基于Unity3D的某型叉車數(shù)值模擬

張永亮　李向東　郭鋒　莫方偉

摘 要

根據(jù)某型叉車的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)動規(guī)律特點(diǎn)，利用Pro/E軟件創(chuàng)建其三維零件模型，并組裝成實(shí)體模型。運(yùn)用Unity3D對某型叉車進(jìn)行3D建模并仿真，利用軟件中物理引擎，腳本模擬變速器和液壓系統(tǒng)等技術(shù)，分別實(shí)現(xiàn)某型叉車碰撞和摩擦數(shù)值模擬，同時也實(shí)現(xiàn)了駕駛運(yùn)動和作業(yè)運(yùn)動的仿真，通過對比發(fā)現(xiàn)其仿真效果與實(shí)際運(yùn)動相一致。

關(guān)鍵詞

虛擬現(xiàn)實(shí);叉車;Unity3D;運(yùn)動仿真

中圖分類號： TP15 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.033

0 概述

叉車是主要運(yùn)用在制造、港口、冶金、水電、倉儲中心、鐵路貨場等裝卸貨物的場合，作為特種工業(yè)車輛設(shè)備，在駕駛作業(yè)過程中容易出安全事故。叉車的規(guī)范駕駛操作關(guān)系到財(cái)產(chǎn)與生命安全，要求操作人員的愈來愈高操作素質(zhì)。因此，叉車的正確操作需要經(jīng)過專門職業(yè)技能部門組織訓(xùn)練。之前的職業(yè)技能訓(xùn)大多數(shù)都是在實(shí)際車輛上進(jìn)行，隨著近些年來計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、自動控制技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心和操縱控制臺為基礎(chǔ)組成各種模擬仿真訓(xùn)練器，控制設(shè)備操作人員通過仿真訓(xùn)練器進(jìn)行培訓(xùn)訓(xùn)練，最后上崗工作。叉車模擬仿真訓(xùn)練器的研制和開發(fā)也是必不可少的。叉車的種類多種多樣，其操作駕駛的技能要求也各不相同，本文主要是研究應(yīng)用Pro/E、3DMax、Unity3d等多媒體設(shè)計(jì)軟件對某型高速內(nèi)燃叉車進(jìn)行3D建模并仿真。

1 模型的建立與渲染導(dǎo)出

3DS Max、Solidworks、Pro/E等三維建模軟件經(jīng)被工程設(shè)計(jì)者運(yùn)用。其中3DS Max雖然在造型、渲染、父子關(guān)系等方面功能強(qiáng)大，但在完成外形復(fù)雜的零件建模和裝配方面，其工作速與 Pro/E相比相差甚遠(yuǎn)[1-2]。而Pro/E軟件的幾何造型功能強(qiáng)大，能建立各種復(fù)雜特征的零件模型，而且建模的工作效率是其他建模軟件沒法比的。所以我們先是運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后應(yīng)用3DS Max軟件進(jìn)行紋理貼圖和材質(zhì)渲染[3-5]。

1988年美國參數(shù)技術(shù)公司推出（PTC）Pro/E系統(tǒng)，其中包括參數(shù)化設(shè)計(jì)三維CAD/CAM軟件包，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、電子、機(jī)械、航天、模具、汽車、家電等各行業(yè)。某型叉車模型的設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用Pro/E軟件，采用部件的Top-down設(shè)計(jì)過程，首先建立某型叉車的組件，設(shè)定叉車中發(fā)動機(jī)、工作裝置、車架、駕駛室、操縱裝置等主要零件之間的裝配尺寸參數(shù)，然后根據(jù)各零件的外形尺寸進(jìn)行發(fā)動機(jī)、工作裝置、車架、駕駛室、操縱裝置等單個零件的設(shè)計(jì)。再將Pro/E設(shè)計(jì)的叉車組件模型轉(zhuǎn)換成STL文件輸出。

2 某型叉車仿真模型的實(shí)現(xiàn)

2.1 叉車模型的導(dǎo)入

把裝配好的叉車模型先導(dǎo)入3ds Max中.在其中對叉車模型進(jìn)行材質(zhì)的渲染和顏色配置。然后從接口導(dǎo)出為Unity 3D軟件可以識別的.fbx格式，然后導(dǎo)入到Unity 3D，導(dǎo)入后，在Unity 3D中添加必要的燈光和攝像機(jī)。由于3ds Max中的坐標(biāo)系和單位與Unity 3D有所區(qū)別，所以在導(dǎo)入前必須調(diào)整好單位的轉(zhuǎn)換比例和各活動部件的坐標(biāo)位置關(guān)系。

2.2 叉車物理仿真實(shí)現(xiàn)

