航空装备虚拟维修系统设计研究

航空装备虚拟维修系统设计研究

谢新华

空军航空大学，吉林长春， 130000

摘要：将虚拟现实技术运用到航空装备维修中，开发航空装备虚拟维修训练系统，可通过沉浸式人机交互操作，向保障人员展示航空装备的结构和功能原理，以三维模型的形式更加直观的对零部件模型实现拆装、维修，可取得较好的维修训练的效果。

关键词：航空装备；虚拟维修；三维建模；维修保障

1引言

维修的有效性是保证航空装备发挥其战斗力的重要保障，是确保飞行安全的基础。要想将装备维修工作做实、做透，需要不断进行维修知识学习和实践应用，一直以来，航空维修的实践训练都依赖外场实际的设备，在时间以及空间上都受到一定条件的限制。随着数字化技术和虚拟现实技术的发展，虚拟维修技术被不断应用于各领域设备维修中，取得了很好的效果。在航空装备中应用虚拟维修技术，将传统的实装维修训练场景用虚拟维修场景来实现，可使保障人员通过VR眼镜或虚拟维修训练系统上就能实现维修训练，对实际中不易开展的训练内容进行补充和扩展，虚实结合，不仅能够突破时间、空间上的限制，还能节约训练成本、丰富航空装备维修训练模式，极大激发了保障人员业务学习的积极性和主动性，能够取得更好的训练效果。

2　虚拟维修技术的内涵

虚拟维修技术（Virtual Maintenance）是利用虚拟现实技术能够直观表达事物的能力，在计算机中生成虚拟的维修环境，进行维修性工程活动的技术。虚拟维修在上世纪末提出，美空军开发的 Crew Chief 就是其中的代表，该系统以维修人员和维修任务之间的交互为核心，可从多角度对维修人员的业务能力进行评价。虚拟维修以数字样机代替昂贵的物理样机，具有良好沉浸感、交互性和启发性的虚拟维修环境，实时性强、节约成本、训练效果好等特点，在进行维修训练的同时，还能应用虚拟维修技术进行系统维修性分析、验证与评估工作，尽可能早地发现设计中可能存在的问题，对保证飞机质量、可靠性、降低飞机的维修成本、缩短飞机设计周期具有十分重要的意义。

在航空装备保障过程中利用虚拟维修技术，可以通过建立虚拟维修系统，来模拟装备的

拆卸、装配、维修、检验等工作过程，用以训练和培养保障人员业务能力水平，通过维修过程立体的、可交互的、动态的三维可视化视图展现，使维修资料不再是简单、枯燥的文字或原理图，大大提高保障人员的学习积极性和主动性，为航空装备的维修训练过程注入新的模式和元素。另外，管理部门还可以利用虚拟维修系统统计维修作业的时间、维修工具的选择、维修流程的设计等问题，为维修任务的开展提供数据支持。

3 虚拟维修系统设计

3.1虚拟维修系统总体框架与功能

虚拟维修系统主要包括虚拟人及装备建模、虚拟维修环境建模、维修过程仿真分析以及维修性分析及评估模型等模块。建模过程中可利用3DMax、CATIA等软件构建三维数字模型，利用DELMIA等软件进行仿真分析，评估模型可提供维修性评估、维修性演示验证、维修过程检查、维修训练与评估、设计修改建议、人机工效评估等功能。虚拟维修系统总体框架如图1所示。根据对虚拟维修训练系统的功能要求，该系统包括以下功能：

（1）原理结构演示。维修保障人员可以通过VR眼镜或维修系统学习航空装备各元件的结构、原理。

（2）拆装训练。保障人员对装备分系统或者零部件的正确分解与结合，可细分为自动的分解与结合、带有引导的分解与结合和考核性的分解与结合。

（3）故障排除。演示装备常见的故障现象，使保障人员找到故障原因并排除故障

（4） 评估考核。对保障人员的整个维修过程进行评估，记录整个训练过程的操作步骤，对于错误动作给出正确的指导，从而提高保障人员的能力水平。

图1虚拟维修系统总体框架

3.2 建模方法

根据航空装备维修训练实际需求，利用成熟软、硬件进行虚拟维修系统设计，基于动作捕捉技术建立起沉浸感强、交互控制便捷有效的仿真环境。虚拟维修训练场景及装备维修模型采用 CATIA、Maya 等软件开发，建立维修对象、维修资源和维修过程等维修要素，以及训练过程、训练信息等数据模块。立体投影系统采用3D眼镜、立体投影仪实现沉浸感较强的虚拟维修训练可视化环境。针对某型飞机建立的虚拟维修训练场景如图2所示。

图2 虚拟维修训练场景

3.3维修性综合评估体系构建

影响航空装备维修性的因素是多种多样的，如何在虚拟维修系统中综合考虑各种指标因素的影响，科学地评估航空装备的维修性，是研究人员关注的重点。本文结合维修工作实际，建立维修性综合评估指标体系，为解决航空虚拟维修中维修性综合评估问题提供参考，如图3所示。

图3 虚拟维修评估指标体系

4 结论

航空装备维修训练长期依赖实体飞机或设备，在时间和空间上受到一定的限制，难以实现系统性或流程性工作任务的训练。运用虚拟现实开发航空装备虚拟维修训练系统，通过沉浸式人机交互操作，向维修保障人员展示航空装备的结构和原理，并对三维零部件模型实现拆装、维修，指导保障人员实现维修训练任务。该系统对与传统维修模式相互补充、虚实结合，形成更为灵活的飞机维修实践训练体系，提高装备保障人员的学习积极性和主动性，节约训练成本，提升训练有效性，能够大幅提高保障人员的维修水平和保障能力。

参考文献

1. 杨琼.基于动作捕捉的航空装备虚拟维修训练系统设计分析[J].电子设计工程,2020,28(23):29-33.

2. 李荣强,文爱兵,花斌,李嘉骏,姜兵.航空装备虚拟维修训练仿真模型快速开发技术[J].系统仿真学报,2021,33(05):1167-1176.

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4. 谢军. 桌面式飞机虚拟维修训练系统研发[D].中国民用航空飞行学院,2020.