基于Unity3D的汽车检测与维修模拟系统的建设研究

摘 要：汽车检测与维修是汽车类专业的必备技能，为降低实验成本，提高实训安全性，打破时间、空间等因素对实训的限制，文章将借助Unity3D引擎，运用增强现实和虚拟现实技术，结合交互设备，探究搭建涵盖汽车展示、模拟驾驶、底盘拆装、发动机拆装、起动机拆装、考核等六方面，集学习、练习、考核为一体的综合仿真模拟系统。该系统的建设可以激发学生学习兴趣，提升动手实践能力，提升动手实践能力，增强对汽车各部分的认知，提升观测能力。

关键词：Unity3D 汽车检测与维修 底盘 发动机 起动机

1 绪论

汽车检测与维修作为本科、高职高专、中职等汽车类专业的必备技能，涵盖汽车装备与调试技术、汽车性能检测、底盘检测与维修、发动机检测与维修等多门必修课程，具有较强的实践操作性；但由于汽车种类较多且汽车技术迭代较快，实践环节成本较高，导致实验设备种类单一，实训场地较少，致使学生理论知识掌握较好，实践能力较为薄弱。

随着新一代信息技术的高速发展，仿真技术、显示技术、交互方式的日渐成熟，为解决上述问题，虚拟现实和增强现实已在汽车检测与维修领域有了进一步的应用。本文将以汽车检测与维修为研究对象，使用Unity3D引擎，结合交互方式、显示技术，使用3DMax软件进行三维建模，从汽车虚拟展示、汽车驾驶、底盘拆装、发动机拆装、起动机拆装、考核方式等六个方面进行研究，搭建模拟系统。

2 汽车检测与维修模拟系统概述

该系统依托Unity3D引擎、增强现实技术、虚拟现实技术，选用体感交互和仿真驾驶设备作为人机交互方式，结合汽车动力学模型等技术手段，探究搭建“一界面、六模块”的汽车检测与维修模拟系统，实现汽车展示、模拟驾驶、底盘拆装、发动机拆装、起动机拆解的模拟仿真操作和考核方式创新；满足单人拆解、组装和小组拆解、组装的多场景需要，帮助提升实训环节的安全性，降低实训成本，改变实训空间，增强学习效果。汽车检测与维修模拟系统总体框架如图1所示。

3 汽车检测与维修模拟系统设计

3.1 汽车检测与维修模拟系统界面

系统界面采用2D用户界面，使用UGUI将用户界面分为三级。一级界面设置账户注册、账户登录按钮；二级界面包含账户注册界面和账户模式选择界面，账户模式选择包括单人模式和小组模式按钮；三级界面根据账户选择模式不同，提供不同模块选择按钮，如：（1）单人模式：三级界面显示六个模块按钮；（2）小组模式：三级界面拥有添加小组成员信息组件和六个模块按钮，每小组上限为4人，根据小组需要，由小组组长选择模块功能[1]。

为便于考核模块中考核结果上传成绩管理系统，在账户注册时，学号、姓名、学校、班级、专业、身份证号、联系方式等信息为必填信息，方便账户信息与成绩管理系统中的学生信息进行绑定。

3.2 汽车检测与维修模拟系统六模块

模拟系统的六模块分别为：汽车展示模块、模拟驾驶模块、底盘拆装模块、发动机拆装模块、起动机拆装模块、考核模块。模拟系统中的模型均以CAD作为参考图，根据参考图比例，选用3DMax中对应工具进行三维建模，保障模型规格、尺寸统一。

3.2.1 交互设备

模拟系统使用的交互设备有两个，一个是莱仕达PXN-V9-H仿真驾驶设备，一个是Kinect体感交互设备。

仿真驾驶设备-莱仕达PXN-V9-H：该设备能够多平台使用，包括方向盘、挂挡杆和踏板三大组件；方向盘旋转角度可根据场景需要两档调节，分别为270度和900度；踏板采用线性防滑设计，提升踏板的可控性，可以使操控者有更加真实的驾驶体验。

Kinect体感交互设备拥有彩色摄像头、深度红外摄像头、红外CMOS摄像头和四个四元线性麦克风阵列，摆脱传统交互设备对操作者的束缚，实现对人体骨骼的追踪和人脸识别等功能，确保获取数据的准确性。使用Kinect的深度红外摄像头采集人体手部信息，在Unity3D引擎中使用C#编写脚本控制采集到的信息，实现人体手势借助Kinect传递到Unity3D中，以达到虚拟与人体手势匹配的目的。[2]

