基于虚拟现实的起落架虚拟维修仿真研究

徐振国 张旭 于开贞 马跃坤 管铖钰

摘  要：起落架是飞机的重要组成部分，其工作性能是飞机安全性能的重要指标之一，针对起落架实际维修中维修人员经验不足或依赖繁琐的排故手册所导致的操作不规范，维修进度慢等问题，文章基于虚拟仿真平台对起落架维修过程进行仿真研究，首先利用建模软件进行起落架的模型构建并导入虚拟现实仿真平台，其次建立虚拟维修场景，然后进行起落架零件属性设置以实现虚拟维修仿真的交互控制，最后根据虚拟维修仿真的过程进行分析与工效评估。

关键词：虚拟维修;起落架;工效评估

中图分类号：TP391.9    文献标识码：A

Abstract： The landing gear is an important part of the aircraft. Its working performance is one of the important indicators of the aircraft safety performance. It is aimed at the lack of experience of the maintenance personnel in the actual maintenance of the landing gear， or the operation is not standardized and the maintenance progress is slow due to the cumbersome troubleshooting manual. In this paper， based on the virtual simulation platform， the landing gear maintenance process is simulated. Firstly， the model of the landing gear is constructed using modeling software and imported into the virtual reality simulation platform. Secondly， the virtual maintenance scene is established， and then the landing gear part attributes are set to achieve interactive control of virtual maintenance simulation， and finally analysis and ergonomics evaluation based on the process of virtual maintenance simulation.

Key words： virtual maintenance; landing gear; ergonomics evaluation

0  引  言

我国的民航业正处于快速发展时期，民航飞机作为一种结构复杂、维修要求高的大型高科技设备，其设备维修对高水平和技术熟练的维修人员需求迫切，而当前航空维修人员的培训主要依赖传统的航空出版物、多媒体课件等方式，互动性差，培训效果差，不利于实际维修作业[1]。利用模拟机进行培训具有实际操作演示的效果，但是该方式具有占用场地过多、前期投入较高等缺点。一旦飞机设备面临更新换代，那么后期用于维护及升级的代价同样过高。

起落架作为飞机起飞、降落以及停放的重要部件，其维修品质直接影响飞机的安全性能。随着现代装备的复杂化、高技术化发展，虚拟现实（Virtual Reality， VR）技术已经被广泛应用在维修仿真领域。虚拟维修[2]是指在计算机生成的虚拟环境中利用VR技术对现实世界形象、直观的表达能力进行维修活动的技术。将虚拟维修技术应用到航空维修任务，对于飞机的维修性设计和维修人员的培训有着重大意义，尽管虚拟维修仿真技术在航空维修领域已经有了相当的研究和成果，但是维修工艺仿真分析和对仿真工效评估的效率较低。针对上述问题，本文以飞机起落架为仿真对象，利用虚拟现实仿真平台建立虚拟样机并构建虚拟场景，通过与场景中的对象进行虚拟交互实现维修的过程，最后建立综合评估指标对虚拟维修过程进行评估，如图1所示。

1  虚拟维修过程仿真

虚拟维修仿真过程其本质上就是维修对象、维修工具、维修人员、维修环境之间的交互作用。在虚拟维修仿真环境中，一项维修任务是由按顺序组合的一系列维修操作组成的，所以维修仿真的序列能够表示真实的维修操作的过程。在起落架虚拟维修仿真中，人机交互是完成仿真的关键操作之一，首先需要确保起落架以正确的顺序拆装，维修仿真的拆装顺序要依靠零部件的维修工艺和经验来设置，根据零部件模型本身的物理和几何约束设定优先拆装顺序[3]。为了保证拆装序列正确性和最优性及防止仿真模型由于零件數目过多使得多次交互产生疲劳，采用神经网络算法或相关标准数据库的支持。

