基于Unity 3D的采煤機虛擬培訓系統(tǒng)設計

石 洋 高志廣 郭 爽

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027）

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術是物聯(lián)網的關鍵技術之一，將虛擬現(xiàn)實技術引入采煤機培訓系統(tǒng)，可以直觀地展示產品的參數(shù)規(guī)格、功能特性等信息。同時，采煤機長期處于地下惡劣的工況環(huán)境中，一旦發(fā)生停機故障就會嚴重損害企業(yè)利益。因此，在采煤機無故障運行時，積極展開有針對性地數(shù)字化虛擬培訓尤為重要。

運用Unity 3D技術對采煤機虛擬培訓系統(tǒng)進行開發(fā)，通過設置密碼管理、設備基本信息、結構展示、工作原理、維修保養(yǎng)、平臺拓展等模塊，可以為使用者搭建一個實時交互的虛擬環(huán)境，模擬采煤機在運行過程中的狀態(tài)，從而完成全面了解采煤機以及對企業(yè)員工進行崗前培訓的工作，使員工快速掌握采煤機的相關知識。該文介紹了基于Unity 3D的采煤機虛擬培訓系統(tǒng)的設計流程、結構和功能，分析了該系統(tǒng)的優(yōu)點，對開展有針對性的虛擬培訓具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體方案

采煤機虛擬培訓系統(tǒng)以Unity 3D引擎作為系統(tǒng)開發(fā)平臺，建模工具采用Creo6.0，在Maya中進行分級重組之后，導出FBX格式，然后導入Unity 3D中，完成培訓系統(tǒng)場景設計。Unity 3D是由Unity Technologies 開發(fā)的跨平臺引擎，該軟件具有可視化編程、支持Open GL、支持Direct11以及集成了Phys X3.3物理系統(tǒng)等特點，因此在虛擬現(xiàn)實仿真領域具有廣泛的應用實例。

1.1 系統(tǒng)總體框架

采煤機虛擬培訓系統(tǒng)采用三層軟件架構體系，由顯示模塊、操作模塊以及功能模塊組成，系統(tǒng)架構如圖1所示：1）顯示模塊。搭建采煤機作業(yè)環(huán)境，在Unity 3D平臺中對采煤機的工作部件進行展示和管理。2） 操作模塊。操作模塊實現(xiàn)該培訓系統(tǒng)的密碼設置、GUI界面顯示以及人機交互等功能。3） 功能模塊。功能模塊通過編寫C++腳本來展示采煤機的工作原理以及維修保養(yǎng)要點，還可以對采煤機的工作過程、液壓原理以及重要部件的拆卸與安裝進行動畫仿真。

圖1 系統(tǒng)架構圖

1.2 系統(tǒng)開發(fā)流程

采煤機虛擬培訓系統(tǒng)的硬件環(huán)境為云桌面，處理器為Intel（R） Xeon Gold 6254 CPU @ 3.10GHz，RAM 32G?？梢酝ㄟ^鍵盤、手柄等硬件對采煤機虛擬培訓系統(tǒng)的功能模塊進行操控。該系統(tǒng)的開發(fā)流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

2 軟件系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)該系統(tǒng)維修保養(yǎng)的逼真程度和重要部件拆卸與安裝的功能，需要搭建采煤機的三維模型和虛擬作業(yè)環(huán)境。

2.1 三維建模與場景搭建

為了重現(xiàn)采煤機的作業(yè)現(xiàn)場，根據(jù)采煤機外形尺寸并通過Creo6.0軟件搭建采煤機的模型，考慮到后續(xù)要用Maya軟件及Unity 3D開發(fā)平臺對該模型進行操作，為提高Maya軟件及Unity 3D開發(fā)平臺的工作效率，因此需要簡化建模，減少不必要的零件組裝（例如銘牌等部件）。同時，將機械支撐部分建模成整體，便于后續(xù)處理。經過簡化建模后的采煤機包括左截割部組件、右截割部組件、行走部、過橋組件、機身組件、長滑靴組件、短滑靴組件、銷軸組件、拖纜組件、水系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等部分。其中，電氣系統(tǒng)未建模，而是用EPLAN導出電氣系統(tǒng)原理圖，以二維圖的形式展示后續(xù)Unity 3D開發(fā)平臺中的工作原理界面。采煤機建模完成后需要搭建作業(yè)場景，如圖3所示。將采煤機三維模型導入Maya中進行渲染、分級重組以及格式轉換，將導出后的FBX格式的文件再導入Unity 3D中，在Unity 3D中進行場景搭建，搭建完的場景基本可以還原采煤機的真實工作環(huán)境。

