陳 偉 李 磊 潘亞?wèn)|

（1、中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300 2、中國(guó)民航大學(xué)工程訓(xùn)練創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐基地，天津 300300）

1 概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，是“工業(yè)皇冠上的明珠”。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制水平充分體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)基礎(chǔ)、經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平等綜合國(guó)力，在民航領(lǐng)域，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的自主研發(fā)與制造是我國(guó)建設(shè)民航強(qiáng)國(guó)的重要舉措。民用航空運(yùn)輸領(lǐng)域現(xiàn)在普遍采用渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其研發(fā)周期長(zhǎng)、技術(shù)難度大且結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，同時(shí)由于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)體形龐大，造價(jià)高昂，因此滿足所有人觀察研究真實(shí)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的需求極其困難。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬環(huán)境，通過(guò)輸出設(shè)備提供給使用者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，通過(guò)各種輸入設(shè)備與虛擬環(huán)境中的事物進(jìn)行交互，讓使用者如同身臨其境一般，并能夠及時(shí)、無(wú)限制地觀察三維空間內(nèi)的事物，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、教育、設(shè)計(jì)、影視娛樂(lè)等領(lǐng)域。因此采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建一個(gè)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝系統(tǒng)，不僅能夠清晰展示發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造與系統(tǒng)，而且成本較低，具備良好的推廣價(jià)值。本文以CFM56-7B 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，結(jié)合桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)zSspace 和實(shí)時(shí)3D 互動(dòng)創(chuàng)作平臺(tái)Unity 3D,開(kāi)發(fā)一套渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)VR 模型拆裝的人機(jī)交互以及相關(guān)理論知識(shí)學(xué)習(xí)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)整體流程設(shè)計(jì)如下：首先，收集渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的信息，整理相關(guān)資料并完成發(fā)動(dòng)機(jī)選型，利用SolidWorks 軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型，并將建好的三維模型導(dǎo)入3DS Max 軟件中進(jìn)行渲染和格式轉(zhuǎn)換，導(dǎo)出為FBX 文件，然后導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D 平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。其次，由于本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)使用zSpace 300 型一體機(jī)為硬件平臺(tái)，需提前下載并安裝zSpace SDK，并將zSpace 提供的zCore 和zView 兩個(gè)插件包導(dǎo)入到Unity 3D 平臺(tái)，為下一步開(kāi)發(fā)做好準(zhǔn)備。最后將開(kāi)發(fā)出的系統(tǒng)在zSpace 平臺(tái)上進(jìn)行軟件硬件匹配測(cè)試。開(kāi)發(fā)具體流程如圖1 所示。

圖1 開(kāi)發(fā)具體流程

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖2 所示，包括三個(gè)模塊，分別是賬號(hào)管理、VR 模型交互和拓展與補(bǔ)充。賬號(hào)管理首先是注冊(cè)與登錄界面，擁有賬號(hào)的特定用戶才可使用系統(tǒng)，既確保了系統(tǒng)安全，也避免重要信息泄露給無(wú)關(guān)人員。注冊(cè)成功并登錄后進(jìn)入到系統(tǒng)目錄（如圖3 所示），用戶根據(jù)自身需求選擇相應(yīng)板塊進(jìn)行體驗(yàn)。系統(tǒng)目錄包含VR 模型交互和拓展與補(bǔ)充兩大類，每個(gè)大類又下設(shè)三個(gè)小項(xiàng)。在VR 模型交互模塊，用戶使用6 自由度觸控筆完成抓取、旋轉(zhuǎn)、平移、縮放模型等交互操作，模擬人手與發(fā)動(dòng)機(jī)的交互，全方位沉浸式觀看發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)模型剖視可以展示更多信息，如發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子和靜子葉片、高低壓轉(zhuǎn)子軸、內(nèi)外涵道氣流通路等，在此過(guò)程中zSpace 保證了模型不失真、不變形，而且在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)模型便“脫離”屏幕的束縛，與現(xiàn)實(shí)世界融為一體。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

圖3 系統(tǒng)目錄

發(fā)動(dòng)機(jī)部件拆卸、組裝兩個(gè)模塊可以完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)拆裝和對(duì)五大部件（風(fēng)扇和進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管）的拆裝，更詳細(xì)地了解發(fā)動(dòng)機(jī)的組成與功用，了解發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造與系統(tǒng)。拓展與補(bǔ)充板塊則利用動(dòng)畫、視頻和圖片，較充分地還原發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程、氣流通路的形成、高低壓轉(zhuǎn)子及風(fēng)扇間的傳動(dòng)關(guān)系等，另提供發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，達(dá)到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，也可根據(jù)系統(tǒng)需求，補(bǔ)充相應(yīng)內(nèi)容，如發(fā)動(dòng)機(jī)部件拆裝視頻等。

3 開(kāi)發(fā)過(guò)程

3.1 建模優(yōu)化與模型導(dǎo)入

首先需建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型，機(jī)型選用CFM56-7B 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，因Unity3D 本身無(wú)法建立復(fù)雜的三維模型，因此采用SolidWorks 進(jìn)行建模。在模型建立完成之后，為了使模型更真實(shí)需導(dǎo)入3DS Max 進(jìn)行模型渲染，由于SolidWorks 不支持FBX 格式的導(dǎo)出，所以需先將三維模型導(dǎo)出為STL 格式，再通過(guò)3DS Max 自帶的合并導(dǎo)入方式，依次將CFM56-7B 零部件模型導(dǎo)入3DS Max 中，同時(shí)用3DS Max 對(duì)模型各零部件的位置和角度進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化以減少模型占用的系統(tǒng)內(nèi)存。修改完成之后，將模型導(dǎo)出為FBX 格式并拖拽至Unity3D 中，建模如圖4 所示。

