基于Unity3D的装卸料机运动控制仿真

2017-09-15朱泓光宋永强刘议聪

制造业自动化 2017年8期

关键词：脚本流程图核电厂

朱泓光，宋永强，刘议聪

（绵阳市维博电子有限责任公司，绵阳 621000）

基于Unity3D的装卸料机运动控制仿真

朱泓光，宋永强，刘议聪

（绵阳市维博电子有限责任公司，绵阳 621000）

面对日益增长的核电人才需求，以及普通大众对核电发展的反感，本文采用当下很成熟流行的游戏开发引擎Unity3D，以某核电站装卸料机为仿真原型，对其运动控制程序进行了分析归纳，并绘制了主要运动机构的控制流程图,同时选择了桥架、小车、提升等机构，利用3DMAX创建三维模型，利用Unity3D强大的物理引擎开发了装卸料机仿真互动游戏。采用互动游戏的方式，有利于核电培训方式的多元化，有助于普通大众了解核电装卸料机的运行。

仿真；虚拟现实；Unity3D；装卸料机

0 引言

核电厂内核燃料组件装卸、转运和贮存系统属于核辅助系统，包括新燃料组件入堆前的接收、检查、贮存，拆卸和装封反应堆，堆芯换料以及乏燃料组件的运输、贮存和发送等一系列工艺操作。装卸料机作岛内换料的关键设备，主要负责堆芯燃料组件的装换作业，是核电厂换料大修关键路径上的一个重要项目[1]。虽然装卸料机没有直接参与参与核电厂的日常运行与安全活动，但间接地影响核电厂的安全可靠性，是核电厂的重要设备之一[2]。根据世界核能协会的数据，截止2015年底，全球在运营核电数439座，在建及拟建总量184座。即便是每座仅有一个反应堆，那也有439个装卸料机，这就需要更多的核电专业人才。在国内，不少大众一说核电就觉得有污染有辐射，更有甚者，到核电厂闹事以阻碍核电正常运行。所以需要一个简单而接地气的方式，让普通大众去了解核电。

1 装卸料机仿真

在核电站现场，采用了实际控制室环境高度逼真的培训模拟机，这样不仅可用来培训，亦可为后期优化做逻辑验证[3]。但是价格不菲，不适合一般情况下的功能演示与高校培训。

Unity 3D是由 Unity Technologies 开发的让玩家轻松创建诸如H维视频游戏、建筑可视化、实时H维动画、脚本后台编辑绑定等类型互动内容的多平台综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。Unity 3D是一种涉及到多种不同领域的跨平台的三维虚拟现实游戏平台，是一款易于使用的产品，用户界面简单，编辑器上手容易，支持多脚本的语言，并具有强大的物理引擎。Unity 3D又可方便的在Windows 、IOS、安卓、WEB、等平台发布，跨平台优势明显。另外，Unity3D本身的使用无需昂贵的授权费。鉴于Unity3D的以上优势，本文使用它作为开发工具，实现装卸料机的运动仿真，可方便的用于功能展示。同时利用多平台优势、以游戏互动的方式，让大众更加直观的了解装卸料设备的工作方式、同时也可用于高校的培训。由于Unity3D强大可扩展性能，更可添加其他一些列外围设备，比如kinect 或者 Oculus Rift虚拟头盔，可大大增加互动的代入感[4]。

2 仿真系统开发流程

2.1 装卸料机部分控制流程

利用国外某核电站的装卸料机作为分析对象，梳理了其控制程序的相应模块（图1），并绘制了执行机构的控制流程图（图2、图3、图4），并利用3DMAX建立了3D模型。同时，根据装卸料机的运动控制逻辑，选择部分控制逻辑作为仿真重点（如表1所示），采用C#做为脚本语言，编写了相应的控制逻辑模块。从而实现了对装卸料机运动控制的仿真。便于运动画面显示，当机构运动时，UI界面将跟随。

2.2 Unity 3D开发流程

由于Unity 3D本身的建模能力不足，我们采用第三方工具3d max建模, 然后处理好材质、贴图，并保存为FBX格式文件。将FBX模型文件导入Unity3D中，进行仿真交互的开发，具体包括UI交互界面、碰撞检测脚本、模型运动控制脚本、摄像机视野脚本等等。脚本调试好后，即可打包发布为WINDOWS平台的可执行文件。

图1 PLC程序模块

图2 桥架工作流程图

图3 提升工作流程图

图4 抓具工作流程图

2.2.1 模型导入Unity3D

在3DMAX中搭建好模型后，还需要设置材质的漫射、反射、光泽度、折射、BRDF等参数，注意只有standard(标准材质)和Multi/Sub-Objiect（多维/子物体材质）被Unity3D软件所支持。同时旋转调整好轴心，并将模型居中。然后，将模型导出为FBX格式，导出时需要注意勾选嵌入的媒体，如果不勾选，在Unity3D中贴图将无法导入。单位最好设置为毫米，这样在Unity3D中1个单位就是1米，默认的inch会使导出不成比例。并将FBX文件和贴图、材质文件一起移至Unity3D项目的Assets文件夹中。模型导入Unity3D后，会发现材质没有了，不过Unity3D已经将导入的材质生成材质球，我们需要利用material类从新设置材质，另外还可以利用它来设置自定义shader着色器，纹理贴图，颜色，材质通道等信息。

表1 仿真运动控制脚本模块

图5 导入Unity3D的3D模型

2.2.2 碰撞检测

装卸料机有很多限位开关。总体分为两种功能，一是触发后减速，二是触发后停止。在Unity 3D中常见的碰撞检测SphereCollider，WheelCollider，BoxCollider和Mesh-Collider等，我们使用BoxCollider即可。另外在在仿真中，两个GameObject发生碰撞，要想检测到触发信息，最少要有一个刚体碰撞器并且勾选了IsTrigger复选框，另一个最少要有一个碰撞器组件，此时检测碰撞的脚本必须附加在那个带有刚体的触发器上。例如我们将大车对应位置设置好4个小盒子，以模拟减速限位开关和停止限位开关。将小车设置为刚体，并勾选IsTrigger。在脚本中，利用MonoBehaviour.OnTriggerEnter() 和 MonoBehaviour.OnCollisionEnter()等接口函数实现触发信息和碰撞信息的检测。

2.2.3 运动控制

Unity3D有多种实现物体运动的方式，本文直接采用了transform.Translate，该方法可以将物体从当前位置，移动到指定位置，并且可以选择参照的坐标系。当需要进行坐标系转换时，可以考虑使用该方法以省去转换坐标系的步骤。首先通过逻辑流程图判断是运动条件是否满足，然后利用transform.Translate实现运动。其中大车的最大速度为0.2m/s大车运动部分代码如下：

2.2.4 交互界面

UI界面的制作设计采用NGUI 插件进行开发，NGUI 提供强大的UI 系统和事件通知框架，能够方便地实现2D、3D 界面开发。默认情况下W、S、A、D 控制大小车、I,k利用前、后方向键控制提升机构。通过脚本自定义按键功能，按键的消息响应在MonoBehavior 的派生类的Update( )函数中实现。UI界面跟随机构运动的实现方式是首先获得机构在屏幕上的坐标，然后根据位置做对应移动。利用Camera. WorldToScreenPoint和Camera. ScreenToWorldPoint别将世界坐标和屏幕坐标相互转换，部分代码如下：