飞机起落架系统交互式虚拟仿真实验开发与应用研究

孙 斌，张铁纯，杨 柏

（中国民航大学 航空工程学院，天津 300300）

引言

飞机系统课程群是中国民航大学飞行器制造工程专业的核心课程群之一，其中起落架系统知识模块是飞机系统教学体系的重要环节，在新工科教学背景下更加注重学生工程实践及自主创新能力的培养。现代工程中不同民用机型对应的飞机起落架系统各有特点，然而考虑到起落架系统组成以及工作过程的复杂性，在课堂教学过程中一些具体分系统的工作原理及相关实践往往难以展现。

教育信息化2.0重点指出应将教育技术嵌入课程学习系统，而现阶段虚拟现实新兴技术的广泛应用，使教学中缺乏交互能力的静态资源正逐步被三维立体、可智能交互的动态资源取代［1］。虚拟现实技术的应用也正以全新的视角及呈现方式推动着课程教学资源的更新与优化，其中，虚拟仿真实验建设能够将专业学科软件深度融入教学过程中，在当前信息化背景下的教学创新设计中越来越受到重视。

起落架系统实验作为飞机系统类课程的必修模块，旨在为学生提供未来从事民航飞机系统相关工作的理论基础，以及一个对将民航机务维修工作中相应部分进行综合性与系统性认识的实验平台。然而，开展起落架系统实物实验在实际成本、空间场地及设备维护等方面的实施难度均较大，故亟须运用虚拟仿真技术开展飞机起落架系统虚拟教学实验开发。因此，依据飞机系统课程群关于起落架系统实验教学要求，针对飞机起落架元件、起落架系统以及起落架落震专题三个不同场景，从精细化数字模型建立、工作原理模拟及交互式实验设计等方面开展虚拟仿真研究，建设飞机起落架系统虚拟仿真实验平台，并在此基础上设置相应的虚拟仿真实验，使学生通过交互操作完成起落架系统模块化知识内容学习。

一、虚拟现实技术研究背景

虚拟现实技术也被称为灵境技术，能够激励学生学习并集中学生的注意力，在工业及教育等领域均具有广泛应用［2］，同时集计算机技术、计算机图形学技术、多媒体技术、仿真技术、可视化技术、传感器技术、人体工效学、人机交互技术以及人工智能等诸多先进技术于一体［3］。

国外针对虚拟现实技术的研究起步较早，其主要研究方向集中在人机交互方式、软硬件基础平台研发等方面。如西门子的“Cave”项目，基于虚拟现实技术将现实物体的图像以及物理设置完全复制并以虚拟影像投影到一个真实房间的墙壁上，通过墙壁上的跟踪传感器捕捉使用者在房间内的动作并进行反馈。奥迪生产商则推出了虚拟装配线校验技术，流水线工人使用数据手套，在虚拟世界内完成对实际产品的装配，由此可以完成对真实的装配工作的预估与校正，做到在开工之前对装配过程可能出现的问题进行预先的发现与解决，同时可以对装配过程起到对照校对的作用，大大节约了成本。另外，部分学者围绕虚拟现实技术在教育培训中的应用开展了深入研究，分析了采用虚拟现实技术的原因，提出了用于确定何时应用虚拟现实技术的模型［4］，并指出虚拟现实技术是课堂教学中的低成本工具资源［5］。

我国对虚拟现实技术的研究起步较晚，但发展迅速，如中国航天员科研训练中心开发了单机虚拟仿真操纵训练系统［6］，用于对航天员进行航天器各项操纵的培训，并在后续扩展中开发了基于虚拟仿真技术的多航天员外太空协同合作模拟训练系统，多名航天员可在该虚拟仿真平台中对航天器进行协同操作，极大地提升了航天员的相关技能，保障了航天工程的成功与安全。在教育教学方面，近年来随着我国现代信息数字化技术的发展，高校传统教学中的二维课程资源更新为多角度三维可互动资源，从而带来更深刻的学习体验。特别是在工科专业的工程实训课程中，虚拟现实技术起到了重要作用，其将课程所需设备进行建模后放置于虚拟空间，并设定其互动效果，师生通过穿戴VR设备进入虚拟空间，使用如手柄、触控笔等外设进行交互，完成教学任务。虚拟现实技术在教学中的应用优化了教学方式，各高校相继开展了虚拟仿真教学平台的建设工作，并逐步投入教学应用［7］，有效地提升了课程教学的质量与学习效果。

