“飞行操纵系统”虚拟仿真实验建设及应用研究

［摘 要］ “飞行操纵系统”是中国民航大学飞机系统课程群教学内容中的重要知识模块，面向飞行器制造工程及飞行器动力工程专业飞机系统类课程大纲中对飞机飞行操纵系统虚拟仿真实验的要求，从元件级、系统级和飞机级三个层面出发，提出了虚拟仿真实验项目建设的总体思路。探讨了“飞行操纵系统”虚拟仿真实验教学模式，借助虚拟现实环境中的精细化系统模型还原及多视角互动操作，构建虚拟仿真实验平台，有效地提升了新工科背景下学生的工程实践能力与学习效果。

［关键词］ 飞行操纵系统；虚拟仿真实验；实验教学模式；多视角

［基金项目］ 2020年度中国民航大学虚拟仿真实验教学建设项目“飞行操纵系统虚拟仿真实验”（XF2020003）

［作者简介］ 张铁纯（1972—），男，天津人，硕士，中国民航大学航空工程学院副教授，主要从事飞机结构与系统虚拟仿真；孙 斌（1987—），男，河南周口人，硕士，中国民航大学航空工程学院讲师，主要从事飞机结构与系统虚拟仿真研究；杨 柏（1998—），男（满族），上海人，中国民航大学航空工程学院2022级航空宇航科学与技术专业硕士研究生，研究方向为飞机结构与系统虚拟仿真。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）38-0043-04 ［收稿日期］ 2022-10-08

引言

自2017年教育部推进新工科建设以来，大数据、云计算、人工智能、虚拟现实以及智能制造等技术被用于对工科传统专业的升级。未来新兴产业和新经济需要的是实践能力强、创新能力强和具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。因此，相应的工科类课程的内容设计也应突出其实用性、交叉性与综合性［1］。对于我校机务类专业学生，面向新型信息技术的融合与渗透，需具备扎实的机务维修专业知识和技能，熟悉现代民用飞机典型系统组成及工作原理，提升运用专业知识深入分析工程实际问题的能力，以更好地满足民航领域对飞机系统工程专业人才的需求。

“飞行操纵系统”作为飞机系统课程群教学内容的重要组成部分，同时关联“飞机系统学”“飞机结构与系统”“飞机系统与附件”等课程。飞机系统类课程实验部分是针对理论教学的补充与完善，旨在让学生对将要从事的民航机务维修工作中的相应部分具备综合且系统的认识，为其毕业后从事飞机系统相关工作提供理论基础［2］。开设飞机维修相关专业的学校数量有所增加，各学校大多都受设备易损、航材消耗大及对场地的需求等方面的影响难以开展基于实物的实验教学。

为了使飞机系统类课程摆脱实物实验的诸多条件限制，迫切需要借助虚拟仿真方法完成实验环节的设计与实施。因此，基于3DS MAX、CATIA以及ANSYS等软件对飞行操纵系统进行元件级仿真、系统级仿真以及飞机级仿真研究，并依托Unity3D进行互动流程设计与封装，从而构建了“飞行操纵系统”虚拟仿真实验平台，为该系统虚拟仿真实验的开展提供了重要支撑。

一、国内外关于虚拟仿真教学的研究现状

虚拟现实技术（Virtual Reality， VR）这一概念诞生已久，经历了概念萌芽、技术探索、突破发展及产业应用四个阶段［3］。以2012年谷歌公司的Google Glass与Oculus公司的Oculus Rift两款产品的公布为时间节点，标志着该技术进入了产业应用阶段，且虚拟现实技术在消费级应用上获得了较大的市场反响。后续Gear VR及HTC Vive的陆续问世，进一步推动了虚拟现实技术在工业制造以及军事国防等非计算机产业中的应用，其中虚拟仿真技术在教育培训行业中的应用逐步引起了教学方式的发展与变革。

2018年沃尔玛公司采购了Oculus Go应用于员工的培训，通过连接斯坦福大学STRIVR实验室开发的模块，员工可在虚拟超市空间中学习应对不同顾客的需求和处理大客流等技能。而这些在不利用VR技术时，因为事件的偶发性在现实中复现成本较大，往往不能获得良好的教学效果。

如江南造船（集团）有限责任公司将虚拟仿真技术应用于对船舶发电机的运维培训［4］，将船舶对应区域的模型进行轻量化处理，保留核心信息，导入虚拟空间。通过箭头指引、语音提示以及虚拟操作示范等方式开展培训，避免了船舱嘈杂、潮湿等恶劣环境，优化了员工的学习环境与体验。

