虚拟技术在直升机维修中的作用与实现

郭传友

摘 要 本文介绍了续集技术和直升机维修的特点。针对直升机维修的实际，对直升机虚拟维修的作用和实现方法进行了分析，提出了初步建议。

【关键词】虚拟技术 直升机 维修

直升机结构复杂，维修工作涉及机械、航电等多个专业，各种检测设备和仪表繁多，对维修人员要求高，技术难度大。特别是新研制直升机投入使用后，技术人员通过实装演练和辅助训练手段，一般要用二至三年才能形成快速维修能力。因此，维修和训练手段的现代化与直升机的先进程度同等重要。采用虚拟维修技术可以不受装备数量、工作环境等条件的限制，有效开展直升机维修和技术人员的培训工作，是保障维修厂“出动率再生”的重要辅助手段。

1 虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），是指计算机模拟的三维真实环境。具体来说，就是采用以计算机技术为核心的各种现代化高科技合成的视听、触觉一体化的特定范围内的虚拟环境，使用者借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用相互影响，从而产生亲临实境的感受和体验。研究表明，人对基于图像、声音等感官器官信息的理解能力远大于对数字、文字等抽象信息的理解、记忆能力，因此，用虚拟现实技术实现的训练系统可以使使用者的训练效果极大地得到改善。

虚拟现实不同于一般的交互三维图形学，首先，他可以使用户从虚拟空间中向外观察，这种感受是用户作为旁观由外部向内部观察无法体会到的；其次，通过虚拟空间，用户可以实时看到随视点而改变的场景，即实时性；最后，用户融入到虚拟现实中，感受与现实世界相同的环境，从而按照实际的工作状态与环境交互，即交互性。这些与计算机仿真有很大的不同。

虚拟维修技术起源于虚拟制造技术，他更侧重于装备的维修、装配及功能上的模拟，并能作到实时交互和浸润感，而虚拟制造技术则侧重于设计和加工制造工艺，他其实是一种基于CAD的仿真，这一类的软件很多，如Unigraphics（UG），虽然有装配功能，但是它必须渲染后才能实现，不是实时的，也不能把人和环境融合到一起，所以还不是真正的虚拟现实技术。

2 虚拟技术在直升机维修中的作用

直升机维修的工作流程是根据故障现象确定故障类型，分析故障原因，找出故障部位，进行故障部件的拆卸或修理。在整个维修过程中，他要求维修人员了解装备的原理、构造，并具有熟练使用检测设备的能力。另外，在维修时，由于故障的不确定性，还可能出现维修工作的反复。而采用虚拟维修技术，可以为维修者提供预先演练的平台，将操作过程在计算机上真实再现，熟悉整个操作过程，并对操作的结果进行评估，大大地提高了维修的效率。另外，如果在设计阶段就引入虚拟维修技术，可以及时发现和修改设计中的不足，以免在直升机使用中才发现设计缺陷，确保直升机的可维修性。

2.1 直升机虚拟维修的特点

作为功能性的软硬件平台，直升机虚拟维修的特点是：

（1）全面逼真的反映现实的维修和技术保障环境及实现过程；

（2）具有功能模拟；

（3）对操作中的出现碰撞、干涉提供报警；

（4）真实的反映人机工程环境；

（5）能对装备维修和技术保障的正确性进行评估；

（6）具有专业技术培训能力。

2.2 直升机虚拟维修的作用

与常规维修相比，直升机虚拟维修技术的突出作用体现在以下几个方面：

2.2.1 预有准备，精确维修

直升机价格昂贵，结构复杂，应尽量避免在直升机上进行不必要的维修操作。当直升机出现故障时，可以通过计算机模拟，真实再现维修过程，了解多种维修方案的可行性，从中选择最优的维修方式，做到预有准备，精確维修，提高工作效率。

2.2.2 一个平台，多种应用

陆航直升机机型较多，对于维修人员有不同的技术要求。采用虚拟维修技术可以在固定的一套软、硬件上开发不同机型的训练、维修系统，不必因机型不同而开发、选择不同的训练、维修设备，大大降低了维修投入，也方便不同机型维修人员的使用。

2.2.3 信息集成，综合保障

作为功能性的维修技术平台，集成了直升机研制、生产、使用和维护全过程的技术信息，建立了模型库、故障库、维修环境等综合化数据库。它不仅可以成为直升机维修、人员培训的重要手段，也可以用于远程技术支援和技术信息查询，是提高陆航装备综合技术保障能力的一种有利途径。

