基于Unity3D的撲翼飛行器自主尋路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵偉平，李東洋

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

隨著無(wú)人飛行器在國(guó)內(nèi)外軍事、民生等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，作為無(wú)人飛行器中的重要分支，仿生撲翼飛行器也獲得了深入的研究。相較于微小型固定翼飛行器和旋翼飛行器的不穩(wěn)定性，撲翼飛行器的撲翼結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的氣動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)懸停。在遇到外界干擾或者突發(fā)情況時(shí)，具有更好的穩(wěn)定性、靈活性和機(jī)動(dòng)性[1-3]。

隨著虛擬仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的不斷迭代，虛擬仿真的應(yīng)用范圍從最初的游戲領(lǐng)域發(fā)展到工業(yè)仿真、教學(xué)培訓(xùn)、航空航天等各領(lǐng)域，在軍事領(lǐng)域也有著廣闊的前景，無(wú)論是武器仿真還是模擬訓(xùn)練等方面都有很強(qiáng)的可研究性[4-5]。

Unity3D引擎是現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究使用的主要平臺(tái)，支持大多數(shù)三維建模軟件和C#、Java等多種腳本語(yǔ)言，廣泛應(yīng)用于航天、工業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)、教育、建筑等多個(gè)領(lǐng)域[6-7]。傳統(tǒng)的仿真軟件只能從數(shù)據(jù)方面呈現(xiàn)設(shè)計(jì)效果，而虛擬現(xiàn)實(shí)可以更直觀地感受設(shè)計(jì)成果。通過(guò)Unity3D引擎中的NavMesh功能，配合編寫(xiě)的相關(guān)腳本，實(shí)現(xiàn)撲翼飛行器的自主尋路的虛擬仿真。

1 模型和場(chǎng)景構(gòu)建

1.1 撲翼飛行器的繪制和處理

選擇UG進(jìn)行撲80翼飛行器的三維建模，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)完成撲翼飛行器的模型制作。將模型導(dǎo)入還原度和精細(xì)度更好的3DMAX中做進(jìn)一步處理，拆分分類(lèi)，對(duì)坐標(biāo)軸等進(jìn)行修改，以便在Unity3D中使用，進(jìn)行貼圖后導(dǎo)出FBX格式，導(dǎo)入到Unity3D，根據(jù)需要對(duì)模型部件進(jìn)行父子關(guān)系以及屬性的設(shè)置，完成撲翼飛行器的準(zhǔn)備工作。

1.2 場(chǎng)景搭建

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇設(shè)計(jì)場(chǎng)景，以街道為主要地形，建筑群作為尋路時(shí)的避障物體。將做好的街道模型和需要的紋理及貼圖導(dǎo)入到Unity3D引擎。根據(jù)街道的形式依次把紋理貼圖按照順序置于地形上，通過(guò)紋理貼圖的使用，劃出馬路、公路等區(qū)域，處理后的地表模型如圖1所示。

圖1 處理后的地表模型

將3DMAX做好的建筑物模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，將建筑物組合分區(qū)填入城市，通過(guò)建筑物的分割和街道的連接使場(chǎng)景初步具備一個(gè)現(xiàn)實(shí)的城市樣貌。制作一些搭配場(chǎng)景風(fēng)格的裝飾物導(dǎo)入場(chǎng)景，使城市場(chǎng)景看起來(lái)更加真實(shí)，如花壇、路邊長(zhǎng)椅、路燈、告示牌、噴泉和垃圾桶等。

