基于Unity3D的電氣控制虛擬實踐平臺建設

劉安平 苑鵬濤 邵文冕

Development of Virtual Practice Platform of Electrical Control Based on Unity3D

摘要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實踐教學中的應用，是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的一個飛躍；在Maya軟件建?；A上，通過Unity3D軟件構(gòu)建虛擬世界，完成電氣控制訓練虛擬實踐平臺建設，取得了初步的研究成果。

Abstract： The application of virtual reality technology in practice teaching is a leap in the development of modern education technology. On the basis of Maya software modeling， the virtual world was built through Unity3D software to complete the development of virtual practice platform of electrical control training， and preliminary research results have been obtained.

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；Unity3D；電氣控制訓練；虛擬實踐平臺

Key words： VR technology；Unity3D；electrical control training；virtual practice platform

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0212-02

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)，是計算機仿真技術(shù)與計算機圖形學、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)等多種技術(shù)的交叉集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的前沿學科和研究領域。

根據(jù)用戶參與虛擬現(xiàn)實的不同形式以及沉浸的程度不同，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可分為三類[1]：

①桌面式，利用個人計算機或圖形工作站等設備，產(chǎn)生虛擬場景，通過三維鼠標或其它手控輸入設備，將計算機的屏幕作為觀察虛擬世界的一個窗口，在一些專業(yè)軟件幫助下，用戶參與虛擬世界的活動。

②沉浸式，通常采用頭盔式顯示器、洞穴式立體顯示等設備，利用空間位置跟蹤定位設備、數(shù)據(jù)手套、其他手控輸入設備、聲音設備讓使用者沉入其中。

③共享式，是一種基于網(wǎng)絡連接的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它將多個用戶通過計算機網(wǎng)絡連接在一起，同時參加一個虛擬空間，達到協(xié)同工作的目的。

作為最出色的虛擬現(xiàn)實軟件之一，Unity3D是由英國Unity Technologies公司開發(fā)的一個讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎[2]。Unity3D軟件，既能開發(fā)娛樂型游戲，例如《鏡之邊緣》、《神廟逃亡2》等，使游戲玩家獲得娛樂和放松為目的；也能開發(fā)嚴肅型游戲，例如應用于軍事國防、醫(yī)療模擬、教育培訓以及城市漫游等方面的交互型應用程序，以用戶獲得虛擬體驗以及虛擬教育為目的。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領域的應用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于教育領域是教育技術(shù)發(fā)展的一個飛躍。它營造了“自主學習”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學”的學習方式，代之為學習者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式。

2.1 虛擬實驗室

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以建立各種虛擬實驗室，如地理、物理、化學、生物實驗室等等，擁有傳統(tǒng)實驗室難以比擬的優(yōu)勢。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠為學生提供生動、逼真的虛擬學習環(huán)境，在廣泛的科目領域提供無限的虛擬體驗，從而加速和鞏固學生學習知識的過程。親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力，主動地去交互與被動的灌輸，有本質(zhì)的差別。

2.2 虛擬實訓基地

VR技能訓練是利用VR技術(shù)和計算機多媒體技術(shù)，創(chuàng)造一個接近事實的訓練情景，使學生身處其中，自己動手操作，獲得實踐經(jīng)驗，掌握操作技能[3]。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立起來的虛擬實訓基地，其“設備”與“部件”多是虛擬的，可以根據(jù)需要隨時生成新的設備。教學內(nèi)容可以不斷更新，使實踐訓練及時跟上技術(shù)的發(fā)展。同時，虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性，使學生能夠在虛擬的學習環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入到學習環(huán)境中去，這非常有利于學生的技能訓練。

3 虛擬實踐平臺構(gòu)建模式

在虛擬實踐平臺構(gòu)建過程中，采用Maya2016軟件進行虛擬實踐模型建模，采用Unity3D Pro（5.6.4f1個人版）軟件進行虛擬世界的構(gòu)建。

電氣控制訓練虛擬實踐平臺主菜單界面見圖1，電氣控制訓練共有四個訓練項目，對應四個游戲關(guān)卡。利用Unity3D技術(shù)，通過圖形與用戶界面（GUI）的選擇，將電氣控制訓練的每個訓練項目設計成一個游戲場景，相當于一個游戲關(guān)卡。點擊訓練項目按鈕，進入對應訓練項目的游戲界面，開始電氣控制訓練虛擬實踐。每個實踐項目有三個環(huán)節(jié)，分別是器件布局、電路連接和電路檢測。

3.1 器件布局

器件布局，就是把導入到Unity3D場景內(nèi)的元器件，按在虛擬實踐平臺上預先設定好的位置擺放好。

3.1.1 器件模型導入方法

利用Maya軟件，將三相交流電動機、交流接觸器、熱繼電器、三相斷路器、按鈕開關(guān)、行程開關(guān)和時間繼電器等元器件制作成3D模型，導出為FBX文件，存入Unity項目文件夾下的Assets文件夾下；打開Unity項目文件，就能看到導入的元器件的3D模型了。這里注意一點，因為Maya軟件的常用單位是厘米，Unity3D軟件的常用單位是米，所以打開Unity導入的FBX文件時，屬性面板中的放大倍數(shù)由1改為100，才能保證導入的3D模型大小不變。

