VR技术在航空机电设备维修实训中的应用研究

尚金龙 任斌斌

摘要：VR技术属于我国现代科学技术发展下一类智能化的数字人机接口技术，通过人机交互设备的有效使用，和虚拟环境中所存在的模型互相发生作用，实现动态化的实时数据交流以及沉浸式地体验。将VR技术使用在航空机电设备维修专业的实训教学中，可以将飞机起落架收放系统作为其融入VR技术的着力点，建立虚拟化航空机电设备维修平台，满足实训教学质量，达到更加标准的实训教学效率，节省实训所需要花费的成本投入。

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.

关键词：VR技术;航空機电设备;维修实训;应用研究

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

中图分类号：G64                                        文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0238-03

0  引言

在航空机电设备维修专业的课程教学中，通常将其分为理论知识的传授以及相关设备维修的实训教学。对于理论知识的传递来说，教师可以通过理论知识的讲解以及计算机辅助培训两者互相融合的教学模式来开展教学活动，而对于维修机电设备的实训教学，则可以运用设备实物和模拟器两者之间有机融合的教学方式。但是这样的实训教学模式不管是在教学质量还是教学效率以及实训成本投入上，都存在着非常多的缺陷和不足。但是将VR技术融入航空机电设备维修的实训教学中，则能够有效弥补这一缺陷，并实现教学质量的全面提升，促使学生提高自身的动手实践水平，培养出更多优质的航空机电设备维修人才。

1  虚拟现实技术概况

VR技术由于其能够带给人身临其境般的沉浸式体验，因此也被称之为临境技术。VR技术的实现主要是通过电脑来建立出一个三维立体化的虚拟空间，以此来让相关的使用人员具备一种身临其境的感觉，在感官体验上获得沉浸式地体验，随后通过头盔式显示器以及手势操作等模式，感受虚拟世界中的虚拟物体，实现场景的实时性交互，为相关的使用人员带来一种身临其境般地体验。从本质上来说，VR技术是我国正式进入到信息化时代之后，仿真技术发展的必然发展路径，同时跟多媒体技术以及网络技术都有着非常紧密的内在联系，也是我国现阶段具备最大挑战性同时在整个信息技术领域最为热门的研究课题，属于信息时代较为先进化的智能交叉技术，受到相关信息领域以及社会大众的普遍关注。

早在1965年，在《终极的显示》中，首次详细讲解了由力反馈设计、声音提示、交互图形显示的全面性综合系统，在这次阐述中，也代表着VR技术系统开始了其发展之路，整体的系统设计开始出现了雏形。等到上世纪七十年代之后，出现了首个具备系统功能的HMD系统，也就是头盔显示器系统。综合在1965年有关VR技术系统在学术理论上的技术研究成果，贾朗拉尼尔曾经明确指出VR技术和虚拟现实系统的真正含义，在整个学术研究领域造成了非常大的反响。等到上世纪八十年代，美国宇航局（NASA）和美国国防部，针对VR技术进行更加深入的研究和分析，获得了非常显著的研究成果;等到上世纪九十年代，随着计算机硬件技术高速发展和进步，计算机软件系统的更新速度也越来越快，为后续大数据基础集合图像和声音的动画制作打下了坚实的基础。

我国的VR技术相关课题研究是从20世纪90年代开始，由于VR技术具备一定的3I特征，也就是共享性、交互性以及沉浸性，被教育行业的相关研究人员认为是一类创新型的认知工具，并将其运用在相关的教学活动中。若是能够将VR技术使用在高校的实训教学活动中，能够将传统的教学模式和教学理念进行进一步的改革和创新，通过虚拟化的实训教学，能够在高校的学生步入到社会岗位之前，首先就体验到就业的实践工作，对于进一步解决我国各大高校在实践教学中存在的问题和缺陷具备着非常重要的现实意义。

2  航空机电设备维修实训教学现状

首先是实训的内容较多，但是整体的教学条件却存在缺陷。航空机电设备维修实训中的教学内容比较多，整体的设备维修包含了飞机各个系统，比如齿轮的轨道修理以及各种零件部件的拆装和修复，但是大多数的学校却没有提供待修理的齿轮以及导轨这样的零件。对于大多数的学校来说，在进行实训教学时整体的工作台数量不足，教师也只能够对其进行展示，无法满足学生的现场拆解需求，更加无法提及进行维护修理实训学习。

其次是实训教学活动不够深入，对于传统的教学辅助手段使用效果比较差。在传统的航空机电设备实训教学活动中，受到各种外界因素的深远影响，无法深入到设备的内部展开更加细致化的修理和教学。在正式展开实践活动之前，教师只能够通过PPT以及短视频讲解的模式，讲解实训中所使用到的设备和零件。但是由于图片和视频在拍摄角度上不够细致化，难免会存在漏洞，和学生的互动性也比较差，最终所能够获得到的学习成果也可想而知。

