基于VR的起落架維修教學(xué)平臺

朱正 施浩 張雪峰

摘要：本文提出以VR技術(shù)制造出的虛擬教學(xué)訓(xùn)練環(huán)境來改善維修人員的實操水平。通過對于3dsMAX 、Unity3D、CAD的學(xué)習(xí)與運用與整合，創(chuàng)造出1：1的虛擬模型、工具以及環(huán)境，實現(xiàn)VR維修平臺模擬教學(xué)演示以及自主操作功能，達(dá)到學(xué)員能夠觀看教程演示后，能夠進(jìn)行專項拆裝訓(xùn)練的目的。本虛擬拆裝維修教學(xué)讓學(xué)員可以在自主學(xué)習(xí)中，掌握飛行器部件裝配過程，為實踐拆裝操作奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);3dsMAX ;Unity3D;CAD;教程演示;拆裝模擬;自主學(xué)習(xí)

1 概述

本虛擬維修平臺的建設(shè)可作為一種新型的教學(xué)手段，能夠讓學(xué)員們在VR環(huán)境中了解飛行器結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，編織教程以及專項練習(xí)，讓實訓(xùn)者進(jìn)一步熟悉具體部件的拆卸和裝配的工藝流程，給予交互式與沉浸式的功能體驗，自行選擇虛擬練習(xí)的方式方向，來達(dá)到提高總體實操技能水平的目的，為飛機構(gòu)造和航空發(fā)動機課程的教學(xué)實踐服務(wù)。本平臺既具有開放性特點，讓學(xué)員通過教程的觀看學(xué)習(xí)后，自主選擇專項訓(xùn)練，又具有針對性，能夠改善現(xiàn)實操作條件有限的現(xiàn)狀，專項性地提升維修學(xué)員實操水平。其科技成果可供校際交流和共享。其后續(xù)完善的升級版還可供部隊和航空公司作為機務(wù)人員的培訓(xùn)和考核器材使用。

2 設(shè)計思路

航空器械維修的教學(xué)方式就現(xiàn)在而言主要以維修手冊的理論基礎(chǔ)以及實際操作維修器械教學(xué)兩種。前者缺乏實際操作中切身實際的體會，難以有效率地積累經(jīng)驗提高技能;后者雖然是最直觀有效的培訓(xùn)方式，但究其成本以及容錯率，很難達(dá)到大批量次的培訓(xùn)目的。而本虛擬平臺及其教學(xué)演示的建立能夠為此提供便利，以引導(dǎo)以及提供自學(xué)環(huán)境為目的，在虛擬環(huán)境中提供現(xiàn)實環(huán)境中的教學(xué)體驗，又無須考慮現(xiàn)實中器械維修可能帶來的維修風(fēng)險或是成本損失。

再以起落架維修教學(xué)平臺為基礎(chǔ)，將其能夠設(shè)計出的各項相關(guān)訓(xùn)練項目進(jìn)行編程制作，期間需邀請采訪專業(yè)的維修人員進(jìn)行維修指導(dǎo)后，將維修教程演示以及可能遇到的突發(fā)情況編輯錄制入視頻，導(dǎo)入虛擬平臺中的相關(guān)專項作為教學(xué)演示，以此為學(xué)員提供最正確的引導(dǎo)教學(xué)。最后使用編程軟件編寫學(xué)員選取工具時的引導(dǎo)內(nèi)容以及操作失誤時的報錯內(nèi)容，以此達(dá)到學(xué)員在教程的幫助下，脫離手冊，自主選擇所需練習(xí)的專項，且能在第一時間認(rèn)識改正操作中的疏漏。后續(xù)若能提供成為專項考核平臺，也可以使用計分制或是熟練度累計制來考核學(xué)員，以此糾正改善學(xué)員們的實操水平，為培訓(xùn)機構(gòu)提供便利。

3 關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)方法

3.1三維建模

虛擬模型的還原度決定了虛擬教學(xué)的質(zhì)量。本虛擬平臺依據(jù)參考資料中器械的實際數(shù)據(jù)，以CAD整合圖紙為基礎(chǔ)，使用3dsMAX軟件建立并且利用誤差分析理論以及最小二乘法定位算法，給出定位誤差范圍，對模型進(jìn)行優(yōu)化，最大限度地提高各零件的識別度方便學(xué)員分辨，再采用減面工PolygonCruncher8.03來減面。

