空客A320航空发动机虚拟仿真教学平台开发

王　坤, 胡贤跃, 葛雅静

(1. 中国民航大学 航空自动化学院, 天津　300300； 2. 上海东方飞行培训有限公司, 上海　200131)



空客A320航空发动机虚拟仿真教学平台开发

王坤1, 胡贤跃1, 葛雅静2

(1. 中国民航大学 航空自动化学院, 天津300300； 2. 上海东方飞行培训有限公司, 上海200131)

为提升学员对V2500航空发动机及APU的整体认识，对航空发动机的点火系统、燃油系统、滑油系统等进行全面系统的学习,开发了空客A320航空发动机虚拟仿真教学平台。系统地介绍了航空发动机虚拟教学平台的设计原理和组成,阐述了其中的关键技术,并给出了虚拟教学平台的实现方案。平台主要采用图像处理软件Photoshop、三维软件Maya、Unity3D和VS2010综合开发工具,航空发动机三维模型采用.fbx格式,通过脚本语言C#实现对.fbx模型图形的控制。

航空发动机； 三维软件； Unity3D； 虚拟仿真平台

航空涡轮风扇发动机(ENG)简称航空涡扇发动机[1-2],既是飞机的“心脏”,又是推动飞机快速发展的源动力。现在,喷气发动机的推力已达到535 276N,耗油也已降到0.035 kg/(N·h),发动机推重比增大到10。正是由于航空动力技术的发展,从而推动了整个航空技术的进步。

航空涡扇发动机是目前应用很广的航空发动机,但是其结构与工作原理异常复杂[3-4],这给相关专业的民航学员的学习带来了较大的困难。此外,由于涡扇发动机体积大、造价高、试车条件复杂,要让每个学员都能利用真实的涡扇发动机学习其结构特点是有困难的。虚拟现实(virtual reality)技术是一种模拟人在自然环境中的视觉、听觉、触觉等行为的高度逼真的人机交互技术。它综合了多种先进技术,能够创造一个仿真的虚拟环境,带给使用者高度的真实感和沉浸感[5-6]。因此,若采用虚拟现实技术搭建一个涡扇发动机虚拟仿真实验教学平台,不仅能够真实、清晰地模拟涡扇发动机的结构,而且成本低廉。笔者以空客A320航空涡扇发动机V2500及空客A320辅助动力装置(APU)系统模型和工程数据为依据,建立V2500/APU运算仿真模型,仿真模型输入输出的各项数据与V2500/APU原型严格保持一致,为航空发动机培训和课程教学提供实验平台。

1　总体结构设计方案

根据软件Unity3D和Maya的特点,利用VS2010等开发工具进行了空客A320航空发动机虚拟仿真实验教学平台的结构设计,主要设计思路为:

(1) 大量收集关于空客A320航空涡扇发动机V2500及空客A320辅助动力装置(APU)系统模型资料和相关的工程数据；

(2) 根据设计文档,确定需要制作的模型,大量查阅A320航空发动机和APU相关资料、实地采集图片信息、查看A320基本模型软件,获取A320模型的相关信息；

(3) 利用Maya制作设计文档中需要的模型以及贴图(输出.FBX文件)；

(4) 利用Unity3D进行导入模型编辑、场景元素添加、元素关系设定、灯光布置等操作；

(5) APU、ENG相关的仿真代码整理及交互功能实现；

(6) APU、ENG系统原理图Unity3D动态完成,Unity3D与工程通信链接；

(7) APU、ENG指示系统VS2010动态完成；

(8) 空客A320航空发动机虚拟教学平台发布,生成应用程序.exe文件。

2　模型的建立和导入

2.1模型的建立

空客A320航空发动机虚拟仿真实验教学平台用于帮助学员全面系统地学习V2500航空涡扇发动机及APU的工作原理,学习航空发动机的点火系统、燃油系统、滑油系统、引气系统、指示系统和控制系统,所以其三维模型的建立一定要保证精确和完善。由于涡扇发动机是结构复杂、零件各异且拥有众多附件的设备,因此本系统模型的建立使用功能强大的三维软件Maya。

Maya是三维建模和动画软件。它的使用,提高了电影、电视、游戏等领域开发、设计、创作的工作流效率；改善了多边形建模；通过新的运算法则提高了性能；支持多线程；可以充分利用多核心处理器。通过前期整理的相关素材进行建模,分析所需器件的实体组成和结构框架,对于结构过于复杂的器件进行分块建模,建模完成之后再进行装配工作,然后合成并导出.fbx文件,进入Unity3D进行模型的导入[7]、虚拟场景元素的添加、灯光布置等操作。为了有更好的仿真效果,建模完成之后要对模型进行贴图和渲染,同时要配合使用Photoshop对个别材质贴图进行特别处理,使视觉效果达到最佳。

2.2模型导入Unity3D

Unity3D 是一款跨平台的专业游戏引擎,用它创建的游戏可以在浏览器、移动设备乃至游戏机等几乎所有常见的平台上运行,其简洁、易用的用户界面和强大的功能,以及对iPhone和iPad平台的支持[8],使其成为业界主流游戏引擎。Unity3D对DirectX和OpenGL的图形渲染管道进行了高度优化[9],使低端硬件也可以流畅地运行漫游展示、虚拟仿真、交互式动画等,并能够创造出高质量3D仿真系统和真实视觉效果。

