飛機起落架系統(tǒng)交互式虛擬仿真實驗開發(fā)與應用研究

孫 斌，張鐵純，楊 柏

（中國民航大學 航空工程學院，天津 300300）

引言

飛機系統(tǒng)課程群是中國民航大學飛行器制造工程專業(yè)的核心課程群之一，其中起落架系統(tǒng)知識模塊是飛機系統(tǒng)教學體系的重要環(huán)節(jié)，在新工科教學背景下更加注重學生工程實踐及自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。現(xiàn)代工程中不同民用機型對應的飛機起落架系統(tǒng)各有特點，然而考慮到起落架系統(tǒng)組成以及工作過程的復雜性，在課堂教學過程中一些具體分系統(tǒng)的工作原理及相關實踐往往難以展現(xiàn)。

教育信息化2.0重點指出應將教育技術嵌入課程學習系統(tǒng)，而現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實新興技術的廣泛應用，使教學中缺乏交互能力的靜態(tài)資源正逐步被三維立體、可智能交互的動態(tài)資源取代［1］。虛擬現(xiàn)實技術的應用也正以全新的視角及呈現(xiàn)方式推動著課程教學資源的更新與優(yōu)化，其中，虛擬仿真實驗建設能夠?qū)I(yè)學科軟件深度融入教學過程中，在當前信息化背景下的教學創(chuàng)新設計中越來越受到重視。

起落架系統(tǒng)實驗作為飛機系統(tǒng)類課程的必修模塊，旨在為學生提供未來從事民航飛機系統(tǒng)相關工作的理論基礎，以及一個對將民航機務維修工作中相應部分進行綜合性與系統(tǒng)性認識的實驗平臺。然而，開展起落架系統(tǒng)實物實驗在實際成本、空間場地及設備維護等方面的實施難度均較大，故亟須運用虛擬仿真技術開展飛機起落架系統(tǒng)虛擬教學實驗開發(fā)。因此，依據(jù)飛機系統(tǒng)課程群關于起落架系統(tǒng)實驗教學要求，針對飛機起落架元件、起落架系統(tǒng)以及起落架落震專題三個不同場景，從精細化數(shù)字模型建立、工作原理模擬及交互式實驗設計等方面開展虛擬仿真研究，建設飛機起落架系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺，并在此基礎上設置相應的虛擬仿真實驗，使學生通過交互操作完成起落架系統(tǒng)模塊化知識內(nèi)容學習。

一、虛擬現(xiàn)實技術研究背景

虛擬現(xiàn)實技術也被稱為靈境技術，能夠激勵學生學習并集中學生的注意力，在工業(yè)及教育等領域均具有廣泛應用［2］，同時集計算機技術、計算機圖形學技術、多媒體技術、仿真技術、可視化技術、傳感器技術、人體工效學、人機交互技術以及人工智能等諸多先進技術于一體［3］。

國外針對虛擬現(xiàn)實技術的研究起步較早，其主要研究方向集中在人機交互方式、軟硬件基礎平臺研發(fā)等方面。如西門子的“Cave”項目，基于虛擬現(xiàn)實技術將現(xiàn)實物體的圖像以及物理設置完全復制并以虛擬影像投影到一個真實房間的墻壁上，通過墻壁上的跟蹤傳感器捕捉使用者在房間內(nèi)的動作并進行反饋。奧迪生產(chǎn)商則推出了虛擬裝配線校驗技術，流水線工人使用數(shù)據(jù)手套，在虛擬世界內(nèi)完成對實際產(chǎn)品的裝配，由此可以完成對真實的裝配工作的預估與校正，做到在開工之前對裝配過程可能出現(xiàn)的問題進行預先的發(fā)現(xiàn)與解決，同時可以對裝配過程起到對照校對的作用，大大節(jié)約了成本。另外，部分學者圍繞虛擬現(xiàn)實技術在教育培訓中的應用開展了深入研究，分析了采用虛擬現(xiàn)實技術的原因，提出了用于確定何時應用虛擬現(xiàn)實技術的模型［4］，并指出虛擬現(xiàn)實技術是課堂教學中的低成本工具資源［5］。

我國對虛擬現(xiàn)實技術的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，如中國航天員科研訓練中心開發(fā)了單機虛擬仿真操縱訓練系統(tǒng)［6］，用于對航天員進行航天器各項操縱的培訓，并在后續(xù)擴展中開發(fā)了基于虛擬仿真技術的多航天員外太空協(xié)同合作模擬訓練系統(tǒng)，多名航天員可在該虛擬仿真平臺中對航天器進行協(xié)同操作，極大地提升了航天員的相關技能，保障了航天工程的成功與安全。在教育教學方面，近年來隨著我國現(xiàn)代信息數(shù)字化技術的發(fā)展，高校傳統(tǒng)教學中的二維課程資源更新為多角度三維可互動資源，從而帶來更深刻的學習體驗。特別是在工科專業(yè)的工程實訓課程中，虛擬現(xiàn)實技術起到了重要作用，其將課程所需設備進行建模后放置于虛擬空間，并設定其互動效果，師生通過穿戴VR設備進入虛擬空間，使用如手柄、觸控筆等外設進行交互，完成教學任務。虛擬現(xiàn)實技術在教學中的應用優(yōu)化了教學方式，各高校相繼開展了虛擬仿真教學平臺的建設工作，并逐步投入教學應用［7］，有效地提升了課程教學的質(zhì)量與學習效果。

