基于Unity3D的汽車檢測(cè)與維修模擬系統(tǒng)的建設(shè)研究

摘 要：汽車檢測(cè)與維修是汽車類專業(yè)的必備技能，為降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)訓(xùn)安全性，打破時(shí)間、空間等因素對(duì)實(shí)訓(xùn)的限制，文章將借助Unity3D引擎，運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合交互設(shè)備，探究搭建涵蓋汽車展示、模擬駕駛、底盤拆裝、發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝、起動(dòng)機(jī)拆裝、考核等六方面，集學(xué)習(xí)、練習(xí)、考核為一體的綜合仿真模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建設(shè)可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升動(dòng)手實(shí)踐能力，提升動(dòng)手實(shí)踐能力，增強(qiáng)對(duì)汽車各部分的認(rèn)知，提升觀測(cè)能力。

關(guān)鍵詞：Unity3D 汽車檢測(cè)與維修 底盤 發(fā)動(dòng)機(jī) 起動(dòng)機(jī)

1 緒論

汽車檢測(cè)與維修作為本科、高職高專、中職等汽車類專業(yè)的必備技能，涵蓋汽車裝備與調(diào)試技術(shù)、汽車性能檢測(cè)、底盤檢測(cè)與維修、發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)與維修等多門必修課程，具有較強(qiáng)的實(shí)踐操作性；但由于汽車種類較多且汽車技術(shù)迭代較快，實(shí)踐環(huán)節(jié)成本較高，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備種類單一，實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地較少，致使學(xué)生理論知識(shí)掌握較好，實(shí)踐能力較為薄弱。

隨著新一代信息技術(shù)的高速發(fā)展，仿真技術(shù)、顯示技術(shù)、交互方式的日漸成熟，為解決上述問題，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)已在汽車檢測(cè)與維修領(lǐng)域有了進(jìn)一步的應(yīng)用。本文將以汽車檢測(cè)與維修為研究對(duì)象，使用Unity3D引擎，結(jié)合交互方式、顯示技術(shù)，使用3DMax軟件進(jìn)行三維建模，從汽車虛擬展示、汽車駕駛、底盤拆裝、發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝、起動(dòng)機(jī)拆裝、考核方式等六個(gè)方面進(jìn)行研究，搭建模擬系統(tǒng)。

2 汽車檢測(cè)與維修模擬系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)依托Unity3D引擎、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，選用體感交互和仿真駕駛設(shè)備作為人機(jī)交互方式，結(jié)合汽車動(dòng)力學(xué)模型等技術(shù)手段，探究搭建“一界面、六模塊”的汽車檢測(cè)與維修模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽車展示、模擬駕駛、底盤拆裝、發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝、起動(dòng)機(jī)拆解的模擬仿真操作和考核方式創(chuàng)新；滿足單人拆解、組裝和小組拆解、組裝的多場(chǎng)景需要，幫助提升實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的安全性，降低實(shí)訓(xùn)成本，改變實(shí)訓(xùn)空間，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。汽車檢測(cè)與維修模擬系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

3 汽車檢測(cè)與維修模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 汽車檢測(cè)與維修模擬系統(tǒng)界面

系統(tǒng)界面采用2D用戶界面，使用UGUI將用戶界面分為三級(jí)。一級(jí)界面設(shè)置賬戶注冊(cè)、賬戶登錄按鈕；二級(jí)界面包含賬戶注冊(cè)界面和賬戶模式選擇界面，賬戶模式選擇包括單人模式和小組模式按鈕；三級(jí)界面根據(jù)賬戶選擇模式不同，提供不同模塊選擇按鈕，如：（1）單人模式：三級(jí)界面顯示六個(gè)模塊按鈕；（2）小組模式：三級(jí)界面擁有添加小組成員信息組件和六個(gè)模塊按鈕，每小組上限為4人，根據(jù)小組需要，由小組組長(zhǎng)選擇模塊功能[1]。

為便于考核模塊中考核結(jié)果上傳成績(jī)管理系統(tǒng)，在賬戶注冊(cè)時(shí)，學(xué)號(hào)、姓名、學(xué)校、班級(jí)、專業(yè)、身份證號(hào)、聯(lián)系方式等信息為必填信息，方便賬戶信息與成績(jī)管理系統(tǒng)中的學(xué)生信息進(jìn)行綁定。

3.2 汽車檢測(cè)與維修模擬系統(tǒng)六模塊

模擬系統(tǒng)的六模塊分別為：汽車展示模塊、模擬駕駛模塊、底盤拆裝模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝模塊、起動(dòng)機(jī)拆裝模塊、考核模塊。模擬系統(tǒng)中的模型均以CAD作為參考圖，根據(jù)參考圖比例，選用3DMax中對(duì)應(yīng)工具進(jìn)行三維建模，保障模型規(guī)格、尺寸統(tǒng)一。

