VR技術在航空機電設備維修實訓中的應用研究

尚金龍 任斌斌

摘要：VR技術屬于我國現代科學技術發展下一類智能化的數字人機接口技術，通過人機交互設備的有效使用，和虛擬環境中所存在的模型互相發生作用，實現動態化的實時數據交流以及沉浸式地體驗。將VR技術使用在航空機電設備維修專業的實訓教學中，可以將飛機起落架收放系統作為其融入VR技術的著力點，建立虛擬化航空機電設備維修平臺，滿足實訓教學質量，達到更加標準的實訓教學效率，節省實訓所需要花費的成本投入。

Abstract： VR technology belongs to a kind of intelligent digital human-computer interface technology under the development of modern science and technology in China. Through the effective use of human-computer interaction equipment and interacting with the models existing in the virtual environment， it can realize dynamic real-time data exchange and immersive experience. Using VR technology in the training teaching of aviation electromechanical equipment maintenance specialty， we can take the aircraft landing gear retraction and retraction system as the focus of its integration into VR technology， establish a virtual aviation electromechanical equipment maintenance platform， meet the training teaching quality， achieve more standard training teaching efficiency， and save the cost of training.

關鍵詞：VR技術;航空機電設備;維修實訓;應用研究

Key words： VR technology;aviation electromechanical equipment;maintenance training;application research

中圖分類號：G64 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0238-03

0 ?引言

在航空機電設備維修專業的課程教學中，通常將其分為理論知識的傳授以及相關設備維修的實訓教學。對于理論知識的傳遞來說，教師可以通過理論知識的講解以及計算機輔助培訓兩者互相融合的教學模式來開展教學活動，而對于維修機電設備的實訓教學，則可以運用設備實物和模擬器兩者之間有機融合的教學方式。但是這樣的實訓教學模式不管是在教學質量還是教學效率以及實訓成本投入上，都存在著非常多的缺陷和不足。但是將VR技術融入航空機電設備維修的實訓教學中，則能夠有效彌補這一缺陷，并實現教學質量的全面提升，促使學生提高自身的動手實踐水平，培養出更多優質的航空機電設備維修人才。

1 ?虛擬現實技術概況

VR技術由于其能夠帶給人身臨其境般的沉浸式體驗，因此也被稱之為臨境技術。VR技術的實現主要是通過電腦來建立出一個三維立體化的虛擬空間，以此來讓相關的使用人員具備一種身臨其境的感覺，在感官體驗上獲得沉浸式地體驗，隨后通過頭盔式顯示器以及手勢操作等模式，感受虛擬世界中的虛擬物體，實現場景的實時性交互，為相關的使用人員帶來一種身臨其境般地體驗。從本質上來說，VR技術是我國正式進入到信息化時代之后，仿真技術發展的必然發展路徑，同時跟多媒體技術以及網絡技術都有著非常緊密的內在聯系，也是我國現階段具備最大挑戰性同時在整個信息技術領域最為熱門的研究課題，屬于信息時代較為先進化的智能交叉技術，受到相關信息領域以及社會大眾的普遍關注。

早在1965年，在《終極的顯示》中，首次詳細講解了由力反饋設計、聲音提示、交互圖形顯示的全面性綜合系統，在這次闡述中，也代表著VR技術系統開始了其發展之路，整體的系統設計開始出現了雛形。等到上世紀七十年代之后，出現了首個具備系統功能的HMD系統，也就是頭盔顯示器系統。綜合在1965年有關VR技術系統在學術理論上的技術研究成果，賈朗拉尼爾曾經明確指出VR技術和虛擬現實系統的真正含義，在整個學術研究領域造成了非常大的反響。等到上世紀八十年代，美國宇航局（NASA）和美國國防部，針對VR技術進行更加深入的研究和分析，獲得了非常顯著的研究成果;等到上世紀九十年代，隨著計算機硬件技術高速發展和進步，計算機軟件系統的更新速度也越來越快，為后續大數據基礎集合圖像和聲音的動畫制作打下了堅實的基礎。

我國的VR技術相關課題研究是從20世紀90年代開始，由于VR技術具備一定的3I特征，也就是共享性、交互性以及沉浸性，被教育行業的相關研究人員認為是一類創新型的認知工具，并將其運用在相關的教學活動中。若是能夠將VR技術使用在高校的實訓教學活動中，能夠將傳統的教學模式和教學理念進行進一步的改革和創新，通過虛擬化的實訓教學，能夠在高校的學生步入到社會崗位之前，首先就體驗到就業的實踐工作，對于進一步解決我國各大高校在實踐教學中存在的問題和缺陷具備著非常重要的現實意義。

2 ?航空機電設備維修實訓教學現狀

首先是實訓的內容較多，但是整體的教學條件卻存在缺陷。航空機電設備維修實訓中的教學內容比較多，整體的設備維修包含了飛機各個系統，比如齒輪的軌道修理以及各種零件部件的拆裝和修復，但是大多數的學校卻沒有提供待修理的齒輪以及導軌這樣的零件。對于大多數的學校來說，在進行實訓教學時整體的工作臺數量不足，教師也只能夠對其進行展示，無法滿足學生的現場拆解需求，更加無法提及進行維護修理實訓學習。

