基于Unity3D的气动顺序回路虚拟仿真实验系统开发

孙琴，邓自康，刘欣，潘成鹏

（武昌首义学院机电与自动化学院，湖北武汉，430064）

0 引言

在当今的液压与气动的相关实验教学中，实验实践是稳固所学知识一个非常重要的环节，但目前实践教学还存在许多不足[1-6]，比如：1）实验设备供应不足，无法满足学生在实验中实践要求。2）气动元器件及设备等老化严重等问题存在风险，对于实验安全性无法保证。这些问题无法满足当今气动方面的教学需求，困扰着气动技术的发展。

目前本文采用基于Unity3D平台的虚拟仿真技术[7-10]，结合3D模型和模拟操作，开发具有强大交互功能的气动虚拟实验平台。以解决现有气动技术实践教育中所面临的上述问题，大大减轻实验室资源匮乏的负担，并且能让学生的学习不受时间以及空间的影响，充分激发学生的学习兴趣，从而提高学习质量。

1 设计方案

1.1 气动虚拟仿真实验开发技术路线分析

如图1所示，建立气动虚拟实验元件和实验工作台等场景模型时使用SolidWorks软件，并将创建完成的场景模型导入软件进行模型优化。优化软件选用3ds Max/Rhino，使用软件进行优化，以FBX文件格式保存，Unity3D能识别。将模型等创建好的文件导入Unity3D软件进行平台搭建，运用C语言软件中的脚本功能为平台编写与其功能相对应的程序，为使用者提供逼真的人机交互效果[11-13]。平台完成创建后发布系统生成EXE安装包，此安装包可运用于现实教学。

图1 气动虚拟仿真平台搭建技术路线图

1.2 零部件模型的构建

根据图2所示气动顺序动作回路实验原理图，对该实验所需要的零部件通过SolidWorks等三维软件进行模型构建，再将其转存为STL格式导入3ds Max进行渲染使其具有更好的呈现效果，如图3所示。

图2 气动顺序动作回路虚拟实验原理图

图3 实验元器件模型构建

1.3 UI交互设计

1.3.1 初始界面

虚拟实验平台初始界面如图4所示，主要分为三个模块：“实验说明”中会对实验目的以及实验意义进行介绍，方便使用者对实验原理进行理解。“虚拟训练”中可随着内置的引导完成实验的整个流程。“虚拟考核”，当使用者对实验内容有了一定的了解后可对元器件自主拖动进行连接，进行评判考核，由此得知自身对该实验的掌握情况。

图4 气动顺序动作回路虚拟仿真实验界面虚拟示意图

程序界面控制程序如图5所示，在程序中 “Scene Manager”为场景指令，当使用者使用鼠标点击场景中的某一个选项时，程序弹出传输指令，此时程序赋值传输名称：如“虚拟仿真”，如果输出名称符合赋值名称时，程序打开面板并运行相应程序，当完成对应程序时，点击返回指令，程序判别是否符合输出指令，如果输出“Default”指令，则实验失败，反之，实验成功；输出返回指令，完成实验系统。若不编写“Default”指令，则程序会一直运行下去，直到运行到“Break”、“Switch”，程序运行结束。

图5 程序界面控制程序示意图

1.3.2 实验交互

（1）元件的操作。在“虚拟训练”中可根据提示将气缸，单向节流阀，二位五通电磁阀换向阀等元件拖至对应位置。“文字提示框”是指当使用者将鼠标移动到“虚拟实验”模块中的元件库，在拖出某一种元件时，在实验台面上会出现一个对此次动作提示的文字说明并且悬浮在桌面的提示区域中，当使用者将元件放置并退出操作时，该文字提示区域将自动隐藏于程序中。“文字提示框”脚本选项如图6所示。

图6 文字提示脚本选项示意图

Tip选项是继承于Panel的，在设置选项中，“Character”选项中可以调整字体大小，“Closable”选项代表关闭选项，“Paragraph”选项中对文字的内容位置进行“对齐方式”的调整，以上的这些选项都是在Tip类选项中设定的。文件提示选项脚本根据所需元件可以自由修改提示对象，根据所需元件名称进行后台程序修改。

