基于Unity3D的氣動順序回路虛擬仿真實驗系統開發

孫琴，鄧自康，劉欣，潘成鵬

（武昌首義學院機電與自動化學院，湖北武漢，430064）

0 引言

在當今的液壓與氣動的相關實驗教學中，實驗實踐是穩固所學知識一個非常重要的環節，但目前實踐教學還存在許多不足[1-6]，比如：1）實驗設備供應不足，無法滿足學生在實驗中實踐要求。2）氣動元器件及設備等老化嚴重等問題存在風險，對于實驗安全性無法保證。這些問題無法滿足當今氣動方面的教學需求，困擾著氣動技術的發展。

目前本文采用基于Unity3D平臺的虛擬仿真技術[7-10]，結合3D模型和模擬操作，開發具有強大交互功能的氣動虛擬實驗平臺。以解決現有氣動技術實踐教育中所面臨的上述問題，大大減輕實驗室資源匱乏的負擔，并且能讓學生的學習不受時間以及空間的影響，充分激發學生的學習興趣，從而提高學習質量。

1 設計方案

1.1 氣動虛擬仿真實驗開發技術路線分析

如圖1所示，建立氣動虛擬實驗元件和實驗工作臺等場景模型時使用SolidWorks軟件，并將創建完成的場景模型導入軟件進行模型優化。優化軟件選用3ds Max/Rhino，使用軟件進行優化，以FBX文件格式保存，Unity3D能識別。將模型等創建好的文件導入Unity3D軟件進行平臺搭建，運用C語言軟件中的腳本功能為平臺編寫與其功能相對應的程序，為使用者提供逼真的人機交互效果[11-13]。平臺完成創建后發布系統生成EXE安裝包，此安裝包可運用于現實教學。

圖1 氣動虛擬仿真平臺搭建技術路線圖

1.2 零部件模型的構建

根據圖2所示氣動順序動作回路實驗原理圖，對該實驗所需要的零部件通過SolidWorks等三維軟件進行模型構建，再將其轉存為STL格式導入3ds Max進行渲染使其具有更好的呈現效果，如圖3所示。

圖2 氣動順序動作回路虛擬實驗原理圖

圖3 實驗元器件模型構建

1.3 UI交互設計

1.3.1 初始界面

虛擬實驗平臺初始界面如圖4所示，主要分為三個模塊：“實驗說明”中會對實驗目的以及實驗意義進行介紹，方便使用者對實驗原理進行理解。“虛擬訓練”中可隨著內置的引導完成實驗的整個流程。“虛擬考核”，當使用者對實驗內容有了一定的了解后可對元器件自主拖動進行連接，進行評判考核，由此得知自身對該實驗的掌握情況。

圖4 氣動順序動作回路虛擬仿真實驗界面虛擬示意圖

程序界面控制程序如圖5所示，在程序中 “Scene Manager”為場景指令，當使用者使用鼠標點擊場景中的某一個選項時，程序彈出傳輸指令，此時程序賦值傳輸名稱：如“虛擬仿真”，如果輸出名稱符合賦值名稱時，程序打開面板并運行相應程序，當完成對應程序時，點擊返回指令，程序判別是否符合輸出指令，如果輸出“Default”指令，則實驗失敗，反之，實驗成功；輸出返回指令，完成實驗系統。若不編寫“Default”指令，則程序會一直運行下去，直到運行到“Break”、“Switch”，程序運行結束。

圖5 程序界面控制程序示意圖

1.3.2 實驗交互

（1）元件的操作。在“虛擬訓練”中可根據提示將氣缸，單向節流閥，二位五通電磁閥換向閥等元件拖至對應位置。“文字提示框”是指當使用者將鼠標移動到“虛擬實驗”模塊中的元件庫，在拖出某一種元件時，在實驗臺面上會出現一個對此次動作提示的文字說明并且懸浮在桌面的提示區域中，當使用者將元件放置并退出操作時，該文字提示區域將自動隱藏于程序中。“文字提示框”腳本選項如圖6所示。

圖6 文字提示腳本選項示意圖

Tip選項是繼承于Panel的，在設置選項中，“Character”選項中可以調整字體大小，“Closable”選項代表關閉選項，“Paragraph”選項中對文字的內容位置進行“對齊方式”的調整，以上的這些選項都是在Tip類選項中設定的。文件提示選項腳本根據所需元件可以自由修改提示對象，根據所需元件名稱進行后臺程序修改。