其次是實訓教學活動不夠深入，對于傳統的教學輔助手段使用效果比較差。在傳統的航空機電設備實訓教學活動中，受到各種外界因素的深遠影響，無法深入到設備的內部展開更加細致化的修理和教學。在正式展開實踐活動之前，教師只能夠通過PPT以及短視頻講解的模式，講解實訓中所使用到的設備和零件。但是由于圖片和視頻在拍攝角度上不夠細致化，難免會存在漏洞，和學生的互動性也比較差，最終所能夠獲得到的學習成果也可想而知。

再次，實訓教育活動師資力量嚴重不足，無法實現分層次的教學?，F階段航空機電設備的維修實訓教學大多數都是大班授課、一刀切的教學形式，教師分批來對實訓內容進行操作和演示，隨后再讓學生劃分為若干個小組展開實訓學習，基本上所有的學生在學習進程上保持一致，無法對自己的學習進度進行調整和優化，導致最終的實訓教學工作無法實現分層次教學，最終獲得的實訓質量也無法提升，甚至會出現教學質量下降的問題。

最后，學校和學校之間的實訓教學差異性較大，無法實現教學資源的共享。航空機電設備課程的實訓教學質量取決于當前院校的實訓基地設備水平，但是不同院校在實訓基地的設計上存在著非常明顯的差異性，最終能夠獲得的實訓教學成果也有所不同，無法幫助各個學校之間實現資源的共享和傳遞。

3 ?虛擬維修環境的應用價值

3.1 提高實訓能力，擴展教學維度

將VR技術使用在航空機電設備的維修實訓教學活動中，能夠通過運用虛擬維修教學平臺的相關功能，實現學習的交互式的零件分解，并能夠在教師創建的虛擬環境中，對各種航空機電設備的零件和部件進行組裝、調整，尤其是航空機電設備維修過程中無法進行拆分的部件，例如航空發動機的主泵以及起動機的齒輪更換，還包括飛機起落架收放系統的操作等等，都能夠通過VR技術的有效使用，使得整體的實訓教學水平被進一步優化，教學途徑也被全面拓寬。

3.2 提升實操體驗，激勵學生參與

在航空機電設備的實訓教學活動中，學生通過虛擬維修教學系統能夠綜合自身的知識掌握情況來選擇在實訓操作過程中的操作環節和操作難度，展開重復性的機電設備維修模擬訓練。在操作過程中各項數據信息也會被詳細地記錄，最終生成數據回放，能夠方便學生展開重復性的復習和學習，掌握機電設備結構維修的具體細節以及維護的工作流程，確保學生的機電設備維修實訓成果。

3.3 繁復程序簡單化，危險步驟安全化

在航空機電設備維修的實訓教學活動中，個別的科目準備時間比較長，同時操作難度系數較大，其中存在的危險步驟程序也比較復雜，但是通過VR技術來建立虛擬現實平臺，能夠讓學生的實訓教學活動在安全的環境下開展，讓學生能夠通過沉浸式地體驗掌握到正確的操作模式和錯誤的操作模式，讓學生對于實訓教學活動的印象更加深刻。

3.4 網絡化實訓教學，為航空維修等多行業提供人才保障

不同地區、不同院校的實訓情況以及師資力量都存在著非常明顯的差別，在航空機電設備維修的實訓教學活動中，通過VR技術的有效使用，能夠使得各大高校實現實訓經驗的互相借鑒和學習，也展現出自身在教學上的優勢和價值，甚至可以在同類型的院校內組織與航空機電設備相關的維修云比賽，全面節省我國的社會資源和教學資源，同時也能夠進一步迎合航空事業的發展，培養出更多的航空機電設備維修人才。

4 ?虛擬維修環境的實現

起落架裝置的存在是為了能夠讓飛機實現停放、起飛和著陸，是飛機的重點支撐部件，能夠有效降低甚至是消解飛機在進行降落時所出現的巨大負載。除此之外，還能夠有效減少飛機在地面靜止或者是在移動的過程中飛行器所受到的動載荷以及負載荷，使得飛機的整體結構能夠始終保持在完整的狀態下，優化飛機的生命和使用周期，因此，對于整個飛機來說，航空器的起落架是其中的重點部件，起落架主要包括兩大部分，分別為主體結構和附件行的部附件，尤其是在飛機的結構傳統系統以及剎車系統上。從本質上來說，起落架的主體結構是整個飛機的重點受力部位，將會直接影響到機構傳統系統的實際運行狀況，因此在進行飛機起落架主體結構的設計和運轉過程中，需要對其給到足夠的關注和重視。通過相關的研究數據能夠得知，在飛機的各種故障和安全事件中，大約有40%以上的故障問題都是由于飛機起落架出現故障問題所引起的。而通過了解飛機起落架的各個工作部件能夠了解到，收放機構失去效用的概率能夠高達34.4%，因此，需要進一步強化對飛機起落架中收放機構的深入研究和探討。在高校的航空機電設備維修專業實訓教學活動中，需要將起落架的收放系統放置在教學內容中的重點位置，通過VR技術的有效使用，讓航空機電設備的維修實訓教學逐漸轉變為一種創新同時成本較低的實訓教學手段。