再次，实训教育活动师资力量严重不足，无法实现分层次的教学。现阶段航空机电设备的维修实训教学大多数都是大班授课、一刀切的教学形式，教师分批来对实训内容进行操作和演示，随后再让学生划分为若干个小组展开实训学习，基本上所有的学生在学习进程上保持一致，无法对自己的学习进度进行调整和优化，导致最终的实训教学工作无法实现分层次教学，最终获得的实训质量也无法提升，甚至会出现教学质量下降的问题。

最后，学校和学校之间的实训教学差异性较大，无法实现教学资源的共享。航空机电设备课程的实训教学质量取决于当前院校的实训基地设备水平，但是不同院校在实训基地的设计上存在着非常明显的差异性，最终能够获得的实训教学成果也有所不同，无法帮助各个学校之间实现资源的共享和传递。

3  虚拟维修环境的应用价值

3.1 提高实训能力，扩展教学维度

将VR技术使用在航空机电设备的维修实训教学活动中，能够通过运用虚拟维修教学平台的相关功能，实现学习的交互式的零件分解，并能够在教师创建的虚拟环境中，对各种航空机电设备的零件和部件进行组装、调整，尤其是航空机电设备维修过程中无法进行拆分的部件，例如航空发动机的主泵以及起动机的齿轮更换，还包括飞机起落架收放系統的操作等等，都能够通过VR技术的有效使用，使得整体的实训教学水平被进一步优化，教学途径也被全面拓宽。

3.2 提升实操体验，激励学生参与

在航空机电设备的实训教学活动中，学生通过虚拟维修教学系统能够综合自身的知识掌握情况来选择在实训操作过程中的操作环节和操作难度，展开重复性的机电设备维修模拟训练。在操作过程中各项数据信息也会被详细地记录，最终生成数据回放，能够方便学生展开重复性的复习和学习，掌握机电设备结构维修的具体细节以及维护的工作流程，确保学生的机电设备维修实训成果。

3.3 繁复程序简单化，危险步骤安全化

在航空机电设备维修的实训教学活动中，个别的科目准备时间比较长，同时操作难度系数较大，其中存在的危险步骤程序也比较复杂，但是通过VR技术来建立虚拟现实平台，能够让学生的实训教学活动在安全的环境下开展，让学生能够通过沉浸式地体验掌握到正确的操作模式和错误的操作模式，让学生对于实训教学活动的印象更加深刻。

3.4 网络化实训教学，为航空维修等多行业提供人才保障

不同地区、不同院校的实训情况以及师资力量都存在着非常明显的差别，在航空机电设备维修的实训教学活动中，通过VR技术的有效使用，能够使得各大高校实现实训经验的互相借鉴和学习，也展现出自身在教学上的优势和价值，甚至可以在同类型的院校内组织与航空机电设备相关的维修云比赛，全面节省我国的社会资源和教学资源，同时也能够进一步迎合航空事业的发展，培养出更多的航空机电设备维修人才。

4  虚拟维修环境的实现

起落架装置的存在是为了能够让飞机实现停放、起飞和着陆，是飞机的重点支撑部件，能够有效降低甚至是消解飞机在进行降落时所出现的巨大负载。除此之外，还能够有效减少飞机在地面静止或者是在移动的过程中飞行器所受到的动载荷以及负载荷，使得飞机的整体结构能够始终保持在完整的状态下，优化飞机的生命和使用周期，因此，对于整个飞机来说，航空器的起落架是其中的重点部件，起落架主要包括两大部分，分别为主体结构和附件行的部附件，尤其是在飞机的结构传统系统以及刹车系统上。从本质上来说，起落架的主体结构是整个飞机的重点受力部位，将会直接影响到机构传统系统的实际运行状况，因此在进行飞机起落架主体结构的设计和运转过程中，需要对其给到足够的关注和重视。通过相关的研究数据能够得知，在飞机的各种故障和安全事件中，大约有40%以上的故障问题都是由于飞机起落架出现故障问题所引起的。而通过了解飞机起落架的各个工作部件能够了解到，收放机构失去效用的概率能够高达34.4%，因此，需要进一步强化对飞机起落架中收放机构的深入研究和探讨。在高校的航空机电设备维修专业实训教学活动中，需要将起落架的收放系统放置在教学内容中的重点位置，通过VR技术的有效使用，让航空机电设备的维修实训教学逐渐转变为一种创新同时成本较低的实训教学手段。