3 直升机虚拟维修的实现

随着计算机技术快速发展，虚拟现实技术正在逐渐使用，西方发达国家早就将其应用与飞行模拟训练，继而又应用在作战、后勤保障、装备研制等方面，产生巨大的效益。在我国，直升机模拟维修技术还处于探索阶段，没有实现真正意义上的虚拟维修。

从整个虚拟维修系统而言，有些方面的理论还在探索中。根据目前直升机虚拟维修的情况来看，应该从基础入手，积累经验，同时跟踪国外先进技术，实现虚拟维修建设的高起点。作为直升机虚拟维修的基础建设，应当从三个方面入手：

3.1 建立直升机虚拟维修系统的三维模型库

三维建模是虚拟维修系统设计的核心，三维数据库又是整个虚拟现实系统三维场景建模的基础，其数据格式对虚拟现实系统的运行质量有极大的影戏。对于直升机虚拟维修的模型库，应将各型直升机的维修工具、主要的维修零、部件按照模块化的方式建立起来。另外还要建立直升机维修的场景模型（包括机舱.机身等），这主要是考虑人机工程和增强“浸润感”。同时，整个虚拟维修系统应采取开放式的系统结构，各种模块间要有细分的功能及接口。作为其模型库应允许直接输入多种来源的CAD数据来构造一个与真实样机比例相同的数字样机，考虑到模型来源的广泛性，它最好还能接受3DSMAX、MULTIGEN、ALIAS等设计软件的三维模型数据格式。另外，我们还要考虑实时交互性的要求，对模型的数字信息进行优化，只提取对虚拟维修系统有用的数据（主要是部件的几何信息和表面信息）。endprint

3.2 建立直升机虚拟维修系统的故障库

故障库是与模型库密切相关的，它通过剧情的方式来体现直升机故障。通过分析直升机各个系统的故障原理，故障涉及的直升机零、部件和维修工具、设备，把一个故障作为一个模型、模型库中存放所需模型的编号、工具和设备编号供虚拟维修系统管理人员调用，提供用户接口可以扩充新的故障。故障库中的故障可以与修理步骤对应。

3.3 确立直升机虚拟维修中的人机工程环境

装备维修性的指导思想是任何装备的维修性设计应与产品本身的设计同步进行，其操作培训在装备使用前就应完成。要实现上述思想，就要考虑人机工程环境，具体地说就是把人体模型放在虚拟直升机上，以便实时地研究可达性、可视性和可维修性。例如：在直升机虚拟系统中，从机件上拆卸一枚螺钉，引入人机工程学后，要考虑操作工具是否可达，操作中的推位、提起等各种动作的人力极限和空间限度，这些需要通过碰撞测试来实现。检测工具与各零、部件之间冲突或是仅仅接触，检测人体与工具、直升机零部件之间冲突或是仅仅接触，以及各维修人员之间身体碰撞的检测，上述三项被称为硬硬碰撞检测、硬软碰撞检测。这种检测对于在有限空间内执行协同维修环境和过程，消除训练与实际维修之间的差别。

3.4 提高直升机虚拟维修的“浸润感”设计，建立维修工作评判系统

“浸润感”设计需要专用的设备支持：多通道的显示系统、立体头盔（或眼镜）、三维跟踪设备（数据手套等）。也可以采用廉价的解决方案，采用在微机上用立体眼镜来观察显示器，利用三维鼠标来进行交互，这是个初级的方案，严格的说还不能称其为“浸润”。但是要实现真正有“浸润感”的虚拟环境，除了需要如SGI的ONYX RE2或IR这样的超级图形工作站外，還有很多技术需要探索。在对直升机进行了虚拟维修后，需要对整个维修过程评判打分，作为维修训练的辅助参考，同时通过过程复现、多视角观察、碰撞检测等技术手段，可以使维修人员快速纠正自己的错误，使维修水平大大提高。

4 结束语

真正实现直升机虚拟维修不仅面临着很多技术上的难题，也是一项工作量巨大的工程。但是，“千里之行始于足下”，只要我们结合现有条件，因陋就简进行虚拟维修系统方面的研究，打牢技术基础，充实模型库、故障库等，逐步实现虚拟维修系统的各部分功能，就能在提高维修质量、训练水平方面发挥作用，实现高“费效”比，缩短直升机形成战斗力的时间。

参考文献

[1]甘茂治，康建设，高崎著.维修工程学[M].北京：国防工业出版社，2005.

[2]马麟等.虚拟维修技术的探讨[J].计算机辅助设计与图形学学报，2005（12）.

作者单位

河北省保定市66350部队 河北省保定市 071000endprint