基于zSpace 的渦輪風扇發(fā)動機虛擬拆裝系統(tǒng)

陳 偉 李 磊 潘亞東

（1、中國民航大學航空工程學院，天津 300300 2、中國民航大學工程訓練創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐基地，天津 300300）

1 概述

航空發(fā)動機是飛機的心臟，是“工業(yè)皇冠上的明珠”。航空發(fā)動機的研制水平充分體現(xiàn)了一個國家的工業(yè)基礎、經(jīng)濟實力和科技水平等綜合國力，在民航領域，航空發(fā)動機的自主研發(fā)與制造是我國建設民航強國的重要舉措。民用航空運輸領域現(xiàn)在普遍采用渦輪風扇發(fā)動機，其研發(fā)周期長、技術難度大且結(jié)構(gòu)異常復雜，同時由于渦扇發(fā)動機體形龐大，造價高昂，因此滿足所有人觀察研究真實渦扇發(fā)動機結(jié)構(gòu)的需求極其困難。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬環(huán)境，通過輸出設備提供給使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，通過各種輸入設備與虛擬環(huán)境中的事物進行交互，讓使用者如同身臨其境一般，并能夠及時、無限制地觀察三維空間內(nèi)的事物，近年來廣泛應用于醫(yī)學、教育、設計、影視娛樂等領域。因此采用虛擬現(xiàn)實技術搭建一個渦輪風扇發(fā)動機拆裝系統(tǒng)，不僅能夠清晰展示發(fā)動機的構(gòu)造與系統(tǒng)，而且成本較低，具備良好的推廣價值。本文以CFM56-7B 渦輪風扇發(fā)動機為對象，結(jié)合桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)zSspace 和實時3D 互動創(chuàng)作平臺Unity 3D,開發(fā)一套渦輪風扇發(fā)動機虛擬拆裝系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)動機VR 模型拆裝的人機交互以及相關理論知識學習。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)開發(fā)流程

系統(tǒng)開發(fā)整體流程設計如下：首先，收集渦扇發(fā)動機的信息，整理相關資料并完成發(fā)動機選型，利用SolidWorks 軟件建立發(fā)動機三維模型，并將建好的三維模型導入3DS Max 軟件中進行渲染和格式轉(zhuǎn)換，導出為FBX 文件，然后導入Unity 3D 平臺進行系統(tǒng)開發(fā)。其次，由于本系統(tǒng)開發(fā)使用zSpace 300 型一體機為硬件平臺，需提前下載并安裝zSpace SDK，并將zSpace 提供的zCore 和zView 兩個插件包導入到Unity 3D 平臺，為下一步開發(fā)做好準備。最后將開發(fā)出的系統(tǒng)在zSpace 平臺上進行軟件硬件匹配測試。開發(fā)具體流程如圖1 所示。

圖1 開發(fā)具體流程

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

渦扇發(fā)動機虛擬拆裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖2 所示，包括三個模塊，分別是賬號管理、VR 模型交互和拓展與補充。賬號管理首先是注冊與登錄界面，擁有賬號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關人員。注冊成功并登錄后進入到系統(tǒng)目錄（如圖3 所示），用戶根據(jù)自身需求選擇相應板塊進行體驗。系統(tǒng)目錄包含VR 模型交互和拓展與補充兩大類，每個大類又下設三個小項。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)動機的交互，全方位沉浸式觀看發(fā)動機，同時發(fā)動機模型剖視可以展示更多信息，如發(fā)動機內(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，在此過程中zSpace 保證了模型不失真、不變形，而且在增強現(xiàn)實模式下，發(fā)動機模型便“脫離”屏幕的束縛，與現(xiàn)實世界融為一體。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

圖3 系統(tǒng)目錄

發(fā)動機部件拆卸、組裝兩個模塊可以完成對發(fā)動機的整機拆裝和對五大部件（風扇和進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管）的拆裝，更詳細地了解發(fā)動機的組成與功用，了解發(fā)動機的構(gòu)造與系統(tǒng)。拓展與補充板塊則利用動畫、視頻和圖片，較充分地還原發(fā)動機的工作過程、氣流通路的形成、高低壓轉(zhuǎn)子及風扇間的傳動關系等，另提供發(fā)動機相應的技術參數(shù)，達到對發(fā)動機工作過程進行動態(tài)展示，也可根據(jù)系統(tǒng)需求，補充相應內(nèi)容，如發(fā)動機部件拆裝視頻等。

