基于Unity3D 的交通燈控行車虛擬實驗研究

趙守凱，南楠

（湛江幼兒師范專科學校，廣東湛江 524084）

十字路口交通燈控行車實驗是數字電子技術課程比較典型的實驗，也是高校信息電子類專業(yè)特別重要的實驗之一。讓學生了解相關的實驗規(guī)程、實驗設備和裝置、操作技巧并進行實踐訓練，對提高其數字電路實踐能力和創(chuàng)新意識具有重要意義。很多高校采用傳統的交通燈控行車實驗,學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驗。應用Unity3D 引擎、3ds Max 等VR 技術能夠有效地解決上述問題。虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術是指采用計算機技術為核心的現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/輸出設備，以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互，通過視覺、聽覺和觸覺等獲得身臨其境的感受和體驗的一門交叉學科[1-3]。VR 技術在教學實驗中的應用已越來越廣泛。

1 實驗系統的整體設計

1.1 實驗系統流程設計

Unity4.6 推出的UGUI 系統由于開發(fā)UI 界面效率高、易于使用、有較好的兼容性等特點，受到越來越多開發(fā)者的青睞。實驗界面的UI 設置主要有實驗界面背景、實驗名稱、操作按鈕等。通過實驗界面跳轉到實驗場景[4-6]，開啟實驗開關后即可進行實驗電路連接操作，電路連接成功后立即提示實驗連接成功并輸出交通燈指揮行車VR 場景。實驗流程設計如圖1 所示。

圖1 實驗流程

1.2 實驗系統內容設計

設計一個甲、乙兩條干道交叉的十字路口交通燈邏輯電路。每個干道各一組交通指示燈，依次顯示綠、黃、紅指示信號。信號燈具備倒計時顯示功能，當甲干道綠燈亮時從60 s 開始倒計時，此時乙干道紅燈亮；甲干道60 s 倒計時為0 時，顯示黃燈并從3 s 開始倒計時，此時乙干道紅燈依然亮；當甲干道黃燈亮，并倒計時為0 時，黃燈變?yōu)榧t燈，此時乙干道綠燈亮并從60 s 開始倒計時為0；然后，乙干道黃燈亮3 s 并倒計時，甲干道紅燈依然亮，當乙干道黃燈倒計時為0 時變?yōu)榧t燈；最后，又是甲干道綠燈亮并倒計時，乙干道變紅燈，依照以上順序交替出現紅、黃、綠燈信號并循環(huán)，實現十字路口交通燈指揮行車管理的自動化。部分電路連接圖如圖2 所示。

圖2 部分電路連接圖

2 實驗場景及交互功能設計

2.1 實驗箱的建立及電路連接實現

實驗箱[7-9]是實驗操作的核心，利用3ds Max 建模工具建立的實驗箱模型主要包括74LS192N、74LS04N、74LS32N 等電路芯片、電路板、電容電阻、顯示屏、數碼指示燈、發(fā)光二級管、實驗箱電源開關等。實驗箱模型保存為FBX 文件以便導入Unity 3D引擎進行VR 實驗開發(fā)。建立的數字電路實驗箱如圖3 所示。

圖3 數字電路實驗箱

實驗箱電路芯片及相關儀器的模型建立成功后，需要模擬導線連接電路芯片的過程，在該實驗中，設置導線兩端的位置為兩個芯片插口的中心位置。可用74LS74N 實現交通燈有4 種狀態(tài)變換，點擊開關后，實驗箱自動打開，在實驗箱顯示屏出現交通燈電路連接實驗圖，實驗者可根據實驗圖完成當前實驗電路連接。在進行電路連接時，每個端口都設置名字和位置兩個屬性。單擊第一個端口，獲取第一個端口的名字和位置，單擊第二個端口時也獲取第二個端口的名字和位置，然后在兩個端口之間生成導線，當兩次單擊的端口名字和位置相同時則判斷是同一個端口，不產生導線。如果單擊了錯誤端口只需再次單擊即可退出。以下為導線連接的控制代碼：

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！”，此時實驗連線己經成功搭建完畢[10-12]，在實驗箱一側立即顯示十字路口紅、黃、綠交通信號燈及車輛通行效果。電路連接及實驗輸出效果如圖4 所示。

