VR技術在航空機電設備維修實訓中的應用

王 征 張 通 高 達 井大為

(石家莊工程職業(yè)學院，河北 石家莊 050061)

在2019年4月的全國深化職教改革電視電話會議上，國務院副總理孫春蘭明確指出要高度重視職業(yè)教育質量，不斷深化改革，破解難題，要求必須建立“雙師型”教師隊伍建設，并將最新的技術、工藝均納入教材，推動教學、實訓的融合”[1]。推動職業(yè)供給側改革和學校內部建設，推進的“教師、教材、教法”三教改革，這是職業(yè)院校深化改革、培養(yǎng)優(yōu)秀人才隊伍的關鍵舉措[2]。

目前高職類院校開設的航空機電設備維修專業(yè)課程，一般分成為理論教學和設備實訓兩部分。對于理論教學，主要采取教師集中理論授課和計算機輔助培訓相結合的方式，而設備培訓主要采取模擬器與設備實物相結合的方式。這種高職院校傳統(tǒng)的實訓教學方式在實訓時間、實訓質量、實訓方式、實訓效率、實訓成本等方面存在許多不足之處。

1 虛擬現(xiàn)實技術概況

虛擬現(xiàn)實技術也可以叫做臨境技術或人工環(huán)境，主要是通過電腦模擬來構建三度空間的虛擬世界，從而讓使用者身臨其境的感受到視覺、觸覺與聽覺等方面的體驗，再借助頭盔式顯示器、遙控設備、手勢等方式和環(huán)境里的虛擬物體、場景進行實時交互，帶來一種身臨其境的感受[3]。事實上，虛擬現(xiàn)實技術是信息化時代以來，仿真技術發(fā)展的必然發(fā)展趨勢，也與計算機圖形學人機接口技術、多媒體技術、網絡技術等緊密相連，是當前具有重要挑戰(zhàn)性和最熱門的研究領域，屬于前沿的智能交叉技術，受到社會大眾的廣泛關注[4]。

早在1965年，Sutherland在《終極的顯示》中第一次闡述了由力反饋設計、交互圖形顯示以及聲音提示的綜合系統(tǒng)，這也是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)思想的雛形。到了20世紀70年代，誕生了第一個具有較為系統(tǒng)功能的HMD(頭盔顯示器)系統(tǒng)。結合六十年代關于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的相關理論研究成果，美國著名專家賈朗·拉尼爾(JaronLanier)明確表達了“虛擬現(xiàn)實”的含義，在當時的學術界引起了深遠的影響。到了20世紀80年代，美國宇航局(NASA)及美國國防部圍繞虛擬現(xiàn)實展開了許多方面的專題研究，并取得了矚目的成就；20世紀90年代，伴隨計算機硬件技術的不斷發(fā)展，以及計算機軟件系統(tǒng)的推陳出新，從而為在大數據基礎上集合圖像與聲音的動畫制作奠定了良好的基礎[5]。

于20世紀90年代初，隨著計算機圖形學、計算機系統(tǒng)工程等的高速發(fā)展，我國虛擬現(xiàn)實技術相關研究開始起步。因為該技術其具有3I特性，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)和構想性(Imagination)，使它被越來越多的教育學者認定可作為一種新的認知工具新的教學手段應用在教育領域中[6]。

倘若把虛擬現(xiàn)實技術推廣到高校實踐教學，能給一些傳統(tǒng)的教學觀念和模式帶來改變，開展虛擬化的實驗實訓，為高校學生提供就業(yè)先期實踐，對解決高校長期普遍存在的實踐教學問題具有重要的技術指導意義[7]。

2 虛擬維修環(huán)境的實現(xiàn)

起落架裝置，是為了滿足飛機等航空器停放、滑跑、起飛、著陸等需求的重要支撐部件，降低或抵消飛行器在降落過程引起的巨大負載，此外還可以降低地面靜止或是移動過程中飛行器受到靜載荷和動載荷作用，增強飛機機體的結構完整性，提高其生命周期，因此航空器的起落架屬于飛機的關鍵部件。起落架主要包含主體結構與附件行的部附件，尤其是在剎車系統(tǒng)及機構傳統(tǒng)系統(tǒng)等方面。事實上，對于起落架的主體結構來說，它們是整體的受力單位，直接關系到機構傳統(tǒng)系統(tǒng)的運行，所以必須在對其設計和運作的時候，予以高度的重視。結合相關數據可知，在飛機故障的事件中，超過百分之四十的故障都是起落架故障所導致[8]。