在虚拟仿真教学的实际操作中，会出现部分技术问题，主要集中在模型优化方面。当涉及如飞机、船舶及汽车等零部件结构复杂且数量巨大的模型时，在虚拟环境中的实际运行效果会受到硬件性能、软件优化等问题的影响，从而产生卡顿、掉帧、加载时间长等问题，甚至出现闪退、程序崩溃等情况，对教学效果产生不利影响。对于此类问题，刘克等［5］提出了针对Unity3D的内存管理方面的优化方案，通过改变编程方式对三维模型进行管理并动态地根据实时虚拟运行环境需求调取内存，将其余内存用于提高帧数等方面的工作，以此有效提高内存利用率。汪华健等［6］从三维模型调度这一角度，基于四叉树算法将模型的各个部分根据其特征暂存于四叉树的各个节点中，当视角对准某一空间区域时，系统预先加载视角四周一定范围内其他空间区域中的模型，并在视角远离该空间区域后动态删除其中的模型，以此提高仿真模型在虚拟空间中的运行效果。

二、“飞行操纵系统”虚拟仿真建设内容及应用

“飞行操纵系统”虚拟仿真实验针对飞机系统类课程大纲中的实验要求，对典型民用客机的飞行操纵系统进行模型创建以及优化渲染。从系统级（虚拟铁鸟）、元件级（虚拟试验台）、飞机级（模拟风洞）三个层面进行“飞行操纵系统”虚拟仿真实验内容总体设计（如图1所示）。以目标研究机型的飞机维护手册、图解零件目录、部件维修手册、飞机修复手册、重量平衡手册以及飞机特性手册等工程技术资料为建模参考，开展相应的虚拟仿真实验项目建设。

（一）“飞行操纵系统”的系统级虚拟实验场景（虚拟铁鸟）建设

系统级虚拟仿真从宏观角度出发，创建虚拟铁鸟实验场景，对飞行操纵系统中各个子系统进行仿真模型建设，如主操纵系统中的副翼、方向舵和升降舵驱动，以及辅助操纵系统中的襟翼、缝翼、扰流板和水平安定面等。选取飞机飞行操纵系统部件级别中的副翼操纵、增升操纵以及增阻操纵部分作为目标建设对象，使用3DS MAX等软件完成对其三维模型的零件建模、约束关系设定、装配体构建以及工作原理动画仿真。学生可结合所学“飞行操纵系统”课程专业知识，充分借助虚拟仿真目标分系统相关工程技术资料收集系统级仿真模型所需尺寸信息，参与各分系统基础模型的三维零件体开发，并按照分系统部件相对位置关系完成虚拟装配。另外，所开发的虚拟铁鸟场景对机身构造、机翼构造、操纵面进行了全面建模，模型清晰度高，交互操纵性强，功能全面。“飞行操纵系统”的系统级虚拟仿真模型除了实现学生在学院虚拟维修实验室计算机终端进行分系统零件体认知与工作过程模拟等基本操作外，会在后续阶段将渲染完成的系统级模型融入3D+VR技术平台，以全新视角实现飞行操纵系统部件级别仿真模型的空间虚拟装配等实验操作。

（二）“飞行操纵系统”的元件级虚拟实验场景（虚拟实验台）建设

元件级虚拟仿真从单体附件出发，将仿真重点置于飞行操纵系统的关键附件，以反映系统各附件在飞行操纵过程中的工作特征与工作性能。元件级虚拟仿真可面向如扰流板作动器及副翼作动器等，重点模拟飞机飞行操纵系统中伺服动作器的基本工作原理，研究伺服作动器的输入参数及性能曲线。通过三维建模软件进行基本模型体建立与装配，并借助软件附带电子样机（Digital Mock-up， DMU）运动机构仿真模块实现对元件作动过程的模拟。另外，使用MATLAB软件中的SIMULINK模块相关逻辑库进行活门控制逻辑设计，可对如伺服作动器等元件的工作性能进行仿真分析。

将已建设元件级虚拟仿真主体模型预导入虚拟实验平台，学生可不受实验地点约束，在各自计算机终端独立开展虚拟仿真实验。同时，结合仿真输出的各种性能曲线辅助学生进行飞行操纵系统元件的具体工作性能研究，从性能参数层面深入认识相应元件的工作特点，以提升学生借助虚拟仿真工具独立分析和解决工程实际问题的能力。