Maya建好的模型可以直接导出.fbx格式的文件,将文件放到Unity3D工程文件夹下的Assets文件夹中,Unity3D 将自动导入对应的三维模型及相应的贴图,再次打开Unity3D 时就可以在Project视图中看到模型文件。为了进行可视化虚拟仿真展示,必须在场景中添加主摄像机、灯光和地形等其他虚拟环境的必备元素,并进行相关属性和主从关系的设置,从而能够使模型达到最佳显示效果。使用鼠标右键和W、A、S、D、Q、E等键可以完成三维漫游[10-11]观测,其中部分模型导入Unity3D如图1所示。

图1　模型导入Unity3D

3　仿真代码的整理、编写和交互功能实现

3.1仿真代码整理和相关代码编写

仿真交互功能[12]的实现需进行仿真代码整理、程序代码的编写并完成工程通信链接。部分仿真代码整理见表1。

表1　仿真代码整理

按钮的打开、关闭功能代码和工程通信链接的部分代码编写如下:

//部分代码—引气按钮的打开和关闭功能

Private void cmd_apubleed_MouseLeftButtonDown

(object sender, MouseButtonEventArgse)

{

if (modeapubleed == mode.UP)

{

modeapubleed = mode.DOWN;

apubleeddown.Visibility = System.Windows.Visibility.Visible;

apubleedup.Visibility = System.Windows.Visibility.Hidden;

//apubleedofflt.Visibility = System.Windows.Visibility.Visible;

WD.apu_bleed_sw0 = 1;

if (WC.apu_bleed > 30)

{

WD.eng1_air0 = WC.apu_bleed;

WD.eng2_air0 = WC.apu_bleed;

}

myout.createdata();

myout.sendtosim();

}

else if (modeapubleed == mode.DOWN)

{

modeapubleed = mode.UP;

apubleeddown.Visibility = System.Windows.Visibility.Hidden;

apubleedup.Visibility = System.Windows.Visibility.Visible;

//apubleedofflt.Visibility = System.Windows.Visibility.Hidden;

WD.apu_bleed_sw0 = 0;

myout.createdata();

myout.sendtosim(); }}

//部分代码—工程通讯链接

publicstruct tosim

{

public int ext_elec0;

public float eng1_air0;

public float eng2_air0;

public int apu_fuel_avail0;

public int eng1_fuel_avail0;

public int eng2_fuel_avail0;

public int apu_fire0;

public int eng1_fire0;

public int eng2_fire0;

//for unity

//apu

public int apu_divider_valve0;

public int apu_3way_shutoff_valve0;

public int apu_lp_valve0;

public int apu_deoil_valve0;

public int apu_surge_valve0;

public int apu_load_valve0;

public int apu_air_flap0;

public int apu_oil_supply_filter0;

public int apu_oil_cooled_filter0;

}

publicclass udp_send

{

public int outport = 12001;

public string simip;

public tosim out_sim;

public static UdpClient myUdpClient;

public static IPAddress remoteIP;

public static IPEndPoint iep;

public void initudp()

{

simip = ″127.0.0.1″;

myUdpClient = new UdpClient();

if (IPAddress.TryParse(simip, out remoteIP) == false)

{

MessageBox.Show(″远程IP格式不正确″);

return;

}

iep = new IPEndPoint(remoteIP, outport);

}

3.2系统原理图和交互功能实现

通过APU、ENG系统原理图仿真代码的整理、编写,实现交互功能,即完成系统原理图Unity3D动态成型。在Unity3D 中,基本的环境、灯光、摄影机、组件添加好后,需要通过脚本来完成人机交互。脚本是用来实现相应行为的程序代码,运行程序时该物体就按照脚本所编辑的规律运动。Unity3D目前支持3种脚本语言:JavaScript、C#和Boo[13],其中C#功能最强大,因此采用C#脚本语言进行系统原理图的开发和设计。APU燃油系统原理图如图2所示。

通过仿真代码的整理和相关程序代码的编写,能够实现的实验教学功能主要有:

(1) 对V2500航空涡扇发动机及APU有整体认识,深入了解V2500航空发动机的结构、点火过程、各种模拟的工作状态和工作原理；

(2) 察看APU、ENG各系统的动态原理图,全面系统地学习航空发动机的点火系统、燃油系统、滑油系统、引气系统、指示系统和控制系统；

(3) 进行相关的测试操作,即通过改变控制变量,察看系统原理图中可运动部件的变化情况。

图2　APU燃油系统原理图

3.3指示系统交互功能的实现

通过APU、ENG指示系统仿真代码的整理、编写,实现交互功能,即实现指示系统visual动态完成。在VS2010中创建WPF应用程序[14],它是微软推出的基于Windows Vista的用户界面框架,属于.NET Framework 3.0的一部分。它提供了统一的编程模型、语言和框架,真正分离了界面设计人员与开发人员的工作,同时也提供了全新的多媒体交互用户图形界面。导入前期整理的指示系统的相关素材图片(如飞机电子集中监控(ECAM)上的高压转子转速、低压转子转速、排气尾温EGT等)之后,编写相关程序代码,实现指示系统的动态完成。