伴隨著我國虛擬仿真技術的不斷發展和進步，在這一領域的理論知識研究和相關的實踐操作應用也得到了非常迅猛地發展，逐漸由傳統的基本航空器設計工作進步到了航空器運用日常維修常規檢查全流程中?，F如今，虛擬仿真技術開始越來越多地使用在航空器維修工作上，但是高校在展開實訓教學活動時，卻沒有相關的實訓途徑。因此，對于傳統航空機電設備維修中所存在的各種問題，例如維修工具較為短缺、實訓設備成本投入較高、實訓教學活動對環境造成損害的問題，若是能夠將VR技術有效地結合航空機電設備的虛擬維修實訓活動，對于進一步優化航空專業學生的維修技術水平、降低實訓成本投入來說，具備著非常重要的現實意義。而文章將以航空機電設備中的飛機起落架收放系統作為實際案例，進一步深入探索和研究將VR技術使用在航空機電設備維修專業實訓課程的實現路徑以及實現方式。

4.1 研究對象

以某學校的航空工程實訓中心的波音737飛機前起落架作為本文的研究對象，實物如圖1所示。

對飛機起落收放系統架進行拆解，將其中的各個部件以及零件展開精細化的測量檢查，隨后對其進行相應的簡化處理，將其中無用的輔助構件去除，運用3D仿真軟件SolidWorks來建立3D立體虛擬化模型，如圖2所示。

4.2 虛擬維修過程實現及特點

從飛機起落架的零部件構成上來進行分析，飛機起落收放系統是建立虛擬維修環境的重點軟件部分，主要涵蓋了虛擬工具以及建模軟件等等，在硬件上主要涵蓋了動作捕捉設備以及立體顯示設備，硬件及軟件構成如表1所示?；诒碇械挠布蛙浖嚓P數據內容，本文建立了基于VR技術的起落架收放系統虛擬化實訓維修平臺，在整個虛擬維修實訓平臺中，能夠實現相關學生的考核評估，并能夠展開實時性的實訓教學活動。虛擬實訓軟件的有效使用，能夠在計算機系統中建立三維立體化的航空機電設備虛擬維修場景，學生可以通過鼠標的使用，自如選擇航空機電設備維修虛擬環境中的設備維修工具，并能夠展開沉浸式的軟件拆解、軟件安裝，隨時對各種零部件進行更換，以此來滿足各個航空機電設備維修項目的實現教學活動，并達到相關的考核標準。航空機電設備虛擬維修環境的建立和運轉，需要與虛擬維修程序相關的硬件設備，包含工作站空間捕捉設備以及個人計算機組等等。

5 ?VR技術應用在實訓教學中應注意的問題

5.1 加強教師對課堂地把控

VR技術的使用雖然能夠為航空機電設備的維修實訓課堂帶來教學的便利性，但是也有可能逐漸降低教師對課堂地把控水平。因此需要在航空機電設備的實訓教學活動中，避免學生過度沉浸在設備中，忽略了理論知識的學習。需要在其中設計出能夠讓師生進行溝通和交流的反饋功能，教師也能夠隨時隨地對學生的知識掌握狀況和學習進度進行查看，及時展開雙向性地溝通和交流，強化教師對整個課堂地把控水平，保障航空機電設備維修的實訓教學活動教學成果和教學質量。

5.2 正確處理虛擬和現實的關系

VR技術的使用能夠讓學生通過VR軟件來展開實時性的交互性航空機電設備維修實訓，但是這樣的虛擬維修環境畢竟和現實還是存在一定的差異性，并不能夠完全模擬出現實維修環境，因此VR技術的使用只是輔助教學工具，教師需要了解到實訓課堂的教學成果并不是完全由VR技術的使用所決定。教師可以通過VR技術的使用，綜合現階段的實踐課程教學現狀，進一步強化學生的動手實踐能力。

5.3 關注學生的健康

現階段，VR技術運用在航空今天設備維修的實訓教學活動中，學生的眼睛處于完全封閉的虛擬環境下，需要在課堂教學時間內長時間的佩戴各種虛擬軟件設備，會進一步加劇學生的眼睛壓力，對他們的身體健康造成一定的不利影響。因此，教師通過VR技術來展開航空機電設備維修的實訓教學活動時，需要科學合理地使用VR技術，在確保學生身體健康的基礎條件下，進一步強化航空機電設備維修實訓的教學成果。

6 ?結論

綜上所述，本文將飛機起落架的收放系統作為實際案例，講解了將VR技術運用在航空機電設備維修實訓教學活動中的實現路徑。通過VR技術創建實訓的虛擬環境，能夠讓學生全方位掌握收放系統的整體架構以及維修的實踐技能，掌握操作的規范，進一步了解航空維修工作的具體工作內容，并更加深刻地了解到操作的質量標準，因此值得在航空機電設備維修實訓課程中進行推廣和運用，培養出更多優質的航空機電設備維修專業人才。

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