鄭嘉富 邱峰 李冠宸 施浩

摘要：文章依托當今普遍使用的虛擬現(xiàn)實技術，結合3ds MAX、Unity3D、Visual Studio等軟件，通過大量建模將AN24飛機的發(fā)動機、座艙、外形完整地展現(xiàn)出來，在編程方面利用SteamVR2.0新特性創(chuàng)造出最貼近真實的交互環(huán)境，構建出一個既能夠科普航空知識，又能夠為航空類院校作教學之用的航空部件維修平臺，與VR設備相結合給體驗者帶來最直觀的感受。

關鍵詞：AN24飛機;渦槳-5發(fā)動機;航空器械維修;虛擬現(xiàn)實技術;拆裝教學

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）16-0103-02

1 概述

當前隨著信息化的推進，虛擬現(xiàn)實技術在生活工作中扮演著重要的角色。民用航空也逐漸興起，甚至成為人們日常出行的選擇之一，飛機種類、數(shù)量的增加也使得各大航空公司對專業(yè)型及服務型人才的需求急劇上升。機務相當于航空業(yè)的醫(yī)生，在上萬次的飛行中，機務需要保證飛機的機械、航電設備處于良好可用的狀態(tài)，每一個細小的零件都關系到飛行安全，因此對機務人員的培訓不可小覷。

本文依托 VR技術解決目前航空公司及相關院校遇到的問題，目前國內外基于虛擬現(xiàn)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(fā)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(xiàn)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];將VR技術運用于教學中在國內也有相關研究可尋：劉德建等人探究VR技術在教學領域方面的前景[3];高義棟等人將VR技術用于紅色場館進行思想教育實踐[4]。同時VR技術也多用于高新技術行業(yè)，如王偉的VR手功能康復系統(tǒng)[5]以及孫治博等人在鉆床工程方面的研究[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[7]。本文提出通過VR技術向普通大眾以一種更為有趣、更具沉浸式的體驗科普航空相關的知識;同時通過對飛機整體進行高精度還原，讓VR技術參與到課堂教學中。發(fā)動機是飛機的核心部件，若機務維修人員處理不當或操作失誤很可能導致發(fā)動機在飛行過程中停止工作，引起飛機空中停車等重大問題。因此發(fā)動機的拆卸維修學習是每個機務學生的必修課程。使用相關插件配合VR設備，無論是從專業(yè)性而言，還是從較強的交互性而言，本文都能滿足高校關于發(fā)動機維修專業(yè)的教學需求，在降低成本的同時又能提高教學質量。

2 項目制作

2.1 模型測繪

利用學校發(fā)動機陳列室中的渦槳-5發(fā)動機及聯(lián)航涂裝AN24飛機，通過拆卸發(fā)動機，對各零部件進行測量，同時查詢AN24飛機相關參數(shù)。測量過程中使用游標卡尺等工具測量，得到所需對象的較高精度測量值，再使用AutoCAD進行三視圖繪制。圖紙數(shù)據(jù)整理完畢后，導入計算機用以建模。同時，對校園內聯(lián)航涂裝AN24飛機進行拍照取樣，以便后續(xù)貼圖之用。

2.2模型建模

本文以3d MAX 2018版本作為主要建模平臺。為了盡可能還原整個飛機，需要仔細觀察測量飛機每個部分的細節(jié)，同時查詢包括座艙、發(fā)動機、起落架、飛機外形的相關數(shù)據(jù)，按照真實尺寸進行建模。由于零件中有很多是不規(guī)則三維圖形，為了特別繪制這些內容，需要采用大量的可編輯多邊形、布爾等操作。要注意的是，采取可編輯多邊形后，模型將由大量的點、線、面構成，需要仔細甄別需要修改的對象，否則會出現(xiàn)缺漏等問題;布爾是模型挖孔、切削等工作中較為便捷的方式，它的運算原理中包含交、并、補等常見功能，但是經(jīng)過運算后會產(chǎn)生不可見的多余模型，此時需要將多余的模型刪除，否則會在后續(xù)導出obj文件、導入到Unity3D平臺等過程中產(chǎn)生卡頓，極大影響渲染速度。

2.3貼圖

通過拍照取材或者網(wǎng)絡渠道得到的貼圖材質，都需要自己將這些貼圖制成材質球，一個材質球包含diffuse、glossiness、height、normal等幾個方面的素材內容。在了解高光、漫反射等貼圖所需素材后，對于AN24飛機的貼圖需要進入UVW這個更難的貼圖領域，首先需要將整個模型按照正面、側面等不同視角拆分成幾個部分再進行貼圖，將現(xiàn)實生活中拍到的聯(lián)航涂裝AN24飛機照片導入到Photoshop中進行處理，最后使用UVW貼圖功能進行繪制，最后導出貼圖文件。在模型通過3ds MAX導出成FBX格式后導入到Unity3D中還要按路徑再次附上貼圖。

2.4場景搭建

基于VR的AN24飛機維修與排故平臺大體分為兩個區(qū)域：1）包含飛機本體及座艙的科普參觀區(qū)域。2）包含渦槳-5發(fā)動機的維修區(qū)域。首先將場景模型導入到Unity3D場景中，發(fā)動機以及飛機模型在導入Unity3d前需要先導出obj文件，否則平臺無法識別。維修區(qū)域包含：工具拿取區(qū)域、大型零部件放置區(qū)域、螺絲放置區(qū)域等，場景布置能夠讓學生養(yǎng)成良好的工具收納、零部件收納習慣。

