基于VR的AN24飛機維修與排故教學平臺的設計

李冠宸，邱峰，鄭嘉富，施浩

（上海工程技術大學航空運輸學院/飛行學院，上海 201620）

目前，我國在航空維修實訓教學中存在諸多的問題，如教學成本較高、初學者上手困難、安全隱患頗多等。VR技術的出現能夠很好地解決在航空維修實訓教學中遇到的諸多問題。

本文通過虛擬現實技術，基于3ds Max和Unity3D建立一個AN24飛機維修教學的平臺。目前國內外基于虛擬現實技術應用于航空方面的研究有很多。在國內，施新宇等人利用VR技術針對渦噴六航空發動機的維修設計制作了虛擬教學平臺[1]；張雪峰等將虛擬現實技術與起落架模型相結合模擬起落架收放運動，從而達到虛擬教學目的[2]；也有將VR技術應用于實際教學中：張鈺等人將VR技術應用在機械加工虛擬仿真教學[3]；王璐等人將虛擬現實技術應用在體育教學中[4]；王景濤等人將VR/AR運用在婦科手術教學[5]以及季娟等人將虛擬現實技術運用在3D鑄造仿真實訓系統[6]。國外方面，Haslina Arshad等人提出將VR技術作為教學工具運用于工程學中[7]。項目通過大量建模，將AN24飛機以及渦槳-5發動機模型真實還原出來，利用VR技術的交互特性，構建出一個沉浸感強的科普及維修一體的教學平臺。通過三維模型的建立，將VR技術帶入航空維修教學當中，在保證發動機維修專業性前提下，不但滿足高校關于發動機維修專業的教學需求，而且可以促進學生的學習興趣，培養學生的空間能力、動手能力。

1 項目制作

1.1 模型測繪

將渦槳-5發動機進行部件拆卸并進行編號測量、繪制簡易圖紙，同時在網上和書籍等相關渠道查詢AN24飛機相關參數。航空發動機對于精密度要求很高，在測量過程中使用千分尺、游標卡尺、螺旋測微器等工具，為了避免由于測量方法不當、誤讀等人為因素造成的差異，采用多次測量取平均值的方法使測量得到的模型數據更貼近實際。根據標注的數據在Au?toCAD中進行部件三視圖的繪制。圖紙數據整理完畢后，導入計算機用以建模。

圖1 啟動發電機外部三視圖

1.2 模型建模

本文將3ds Max2018版本作為主要建模平臺。發動機零部件較多，且部分部件為不規則體，所以需將此類部件進行簡單的三維模型拆分，確定每一個拆分部件的參數以及三維坐標，最終通過布爾運算將其整合為一個復雜的部件。也可以將一個基本的三維模型轉換成可編輯多邊形，通過不斷修改模型上的點、線、面的位置來得到想要的復雜零件。當重復出現多個部件時，可以使用FFD（將物體以自身坐標軸或指定坐標軸進行復制、平移、旋轉陣列等）。要注意的是，布爾是在建立模型中比較方便的運算方式，它可以實現多個物體的交集、并集、補集等運算，但是經過運算后會產生一些多余的模型，此時需要考慮是否重新選擇運算對象或者將多余模型刪除。

圖2 發動機部件建模

1.3 從3ds Max到Unity3D構建場景

將模型導入Unity3D之前，需要先將各零部件按照拆分需要進行組類分別，以便后續在Unity3D中對各部件添加特定代碼。同時為保證零件均為可拆分體，且位置能夠獨立運動，需要按照零件自身重置坐標軸，保證坐標統一。對于某些看起來不平整的模型，需要對其添加渦輪平滑的命令以增加其視覺效果。

模型搭建完畢后，為了實現VR的各項交互功能，需要將模型導入游戲開發平臺Unity3D進行下一步處理。在導入時，需要將文件保存為obj格式，待所有物體均導入Unity3D中，則要進行模型的排布工作。合理運用軟件中的xyz坐標和三視圖來幫助修改位置參數。根據之前在3ds Max中選定的組別來拖動每一模型，使之達到相應位置，拖動組時，組別下面的子物體也會隨之移動。Unity3D中場景共分為兩部分，一部分是AN24飛機展示科普區，另一部分為發動機拆裝區域，用于學生進行發動機系統拆裝維修培訓。

圖3 渦槳-5發動機拆裝室

1.4 貼圖

為了使模型更貼合現實，需要對模型進行貼圖處理，通過拍照取材或者網絡渠道得到的貼圖材質，都需要將這些貼圖制成材質球。為了增加貼圖的材質感，需要添加凹凸貼圖、漫反射等素材。對于一些大型的物體，需要將物體在3ds Max中用UVW根據正面、側面等視角進行展開，并在每個展開面上依次進行貼圖，在導入Unity3D中時，需要將貼圖材料按照模型文件路徑一同導入。

2 交互功能的實現及編程

2.1 環境的搭建與設備的選用

項目所選用的設備為HTCvivepro，該設備與steamVR匹配良好，通過預設Unity3D中的camera可以直接看到所建場景。同時為了實現交互更加便捷，首先在Unity3D中導入VRTK及SteamVR Plugin兩個插件。VRTK可以實現拋物線及位置定位、手柄發射射線、處理UI交互、物體拖動、射線處理物品拖動等操作。

2.2 手部動作與物體交互

為了實現手在抓取物體時產生的動作，創建一個AnimatorController資源，將交互每個部件的動畫拖入其中，連接好播放邏輯，角色的Animator中選擇Ani?matorController資源，通過腳本的animator.setXXXX（）等函數來調用動畫。在進行物體交互之前，被抓取的物 體 需 要 添 加collider、Rigidbody、VTRTK_Inter?actableObject，并勾選Is Grabbable或者在手柄的控制器 中 添 加VRTK_InteractGrab、VRTK_InteractTouch、VRTK_ControllerEvent并通過Grab Button選擇拾取物體。給物體加完碰撞體后，還需要不斷進入場景中，利用手柄進行交互。例如：人和物體可移動范圍是否匹配、當用工具對發動機進行拆卸時是否會出現碰撞問題等。為了加強教學性質，當學員進行不正當操作時，項目還具有特定的報錯功能。

利用VisualStudio軟件編寫的部分代碼如下：

3 結束語

針對目前在航空發動機維修教學方面的問題，運用虛擬現實技術，在安全性上規避了在航空維修時發動機難操作、學員上手困難、零部件易磨損、拆卸時有安全隱患等問題。同時學員也可在不同時間、不同地點通過遠程操作，可以進行多設備聯機多次學習。在經濟性上航空燃油等化學材料帶來的環境問題也能夠避免，做到了綠色環保。相比于傳統的教學模式，用VR帶入教學不僅能解決上述的問題，同時學員能夠得到更加直觀的教學體驗。