基于unity3D的初教六飞机起落架收放以及拆装运动模拟

张嵩逸 施浩 朱正

摘要：本文提出了在unity3D平台上对初教六起落架收放和拆卸重组装的运动设计模拟。首先对起落架各零件进行精细测绘，再运用力学分析和误差校准组合，建立3D模型，最后将模型导入unity3D进行运动模拟。使得可以在VR环境中自行控制演示起落架的收放运动，以及操纵工具对虚拟起落架设备进行拆卸以及重组装。这让初学起落架原理的维修人员能够更好地了解其运动构造，练习维修时必要的拆装过程，为现实维修做铺垫。

关键词：unity3D;起落架;运动模拟

中图分类号：TP399 文献标识码：A

1概述

VR技术，也称人工环境，是指利用电脑或其他智能计算设备模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同完全浸入，产生身临其境的感觉。当今全世界都有运用这项技术投入到专业研究或教育目的中去，比如，矿山设备维修仿真VR系统，它能动态地预演维修保障过程，用来解决维修保障是否合理的问题嘲。虚拟现实常用工具有VRML建模语言、X3D语言、Cult 3D网络技术、Unity 3D交互平台等，再结合实体建模、动画制作、网页制作、网络数据库以及Java编程等技术，可开发出具有真实性、交互性、网络化的虚拟平台。本文在unity3D平台中使用C++语言，实现多个零件的三维运动，再进而完成对起落架收放以及拆装操作的整体模拟。

2初教六起落架收放运动的设计

设计运动有三个步骤。1）对实际起落架的结构完成1：1建模，了解其中活塞、滑件等部件的组合工作机理，对各个零件的配合情况做参数处理。由收放筒为主驱动，多个构件同时运动，各轮架完成单一输出的机构运动;2）对已做出的3D模型进行实际的运动分析，根据误差与实际运动情况做修正，测量实际起落架的运动幅度，再根据unity的尺寸系数做出调整;3）创建代码文件，附着在运动构件上，运用transform.Translate语句实现角度翻转，transform.Rotate实现平移，根据实际机械运动原理调整每个单体零件的运动，再总体组合为整个机械结构的运动，实现运动模拟。如图1所示。

3拆裝工具模型的建立

飞机起落架的三维模型建立好之后，为了配合VR模拟手动拆装，保证最大的真实性，最重要的就是将航空维修手册中所有要求规格的拆装工具移植到虚拟现实中。而由于unity3d的尺寸精度与实际工具有误差，因此在unity中采用与实际尺寸系列同比例的缩放。本文利用误差分析理论以及最常用的最小二乘法定位算法进行理论分析，给出定位误差范围;并利用误差分析对装配位置进行优化，能够提高定位精度。效果图2所示。

4工具交互的设计

4.1模型运动的实现

在将零件导入unity3d之前，将max文件转换成*.FBX格式，再在unity3d中将其导入进预先建立好的场景中并放置进去。因为3dmax和unity互不兼容的原因，需要在unity中将机械结构的零件重新分组。调整需要进行拆装的机械部件，添加碰撞体积，达到手动选定和操作的效果。对于拆装工具也进行同步操作。调整每个零件的运动轴心到运动时的各个中心位置，有些零件的运动中心不在其本身。因为在VR中要有用手抓取、移动工具并做出相对应的操作的功能，所以需要在工具和相应的拆装零件上加上模拟模块，使得在虚拟现实中也有类似现实中的重力，惯性，以及各种物理特性，以达到模拟工具和零件碰撞接触的效果。在工具上加上碰撞体积，选中Physics，添加Box Colider，手动拉选碰撞体积的大小和位置，即可在VR中用手触碰这块区域并选定抓取。

4.2拆装运动的实现

为了最大限度还原维修实景，制作了手部模型，用以替换unity3d VR开发原本的手柄外形，在VR眼镜中，操作者将看到趋近真实的双手。触碰到工具后，按下手柄扳机键，即可将零件的模型与手部模型契合在一起，达到抓取工具的视觉效果。如图3所示。因为每个工具的操作手势不同，所以设计了手部的运动，在抓取每个部件时同步触发不同的手势变化，最大还原正确的工具抓握方法。同样，起落架的每个零部件的抓取姿势在实际的维修中也有一定的要求，因此同理，在抓取零部件时也会触发相应的手部动作。工具的使用情况如图4所示。

6模型渲染

渲染驱动是对已建好的三维模型，在虚拟场景中需要对其进行实时的表面颜色、阴影和动态光照的渲染。模型渲染的目的是实现虚拟场景的实时渲染构建，使得操作者与虚拟环境之间的实时交互操作响应。而我们首先采用了贴图路径，其主要有两种形式，空间和切平面。本系统主要采用了NM较为常见的后者——法线切平面贴图，该贴图模式将平面的图片处理成凹凸有致的视觉效果，使得模型再背光凹凸处与向光处的差别显而易见且相对自然。（图5所示为机轮的实际渲染效果）在VR环境的空间里加上柔和光，创造出趋同现实的室内效果。再利用V-Ray软件和3DMAX软件多模型进行渲染，构造出具有较强真实感的虚拟作业场景。

7结论

航空起落架的维修在整体的飞机维护中是最重要的一环。然而在新手维修人员的练习过程中难免会因为经验的缺乏对实体起落架设备造成不可逆的损伤或者意外。将维修技术与VR虚拟现实技术有效的结合，有助于减少教学成本，提高教学效率和质量。通过对机械构造和运动原理的可交互式复刻，使得维修人员对于起落架维修有更好的理解。其中的细节设计也严格符合维修流程的规定。因此本系统能在航空维修中起到重要作用。