（三）“飞行操纵系统”的飞机级虚拟实验场景（虚拟风洞）建设

飞机级虚拟仿真实验相当于建立了整机级的虚拟风洞，通过软件模拟风速、密度、温度各不相同的气流，考虑不同构型机翼在虚拟风洞中的流场特性分析。选取飞机正常起飞、中断飞行、横侧操纵、进场阶段及接地刹车这五种常见工况为目标研究对象，设定主操纵面和辅助操纵面的不同偏转状态，通过流场仿真研究飞机的飞行操纵特性和增升增阻特性，并以实际风洞构型与其工作原理为参考，搭建飞机级虚拟实验场景。将三维模型应用于ANSYS流场仿真模块，通过进行初始边界条件输入、模型关键参数调整以及流场分析结果输出等操作，观察虚拟吹风效果，精确记录虚拟仿真实验结果，并绘制相应工作性能曲线以辅助分析，将工程操纵与理论分析进行有机融合。

（四）“飞行操纵系统”虚拟仿真实验教学方法探索

借助交互式虚拟仿真平台，可同时开放支撑多套客户终端同步学习，避免了多个学生围观演示，也可为学生提供更加直观清晰的互动学习视角。学生可在各自计算机终端根据实验指导书中的实验步骤独立开展虚拟仿真实验，并实现飞行操纵系统工作原理仿真、不同工况下机翼构型设置时的虚拟风洞仿真分析，可实施的虚拟仿真实验教学内容主要包括副翼交互操纵检查、方向舵操纵交互检查、升降舵操纵交互检查、襟翼缝翼交互操纵检查、水平安定面配平操纵交互检查、起飞工况机翼风洞虚拟吹风、空中横侧工况机翼风洞虚拟吹风以及着陆工况机翼风洞虚拟吹风等。

考虑面向实际民用飞机的飞行操纵系统工作原理的复杂性，开展课程实验教学前应要求学生预习相应内容。实验完成后必须进行认真总结并撰写虚拟仿真实验报告书，报告书内容要求记录虚拟仿真实验过程，包括实验过程中遇到的问题及解决措施，对最终获得的虚拟仿真实验结果进行详细论述与分析，实验结论清晰明确，结合学生学习效果反馈不断优化虚拟仿真实验教学方法。

（五）“飞行操纵系统”虚拟仿真实验教学应用研究

在实际“飞行操纵系统”的仿真实验教学中，为获得更好的应用效果，可基于Unity3D对互动流程以及仿真效果进行优化，确保飞行操纵系统部附件拆装、各巡游观察视角下舵面工作模拟等运行流畅、互动操作准确。同时，隐藏与当前教学模块相关度较低的内容，降低软件模型对硬件平台的负载，提高其在不同性能硬件上的通用性，进一步优化教学成本。

由于飞行操纵系统涉及的模型部件数量大、结构复杂，为了防止学生在虚拟仿真环境中出现眩晕情况，可采取以下解决措施：（1）减少模型冗余特征，非近距离观察时虚化模型细节。（2）减少或简化旋转、位移等操作，或以平缓的方式进行。（3）采取简单环境及场景，如室外场景或单色场景。（4）根据学生实际使用情况与反馈优化虚拟仿真教学时长。

随着新机型、新系统及新技术的不断推广应用，不同机型飞行操纵系统采用的设计理念及工作原理可能具有较大的差异性，直接定制相应飞机飞行操纵系统的虚拟实验模块也会带来较高的投入成本，而虚拟仿真实验平台输入接口的开源化设计能够有效解决这一问题。

此外，由虚拟仿真实验项目开发到实际教学再到项目升级与产业应用的产学研“三位一体”的发展模式，能够将“飞行操纵系统”虚拟仿真实验由单一项目转化为复合型、综合型实验平台，扩展至现代民航飞机各类型系统，并应用于相应教学、科研以及维护培训等多个方面，从而实现民用飞机系统教学与培训整体工作的数字化、虚拟化转型。

结语

综上，以我校飞机系统类课程群虚拟实验教学为研究对象，选取其中极为典型的“飞行操纵系统”，分别从其元件级、系统级以及飞机级三个层面开展了虚拟仿真实验建设。虚拟仿真实验应用效果分析表明，将“飞行操纵系统”实验教学内容以虚拟现实方式呈现，学生可在虚拟现实环境下更深入且直观地对飞行操纵系统的相关内容进行多视角互动学习，有效地提升了教学效果与学生的学习效率。通过鼓励学生参与互动式虚拟仿真实验资源开发，激发了学生的自主创新能力，同时可促进虚拟仿真实验内容的优化与完善。基于现代虚拟现实技术，由民用飞机飞行操纵系统的虚拟仿真实验扩展至其他飞机系统的虚拟仿真实验，并由飞机系统教学层面延伸至科研、培训等环节，形成产学研一体的生态结构，为新工科背景下高校飞机系统类课程建设提供了新方法与新思路。