VR技术在航空机电设备维修实训中的应用

王 征 张 通 高 达 井大为

(石家庄工程职业学院，河北 石家庄 050061)

在2019年4月的全国深化职教改革电视电话会议上，国务院副总理孙春兰明确指出要高度重视职业教育质量，不断深化改革，破解难题，要求必须建立“双师型”教师队伍建设，并将最新的技术、工艺均纳入教材，推动教学、实训的融合”[1]。推动职业供给侧改革和学校内部建设，推进的“教师、教材、教法”三教改革，这是职业院校深化改革、培养优秀人才队伍的关键举措[2]。

目前高职类院校开设的航空机电设备维修专业课程，一般分成为理论教学和设备实训两部分。对于理论教学，主要采取教师集中理论授课和计算机辅助培训相结合的方式，而设备培训主要采取模拟器与设备实物相结合的方式。这种高职院校传统的实训教学方式在实训时间、实训质量、实训方式、实训效率、实训成本等方面存在许多不足之处。

1 虚拟现实技术概况

虚拟现实技术也可以叫做临境技术或人工环境，主要是通过电脑模拟来构建三度空间的虚拟世界，从而让使用者身临其境的感受到视觉、触觉与听觉等方面的体验，再借助头盔式显示器、遥控设备、手势等方式和环境里的虚拟物体、场景进行实时交互，带来一种身临其境的感受[3]。事实上，虚拟现实技术是信息化时代以来，仿真技术发展的必然发展趋势，也与计算机图形学人机接口技术、多媒体技术、网络技术等紧密相连，是当前具有重要挑战性和最热门的研究领域，属于前沿的智能交叉技术，受到社会大众的广泛关注[4]。

早在1965年，Sutherland在《终极的显示》中第一次阐述了由力反馈设计、交互图形显示以及声音提示的综合系统，这也是虚拟现实系统思想的雏形。到了20世纪70年代，诞生了第一个具有较为系统功能的HMD(头盔显示器)系统。结合六十年代关于虚拟现实系统的相关理论研究成果，美国著名专家贾朗·拉尼尔(JaronLanier)明确表达了“虚拟现实”的含义，在当时的学术界引起了深远的影响。到了20世纪80年代，美国宇航局(NASA)及美国国防部围绕虚拟现实展开了许多方面的专题研究，并取得了瞩目的成就；20世纪90年代，伴随计算机硬件技术的不断发展，以及计算机软件系统的推陈出新，从而为在大数据基础上集合图像与声音的动画制作奠定了良好的基础[5]。

于20世纪90年代初，随着计算机图形学、计算机系统工程等的高速发展，我国虚拟现实技术相关研究开始起步。因为该技术其具有3I特性，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)和构想性(Imagination)，使它被越来越多的教育学者认定可作为一种新的认知工具新的教学手段应用在教育领域中[6]。

倘若把虚拟现实技术推广到高校实践教学，能给一些传统的教学观念和模式带来改变，开展虚拟化的实验实训，为高校学生提供就业先期实践，对解决高校长期普遍存在的实践教学问题具有重要的技术指导意义[7]。

2 虚拟维修环境的实现

起落架装置，是为了满足飞机等航空器停放、滑跑、起飞、着陆等需求的重要支撑部件，降低或抵消飞行器在降落过程引起的巨大负载，此外还可以降低地面静止或是移动过程中飞行器受到静载荷和动载荷作用，增强飞机机体的结构完整性，提高其生命周期，因此航空器的起落架属于飞机的关键部件。起落架主要包含主体结构与附件行的部附件，尤其是在刹车系统及机构传统系统等方面。事实上，对于起落架的主体结构来说，它们是整体的受力单位，直接关系到机构传统系统的运行，所以必须在对其设计和运作的时候，予以高度的重视。结合相关数据可知，在飞机故障的事件中，超过百分之四十的故障都是起落架故障所导致[8]。

