基于VR的涡喷六航空发动机虚拟实验平台的设计与制作
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作者:施新宇 邱峰 石承玉 施浩
摘要：本文采用将虚拟现实技术与航空发动机构造相结合，建立一款针对涡喷六航空发动机的虚拟实验平台，通过对真实的涡喷六航空发动机进行精密测绘，通过AutoCAD软件绘制二维图纸，使用3Dsmax软件建立三维模型，在Unity3D中通过VisualC++语言编程，最终得以实现通过VR设备进行航空发动机可视化的人机交互。
关键词：VR;涡喷六航空发动机;3Dsmax;unity3D;虚拟实验
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）01-0251-02
1概述
航空發动机是飞机飞行的关键部件，是航空器械维修的重点部件。虚拟现实技术，是一种能够提供给使用者一个身临其境的仿真体验的计算机技术，这一技术凭借强大的沉浸式体验功能，对模拟教学领域起着极大的促进作用，因而被广泛运用于各类模拟教学领域，如：模拟医学手术、模拟机械设备拆装等，但目前鲜有针对航空发动机设计的模拟教学。
本文采用虚拟现实技术与航空发动机模型相结合的方法，建立起一个使用者可以观察并亲自动手进行发动机部件拆装的虚拟实验平台，从而提升使用者对航空发动机的认识与了解。
2关键技术
2.1虚拟现实技术
虚拟现实技术即VR技术，是一种可以创建并体验虚拟世界的计算机仿真技术。虚拟现实技术结合了计算机技术与仿真技术，从而提供给使用者更好的人机交互体验。目前主要的虚拟现实仿真体验是视觉体验和听觉体验，一般是通过头戴显示设备和耳机获得的。在一些仿真系统中，通过添加更高级的设备还能实现其他的感觉处理，例如：通过特殊的电子手套，使用者可以获得触觉上的仿真体验。相较于设计实物模型进行实验，通过虚拟现实技术搭建实验平台，不仅能使整个实验过程更加真实，还能节省成本，降低风险。
2.2软件平台
本文选定涡喷六航空发动机作为建模原型，经过图纸绘制、模型建立、渲染优化、程序编写四个步骤，最终完成整个虚拟实验平台的建立。（如图1）
图纸绘制部分采用AutoCAD软件实现。AutoCAD是由欧特克公司开发的自动计算机辅助设计软件，这款软件凭借强大的图形编辑、图形绘制功能，加上良好的兼容性，被广泛应用在工程制图，电子工业，土木建筑等多方面的领域。
模型建立部分则采用了Discreet公司开发的3Dsmax软件实现。使用3Dsmax软件进行三维建模，可以在占用计算机内存较低的情况下，完成复杂模型的建立，同时模型的精密度也完全可以得到保证。
渲染优化和程序编写两个部分均通过Unity3D软件实现。Unity3D作为一款全面整合的游戏开发软件，其包含了模型渲染，程序编写等功能，并且可以通过添加插件的方法扩展软件功能。本文采用添加Steam VR插件的方法，进行虚拟现实场景的建立。需要注意的是Unity3D与3Dsmax在建模规则上有细微差别，如果直接将使用3Dsmax完成的模型文件导入到Unity3D的场景中，可能会导致模型变形、错位。本文采用额外分组与轴向固定的方法，来解决这一问题。
3实现过程
3.1实物测量
航空发动机作为航空器飞行的关键部件，对于精密度的要求是不言而喻的。为了使虚拟实验更加贴合专业操作，首先要对实物模型进行精密测绘。测量主要使用卷尺、游标卡尺、螺旋测微器等工具。在测量过程中，由于测量设备本身的精准问题、测量方法的不完善或是其他因素，误差难以避免。为了尽可能地提高虚拟模型的精确度，需要多次测量并进行分析，从而得到最精确的数值。接着使用AutoCAD软件，根据测得的数据完成发动机图纸的绘制。（如图2所示涡喷六航空发动机燃烧室1
3.2模型的初步建立
根据已经绘制的图纸，使用3Dsmax软件进行虚拟模型的建立。首先通过软件的可编辑多边形功能与拓扑功能，刻画出发动机各个零部件的基本轮廓，再使用涡轮平滑功能对模型进行细化，将模型调整到完全符合实物。考虑到工业误差的存在，在部件组装成整体模型的途中可能会出现啮合问题，因此需要根据误差对部件进行细微的调整，以此保证各部件在组装时能正确啮合。最后将各个部件进行组装，完成整体模型的初步建立。（见图3）
3.3模型的优化与渲染
考虑到后续建模的渲染工作与编程工作需要使用Unity3D软件实现，而Unity3D与3Dsmax两款软件的基本运行规则有所不同，因此需要根据两款软件之间运算规则的不同，对已完成的模型进行额外分组与轴向固定，防止因为运算规则不同而导致的变形或错位现象。
在Unity3D中建立场景，将已经完成的模型导入场景中，并根据虚拟实验的需要添加光源，利用Unity3D的材质球功能，对模型进行渲染，为各部件添加色泽与材质（见图4）。
为了提高计算机在加载模型时的效率，本文采用在材质球中添加法向贴图代替细小纹路的方法，到达在保证视觉外观不发生改变的情况下，降低计算机在同一时间所要处理的面的数量。最终使得整个虚拟实验平台能够运行得更加平稳流畅、更加真实。
3.4程序编写
Uniy3d作为一款全面整合的专业开发引擎，可以通过在软件中添加VR程序插件，来开启虚拟现实交互程序的编写。
在场景中添加“第一人称控制器”，调整视角与操作参数，并设立活动范围，实现人物在虚拟世界中的简单观察功能。为物体添加碰撞体积、重力、弹性等参数，并根据不同操作需求添加代码，使手柄在接触模型、触碰按键时，模型会根据添加的代码实现相应的物理反馈，这样使用者便可以在虚拟世界中与模型实现人机交互。再对人物抓取的手势、物体之间的碰撞进行细化，使整个虚拟世界更加真实。本文使用的部分VisualC++交互代码如下：
4技术指标
本文将虚拟现实技术与航空发动机相结合，建立基于VR的涡喷六航空发动机虚拟实验平台，旨在解决传统实物教学中，发动机内部结构不易观察，且批量学员难以同时进行操作的困难。为此，虚拟实验平台将达到以下技术指标：
1）真实还原涡喷六航空发动机模型，虚拟模型与实物模型间的误差范围在0.5mm之内;
2）使用者可以在虚拟实验场景中进行流畅的观察，且在部件拆装过程不会出现卡顿现象;
3）所有发动机部件均可按照维修手册进行正确的拆装操作;
4）当拆装操作出现错误时，系统将进行报错提示;
5）教员可以通过网络实时监督使用者的操作情况。
5总结
本文采用通过测量实物数据，使用3Dsmax建立虚拟模型，优化模型，接着导入Unity3D软件进行整合并建立场景，最后使用VisualC++语言编写合理的交互程序，这样的一套流程，建立起一套高效且专业的虚拟实验平台。系统中可以真实还原航空发动机的拆装流程，并可指出学员的错误操作，提示相关风险，进行正确的操作引导。学员能够在虚拟实验平台中得到良好的学习体验，更好地掌握航空发动机内部结构等相关知识。教员也可以通过网络远程监督指导学员的具体操作。
传统的航空发动机维修教学有着不易于学员观测内部结构，批量学员同时操作困难的缺点，构建一款针对航空发动机的虚拟实验平台，不仅可以有效地解决这些问题，还能够减少误操作造成人身、财产损失的风险，并提高整体授课效率，达到事半功倍的效果。
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