基于VR的AN24飞机维修与排故教学平台的设计

李冠宸，邱峰，郑嘉富，施浩

（上海工程技术大学航空运输学院/飞行学院，上海 201620）

目前，我国在航空维修实训教学中存在诸多的问题，如教学成本较高、初学者上手困难、安全隐患颇多等。VR技术的出现能够很好地解决在航空维修实训教学中遇到的诸多问题。

本文通过虚拟现实技术，基于3ds Max和Unity3D建立一个AN24飞机维修教学的平台。目前国内外基于虚拟现实技术应用于航空方面的研究有很多。在国内，施新宇等人利用VR技术针对涡喷六航空发动机的维修设计制作了虚拟教学平台[1]；张雪峰等将虚拟现实技术与起落架模型相结合模拟起落架收放运动，从而达到虚拟教学目的[2]；也有将VR技术应用于实际教学中：张钰等人将VR技术应用在机械加工虚拟仿真教学[3]；王璐等人将虚拟现实技术应用在体育教学中[4]；王景涛等人将VR/AR运用在妇科手术教学[5]以及季娟等人将虚拟现实技术运用在3D铸造仿真实训系统[6]。国外方面，Haslina Arshad等人提出将VR技术作为教学工具运用于工程学中[7]。项目通过大量建模，将AN24飞机以及涡桨-5发动机模型真实还原出来，利用VR技术的交互特性，构建出一个沉浸感强的科普及维修一体的教学平台。通过三维模型的建立，将VR技术带入航空维修教学当中，在保证发动机维修专业性前提下，不但满足高校关于发动机维修专业的教学需求，而且可以促进学生的学习兴趣，培养学生的空间能力、动手能力。

1 项目制作

1.1 模型测绘

将涡桨-5发动机进行部件拆卸并进行编号测量、绘制简易图纸，同时在网上和书籍等相关渠道查询AN24飞机相关参数。航空发动机对于精密度要求很高，在测量过程中使用千分尺、游标卡尺、螺旋测微器等工具，为了避免由于测量方法不当、误读等人为因素造成的差异，采用多次测量取平均值的方法使测量得到的模型数据更贴近实际。根据标注的数据在Au⁃toCAD中进行部件三视图的绘制。图纸数据整理完毕后，导入计算机用以建模。

图1 启动发电机外部三视图

1.2 模型建模

本文将3ds Max2018版本作为主要建模平台。发动机零部件较多，且部分部件为不规则体，所以需将此类部件进行简单的三维模型拆分，确定每一个拆分部件的参数以及三维坐标，最终通过布尔运算将其整合为一个复杂的部件。也可以将一个基本的三维模型转换成可编辑多边形，通过不断修改模型上的点、线、面的位置来得到想要的复杂零件。当重复出现多个部件时，可以使用FFD（将物体以自身坐标轴或指定坐标轴进行复制、平移、旋转阵列等）。要注意的是，布尔是在建立模型中比较方便的运算方式，它可以实现多个物体的交集、并集、补集等运算，但是经过运算后会产生一些多余的模型，此时需要考虑是否重新选择运算对象或者将多余模型删除。

图2 发动机部件建模

1.3 从3ds Max到Unity3D构建场景

将模型导入Unity3D之前，需要先将各零部件按照拆分需要进行组类分别，以便后续在Unity3D中对各部件添加特定代码。同时为保证零件均为可拆分体，且位置能够独立运动，需要按照零件自身重置坐标轴，保证坐标统一。对于某些看起来不平整的模型，需要对其添加涡轮平滑的命令以增加其视觉效果。

模型搭建完毕后，为了实现VR的各项交互功能，需要将模型导入游戏开发平台Unity3D进行下一步处理。在导入时，需要将文件保存为obj格式，待所有物体均导入Unity3D中，则要进行模型的排布工作。合理运用软件中的xyz坐标和三视图来帮助修改位置参数。根据之前在3ds Max中选定的组别来拖动每一模型，使之达到相应位置，拖动组时，组别下面的子物体也会随之移动。Unity3D中场景共分为两部分，一部分是AN24飞机展示科普区，另一部分为发动机拆装区域，用于学生进行发动机系统拆装维修培训。

图3 涡桨-5发动机拆装室

1.4 贴图

为了使模型更贴合现实，需要对模型进行贴图处理，通过拍照取材或者网络渠道得到的贴图材质，都需要将这些贴图制成材质球。为了增加贴图的材质感，需要添加凹凸贴图、漫反射等素材。对于一些大型的物体，需要将物体在3ds Max中用UVW根据正面、侧面等视角进行展开，并在每个展开面上依次进行贴图，在导入Unity3D中时，需要将贴图材料按照模型文件路径一同导入。

2 交互功能的实现及编程

2.1 环境的搭建与设备的选用

项目所选用的设备为HTCvivepro，该设备与steamVR匹配良好，通过预设Unity3D中的camera可以直接看到所建场景。同时为了实现交互更加便捷，首先在Unity3D中导入VRTK及SteamVR Plugin两个插件。VRTK可以实现抛物线及位置定位、手柄发射射线、处理UI交互、物体拖动、射线处理物品拖动等操作。

2.2 手部动作与物体交互

为了实现手在抓取物体时产生的动作，创建一个AnimatorController资源，将交互每个部件的动画拖入其中，连接好播放逻辑，角色的Animator中选择Ani⁃matorController资源，通过脚本的animator.setXXXX（）等函数来调用动画。在进行物体交互之前，被抓取的物 体 需 要 添 加collider、Rigidbody、VTRTK_Inter⁃actableObject，并勾选Is Grabbable或者在手柄的控制器 中 添 加VRTK_InteractGrab、VRTK_InteractTouch、VRTK_ControllerEvent并通过Grab Button选择拾取物体。给物体加完碰撞体后，还需要不断进入场景中，利用手柄进行交互。例如：人和物体可移动范围是否匹配、当用工具对发动机进行拆卸时是否会出现碰撞问题等。为了加强教学性质，当学员进行不正当操作时，项目还具有特定的报错功能。

利用VisualStudio软件编写的部分代码如下：

3 结束语

针对目前在航空发动机维修教学方面的问题，运用虚拟现实技术，在安全性上规避了在航空维修时发动机难操作、学员上手困难、零部件易磨损、拆卸时有安全隐患等问题。同时学员也可在不同时间、不同地点通过远程操作，可以进行多设备联机多次学习。在经济性上航空燃油等化学材料带来的环境问题也能够避免，做到了绿色环保。相比于传统的教学模式，用VR带入教学不仅能解决上述的问题，同时学员能够得到更加直观的教学体验。