基于三维激光扫描的教学用飞机结构虚拟实践平台构建
张永杰，万小朋，王海涛
（西北工业大学民航学院，陕西西安710072）
根据教育部2019年10月发布的《关于一流本科课程建设的实施意见》对虚拟仿真实验教学课程的建设要求，结合国家航空人才培养需求［1-3］，航空类本科生虚拟实践课程建设应始终坚持以学生为中心的实验教学理念［4-7］，通过设置准确适宜的实验教学内容［8-9］和设计创新多样的教学方式方法［6，10］，借助先进可靠的实验研发技术［11-12］和稳定安全的开放运行模式，才能取得具有显著示范效应的实验教学效果。为此，本文针对航空专业核心课提出了基于三维激光扫描的教学用飞机结构虚拟实践平台构建方法，以期为航空类本科生虚拟实践课程建设提供基础方法和技术参考。
“飞行器结构设计”“结构维修与适航”等课程是飞行器设计与工程、飞行器制造工程、飞行器动力工程等航空专业本科生的核心课程，主要介绍飞机结构的典型构造及受力分析方法、飞机结构基本机型和设计方法、飞机结构维修理论和新技术、飞机结构适航技术等。作为专业核心课的主要实验教学环节，机库现场课不仅是学生直观感受飞机典型结构和深化理论知识学习的有效手段，还是培养学生实践能力、创新思维和家国情怀的典型案例。考虑在线课程建设要求、多校区实物教学演示需求、老旧飞机数字化保护［13］等诸多因素，通过三维扫描［14］和数字化技术构建“虚拟机库”显得越来越重要。通过对机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件开展三维激光扫描、逆向建模和可视化演示等数字化处理，构建满足在线课程和实物教学演示要求的“虚拟机库”实验课教学平台，服务航空专业的虚拟仿真实验教学，达到实践育人和科研育人的效果，最大限度地挖掘和保护老旧飞机，完善爱国主义和思想政治教育的现实题材，达到思想政治育人的效果。
基于三维激光扫描的教学用飞机结构虚拟实践平台构建的总体思路如图1所示，主要建设内容简述如下。
图1虚拟实践平台构建总体思路
1.机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的三维激光扫描。三维激光扫描是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，根据机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的外观形貌、几何尺寸、材料属性等不同，可采用中长距离固定式扫描仪和抗噪能力更好的便携式扫描仪，分别对机库中飞机结构部件进行三维外形数据采集。
2.机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的逆向建模。逆向建模是针对已有实物结构，通过三维扫描形成三维点云或网格模型，在三维软件环境中生成其数字模型过程。本文用三维激光扫描信息，构建机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的三维数字模型。
3.机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的可视化演示。依据机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的逆向数模，开发适用于全范围和重点结构的三维可视化展示平台，实现在PPT、视频、三维软件中的实时立体展示。
4.“虚拟机库”实验课教学平台构建。通过对机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的三维激光扫描、逆向建模和可视化演示等数字化处理，添加现役和新概念民用飞机简化结构，结合专业课程相关理论知识教学和实践教学要求，构建飞机典型结构的“虚拟机库”实验课教学平台。
基于三维激光扫描的教学用飞机结构虚拟实践平台构建的建设方案如图2所示，具体实施方法简述如下。
图2虚拟实践平台建设方案
1.“机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的三维激光扫描”实施方法。为了更加准确和高效地完成机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的三维外形数据采集，本文采用中长距离扫描仪对整机、机翼、机身等中大型飞机结构部件进行快速数据采集，采用抗噪能力更好的便携式扫描仪对长桁、翼肋、框、接头等小型典型结构件进行快速数据采集，实现了对中大型飞机结构部件外形轮廓的全覆盖和对小型典型结构样件的精准刻画。
2.“机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的逆向建模”实施方法。本文采用GeomagicDesignX专业级逆向建模设计软件，利用其强大的点云和三角面片处理功能、自动分割功能、几何特征与自由曲面识别功能等，完成点云和网格数据预处理、坐标对齐、领域分割、草图绘制、建模、模型调整等工作，建立了机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的三维数字化模型。
3.“机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的可视化演示”实施方法。在建立的机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的数字化模型基础上，划分全范围三维展示和重点结构三维展示的结构区域，开发基于Web的三维展示系统，实现与PPT、视频和其他三维处理软件的数据互联，完成三维数字化模型的实时立体展示。
4.“虚拟机库实验课教学平台构建”实施方法。针对机库典型飞机结构，利用三维激光扫描、逆向建模和立体演示动画技术，开发飞机典型结构的“虚拟机库”实验课教学平台，