某型飛機機務虛擬訓練系統的設計與現實

郭巍++王洪強++王旭東

【摘要】同傳統機務訓練方式相比，機務虛擬訓練具有演示形象生動、操作靈活等優點，能有效的縮短培訓周期、減少培訓資源浪費。針對某型飛機機務維護虛擬訓練系統的功能需求，給出了一種基于UDK的虛擬訓練系統開發流程，并詳細介紹了系統開發中主要技術問題的解決方法，最后通過系統實現說明了本文提出方法的可行性和有效性。

【關鍵詞】機務維護 ?UDK ?虛擬訓練 ?虛擬現實

【中圖分類號】G77 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標識碼】A ? ? ?【文章編號】2095-3089（2016）11-0233-04

Designing and Realization of a Type Aircraft Maintence Virtual Reality Training System

GUO Wei，WANG Hong-qiang，WANG Xu-dong

（1. China PLA 95997 Unit， Beijing Fengtai 100076）

【Abstract】Compared with the traditional aircraft maintence training mode， virtual reality training has the presentation of vivid， flexible operation， etc.， and it can effectively shorten the training cycle and reduce the waste of training resources. According to the functional requirements of the aircraft maintence virtual reality training system of a certain type of aircraft， this paper presents a virtual training system development process that based on the UDK， and introduces the methods to solve the key technical problems during system development in detail. Finally， through an system example to illustrate the feasibility and effectiveness of the proposed method.

【Keywords】 Aircraft Maintence; UDK; Virtual Reality Training; Virtual Reality

一、引 言

航空機務工作是對飛機及其裝備在使用過程中進行維護和修理的保障工作，是航空兵部隊戰斗、訓練保障工作的一個重要組成部分。飛機上的各種裝備比飛機有更快的發展，不僅更為高級、精密和復雜，而且在數量和種類上成倍增長，其維護難度大，對作業人員的操作技術和專業素質要求較高。

傳統的機務培訓模式主要采用理論學習和實裝訓練相結合，存在許多缺陷。如理論學習不夠形象、生動，造成培訓效果差;實裝訓練影響裝備壽命，訓練過程中稍有不慎，容易造成裝備損壞，存在巨大的安全隱患;同時實裝訓練受到裝備數量和訓練場地空間的限制，一次性培訓人員較少，培訓周期過長，造成大量人力、物力、財力的浪費。

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術是一種先進的數字化人機接口技術，利用計算機技術生成一個逼真的，具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環境，用戶通過使用各種交互設備，同虛擬環境中的實體相互作用，使其產生身臨其境的交互式視景仿真和信息交流。

目前虛擬現實技術已經在人工智能、CAD、軍用和民用圖形仿真、模擬訓練、遙感、游戲娛樂等方面得到了廣泛應用[1-3]，同時采用虛擬現實系統進行虛擬擬訓練已成為一種重要的軍事訓練手段[4-6]，并開始應用于航空機務維護人員培訓，取得了良好的培訓效果。

二、機務虛擬訓練系統的需求分析

針對該系統而言，實現機務虛擬訓練就是研制模擬訓練的虛擬仿真系統，完成該型飛機機械、特設和電子等專業的維護操作科目的學習、練習和考核等功能，并提供相應的人員信息管理功能。

虛擬訓練軟件在計算機上創設三維虛擬訓練場景，操作人員通過鼠標點擊場景中的物品、設備、部附件等進行操作，以完成各項科目的學習和訓練。運行環境為運行訓練軟件所必需的硬件設備，包括計算機、網絡設備等。

根據訓練系統功能要求，系統主要劃分為人機交互、模式選擇、數據庫、模型庫、知識庫和核心工作引擎等部分，其中模式選擇部分根據使用情況選擇不同的模式，可以完成教學模式、練習模式和考核模式等不同模式的設定。其基本組成如圖1所示。

圖1 ?訓練系統的基本組成

人機交互部分將操作人員的操作指令變換為虛擬訓練的動作指令，并在訓練系統中顯現出來。根據訓練層次不同，操作人員可以選擇教學模式、練習模式、考核系統模式滿足不同操作人員的使用要求。核心工作引擎是虛擬維修訓練系統的基礎平臺，包含模型控制、通信、數據生成和動作跟蹤等核心功能，通過對接口的封裝，屏蔽了對模型的讀取、控制等具體操作，上層應用系統不需要和三維仿真平臺直接交互，簡化了應用系統的設計，實現了系統設計的通用性和可擴展性。模型庫中存儲了仿真系統運行需要的設備、人員、工具及其他物品的三維模型。數據庫中包含了訓練系統維護科目的操作內容、檢查標準、操作代碼、分數、人員信息等內容。知識庫中包含了操作考核所需的操作過程及評價標準。