3 開發(fā)過程

3.1 建模優(yōu)化與模型導入

首先需建立發(fā)動機模型，機型選用CFM56-7B 渦輪風扇發(fā)動機，因Unity3D 本身無法建立復雜的三維模型，因此采用SolidWorks 進行建模。在模型建立完成之后，為了使模型更真實需導入3DS Max 進行模型渲染，由于SolidWorks 不支持FBX 格式的導出，所以需先將三維模型導出為STL 格式，再通過3DS Max 自帶的合并導入方式，依次將CFM56-7B 零部件模型導入3DS Max 中，同時用3DS Max 對模型各零部件的位置和角度進行調(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)動機模型

模型在3DS Max 中導出為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將自動讀取模型。同時，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、場景動畫分別儲存。在完成資源導入后，通過File 下的New Scene 創(chuàng)建新場景，將Assets 中Unity 3D 讀取的模型文件直接拖拽至Scene 窗口下，通過界面Hierarchy 面板可查看管理已添加至場景中的模型。

3.2 基于zSpace 的Unity 3D 開發(fā)

3.2.1 zSpace 資源包的使用

完成系統(tǒng)開發(fā)首先需要導入zSpace 提供的插件包。實現(xiàn)增強現(xiàn)實效果需要借助zView 插件包，但同時標準zCore 組件必須出現(xiàn)在Unity 3D 場景中，zView 才能正常工作，所以需要先導入zCore 組件并完成相應配置。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)的獨立可執(zhí)行文件，必須配置Unity 3D 中的相關選項，主要是對Project Settings中的Player 選項進行相關調(diào)試以實現(xiàn)立體效果。另外，還需對Unity 3D 進行基礎的場景配置，進行角度、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 添加到場景中，加上相應腳本才能夠?qū)崿F(xiàn)增強現(xiàn)實效果。

3.2.2 模型交互與增強現(xiàn)實

zSpace 運用六自由度的觸筆代替人手與虛擬世界的模型進行交互，模擬人手抓取、移動和旋轉(zhuǎn)物體的過程，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法完整瀏覽發(fā)動機的情況發(fā)生，同時模型爆炸能更清楚地觀看發(fā)動機各個部件。

3.2.2.1 實現(xiàn)用觸控筆抓取對象，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象。通過射線與待拾取物體包圍盒碰撞檢測的方式來確定抓取時機，運用Unity 3D 軟件提供的Raycast(檢測是否碰撞)和zCore 資源包提供的GetTargetPose(獲取射線發(fā)射位置、方向)實現(xiàn)，模型實際抓取效果如圖5 所示。

圖5 實際抓取效果

3.2.2.2 模型零部件的平移和旋轉(zhuǎn)通過Unity 中的插件iTween 動畫庫來實現(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 渦輪風扇發(fā)動機整體模型的旋轉(zhuǎn)縮放功能通過射線函數(shù)Lerp 函數(shù)實現(xiàn)，函數(shù)調(diào)用語句如下：

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

3.2.2.4 利用Unity 3D 的動畫系統(tǒng)實現(xiàn)渦輪風扇發(fā)動機重要零部件的爆炸動畫，在程序中運用anima.SetBool(“anima-name”,true)實現(xiàn)對動畫的播放控制，進而實現(xiàn)模型的爆炸效果。

3.2.2.5 依靠zView 資源包和外接攝像頭，實現(xiàn)增強現(xiàn)實效果。并利用GetCurrentActiveConnection()函數(shù)（獲取當前鏈接）、ConnectToDefaultViewer()函數(shù)(連接到顯示軟件)、SetConnectionMode()函數(shù)（設置連接模式）使模型“掙脫”屏幕的束縛，與現(xiàn)實世界融為一體，沉浸式360 度觀察發(fā)動機模型。

4 結(jié)論

基于zSpace 桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、Unity3D 虛擬現(xiàn)實引擎開發(fā)的渦輪風扇發(fā)動機虛擬仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)發(fā)揮了zSpace 的良好交互性、高保真度以及增強現(xiàn)實等特征優(yōu)勢，極大地提高了虛擬仿真的交互性與沉浸感，使整套系統(tǒng)硬件設備更輕便，并且較好完成了對渦輪風扇發(fā)動機結(jié)構(gòu)、工作過程的虛擬仿真。實踐表明，該虛擬仿真系統(tǒng)在實踐方面取得較好效果，可為虛擬仿真技術在航空發(fā)動機領域的應用提供可資借鑒的經(jīng)驗。