Unity3D通過設(shè)置內(nèi)置來支持Nvidia PhysX，其實(shí)際工作就是封裝了一些游戲中常用的組件以及腳本中調(diào)用的類，只要將這些碰撞體組件賦予游戲?qū)ο螅捅患尤隤hysX虛擬世界進(jìn)行運(yùn)算。Unity3D的常用組件：

剛體（Rigid）、網(wǎng)格碰撞體（Mesh Collider）、地形碰撞體（Terrain Collider）、輪胎碰撞體（Wheel Collider）、彈簧連接體（Spring Joint）。

如圖1所示，場景中需要進(jìn)行物理計(jì)算的主要有三種：地形、一些3D模型（如柵欄）和czs2.5叉車，其中地形和3D模型為靜態(tài)物體，只要為其增加靜態(tài)碰撞體組件即可。而叉車的構(gòu)造較為復(fù)雜，首先在模型中前車身和后車身為不同的部位，因此要定義為兩個網(wǎng)格碰撞體，并且為了得到真實(shí)的物理效果，需要將輪胎定義為車輪碰撞體并通過彈簧連接體與車身相連，叉車物理仿真的構(gòu)造如圖2所示。

2.3 叉車駕駛仿真實(shí)現(xiàn)

進(jìn)行了叉車的物理組件裝配之后，還要建立實(shí)現(xiàn)叉車行駛狀態(tài)的動力學(xué)模型。由于叉車在駕駛過程中影響其運(yùn)動情況的因素錯綜復(fù)雜，操縱機(jī)構(gòu)對叉車的行駛存在著多輸入、多耦合、非線性的控制作用，而實(shí)時渲染要求動力學(xué)仿真計(jì)算快速，要在精確度與計(jì)算速度之間折中，需要簡化動力學(xué)模型。

為了簡化模型，做如下假設(shè)：所有車輛都是剛體，不考慮多節(jié)車廂的情況。叉車在行駛過程中，因速度的變化受到引擎的驅(qū)動力和阻力（動摩擦力、空氣阻力），如果叉車在轉(zhuǎn)彎還會收到輪胎的側(cè)摩擦力。

根據(jù)以上得出的叉車動力學(xué)模型，需要在Unity3D中通過腳本組件實(shí)現(xiàn)，首先為叉車對象增加一個繼承自MonoBehavior的CZSControl.cs腳本，在其中重寫更新函數(shù)Update（）和兩個Private函數(shù)shiftGears（）、ChangeGears（），Update（）函數(shù)在每幀繪制之前調(diào)用一次，shiftGears（）和ChangeGears（）函數(shù)在更新函數(shù)Update（）中調(diào)用并進(jìn)行動力學(xué)計(jì)算。圖3為更新函數(shù)的部分代碼，其中的計(jì)算公式中使用了大量的常量因子，不同的叉車可配置不同的參數(shù)以產(chǎn)生逼真的效果。

2.4 叉車作業(yè)仿真實(shí)現(xiàn)

叉車仿真模擬器通過駕駛仿真，實(shí)現(xiàn)了叉車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、變速等行駛狀態(tài)仿真，但叉車不僅要實(shí)現(xiàn)駕駛仿真，還要對其工作裝置進(jìn)行作業(yè)狀態(tài)仿真，讓叉車能實(shí)現(xiàn)取卸作業(yè)動作。要實(shí)現(xiàn)取卸作業(yè)的動作，首先要為叉車工作裝置對象增加三個繼承自MonoBehavior的腳本HCJControl.cs、FrontGanHYControl.cs、FrontGanFYControl.cs，通過這三個腳本，實(shí)現(xiàn)了叉車叉臂的伸縮、俯仰，貨叉架的橫移、起升下降等動作。腳本的部分代碼如圖4、圖5所示。

3 小結(jié)

本文基于某型叉車為主要研究對象，根據(jù)其機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)動規(guī)律特點(diǎn)，利用Pro/E軟件創(chuàng)建其三維零件模型，并組裝成實(shí)體模型。運(yùn)用Unity3D對某型叉車進(jìn)行3D建模并仿真，利用軟件中物理引擎，腳本模擬變速器和液壓系統(tǒng)等技術(shù)，分別實(shí)現(xiàn)某型叉車碰撞和摩擦數(shù)值模擬，同時也實(shí)現(xiàn)了駕駛運(yùn)動和作業(yè)運(yùn)動的仿真，最終使用Unity3D仿真了叉車工作裝置取卸貨這一較復(fù)雜機(jī)械動作。通過對比發(fā)現(xiàn)其仿真效果與實(shí)際運(yùn)動相一致，且使用者可在仿真時操作三維模型，有著良好的交互性。

參考文獻(xiàn)

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