完成場(chǎng)景內(nèi)部對(duì)象的外觀和形狀后，對(duì)場(chǎng)景中的環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，主要包括天空盒和光照系統(tǒng)兩部分。天空盒是Unity3D引擎中對(duì)環(huán)境進(jìn)行渲染的重要組件，由六個(gè)面構(gòu)成，像盒子一樣將場(chǎng)景囊括其中，天空盒可以增加場(chǎng)景的真實(shí)感，并且對(duì)硬件的負(fù)載也較小。將貼圖填入U(xiǎn)nity3D的Skybox(天空盒)組件，把組件應(yīng)用到場(chǎng)景攝像機(jī)上。光源是配合天空盒的重要組成部分，使場(chǎng)景更具真實(shí)感。Unity3D中的光源主要有四種：點(diǎn)光源、平行光、聚光燈和區(qū)域光。使用平行光光源搭配陰影效果達(dá)到模擬真實(shí)太陽(yáng)光的照射情況，路燈上可添加點(diǎn)光源，場(chǎng)景最終效果如圖2所示。

圖2 場(chǎng)景最終效果

2 自主尋路方法及原理

2.1 尋路方法的選擇

目前尋路方法眾多，各有優(yōu)劣，常用的主流算法有A*算法、NavMesh算法[8-9]。

A*算法是一種傳統(tǒng)的智能尋路算法，是使用最廣泛的尋路算法之一[10]，但在Unity3D內(nèi)有尋路組件NavMeshAgent，無(wú)論是腳本編寫(xiě)方面或是設(shè)定網(wǎng)格和烘焙地形方面，NavMesh算法的便捷性均優(yōu)于A*算法。在算法的效率問(wèn)題上，在這種非大型場(chǎng)景中，NavMesh算法的效率也更高，因此選擇NavMesh算法作為本次實(shí)驗(yàn)的尋路算法。

2.2 NavMesh算法原理

NavMesh算法分為Recast算法和Detour算法兩部分。Recast算法是NavMesh的核心，將地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化和抽象處理，使其變成可用于尋路的網(wǎng)格模型，生成可導(dǎo)航地圖，將地圖導(dǎo)入Detour算法，Detour算法再基于導(dǎo)航網(wǎng)格進(jìn)行路徑規(guī)劃。

Recast算法首先將原地圖網(wǎng)格光柵化，形成一個(gè)高度場(chǎng)。進(jìn)一步定義可通過(guò)部分，將這些部分劃分為連續(xù)的地區(qū)，同時(shí)剔除不可通過(guò)的部分。再將劃分好的可通過(guò)地區(qū)轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的多邊形，然后進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化邊界和相近多邊形的邊緣，變成更利于尋路的凸多邊形。將凸多邊形網(wǎng)格三角化，并對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，完成導(dǎo)航網(wǎng)格。Detour算法基于Recast算法生成導(dǎo)航多邊形網(wǎng)格，通過(guò)算法尋找起止點(diǎn)多邊形，進(jìn)行路徑規(guī)劃。提高了一定的效率，平衡了算法的運(yùn)行效率和路徑的準(zhǔn)確性，因此，NavMesh算法在非大型場(chǎng)景中的表現(xiàn)較為優(yōu)秀。

3 自主尋路的實(shí)現(xiàn)

3.1 NavMesh導(dǎo)航組件

在Unity3D引擎的編輯器中，打開(kāi)Navigation面板，包括4種標(biāo)簽，如圖3所示。

圖3 Navigation面板的4種標(biāo)簽

(1) 代理：設(shè)定導(dǎo)航時(shí)尋路對(duì)象與障礙物的接近程度，尋路對(duì)象可達(dá)到的高度等。

(2) 區(qū)域：對(duì)地圖上的物體進(jìn)行分類(lèi)，用層來(lái)表示，默認(rèn)有三個(gè)，也可自己添加。

(3) 對(duì)象：對(duì)當(dāng)前選擇的場(chǎng)景中的物體進(jìn)行操作，其中Navigation Static判斷此物體是否作為尋路過(guò)程的一部分，所以前面制作的場(chǎng)景地圖和地圖上設(shè)置的障礙物等都要勾選此項(xiàng)。