圖3 場景模型

2.2 人機交互設計

Unity 3D支持多種編譯腳本，該系統(tǒng)基于C#語言編寫系統(tǒng)腳本，IDE采用Microsoft Visual Studio 2019。該系統(tǒng)設置了用戶登錄密碼驗證、重要部件結構展示、工作原理仿真、重要部件的拆卸與安裝虛擬動畫展示以及維修保養(yǎng)要點知識等主要界面。這些功能模塊均采用人機交互模式，可人工操縱鼠標對某一項功能進行逐步操作，從而提升使用者的直觀感受。

使用鼠標控制采煤機模型，可以對采煤機模型進行移動、旋轉、縮放和多角度觀察，還可以對采煤機的重要部件的結構、工作原理、重要部件拆卸與安裝以及維修保養(yǎng)方法等內容進行展示、操作，系統(tǒng)地學習采煤機的結構與原理。

用鼠標左鍵按住模型對其進行拖動控制、鼠標滑輪縮放模型、鼠標中鍵按住旋轉模型的部分腳本如下。

if (MoveCam.instance.isRight) {

//獲取目標點坐標。棄用

//x += MoveCam.instance.getTargetPos().x * xSpeed * 0.002f;

//y -=MoveCam.instance.getTargetPos().y * ySpeed * 0.002f;

x += getTargetPos().x * xSpeed * 0.002f;

y -= getTargetPos().y * ySpeed * 0.002f;

} else {

x += Input.GetAxis("Mouse X") * xSpeed * 0.02f;

y -= Input.GetAxis("Mouse Y") * ySpeed * 0.02f;

}

x = ClampAngle(x， xMinLimit， xMaxLimit);

y = ClampAngle(y， yMinLimit， yMaxLimit);

//print(Input.GetAxis("Mouse X"));

//print( Input.GetAxis("Mouse Y"));

//print(x);

//print(y);

}

//if( Input.GetMouseButton(1))

//{

//string str = EventSystem.currentToString().Substring(EventSystem.current.ToString().IndexOf("：")， 32);

//string str2 = str.Substring(str.IndexOf("(") + 1, str.IndexOf(")")- str.IndexOf("(") - 1);

// float xx = float.Parse(str2.Split(',')[0]);

// float yy = float.Parse(str2.Split(',')[1]);

// //distanceY += Input.GetAxis("Mouse Y") * ySpeed *0.002f;

// distanceY += yy * ySpeed * 0.0002f;

// //distanceY = Mathf.Clamp(distanceY, minDistanceY,maxDistanceY);

// //print(Input.GetAxis("Mouse X"));

// //print( Input.GetAxis("Mouse Y"));

// //print(x);

// //print(y);

// }

/*if((Input.mousePosition.x > 0)&&

(Input.mousePosition.x < Screen.width * leftCam.rect.width)&&

(Input.mousePosition.y > Screen.height * leftCam.rect.y)&&

(Screen.height > Input.mousePosition.y))

{*/

//if((Input.mousePosition.x > 0)&&

// (Input.mousePosition.x < Screen.width * leftCam.rect.width)&&

// (Input.mousePosition.y > Screen.height * leftCam.rect.y)&&

// (Screen.height > Input.mousePosition.y))

//{

if (!IsRaycastUI02()) {

distance += Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel") * mSpeed;

distance = Mathf.Clamp(distance, minDistance, maxDistance);

}

//}

Quaternion rotation = Quaternion.Euler(y, x, 0.0f);

Vector3 disVector = new Vector3( 0.0f, 0.0f, -distance );

Vector3 position = rotation * disVector+target.position;

//adjust the camera

if( needDamping )

{

transform.rotation = Quaternion.Lerp(transform.rotation,rotation, Time.deltaTime*damping);

transform.position = Vector3.Lerp(transform.position, position,Time.deltaTime*damping);

}

else

{

transform.rotation = rotation;

transform.position = position;