三、系統開發流程

UDK（Unreal Development Kit）是Epic公司對外發布的虛擬環境引擎，它提供了完全集成的編輯環境，所有主要工具都可以通過UnrealEd訪問，使得管理網格物體、材質、聲效及動畫等資源比以前更加容易，并能使虛擬環境呈現出前所未有的生動真實的效果[7]。UDK在視景仿真、訓練模擬、教育培訓等方面都有較好的應用[8，9]，具有很大的靈活性。

基于UDK開發的機務虛擬訓練系統的技術開發流程為：3ds Max等軟件完成三維模型建模;Photoshop等圖片處理軟件完成貼圖的處理和制作;Flash/Scaleform技術完成軟件界面資源的制作;VS2010等軟件完成底層代碼的編寫;UDK編譯代碼;三維模型和軟件界面資源導入UDK后，在UDK中制作關卡文件;最后由UDK進行軟件的打包發布。

依據開發虛擬訓練系統的特點，具體制定的實現仿真系統的技術路線如圖2所示。

圖2 ?仿真系統的技術路線

四、主要技術問題及解決方法

1.三維物體建模及導入

三維建模是整個虛擬維修訓練系統的前提和基礎，實體模型在虛擬維修訓練環境下的有效表達是構建整個虛擬維修訓練環境的重要因素，并且對實體模型的維修操作仿真和工作過程仿真也是構建整個系統的關鍵。

在本系統軟件中，三維虛擬場景中的實體模型均為三維模型，都需要應用三維建模軟件進行建模。本系統采用3ds Max三維建模軟件對各物體進行三維建模，并根據真實場景中的材質、尺寸、重要標識等進行貼圖坐標設定。本系統三維建模對象包括機體及部附件、保障器材及車輛、人物角色、機場建筑及附屬設施、樹木等。下圖為部分模型的建模結果。

圖3 ?模型建模結果

三維模型的導出/導入可以分為靜態網格物體和骨骼物體兩類。相比靜態網格物體，骨骼物體就是帶有動作或動畫的物體，比如人物角色、有動作顯示的設備、移動車輛等等。由于UDK不接受骨骼的縮放，因此任何骨骼動畫都只能看作骨骼的旋轉，設定UDK中的骨骼為動畫物體之間的層級關系，比如制作打開艙門的動畫，就可以艙門軸為根物體，其他部件都鏈接其上，形成層級關系，然后制作各部件動作，大大簡化了動態模型的制作。

2.材質制作及其動態顯示

材質是UDK三維環境形成的基本單元，它能夠使物體看起來凹凸不平、閃閃發光、反射光源與折射光源，甚至可以讓人產生錯覺，以為材質所提供的皺紋、疤痕和毛孔等細節都是物體在建模過程中做出來的。在UDK中制作材質，可以看作對貼圖進行一系列變換。按照材質的光照模型，常用的貼圖有漫反射貼圖、高光貼圖和法線貼圖，這些貼圖的制作是制作材質的關鍵點，也往往是難點所在，往往需要對照片、圖片進行多次變換和修改，如不同尺寸、拍攝角度的照片進行拼合，改變圖片的色調、對比度，添加特殊效果，去除雜斑等等。

下圖為飛機上的大氣溫度傳感器實物照片，以及分別使用了材質文件和一般貼圖的模型的對比，從圖中可以看到，相比于只是應用了一般貼圖的物體模型，采用了材質文件的模型在真實度上效果非常明顯。

圖4 ?設備實物圖片

圖5 ?使用了材質和貼圖的幾何體對比

在UDK三維引擎的材質設計中，系統允許用戶重寫在材質上定義的參數，來創建給定材質的自定義實例。這樣通過在環境的材質中使用一些材質表達式，設計者能夠以每個實例為基礎來提供參數。對參數的編輯使用是通過UDK中的一個可視化腳本設計系統Kismet實現的，它允許用戶快速簡便地創設復雜的腳本序列，而無需具有改動底層的編程代碼。

在Kismat中添加一個關于顏色控制的Matinee組件，添加新的材質參數控制軌跡，并在特定時刻設置想要設置的參數值，如下圖所示。這樣在虛擬場景中，操作人員的相應操作可以影響到材質實例參數得數值，材質實例參數的變化可以影響材質顯示出的結果，在場景中就變現為操作人員通過相應的操作得到了設備的顯示現象。

圖6 ?顏色控制組件的設置

3.運動建模

維護工作中的運動建模包括車輛運動建模、設備的運動建模和操作仿真中飛機附件的運動過程以及工具使用過程中的運動建模。這些運動建模可以增加仿真的真實程度，達到更好的仿真效果。

在UDK中一種完成運動建模的方法是使用Matinee，它是一種為場景中Actor的屬性隨著時間變化設置關鍵幀的工具。運動建模的實現可以有多種方式，訓練系統采用了制作AnimeSet動畫文件進行運動物體設置。對三維物體建模后，分析其運動的方式，在位移運動及旋轉運動的部位分別設置骨骼及定點，通過建模軟件的動畫功能，設置關鍵幀完成動畫設置，如下圖所示。

