基于unity3D的初教六飛機起落架收放以及拆裝運動模擬

張嵩逸 施浩 朱正

摘要：本文提出了在unity3D平臺上對初教六起落架收放和拆卸重組裝的運動設計模擬。首先對起落架各零件進行精細測繪，再運用力學分析和誤差校準組合，建立3D模型，最后將模型導入unity3D進行運動模擬。使得可以在VR環境中自行控制演示起落架的收放運動，以及操縱工具對虛擬起落架設備進行拆卸以及重組裝。這讓初學起落架原理的維修人員能夠更好地了解其運動構造，練習維修時必要的拆裝過程，為現實維修做鋪墊。

關鍵詞：unity3D;起落架;運動模擬

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A

1概述

VR技術，也稱人工環境，是指利用電腦或其他智能計算設備模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供用戶關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同完全浸入，產生身臨其境的感覺。當今全世界都有運用這項技術投入到專業研究或教育目的中去，比如，礦山設備維修仿真VR系統，它能動態地預演維修保障過程，用來解決維修保障是否合理的問題嘲。虛擬現實常用工具有VRML建模語言、X3D語言、Cult 3D網絡技術、Unity 3D交互平臺等，再結合實體建模、動畫制作、網頁制作、網絡數據庫以及Java編程等技術，可開發出具有真實性、交互性、網絡化的虛擬平臺。本文在unity3D平臺中使用C++語言，實現多個零件的三維運動，再進而完成對起落架收放以及拆裝操作的整體模擬。

2初教六起落架收放運動的設計

設計運動有三個步驟。1）對實際起落架的結構完成1：1建模，了解其中活塞、滑件等部件的組合工作機理，對各個零件的配合情況做參數處理。由收放筒為主驅動，多個構件同時運動，各輪架完成單一輸出的機構運動;2）對已做出的3D模型進行實際的運動分析，根據誤差與實際運動情況做修正，測量實際起落架的運動幅度，再根據unity的尺寸系數做出調整;3）創建代碼文件，附著在運動構件上，運用transform.Translate語句實現角度翻轉，transform.Rotate實現平移，根據實際機械運動原理調整每個單體零件的運動，再總體組合為整個機械結構的運動，實現運動模擬。如圖1所示。

3拆裝工具模型的建立

飛機起落架的三維模型建立好之后，為了配合VR模擬手動拆裝，保證最大的真實性，最重要的就是將航空維修手冊中所有要求規格的拆裝工具移植到虛擬現實中。而由于unity3d的尺寸精度與實際工具有誤差，因此在unity中采用與實際尺寸系列同比例的縮放。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行理論分析，給出定位誤差范圍;并利用誤差分析對裝配位置進行優化，能夠提高定位精度。效果圖2所示。

4工具交互的設計

4.1模型運動的實現

在將零件導入unity3d之前，將max文件轉換成*.FBX格式，再在unity3d中將其導入進預先建立好的場景中并放置進去。因為3dmax和unity互不兼容的原因，需要在unity中將機械結構的零件重新分組。調整需要進行拆裝的機械部件，添加碰撞體積，達到手動選定和操作的效果。對于拆裝工具也進行同步操作。調整每個零件的運動軸心到運動時的各個中心位置，有些零件的運動中心不在其本身。因為在VR中要有用手抓取、移動工具并做出相對應的操作的功能，所以需要在工具和相應的拆裝零件上加上模擬模塊，使得在虛擬現實中也有類似現實中的重力，慣性，以及各種物理特性，以達到模擬工具和零件碰撞接觸的效果。在工具上加上碰撞體積，選中Physics，添加Box Colider，手動拉選碰撞體積的大小和位置，即可在VR中用手觸碰這塊區域并選定抓取。

4.2拆裝運動的實現

為了最大限度還原維修實景，制作了手部模型，用以替換unity3d VR開發原本的手柄外形，在VR眼鏡中，操作者將看到趨近真實的雙手。觸碰到工具后，按下手柄扳機鍵，即可將零件的模型與手部模型契合在一起，達到抓取工具的視覺效果。如圖3所示。因為每個工具的操作手勢不同，所以設計了手部的運動，在抓取每個部件時同步觸發不同的手勢變化，最大還原正確的工具抓握方法。同樣，起落架的每個零部件的抓取姿勢在實際的維修中也有一定的要求，因此同理，在抓取零部件時也會觸發相應的手部動作。工具的使用情況如圖4所示。

6模型渲染

渲染驅動是對已建好的三維模型，在虛擬場景中需要對其進行實時的表面顏色、陰影和動態光照的渲染。模型渲染的目的是實現虛擬場景的實時渲染構建，使得操作者與虛擬環境之間的實時交互操作響應。而我們首先采用了貼圖路徑，其主要有兩種形式，空間和切平面。本系統主要采用了NM較為常見的后者——法線切平面貼圖，該貼圖模式將平面的圖片處理成凹凸有致的視覺效果，使得模型再背光凹凸處與向光處的差別顯而易見且相對自然。（圖5所示為機輪的實際渲染效果）在VR環境的空間里加上柔和光，創造出趨同現實的室內效果。再利用V-Ray軟件和3DMAX軟件多模型進行渲染，構造出具有較強真實感的虛擬作業場景。

7結論

航空起落架的維修在整體的飛機維護中是最重要的一環。然而在新手維修人員的練習過程中難免會因為經驗的缺乏對實體起落架設備造成不可逆的損傷或者意外。將維修技術與VR虛擬現實技術有效的結合，有助于減少教學成本，提高教學效率和質量。通過對機械構造和運動原理的可交互式復刻，使得維修人員對于起落架維修有更好的理解。其中的細節設計也嚴格符合維修流程的規定。因此本系統能在航空維修中起到重要作用。