3.2.1 交互設(shè)備

模擬系統(tǒng)使用的交互設(shè)備有兩個(gè)，一個(gè)是萊仕達(dá)PXN-V9-H仿真駕駛設(shè)備，一個(gè)是Kinect體感交互設(shè)備。

仿真駕駛設(shè)備-萊仕達(dá)PXN-V9-H：該設(shè)備能夠多平臺(tái)使用，包括方向盤、掛擋桿和踏板三大組件；方向盤旋轉(zhuǎn)角度可根據(jù)場(chǎng)景需要兩檔調(diào)節(jié)，分別為270度和900度；踏板采用線性防滑設(shè)計(jì)，提升踏板的可控性，可以使操控者有更加真實(shí)的駕駛體驗(yàn)。

Kinect體感交互設(shè)備擁有彩色攝像頭、深度紅外攝像頭、紅外CMOS攝像頭和四個(gè)四元線性麥克風(fēng)陣列，擺脫傳統(tǒng)交互設(shè)備對(duì)操作者的束縛，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體骨骼的追蹤和人臉識(shí)別等功能，確保獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。使用Kinect的深度紅外攝像頭采集人體手部信息，在Unity3D引擎中使用C#編寫腳本控制采集到的信息，實(shí)現(xiàn)人體手勢(shì)借助Kinect傳遞到Unity3D中，以達(dá)到虛擬與人體手勢(shì)匹配的目的。[2]

3.2.2 汽車展示模塊

汽車展示模塊運(yùn)用HiAR中適用于Uniyt3D的SDK來實(shí)現(xiàn)汽車展示的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能，由2D界面與汽車信息顯示、汽車縮放與旋轉(zhuǎn)、觸發(fā)操作所組成。通過2D界面中掃描按鈕，調(diào)用攝像頭，掃描標(biāo)定圖像，結(jié)合2D圖像的識(shí)別與圖像追蹤技術(shù)，對(duì)所識(shí)別的圖像進(jìn)行特征提取，與攝像頭呈現(xiàn)畫面進(jìn)行匹配，匹配成功便會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的3D模型[3]。3D模型上設(shè)置交互組件，添加信息點(diǎn)，觸發(fā)信息點(diǎn)后便可展開3D信息塊，介紹汽車對(duì)應(yīng)位置特征和信息。根據(jù)功能組件的設(shè)置不同，實(shí)現(xiàn)的效果也各有不同，如：車燈開啟與關(guān)閉、車門開啟與關(guān)閉、引擎蓋開啟與關(guān)閉和改變車身顏色等；通過點(diǎn)擊觸發(fā)人機(jī)交互，對(duì)Input和Touch類型的輸入信號(hào)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)點(diǎn)擊和手指觸摸兩種形式的模型縮放與旋轉(zhuǎn)功能。汽車展示模塊可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)其對(duì)汽車各部分的認(rèn)知，提升觀測(cè)能力，滿足汽車檢測(cè)中對(duì)車況的觀察需要。

3.2.3 模擬駕駛模塊

模擬駕駛模塊運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬真實(shí)車輛的行駛過程，結(jié)合汽車動(dòng)力學(xué)模型和仿真駕駛操作工具-萊仕達(dá)PXN-V9-H，實(shí)現(xiàn)虛擬駕駛系統(tǒng)的人機(jī)交互。模擬駕駛模塊有兩個(gè)基礎(chǔ)功能：基本駕駛模式和汽車行駛行為選擇。

基本駕駛模式以系統(tǒng)提供操作的車輛信息為基礎(chǔ)，運(yùn)用Wheel Collider車輪碰撞器設(shè)置剛體和碰撞體，結(jié)合C#代碼調(diào)節(jié)汽車的阿克曼轉(zhuǎn)向、質(zhì)心和下壓力，增強(qiáng)汽車駕駛過程中的仿真效果。[4]

汽車行駛行為選擇分為兩種，一種是定速巡航，一種是超車行為。定速巡航：使用PID控制算法，調(diào)節(jié)KP、KI和KD控制器參數(shù)，通過計(jì)算當(dāng)前速度與目標(biāo)速度之間的差值，依據(jù)差值和時(shí)間調(diào)節(jié)當(dāng)前速度，以達(dá)到恒定速度行駛的目的。超車行為：根據(jù)車輛模型添加的剛體和碰撞器組件實(shí)現(xiàn)基本控制邏輯，根據(jù)路徑規(guī)劃，使用物理碰撞判斷是否滿足超車環(huán)境，如果滿足，則判斷在哪個(gè)車道超車，從而改變車輛速度，完成超車行為。

3.2.4 底盤拆裝模塊

汽車底盤結(jié)構(gòu)可大體分為傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)，為滿足學(xué)生練習(xí)需要，結(jié)合底盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為底盤結(jié)構(gòu)展示，教學(xué)演示，底盤拆裝模式三部分搭配UI按鈕控件，增加模塊的可操作性。

