基于VR的AN24飞机维修与排故平台的设计与制作
作者： 郑嘉富 邱峰 李冠宸 施浩
摘要：文章依托当今普遍使用的虚拟现实技术，结合3ds MAX、Unity3D、Visual Studio等软件，通过大量建模将AN24飞机的发动机、座舱、外形完整地展现出来，在编程方面利用SteamVR2.0新特性创造出最贴近真实的交互环境，构建出一个既能够科普航空知识，又能够为航空类院校作教学之用的航空部件维修平台，与VR设备相结合给体验者带来最直观的感受。
关键词：AN24飞机;涡桨-5发动机;航空器械维修;虚拟现实技术;拆装教学
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2022）16-0103-02
1 概述
当前随着信息化的推进，虚拟现实技术在生活工作中扮演着重要的角色。民用航空也逐渐兴起，甚至成为人们日常出行的选择之一，飞机种类、数量的增加也使得各大航空公司对专业型及服务型人才的需求急剧上升。机务相当于航空业的医生，在上万次的飞行中，机务需要保证飞机的机械、航电设备处于良好可用的状态，每一个细小的零件都关系到飞行安全，因此对机务人员的培训不可小觑。
本文依托 VR技术解决目前航空公司及相关院校遇到的问题，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];将VR技术运用于教学中在国内也有相关研究可寻：刘德建等人探究VR技术在教学领域方面的前景[3];高义栋等人将VR技术用于红色场馆进行思想教育实践[4]。同时VR技术也多用于高新技术行业，如王伟的VR手功能康复系统[5]以及孙治博等人在钻床工程方面的研究[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[7]。本文提出通过VR技术向普通大众以一种更为有趣、更具沉浸式的体验科普航空相关的知识;同时通过对飞机整体进行高精度还原，让VR技术参与到课堂教学中。发动机是飞机的核心部件，若机务维修人员处理不当或操作失误很可能导致发动机在飞行过程中停止工作，引起飞机空中停车等重大问题。因此发动机的拆卸维修学习是每个机务学生的必修课程。使用相关插件配合VR设备，无论是从专业性而言，还是从较强的交互性而言，本文都能满足高校关于发动机维修专业的教学需求，在降低成本的同时又能提高教学质量。
2 项目制作
2.1 模型测绘
利用学校发动机陈列室中的涡桨-5发动机及联航涂装AN24飞机，通过拆卸发动机，对各零部件进行测量，同时查询AN24飞机相关参数。测量过程中使用游标卡尺等工具测量，得到所需对象的较高精度测量值，再使用AutoCAD进行三视图绘制。图纸数据整理完毕后，导入计算机用以建模。同时，对校园内联航涂装AN24飞机进行拍照取样，以便后续贴图之用。
2.2模型建模
本文以3d MAX 2018版本作为主要建模平台。为了尽可能还原整个飞机，需要仔细观察测量飞机每个部分的细节，同时查询包括座舱、发动机、起落架、飞机外形的相关数据，按照真实尺寸进行建模。由于零件中有很多是不规则三维图形，为了特别绘制这些内容，需要采用大量的可编辑多边形、布尔等操作。要注意的是，采取可编辑多边形后，模型将由大量的点、线、面构成，需要仔细甄别需要修改的对象，否则会出现缺漏等问题;布尔是模型挖孔、切削等工作中较为便捷的方式，它的运算原理中包含交、并、补等常见功能，但是经过运算后会产生不可见的多余模型，此时需要将多余的模型删除，否则会在后续导出obj文件、导入到Unity3D平台等过程中产生卡顿，极大影响渲染速度。
2.3贴图
通过拍照取材或者网络渠道得到的贴图材质，都需要自己将这些贴图制成材质球，一个材质球包含diffuse、glossiness、height、normal等几个方面的素材内容。在了解高光、漫反射等贴图所需素材后，对于AN24飞机的贴图需要进入UVW这个更难的贴图领域，首先需要将整个模型按照正面、侧面等不同视角拆分成几个部分再进行贴图，将现实生活中拍到的联航涂装AN24飞机照片导入到Photoshop中进行处理，最后使用UVW贴图功能进行绘制，最后导出贴图文件。在模型通过3ds MAX导出成FBX格式后导入到Unity3D中还要按路径再次附上贴图。
2.4场景搭建
基于VR的AN24飞机维修与排故平台大体分为两个区域：1）包含飞机本体及座舱的科普参观区域。2）包含涡桨-5发动机的维修区域。首先将场景模型导入到Unity3D场景中，发动机以及飞机模型在导入Unity3d前需要先导出obj文件，否则平台无法识别。维修区域包含：工具拿取区域、大型零部件放置区域、螺丝放置区域等，场景布置能够让学生养成良好的工具收纳、零部件收纳习惯。
2.5交互功能的实现及编程
首先在Unity3D中导入VRTK及SteamVR Plugin两个必要插件，但是这两个插件以及Unity3d版本的兼容性是需要考虑的第一步，在确定了SteamVR 1.2.0以及VRTK1.2.3和Unity3d 2017.1.1f1的组合后，为了后续对功能要求的提高，可以直接采用2.0版本的新版SteamVR插件。
