基于VR/AR的初教六飛機(jī)起落架模型的設(shè)計(jì)制作

張雪峰 施浩 朱正

摘要：本課題提出了一種基于VR技術(shù)的起落架虛擬模型收放程序。首先對(duì)起落架進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，然后進(jìn)行誤差分析，再利用精密測(cè)量工具對(duì)起落架的主要數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，將重要數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化處理后進(jìn)行模型的創(chuàng)建。之后運(yùn)用UNITY 3D軟件技術(shù)導(dǎo)入模型，并通過代碼編譯對(duì)其進(jìn)行程序編寫，以此達(dá)到控制模型的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬建模;VR技術(shù);UNITY 3D;代碼編程;初教6起落架

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2019）03-0264-02

1 引言

起落架是飛機(jī)上必不可少的一部分，在飛機(jī)的起飛與降落過程中起著保障安全的決定性作用。

目前國(guó)內(nèi)外主要以創(chuàng)建整體VR飛機(jī)模型為主，而對(duì)于創(chuàng)建單體VR起落架模型這方面涉及較少，VR是虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）的簡(jiǎn)稱。VR技術(shù)，也稱人工環(huán)境，是指利用電腦或其他智能計(jì)算設(shè)備模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供用戶關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同完全浸入，產(chǎn)生身臨其境的感覺[1]。VR技術(shù)最為成功的應(yīng)用領(lǐng)域之一為教育行業(yè)，如VR虛擬課堂實(shí)操教學(xué)系統(tǒng)，虛擬火災(zāi)逃生系統(tǒng)[2]等。在人體結(jié)構(gòu)的掌握以及外科手術(shù)的訓(xùn)練方面， 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) （VR） 也可以發(fā)揮其獨(dú)特的功效。除了醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)外， 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) （VR） 在軍事領(lǐng)域中也受到了高度矚目， 并逐漸將其應(yīng)用于虛擬軍事訓(xùn)練、設(shè)備模擬操作、飛機(jī)設(shè)備模擬維修等方面[3]。本文將VR虛擬技術(shù)與起落架模型相結(jié)合使其可以進(jìn)行模擬起落架收放運(yùn)動(dòng)，并可進(jìn)行一系列對(duì)起落架的操作從而達(dá)到虛擬教學(xué)的目的。

2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法

2.1 三維建模

飛機(jī)起落架作為飛機(jī)上及其重要的一部分起到了減速、承重以及轉(zhuǎn)彎等重要作用。暴露在外的起落架會(huì)嚴(yán)重影響飛機(jī)的氣動(dòng)性能，阻礙了飛行速度的提高。因此飛機(jī)起落架在起飛后就會(huì)收回近機(jī)體，這[4]就要求起落架的收放系統(tǒng)具有精密的結(jié)構(gòu)。初教六飛機(jī)起落架為三點(diǎn)式，前輪有減震器，整體通過液壓系統(tǒng)操縱進(jìn)行收放。為了保證飛機(jī)起落架模型的真實(shí)性，對(duì)起落架模型進(jìn)行構(gòu)建。對(duì)起落架的測(cè)量必不可免的會(huì)出現(xiàn)由于儀器結(jié)構(gòu)上不夠完善而造成的系統(tǒng)誤差以及人為因素造成的偶然誤差。為了解決起落架各部分裝配過程中出現(xiàn)的誤差問題，本文利用誤差分析理論以及最常用的最小二乘法定位算法進(jìn)行理論分析，給出定位誤差范圍;并利用誤差分析對(duì)裝配位置進(jìn)行優(yōu)化，能夠提高定位精度。

2.2模型的渲染驅(qū)動(dòng)