在现有的虚拟维修仿真中，较少考虑虚拟仿真环境中维修人员的维修活动以及维修过程中的人为因素。例如在规划维修路径时，在狭窄的维修空间条件下为零件规划无碰撞的拆卸路径，而忽略人为因素可能会导致零件拆卸失败[4]。

3D Studio Max是一款可以实现三维建模、渲染及制作三维动画的软件，其内置多边形建模功能，自由度高，在计算机仿真、多媒体和工业设计等领域应用广泛[5]。3D Studio Max注重影视动画特效，它在模型的精准度方面稍弱，但虚拟维修任务注重仿真交互场景的逼真和维修人员对维修序列的掌握[6]，而对模型的精度要求不高，并且考虑到Unity3D引擎对于3D Studio Max输出格式的支持能保证模型转换格式后不会失真，因此本文采用3D Studio Max软件建立起落架三维实体模型，在建模过程中考虑尺寸比例以优化模型、提高响应速度，然后将起落架模型导入虚拟现实引擎Unity3D建立虚拟环境模型，虚拟环境中起落架维修仿真过程如图2所示。

2  维修过程工效评估

由于航空维修复杂性高，维修难度大，技术性强，对维修人员的素质要求很高，通过对维修人员的操作过程进行评估，可以掌握维修操作序列的维修效果，进而评估维修培训的效果[7]。维修工效评估需要考虑诸多因素，包括维修人员进行维修操作的可视性、可及性以及舒适度。

目前维修过程的分析评估方法过于依赖设计师主观评价，不能全面反映人机交互性能的优劣，缺少针对维修过程的综合评估方法研究[8]。针对上述评估存在的不足，提出一种人机工效综合评估方法，依次对仿真过程中各维修操作序列的可视性、可及性和操作舒适度进行量化评估，并将上述人机因素评估结果进行组织、分析，建立一个基于权重的综合指标体系，对维修过程进行综合评估。

可视性是指维修人员在维修过程中，眼睛在观察视野正前方时的视野范围，维修人员的可视性决定维修工作是否能准确方便的完成，因此对于可视性的量化评价是非常有必要的。根据人体工学知识，在人的头部静止、眼睛正常活动的状态下视觉范围是固定的，把这种状态下的视野范围划分为最佳视野区域R、最大视野区域R及不可视区域R，定义如下，视平面投影如图3所示：

R=x，y|x+y

R=x，y|+>1

R=x，y|+<1; x+y>c

其中：c=l*tanγ，l指視点到视平面的距离，γ 指最佳视野范围的临界视线角度，γ≈15°;a=l*tanα，β指最大视野范围的Y方向临界视线角度，β≈40°。

根据以上区域划分，维修人员的可视性评级分为七个等级，一级到七级可视性逐级降低，具体如下：一级指维修对象完全处于维修人员的最佳视野区域以内，可视性最佳;二级指维修对象完全处于维修人员的最大视野区域以内，且大部分在最佳视野区域，可视性良好;三级指维修对象完全处于维修人员的最大视野区域以内，但大部分不在最佳视野区域，可视性良好，长时间操作容易产生疲劳;四级指维修对象完全处于维修人员的最大视野区域以内，但不在最佳视野区域，可视性良好，长时间操作极易产生疲劳;五级指维修对象大部分处于维修人员的最大视野区域以内，少部分处于最大视野范围以外区域，可视性一般;六级指维修对象只有小部分处于维修人员的最大视野区域以内，大部分处于最大视野范围以外区域，可视性较差;七级指维修对象处于维修人员的不可见区域，不可见。

可及性是指维修人员在维修操作过程中，维修人员上肢到达维修部位的难易程度，可及性决定了维修人员在维修过程中的可操作范围[9]。可及性的评分根据维修人员和维修对象之间的距离以及中间是否有障碍物来评估。根据人机工学知识，将维修工作区域的可及性分为五个等级，一级到五级可及性逐级降低，具体如下：一级指维修对象处于维修人员的精细操作区域，且维修人员和维修对象之间没有障碍物遮挡，可及性最佳;二级指维修对象处于维修人员的有效操作区域，且维修人员和维修对象之间没有障碍物遮挡，可及性良好;三级指维修对象处于维修人员的精细操作区域，且维修人员和维修对象之间存在障碍物遮挡，可及性一般;四级指维修对象处于维修人员的有效操作区域，且维修人员和维修对象之间存在障碍物遮挡，可及性一般;五级指维修对象处于维修人员的无效操作区域，操作不可及。

