Unity3D 碰撞檢測(cè)技術(shù)在電力設(shè)備虛擬裝配中的應(yīng)用

李政峰 王青霞 肖昱鋒

（湖南懷化學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 懷化418008）

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬裝配在產(chǎn)品開發(fā)，實(shí)訓(xùn)教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。虛擬裝配無(wú)需產(chǎn)品或?qū)嶋H物理?xiàng)l件，在實(shí)驗(yàn)的過程中只需要在模型創(chuàng)建的基礎(chǔ)上，對(duì)模型添加動(dòng)畫，在過程中應(yīng)用可視化和數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式，利用相關(guān)軟件來(lái)輔助與裝配相關(guān)的工作過程[1]。在基于Unity3D 電力設(shè)備的虛擬裝配中，對(duì)多模型的裝配涉及到的碰撞是裝配中的一種重要問題。Unity3D 開發(fā)平臺(tái)提供碰撞體添加功能，用戶可以給設(shè)計(jì)好的模型添加相應(yīng)的碰撞體，確定碰撞檢測(cè)區(qū)域，當(dāng)觸發(fā)器碰到碰撞體后觸發(fā)制定的轉(zhuǎn)配操作[2]。

1 Unity3D 碰撞檢測(cè)技術(shù)分析

虛擬裝配中，不同的物理模型在裝配的過程中需要碰撞檢測(cè)技術(shù)的支持。在模型確定的基礎(chǔ)上，給三維模型添加相應(yīng)的碰撞體，可以實(shí)現(xiàn)碰撞的監(jiān)測(cè)。Unity3D 碰撞檢測(cè)的算法主要有以下兩種包圍盒算法：

（1）AABB 包圍盒：AABB 包圍盒是平行于坐標(biāo)軸的最小六面體，故描述一個(gè)AABB，僅需六個(gè)標(biāo)量。AABB 構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)空間小，但緊密性差，尤其對(duì)不規(guī)則幾何形體，冗余空間很大，當(dāng)對(duì)象旋轉(zhuǎn)時(shí)，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)。Unity 里面有一個(gè)Bounds 類，里面采用的就是AABB 包圍盒。

（2）OBB 包圍盒：OBB 包圍盒是包含該對(duì)象且相對(duì)于坐標(biāo)軸方向任意的最小的長(zhǎng)方體。OBB 最大特點(diǎn)是它的方向的任意性，這使得它可以根據(jù)被包圍對(duì)象的形狀特點(diǎn)盡可能緊密的包圍對(duì)象，但同時(shí)也使得它的相交測(cè)試變得復(fù)雜。在Unity 里面，Boxcollider 可以隨著物體的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，屬于OBB 包圍盒。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用的是OBB 包圍盒。

在unity3d 中，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)給每個(gè)場(chǎng)景中的對(duì)象添加一個(gè)碰撞組件，能檢測(cè)碰撞發(fā)生的方式有兩種，一種是利用碰撞器，另一種是觸發(fā)器：碰撞器是一群組件，包括很多種類，如Box Collider，Sphere Collider，Capsule Collider，Mesh Collider，Wheel Collider 等，相關(guān)碰撞器可以應(yīng)用到不同場(chǎng)合，只需要加載到需要碰撞檢測(cè)的對(duì)象即可，具體類型有Static Collider、Rigidbody Collider、Kinematic Rigidbody Collider、Character Controllers 四種類型選擇；觸發(fā)器在使用的過程中，只需要在unity3d 中的檢視面板中打開配置器組件的Is Trigger 選項(xiàng)即可。兩種檢測(cè)語(yǔ)句區(qū)別如下：

MonoBehaviour.OnTriggerEnter（Collider other）當(dāng)進(jìn)入觸發(fā)器

MonoBehaviour.OnTriggerExit（Collider other）當(dāng)退出觸發(fā)器

MonoBehaviour.OnTriggerStay（Collider other）當(dāng)逗留觸發(fā)器

MonoBehaviour.OnCollisionEnter（Collision collisionInfo）當(dāng) 進(jìn)入碰撞器

MonoBehaviour.OnCollisionExit（Collision collisionInfo）當(dāng)退出碰撞器

MonoBehaviour.OnCollisionStay（Collision collisionInfo）當(dāng) 逗留碰撞器

碰撞器根據(jù)物理引擎引發(fā)碰撞，產(chǎn)生碰撞的效果；觸發(fā)器被物理引擎所忽略，沒有碰撞效果。

2 虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

虛擬裝配是根據(jù)設(shè)計(jì)的模型特征、精度特征，真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配工程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維裝配過程[3]，系統(tǒng)以用戶自主裝配的方式進(jìn)行，操作者自主拾取部件并將其裝配到指定的位置完成模型的裝配。在虛擬裝配設(shè)計(jì)中，選擇的是基于電動(dòng)機(jī)的虛擬裝配實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。首選進(jìn)行電機(jī)設(shè)備的型號(hào)選擇，按照尺寸比例得到具體的數(shù)據(jù)；接著進(jìn)行設(shè)備的虛擬建模，建模主要采用CAD，3DMAX，PHOTOSHOP 完成（基本的建模思路是利用CAD 得到零部件路徑圖，導(dǎo)入3DMAX創(chuàng)建模型、ps 貼圖等操作）；最后在unity3d 中創(chuàng)建場(chǎng)景，導(dǎo)入模型，按照裝配的需求對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制（碰撞檢測(cè)的具體實(shí)現(xiàn)），完成后按要求輸出打包為不同的格式，整個(gè)設(shè)計(jì)流程如圖1。

