基于Unity3D 的交通燈控行車虛擬實(shí)驗(yàn)研究

趙守凱，南楠

（湛江幼兒師范專科學(xué)校，廣東湛江 524084）

十字路口交通燈控行車實(shí)驗(yàn)是數(shù)字電子技術(shù)課程比較典型的實(shí)驗(yàn)，也是高校信息電子類專業(yè)特別重要的實(shí)驗(yàn)之一。讓學(xué)生了解相關(guān)的實(shí)驗(yàn)規(guī)程、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和裝置、操作技巧并進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，對提高其數(shù)字電路實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)具有重要意義。很多高校采用傳統(tǒng)的交通燈控行車實(shí)驗(yàn),學(xué)生不能在逼真度較高的三維場景下操作交通燈指揮行車虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用Unity3D 引擎、3ds Max 等VR 技術(shù)能夠有效地解決上述問題。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是指采用計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境（Virtual Environment，VE），用戶可借助特殊的輸入/輸出設(shè)備，以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互，通過視覺、聽覺和觸覺等獲得身臨其境的感受和體驗(yàn)的一門交叉學(xué)科[1-3]。VR 技術(shù)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用已越來越廣泛。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

Unity4.6 推出的UGUI 系統(tǒng)由于開發(fā)UI 界面效率高、易于使用、有較好的兼容性等特點(diǎn)，受到越來越多開發(fā)者的青睞。實(shí)驗(yàn)界面的UI 設(shè)置主要有實(shí)驗(yàn)界面背景、實(shí)驗(yàn)名稱、操作按鈕等。通過實(shí)驗(yàn)界面跳轉(zhuǎn)到實(shí)驗(yàn)場景[4-6]，開啟實(shí)驗(yàn)開關(guān)后即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路連接操作，電路連接成功后立即提示實(shí)驗(yàn)連接成功并輸出交通燈指揮行車VR 場景。實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)甲、乙兩條干道交叉的十字路口交通燈邏輯電路。每個(gè)干道各一組交通指示燈，依次顯示綠、黃、紅指示信號(hào)。信號(hào)燈具備倒計(jì)時(shí)顯示功能，當(dāng)甲干道綠燈亮?xí)r從60 s 開始倒計(jì)時(shí)，此時(shí)乙干道紅燈亮；甲干道60 s 倒計(jì)時(shí)為0 時(shí)，顯示黃燈并從3 s 開始倒計(jì)時(shí)，此時(shí)乙干道紅燈依然亮；當(dāng)甲干道黃燈亮，并倒計(jì)時(shí)為0 時(shí)，黃燈變?yōu)榧t燈，此時(shí)乙干道綠燈亮并從60 s 開始倒計(jì)時(shí)為0；然后，乙干道黃燈亮3 s 并倒計(jì)時(shí)，甲干道紅燈依然亮，當(dāng)乙干道黃燈倒計(jì)時(shí)為0 時(shí)變?yōu)榧t燈；最后，又是甲干道綠燈亮并倒計(jì)時(shí)，乙干道變紅燈，依照以上順序交替出現(xiàn)紅、黃、綠燈信號(hào)并循環(huán)，實(shí)現(xiàn)十字路口交通燈指揮行車管理的自動(dòng)化。部分電路連接圖如圖2 所示。

圖2 部分電路連接圖

2 實(shí)驗(yàn)場景及交互功能設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)箱的建立及電路連接實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)箱[7-9]是實(shí)驗(yàn)操作的核心，利用3ds Max 建模工具建立的實(shí)驗(yàn)箱模型主要包括74LS192N、74LS04N、74LS32N 等電路芯片、電路板、電容電阻、顯示屏、數(shù)碼指示燈、發(fā)光二級管、實(shí)驗(yàn)箱電源開關(guān)等。實(shí)驗(yàn)箱模型保存為FBX 文件以便導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D引擎進(jìn)行VR 實(shí)驗(yàn)開發(fā)。建立的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱如圖3 所示。