}

2.3 功能模塊設計

功能模塊主要包括工作原理仿真和維修保養(yǎng)要點2個部分。其中，工作原理仿真模塊重點展現(xiàn)采煤機重要部件的結構、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和水系統(tǒng)的工作原理。液壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)采用真實的管路布置圖，可直觀展現(xiàn)系統(tǒng)工作時的液體流動線路以及驅動零部件的原理，電氣系統(tǒng)則無具體布置圖，僅通過二維原理圖展示電氣原理。維修保養(yǎng)要點模塊展示重要部件結構、拆卸與安裝動畫過程以及維修保養(yǎng)等相關信息。結構展示和拆卸與安裝動畫均可逐級向下拆解，直至不可分解的焊接件，可以直觀地展現(xiàn)采煤機的結構，并還原真實的拆卸與安裝過程。

將經Creo6.0建模后的整機模型導入Maya軟件后，對重要部件進行分類分組管理，不僅避免了過多零件給Unity 3D的層級視圖管理帶來的困難，而且還加快了查找零件的速度，提升了開發(fā)效率。將分類分組后的模型導入采煤機虛擬培訓系統(tǒng)，展示為左截割部、右截割部、左滾筒、右滾筒、長滑靴、短滑靴、行走部、液壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)等部分。截割部等重要部件可以繼續(xù)向下一組成部分逐級分解，直至分解為組成部分。每個重要部件均配有原理展示動畫和功能說明。左截割部的齒輪動力傳動如圖4所示（動力傳輸方向為電機——一軸組件——二軸組件——三軸組件——四軸組件——五軸組件——行星組件，動力傳輸部件用粗線顯示）。

圖4 齒輪動力傳動圖

水系統(tǒng)采用虛擬液流的流動展示水系統(tǒng)的工作原理。外噴霧水路的液流流動圖如圖5所示（外噴霧水路流向為進水口——冷卻器——殼體內部水道——殼體底部水道——噴嘴）。

圖5 外噴霧水路

2.3.2 維修保養(yǎng)模塊

維修保養(yǎng)模塊重點展現(xiàn)重要部件的拆卸與安裝以及保養(yǎng)要點。在模擬拆卸與安裝的過程中，根據(jù)采煤機設計的特點，用動畫形式展示拆卸與安裝過程，可以通過人機交互的操作來控制。Unity 3D的Tween功能包括多種動畫類型。在腳本中設置零部件運動過程中的開始位置坐標和結束位置坐標，可以展現(xiàn)該零件的運動軌跡。通過編寫腳本也可使零件的運動軌跡消失，零部件的拆卸與安裝過程就是通過該功能實現(xiàn)的，在編寫腳本的過程中，需要不斷調整采煤機模型的內部參數(shù)，使模擬效果更加絲滑、真實。

針對行走部的維修保養(yǎng)，導向滑靴和行走輪的拆卸過程如下：拆下行走箱蓋板螺栓，并拆下行走箱蓋板露出軸頭蓋；采用頂絲將軸頭蓋頂出后拆除行走部螺栓和墊圈；利用殼體螺紋和螺釘拆除行走殼體組焊件后取出油封，最后拆除導向滑靴組焊件和銷軌輪。具體拆卸過程如圖6所示。

圖6 導向滑靴和行走輪拆卸過程圖

3 系統(tǒng)整體試驗

采用鼠標和鍵盤對采煤機虛擬培訓系統(tǒng)進行操作控制。使用鍵盤輸入密碼登錄該系統(tǒng)的操作界面。使用鼠標選擇相應功能按鈕觸發(fā)對應功能。

為了驗證該系統(tǒng)是否能滿足采煤機服務人員的培訓要求，邀請100名服務人員對該系統(tǒng)進行測試。通過與100名服務人員的共同測試與交流表明，該系統(tǒng)功能模塊完整，系統(tǒng)響應迅速，動畫過渡絲滑，人機交互性較強。系統(tǒng)測試結果見表1。

表1 系統(tǒng)測試結果

4 結語

該文設計了一種基于Unity 3D的采煤機虛擬培訓系統(tǒng)，以三維模型為載體，采用交互式動畫展示采煤機的重要部件架構。該系統(tǒng)搭載采煤機真實控制面板，用實景化的方式展示了拆卸與安裝過程以及維修保養(yǎng)要點。同時，該系統(tǒng)以三維布管模型為載體，還原真實系統(tǒng)的運行狀態(tài)，展示采煤機整機運動及系統(tǒng)的工作原理。服務人員通過學習該系統(tǒng)可以完整、系統(tǒng)地了解采煤機，從而達到提升服務人員故障維修水平的目的。