一种基于增强现实的航模设计与制作方法

徐梦悦 洪宇航 缪君

摘 要：航模飛机是深受高校同学喜爱的自制、放飞、操纵的航空模型之一，是锻炼同学们科技创新能力的重要实践平台。本文针对航模飞机气动外形设计困难、木制复杂零件难以成型等问题，提出了一种基于增强现实技术的航模设计方法来制作既具备良好气动外形又符合航模特性的飞机。

关键词：航模;增强现实;三维重建;3D打印

1、前言

航模飞机是深受高校同学喜爱的自制、放飞、操纵的航空模型之一[1]。它不仅是一项竞技体育运动产品，更是空气动力学理论与工程设计与制作等技术相结合的创新成果，其设计与制作具有趣味性、知识性、创新性，是锻炼同学们科技创新能力的重要实践平台。

但是对于普通学生来说，制作像真实飞行器一样既具有良好气动外形又拥有好的结构强度的航模飞机是一个很大的挑战。目前航模飞机大多首先借助计算机辅助3D设计软件（CATIA或Solidworks等）设计外形，通过CAD输出2D工程图样;然后依照这些图样，采用手工作业戒机械加工制出航模所需要的结构组件;最后通过螺接或胶接等方法装配整机。为了减轻航模飞机重量，制作材料绝大部分是桐木或轻木等木质材料[2]。

随着 3D 打印技术的日益普及， 使用 3D 打印的 PLA（聚乳酸）、ABS（丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯塑料）、光敏树脂等材料制作航模成为一种新趋势[3]。在制作多轴无人机整机机架和零部件方面，3D 打印技术已经展现出全面的应用潜力。但是，3D打印的前提须具备数字模型。对于未经过专业训练的非工业设计类青少年、学生来说，设计外形美观、气动性好的模型非常困难。

本文针对航模飞机气动外形设计困难、木制复杂零件难以成型等问题，通过增强现实的设计方法，让3D打印这种先进的制造技术与传统的木质航模制作技术结合，制作既具备良好气动外形，又符合航模特性的飞机，并通过数字仿真和气动分析软件优化航模的设计与制造。本文创新点在于：1）利于基于图像的三维重建技术建立具备良好气动外形的航模数字模型，解决航模飞机气动外形设计的困难;2）将3D打印技术与木质航模制作技术结合，解决木制复杂零件难以成型、组装的问题。

2、三维重建技术支撑下的航模设计与制作

2.1 航模的设计

三维重建是对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型，是在计算机中建立表达客观世界的增强现实的关键技术[4]。目前比较流行的非接触式三维重建方式主要有两种。一种是基于三维激光扫描仪点云数据的三维重建，一种是基于数字图像进行的三维重建。

三维激光扫描系统主要由激光扫描仪和惯性导航系统组成，用于测量点的三维坐标和激光反射强度;数码相机用于测量点的三维坐标和颜色信息。根据移动激光扫描系统和数码相机采集的数据可以得到点云数据，包括三维坐标、激光反射强度、颜色信息。三维激光扫描重建精度高，信息量丰富但是仪器价格昂贵，操作专业，普及率不高[5]。

基于图像的三维重建技术是计算机辅助设计（CAD）与计算机图形学中很重要的一个研究领域。三维重建是根据物体或者场景所拍摄的两个或者两个以上二维的图像，由计算机自动进行计算和匹配，计算出物体或者场景的二维的几何信息和深度信息，并建立三维的立体模型的过程。通常意义上所说的基于图像的三维建模是利用图像来恢复物体的几何模型，图像包括真实的照片、绘制图像、视频图像以及深度图像等。而广义的基于图像建模技术还包括从图像中恢复出物体的外观特性、光照环境以及运动学特征等很多属性，其中的外观特征包括表面的纹理贴图和反射属性等决定所重建模型的外观效果的因素。基于图像建模技术的实现需要依靠基于图像的绘制技术，基于图像绘制技术可以在没有任何三维几何信息或者少量几何信息的情况下，只需要依据若干幅对于某个三维物体或者场景原始图像就可以绘制出该三维物体或者场景的新视点图像。目前国内外对基于图像的三维重建技术这一热点技术有很多的研究，已经有很多成果和进展，主要是对特征检测、特征匹配、摄像机标定几个部分进行研究。基于图像的三维重建操作简单，特别是近些年，随着数码相机的成像质量和分辨率的大幅度提高，以及数码相机的高性价比，使得基于图像的三维重建模型有了更广阔的发展空间。其在文物保护、街景环境重建、数字地图中已有大量应用，而且产生了诸如photoscan、街景工厂等商业软件[6]。