對(duì)已建好的三維模型，在虛擬場(chǎng)景中需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，包括表面顏色、陰影和動(dòng)態(tài)光照等，這就是模型的渲染驅(qū)動(dòng)。模型的渲染驅(qū)動(dòng)包括：場(chǎng)景模型驅(qū)動(dòng)、模型調(diào)取和處理、分布? 交互等，其目的是實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染構(gòu)建，完成操作者與虛擬環(huán)境之間的實(shí)時(shí)交互操作響應(yīng)。本系統(tǒng)采用3DMAX進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建，通過對(duì)初教六飛機(jī)起落架進(jìn)行測(cè)繪，得到具體真實(shí)的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行模型的創(chuàng)建，通過布爾、倒圓角等操作對(duì)模型進(jìn)行細(xì)致加工，突出零件關(guān)鍵部位，添加材質(zhì)使模型更接近于真實(shí)起落架。利用V-Ray軟件和3DMAX軟件多模型進(jìn)行渲染，并且為了構(gòu)造出具有較強(qiáng)真實(shí)感的虛擬作業(yè)場(chǎng)景，本系統(tǒng)采用天空盒和燈光。

2.3操作界面的建立

系統(tǒng)的操作界面通過創(chuàng)建操作臺(tái)模型來實(shí)現(xiàn)。操作者通過手柄進(jìn)行對(duì)操作臺(tái)的控制，按下按鈕，即可實(shí)現(xiàn)起落架的收放運(yùn)動(dòng)展示。

2.4實(shí)現(xiàn)模型與VR導(dǎo)入

通過unity3D軟件來實(shí)現(xiàn)將模型導(dǎo)入VR。更改文件格式為fbx，將模型拖拽到unity3D軟件當(dāng)中，創(chuàng)建地面，布置燈光和天空盒，設(shè)置合適的攝像機(jī)來捕捉角度，進(jìn)行跟蹤定位。

2.5 VR場(chǎng)景的建立

本系統(tǒng)利用3DMAX創(chuàng)建真實(shí)的三維模型，為了減少因面數(shù)多而造成的運(yùn)行遲緩，采用Polygon Cruncher軟件來減少面數(shù)。利用unity3D軟件，進(jìn)行模型的導(dǎo)入以及真實(shí)場(chǎng)景的建立。在unity3D引擎內(nèi)置的Standard Assets資源包的Prefabs項(xiàng)下，找到名為First Person Controller（第一人稱控制器）的預(yù)制對(duì)象，將其加入場(chǎng)景當(dāng)中就可實(shí)現(xiàn)第一人稱的創(chuàng)建。為了不造成人物失重的現(xiàn)象，我們還要在場(chǎng)景中創(chuàng)建地面Terrain，創(chuàng)建Directional Light以完善第一人稱視覺效果。對(duì)于起落架的控制，本系統(tǒng)采用代碼編譯的方法進(jìn)行，部分代碼如下：

3結(jié)論

在起落架不易拆裝，學(xué)員難以實(shí)現(xiàn)拆裝的條件下，提出初教六起落架模型的設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)通過3DMAX等專業(yè)的三維軟件創(chuàng)建各個(gè)實(shí)體模型，通過貼圖渲染和文件轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)模型的渲染驅(qū)動(dòng)。通過unity3D軟件將三維模型導(dǎo)入到VR設(shè)備中并結(jié)合 Visual C++語言開發(fā)出友好的人機(jī)交互操作界面，最終實(shí)完成仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。通過仿真實(shí)驗(yàn)，表明設(shè)計(jì)開發(fā)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了初教六起落架收放操作的模擬仿真，并且具有便于學(xué)員操作學(xué)習(xí)，仿真度高，能耗低和安全可靠等特點(diǎn)。并且在日常的起落架拆裝過程中由于操作難度大，學(xué)員親自動(dòng)手操作機(jī)會(huì)較少，通過本系統(tǒng)可以增加學(xué)員的動(dòng)手機(jī)會(huì)，避免了在拆裝過程中發(fā)生危險(xiǎn)，增強(qiáng)學(xué)員對(duì)起落架各部分零件的熟悉度。本系統(tǒng)還可應(yīng)用于飛機(jī)維修的其他部分結(jié)構(gòu)的模擬拆裝，以在飛機(jī)起落架的維修學(xué)習(xí)中具有推廣價(jià)值。

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