基于Unity3D的多旋翼飛行器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬忠麗，吳麗麗，李嘉迪，曾玥涵，趙俊楠

成都信息工程大學(xué) 控制工程學(xué)院，四川 成都 610225

在越來越多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的基于Unity3D(U3D)開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)為學(xué)習(xí)者提供了豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境和條件。Wang等[1]提出U3D在虛擬仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等方面具有廣泛應(yīng)用的價(jià)值。Wang等[2]設(shè)計(jì)了基于Unity3D的飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)虛擬裝配仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了虛擬裝配和模擬飛機(jī)控制系統(tǒng)等，降低了學(xué)習(xí)成本。楊鑫科等[3]設(shè)計(jì)的基于Unity3D的虛擬反恐排爆機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了反恐排爆機(jī)器人結(jié)構(gòu)認(rèn)知、裝配操作和運(yùn)動(dòng)控制等功能，有較好的沉浸性與交互性。從較早機(jī)電時(shí)代開始，飛行器模擬器就被運(yùn)用到飛行員的飛行訓(xùn)練中。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展，模擬飛行訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了接近真實(shí)系統(tǒng)的模擬效果[4]。模擬系統(tǒng)一般利用計(jì)算機(jī)渲染與物理運(yùn)算技術(shù)，生成逼真、動(dòng)態(tài)的可交互虛擬訓(xùn)練環(huán)境，模擬飛行器實(shí)際運(yùn)動(dòng)飛行狀態(tài)，再結(jié)合用戶操作行為，使用戶沉浸到虛擬環(huán)境中[5]。目前，飛行器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)無人機(jī)灌溉操作訓(xùn)練[6]、電力電線無人機(jī)巡檢操作訓(xùn)練[7]和軍事士兵無人機(jī)探測的先行操作訓(xùn)練等領(lǐng)域上[8]。針對多旋翼飛行器愛好者前期飛行操控訓(xùn)練要求，本文設(shè)計(jì)了基于U3D的多旋翼飛行器飛行訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，采用Solidworks制作多種類多旋翼飛行器模型，經(jīng)CINEMA 4D渲染后導(dǎo)入U(xiǎn)3D，通過運(yùn)動(dòng)場景虛擬、物理系統(tǒng)模擬、運(yùn)動(dòng)控制仿真和外部輸入設(shè)備操控，實(shí)現(xiàn)了多旋翼飛行器飛行訓(xùn)練沉浸式體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及設(shè)計(jì)流程

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)由仿真軟件端和操作硬件端2部分組成，軟件端包含技能訓(xùn)練、挑戰(zhàn)訓(xùn)練和考級訓(xùn)練3種模式，每種模式都由虛擬運(yùn)動(dòng)場景、模擬物理系統(tǒng)和仿真運(yùn)動(dòng)控制3大功能要素構(gòu)成；操作硬件端包括鍵盤操作和遙控器2種外部輸入方式。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 多旋翼飛行器飛行訓(xùn)練仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.1.1 3種訓(xùn)練模式

技能訓(xùn)練：針對飛行器初學(xué)者設(shè)定，目的是使多旋翼飛行器操作者熟悉環(huán)境信息，訓(xùn)練飛行器用遙控器或鍵盤操作的操作飛行技巧，用戶可以在場景中任意飛行，沒有任何飛行路線和考核要求。

挑戰(zhàn)訓(xùn)練：針對飛行器有一定經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)者，目的是通過逐級訓(xùn)練使操作者熟練掌握飛行器操作飛行技巧，此模式以關(guān)卡形式為用戶提供訓(xùn)練。

考級訓(xùn)練：針對有飛手考級需求的多旋翼飛行器操作者，目的是模擬考級飛行路線要求，使多旋翼飛行器操作者熟悉飛行器考級流程，并熟練掌握考核要求的操作技巧。

1.1.2 三大功能要素

虛擬運(yùn)動(dòng)場景：作用是虛擬飛行運(yùn)動(dòng)場景，場景按訓(xùn)練難度等級設(shè)置，難度越高設(shè)置的障礙物越多、越復(fù)雜，用來幫助操作者練習(xí)飛行操作技巧、提高操作水平。