基于飛機起落架的工作部件可知，收放機構存在的失效概率達到34.4%，所以加強對收放機構的研究十分關鍵[9]，故此在職業(yè)院校的飛機維修專業(yè)教學安排的課程中，起落架收放系統(tǒng)維護處于重要地位。通過虛擬現(xiàn)實技術進行教學實訓成為一種新型、有效且低成本的手段。隨著虛擬維修仿真技術的不斷演進，該領域的理論與實踐應用得到了顯著的發(fā)展，逐漸從基礎的航空器設計，發(fā)展到貫穿航空器的使用、維修、檢查等環(huán)節(jié)。如今，虛擬維修方針技術越來越多的聚焦在航空器維修方面，卻沒有較多的相關培訓機會[10]。所以，對于以往開設的飛機機電設備維修存在設備昂貴、工具短缺、環(huán)境有害等局限性，將虛擬現(xiàn)實技術融于飛機機電設備的虛擬維修過程，對于培養(yǎng)高職院校航空專業(yè)學員的維修能力和降低職業(yè)院校運營成本具有重要的現(xiàn)實意義。

本項目以飛機起落架收放系統(tǒng)為例，探索將虛擬現(xiàn)實技術應用于職業(yè)院校的航空機電設備維修專業(yè)實訓課程的方法和途徑。

2.1 研究對象

以石家莊工程職業(yè)學院航空工程實訓中心的波音777飛機前起落架為研究對象，實物如圖1所示。

圖1 飛機起落架實物

將飛機起落收放系統(tǒng)架分解后，對各部件、零件進行精確測量，并做出必要的簡化，即去掉一些輔助構件后，使用3D仿真軟件SolidWorks進行建模，如圖2所示。

圖2 飛機起落架數學模型

2.2 虛擬維修過程實現(xiàn)及特點

從構成上來說，飛機起落收放系統(tǒng)架虛擬現(xiàn)實維修平臺的軟件部分，主要包含建模軟件及虛擬工具等，硬件部分則包含立體顯示設備、動作捕捉設備等方面的硬件設備，詳見表1所示。

表1 虛擬現(xiàn)實維修平臺的軟件及硬件構成

基于以上軟件與硬件的相關內容，本文構建了基于VR技術的起落架收放系統(tǒng)的虛擬維修培訓平臺，支持實訓仿真與考核評估，虛擬實訓軟件在計算機上創(chuàng)設三維虛擬維修場景，學生通過鼠標(或微軟體感游戲設備Kinect)選擇虛擬維修環(huán)境中的維護工具、供替換的零部件和完整的裝置等進行拆卸或安裝，進而滿足預定各項目的實施和考核要求。虛擬維修環(huán)境運行條件由運行虛擬維修程序所必需的硬件設備，包括個人計算機組、工作站和網絡、空間動作捕捉設備等。效果如圖3所示。

圖3 虛擬維修環(huán)境

3 虛擬維修環(huán)境的應用效果

3.1 提高實訓能力，擴展教學維度

基于VR技術，學員通過使用虛擬維修教學平臺的各項功能，能夠實現(xiàn)交互式分解、組裝虛擬環(huán)境中的部附件。VR技術的發(fā)展實現(xiàn)了對實體結構難以拆分的部件操作，比如航空發(fā)動機的主泵、啟動機的拆裝及齒輪的更換、飛機起落架收放系統(tǒng)的及選擇閥下游管路堵塞故障等。

3.2 提升實操體驗，激勵學生參與

學員在虛擬維修教學系統(tǒng)可根據自身掌握科目情況選擇實操環(huán)節(jié)和難度，實施多次模擬訓練，操作過程數據回放可以便于學生進行實操的認真學習，觀察結構的細節(jié)及維護流程，保證了學員們的實訓效果。

3.3 繁復程序簡單化，危險步驟安全化

針對培訓課程有些實訓科目準備時間長、開展難度大、危險步驟程序多的情況，基于虛擬現(xiàn)實平臺開展安全操作，在虛擬環(huán)境中設置實操時容易出現(xiàn)的錯誤操作，這樣就能身臨其境的讓學員體驗到錯誤操作的不良影響，讓參訓學員印象深刻；

3.4 網絡化實訓教學，為航空維修等多行業(yè)提供人才保障

不同省份、不同院校間實訓條件、師資水平差別很大，在航空設備實訓教學中應用VR技術，從而方便各大學校能夠相互學習借鑒，發(fā)揚各自教學優(yōu)勢，甚至可以在同類院校組織“維修云比賽”，從而節(jié)省大量社會資源，并能夠有力地滿足航空事業(yè)發(fā)展對維護隊伍日益增加的需求。

4 總結

飛機起落架收放系統(tǒng)虛擬維修平臺應用Unity 3D引擎、3D 仿真等技術，解決了三維實物建模、實物材料控制、實物行程建模、訓練交互控制等技術問題，較為真實地模擬了某型飛機收放系統(tǒng)實訓教學，達到了教學實訓的目的。

本平臺在使用的過程中，滿足學員對起落架收放系統(tǒng)的結構及維護技能實訓要求，使其能夠了解操作規(guī)范，熟悉航空維修工作任務內容，掌握操作的動作要領。因此，通過虛擬維修平臺能在很大程度上改善教學中存在的實訓設備不足、耗材成本昂貴、操作對新訓人員具有危險性等問題，可為民用航空器維修專業(yè)學員在實訓教學中改善訓練條件、提高訓練效果的有效手段。