3.1.2 器件布局虛擬實踐模式

按游戲開發(fā)的需要，創(chuàng)建和編寫相應的Script腳本語言，這里主要采用GUI桌面按鈕和JavaScipts腳本語言中的If語句來實現(xiàn)交互動作的控制。點選虛擬實踐臺桌面上的的元器件，參照器件布局提示，通過鍵盤按鍵將器件平移到相應位置附近區(qū)域，器件會自動找到預先設定的位置，完成器件布局。完成器件布局后，控制主攝像機移動，可以進行場景漫游，加深對器件的認識；按動返回按鈕，回到主菜單界面，按動繼續(xù)按鈕，進入下一環(huán)節(jié)。

3.2 電路連接

電路連接包括主電路連線和控制電路連線兩部分，導線的模型和連線最終位置，都是在Maya軟件里制作和設定的。在游戲界面中，通過Unity3D軟件中的Script腳本語言完成人機交互控制，進而實現(xiàn)電路連接的虛擬實踐。

3.2.1 主電路連線

主電路連線就是三相電源由配電箱引出，經(jīng)三相斷路器、交流接觸器主觸點、熱繼電器，最后到電動機線圈的連線，共有5組導線，每組3根導線。

3.2.2 按鈕開關(guān)內(nèi)部連線

自鎖控制線路，用到綠色啟動按鈕和紅色停止按鈕，按鈕內(nèi)部連好導線以后，引出3根導線；后三個線路，按鈕盒里的綠、黑和紅色按鈕都要用到，按鈕內(nèi)部連好線以后引出4根導線。

3.2.3 控制電路連線

控制電路連線，參考電路原理圖，先連接電源線，再連接按鈕引出線，最后連接其它節(jié)點連線。

3.3 電路檢測

電路檢測包括送電前檢測和送電試車兩部分，送電前檢測要顯示萬用表測量到的數(shù)據(jù)，送電檢測要搬動電源開關(guān)、按動按鈕開關(guān)，顯示電機上的風車轉(zhuǎn)動。在電路檢測這一環(huán)節(jié)，游戲界面上設定3個動畫播放按鈕和一個返回按鈕。通過播放主電路檢測、控制電路檢測和送電試車三個動畫來實現(xiàn)虛擬實踐。

4 虛擬實踐平臺的特點和意義

電氣控制訓練虛擬實踐平臺的建設，既彌補了過去電氣控制訓練實踐操作的不足，又更加完善了電氣控制訓練室的數(shù)字化建設。主要有以下幾個特點：

4.1 模塊全方位、次數(shù)無限制

在虛擬實踐平臺建設基礎上，根據(jù)教學需要，不斷完善和更新電子器件的3D虛擬模型，我們就能進行各種實踐模塊的虛擬訓練了；每個模塊，學生還可以反復訓練，直到熟練掌握實踐操作技能。

4.2 訓練場地、訓練時間不限[4]

Unity3D軟件對電腦的配置要求不高，學生只要在電腦上裝有Unity3D軟件，就能隨時隨地的進行電氣控制訓練課程的虛擬實踐了。

4.3 學和玩相融、技能易掌握

在電氣控制訓練虛擬實踐平臺中，通過Unity3D軟件，將訓練項目設置成游戲關(guān)卡，將學習和游戲融為一體，增加學生學習興趣，學生更容易掌握教學大綱要求的實踐技能。

4.4 材料低損耗、設備人身零風險[5]

將實踐訓練的內(nèi)容進行整合，學生經(jīng)過虛擬實踐平臺訓練后，具有了一定的實踐操作技能，這時再進行真正意義的實踐操作，就不會因為誤操作而浪費導線和對設備造成損壞，也避免了因為盲目操作引起的人身觸電事故的發(fā)生，得到事半功倍的效果。

5 結(jié)語

電氣控制訓練虛擬實踐平臺試運行以來，極大的提高了學生的學習興趣，取得了良好的實踐教學效果。由于經(jīng)費和我們掌握虛擬現(xiàn)實技術(shù)水平的限制，目前只開發(fā)了桌面式虛擬實踐平臺，關(guān)于沉浸式和共享式的虛擬實踐平臺，有待今后學習和進一步開發(fā)研究。

參考文獻：

[1]方濤，梅曉榮.淺談VR技術(shù)在機電類專業(yè)中的應用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（9）：165-166.

[2]李靜蓉，倪間龍，陳銳奇，等.基于虛擬現(xiàn)實交互的虛擬鍛造工藝實習系統(tǒng)設計[J].實驗室研究與探索，2017（4）：87-89，102.

[3]馬麗萍.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電工電子教學中的實際應用[J].電子世界，2014（18）：320-321.

[4]陳建軍，辜永紅，韓慶文，等.基于虛擬儀器的實踐教學平臺建設[J].教育教學論壇，2017（21）：180-181.

[5]羅資琴，Unity3D在虛擬機械拆裝中的應用[J].山西冶金，2016（6）：74-76.