模擬物理系統(tǒng)：作用是虛擬操作多旋翼無人機(jī)，完成無人機(jī)與周圍環(huán)境(如樹木、建筑物和地表等)障礙物的碰撞等行為的物理交互，給予用戶最真實(shí)的操作反饋，增加訓(xùn)練趣味性[9]。

仿真運(yùn)動(dòng)控制：作用是模擬多旋翼無人機(jī)的飛行動(dòng)作，包括起降、俯仰、橫滾、偏航和懸停等，給予用戶操控沉浸體驗(yàn)感，提高訓(xùn)練效果[10]。

1.1.3 2種操控方式

多旋翼飛行器操控包括鍵盤和遙控器2種形式：鍵盤方式是采用臺(tái)式或筆記本電腦的鍵盤完成的；遙控器方式可以采用多旋翼飛行器專門配置的遙控器，也可以采用游戲用手柄；具體操作方式的選擇可以通過U3D軟件進(jìn)行設(shè)置。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

2 模型制作和虛擬運(yùn)動(dòng)場景設(shè)計(jì)

2.1 多旋翼飛行器三維模型制作

主流多旋翼無人機(jī)可分為四旋翼、六旋翼、八旋翼3類，它們結(jié)構(gòu)相似，都是將多旋翼對稱地安裝在機(jī)架四周，且處于同一高度平面[11]。系統(tǒng)采用Solidworks制作了微型四旋翼、四旋翼、八旋翼3類wrl格式的模型，如圖3所示。

圖3 多旋翼飛行器物理模型

然后將wrl格式模型導(dǎo)入CINEMA 4D中進(jìn)行渲染并生成fbx格式文件，最后導(dǎo)入U(xiǎn)3D中。

2.2 虛擬運(yùn)動(dòng)場景設(shè)計(jì)

虛擬運(yùn)動(dòng)場景的設(shè)計(jì)借助U3D引擎的地形系統(tǒng)，自定義地形地貌，再使用光照系統(tǒng)提供真實(shí)的光照效果，最后配以各種三維立體模型，如樹木、石塊和房屋建筑等，搭建出完整的訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)場景[12]。

2.2.1 地形地貌場景的虛擬實(shí)現(xiàn)

使用U3D內(nèi)置地形系統(tǒng)Terrain繪制飛行訓(xùn)練場地地形，包括地形的面積、高度和起伏等。地形紋理采用紋理貼圖和法線貼圖2種模式，既使場景物體表面看上去凹凸不平更為真實(shí)，又能表現(xiàn)場景地形地質(zhì)，如草地、泥地和沙地等特征。上述功能實(shí)現(xiàn)主要使用Terrain中的“Paint Terrain”工具。如，將繪制植被的三維模型分別拖入“Trees”和“Detail”中，選擇Terrain的“Paint Trees”可以繪制樹木，選擇“Paint Detail”可以繪制花草。

2.2.2 天空盒和光影場景的虛擬實(shí)現(xiàn)

天空盒是光照系統(tǒng)(Lighting)中的一個(gè)屬性，是全景視圖，通常在場景中最后被渲染，并且旋轉(zhuǎn)以匹配相機(jī)(Camera)的當(dāng)前方向。在U3D中，默認(rèn)用平行光光源模擬現(xiàn)實(shí)世界中太陽，給場景帶來真實(shí)光影效果。在光照系統(tǒng)中添加完天空盒之后，會(huì)帶來微弱的光影效果，如晴天、陰天和黃昏等。根據(jù)多旋翼飛行器飛行訓(xùn)練要求，繪制了海島沼澤地、電力巡檢和室內(nèi)空間3類場景及其光影效果，如圖4所示。

圖4 地形地貌場景繪制和天空光影實(shí)現(xiàn)

2.3 3種訓(xùn)練模式的虛擬場景測試

根據(jù)需求設(shè)計(jì)了技能訓(xùn)練、挑戰(zhàn)訓(xùn)練和考級訓(xùn)練3種訓(xùn)練模式的虛擬運(yùn)動(dòng)場景。

