基于Unity3D的MTS 虚拟仿真实验系统设计

孙艳娜， 赵鸿铎， 孙大权

（同济大学道路与交通工程教育部重点试验室，上海201804）

0 引 言

材料测试系统（Material Test System，MTS）是一台多功能材料测试设备，配有一套完整的试验软件，可测试沥青混凝土和水泥混凝土的各种路用力学性能。由于仪器价格昂贵，一般院校难以承受，因此很多高校在铺面工程和道路工程材料课程教学中，大多是理论教学，很难做到理论教学和实验教学相结合［1-3］。

依托政府重点建设学科，学校道路与交通工程教育部重点实验室拥有国内第一台MTS，在理论教学之后可以安排相关的实验教学，在具体实践中也存在一些问题：学生人数较多，实验教学资源有限（只有一台设备），只能进行分批、分组测试，很难做到人人都动手操作；实验教学时间有限，在短短的实验课上同学们只能进行最经典部分的测试，对于实验前的准备、试件的安装、仪器的调试等，只能了解，不能实际操作［4］；MTS功能强大，可对应多种试验项目，实验教学中只能以一种性能测试为主，其他性能测试则采用演示方式。考虑到虚拟实验不受时间、空间的限制，并且具有不计成本反复演练等优点，尤其是对于高成本、高消耗，真实实验不具备或难以完成的实验教学项目尤为合适。为提高教学质量、改善实验教学效果，有必要开发MTS虚拟仿真实验系统。

1 开发平台

虚拟现实系统是一种将软、硬件结合到一体的系统，最常用的虚拟现实软件，有Virtools、VRP、Unity3D等，这些软件已经将功能模块化，具有编程量小，开发效率高等特点。对比分析几种软件的优缺点［5-15］（见表1），Unity3D具有画面质量优、兼容性好、交互性强等优点，选择Unity3D引擎作为虚拟仿真系统的主要设计工具。

表1 虚拟现实软件功能比较

2 开发思路

依托学校交通运输工程学院上海市实验教学示范中心，拟开发的MTS虚拟仿真实验与实际混凝土性能实验密切结合，包含模量、劈裂、中点加载等夹具，涵盖了混凝土单轴压缩动态模量、单轴压缩静态回弹模量、劈裂、低温小梁弯曲和疲劳等实验项目。

采用MTS进行实验，一个完整的实验过程包括：实验准备、实验操作和实验结果输出3部分。其中实验操作包含开机、试件安装、机器调试、试件保温、参数设置、试件测试、数据保存等一系列过程。理论教学主要讲述参数确定的原理和方法，对于试件安装、机器调试等实践部分较少涉及，正是这部分内容关系到实验结果的准确性。为让学生更好地参与到实验中来，在虚拟仿真实验系统中，着力把真实操作中的各个细节都详细展现出来，让学生操作完虚拟实验就了解全部真实操作。具体思路如图1所示。

3 功能设计

MTS虚拟仿真实验中，实验准备主要是介绍仪器的使用方法，讲解实验原理、目的、意义和步骤，同时将实验规范浓缩成精华版的简易规范，方便学生查阅。

图1 MTS虚拟仿真实验系统开发思路

实验操作包括演示模式和操作模式两种。在演示模式中，学生可以观看完整的实验操作演示动画，可进行“暂停、快进、回退”等控制操作。在操作模式中，学生可通过鼠标、键盘操作，在场景中任意漫游了解实验室的布局及设备情况，也可点击场景中工具架上的仪器装备进行全方位察看，了解其外观、构造等信息，可根据实验操作提示进行开机、试件安装、机器调试等虚拟交互仿真操作。

实验结果主要是实验结果输出。为让学生更好地了解测试数据以及数据分析过程，拟给出原始数据以及数据分析过程。

3.1 开发流程

（1）采用Unity3D技术制作MTS实验与环境的三维优化模型和混凝土仿真实验的三维演示动画，包括3套夹具（模量、劈裂、中点加载）、混合料试件（圆柱体、梁式）、MTS实验操作程序、工具箱等。

（2）对制作的三维优化模型和三维演示动画进行编辑，实现MTS相关仪器、装备的三维展示功能。制作后的场景应可以让操作者任意漫游，了解实验室的布局及设备，可以全方位移动、察看仪器外观、构造等信息，操作设备的任何控制按钮。

（3）在上述操作的基础上，对系统进行交互设计，实现MTS实验的虚拟交互仿真操作，包括对仪器、试件以及电脑端程序等的操作。

3.2 过程控制

MTS采用完全开放的形式进行设计，即实验过程中学生可以进行自由操作。这种设计可以提高学生的创新思维，借此虚拟实验完成一些真实环境中比较危险的操作，激发学生的学习兴趣和热情。

虚拟仿真实验虽然采用开放的形式，但过程中又设计了错误提示的方式进行纠偏，以体现实验的严谨性。MTS实验测试较为复杂，为了引导学生正确做实验，系统给出了操作提示，如图2所示。在实验过程中，如果操作不当，系统会给予错误提示，直至选择正确为止方可进行下一步操作。

3.3 成果展示

以沥青混合料单轴压缩动态模量实验为例，展示系统开发成果。

图2 MTS虚拟仿真实验系统中的操作提示

（1）系统初始界面。打开实验系统，初始界面如图3所示，有演示模式和操作模式2种选择。界面简洁美观，仪器制作形象逼真，实验场景可谓是真实MTS实验室场景的还原。学生可以通过鼠标、键盘操作，漫游于实验室内，了解实验室的布局及设备情况。

图3 MTS虚拟仿真实验系统初始界面

（2）物体全方位展示。漫步于实验室内，学生可以对室内左边陈列柜上的3套夹具和5种沥青混合料试件进行察看，可模拟真实场景拿起、移动、旋转等操作。以劈裂夹具为例，旋转展示如图4所示。

图4 劈裂夹具可任意角度旋转

（3）虚拟场景交互实验操作。MTS虚拟仿真实验场景交互实验操作很多，以其中比较典型的操作为例，进行展示，如：位移传感器的安装，电脑端实验程序中参数的设置等，具体见图5、6所示。

图5 位移传感器的安装

图6 电脑端实验程序中实验参数的设置

4 结 语

MTS虚拟实验可以在演示模式和操作模式下观看和操作混凝土实验，通过这些虚拟仿真，不仅可以学习MTS的使用方法和混凝土性能测试方法，熟悉实验操作流程，还可以改变实验教学方式，完善实验教学效果。3D沉浸式操作模式可提高学生的学习兴趣，便利式操作模式可降低训练成本，交互操作模式可促进老师与学生的教学互动，这对强化学生对实验操作流程的记忆，提高教学效果，具有重要的意义。经过几批学生的实践，效果良好。