基于Unity3D的MTS 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫艷娜， 趙鴻鐸， 孫大權(quán)

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海201804）

0 引 言

材料測(cè)試系統(tǒng)（Material Test System，MTS）是一臺(tái)多功能材料測(cè)試設(shè)備，配有一套完整的試驗(yàn)軟件，可測(cè)試瀝青混凝土和水泥混凝土的各種路用力學(xué)性能。由于儀器價(jià)格昂貴，一般院校難以承受，因此很多高校在鋪面工程和道路工程材料課程教學(xué)中，大多是理論教學(xué)，很難做到理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合［1-3］。

依托政府重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科，學(xué)校道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有國(guó)內(nèi)第一臺(tái)MTS，在理論教學(xué)之后可以安排相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在具體實(shí)踐中也存在一些問題：學(xué)生人數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有限（只有一臺(tái)設(shè)備），只能進(jìn)行分批、分組測(cè)試，很難做到人人都動(dòng)手操作；實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間有限，在短短的實(shí)驗(yàn)課上同學(xué)們只能進(jìn)行最經(jīng)典部分的測(cè)試，對(duì)于實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備、試件的安裝、儀器的調(diào)試等，只能了解，不能實(shí)際操作［4］；MTS功能強(qiáng)大，可對(duì)應(yīng)多種試驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中只能以一種性能測(cè)試為主，其他性能測(cè)試則采用演示方式?？紤]到虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、空間的限制，并且具有不計(jì)成本反復(fù)演練等優(yōu)點(diǎn)，尤其是對(duì)于高成本、高消耗，真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目尤為合適。為提高教學(xué)質(zhì)量、改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，有必要開發(fā)MTS虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 開發(fā)平臺(tái)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一種將軟、硬件結(jié)合到一體的系統(tǒng)，最常用的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，有Virtools、VRP、Unity3D等，這些軟件已經(jīng)將功能模塊化，具有編程量小，開發(fā)效率高等特點(diǎn)。對(duì)比分析幾種軟件的優(yōu)缺點(diǎn)［5-15］（見表1），Unity3D具有畫面質(zhì)量?jī)?yōu)、兼容性好、交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，選擇Unity3D引擎作為虛擬仿真系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)工具。

表1 虛擬現(xiàn)實(shí)軟件功能比較

2 開發(fā)思路

依托學(xué)校交通運(yùn)輸工程學(xué)院上海市實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，擬開發(fā)的MTS虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際混凝土性能實(shí)驗(yàn)密切結(jié)合，包含模量、劈裂、中點(diǎn)加載等夾具，涵蓋了混凝土單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量、單軸壓縮靜態(tài)回彈模量、劈裂、低溫小梁彎曲和疲勞等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

采用MTS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)過程包括：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出3部分。其中實(shí)驗(yàn)操作包含開機(jī)、試件安裝、機(jī)器調(diào)試、試件保溫、參數(shù)設(shè)置、試件測(cè)試、數(shù)據(jù)保存等一系列過程。理論教學(xué)主要講述參數(shù)確定的原理和方法，對(duì)于試件安裝、機(jī)器調(diào)試等實(shí)踐部分較少涉及，正是這部分內(nèi)容關(guān)系到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。為讓學(xué)生更好地參與到實(shí)驗(yàn)中來，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，著力把真實(shí)操作中的各個(gè)細(xì)節(jié)都詳細(xì)展現(xiàn)出來，讓學(xué)生操作完虛擬實(shí)驗(yàn)就了解全部真實(shí)操作。具體思路如圖1所示。

3 功能設(shè)計(jì)

MTS虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備主要是介紹儀器的使用方法，講解實(shí)驗(yàn)原理、目的、意義和步驟，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)規(guī)范濃縮成精華版的簡(jiǎn)易規(guī)范，方便學(xué)生查閱。

圖1 MTS虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)思路

實(shí)驗(yàn)操作包括演示模式和操作模式兩種。在演示模式中，學(xué)生可以觀看完整的實(shí)驗(yàn)操作演示動(dòng)畫，可進(jìn)行“暫停、快進(jìn)、回退”等控制操作。在操作模式中，學(xué)生可通過鼠標(biāo)、鍵盤操作，在場(chǎng)景中任意漫游了解實(shí)驗(yàn)室的布局及設(shè)備情況，也可點(diǎn)擊場(chǎng)景中工具架上的儀器裝備進(jìn)行全方位察看，了解其外觀、構(gòu)造等信息，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作提示進(jìn)行開機(jī)、試件安裝、機(jī)器調(diào)試等虛擬交互仿真操作。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要是實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出。為讓學(xué)生更好地了解測(cè)試數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)分析過程，擬給出原始數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)分析過程。