技能訓(xùn)練包括自由飛行、電力巡檢和室內(nèi)飛行3種作業(yè)模式，提供沼澤地、室外電力巡線和室內(nèi)空間3種訓(xùn)練場景，如圖5所示。虛擬飛行效果如圖5(a)所示。

挑戰(zhàn)訓(xùn)練設(shè)計(jì)了關(guān)卡性質(zhì)的場景，包含4個(gè)關(guān)卡，各包含4種飛行路線：“8”字環(huán)繞、“Z”字上升、山地起伏和螺旋上升，只有正確完成上一關(guān)卡才能進(jìn)入到下一關(guān)卡，效果如圖5(b)所示。

考級訓(xùn)練為用戶提供多旋翼無人機(jī)飛行技巧等級考試要求的8種飛行訓(xùn)練路線(垂直升降、懸停、自旋、垂直三角和機(jī)頭向外盤旋等)，用戶可參考等級考試路線圖進(jìn)行飛行訓(xùn)練，效果如圖5(c)所示。

圖5 多旋翼飛行器虛擬運(yùn)動(dòng)場景虛擬測試圖

3 物理系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制的模擬實(shí)現(xiàn)

3.1 多旋翼飛行器物理系統(tǒng)的模擬實(shí)現(xiàn)

無人機(jī)與周圍環(huán)境的物理交互是通過物理檢測實(shí)現(xiàn)的，在U3D中使用內(nèi)置Physx物理引擎來完成。Physx是目前使用最為廣泛的物理引擎，可以通過此引擎高效、逼真地模擬剛體碰撞、車輛駕駛、布料和重力等物理效果，使畫面更加真實(shí)生動(dòng)。

3.1.1 重力與慣性的模擬實(shí)現(xiàn)

重力和慣性的模擬通過添加U3D引擎中最基礎(chǔ)、最重要組件——?jiǎng)傮w(Rigidbody)組件實(shí)現(xiàn)。添加剛體組件后會(huì)默認(rèn)使用重力，并進(jìn)行重力計(jì)算，實(shí)現(xiàn)重力模擬；物理系統(tǒng)添加剛體組件后可以依據(jù)剛體的質(zhì)量(Mass)和空氣阻力(Drag)計(jì)算出剛體的速度衰減，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)慣性模擬。

3.1.2 物體碰撞和邊界檢測的模擬實(shí)現(xiàn)

在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，有地形和其他物體2類碰撞器。地形在創(chuàng)建時(shí)會(huì)自動(dòng)添加TerrainCollider(地形碰撞器)，其他物體則需根據(jù)各自形狀和大小，手動(dòng)添加相應(yīng)類型的碰撞器，如BoxCollider(盒子碰撞器)、SphereCollider(球形碰撞器)等。添加完碰撞器后，通過設(shè)置碰撞器的屬性IsTrigger(觸發(fā)器)決定2個(gè)物體是否產(chǎn)生碰撞。對于形狀復(fù)雜的物體，可以同時(shí)掛載多個(gè)碰撞器，然后拼裝成需要的形狀。設(shè)置完碰撞器后，即可在腳本中對碰撞進(jìn)行檢測，方法為OnCollisionOnEnter()(碰撞檢測)，當(dāng)無人機(jī)與物體碰撞時(shí)U3D會(huì)自動(dòng)調(diào)用此方法[13]。

邊界檢測主要用來限定飛行，控制范圍。邊界檢測的方法是：在訓(xùn)練場地四周邊緣處，一定高度的天空以及水面共設(shè)置了6組觸發(fā)器，將訓(xùn)練場地包裹在其中，每組觸發(fā)器由一前一后2個(gè)小觸發(fā)器構(gòu)成，當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入前一個(gè)觸發(fā)器時(shí)，系統(tǒng)會(huì)彈出提示窗口告知用戶即將達(dá)到控制邊界。若繼續(xù)邊界方向飛行，進(jìn)入后一個(gè)觸發(fā)器則判定無人機(jī)墜毀。