圖1 裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

3 虛擬裝配系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 虛擬模型的準(zhǔn)備

電力設(shè)備的相關(guān)模型可以基于CAD 工程圖紙獲得具體的參數(shù)，在3DMAX 中根據(jù)倒入的路徑文件通過擠出，車削，倒角等功能完成相關(guān)模型的準(zhǔn)備；在模型創(chuàng)建的基礎(chǔ)上，利用3DMAX 自帶的標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)給對(duì)象進(jìn)行貼圖（貼圖主要應(yīng)用Photoshop 處理）和渲染；最后根據(jù)裝配的需求對(duì)相關(guān)的模型完成裝配動(dòng)畫的設(shè)計(jì)。在模型準(zhǔn)備中需要注意的問題：

（1）因?yàn)閁nity3D 與3DMAX 的單位存在100：1 的現(xiàn)象，在3DMAX 中設(shè)置的單位采用厘米。

（2）相關(guān)模型動(dòng)畫設(shè)計(jì)過程中按照裝配順序進(jìn)行零件的裝配。裝配好的動(dòng)畫對(duì)象導(dǎo)出為FBX 文件，導(dǎo)出路徑為事先創(chuàng)建好的Unity3D 工程文件的資源文件夾。

3.2 虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)

打開事先建立的Unity3D 工程文件，3DMAX 導(dǎo)出的文件（三維模型、模型貼圖、動(dòng)畫文件等）已經(jīng)自動(dòng)存放在Unity3D 的資源文件夾Assets 中。

場(chǎng)景設(shè)計(jì)：根據(jù)組裝的場(chǎng)景需求，應(yīng)用工具中的立方體創(chuàng)建出三面墻，打上燈光并對(duì)燈光參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證場(chǎng)景的亮度。導(dǎo)入對(duì)象體到虛擬場(chǎng)景中，并對(duì)電動(dòng)機(jī)三維模型進(jìn)行縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、顯示、隱藏等屬性的設(shè)置。

3.3 虛擬場(chǎng)景中對(duì)象碰撞檢測(cè)的應(yīng)用

應(yīng)用Unity3D 開發(fā)平臺(tái)提供的碰撞體添加功能，可以給選定的模型添加相應(yīng)的碰撞體，同時(shí)可以劃定碰撞區(qū)域，當(dāng)觸發(fā)器碰到碰撞體后就觸發(fā)指定的操作。在設(shè)計(jì)中，給虛擬裝配的三維模型添加盒碰撞屬性，對(duì)于外形簡(jiǎn)單的零部件模型，直接添加一個(gè)包圍盒就能實(shí)現(xiàn)精確度較高的碰撞觸發(fā)區(qū)域，如果是復(fù)雜的零部件，可以把模型進(jìn)行物理分解，給模型添加多個(gè)碰撞體來(lái)提高識(shí)別的精度。在添加包圍盒的基礎(chǔ)上，為了增加控制的精度，可以通過調(diào)節(jié)包圍盒的位置和大小以提高碰撞包圍盒與實(shí)際模型形狀特征的重合度。

裝配過程通過編寫JAVA 腳本實(shí)現(xiàn)。具體的設(shè)計(jì)思路是按照裝配的步驟選定一個(gè)模型作為要裝配的部件，另外一個(gè)模型以不同的顏色顯示作為裝配位置的標(biāo)志物，還有一個(gè)為最終轉(zhuǎn)配好的完整模型。使用者通過單擊按鈕控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的對(duì)象和標(biāo)志位置的有顏色部件發(fā)生碰撞時(shí)，銷毀拾取零件和有色部件，顯示已經(jīng)轉(zhuǎn)配好的完整部件，同時(shí)顯示下一個(gè)進(jìn)行裝配的零部件的位置[4]。按設(shè)定好的裝配順序完成電機(jī)的裝配。

具體的實(shí)現(xiàn)過程：在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，主要需要解決的問題是通過按鈕單擊響應(yīng)相應(yīng)的動(dòng)畫播放，動(dòng)畫對(duì)象和設(shè)定的對(duì)象發(fā)生碰撞，給出提示信息完成模型部件的組裝。對(duì)象運(yùn)動(dòng)通過動(dòng)畫控制器Animator 進(jìn)行創(chuàng)建，在動(dòng)畫片段設(shè)置中，需要運(yùn)動(dòng)的對(duì)象的位移要大于給定的參照模型的位移量，保證后面運(yùn)動(dòng)能碰撞到對(duì)象；按鈕通過2D 場(chǎng)景進(jìn)行創(chuàng)建；對(duì)象運(yùn)動(dòng)通過按鈕激活執(zhí)行，在運(yùn)動(dòng)中和預(yù)定的對(duì)象進(jìn)行碰撞后給出提示的信息，部分代碼如下：

系統(tǒng)效果如圖2。

圖2 裝配效果圖

4 應(yīng)用效果分析

在系統(tǒng)運(yùn)行中，為了使裝配系統(tǒng)具有更好的交互性，可以給整個(gè)場(chǎng)景設(shè)置一個(gè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境；在對(duì)象的運(yùn)動(dòng)中可以給對(duì)象進(jìn)行顏色改變或者添加聲音效果；碰撞的方式有多種方案可以選擇，在碰撞設(shè)置中，可以針對(duì)不同的模型進(jìn)行多碰撞體的設(shè)置，同時(shí)在碰撞的基礎(chǔ)上，可以給出一些具有評(píng)價(jià)性的提示，比如音頻、文字提示等。虛擬拆裝設(shè)備可以通過各種模型的控制完成各種部件的拆裝，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)的過程中可以多次重復(fù)使用。