3.1 開發(fā)流程

（1）采用Unity3D技術(shù)制作MTS實(shí)驗(yàn)與環(huán)境的三維優(yōu)化模型和混凝土仿真實(shí)驗(yàn)的三維演示動(dòng)畫，包括3套夾具（模量、劈裂、中點(diǎn)加載）、混合料試件（圓柱體、梁式）、MTS實(shí)驗(yàn)操作程序、工具箱等。

（2）對(duì)制作的三維優(yōu)化模型和三維演示動(dòng)畫進(jìn)行編輯，實(shí)現(xiàn)MTS相關(guān)儀器、裝備的三維展示功能。制作后的場(chǎng)景應(yīng)可以讓操作者任意漫游，了解實(shí)驗(yàn)室的布局及設(shè)備，可以全方位移動(dòng)、察看儀器外觀、構(gòu)造等信息，操作設(shè)備的任何控制按鈕。

（3）在上述操作的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)MTS實(shí)驗(yàn)的虛擬交互仿真操作，包括對(duì)儀器、試件以及電腦端程序等的操作。

3.2 過程控制

MTS采用完全開放的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生可以進(jìn)行自由操作。這種設(shè)計(jì)可以提高學(xué)生的創(chuàng)新思維，借此虛擬實(shí)驗(yàn)完成一些真實(shí)環(huán)境中比較危險(xiǎn)的操作，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)雖然采用開放的形式，但過程中又設(shè)計(jì)了錯(cuò)誤提示的方式進(jìn)行糾偏，以體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性。MTS實(shí)驗(yàn)測(cè)試較為復(fù)雜，為了引導(dǎo)學(xué)生正確做實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)給出了操作提示，如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，如果操作不當(dāng)，系統(tǒng)會(huì)給予錯(cuò)誤提示，直至選擇正確為止方可進(jìn)行下一步操作。

3.3 成果展示

以瀝青混合料單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量實(shí)驗(yàn)為例，展示系統(tǒng)開發(fā)成果。

圖2 MTS虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的操作提示

（1）系統(tǒng)初始界面。打開實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，初始界面如圖3所示，有演示模式和操作模式2種選擇。界面簡(jiǎn)潔美觀，儀器制作形象逼真，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景可謂是真實(shí)MTS實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景的還原。學(xué)生可以通過鼠標(biāo)、鍵盤操作，漫游于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，了解實(shí)驗(yàn)室的布局及設(shè)備情況。

圖3 MTS虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)初始界面

（2）物體全方位展示。漫步于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，學(xué)生可以對(duì)室內(nèi)左邊陳列柜上的3套夾具和5種瀝青混合料試件進(jìn)行察看，可模擬真實(shí)場(chǎng)景拿起、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作。以劈裂夾具為例，旋轉(zhuǎn)展示如圖4所示。

圖4 劈裂夾具可任意角度旋轉(zhuǎn)

（3）虛擬場(chǎng)景交互實(shí)驗(yàn)操作。MTS虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景交互實(shí)驗(yàn)操作很多，以其中比較典型的操作為例，進(jìn)行展示，如：位移傳感器的安裝，電腦端實(shí)驗(yàn)程序中參數(shù)的設(shè)置等，具體見圖5、6所示。

圖5 位移傳感器的安裝

圖6 電腦端實(shí)驗(yàn)程序中實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置

4 結(jié) 語(yǔ)

MTS虛擬實(shí)驗(yàn)可以在演示模式和操作模式下觀看和操作混凝土實(shí)驗(yàn)，通過這些虛擬仿真，不僅可以學(xué)習(xí)MTS的使用方法和混凝土性能測(cè)試方法，熟悉實(shí)驗(yàn)操作流程，還可以改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。3D沉浸式操作模式可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，便利式操作模式可降低訓(xùn)練成本，交互操作模式可促進(jìn)老師與學(xué)生的教學(xué)互動(dòng)，這對(duì)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作流程的記憶，提高教學(xué)效果，具有重要的意義。經(jīng)過幾批學(xué)生的實(shí)踐，效果良好。