設(shè)計(jì)的四旋翼無人機(jī)的碰撞器如圖6(a)所示，復(fù)雜環(huán)形障礙物的碰撞器設(shè)計(jì)如圖6(b)所示，訓(xùn)練場地的邊界觸發(fā)器如圖6(c)所示。

圖6 多旋翼飛行器物體碰撞和邊界檢測的模擬

3.1.3 視角切換的模擬實(shí)現(xiàn)

為使用戶能夠在操控?zé)o人機(jī)時(shí)更好地了解多旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)了第一人稱視角和跟隨式第三人稱視角，兩者可自由切換。

實(shí)現(xiàn)方式是在主攝像機(jī)(MainCamera)外創(chuàng)建2個(gè)虛擬相機(jī)(VirtualCamera)，如圖7(a)所示。一個(gè)放置在無人機(jī)正下方，作為第一人稱；另外一個(gè)放置在無人機(jī)的正后上方，作為跟隨式第三人稱。進(jìn)入訓(xùn)練場景時(shí)，默認(rèn)處于跟隨式第三人稱視角，即只有正后上方虛擬相機(jī)被激活；用戶可以利用鍵盤“V”鍵或者手柄“RB”右肩鍵，調(diào)用SetActive()(激活設(shè)置)切換視角，即激活正下方虛擬相機(jī)關(guān)閉正后上方虛擬相機(jī)，進(jìn)入第一人稱視角。無人機(jī)第一人稱、跟隨式第三人稱視角如圖7(b)和圖7(c)所示。

圖7 多旋翼飛行器視角切換的模擬

3.2 多旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)控制的仿真實(shí)現(xiàn)

3.2.1 升降和俯仰運(yùn)動(dòng)的仿真

飛行器升降、前后、左右和懸停等運(yùn)動(dòng)通過添加剛體組件(Rigidbody)，然后給剛體施加不同方向和大小的力來實(shí)現(xiàn)。調(diào)用施加力(AddForce())來實(shí)現(xiàn)，力大小不變，方向結(jié)合圖8中的U3D場景的世界坐標(biāo)系，依據(jù)用戶輸入計(jì)算得到。

圖8 世界坐標(biāo)系

U3D會(huì)根據(jù)用戶輸入的方向返回值1或者?1，如前、上、右方向返回值1，后、下、左方向返回值?1。用返回的值乘以基準(zhǔn)移動(dòng)方向，便可以計(jì)算出正確的移動(dòng)方向。

3.2.2 偏航運(yùn)動(dòng)的模擬

在U3D中，任何存在于場景中的物體都帶有一個(gè)變換組件(Transform)，偏航運(yùn)動(dòng)可以通過修改Transform的旋轉(zhuǎn)(Rotation)屬性進(jìn)行模擬。通過U3D接收用戶控制輸入，依據(jù)輸入確定旋轉(zhuǎn)的方向，再調(diào)用Rotate()方法，給定旋轉(zhuǎn)軸(Y軸)、旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度即可。Transform組件屬性檢視面板如圖9所示。

圖9 Transform組件屬性檢視面板

3.2.3 姿態(tài)變化的模擬

無人機(jī)姿態(tài)變化時(shí)要求不改變無人機(jī)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的飛行方向，實(shí)現(xiàn)方法是：在場景中創(chuàng)建當(dāng)前無人機(jī)的父物體，父物體負(fù)責(zé)移動(dòng)，無人機(jī)只負(fù)責(zé)姿態(tài)變化。以俯仰運(yùn)動(dòng)為例，根據(jù)父物體移動(dòng)方向，確定無人機(jī)傾斜的方向，然后調(diào)用Rotate()方法，改變無人機(jī)Transform的rotation屬性，使其朝運(yùn)動(dòng)方向傾斜，體現(xiàn)了無人機(jī)姿態(tài)變化的模擬。四旋翼無人機(jī)右飛、前飛時(shí)姿態(tài)變化如圖10所示。

圖10 四旋翼無人機(jī)右飛和前飛時(shí)姿態(tài)變化

4 外部輸入與人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn)