3.2.2 汽车展示模块

汽车展示模块运用HiAR中适用于Uniyt3D的SDK来实现汽车展示的增强现实功能，由2D界面与汽车信息显示、汽车缩放与旋转、触发操作所组成。通过2D界面中扫描按钮，调用摄像头，扫描标定图像，结合2D图像的识别与图像追踪技术，对所识别的图像进行特征提取，与摄像头呈现画面进行匹配，匹配成功便会显示对应的3D模型[3]。3D模型上设置交互组件，添加信息点，触发信息点后便可展开3D信息块，介绍汽车对应位置特征和信息。根据功能组件的设置不同，实现的效果也各有不同，如：车灯开启与关闭、车门开启与关闭、引擎盖开启与关闭和改变车身颜色等；通过点击触发人机交互，对Input和Touch类型的输入信号进行处理，以实现鼠标点击和手指触摸两种形式的模型缩放与旋转功能。汽车展示模块可以提升学生的学习兴趣，增强其对汽车各部分的认知，提升观测能力，满足汽车检测中对车况的观察需要。

3.2.3 模拟驾驶模块

模拟驾驶模块运用虚拟现实技术模拟真实车辆的行驶过程，结合汽车动力学模型和仿真驾驶操作工具-莱仕达PXN-V9-H，实现虚拟驾驶系统的人机交互。模拟驾驶模块有两个基础功能：基本驾驶模式和汽车行驶行为选择。

基本驾驶模式以系统提供操作的车辆信息为基础，运用Wheel Collider车轮碰撞器设置刚体和碰撞体，结合C#代码调节汽车的阿克曼转向、质心和下压力，增强汽车驾驶过程中的仿真效果。[4]

汽车行驶行为选择分为两种，一种是定速巡航，一种是超车行为。定速巡航：使用PID控制算法，调节KP、KI和KD控制器参数，通过计算当前速度与目标速度之间的差值，依据差值和时间调节当前速度，以达到恒定速度行驶的目的。超车行为：根据车辆模型添加的刚体和碰撞器组件实现基本控制逻辑，根据路径规划，使用物理碰撞判断是否满足超车环境，如果满足，则判断在哪个车道超车，从而改变车辆速度，完成超车行为。

3.2.4 底盘拆装模块

汽车底盘结构可大体分为传动系统、转向系统和制动系统，为满足学生练习需要，结合底盘结构特点，为底盘结构展示，教学演示，底盘拆装模式三部分搭配UI按钮控件，增加模块的可操作性。

底盘结构展示以图片的形式整体显示底盘的构造和组成部分，并搭配说明文字，帮助学生理解和记忆底盘构造的相关知识；教学演示以动画的形式演示底盘拆装的流程和步骤，在进度条中标注每一个环节的开始位置，方便学生按照自身需求进行反复拖拽学习。底盘拆装模式，可以以单人模式进入，也可以以小组模式进入；单人模式，学生可以按照对底盘拆装的掌握程度，按照教学演示中的拆装流程进行反复练习；小组模式，学生以团队的形式进行底盘拆装，按照小组分工，完成底盘拆装，提升团队协作能力，提升底盘拆装效率。

3.2.5 发动机拆装模块

发动机拆装模块中的结构展示以三维模型的形式进行发动机结构图展示和介绍，当学生利用Kinect体感交互设备指向发动机的某一部分或拆装时所用的某一个工具时，会随之弹出该部分的解释说明文字框，显示内容包含型号、用途、拆装环境等。

教学演示中的动画设计需以静态方式标记所有零件的分解位置和组装位置，防止因系统关闭和用户退出而重新播放拆装动画；为满足教学要求，在教学演示的过程中逐一显示对应零件的信息，以达到温故而知新的目的。

发动机拆装模式通过Kinect体感交互设备将零件移动到安装位置，当系统检测到该零件已到达正确的安装位置时，零件的背景颜色发生变化，系统则提示零件已完成安装；当在拆装的过程中，需要旋转发动机模型时，根据Kinect采集到的手势信息，实时调用当前摄像机的位置和旋转数据，以实现控制模型显示视角的目的[5]。

3.2.6 起动机拆装模块

起动机在能量来源、结构、工作原理三个方面与发动机不同，起动机将电能转化为机器能，带动发动机工作，所以将发动机拆装与起动机拆装分开设计。

发动机拆装模块中结构展示以两条轴线展示，一是从固定螺栓、电磁开关展开演示，二是后端盖、单向离合器、减速机构、电枢、磁极、电刷、前端盖展开演示；根据手势点击位置，显示各部分具体信息。[6]

教学演示中除了动画演示以外，添加音频讲解；通过功能按钮选择，演示自动拆解和组成过程。在拆装过程中，当零件拆装顺序与教学演示中的一致时，系统将根据零件移动的位置判断当前处于拆解状态还是组装状态。

3.2.7 考核模块

考核模块分为理论知识考核和实训技能考核两部分。

理论知识考核只有单人模式，教师提前按照课程内容和考核要求设置题库，供学生练习所用。考试时，教师根据课程需求设置题型数量和分值，发布考试试卷，最终将学生成绩上传成绩管理系统。