通过仿真代码的整理和相关程序代码的编写能够实现的部分功能有:

(1) 通过改变控制量,使得低压转子转速、高压转子转速、排气尾温等参数发生变化；

(2) 显示机载燃油量FOB、总重GW；

(3) 实时显示压力表参数、静压空气温度SAT、总温TAT等。

4　V2500航空发动机虚拟实验教学平台发布

4.1虚拟实验教学平台操作面板设计

为方便学员的操作,对操作控制面板进行了设计,根据整体功能的实现,分别设计Unity3D系统原理图操作面板和WPF指示系统操作面板,其中指示系统实验教学平台操作面板如图3所示。

图3　指示系统实验教学平台操作面板

4.2虚拟实验教学平台发布

Unity3D的一个很重要的特点是跨平台开发[15],它实现了一次开发、一键式发布、发布到多种平台的功能。目前,Unity3D支持发布到Android、Windows、Linux、Mac、IOS、Web 和Flash等平台。PC平台下的Unity3D程序和WPF程序[16]均可以发布.exe程序,双击.exe文件,便可运行虚拟仿真程序,既方便,又快捷。

V2500航空涡扇发动机虚拟实验教学平台发布为单机版.exe程序,其中date.exe用于数据传输,eng.exe用于指示系统,system.exe用于系统原理图,均可以在PC机上直接操作。

4.3虚拟仿真实验教学平台的应用

运行虚拟实验教学应用程序,即可进入虚拟实验操作。在指示系统操作界面,可以进行航空发动机模拟试车点火实验、控制量的变化对发动机性能参数影响的实验,既可以进行控制计算和状态监控,也可以进行按钮的功能测试。在系统原理图界面,可以学习航空发动机的基本结构、工作原理,察看ENG、APU等系统的动态原理图,学习其工作原理和工作过程,并能够通过改变控制量,观察原理图中可运动部件的变化,监测各系统性能的变化等。其中指示系统操作界面如图4所示,APU/ENG系统原理图操作界面如图5所示。

图4　指示系统操作界面

图5　系统原理图操作界面

4.4虚拟实验教学平台的应用

与传统的书面培训和实验教学方式相比,航空发动机虚拟仿真实验教学平台的主要优势是:

(1) 帮助学员在短时间内对V2500航空涡扇发动机及APU有整体的认识,掌握航空涡扇发动机V2500的工作原理、特性和主要性能指标；

(2) 可以准确、快速地获取航空发动机相关的技术信息,大大减少了阅读文字资料的时间；

(3) 实验教学平台操作方便、快捷、直观,运行流畅,能够对航空发动机的点火系统、燃油系统、滑油系统、引气系统、指示系统、控制系统进行全面系统的学习,并且能够对各系统的原理进行直观展示；

(4) 虚拟现实技术增强了显示和交互效果,对于内部结构复杂的设备,通过虚拟现实技术可以很直观地了解其工作原理、工作过程和关键部件的作用。

5　结语

航空发动机虚拟仿真实验教学平台比传统的培训和实验教学方式有很大的优越性,它打破了传统的实验教学和培训方式的局限性。该实验教学平台能够为培训航空勤务人员、培养航空专业人才提供条件,为民航相关专业的实验教学提供便利,为学员毕业后从事民航机务维修工作打下坚实的理论基础和实践基础。

References)

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Development of aero-engine virtual teaching platform based on Airbus A320

Wang Kun1, Hu Xianyue1, Ge Yajing2

(1. College of Aeronautical Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China;2. Shanghai Eastern Flight Training Co.,Ltd, Shanghai 200131,China)

The design and development of virtual learning platform for aero-engine of Airbus A320 intend to change the traditional way of teaching experiments and training, to improve the internship conditions and update internship content, to promote students’ overall understanding for V2500 aero-engine and APU, meanwhile students can study the aero-engine’s ignition system, fuel system and oil system comprehensively and systematically, and have an intuitive understanding of the principle of each system. This paper systematically introduces the design principle and composition of virtual learning platform for aero-engine, elaborates on the key technologies and gives the implementation of virtual teaching platform. The platform mainly uses the image processing software Photoshop, 3D software Maya, Unity3D and VS2010 comprehensive development tools, and three-dimensional model of aero-engine, adopts .fbx format and realizes the .fbx model pattern controlled by a scripting language C#.

aero-engine; 3D software; Unity3D; virtual simulation platform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.028

2015- 08- 12

民航局科技创新引导资金项目(20150227)

王坤(1978—),女,天津,博士,副教授,主要研究方向为模式识别、智能系统、故障检测与分析

E-mail:kunwang@cauc.edu.cn

胡贤跃(1991—),男,安徽滁州,硕士研究生,主要从事智能系统与故障检测研究.

E-mail:cauc_xyhu@163.com

TP391.9

A

1002-4956(2016)3- 0112- 05