4.1 外部輸入設(shè)備的設(shè)置

用戶可通過鍵盤鼠標(biāo)或遙控器(手柄)2種外設(shè)控制器傳入控制信號(hào)。在U3D的項(xiàng)目設(shè)置(Project Setting)界面選擇輸入(Input)配置，將每個(gè)軸與外設(shè)鍵位配對，U3D會(huì)自動(dòng)接收外設(shè)對應(yīng)按鍵的輸入，并轉(zhuǎn)換為?1到1的值，通過獲取軸信息方法(Input.GetAxis())獲取到該值，然后用到飛行器的控制中。遙控器和鍵盤外設(shè)輸入設(shè)備控制方式如圖11所示。以鍵盤為例：同時(shí)按下“Q+R”表示解鎖飛行器，按下“W、S、A、D”分別表示飛行器前進(jìn)、后退、左飛、右飛，按下“上、下、左、右”箭頭分別表示飛行器加油、減油、左偏航、右偏航。

圖11 外設(shè)輸入設(shè)備的設(shè)置與控制

4.2 人機(jī)交互界面的實(shí)現(xiàn)

交互界面使用U3D提供的UI制作組件UGUI實(shí)現(xiàn)，可以連接系統(tǒng)的不同場景、提供用戶可視化的系統(tǒng)設(shè)置界面、提供用戶訓(xùn)練信息提示界面。界面之間的交互邏輯，即界面切換，由C#腳本代碼控制。交互界面如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)人機(jī)交互界面

4.3 其他輔助功能的實(shí)現(xiàn)

4.3.1 動(dòng)畫功能

該功能主要用來向初學(xué)者展示飛行器運(yùn)動(dòng)過程，使用U3D的動(dòng)畫控制器(Animator)完成。使用Animation組件錄制旋翼旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵幀動(dòng)畫片段，保存為動(dòng)畫片段。添加Animator組件為其創(chuàng)建并分配動(dòng)畫控制器，再將動(dòng)畫片段拖入控制器中，便完成了動(dòng)畫制作，進(jìn)入場景后會(huì)自動(dòng)循環(huán)播放。

4.3.2 音效功能

多旋翼飛行器在飛行過程中主要的聲音來源是旋翼高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的尖嘯聲。U3D內(nèi)置音源(AudioSource)組件，將其掛載在對象上，分配一個(gè)音頻片段，即可播放該音頻。對象獲得音源組件后，設(shè)置播放模式為循環(huán)(Loop)，播放間為開始時(shí)播放(PlayOnAwake)，進(jìn)入場景時(shí)Unity3D便會(huì)自動(dòng)播放該音頻。

5 系統(tǒng)總體功能測試

將開發(fā)完成的系統(tǒng)打包封裝后，在64位Windows10和32位Windows7操作系統(tǒng)上分別進(jìn)行了安裝測試，八旋翼飛行器在電力巡檢場景運(yùn)行效果如圖13所示。

圖13 電力巡檢場景飛行訓(xùn)練實(shí)際運(yùn)行效果

測試運(yùn)行效果表明，設(shè)計(jì)的多旋翼飛行器模擬飛行訓(xùn)練系統(tǒng)能高度還原，并模擬多種旋翼飛行器在多樣作業(yè)環(huán)境，操作仿真性強(qiáng)，可以作為多旋翼飛行器愛好者日常飛行訓(xùn)練使用。

6 結(jié)論

本文針對多旋翼飛行器初學(xué)愛好者的不同階段訓(xùn)練要求，基于U3D技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了多旋翼飛行器模擬飛行訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，測試運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)安裝簡單、運(yùn)行速度流暢、界面操作友好，模擬效果逼真，可以作為多旋翼飛行器操作訓(xùn)練輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)推廣使用。后續(xù)需要進(jìn)一步完善系統(tǒng)如下功能：在重力、慣性和飛行姿態(tài)等方面加以優(yōu)化，使飛行運(yùn)動(dòng)仿真更加自然；增加外部風(fēng)力干擾下，飛行器飛行姿態(tài)變化的模擬[14]。