航空发动机仿真教学实训室建设
航天发动机仿真教学实训建设
1.1 研制目标
项目以航空发动机为对象,具有物体布局、操作教学展示、结构拆装训练、工艺资料手册查看、语音手势交互等功能,支持大屏幕主动立体投影、VR头盔、AR眼镜等多种输出方式。系统可用于设备操作人员的认知与培训,并提供3D数字化方式的训练与考核。
1.2 系统框架
“航空发动机仿真教学实训系统”的组成如下图所示,通过3D建模/模型处理,在乙方自主的流程建模与3D数字化内容制作工具中制作设备结构组成演示、设备工作原理展示、交互拆装过程等教学内容,并发布成相应的功能模块;根据甲方的硬件条件及未来硬件升级需求,定制开发多种输出接口,使得系统能够支持大屏幕显示环境、沉浸感VR头盔、光学透视AR眼镜等设备。
系统主要功能包括:
发动机结构展示:在三维环境中对航天固体发动机结构进行展示,支持交互式视点移动。
运行原理演示:在三维环境中展示设备的运行原理,通过三维模型运动对设备的运行原理进行展示。
交互式拆装培训:按照拆装操作规范在三维虚拟场景中对固体发动机进行交互式拆装实训操作。
1.3 技术指标
(1) 三维模型与真实发动机大小、尺寸一致
(2) 3D模型具有材质、纹理,渲染真实
(3) 三维交互操作时场景刷新率不低于40F/S(正常输出)、24F/S(双目立体输出)
(4) 支持支持3D立体显示输出,含主动3D立体输出、DLP LINK 3D、蓝光3D立体输出
(5) 能在投屏/大屏幕系统中运行
(6) 能在投影机、VR头盔、光学透视AR眼镜设备上输出
(7) 系统连续稳定运行时间不低于24小时
2 系统功能
2.1 设备结构展示
(1) 展示内容
l 发动机组成结构展示
在三维环境中展示发动机的组成部件以及结构,展示过程中能够隐藏外壳部件,显示内部结构。
(2) 展示方式
l 按照预设漫游路径浏览
按照预先制作好的观察路径、观察角度自动漫游。这种模式下用户可控制启停、上一步下一步,并能控制速度和进度,系统按照展示的内容和预定视角自动进行展示。
l 三维交互浏览
在三维环境中对设备进行结构进行展示,支持正视图、俯视图、透视图等标准视图,也支持使用鼠标进行交互视点操作,用户可自行操作视点,从任何角度观察。
在交互浏览过程中,使用鼠标移动到部件上时,可显示该部件名称;能够设置部件的透明度、显示隐藏等属性;可通过剖视图效果查看设备内部的结构。
l 爆炸图显示
显示设备各个零件的爆炸图,详细展示发动机的内部结构,支持实时视点交互操作。如下图所示。
2.2 运行原理演示
1) 演示内容
根据固态航天发动机运行方式,在三维环境中展示运其行原理,包括机械机构的运动、内部气流方向、尾焰效果等。
2) 演示方式
l 发动机运行演示
按照真实设备建立重点设备三维模型,设定设备的操作装置、运行参数等,按照实际运行方式将虚拟发动机运行方式进行展示。如下图所示。
l 气流流动演示
采用粒子系统对发动机内空气的流向、流速等参数进行模拟展示,并与发动机运行状态进行联动。
2.3 交互式拆装培训
1) 操作内容
对航空发动机进行自主拆装维修操作,界面给予用户关键步骤的提示,用户按照规范选择操作对象、使用工具等进行拆装仿真操作。
2) 操作方式
按照拆装操作规范,系统显示当前步骤的操作内容、操作对象、使用工具以及操作提示等,用户根据提示选择操作对象等进行拆装操作。
3 实施过程简述
3.1 3D数字化建模或模型处理
3D数字化模型是实现航空发动机教学系统的基础,项目根据甲方实际设备建模并进行模型轻量化和纹理贴图等处理。
为适应VR/AR的场景显示,3D模型使用三角网格表达方式,对于不同的硬件性能可生成不同精度的3D模型。一般在原始3D几何模型基础上,对模型进行精简处理,减少三角形数量。
由于本系统具有多种使用终端,如PC、平板电脑、AR/MR头盔等,其图形处理能力上PC>平板电脑>AR/MR头盔,因此为适应各种不同运行场景,生成三个级别的简化模型,面片数依次为800-900万、200-300万以及50-100万。
模型精简完成后,为避免轻量化以后模型粗糙失真问题,为模型附加纹理、材质等信息,使模型保持轻量化的同时尽量接近真实物体。3D模型轻量化及纹理与材质处理效果如下图所示。
3.2 展示与教学内容制作
针对航空发动机组成与工作原理展示、拆装操作功能的需求,使用乙方的数字化流程与内容制作工具分别定义展示或演示流程,并对流程的每个步骤的3D内容进行规划和定义。
流程定义工作界面如下图所示:
3D展示内容定义工作界面如下图所示
3.3 功能模块开发
乙方将在自主的“3D虚拟教学与仿真训练”平台上进行定制开发,主要包括统一的UI界面定制、交互操作功能定制。
下图为在乙方“3D虚拟教学与仿真训练”平台上定制开发的航空发动机总装仿真教学系统主界面。
3.4 接口开发
针对甲方的硬件系统,开发大屏立体主动立体显示输出接口,并具有手动或自动调整视差与屏幕焦距等参数设置能力,可根据实际硬件配置实现最佳显示效果。