3.2模型渲染與場景建立

模型導(dǎo)入到Unity3D軟件前將MAX文件格式改為FBX。利用材質(zhì)球?qū)δＰ瓦M(jìn)行渲染，在UV編輯器中利用V-Ray將模型的部分高精度模型部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹械途饶Ｐ筒⑦M(jìn)行紋理渲染。進(jìn)入Unity3D界面，在場景中添加地面以及房間，通過添加燈光和天空盒使得模型在VR頭盔中可見，放置相機進(jìn)行捕捉模型對模型進(jìn)行精準(zhǔn)定位，模擬實際拆裝操作場地。在UI界面創(chuàng)建告示牌標(biāo)語，進(jìn)行拆裝步驟提示，為學(xué)員提供本平臺及初始指導(dǎo)介紹。在unity3D引擎內(nèi)置的Standard Assets資源包的Prefabs項下，找到名為First Person Controller的預(yù)制對象，將其加入場景創(chuàng)建第一人稱視角，將手柄模型建立成真人雙手的模型，進(jìn)一步增加寫實感，方便學(xué)員“手把手”地跟著教學(xué)演示進(jìn)行模擬練習(xí)的。

3.3代碼編譯

本維修平臺采用unity3D引擎內(nèi)置的Visual Studio 2017進(jìn)行C#語言的編寫，通過代碼編譯進(jìn)行交互控制，實現(xiàn)觸碰零部件模型高亮、抓取零部件拆裝、錯誤拆裝報錯等一系列交互式功能，平臺顯示的錯誤均是未按手冊正確拆裝，通過反復(fù)訓(xùn)練，加深學(xué)員記憶，達(dá)到脫離手冊文字后，由虛擬培訓(xùn)到實際維修操作的平滑過渡。

4 平臺功能

4.1基礎(chǔ)功能

本維修平臺建立的目的一是提供一個學(xué)員能夠自主學(xué)習(xí)的虛擬環(huán)境，加強實操技能，二是節(jié)約維修培訓(xùn)時的成本。平臺的維修教學(xué)流程均以AMM手冊為基礎(chǔ)依據(jù)，嚴(yán)格按照手冊進(jìn)行拆裝，操作過程中伴有提示與引導(dǎo)，更加清晰直觀。在觸碰零部件時顯示為高亮，并顯示部件名稱。在選用工具時會有相應(yīng)的文字提示，選用錯誤工具時及時報錯，且當(dāng)訓(xùn)練項目失敗或者超時時，可以選擇一鍵重置，避免了現(xiàn)實中器械維修損壞的可能，也簡化了煩瑣的重置流程。學(xué)員完全可以選擇欠缺的專項進(jìn)行重復(fù)練習(xí)，在低成本的反復(fù)復(fù)原訓(xùn)練中，大幅度提高了專項技能的熟練度，也為培訓(xùn)機構(gòu)大幅度提高了教學(xué)質(zhì)量。

4.2 訓(xùn)練流程

本維修平臺以維修手冊為基礎(chǔ)，制定相應(yīng)的維修專項練習(xí)欄目，學(xué)員能夠在虛擬初始界面中選擇專項訓(xùn)練，參照教學(xué)演示的任務(wù)流程進(jìn)行虛擬操作，如選取零部件以及使用工具拆裝等，每進(jìn)行一步操作都會有相應(yīng)的操作提示，方便學(xué)員正確地完成維修操作。當(dāng)某項訓(xùn)練內(nèi)容完成后可以選擇返回主界面或是查看自己本次操作的完成度，直觀地認(rèn)識到某方面的欠缺，方便多次反復(fù)訓(xùn)練。

4.3 考核流程

后續(xù)若能提供成為專項考核平臺，也可以使用計分制或是熟練度累計制來培養(yǎng)學(xué)員，在訓(xùn)練模式中達(dá)到一定程度的學(xué)員可以選擇考核，考核時學(xué)員將只能接受到任務(wù)流程，且會刪除關(guān)鍵提示，考核人員在外部觀看學(xué)員在虛擬環(huán)境中的操作，與標(biāo)準(zhǔn)教程教學(xué)進(jìn)行對比打分，以此達(dá)到考核的目的。

5 結(jié)論

航空器械的維修作為飛機維護(hù)中的重頭戲，對維修專業(yè)人才的培養(yǎng)尤為重要。而積累維修經(jīng)驗的最快方式就是進(jìn)行實際操作，但其較低的容錯率以及較高的成本，導(dǎo)致學(xué)員很難進(jìn)行多次重復(fù)訓(xùn)練。而本虛擬維修平臺既擁有寫實VR體驗，又能按照維修手冊精確地進(jìn)行維修實操，讓學(xué)員在教學(xué)訓(xùn)練過程中深刻意識到操作中的注意點，強化流程，查漏補缺，故本平臺可以幫助航空器械維修人員提高總體實操技能。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】