基于三维重建技术，我们可以利用网上的图像或自行拍摄飞机或模型的多视角图像，也可购买自己喜欢的模型（缩小版的玩具模型）或改造现有航模，使用计算机视觉的三维重建或三维扫描技术，获取模型的三维点云，然后通过Imageware这类专业逆向工程软件构建局部或整机数字模型。然后，利用数字模型进行航模的结构设计与优化，例如设计图1所示的机翼肋条设计、翼尖设计、重心预测等，使其满足自己的结构要求。为了进一步优化设计，我们还可将该数字模型导入相关的空气动力学分析软件AMI VLAERO PLUS进行气动分析，提供更有说服力的理论优化依据。

设计完成之后，我们还可以利用数字模型进行航模的结构设计与优化，例如设计机翼肋条设计、翼尖设计、重心预测等，使其满足自己的结构要求。为了进一步优化设计，我们还可将该数字模型导入相关的空气动力学分析软件AMI VLAERO PLUS进行气动分析，提供更有说服力的理论优化依据。

2.2 航模结构成型

使用3D打印技术制作固定航模整机，由于目前常用3D打印机的打印空间尺寸有限，一般不能一次性整体打印成形，而是将机身、机翼、尾翼、舵面等组件分别打印，然后组装成整机。

当设计完成后，针对3D打印成本高、材料（PLA、ABS树脂等最常用）密度较木材大的缺点，我们拟采用木材与PLA相结合的方法制作出结构件。例如机翼部分，仍采用蒙皮骨架式，但肋条采取3D打印，这样可以实现复杂结构、高精度、高强度翼型。采取3D打印，还可以制作出木材无法成型的翼梢的翼尖小翼，这有利于改变翼尖附近的空气流场从而减小涡流的强度，减小机翼诱导阻力。另外，像电机座、起落架这类复杂结构件也可以用3D打印一体成型。使用3D打印制作固定翼航模的舵角、舵机揺臂、摄像头支架、锂电池保护盒等部件，也可以获得很好的效果。所有结构制作完成后，对整机进行组装，安装动力设备和电子设备进行调试与试飞。

3、结论

本文介绍了一种基于增强现实技术的航模优化设计与制作。对于航模飞机气动外形设计困难、木制复杂零件难以成型等问题进行了有效的解决。从而达到了既具有良好气动外形又拥有好的结构强度的效果。

参考文献

[1].刘霞， 刘琼. 航模制作对大学生创新能力培养的研究——以南昌航空大学体育学院航模队为例[J]. 教育现代化， 2016 （10）： 13.

[2].何承俊， 文图， 李忠于. 弹射模型滑翔机专用模具的制作 （上）[J]. 航空模型， 2009 （2）： 10-12.

[3].张喜凤. 3D 打印技术在电动固定翼航模中的应用[J]. 电子制作， 2017， 1.

[4].朱淼良， 姚远， 蒋云良. 增强现实综述[J]. 中国图象图形学报， 2004， 9（7）： 767-774.

[5].袁夏. 三维激光扫描点云数据处理及应用技术[D]. 南京： 南京理工大学， 2006.

[6].董鹏辉， 柯良军. 基于图像的三维重建技术综述[J]. 无线电通信技术， 2019， 45（2）： 115-119.