舒适度是指维修人员在进行维修操作时，操作姿态的舒适程度。本文舒适度评估采用快速上肢评估（Rapid Upper Limb Assessment，RULA）评估方法[10]，RULA是一种人体工效学评估方法，该方法通过对人体姿势的分析，并结合肌肉的使用情况进行人体上肢肌肉、骨骼损伤风险大小的评估。RULA将工作姿态、运动强度、肌肉受力情况、发力程度等因素综合在一起，加权得出最终的评估结果。

基于以上维修操作的可视性、可及性、操作舒适度三种评估指标，建立工效综合评估模型，具体如下：首先判断各因素之间的相对重要度，构造三种因素之间的权重矩阵M;然后根据权重矩阵计算各因素的权重向量并进行一致性检验;最后根据权重向量计算综合评估分数W。

W=V×W，W，W

其中： W、W、W分别表示维修操作中的可视性、可及性以及舒适度评价分数，V表示归一化后的权重矩阵最大特征值对应的特征向量。

3  总  结

起落架的维修质量会直接影响飞机的安全性能，本文针对影响其维修质量的因素进行分析，将虚拟维修技术应用于起落架的维修中，利用三维建模软件进行起落架的三维实体构建并导入虚拟现实仿真平台，根据零部件的维修工艺和经验来制定维修步骤并设计维修评价指标，然后通过仿真模拟飞机起落架的维修过程，并对维修过程的效果进行了评估。利用虚拟维修技术不但可以大大减少维修培训成本，并且可以使维修人员通过控制虚拟设备来模拟出实际维修工作的效果，目前虚拟维修技术在航空维修领域的应用还处于开始阶段，有很大的潜力和应用价值。未来研究中可以添加故障状态、故障关联、故障判断、维修操作引导、反馈机制以充分仿真实际维修过程中的环境以及工况，减少维修成本，提高维修人员的故障诊断能力和维修熟练度。

参考文献：

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[2] 杨徐晗，徐国标. 虚拟维修技术在民航中的应用初探[J]. 四川兵工学报，2015，36（5）：159-163.

[3] 郑青. 虚拟维修技术在航空维修中的应用[J]. 企业科技与发展，2020（12）：76-77，80.

[4] 李荣强，文爱兵，花斌，等. 航空装备虚拟维修训练仿真模型快速开发技术[EB/OL]. （2020-09-07）[2021-04-01]. https：//doi.org/10.16182.j.issn1004731x.joss.20-0107.

[5] 苏凯，张亚斌，咸丽楠. VR技术在数字媒体艺术专业教学中的应用：现状、创新、趋势[J]. 江西广播电视大学学报，2019，21（2）：11-17.

[6] 贾丽，杜浩，李梓，等. 基于虚拟现实技术的装备维修训练系统设计[J]. 科技资讯，2019，17（8）：11-13.

[7] 孙维洋，韩杨，胡霖霖，等. 医学影像虚拟仿真教学平台实践教学中的应用研究[J]. 软件，2019，40（5）：98-101.

[8] 马丽璇，孙书霞，李恩义. 虚拟维修技术在民航飞机维修性的评估研究[J]. 安阳工学院学报，2020，19（6）：6-8.

[9] 夏坚. 民用飞机虚拟维修可达性技术研究[J]. 民用飞机设计与研究，2017（1）：65-68.

[10] 邱世广. 维修动作混合仿真及人机工效自动评估方法研究[D]. 上海：上海交通大学（博士学位论文），2014.