二、起落架系統(tǒng)虛擬仿真實驗開發(fā)及應用

考慮飛機系統(tǒng)課程群涉及民用飛機系統(tǒng)類別多、覆蓋面廣，重點針對其中極具代表性的起落架系統(tǒng)進行虛擬仿真實驗開發(fā)。選取典型單通道民航客機的起落架系統(tǒng)為目標研究對象，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下分別從元件級（起落架系統(tǒng)關鍵附件3D虛擬裝配）、系統(tǒng)級（起落架典型分系統(tǒng)3D虛擬裝配）以及起落架落震專題虛擬仿真方面進行多視角飛機起落架虛擬仿真實驗內(nèi)容總體設計（如圖1所示），并參考目標機型相關工程技術手冊及附件實物，采用3DS MAX、CATIA以及Unity3D等軟件，進行仿真模型建立、部件運動動畫編排、交互式虛擬實驗場景及實驗步驟設計。

圖1 飛機起落架系統(tǒng)虛擬仿真實驗內(nèi)容設計

（一）基于虛擬實驗臺的起落架系統(tǒng)元件級虛擬仿真實驗開發(fā)

選取起落架系統(tǒng)關鍵附件作為仿真重點，旨在切實模擬系統(tǒng)各個部件在實際工作情況下的工作特征與工作性能。元件級虛擬仿真以前起落架本體、主起落架本體、機輪以及剎車裝置為主要建設對象，基于相關手冊梳理所需的關鍵技術參數(shù)進行建模與裝配，重點模擬飛機起落架系統(tǒng)的構成與維護過程中的拆裝場景。

依托虛擬仿真實驗臺，導入元件級虛擬仿真三維模型，學生可在任一計算機終端對起落架系統(tǒng)元件模塊進行仿真實驗，避免了實驗地點與實驗設備的束縛，在很大程度上打破了時空地域的限制。由于元件級仿真模型均嚴格參照目標機型工程技術手冊以及附件實物構型進行尺寸參數(shù)設定。學生可以系統(tǒng)地學習起落架系統(tǒng)包含的元件構成，掌握各典型元件的詳細工作特征，并鍛煉自身借助虛擬仿真視角綜合運用所學專業(yè)知識分析問題的工程實踐能力。

（二）基于虛擬鐵鳥的起落架系統(tǒng)級虛擬仿真實驗開發(fā)

將起落架分系統(tǒng)仿真數(shù)字模型置于已搭建完成的虛擬鐵鳥實驗場景，包括收放系統(tǒng)、前輪轉彎系統(tǒng)、減震系統(tǒng)及機輪剎車系統(tǒng)，實現(xiàn)起落架收放、前輪轉彎、減震器充灌［靜態(tài)性能曲線（勤務）］和機輪剎車工作原理展示。將前、主起落架本體安裝至虛擬鐵鳥模型上預留的接口，構建包含飛機起落架系統(tǒng)與飛機整體結構的相對位置、操縱聯(lián)動和典型工作場景的虛擬仿真實驗平臺。學生可以在第三人稱視角下在虛擬場景中對虛擬鐵鳥進行三維巡游，并能按照具體實驗步驟完成相應精細化三維數(shù)字模型的零部件組成認知、位置識別、虛擬裝配以及各分系統(tǒng)工作原理模擬等互動操作流程。

該虛擬鐵鳥的起落架關聯(lián)場景涵蓋飛機結構框架和起落架系統(tǒng)各個部件的精細化建模，具有模型細節(jié)充分、模型尺寸數(shù)據(jù)可靠和可交互性強等特點。基于模塊化設計，使得基于該系統(tǒng)級虛擬仿真平臺可以對其他機型起落架系統(tǒng)中不同的部件進行建模，以替換現(xiàn)有的部件，實現(xiàn)單平臺滿足不同機型學習的需求，并減少教學開發(fā)成本。還可將渲染完成的目標機型起落架系統(tǒng)級模型導入至3D+VR技術平臺，借助沉浸式虛擬仿真技術實現(xiàn)飛機起落架系統(tǒng)級仿真模型的交互式虛擬仿真實驗，使學生能從整體視角深刻理解起落架各分系統(tǒng)工作原理。

（三）起落架落震專題虛擬仿真實驗開發(fā)