实训技能考核分为单人模式和小组模式，可以选择底盘拆装、发动机拆装、起动机拆装，以三维交互的方式进行考核。拆解和组装按照正确流程，每一步的分值由教师设置，学生需要在少量信息提示和引导下，完成拆装操作。单人模式下，当在考试时间内完成拆装操作，则可以直接根据分值设置计算分数；当考试时间截止，拆装操作仍未完成，则按照学生已完成部分占总分的比重进行计算[7]。多人模式下，学生根据分工依次完成拆装操作，在规定时间内完成的，按照小组成员分工比重进行计算；如果时间截止，操作未完成，根据小组分工和已完成部分占总分比重，分别计算每一位学生的成绩。考核模块中分值和比重设置，在考试发布前已设置完毕，学生只需按照系统指引完成考试即可，考试结束由系统将最终结果与成绩管理系统中的学生信息进行匹配，避免教师二次计算成绩和成绩录入，减轻教师工作压力。

在考核过程中，无论选择单人模式，还是小组模式，系统能够自动记录学生在操作过程中的失误信息，教师根据需要导出对应文档，帮助教师更好地了解学生的学习情况。

4 汽车检测与维修模拟系统的意义和价值

4.1 安全优势

在传统的授课方式中，分理论授课与实践授课，教师和学生受实验设备、实验场地和课程时间的影响，学生无法随时随地进行实训练习和接受教师指导，导致学生对机械装置接触时间有限，实际操作能力欠佳；安全意识不足，在无教师指导下，进入开放实验室进行操作，容易造成设备损坏、威胁自身安全的安全事故。该模拟系统的建立，可以让学生通过虚拟仿真系统学习、练习拆装过程，即得到正确指导，反复练习，又可以保证学生安全，避免设备损坏。

4.2 成本优势

由于各个学校的实验经费和实验场地有限，提供的实验设备类型单一。该系统可以在资源库中设置多种典型设备供教师教学和学生练习使用，配备设备结构展示和教学演示，以及汽车整体展示和模拟驾驶模块，可以节约大量实验成本，减轻教师工作压力，提升学生的学习兴趣，增强实践操作能力，提升观测汽车车况的能力。

4.3 时间优势

由于实验场地有限，教师在实训环节授课时，只能保障部分学生能够观察到实验设备的全貌；学生在实训练习时只能在特定的时间和特点的地点进行练习，难以保障学生在限定时间内掌握所有的实训操作步骤和操作流程；课后由于教师工作内容繁多，无法一一对学生进行指导，无法掌握每一位学生的学习情况。

利用该系统，学生可以根据自身状态，进入模拟系统，对各部分的零件以各种视角进行观察和学习，依据结构展示模式中对零件的信息介绍和教学演示中的动画指导，开展实训练习。教师根据考核模块中的信息反馈，可以掌握每一位学生的学习情况，开展有针对性的指导。

5 结语

该系统以汽车检测与维修作为切入点，利用Unity3D引擎，运用增强现实和虚拟现实技术，结合交互设备，着力搭建涵盖汽车展示、模拟驾驶、底盘拆装、发动机拆装、起动机拆装、考核等六方面，集学习、练习、考核为一体的综合仿真模拟系统，努力打破时间、空间的限制，降低实验成本，提高实训安全性，激发学生学习兴趣，提升学生专业技能。但由于笔者对汽车检测与维修的理论知识研究不足，对汽车各部分结构分解较为粗糙，今后将进一步深入探索汽车检测与维修的理论内容和各部分结构特性，优化系统逻辑和仿真场景，为教师和学生提供更好的沉浸式体验。

参考文献：

[1]王玉君，岳志阳.基于Unity3D的童年往事手机游戏的设计与制作[J].海峡科技与产业，2018（12）：66-67.

[2]林文燔.基于Kinect的汽车底盘交互式展示设计与实现[J].河北软件职业技术学院学报，2021，23（02）：12-16.

[3]景忠.基于Unity3D的汽车虚拟展示系统设计与实现[J].无线互联科技，2024，21（03）：52-54.

[4]汪晓飞，杨晓玲，张杰，等.基于Unity 3D的虚拟驾驶系统设计与实现[J].成都师范学院学报，2020，36（03）：114-119.

[5]高峰，左德遥，楼丹，等.基于Unity 3D的汽车发动机构造与维修AR教学软件开发[J].现代职业教育，2021，（15）：106-108.

[6]甘志梅，高伟，魏志祥，等.基于Unity3D的汽车起动机虚拟拆装实训系统开发[J].安阳工学院学报，2023，22（02）：48-51+63.

[7]倪萌.基于Unity3D的汽车发动机虚拟装配训练考评系统的设计与实现[D].北京：北京工业大学，2014.