基于VR的起落架维修教学平台

朱正 施浩 张雪峰

摘要：本文提出以VR技术制造出的虚拟教学训练环境来改善维修人员的实操水平。通过对于3dsMAX 、Unity3D、CAD的学习与运用与整合，创造出1：1的虚拟模型、工具以及环境，实现VR维修平台模拟教学演示以及自主操作功能，达到学员能够观看教程演示后，能够进行专项拆装训练的目的。本虚拟拆装维修教学让学员可以在自主学习中，掌握飞行器部件装配过程，为实践拆装操作奠定基础。

关键词：VR技术;3dsMAX ;Unity3D;CAD;教程演示;拆装模拟;自主学习

1 概述

本虚拟维修平台的建设可作为一种新型的教学手段，能够让学员们在VR环境中了解飞行器结构原理的基础上，编织教程以及专项练习，让实训者进一步熟悉具体部件的拆卸和装配的工艺流程，给予交互式与沉浸式的功能体验，自行选择虚拟练习的方式方向，来达到提高总体实操技能水平的目的，为飞机构造和航空发动机课程的教学实践服务。本平台既具有开放性特点，让学员通过教程的观看学习后，自主选择专项训练，又具有针对性，能够改善现实操作条件有限的现状，专项性地提升维修学员实操水平。其科技成果可供校际交流和共享。其后续完善的升级版还可供部队和航空公司作为机务人员的培训和考核器材使用。

2 设计思路

航空器械维修的教学方式就现在而言主要以维修手册的理论基础以及实际操作维修器械教学两种。前者缺乏实际操作中切身实际的体会，难以有效率地积累经验提高技能;后者虽然是最直观有效的培训方式，但究其成本以及容错率，很难达到大批量次的培训目的。而本虚拟平台及其教学演示的建立能够为此提供便利，以引导以及提供自学环境为目的，在虚拟环境中提供现实环境中的教学体验，又无须考虑现实中器械维修可能带来的维修风险或是成本损失。

再以起落架维修教学平台为基础，将其能够设计出的各项相关训练项目进行编程制作，期间需邀请采访专业的维修人员进行维修指导后，将维修教程演示以及可能遇到的突发情况编辑录制入视频，导入虚拟平台中的相关专项作为教学演示，以此为学员提供最正确的引导教学。最后使用编程软件编写学员选取工具时的引导内容以及操作失误时的报错内容，以此达到学员在教程的帮助下，脱离手册，自主选择所需练习的专项，且能在第一时间认识改正操作中的疏漏。后续若能提供成为专项考核平台，也可以使用计分制或是熟练度累计制来考核学员，以此纠正改善学员们的实操水平，为培训机构提供便利。

3 关键技术及实现方法

3.1三维建模

虚拟模型的还原度决定了虚拟教学的质量。本虚拟平台依据参考资料中器械的实际数据，以CAD整合图纸为基础，使用3dsMAX软件建立并且利用误差分析理论以及最小二乘法定位算法，给出定位误差范围，对模型进行优化，最大限度地提高各零件的识别度方便学员分辨，再采用减面工PolygonCruncher8.03来减面。

3.2模型渲染与场景建立

模型导入到Unity3D软件前将MAX文件格式改为FBX。利用材质球对模型进行渲染，在UV编辑器中利用V-Ray将模型的部分高精度模型部分转变为中低精度模型并进行纹理渲染。进入Unity3D界面，在场景中添加地面以及房间，通过添加灯光和天空盒使得模型在VR头盔中可见，放置相机进行捕捉模型对模型进行精准定位，模拟实际拆装操作场地。在UI界面创建告示牌标语，进行拆装步骤提示，为学员提供本平台及初始指导介绍。在unity3D引擎内置的Standard Assets资源包的Prefabs项下，找到名为First Person Controller的预制对象，将其加入场景创建第一人称视角，将手柄模型建立成真人双手的模型，进一步增加写实感，方便学员“手把手”地跟着教学演示进行模拟练习的。

3.3代码编译

本维修平台采用unity3D引擎内置的Visual Studio 2017进行C#语言的编写，通过代码编译进行交互控制，实现触碰零部件模型高亮、抓取零部件拆装、错误拆装报错等一系列交互式功能，平台显示的错误均是未按手册正确拆装，通过反复训练，加深学员记忆，达到脱离手册文字后，由虚拟培训到实际维修操作的平滑过渡。

4 平台功能

4.1基础功能

本维修平台建立的目的一是提供一个学员能够自主学习的虚拟环境，加强实操技能，二是节约维修培训时的成本。平台的维修教学流程均以AMM手册为基础依据，严格按照手册进行拆装，操作过程中伴有提示与引导，更加清晰直观。在触碰零部件时显示为高亮，并显示部件名称。在选用工具时会有相应的文字提示，选用错误工具时及时报错，且当训练项目失败或者超时时，可以选择一键重置，避免了现实中器械维修损坏的可能，也简化了烦琐的重置流程。学员完全可以选择欠缺的专项进行重复练习，在低成本的反复复原训练中，大幅度提高了专项技能的熟练度，也为培训机构大幅度提高了教学质量。

4.2 训练流程

本维修平台以维修手册为基础，制定相应的维修专项练习栏目，学员能够在虚拟初始界面中选择专项训练，参照教学演示的任务流程进行虚拟操作，如选取零部件以及使用工具拆装等，每进行一步操作都会有相应的操作提示，方便学员正确地完成维修操作。当某项训练内容完成后可以选择返回主界面或是查看自己本次操作的完成度，直观地认识到某方面的欠缺，方便多次反复训练。

4.3 考核流程

后续若能提供成为专项考核平台，也可以使用计分制或是熟练度累计制来培养学员，在训练模式中达到一定程度的学员可以选择考核，考核时学员将只能接受到任务流程，且会删除关键提示，考核人员在外部观看学员在虚拟环境中的操作，与标准教程教学进行对比打分，以此达到考核的目的。

5 结论

航空器械的维修作为飞机维护中的重头戏，对维修专业人才的培养尤为重要。而积累维修经验的最快方式就是进行实际操作，但其较低的容错率以及较高的成本，导致学员很难进行多次重复训练。而本虚拟维修平台既拥有写实VR体验，又能按照维修手册精确地进行维修實操，让学员在教学训练过程中深刻意识到操作中的注意点，强化流程，查漏补缺，故本平台可以帮助航空器械维修人员提高总体实操技能。

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