2.5交互功能的實現(xiàn)及編程

首先在Unity3D中導入VRTK及SteamVR Plugin兩個必要插件，但是這兩個插件以及Unity3d版本的兼容性是需要考慮的第一步，在確定了SteamVR 1.2.0以及VRTK1.2.3和Unity3d 2017.1.1f1的組合后，為了后續(xù)對功能要求的提高，可以直接采用2.0版本的新版SteamVR插件。

為了貼近真實環(huán)境，需要更換手部模型，可以在SteamVR的預設包中找到手部模型進行替換;在需要互動的物體上添加剛體及碰撞體，使用editcolider進行碰撞體范圍設定，然后使用碰撞體的觸發(fā)效果完成發(fā)動機的拆卸功能，需要注意碰撞體范圍不可重疊，否則會出現(xiàn)Bug;通過編寫腳本使發(fā)動機架擁有轉動功能（具體代碼見下文所示），以及用于提醒學員的報錯功能。通過材質球對模型進行渲染，使得整體模型在場景中更為貼近真實。VR場景中使用、觸摸、抓取需要分別對交互物體添加Interactable、Throwable等腳本，以及在場景中添加Teleport Area，使用手柄觸摸盤進行移動。項目中還涉及Steam2.0新功能，利用Skeleton插件為部件定制抓、握、捧等手勢，該插件分為多個層級，手腕、手掌、手指、關節(jié)，通過這幾部分的配合調節(jié)，最終讓體驗者的沉浸感更進一步。在項目開發(fā)過程中，調試人員需要重復穿戴頭盔進行檢查，例如VR視角的高度是否適合場景，操作過程中是否會產(chǎn)生Bug以及不同腳本間是否會產(chǎn)生沖突等。

利用Visual Studio軟件編寫的部分代碼如下：

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using UnityEngine;

public class 運動 ： MonoBehaviour

{? ?int step = 0;

int i = 0;

// Use this for initialization

void Start（）

{ }

// Update is called once per frame

void Update（）

{}

void OnGUI（）

{ if （Input.GetKey（KeyCode.W））

{? ?transform.Rotate（new Vector3（0， 0， -1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"gan1"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， 1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"gan2"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， 1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"zhuanzhou"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， 1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"engine"）.transform.Rotate（new Vector3（1， 0， 0）， 0.5f）;}

if （Input.GetKey（KeyCode.E））

{? ?transform.Rotate（new Vector3（0， 0， 1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"gan1"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， -1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"gan2"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， -1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"zhuanzhou"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， -1）， 0.5f）;

GameObject.Find（"engine"）.transform.Rotate（new Vector3（-1， 0， 0）， 0.5f）;}}}

3 結束語

針對目前在航空發(fā)動機維修教學方面的問題，本文提出通過VR技術介入，不受維修設備數(shù)量及地域范圍限制，可以減少培訓成本，提高效率。學員也可在不同時間、不同地點通過遠程操作，進行多次學習，避免了發(fā)動機部件磨損、初學者上手困難以及操作過程中出現(xiàn)事故等問題。除了以上提到的幾點外，航空燃油等化學材料帶來的環(huán)境問題也能夠避免，做到了綠色環(huán)保。本文提出利用虛擬現(xiàn)實技術以及大量的零件建模解決這些問題，可以讓學員充分全面地學習到發(fā)動機拆裝技術。

參考文獻：

[1] 施新宇，邱峰，石承玉，等.基于VR的渦噴六航空發(fā)動機虛擬實驗平臺的設計與制作[J].電腦知識與技術，2020，16（1）：251-252，256.

[2] 張雪峰，施浩，朱正.基于VR/AR的初教六飛機起落架模型的設計制作[J].電腦知識與技術，2019，15（3）：264-265.

[3] 劉德建，劉曉琳，張琰，等.虛擬現(xiàn)實技術教育應用的潛力、進展與挑戰(zhàn)[J].開放教育研究，2016，22（4）：25-31.

[4] 高義棟，閆秀敏，李欣.沉浸式虛擬現(xiàn)實場館的設計與實現(xiàn)——以高校思想政治理論課實踐教學中紅色VR展館開發(fā)為例[J].電化教育研究，2017，38（12）：73-78，85.

[5] 王偉.楊幫華，李博，等.基于VR技術的手功能康復系統(tǒng)設計[C]//濟南：2017中國自動化大會（CAC2017）暨國際智能制造創(chuàng)新大會（CIMIC2017）， 2017： 976-980.

[6] 孫治博，史成坤，李瑞豪，等.基于VR的鉆床工程實踐教學輔助系統(tǒng)的探索與研究[J].實驗技術與管理，2020，37（9）：135-138.

[7] Arshad H，Hamouda A M S，Ismail N，et al.Virtual Reality as a training tool in engineering education[J].World Review of Science，Technology and Sustainable Development，2008，5（3/4）：389.

【通聯(lián)編輯：唐一東】