基于飞机起落架的工作部件可知，收放机构存在的失效概率达到34.4%，所以加强对收放机构的研究十分关键[9]，故此在职业院校的飞机维修专业教学安排的课程中，起落架收放系统维护处于重要地位。通过虚拟现实技术进行教学实训成为一种新型、有效且低成本的手段。随着虚拟维修仿真技术的不断演进，该领域的理论与实践应用得到了显著的发展，逐渐从基础的航空器设计，发展到贯穿航空器的使用、维修、检查等环节。如今，虚拟维修方针技术越来越多的聚焦在航空器维修方面，却没有较多的相关培训机会[10]。所以，对于以往开设的飞机机电设备维修存在设备昂贵、工具短缺、环境有害等局限性，将虚拟现实技术融于飞机机电设备的虚拟维修过程，对于培养高职院校航空专业学员的维修能力和降低职业院校运营成本具有重要的现实意义。

本项目以飞机起落架收放系统为例，探索将虚拟现实技术应用于职业院校的航空机电设备维修专业实训课程的方法和途径。

2.1 研究对象

以石家庄工程职业学院航空工程实训中心的波音777飞机前起落架为研究对象，实物如图1所示。

图1 飞机起落架实物

将飞机起落收放系统架分解后，对各部件、零件进行精确测量，并做出必要的简化，即去掉一些辅助构件后，使用3D仿真软件SolidWorks进行建模，如图2所示。

图2 飞机起落架数学模型

2.2 虚拟维修过程实现及特点

从构成上来说，飞机起落收放系统架虚拟现实维修平台的软件部分，主要包含建模软件及虚拟工具等，硬件部分则包含立体显示设备、动作捕捉设备等方面的硬件设备，详见表1所示。

表1 虚拟现实维修平台的软件及硬件构成

基于以上软件与硬件的相关内容，本文构建了基于VR技术的起落架收放系统的虚拟维修培训平台，支持实训仿真与考核评估，虚拟实训软件在计算机上创设三维虚拟维修场景，学生通过鼠标(或微软体感游戏设备Kinect)选择虚拟维修环境中的维护工具、供替换的零部件和完整的装置等进行拆卸或安装，进而满足预定各项目的实施和考核要求。虚拟维修环境运行条件由运行虚拟维修程序所必需的硬件设备，包括个人计算机组、工作站和网络、空间动作捕捉设备等。效果如图3所示。

图3 虚拟维修环境

3 虚拟维修环境的应用效果

3.1 提高实训能力，扩展教学维度

基于VR技术，学员通过使用虚拟维修教学平台的各项功能，能够实现交互式分解、组装虚拟环境中的部附件。VR技术的发展实现了对实体结构难以拆分的部件操作，比如航空发动机的主泵、启动机的拆装及齿轮的更换、飞机起落架收放系统的及选择阀下游管路堵塞故障等。

3.2 提升实操体验，激励学生参与

学员在虚拟维修教学系统可根据自身掌握科目情况选择实操环节和难度，实施多次模拟训练，操作过程数据回放可以便于学生进行实操的认真学习，观察结构的细节及维护流程，保证了学员们的实训效果。

3.3 繁复程序简单化，危险步骤安全化

针对培训课程有些实训科目准备时间长、开展难度大、危险步骤程序多的情况，基于虚拟现实平台开展安全操作，在虚拟环境中设置实操时容易出现的错误操作，这样就能身临其境的让学员体验到错误操作的不良影响，让参训学员印象深刻；

3.4 网络化实训教学，为航空维修等多行业提供人才保障

不同省份、不同院校间实训条件、师资水平差别很大，在航空设备实训教学中应用VR技术，从而方便各大学校能够相互学习借鉴，发扬各自教学优势，甚至可以在同类院校组织“维修云比赛”，从而节省大量社会资源，并能够有力地满足航空事业发展对维护队伍日益增加的需求。

4 总结

飞机起落架收放系统虚拟维修平台应用Unity 3D引擎、3D 仿真等技术，解决了三维实物建模、实物材料控制、实物行程建模、训练交互控制等技术问题，较为真实地模拟了某型飞机收放系统实训教学，达到了教学实训的目的。

本平台在使用的过程中，满足学员对起落架收放系统的结构及维护技能实训要求，使其能够了解操作规范，熟悉航空维修工作任务内容，掌握操作的动作要领。因此，通过虚拟维修平台能在很大程度上改善教学中存在的实训设备不足、耗材成本昂贵、操作对新训人员具有危险性等问题，可为民用航空器维修专业学员在实训教学中改善训练条件、提高训练效果的有效手段。