(4) 烘焙：對(duì)當(dāng)前地圖進(jìn)行烘焙。完成上面幾項(xiàng)的設(shè)置后，點(diǎn)擊烘焙，生成可行走的Navmesh導(dǎo)航區(qū)域，如圖4所示。

圖4 Navmesh導(dǎo)航區(qū)域

為撲翼飛行器添加NavMesh Agent組件，對(duì)尋路對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)置，如必要的速度、角速度、加速度和制動(dòng)距離等，其中制動(dòng)距離表示離障礙多遠(yuǎn)時(shí)開(kāi)始減速。此外，還有對(duì)障礙進(jìn)行躲避時(shí)的半徑、高度等參數(shù)以及尋路的一些設(shè)置。

3.2 編寫(xiě)腳本

Unity3D引擎支持JAVA語(yǔ)言和C#語(yǔ)言進(jìn)行腳本的編寫(xiě)，由于C#語(yǔ)言在Unity3D中使用更方便，所以選擇C#作為編程語(yǔ)言，來(lái)配合Navigation面板和NavMesh Agent組件完成自主尋路。腳本設(shè)計(jì)以鼠標(biāo)點(diǎn)擊位置為尋路的目標(biāo)終點(diǎn)，且在尋路途中再次點(diǎn)擊其他地點(diǎn)，可以隨時(shí)更改目標(biāo)，其部分代碼如下：

NavMeshAgent agent;

private LineRenderer lr;

void Start()

{

agent = GetComponent();

//獲取組件

lr = GetComponent();

InitLine();

}

……

if (Input.GetMouseButtonDown(0))

{

Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay

(Input.mousePosition);

RaycastHit hit;

……

}

為了更好地看到尋路時(shí)的情況，再編寫(xiě)一個(gè)腳本使場(chǎng)景內(nèi)的攝影機(jī)跟隨撲翼飛行器，將腳本搭載在攝影機(jī)上。

3.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

將撲翼飛行器放入搭建好的場(chǎng)景中，添加Navigation面板，設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行烘焙生成導(dǎo)航網(wǎng)格。為撲翼飛行器添加NavMesh Agent組件，設(shè)置各種參數(shù)，將寫(xiě)好的腳本搭載到撲翼飛行器上。

在運(yùn)行場(chǎng)景中點(diǎn)擊無(wú)障礙處作為目標(biāo)點(diǎn)，撲翼飛行器能避開(kāi)障礙物，準(zhǔn)確地進(jìn)行尋路。為方便查看，使用著色小球作為目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，如圖5所示，在撲翼飛行器尋路過(guò)程中點(diǎn)擊其他地點(diǎn)，可做到即時(shí)重新尋路，并且路線準(zhǔn)確。圖6所示為撲翼飛行器尋路時(shí)的飛行姿態(tài)。

圖5 撲翼飛行器到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)

圖6 撲翼飛行器尋路時(shí)的飛行姿態(tài)

4 結(jié)束語(yǔ)

基于Unity3D引擎，研究撲翼飛行器的自主尋路，建立相關(guān)模型并且進(jìn)行處理。搭建適于實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景地圖，選擇NavMesh算法作為尋路算法，配合Unity3D內(nèi)組件的使用，大大簡(jiǎn)化了腳本的編寫(xiě)，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊進(jìn)行自主尋路并隨時(shí)更換目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了撲翼飛行器自主尋路的虛擬仿真。

由于Unity3D引擎的可視化，打破了傳統(tǒng)仿真只能用數(shù)據(jù)表現(xiàn)的單一形式，實(shí)時(shí)可見(jiàn)撲翼飛行器的狀態(tài)和尋路過(guò)程。Unity3D引擎作為專(zhuān)業(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，暫時(shí)還無(wú)法與外部的飛行器系統(tǒng)對(duì)接輸出。隨著Unity3D在各場(chǎng)景應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，不僅會(huì)有更完善的尋路方法，也會(huì)與外部系統(tǒng)有良好的配合應(yīng)用。