考慮在實際民用飛機起落架減震系統(tǒng)設計工程中，需要開展飛機起落架限制落震以及儲備能量落震試驗，以滿足起落架減震適航要求。為了深入培養(yǎng)學生的工程分析能力，對飛機起落架關鍵系統(tǒng)工作原理做到知其然更知其所以然，在鐵鳥級虛擬實驗模型環(huán)境下創(chuàng)建飛機起落架落震試驗過程虛擬仿真模擬專區(qū)。選取目標以單通道機型前、主起落架附帶減震系統(tǒng)細節(jié)的整體模型為建設對象，通過起落架宏觀站位尺寸比例換算，根據(jù)前期調(diào)研獲取的實際起落架落震試驗臺參數(shù)、設備構成原理以及落震曲線等，建立起落架落震虛擬實驗臺，并設計交互式虛擬實驗界面及操作流程。學生可通過互動操作掌握實際起落架落震試驗的操作過程和注意事項，從而深化對現(xiàn)代民用飛機起落架減震性能影響參數(shù)和減震系統(tǒng)工作原理的理解。

（四）起落架系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學應用研究

交互式起落架系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學為學生提供了一個可以從任意角度對起落架系統(tǒng)組成進行觀察、學習和交互的平臺，有利于學生更好地掌握飛機起落架系統(tǒng)的相關教學內(nèi)容。學生可以使用VR設備根據(jù)虛擬實驗指導書進行相關實驗，包含對起落架系統(tǒng)不同元件或分系統(tǒng)模塊進行互動操作，進行起落架虛擬落震過程實施前對應預設參數(shù)設定與模擬等，使學生能夠以從元件和系統(tǒng)等不同層面深刻理解典型起落架分系統(tǒng)組成、部件查找拆裝方法以及工作原理，掌握適航驗證階段起落架落震試驗的操作過程與注意事項，并熟悉民用飛機起落架系統(tǒng)減震設計的主要技術特征。

在實際教學中，由于現(xiàn)代民用飛機起落架系統(tǒng)工作原理較復雜，該實驗需要學生具有一定的飛機起落架系統(tǒng)基礎理論知識，在實驗之前學生應熟練掌握實驗大綱、實驗指導書等相關教學文件內(nèi)容，在虛擬實驗過程中實時且詳細地記錄實驗情況與結果，并在實驗后進行分析總結，撰寫飛機起落架系統(tǒng)虛擬仿真實驗報告。針對實驗報告反饋的學習情況，完善虛擬仿真實驗流程及教學模式。

此外，為了提升各虛擬場景的實際展現(xiàn)效果，從軟件層面入手，借助Unity3D軟件優(yōu)化虛擬仿真實驗平臺的交互過程，保證在各個視角下幀數(shù)穩(wěn)定、交互式操作無誤差等。將各場景下的模型做優(yōu)化渲染，去除目標模型中的折疊數(shù)據(jù)，保留外形、約束等基礎數(shù)據(jù)，并在教學中隱藏與當前教學內(nèi)容無關的模型內(nèi)容，減少相應視角下的模型加載量，以降低虛擬仿真實驗平臺對計算機硬件的要求。

隨著國內(nèi)外新機型及其起落架系統(tǒng)新技術不斷投入工程應用，虛擬仿真需求后續(xù)還將會從3D+VR進一步擴展至AR等技術范疇中。虛擬仿真實驗平臺屬于開源化設計，基于已有虛擬實驗框架與平臺，飛機系統(tǒng)相關專業(yè)教師可指導學生參與虛擬仿真實驗模型建設以及平臺程序優(yōu)化等工作，實現(xiàn)教學平臺內(nèi)虛擬仿真實驗模型的持續(xù)建設與實時更新。起落架系統(tǒng)虛擬仿真實驗開發(fā)思路還可用于指導飛機系統(tǒng)課程群教學內(nèi)容中（如飛機液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、防冰排雨系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)以及防火系統(tǒng)等其他飛機系統(tǒng)）的虛擬仿真實驗建設工作，具有很好的教學應用前景。

結語

在新工科背景下高校機務類專業(yè)培養(yǎng)體系中，飛機系統(tǒng)類課程教學直接與涵蓋范圍廣泛的飛機系統(tǒng)航線維護安全相關，對學生的工程實踐能力培養(yǎng)提出了更高的要求。通過面向現(xiàn)代民用飛機起落架系統(tǒng)的虛擬仿真實驗開發(fā)，在虛擬鐵鳥場景模型基礎上構建起落架系統(tǒng)精細化數(shù)字模型，分別實現(xiàn)了起落架本體元件的建模與裝配，起落架分系統(tǒng)部件位置、虛擬安裝和工作原理展示，以及起落架落震虛擬實驗界面、操作流程設計和落震過程模擬等，并借助Unity3D完成虛擬仿真實驗互動過程封裝，形成了典型民用飛機系統(tǒng)開展交互式虛擬仿真實驗建設的實施方法。飛機起落架系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺的模塊化、開源化設計有效地保證了教學資源的可拓展性，為其在其他飛機系統(tǒng)類課程及民航工程領域中的推廣應用奠定了重要基礎。