（2）管路連接。將所有元器件安裝到對應位置后，點擊鼠標雙擊元件進行“連接氣管”動作，從而觸發 “管路連接”的指令。圖7為氣管連接腳本程序。

圖7 氣管連接腳本程序

“Mono Behavior”為事件響應組件，程序將此組件作為響應指令賦值于指定動作。“Lineltemes”為附加指令，編寫程序時將“Line”作為氣管的英文名稱，將氣管附加在程序中并等待程序輸出指令。“Game Object”為組件，附加在元件對象，一個組件可以設置為只連接一個元件對象。

軟件通過程序腳本導入所創建的虛擬實驗中，設置相對應參數，完成“氣管連接”識別的初步設置。將腳本加入設置選項中，完成整個氣管識別設置。如圖8所示。

圖8 氣管連接程序選項

1.3.3 平臺發布

此次氣動順序動作回路虛擬仿真實驗設計以Unity3D引擎為開發環境，將軟件導入Unity3D進行程序實現。在上方“文件”菜單中開“Build Setting”界面，如圖9所示，將軟件進行平臺發布，在菜單中選擇發布的平臺。但是平臺存在弊端，在安裝的過程中需對應所需支持包。

圖9 平臺發布過程示意圖

此次軟件將發布于PC平臺進行程序運行，但再導入過程中必須安裝所需支持包。在Unity5.0之后，此軟件也可以對WebGL進行技術支持。在程序發布后，在電腦桌面會生成程序的“項目、目錄”。PC版點擊EXE文件，可以使用任何搭載Windows程序的計算機進行軟件運行。

2 功能實現

本文中所設計的虛擬氣動仿真實驗室，功能如主界面、界面跳轉、實驗說明文字、實驗指導等，這些功能方便使用者更好的掌握實驗原理。還有自定義添加的功能可以配合主實驗功能，能讓使用者提高學習熱情，比如音樂、天氣以及實驗室外景等。本設計可以將氣動順序動作回路虛擬仿真從現實的狀態導入電腦轉變為虛擬的效果，方便使用者可以了解氣動原理中的奧秘，學習和理解氣動順序動作回路的相關知識。

在本次氣動虛擬實驗室的設計中將Unity3D引擎作為設計平臺，一步一部引導使用者進入到所創建的虛擬實驗平臺中，平臺使用流程圖如圖10所示。

圖10 實驗流程圖

2.1 虛擬實驗室的環境展示

作為虛擬仿真技術重要的特色之一，沉浸性體驗虛擬軟件平臺進行配合，使得使用者得到良好的氣動順序動作回路虛擬實驗環境，而這不僅僅可以給使用者帶來身臨其境的感覺，動手實踐的參與感也可以激發使用者的學習興趣，起到創建虛擬實驗室的實驗目的。本次創建的虛擬實驗室以現實學校實驗室中氣動回路實驗室為設計基礎，根據尺寸縮小創建出氣動回路虛擬實驗室的環境。本實驗室中出現的各種器械及實驗元件在設計時做到了一比一還原，確保使用者在實驗過程能擁有一個良好的沉浸體驗。利用Unity3D建成的虛擬實驗室環境如圖11所示。

圖11 虛擬實驗室環境示意圖

2.2 虛擬3D漫游原理展示

在整個虛擬實驗室的交互中，虛擬3D漫游是進入虛擬實驗室進行操控的第一步，使用者可以通過自己的想法隨意進行視角的操控，從而更加方便的獲取場景中的提示信息，這種交互方法可以很好的讓使用者快速地融入實驗環境之中。虛擬漫游有兩種方式進行呈現——手動漫游和自動漫游。本次研究的主要內容為氣動順序動作回路虛擬實驗，為了使用者身臨其境地感受實驗帶來的樂趣并積極參與進來，本實驗場景可加入了外設，讓使用者采用第一人稱視角進行操控，使用者自己可以控制鍵盤、鼠標來達到場景漫游的功能。

使用者通過點擊并長按鼠標右鍵，滑動鼠標來控制場景中“人”的方向移動；通過按動鍵盤上的“W、S、A、D”鍵位分別實現對場景中“人”的“前移、后移、左移、右移”的控制；當使用鼠標的滾輪時，可以實現縮放功能，此功能運用于場景以及物體的放大與縮小。

3 結論

通過對氣動順序動作回路實驗核心理念進行深入了解后，利用Solidworks、3ds Max軟件對元器件進行構建渲染增強用戶的沉浸感，以及使用Untiy3D虛擬平臺創建虛擬實驗以增強實驗中的交互過程，由此構建出革新性的教學模式，能很好的彌補實驗室資源匱乏、實驗時間、空間限制等缺陷。建立虛擬仿真氣動實驗教學環境，將實驗室移入計算機程序中進行演示，使學生在豐富的實踐和完善的實驗條件下學習和操作氣動技術相關理論常識，從而達到更好的學習效果。