圖4 CFM56-3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

模型在3DS Max 中導(dǎo)出為FBX 格式文件后可直接將文件拖拽至Unity 3D 的Assets 工程文件下，Unity 3D將自動(dòng)讀取模型。同時(shí)，為了方便管理及后續(xù)故障排查，在Assets 下創(chuàng)建文件夾將所有工程素材、代碼程序、場(chǎng)景動(dòng)畫分別儲(chǔ)存。在完成資源導(dǎo)入后，通過(guò)File 下的New Scene 創(chuàng)建新場(chǎng)景，將Assets 中Unity 3D 讀取的模型文件直接拖拽至Scene 窗口下，通過(guò)界面Hierarchy 面板可查看管理已添加至場(chǎng)景中的模型。

3.2 基于zSpace 的Unity 3D 開(kāi)發(fā)

3.2.1 zSpace 資源包的使用

完成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)首先需要導(dǎo)入zSpace 提供的插件包。實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果需要借助zView 插件包，但同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)zCore 組件必須出現(xiàn)在Unity 3D 場(chǎng)景中，zView 才能正常工作，所以需要先導(dǎo)入zCore 組件并完成相應(yīng)配置。本系統(tǒng)選用的是zCore 6.0 版本，目前與該版本兼容的Unity 3D 版本包括2018.x 的所有版本和2019.x 版本，為了成功構(gòu)建在zSpace 上以立體呈現(xiàn)的獨(dú)立可執(zhí)行文件，必須配置Unity 3D 中的相關(guān)選項(xiàng)，主要是對(duì)Project Settings中的Player 選項(xiàng)進(jìn)行相關(guān)調(diào)試以實(shí)現(xiàn)立體效果。另外，還需對(duì)Unity 3D 進(jìn)行基礎(chǔ)的場(chǎng)景配置，進(jìn)行角度、顯示比例等的調(diào)整以適配zSpace 的顯示大小。然后將Assets/zSpace/zView 文件夾中的zView 添加到場(chǎng)景中，加上相應(yīng)腳本才能夠?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果。

3.2.2 模型交互與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

zSpace 運(yùn)用六自由度的觸筆代替人手與虛擬世界的模型進(jìn)行交互，模擬人手抓取、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)物體的過(guò)程，另外本系統(tǒng)還添加了模型縮放和模型爆炸兩種交互方式，避免由于zSpace 屏幕大小的限制而無(wú)法完整瀏覽發(fā)動(dòng)機(jī)的情況發(fā)生，同時(shí)模型爆炸能更清楚地觀看發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件。

3.2.2.1 實(shí)現(xiàn)用觸控筆抓取對(duì)象，首先需利用函數(shù)構(gòu)造虛擬光線然后確定光線相交的對(duì)象。通過(guò)射線與待拾取物體包圍盒碰撞檢測(cè)的方式來(lái)確定抓取時(shí)機(jī)，運(yùn)用Unity 3D 軟件提供的Raycast(檢測(cè)是否碰撞)和zCore 資源包提供的GetTargetPose(獲取射線發(fā)射位置、方向)實(shí)現(xiàn)，模型實(shí)際抓取效果如圖5 所示。

圖5 實(shí)際抓取效果

3.2.2.2 模型零部件的平移和旋轉(zhuǎn)通過(guò)Unity 中的插件iTween 動(dòng)畫庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，部分代碼如下：

iTween.MoveBy (gameObject,iTween.Hash (“y”,5,“easeType”,“easeInOutExpo”,“l(fā)oopType”,“none”,“delay”,5)

3.2.2.3 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)整體模型的旋轉(zhuǎn)縮放功能通過(guò)射線函數(shù)Lerp 函數(shù)實(shí)現(xiàn)，函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句如下：

Ray=Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);transform.rotation =Quaternion.Lerp (transform.rotation,mRotation,Time.deltaTime*Damping).

3.2.2.4 利用Unity 3D 的動(dòng)畫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)重要零部件的爆炸動(dòng)畫，在程序中運(yùn)用anima.SetBool(“anima-name”,true)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)畫的播放控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模型的爆炸效果。

3.2.2.5 依靠zView 資源包和外接攝像頭，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果。并利用GetCurrentActiveConnection()函數(shù)（獲取當(dāng)前鏈接）、ConnectToDefaultViewer()函數(shù)(連接到顯示軟件)、SetConnectionMode()函數(shù)（設(shè)置連接模式）使模型“掙脫”屏幕的束縛，與現(xiàn)實(shí)世界融為一體，沉浸式360 度觀察發(fā)動(dòng)機(jī)模型。

4 結(jié)論

基于zSpace 桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、Unity3D 虛擬現(xiàn)實(shí)引擎開(kāi)發(fā)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)發(fā)揮了zSpace 的良好交互性、高保真度以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等特征優(yōu)勢(shì)，極大地提高了虛擬仿真的交互性與沉浸感，使整套系統(tǒng)硬件設(shè)備更輕便，并且較好完成了對(duì)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程的虛擬仿真。實(shí)踐表明，該虛擬仿真系統(tǒng)在實(shí)踐方面取得較好效果，可為虛擬仿真技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用提供可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)。