬實驗場景。將三維模型應用于ANSYS流場仿真模塊，通過進行初始邊界條件輸入、模型關鍵參數調整以及流場分析結果輸出等操作，觀察虛擬吹風效果，精確記錄虛擬仿真實驗結果，并繪制相應工作性能曲線以輔助分析，將工程操縱與理論分析進行有機融合。

（四）“飛行操縱系統”虛擬仿真實驗教學方法探索

借助交互式虛擬仿真平臺，可同時開放支撐多套客戶終端同步學習，避免了多個學生圍觀演示，也可為學生提供更加直觀清晰的互動學習視角。學生可在各自計算機終端根據實驗指導書中的實驗步驟獨立開展虛擬仿真實驗，并實現飛行操縱系統工作原理仿真、不同工況下機翼構型設置時的虛擬風洞仿真分析，可實施的虛擬仿真實驗教學內容主要包括副翼交互操縱檢查、方向舵操縱交互檢查、升降舵操縱交互檢查、襟翼縫翼交互操縱檢查、水平安定面配平操縱交互檢查、起飛工況機翼風洞虛擬吹風、空中橫側工況機翼風洞虛擬吹風以及著陸工況機翼風洞虛擬吹風等。

考慮面向實際民用飛機的飛行操縱系統工作原理的復雜性，開展課程實驗教學前應要求學生預習相應內容。實驗完成后必須進行認真總結并撰寫虛擬仿真實驗報告書，報告書內容要求記錄虛擬仿真實驗過程，包括實驗過程中遇到的問題及解決措施，對最終獲得的虛擬仿真實驗結果進行詳細論述與分析，實驗結論清晰明確，結合學生學習效果反饋不斷優化虛擬仿真實驗教學方法。

（五）“飛行操縱系統”虛擬仿真實驗教學應用研究

在實際“飛行操縱系統”的仿真實驗教學中，為獲得更好的應用效果，可基于Unity3D對互動流程以及仿真效果進行優化，確保飛行操縱系統部附件拆裝、各巡游觀察視角下舵面工作模擬等運行流暢、互動操作準確。同時，隱藏與當前教學模塊相關度較低的內容，降低軟件模型對硬件平臺的負載，提高其在不同性能硬件上的通用性，進一步優化教學成本。

由于飛行操縱系統涉及的模型部件數量大、結構復雜，為了防止學生在虛擬仿真環境中出現眩暈情況，可采取以下解決措施：（1）減少模型冗余特征，非近距離觀察時虛化模型細節。（2）減少或簡化旋轉、位移等操作，或以平緩的方式進行。（3）采取簡單環境及場景，如室外場景或單色場景。（4）根據學生實際使用情況與反饋優化虛擬仿真教學時長。

隨著新機型、新系統及新技術的不斷推廣應用，不同機型飛行操縱系統采用的設計理念及工作原理可能具有較大的差異性，直接定制相應飛機飛行操縱系統的虛擬實驗模塊也會帶來較高的投入成本，而虛擬仿真實驗平臺輸入接口的開源化設計能夠有效解決這一問題。

此外，由虛擬仿真實驗項目開發到實際教學再到項目升級與產業應用的產學研“三位一體”的發展模式，能夠將“飛行操縱系統”虛擬仿真實驗由單一項目轉化為復合型、綜合型實驗平臺，擴展至現代民航飛機各類型系統，并應用于相應教學、科研以及維護培訓等多個方面，從而實現民用飛機系統教學與培訓整體工作的數字化、虛擬化轉型。

結語

綜上，以我校飛機系統類課程群虛擬實驗教學為研究對象，選取其中極為典型的“飛行操縱系統”，分別從其元件級、系統級以及飛機級三個層面開展了虛擬仿真實驗建設。虛擬仿真實驗應用效果分析表明，將“飛行操縱系統”實驗教學內容以虛擬現實方式呈現，學生可在虛擬現實環境下更深入且直觀地對飛行操縱系統的相關內容進行多視角互動學習，有效地提升了教學效果與學生的學習效率。通過鼓勵學生參與互動式虛擬仿真實驗資源開發，激發了學生的自主創新能力，同時可促進虛擬仿真實驗內容的優化與完善。基于現代虛擬現實技術，由民用飛機飛行操縱系統的虛擬仿真實驗擴展至其他飛機系統的虛擬仿真實驗，并由飛機系統教學層面延伸至科研、培訓等環節，形成產學研一體的生態結構，為新工科背景下高校飛機系統類課程建設提供了新方法與新思路。