圖3 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱

實(shí)驗(yàn)箱電路芯片及相關(guān)儀器的模型建立成功后，需要模擬導(dǎo)線連接電路芯片的過程，在該實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置導(dǎo)線兩端的位置為兩個(gè)芯片插口的中心位置。可用74LS74N 實(shí)現(xiàn)交通燈有4 種狀態(tài)變換，點(diǎn)擊開關(guān)后，實(shí)驗(yàn)箱自動(dòng)打開，在實(shí)驗(yàn)箱顯示屏出現(xiàn)交通燈電路連接實(shí)驗(yàn)圖，實(shí)驗(yàn)者可根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖完成當(dāng)前實(shí)驗(yàn)電路連接。在進(jìn)行電路連接時(shí)，每個(gè)端口都設(shè)置名字和位置兩個(gè)屬性。單擊第一個(gè)端口，獲取第一個(gè)端口的名字和位置，單擊第二個(gè)端口時(shí)也獲取第二個(gè)端口的名字和位置，然后在兩個(gè)端口之間生成導(dǎo)線，當(dāng)兩次單擊的端口名字和位置相同時(shí)則判斷是同一個(gè)端口，不產(chǎn)生導(dǎo)線。如果單擊了錯(cuò)誤端口只需再次單擊即可退出。以下為導(dǎo)線連接的控制代碼：

以此類推，74LS192N、74LS32N、74LS04N 等芯片也按照該方法全部連接成功后，在屏幕中央出現(xiàn)電路連接成功的文字和聲音提示“交通燈控電路已正確連接！”，此時(shí)實(shí)驗(yàn)連線己經(jīng)成功搭建完畢[10-12]，在實(shí)驗(yàn)箱一側(cè)立即顯示十字路口紅、黃、綠交通信號(hào)燈及車輛通行效果。電路連接及實(shí)驗(yàn)輸出效果如圖4 所示。

圖4 電路連接及實(shí)驗(yàn)輸出效果

2.2 十字路口交通燈變色設(shè)計(jì)

在Unity3D 中用正方體、球體等模型創(chuàng)建交通燈支架和紅、黃、綠燈模型。建立面片作為公路及周邊地面，白色線條作為公路行車道分隔線，應(yīng)用復(fù)制工具建立4 條行車線路分割線、給地面設(shè)置合適的草地貼圖即可得到十字路口交通燈行車場景，通過控制球體的顏色實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈顏色變化。設(shè)置兩個(gè)不同角度的攝像機(jī)觀看十字路口紅、黃、綠燈的變化，激活其中一個(gè)的同時(shí)關(guān)閉另外一個(gè)攝像機(jī)[13]。其中，綠燈亮的代碼為：

2.3 汽車的隨機(jī)創(chuàng)建及道路選擇設(shè)計(jì)

從Unity3D 資源庫導(dǎo)入4 種不同外形的汽車，用Instantiate(Car,Vector(x,z,y))函數(shù)實(shí)現(xiàn)生成汽車，以下為隨機(jī)創(chuàng)建汽車的代碼：

通過應(yīng)用Random.Range(0,m)函數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生汽車，在檢視面板里設(shè)置4 個(gè)共有變量，再把相應(yīng)的預(yù)制物體拉進(jìn)去，sedan 等車的模型可從prefab 文件夾中直接拖進(jìn)，救護(hù)車走直線而且只在最右的道路，當(dāng)隨機(jī)出現(xiàn)救護(hù)車時(shí)，就只在4 個(gè)不同的緊急路線中選擇第二個(gè)參數(shù)生成物體的位置[14-16]，這個(gè)位置可針對不同的對象進(jìn)行不同的變化。建立的汽車行駛場景如圖5 所示。

圖5 汽車行駛場景

3 汽車行駛碰撞仿真設(shè)計(jì)