为了贴近真实环境，需要更换手部模型，可以在SteamVR的预设包中找到手部模型进行替换;在需要互动的物体上添加刚体及碰撞体，使用editcolider进行碰撞体范围设定，然后使用碰撞体的触发效果完成发动机的拆卸功能，需要注意碰撞体范围不可重叠，否则会出现Bug;通过编写脚本使发动机架拥有转动功能（具体代码见下文所示），以及用于提醒学员的报错功能。通过材质球对模型进行渲染，使得整体模型在场景中更为贴近真实。VR场景中使用、触摸、抓取需要分别对交互物体添加Interactable、Throwable等脚本，以及在场景中添加Teleport Area，使用手柄触摸盘进行移动。项目中还涉及Steam2.0新功能，利用Skeleton插件为部件定制抓、握、捧等手势，该插件分为多个层级，手腕、手掌、手指、关节，通过这几部分的配合调节，最终让体验者的沉浸感更进一步。在项目开发过程中，调试人员需要重复穿戴头盔进行检查，例如VR视角的高度是否适合场景，操作过程中是否会产生Bug以及不同脚本间是否会产生冲突等。
利用Visual Studio软件编写的部分代码如下：
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
public class 运动 ： MonoBehaviour
{ int step = 0;
int i = 0;
// Use this for initialization
void Start（）
{ }
// Update is called once per frame
void Update（）
{}
void OnGUI（）
{ if （Input.GetKey（KeyCode.W））
{ transform.Rotate（new Vector3（0， 0， -1）， 0.5f）;
GameObject.Find（"gan1"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， 1）， 0.5f）;
GameObject.Find（"gan2"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， 1）， 0.5f）;
GameObject.Find（"zhuanzhou"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， 1）， 0.5f）;
GameObject.Find（"engine"）.transform.Rotate（new Vector3（1， 0， 0）， 0.5f）;}
if （Input.GetKey（KeyCode.E））
{ transform.Rotate（new Vector3（0， 0， 1）， 0.5f）;
GameObject.Find（"gan1"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， -1）， 0.5f）;
GameObject.Find（"gan2"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， -1）， 0.5f）;
GameObject.Find（"zhuanzhou"）.transform.Rotate（new Vector3（0， 0， -1）， 0.5f）;
GameObject.Find（"engine"）.transform.Rotate（new Vector3（-1， 0， 0）， 0.5f）;}}}
3 结束语
针对目前在航空发动机维修教学方面的问题，本文提出通过VR技术介入，不受维修设备数量及地域范围限制，可以减少培训成本，提高效率。学员也可在不同时间、不同地点通过远程操作，进行多次学习，避免了发动机部件磨损、初学者上手困难以及操作过程中出现事故等问题。除了以上提到的几点外，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。本文提出利用虚拟现实技术以及大量的零件建模解决这些问题，可以让学员充分全面地学习到发动机拆装技术。
参考文献：
[1] 施新宇，邱峰，石承玉，等.基于VR的涡喷六航空发动机虚拟实验平台的设计与制作[J].电脑知识与技术，2020，16（1）：251-252，256.
[2] 张雪峰，施浩，朱正.基于VR/AR的初教六飞机起落架模型的设计制作[J].电脑知识与技术，2019，15（3）：264-265.
[3] 刘德建，刘晓琳，张琰，等.虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战[J].开放教育研究，2016，22（4）：25-31.
[4] 高义栋，闫秀敏，李欣.沉浸式虚拟现实场馆的设计与实现——以高校思想政治理论课实践教学中红色VR展馆开发为例[J].电化教育研究，2017，38（12）：73-78，85.
[5] 王伟.杨帮华，李博，等.基于VR技术的手功能康复系统设计[C]//济南：2017中国自动化大会（CAC2017）暨国际智能制造创新大会（CIMIC2017）， 2017： 976-980.
[6] 孙治博，史成坤，李瑞豪，等.基于VR的钻床工程实践教学辅助系统的探索与研究[J].实验技术与管理，2020，37（9）：135-138.
[7] Arshad H，Hamouda A M S，Ismail N，et al.Virtual Reality as a training tool in engineering education[J].World Review of Science，Technology and Sustainable Development，2008，5（3/4）：389.
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