基于VR的起落架維修教學平臺

朱正 施浩 張雪峰

摘要：本文提出以VR技術制造出的虛擬教學訓練環境來改善維修人員的實操水平。通過對于3dsMAX 、Unity3D、CAD的學習與運用與整合，創造出1：1的虛擬模型、工具以及環境，實現VR維修平臺模擬教學演示以及自主操作功能，達到學員能夠觀看教程演示后，能夠進行專項拆裝訓練的目的。本虛擬拆裝維修教學讓學員可以在自主學習中，掌握飛行器部件裝配過程，為實踐拆裝操作奠定基礎。

關鍵詞：VR技術;3dsMAX ;Unity3D;CAD;教程演示;拆裝模擬;自主學習

1 概述

本虛擬維修平臺的建設可作為一種新型的教學手段，能夠讓學員們在VR環境中了解飛行器結構原理的基礎上，編織教程以及專項練習，讓實訓者進一步熟悉具體部件的拆卸和裝配的工藝流程，給予交互式與沉浸式的功能體驗，自行選擇虛擬練習的方式方向，來達到提高總體實操技能水平的目的，為飛機構造和航空發動機課程的教學實踐服務。本平臺既具有開放性特點，讓學員通過教程的觀看學習后，自主選擇專項訓練，又具有針對性，能夠改善現實操作條件有限的現狀，專項性地提升維修學員實操水平。其科技成果可供校際交流和共享。其后續完善的升級版還可供部隊和航空公司作為機務人員的培訓和考核器材使用。

2 設計思路

航空器械維修的教學方式就現在而言主要以維修手冊的理論基礎以及實際操作維修器械教學兩種。前者缺乏實際操作中切身實際的體會，難以有效率地積累經驗提高技能;后者雖然是最直觀有效的培訓方式，但究其成本以及容錯率，很難達到大批量次的培訓目的。而本虛擬平臺及其教學演示的建立能夠為此提供便利，以引導以及提供自學環境為目的，在虛擬環境中提供現實環境中的教學體驗，又無須考慮現實中器械維修可能帶來的維修風險或是成本損失。

再以起落架維修教學平臺為基礎，將其能夠設計出的各項相關訓練項目進行編程制作，期間需邀請采訪專業的維修人員進行維修指導后，將維修教程演示以及可能遇到的突發情況編輯錄制入視頻，導入虛擬平臺中的相關專項作為教學演示，以此為學員提供最正確的引導教學。最后使用編程軟件編寫學員選取工具時的引導內容以及操作失誤時的報錯內容，以此達到學員在教程的幫助下，脫離手冊，自主選擇所需練習的專項，且能在第一時間認識改正操作中的疏漏。后續若能提供成為專項考核平臺，也可以使用計分制或是熟練度累計制來考核學員，以此糾正改善學員們的實操水平，為培訓機構提供便利。

3 關鍵技術及實現方法

3.1三維建模

虛擬模型的還原度決定了虛擬教學的質量。本虛擬平臺依據參考資料中器械的實際數據，以CAD整合圖紙為基礎，使用3dsMAX軟件建立并且利用誤差分析理論以及最小二乘法定位算法，給出定位誤差范圍，對模型進行優化，最大限度地提高各零件的識別度方便學員分辨，再采用減面工PolygonCruncher8.03來減面。

3.2模型渲染與場景建立

模型導入到Unity3D軟件前將MAX文件格式改為FBX。利用材質球對模型進行渲染，在UV編輯器中利用V-Ray將模型的部分高精度模型部分轉變為中低精度模型并進行紋理渲染。進入Unity3D界面，在場景中添加地面以及房間，通過添加燈光和天空盒使得模型在VR頭盔中可見，放置相機進行捕捉模型對模型進行精準定位，模擬實際拆裝操作場地。在UI界面創建告示牌標語，進行拆裝步驟提示，為學員提供本平臺及初始指導介紹。在unity3D引擎內置的Standard Assets資源包的Prefabs項下，找到名為First Person Controller的預制對象，將其加入場景創建第一人稱視角，將手柄模型建立成真人雙手的模型，進一步增加寫實感，方便學員“手把手”地跟著教學演示進行模擬練習的。

3.3代碼編譯

本維修平臺采用unity3D引擎內置的Visual Studio 2017進行C#語言的編寫，通過代碼編譯進行交互控制，實現觸碰零部件模型高亮、抓取零部件拆裝、錯誤拆裝報錯等一系列交互式功能，平臺顯示的錯誤均是未按手冊正確拆裝，通過反復訓練，加深學員記憶，達到脫離手冊文字后，由虛擬培訓到實際維修操作的平滑過渡。

4 平臺功能

4.1基礎功能

本維修平臺建立的目的一是提供一個學員能夠自主學習的虛擬環境，加強實操技能，二是節約維修培訓時的成本。平臺的維修教學流程均以AMM手冊為基礎依據，嚴格按照手冊進行拆裝，操作過程中伴有提示與引導，更加清晰直觀。在觸碰零部件時顯示為高亮，并顯示部件名稱。在選用工具時會有相應的文字提示，選用錯誤工具時及時報錯，且當訓練項目失敗或者超時時，可以選擇一鍵重置，避免了現實中器械維修損壞的可能，也簡化了煩瑣的重置流程。學員完全可以選擇欠缺的專項進行重復練習，在低成本的反復復原訓練中，大幅度提高了專項技能的熟練度，也為培訓機構大幅度提高了教學質量。

4.2 訓練流程

本維修平臺以維修手冊為基礎，制定相應的維修專項練習欄目，學員能夠在虛擬初始界面中選擇專項訓練，參照教學演示的任務流程進行虛擬操作，如選取零部件以及使用工具拆裝等，每進行一步操作都會有相應的操作提示，方便學員正確地完成維修操作。當某項訓練內容完成后可以選擇返回主界面或是查看自己本次操作的完成度，直觀地認識到某方面的欠缺，方便多次反復訓練。

4.3 考核流程

后續若能提供成為專項考核平臺，也可以使用計分制或是熟練度累計制來培養學員，在訓練模式中達到一定程度的學員可以選擇考核，考核時學員將只能接受到任務流程，且會刪除關鍵提示，考核人員在外部觀看學員在虛擬環境中的操作，與標準教程教學進行對比打分，以此達到考核的目的。

5 結論

航空器械的維修作為飛機維護中的重頭戲，對維修專業人才的培養尤為重要。而積累維修經驗的最快方式就是進行實際操作，但其較低的容錯率以及較高的成本，導致學員很難進行多次重復訓練。而本虛擬維修平臺既擁有寫實VR體驗，又能按照維修手冊精確地進行維修實操，讓學員在教學訓練過程中深刻意識到操作中的注意點，強化流程，查漏補缺，故本平臺可以幫助航空器械維修人員提高總體實操技能。

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【通聯編輯：唐一東】