圖7 ?三維建模軟件中設置關鍵幀

動畫設置好以后，將其數據輸出，導入到UDK中，形成動畫文件。Matinee與Kismet緊密集成，它顯示為Kismet中的一種Action（操作）類型，將它的一個輸入端連接到關卡中的某個事件，便可開始播放動作了。如下圖為使用動畫文件及動畫顯示效果。

圖8 ?Matinee模塊中使用動畫文件

圖9 ?實現的登機門動畫

4.虛擬操作實現

虛擬操作是整個維修作業的重要過程，虛擬操作技術是利用虛擬現實技術，建立的虛擬環境，通過分析、可視化數據表示等技術幫助維護人員進行操作工作。在虛擬維護仿真系統中，對虛擬裝備進行操作，其操作順序主要憑借用戶的感觀與經驗來進行判定，具有一定的盲目性和不確定性;另外當設備零件數目過多時，交互操作易使用戶產生疲勞，難以保證操作序列的正確性和最優性，為此還需借助操作序列生成方法，來設置具有一定操作規則的設備操作序列。

在操作過程中，并不是任務開始時所有設定的操作物體都可以觸發相應的操作事件的，也就是操作任務中要設定一定的操作序列。使用UDK的Kismat設定操作任務時要使用一定的控制變量完成操作任務的操作序列。同時在設定復雜序列會遇到的一個問題，就是可能需要從很多地方、在序列層次的任何點上引用一個變量，這里可以使用“命名變量”簡化設計流程。

UDK場景中不同的物體將會支持產生不同的事件。比如，Trigger（觸發器）支持Touch（觸摸）和 Untouch（未觸摸）事件。這樣，通過設置操作任務中的物體的事件，就可以為操作任務設定一定的觸發事件。一個典型的操作序列通過Kismat實現，可以得到如圖的操作序列。圖中包含了Kismat中的創建事件、創建變量、命名變量、層次劃分、對象注釋等內容。一個典型的操作序列如下圖所示。

圖10 ?利用Kismat設計的操作序列

五、系統實現

系統根據訓練要完成的功能，結合操作任務模式選擇等，設計訓練系統的界面。系統界面分為菜單界面和操作界面兩部分。菜單界面的設計選擇了動態型較好的Scale from技術，可以完成任務種類、操作模式、操作人員登錄、服務器選擇、系統退出等功能，限于篇幅，這里就不詳細介紹了。操作界面作為虛擬訓練中的人機交互界面，主要顯示操作過程中的一些數據，包括操作名稱、評價文字、操作錯誤數、操作得分、選擇的工具名稱及圖標顯示。根據選擇的模式的不同，操作界面顯示的內容會有一定的差別。

在操作訓練進行的過程中，操作人員還可以根據操作的情況選擇打開一些臨時窗口，比如操作標準信息、操作過程信息、操作科目的得分信息等，通過查看這些信息，操作人員可以盡快的熟悉練習科目的要求和步驟，更好的掌握操作訓練過程和操作維護標準。

六、結論

本訓練系統應用UDK引擎、3D建模等技術，解決了三維物體建模、物體材質控制、物體運動建模、訓練交互控制等技術問題，較為真實的模擬了某型飛機的機務任務場景，實現了機務常作科目的操作訓練，滿足了研制要求。在使用的過程中訓練效果好，能使學習人員掌握機務維護技能，了解操作規范，熟悉機務工作任務內容，掌握操作的質量標準。因此應用本訓練系統能很大程度上改善訓練飛機培訓器材短缺、無法進行實裝訓練的現狀，成為機務訓練中改善訓練條件、提高訓練效果的有效手段。

參考文獻：

[1]傅濤，杜建衛，趙志峰，張志謙.通信設備仿真中3D仿真技術的研究與實現[J].甘肅科技，2014，30（3）：8-10

[2]楊宇航.基于虛擬現實技術的中醫針灸教學系統[J].系統仿真學報，2007，26（1），31-34.

[3]馬麟，呂川.虛擬維修技術的探討[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2005，17（12）：2729-2733.

[4]袁華.訓練模擬系統發展現狀及啟示[J].國防科技，2009，30（1）：62-65.

[5]楊宇航.基于虛擬現實的導彈維修訓練系統[J].兵工學報，2006，27（2）：11-17.

[6]龍玉國，趙紅武.門式起重機虛擬仿真培訓系統研究[J].計算機仿真，2003，20（5）：120-122，

[7] Jason Busby，Zak Parrish，Joel Van Eenwyk.精通Unreal引擎技術—關卡設計藝術[M].沙鷹，李羽中，童寅山等譯.北京：人民郵電出版社，2007.

[8]宋柏峰.UDK虛擬仿蒸系統在礦山的應用初探[J].文藝生活， 2012（6）：276-277.

[9]高義棟，李曼曼，雍炎炎等.基于UDK 引擎的圖書館虛擬漫游系統的設計與實現[J].現代教育技術，2012，23（10）：121-126.