二、起落架系统虚拟仿真实验开发及应用

考虑飞机系统课程群涉及民用飞机系统类别多、覆盖面广，重点针对其中极具代表性的起落架系统进行虚拟仿真实验开发。选取典型单通道民航客机的起落架系统为目标研究对象，在虚拟现实环境下分别从元件级（起落架系统关键附件3D虚拟装配）、系统级（起落架典型分系统3D虚拟装配）以及起落架落震专题虚拟仿真方面进行多视角飞机起落架虚拟仿真实验内容总体设计（如图1所示），并参考目标机型相关工程技术手册及附件实物，采用3DS MAX、CATIA以及Unity3D等软件，进行仿真模型建立、部件运动动画编排、交互式虚拟实验场景及实验步骤设计。

图1 飞机起落架系统虚拟仿真实验内容设计

（一）基于虚拟实验台的起落架系统元件级虚拟仿真实验开发

选取起落架系统关键附件作为仿真重点，旨在切实模拟系统各个部件在实际工作情况下的工作特征与工作性能。元件级虚拟仿真以前起落架本体、主起落架本体、机轮以及刹车装置为主要建设对象，基于相关手册梳理所需的关键技术参数进行建模与装配，重点模拟飞机起落架系统的构成与维护过程中的拆装场景。

依托虚拟仿真实验台，导入元件级虚拟仿真三维模型，学生可在任一计算机终端对起落架系统元件模块进行仿真实验，避免了实验地点与实验设备的束缚，在很大程度上打破了时空地域的限制。由于元件级仿真模型均严格参照目标机型工程技术手册以及附件实物构型进行尺寸参数设定。学生可以系统地学习起落架系统包含的元件构成，掌握各典型元件的详细工作特征，并锻炼自身借助虚拟仿真视角综合运用所学专业知识分析问题的工程实践能力。

（二）基于虚拟铁鸟的起落架系统级虚拟仿真实验开发

将起落架分系统仿真数字模型置于已搭建完成的虚拟铁鸟实验场景，包括收放系统、前轮转弯系统、减震系统及机轮刹车系统，实现起落架收放、前轮转弯、减震器充灌［静态性能曲线（勤务）］和机轮刹车工作原理展示。将前、主起落架本体安装至虚拟铁鸟模型上预留的接口，构建包含飞机起落架系统与飞机整体结构的相对位置、操纵联动和典型工作场景的虚拟仿真实验平台。学生可以在第三人称视角下在虚拟场景中对虚拟铁鸟进行三维巡游，并能按照具体实验步骤完成相应精细化三维数字模型的零部件组成认知、位置识别、虚拟装配以及各分系统工作原理模拟等互动操作流程。

该虚拟铁鸟的起落架关联场景涵盖飞机结构框架和起落架系统各个部件的精细化建模，具有模型细节充分、模型尺寸数据可靠和可交互性强等特点。基于模块化设计，使得基于该系统级虚拟仿真平台可以对其他机型起落架系统中不同的部件进行建模，以替换现有的部件，实现单平台满足不同机型学习的需求，并减少教学开发成本。还可将渲染完成的目标机型起落架系统级模型导入至3D+VR技术平台，借助沉浸式虚拟仿真技术实现飞机起落架系统级仿真模型的交互式虚拟仿真实验，使学生能从整体视角深刻理解起落架各分系统工作原理。