Unity3D 提供碰撞體物理組件，碰撞體與剛體一起促使碰撞發(fā)生，碰撞體一般形狀較為簡單，外形如方體、膠囊、球體等，在Unity3D 中創(chuàng)建的GameObjects 會(huì)自動(dòng)分配一個(gè)合適的碰撞體，例如：創(chuàng)建一個(gè)立方體會(huì)得到一個(gè)BoxCollide(立方體碰撞體)，需要注意的是剛體需要綁定在被碰撞的對象上才能產(chǎn)生碰撞效果。Unity3D 提供車輪碰撞體WheelCollider 函數(shù)實(shí)現(xiàn)碰撞偵測、輪胎物理現(xiàn)象和輪胎模型，專門用于輪胎，可以通過Mass 設(shè)置碰撞體質(zhì)量，Radius 設(shè)置半徑等參數(shù)。車的層次結(jié)構(gòu)一般分為車身和4 個(gè)輪子。車身碰撞檢測用包圍盒，4 個(gè)輪子的碰撞檢測用車輪碰撞體（WheelCollider）。汽車有前后4 個(gè)輪子，一般情況下車后輪驅(qū)動(dòng)，前輪輔助，或者前輪驅(qū)動(dòng)，后輪輔助。當(dāng)然也有4 個(gè)輪子同時(shí)驅(qū)動(dòng)，因此，通過設(shè)置需要驅(qū)動(dòng)的輪子即可。可以用碰撞體的方法進(jìn)行設(shè)置，WheelCollider.motorTorque 設(shè)置輪子的動(dòng)力，WheelCollider.steerAngle，設(shè)置輪子的旋轉(zhuǎn)角度。為保持車輛在地面上穩(wěn)定行駛可設(shè)置車輪碰撞體(WheelCollider)向地面發(fā)射一條射線，用Physics.Raycast 獲取碰撞點(diǎn)，這樣可根據(jù)地面的高低調(diào)整車輪的位置。采用路線標(biāo)志點(diǎn)和虛擬引導(dǎo)塊可避免行車時(shí)車輛之間發(fā)生碰撞[17-19]，引導(dǎo)塊引導(dǎo)車輛正常行駛。車輛可在指定的路線標(biāo)識(shí)下行駛，創(chuàng)建立方體作為路線標(biāo)志點(diǎn)，并保留碰撞屬性、取消可渲染屬性，每一個(gè)汽車分配一個(gè)引導(dǎo)塊，引導(dǎo)塊駛向標(biāo)志點(diǎn)，汽車跟隨引導(dǎo)塊行駛，引導(dǎo)塊起到緩沖的作用，保證汽車在轉(zhuǎn)角處圓滑的拐彎。

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)布和測試

Unity3D 可支持發(fā)布多種平臺(tái)，系統(tǒng)各模塊開發(fā)完成后，即可發(fā)布為Windows 平臺(tái)下可執(zhí)行文件，也可發(fā)布為移動(dòng)平臺(tái)Android APP 文件。發(fā)布成功后首先進(jìn)入登錄界面，輸入用戶名、密碼，點(diǎn)擊登錄后即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面。VR 交通燈控行車實(shí)驗(yàn)設(shè)置3 種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑謩e為學(xué)習(xí)模式、訓(xùn)練模式、考核模式。學(xué)習(xí)模式主要設(shè)置實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備、場景布置、操作布置等電路連接實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)。訓(xùn)練模式環(huán)境下可多次重復(fù)操作實(shí)驗(yàn)以提高實(shí)驗(yàn)熟練程度。在考核模式下實(shí)驗(yàn)者可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成電路連接實(shí)驗(yàn)，提交后即可查看實(shí)驗(yàn)成績。實(shí)驗(yàn)界面如圖6 所示。

圖6 VR交通燈控行車實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

文中主要闡述交通燈控實(shí)驗(yàn)流程，交叉十字路口邏輯電路連接，實(shí)驗(yàn)箱、74LS74N、74LS192N 等功能芯片及相關(guān)儀器的建立，提出應(yīng)用Unity3D 引擎單擊芯片端口實(shí)現(xiàn)電路連接的方法，可減少由于功能芯片仿真不準(zhǔn)確導(dǎo)致三維虛擬環(huán)境下電路連接錯(cuò)誤的問題。應(yīng)用Unity3D 引擎設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)十字路口交通燈指揮行車三維虛擬仿真場景。開發(fā)出較為完備的十字路口交通燈控行車三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。解決該實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法在線上開展的問題，也避免了真實(shí)場景行車的危險(xiǎn)性。未來將進(jìn)一步完善數(shù)字電子技術(shù)其他的三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的沉浸感、交互性、想象性等VR 特性。