圖4 電路連接及實驗輸出效果

2.2 十字路口交通燈變色設計

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，應用復制工具建立4 條行車線路分割線、給地面設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現紅、黃、綠燈顏色變化。設置兩個不同角度的攝像機觀看十字路口紅、黃、綠燈的變化，激活其中一個的同時關閉另外一個攝像機[13]。其中，綠燈亮的代碼為：

2.3 汽車的隨機創(chuàng)建及道路選擇設計

從Unity3D 資源庫導入4 種不同外形的汽車，用Instantiate(Car,Vector(x,z,y))函數實現生成汽車，以下為隨機創(chuàng)建汽車的代碼：

通過應用Random.Range(0,m)函數隨機產生汽車，在檢視面板里設置4 個共有變量，再把相應的預制物體拉進去，sedan 等車的模型可從prefab 文件夾中直接拖進，救護車走直線而且只在最右的道路，當隨機出現救護車時，就只在4 個不同的緊急路線中選擇第二個參數生成物體的位置[14-16]，這個位置可針對不同的對象進行不同的變化。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計

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 會自動分配一個合適的碰撞體，例如：創(chuàng)建一個立方體會得到一個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生碰撞效果。Unity3D 提供車輪碰撞體WheelCollider 函數實現碰撞偵測、輪胎物理現象和輪胎模型，專門用于輪胎，可以通過Mass 設置碰撞體質量，Radius 設置半徑等參數。車的層次結構一般分為車身和4 個輪子。車身碰撞檢測用包圍盒，4 個輪子的碰撞檢測用車輪碰撞體（WheelCollider）。汽車有前后4 個輪子，一般情況下車后輪驅動，前輪輔助，或者前輪驅動，后輪輔助。當然也有4 個輪子同時驅動，因此，通過設置需要驅動的輪子即可。可以用碰撞體的方法進行設置，WheelCollider.motorTorque 設置輪子的動力，WheelCollider.steerAngle，設置輪子的旋轉角度。為保持車輛在地面上穩(wěn)定行駛可設置車輪碰撞體(WheelCollider)向地面發(fā)射一條射線，用Physics.Raycast 獲取碰撞點，這樣可根據地面的高低調整車輪的位置。采用路線標志點和虛擬引導塊可避免行車時車輛之間發(fā)生碰撞[17-19]，引導塊引導車輛正常行駛。車輛可在指定的路線標識下行駛，創(chuàng)建立方體作為路線標志點，并保留碰撞屬性、取消可渲染屬性，每一個汽車分配一個引導塊，引導塊駛向標志點，汽車跟隨引導塊行駛，引導塊起到緩沖的作用，保證汽車在轉角處圓滑的拐彎。

4 實驗系統的發(fā)布和測試

Unity3D 可支持發(fā)布多種平臺，系統各模塊開發(fā)完成后，即可發(fā)布為Windows 平臺下可執(zhí)行文件，也可發(fā)布為移動平臺Android APP 文件。發(fā)布成功后首先進入登錄界面，輸入用戶名、密碼，點擊登錄后即可進入實驗系統界面。VR 交通燈控行車實驗設置3 種實驗模式，分別為學習模式、訓練模式、考核模式。學習模式主要設置實驗目的、實驗器材準備、場景布置、操作布置等電路連接實驗基礎知識。訓練模式環(huán)境下可多次重復操作實驗以提高實驗熟練程度。在考核模式下實驗者可在規(guī)定時間內完成電路連接實驗，提交后即可查看實驗成績。實驗界面如圖6 所示。

圖6 VR交通燈控行車實驗

5 結論

文中主要闡述交通燈控實驗流程，交叉十字路口邏輯電路連接，實驗箱、74LS74N、74LS192N 等功能芯片及相關儀器的建立，提出應用Unity3D 引擎單擊芯片端口實現電路連接的方法，可減少由于功能芯片仿真不準確導致三維虛擬環(huán)境下電路連接錯誤的問題。應用Unity3D 引擎設計并實現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驗系統。解決該實驗教學無法在線上開展的問題，也避免了真實場景行車的危險性。未來將進一步完善數字電子技術其他的三維虛擬仿真實驗內容，進一步增強實驗的沉浸感、交互性、想象性等VR 特性。