（三）起落架落震专题虚拟仿真实验开发

考虑在实际民用飞机起落架减震系统设计工程中，需要开展飞机起落架限制落震以及储备能量落震试验，以满足起落架减震适航要求。为了深入培养学生的工程分析能力，对飞机起落架关键系统工作原理做到知其然更知其所以然，在铁鸟级虚拟实验模型环境下创建飞机起落架落震试验过程虚拟仿真模拟专区。选取目标以单通道机型前、主起落架附带减震系统细节的整体模型为建设对象，通过起落架宏观站位尺寸比例换算，根据前期调研获取的实际起落架落震试验台参数、设备构成原理以及落震曲线等，建立起落架落震虚拟实验台，并设计交互式虚拟实验界面及操作流程。学生可通过互动操作掌握实际起落架落震试验的操作过程和注意事项，从而深化对现代民用飞机起落架减震性能影响参数和减震系统工作原理的理解。

（四）起落架系统虚拟仿真实验教学应用研究

交互式起落架系统虚拟仿真实验教学为学生提供了一个可以从任意角度对起落架系统组成进行观察、学习和交互的平台，有利于学生更好地掌握飞机起落架系统的相关教学内容。学生可以使用VR设备根据虚拟实验指导书进行相关实验，包含对起落架系统不同元件或分系统模块进行互动操作，进行起落架虚拟落震过程实施前对应预设参数设定与模拟等，使学生能够以从元件和系统等不同层面深刻理解典型起落架分系统组成、部件查找拆装方法以及工作原理，掌握适航验证阶段起落架落震试验的操作过程与注意事项，并熟悉民用飞机起落架系统减震设计的主要技术特征。

在实际教学中，由于现代民用飞机起落架系统工作原理较复杂，该实验需要学生具有一定的飞机起落架系统基础理论知识，在实验之前学生应熟练掌握实验大纲、实验指导书等相关教学文件内容，在虚拟实验过程中实时且详细地记录实验情况与结果，并在实验后进行分析总结，撰写飞机起落架系统虚拟仿真实验报告。针对实验报告反馈的学习情况，完善虚拟仿真实验流程及教学模式。

此外，为了提升各虚拟场景的实际展现效果，从软件层面入手，借助Unity3D软件优化虚拟仿真实验平台的交互过程，保证在各个视角下帧数稳定、交互式操作无误差等。将各场景下的模型做优化渲染，去除目标模型中的折叠数据，保留外形、约束等基础数据，并在教学中隐藏与当前教学内容无关的模型内容，减少相应视角下的模型加载量，以降低虚拟仿真实验平台对计算机硬件的要求。

随着国内外新机型及其起落架系统新技术不断投入工程应用，虚拟仿真需求后续还将会从3D+VR进一步扩展至AR等技术范畴中。虚拟仿真实验平台属于开源化设计，基于已有虚拟实验框架与平台，飞机系统相关专业教师可指导学生参与虚拟仿真实验模型建设以及平台程序优化等工作，实现教学平台内虚拟仿真实验模型的持续建设与实时更新。起落架系统虚拟仿真实验开发思路还可用于指导飞机系统课程群教学内容中（如飞机液压系统、燃油系统、气源系统、空调系统、防冰排雨系统、氧气系统以及防火系统等其他飞机系统）的虚拟仿真实验建设工作，具有很好的教学应用前景。

结语

在新工科背景下高校机务类专业培养体系中，飞机系统类课程教学直接与涵盖范围广泛的飞机系统航线维护安全相关，对学生的工程实践能力培养提出了更高的要求。通过面向现代民用飞机起落架系统的虚拟仿真实验开发，在虚拟铁鸟场景模型基础上构建起落架系统精细化数字模型，分别实现了起落架本体元件的建模与装配，起落架分系统部件位置、虚拟安装和工作原理展示，以及起落架落震虚拟实验界面、操作流程设计和落震过程模拟等，并借助Unity3D完成虚拟仿真实验互动过程封装，形成了典型民用飞机系统开展交互式虚拟仿真实验建设的实施方法。飞机起落架系统虚拟仿真实验平台的模块化、开源化设计有效地保证了教学资源的可拓展性，为其在其他飞机系统类课程及民航工程领域中的推广应用奠定了重要基础。