伴随着我国虚拟仿真技术的不断发展和进步，在这一领域的理论知识研究和相关的实践操作应用也得到了非常迅猛地发展，逐渐由传统的基本航空器设计工作进步到了航空器运用日常维修常规检查全流程中。现如今，虚拟仿真技术开始越来越多地使用在航空器维修工作上，但是高校在展开实训教学活动时，却没有相关的实训途径。因此，对于传统航空机电设备维修中所存在的各种问题，例如维修工具较为短缺、实训设备成本投入较高、实训教学活动对环境造成损害的问题，若是能够将VR技术有效地结合航空机电设备的虚拟维修实训活动，对于进一步优化航空专业学生的维修技术水平、降低实训成本投入来说，具备着非常重要的现实意义。而文章将以航空机电设备中的飞机起落架收放系统作为实际案例，进一步深入探索和研究将VR技术使用在航空机电设备维修专业实训课程的实现路径以及实现方式。

4.1 研究对象

以某学校的航空工程实训中心的波音737飞机前起落架作为本文的研究对象，实物如图1所示。

对飞机起落收放系统架进行拆解，将其中的各个部件以及零件展开精细化的测量检查，随后对其进行相应的简化处理，将其中无用的辅助构件去除，运用3D仿真软件SolidWorks来建立3D立体虚拟化模型，如图2所示。

4.2 虚拟维修过程实现及特点

从飞机起落架的零部件构成上来进行分析，飞机起落收放系统是建立虚拟维修环境的重点软件部分，主要涵盖了虚拟工具以及建模软件等等，在硬件上主要涵盖了动作捕捉设备以及立体显示设备，硬件及软件构成如表1所示。基于表中的硬件和软件相关数据内容，本文建立了基于VR技术的起落架收放系统虚拟化实训维修平台，在整个虚拟维修实训平台中，能够实现相关学生的考核评估，并能够展开实时性的实训教学活动。虚拟实训软件的有效使用，能够在计算机系统中建立三维立体化的航空机电设备虚拟维修场景，学生可以通过鼠标的使用，自如选择航空机电设备维修虚拟环境中的设备维修工具，并能够展开沉浸式的软件拆解、软件安装，随时对各种零部件进行更换，以此来满足各个航空机电设备维修项目的实现教学活动，并达到相关的考核标准。航空机电设备虚拟维修环境的建立和运转，需要与虚拟维修程序相关的硬件设备，包含工作站空间捕捉设备以及个人计算机组等等。

5  VR技术应用在实训教学中应注意的问题

5.1 加强教师对课堂地把控

VR技术的使用虽然能够为航空机电设备的维修实训课堂带来教学的便利性，但是也有可能逐渐降低教师对课堂地把控水平。因此需要在航空机电设备的实训教学活动中，避免学生过度沉浸在设备中，忽略了理论知识的学习。需要在其中设计出能够让师生进行沟通和交流的反馈功能，教师也能够随时随地对学生的知识掌握状况和学习进度进行查看，及时展开双向性地沟通和交流，强化教师对整个课堂地把控水平，保障航空机电设备维修的实训教学活动教学成果和教学质量。

5.2 正确处理虚拟和现实的关系

VR技术的使用能够让学生通过VR软件来展开实时性的交互性航空机电设备维修实训，但是这样的虚拟维修环境毕竟和现实还是存在一定的差异性，并不能够完全模拟出现实维修环境，因此VR技术的使用只是辅助教学工具，教师需要了解到实训课堂的教学成果并不是完全由VR技术的使用所决定。教师可以通过VR技术的使用，综合现阶段的实践课程教学现状，進一步强化学生的动手实践能力。

5.3 关注学生的健康

现阶段，VR技术运用在航空今天设备维修的实训教学活动中，学生的眼睛处于完全封闭的虚拟环境下，需要在课堂教学时间内长时间的佩戴各种虚拟软件设备，会进一步加剧学生的眼睛压力，对他们的身体健康造成一定的不利影响。因此，教师通过VR技术来展开航空机电设备维修的实训教学活动时，需要科学合理地使用VR技术，在确保学生身体健康的基础条件下，进一步强化航空机电设备维修实训的教学成果。

6  结论

综上所述，本文将飞机起落架的收放系统作为实际案例，讲解了将VR技术运用在航空机电设备维修实训教学活动中的实现路径。通过VR技术创建实训的虚拟环境，能够让学生全方位掌握收放系统的整体架构以及维修的实践技能，掌握操作的规范，进一步了解航空维修工作的具体工作内容，并更加深刻地了解到操作的质量标准，因此值得在航空机电设备维修实训课程中进行推广和运用，培养出更多优质的航空机电设备维修专业人才。

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