Unity3D技術在電氣工程實訓教學中的應用

劉安平，邵文冕，苑鵬濤，杜林娟，梁志強

（黑龍江科技大學 工程訓練與基礎實驗中心，黑龍江 哈爾濱）

一 虛擬現(xiàn)實技術

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

（一） 虛擬現(xiàn)實技術應用

虛擬現(xiàn)實技術在教育、軍事、工業(yè)制造、醫(yī)療等眾多領域的廣泛應用，能夠為行業(yè)發(fā)展提供切實可行的研究方案。特別是在高校實踐教學中，利用虛擬現(xiàn)實技術，模擬實踐教學內容的真實場景，為學生定制類真實的實踐環(huán)境，這為高校實踐教學的開展提供了新的途徑[1]。

（二） 虛擬現(xiàn)實技術應用軟件

VR技術用到的軟件主要有：3D模型制作軟件、圖片處理軟件、虛擬現(xiàn)實游戲開發(fā)引擎和編程語言等。3D模型制作軟件，如 3D Max、Maya等，用于構建虛擬世界的三維模型；圖像處理工具，如Photo Shop、Core Draw 等，用于制作材質、紋理、光照貼圖。虛擬現(xiàn)實游戲開發(fā)引擎提供了虛擬場景的快速組織、管理、發(fā)布平臺和可視化控制界面，用于場景渲染，物理模擬，特效制作，UI界面設計等，常用的虛擬現(xiàn)實游戲開發(fā)引擎有Unity3D、Unreal Engine等。編程語言是專門為VR應用程序編寫腳本實現(xiàn)交互控制的開發(fā)語言，如JavaScript、C#等[2]。

二 電氣工程實訓課程內容

電氣工程實訓課程是我校大文科專業(yè)和工科非電專業(yè)學生的必修課程，按專業(yè)不同，分成電工技能訓練和電氣控制訓練兩門課程。

（一） 電工技能訓練

電工技能訓練課程內容是照明電路安裝實踐，訓練項目有N地控制一盞燈、三盞燈串并聯(lián)電路和兩盞燈串并聯(lián)電路等，每個訓練項目包括線路連接、電路檢測和送電試燈3個步驟。

（二） 電氣控制訓練

電氣控制訓練課程內容是三相交流異步電動機控制線路安裝實踐，訓練項目有自鎖控制線路、正反轉控制線路、自動往返控制線路和順序控制線路等，每個項目包括線路連接、電路檢測和送電試車3個步驟。

三 電氣工程實訓虛擬實踐平臺

（一） 虛擬實踐平臺研究過程

在使用Unity3D虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎之前，要進行資源采集，包括模型、圖片和聲音等。采用Maya2016軟件進行3D建模，構建電氣工程實訓所需的實踐臺、元器件、導線、工具和儀表等模型；用Photo Shop 來處理模型貼圖文理。將制作好的模型以FBX文件形式導入到Unity3D建立的虛擬世界中，進行動畫制作、動態(tài)交互等功能，通過C#語言編程控制來實現(xiàn)各種狀態(tài)的調用。最后是項目發(fā)布，通過Unity3D游戲開發(fā)引擎，可以將調試好的電氣工程虛擬實踐平臺發(fā)布到電腦Windows平臺上運行，也可以發(fā)布到手機Android平臺上運行[3]。

按學生專業(yè)和課程內容不同，電氣工程虛擬實訓平臺，由電工技能訓練虛擬演示平臺和電氣控制訓練虛擬實踐平臺兩部分組成。

（二） 電工技能訓練虛擬演示平臺

電工技能訓練虛擬演示平臺開始界面見圖1，點擊“1一控一燈”，開始照明電路一個開關控制一盞燈的虛擬實踐。下面以一個開關控制一盞燈為例，對電工技能訓練虛擬演示平臺進行闡述。

（1）線路連接

在線路連接之前，首先要做的是線管穿線，一個開關控制一盞燈的線管穿線演示圖片見圖2，為了顯示直觀，將實踐臺桌面及網(wǎng)板隱藏。

（2）電路檢測

電路檢測界面見圖3，點擊“停電檢測”，會顯示萬用表，點擊“撥動S1”，會顯示正確的測量數(shù)據(jù)；依次點擊“閉合QF1”、“閉合QF2”、“撥動S1”，萬用表隱藏，燈泡能夠發(fā)光，再次點擊“撥動S1”，燈泡熄滅。

（三） 電氣控制訓練虛擬實踐平臺

電氣控制虛擬實踐平臺開始界面見圖4，點擊“1自鎖控制線路”，開始電動機自鎖控制線路的虛擬實踐。下面以自鎖控制線路為例，對電氣控制訓練虛擬實踐平臺加以說明。

（1）線路連接

自鎖控制線路的線路連接界面見圖5，其中①～⑤是主電路接線，⑥～⑧是控制電路接線。點擊“①M Δ”按鈕，電動機Δ形連接的導線就會連接到指定位置；再次點擊，攝像機會移動，聚焦到剛才連接的導線，顯示具體的接線狀態(tài)。

（2）斷電檢測

自鎖控制線路的斷電檢測界面見圖6，點擊“按下KM”，進行主電路檢測；點擊“按下SB1”，進行控制電路檢測。依次點擊按鈕①～③，萬用表表筆依次測量負載開關下端UVW三相之間的電阻值，判斷線路是否連接正確。

（3）送電試車

自鎖控制線路的送電試車界面見圖7，依次點擊“①QF1”、“②QF2”，閉合電源開關和負載開關；點擊“③SB1”，電動機葉輪轉動，點擊“④SB2”，電動機葉輪停止轉動。

四 電氣工程虛擬實踐平臺特點

（一） 形象直觀、方便教學

電氣工程虛擬實踐平臺，可以將在實驗室和課堂里無法真實呈現(xiàn)的、學生不易理解的教學難點，通過虛擬仿真技術展示出來，變抽象為形象，進而完成虛擬實踐；同時還可以運用計算機人工智能對虛擬實踐的教學效果進行分析和評價[4]。

（二） 材料低損耗、人身低危險

利用虛擬現(xiàn)實技術進行電氣工程虛擬實踐，可以在電腦上進行，也可以在手機上上完成。在掌握一定的實踐操作技能之后，再進行真正的電氣工程實訓操作，可以最大限度避免由于誤操作造成的人身傷害和設備損壞，降低教學材料的消耗[5]。

五 結語

電氣工程虛擬實踐平臺在投入實踐教學應用后，取得了很好的教學效果，當然也存在著很多缺點和不足，需要今后不斷改進和提高。同時，因為掌握的虛擬現(xiàn)實技術以及計算機編程水平的限制，目前只開發(fā)了單機版、桌面式的電氣工程虛擬實踐平臺，關于網(wǎng)絡版、沉浸式的電氣工程虛擬實踐平臺，有待今后去開發(fā)研究。