基于Unity3D的MTS 虛擬仿真實驗系統設計

孫艷娜， 趙鴻鐸， 孫大權

（同濟大學道路與交通工程教育部重點試驗室，上海201804）

0 引 言

材料測試系統（Material Test System，MTS）是一臺多功能材料測試設備，配有一套完整的試驗軟件，可測試瀝青混凝土和水泥混凝土的各種路用力學性能。由于儀器價格昂貴，一般院校難以承受，因此很多高校在鋪面工程和道路工程材料課程教學中，大多是理論教學，很難做到理論教學和實驗教學相結合［1-3］。

依托政府重點建設學科，學校道路與交通工程教育部重點實驗室擁有國內第一臺MTS，在理論教學之后可以安排相關的實驗教學，在具體實踐中也存在一些問題：學生人數較多，實驗教學資源有限（只有一臺設備），只能進行分批、分組測試，很難做到人人都動手操作；實驗教學時間有限，在短短的實驗課上同學們只能進行最經典部分的測試，對于實驗前的準備、試件的安裝、儀器的調試等，只能了解，不能實際操作［4］；MTS功能強大，可對應多種試驗項目，實驗教學中只能以一種性能測試為主，其他性能測試則采用演示方式。考慮到虛擬實驗不受時間、空間的限制，并且具有不計成本反復演練等優點，尤其是對于高成本、高消耗，真實實驗不具備或難以完成的實驗教學項目尤為合適。為提高教學質量、改善實驗教學效果，有必要開發MTS虛擬仿真實驗系統。

1 開發平臺

虛擬現實系統是一種將軟、硬件結合到一體的系統，最常用的虛擬現實軟件，有Virtools、VRP、Unity3D等，這些軟件已經將功能模塊化，具有編程量小，開發效率高等特點。對比分析幾種軟件的優缺點［5-15］（見表1），Unity3D具有畫面質量優、兼容性好、交互性強等優點，選擇Unity3D引擎作為虛擬仿真系統的主要設計工具。

表1 虛擬現實軟件功能比較

2 開發思路

依托學校交通運輸工程學院上海市實驗教學示范中心，擬開發的MTS虛擬仿真實驗與實際混凝土性能實驗密切結合，包含模量、劈裂、中點加載等夾具，涵蓋了混凝土單軸壓縮動態模量、單軸壓縮靜態回彈模量、劈裂、低溫小梁彎曲和疲勞等實驗項目。

采用MTS進行實驗，一個完整的實驗過程包括：實驗準備、實驗操作和實驗結果輸出3部分。其中實驗操作包含開機、試件安裝、機器調試、試件保溫、參數設置、試件測試、數據保存等一系列過程。理論教學主要講述參數確定的原理和方法，對于試件安裝、機器調試等實踐部分較少涉及，正是這部分內容關系到實驗結果的準確性。為讓學生更好地參與到實驗中來，在虛擬仿真實驗系統中，著力把真實操作中的各個細節都詳細展現出來，讓學生操作完虛擬實驗就了解全部真實操作。具體思路如圖1所示。

3 功能設計

MTS虛擬仿真實驗中，實驗準備主要是介紹儀器的使用方法，講解實驗原理、目的、意義和步驟，同時將實驗規范濃縮成精華版的簡易規范，方便學生查閱。

圖1 MTS虛擬仿真實驗系統開發思路

實驗操作包括演示模式和操作模式兩種。在演示模式中，學生可以觀看完整的實驗操作演示動畫，可進行“暫停、快進、回退”等控制操作。在操作模式中，學生可通過鼠標、鍵盤操作，在場景中任意漫游了解實驗室的布局及設備情況，也可點擊場景中工具架上的儀器裝備進行全方位察看，了解其外觀、構造等信息，可根據實驗操作提示進行開機、試件安裝、機器調試等虛擬交互仿真操作。

實驗結果主要是實驗結果輸出。為讓學生更好地了解測試數據以及數據分析過程，擬給出原始數據以及數據分析過程。

3.1 開發流程

（1）采用Unity3D技術制作MTS實驗與環境的三維優化模型和混凝土仿真實驗的三維演示動畫，包括3套夾具（模量、劈裂、中點加載）、混合料試件（圓柱體、梁式）、MTS實驗操作程序、工具箱等。

（2）對制作的三維優化模型和三維演示動畫進行編輯，實現MTS相關儀器、裝備的三維展示功能。制作后的場景應可以讓操作者任意漫游，了解實驗室的布局及設備，可以全方位移動、察看儀器外觀、構造等信息，操作設備的任何控制按鈕。

（3）在上述操作的基礎上，對系統進行交互設計，實現MTS實驗的虛擬交互仿真操作，包括對儀器、試件以及電腦端程序等的操作。

3.2 過程控制

MTS采用完全開放的形式進行設計，即實驗過程中學生可以進行自由操作。這種設計可以提高學生的創新思維，借此虛擬實驗完成一些真實環境中比較危險的操作，激發學生的學習興趣和熱情。

虛擬仿真實驗雖然采用開放的形式，但過程中又設計了錯誤提示的方式進行糾偏，以體現實驗的嚴謹性。MTS實驗測試較為復雜，為了引導學生正確做實驗，系統給出了操作提示，如圖2所示。在實驗過程中，如果操作不當，系統會給予錯誤提示，直至選擇正確為止方可進行下一步操作。

3.3 成果展示

以瀝青混合料單軸壓縮動態模量實驗為例，展示系統開發成果。

圖2 MTS虛擬仿真實驗系統中的操作提示

（1）系統初始界面。打開實驗系統，初始界面如圖3所示，有演示模式和操作模式2種選擇。界面簡潔美觀，儀器制作形象逼真，實驗場景可謂是真實MTS實驗室場景的還原。學生可以通過鼠標、鍵盤操作，漫游于實驗室內，了解實驗室的布局及設備情況。

圖3 MTS虛擬仿真實驗系統初始界面

（2）物體全方位展示。漫步于實驗室內，學生可以對室內左邊陳列柜上的3套夾具和5種瀝青混合料試件進行察看，可模擬真實場景拿起、移動、旋轉等操作。以劈裂夾具為例，旋轉展示如圖4所示。

圖4 劈裂夾具可任意角度旋轉

（3）虛擬場景交互實驗操作。MTS虛擬仿真實驗場景交互實驗操作很多，以其中比較典型的操作為例，進行展示，如：位移傳感器的安裝，電腦端實驗程序中參數的設置等，具體見圖5、6所示。

圖5 位移傳感器的安裝

圖6 電腦端實驗程序中實驗參數的設置

4 結 語

MTS虛擬實驗可以在演示模式和操作模式下觀看和操作混凝土實驗，通過這些虛擬仿真，不僅可以學習MTS的使用方法和混凝土性能測試方法，熟悉實驗操作流程，還可以改變實驗教學方式，完善實驗教學效果。3D沉浸式操作模式可提高學生的學習興趣，便利式操作模式可降低訓練成本，交互操作模式可促進老師與學生的教學互動，這對強化學生對實驗操作流程的記憶，提高教學效果，具有重要的意義。經過幾批學生的實踐，效果良好。