（2）管路连接。将所有元器件安装到对应位置后，点击鼠标双击元件进行“连接气管”动作，从而触发 “管路连接”的指令。图7为气管连接脚本程序。

图7 气管连接脚本程序

“Mono Behavior”为事件响应组件，程序将此组件作为响应指令赋值于指定动作。“Lineltemes”为附加指令，编写程序时将“Line”作为气管的英文名称，将气管附加在程序中并等待程序输出指令。“Game Object”为组件，附加在元件对象，一个组件可以设置为只连接一个元件对象。

软件通过程序脚本导入所创建的虚拟实验中，设置相对应参数，完成“气管连接”识别的初步设置。将脚本加入设置选项中，完成整个气管识别设置。如图8所示。

图8 气管连接程序选项

1.3.3 平台发布

此次气动顺序动作回路虚拟仿真实验设计以Unity3D引擎为开发环境，将软件导入Unity3D进行程序实现。在上方“文件”菜单中开“Build Setting”界面，如图9所示，将软件进行平台发布，在菜单中选择发布的平台。但是平台存在弊端，在安装的过程中需对应所需支持包。

图9 平台发布过程示意图

此次软件将发布于PC平台进行程序运行，但再导入过程中必须安装所需支持包。在Unity5.0之后，此软件也可以对WebGL进行技术支持。在程序发布后，在电脑桌面会生成程序的“项目、目录”。PC版点击EXE文件，可以使用任何搭载Windows程序的计算机进行软件运行。

2 功能实现

本文中所设计的虚拟气动仿真实验室，功能如主界面、界面跳转、实验说明文字、实验指导等，这些功能方便使用者更好的掌握实验原理。还有自定义添加的功能可以配合主实验功能，能让使用者提高学习热情，比如音乐、天气以及实验室外景等。本设计可以将气动顺序动作回路虚拟仿真从现实的状态导入电脑转变为虚拟的效果，方便使用者可以了解气动原理中的奥秘，学习和理解气动顺序动作回路的相关知识。

在本次气动虚拟实验室的设计中将Unity3D引擎作为设计平台，一步一部引导使用者进入到所创建的虚拟实验平台中，平台使用流程图如图10所示。

图10 实验流程图

2.1 虚拟实验室的环境展示

作为虚拟仿真技术重要的特色之一，沉浸性体验虚拟软件平台进行配合，使得使用者得到良好的气动顺序动作回路虚拟实验环境，而这不仅仅可以给使用者带来身临其境的感觉，动手实践的参与感也可以激发使用者的学习兴趣，起到创建虚拟实验室的实验目的。本次创建的虚拟实验室以现实学校实验室中气动回路实验室为设计基础，根据尺寸缩小创建出气动回路虚拟实验室的环境。本实验室中出现的各种器械及实验元件在设计时做到了一比一还原，确保使用者在实验过程能拥有一个良好的沉浸体验。利用Unity3D建成的虚拟实验室环境如图11所示。

图11 虚拟实验室环境示意图

2.2 虚拟3D漫游原理展示

在整个虚拟实验室的交互中，虚拟3D漫游是进入虚拟实验室进行操控的第一步，使用者可以通过自己的想法随意进行视角的操控，从而更加方便的获取场景中的提示信息，这种交互方法可以很好的让使用者快速地融入实验环境之中。虚拟漫游有两种方式进行呈现——手动漫游和自动漫游。本次研究的主要内容为气动顺序动作回路虚拟实验，为了使用者身临其境地感受实验带来的乐趣并积极参与进来，本实验场景可加入了外设，让使用者采用第一人称视角进行操控，使用者自己可以控制键盘、鼠标来达到场景漫游的功能。

使用者通过点击并长按鼠标右键，滑动鼠标来控制场景中“人”的方向移动；通过按动键盘上的“W、S、A、D”键位分别实现对场景中“人”的“前移、后移、左移、右移”的控制；当使用鼠标的滚轮时，可以实现缩放功能，此功能运用于场景以及物体的放大与缩小。

3 结论

通过对气动顺序动作回路实验核心理念进行深入了解后，利用Solidworks、3ds Max软件对元器件进行构建渲染增强用户的沉浸感，以及使用Untiy3D虚拟平台创建虚拟实验以增强实验中的交互过程，由此构建出革新性的教学模式，能很好的弥补实验室资源匮乏、实验时间、空间限制等缺陷。建立虚拟仿真气动实验教学环境，将实验室移入计算机程序中进行演示，使学生在丰富的实践和完善的实验条件下学习和操作气动技术相关理论常识，从而达到更好的学习效果。