底盤結(jié)構(gòu)展示以圖片的形式整體顯示底盤的構(gòu)造和組成部分，并搭配說明文字，幫助學(xué)生理解和記憶底盤構(gòu)造的相關(guān)知識(shí)；教學(xué)演示以動(dòng)畫的形式演示底盤拆裝的流程和步驟，在進(jìn)度條中標(biāo)注每一個(gè)環(huán)節(jié)的開始位置，方便學(xué)生按照自身需求進(jìn)行反復(fù)拖拽學(xué)習(xí)。底盤拆裝模式，可以以單人模式進(jìn)入，也可以以小組模式進(jìn)入；單人模式，學(xué)生可以按照對(duì)底盤拆裝的掌握程度，按照教學(xué)演示中的拆裝流程進(jìn)行反復(fù)練習(xí)；小組模式，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式進(jìn)行底盤拆裝，按照小組分工，完成底盤拆裝，提升團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，提升底盤拆裝效率。

3.2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝模塊

發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝模塊中的結(jié)構(gòu)展示以三維模型的形式進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖展示和介紹，當(dāng)學(xué)生利用Kinect體感交互設(shè)備指向發(fā)動(dòng)機(jī)的某一部分或拆裝時(shí)所用的某一個(gè)工具時(shí)，會(huì)隨之彈出該部分的解釋說明文字框，顯示內(nèi)容包含型號(hào)、用途、拆裝環(huán)境等。

教學(xué)演示中的動(dòng)畫設(shè)計(jì)需以靜態(tài)方式標(biāo)記所有零件的分解位置和組裝位置，防止因系統(tǒng)關(guān)閉和用戶退出而重新播放拆裝動(dòng)畫；為滿足教學(xué)要求，在教學(xué)演示的過程中逐一顯示對(duì)應(yīng)零件的信息，以達(dá)到溫故而知新的目的。

發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝模式通過Kinect體感交互設(shè)備將零件移動(dòng)到安裝位置，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到該零件已到達(dá)正確的安裝位置時(shí)，零件的背景顏色發(fā)生變化，系統(tǒng)則提示零件已完成安裝；當(dāng)在拆裝的過程中，需要旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)模型時(shí)，根據(jù)Kinect采集到的手勢(shì)信息，實(shí)時(shí)調(diào)用當(dāng)前攝像機(jī)的位置和旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)控制模型顯示視角的目的[5]。

3.2.6 起動(dòng)機(jī)拆裝模塊

起動(dòng)機(jī)在能量來源、結(jié)構(gòu)、工作原理三個(gè)方面與發(fā)動(dòng)機(jī)不同，起動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)器能，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作，所以將發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝與起動(dòng)機(jī)拆裝分開設(shè)計(jì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝模塊中結(jié)構(gòu)展示以兩條軸線展示，一是從固定螺栓、電磁開關(guān)展開演示，二是后端蓋、單向離合器、減速機(jī)構(gòu)、電樞、磁極、電刷、前端蓋展開演示；根據(jù)手勢(shì)點(diǎn)擊位置，顯示各部分具體信息。[6]

教學(xué)演示中除了動(dòng)畫演示以外，添加音頻講解；通過功能按鈕選擇，演示自動(dòng)拆解和組成過程。在拆裝過程中，當(dāng)零件拆裝順序與教學(xué)演示中的一致時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)零件移動(dòng)的位置判斷當(dāng)前處于拆解狀態(tài)還是組裝狀態(tài)。

3.2.7 考核模塊

考核模塊分為理論知識(shí)考核和實(shí)訓(xùn)技能考核兩部分。

理論知識(shí)考核只有單人模式，教師提前按照課程內(nèi)容和考核要求設(shè)置題庫(kù)，供學(xué)生練習(xí)所用?？荚嚂r(shí)，教師根據(jù)課程需求設(shè)置題型數(shù)量和分值，發(fā)布考試試卷，最終將學(xué)生成績(jī)上傳成績(jī)管理系統(tǒng)。

實(shí)訓(xùn)技能考核分為單人模式和小組模式，可以選擇底盤拆裝、發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝、起動(dòng)機(jī)拆裝，以三維交互的方式進(jìn)行考核。拆解和組裝按照正確流程，每一步的分值由教師設(shè)置，學(xué)生需要在少量信息提示和引導(dǎo)下，完成拆裝操作。單人模式下，當(dāng)在考試時(shí)間內(nèi)完成拆裝操作，則可以直接根據(jù)分值設(shè)置計(jì)算分?jǐn)?shù)；當(dāng)考試時(shí)間截止，拆裝操作仍未完成，則按照學(xué)生已完成部分占總分的比重進(jìn)行計(jì)算[7]。多人模式下，學(xué)生根據(jù)分工依次完成拆裝操作，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成的，按照小組成員分工比重進(jìn)行計(jì)算；如果時(shí)間截止，操作未完成，根據(jù)小組分工和已完成部分占總分比重，分別計(jì)算每一位學(xué)生的成績(jī)。考核模塊中分值和比重設(shè)置，在考試發(fā)布前已設(shè)置完畢，學(xué)生只需按照系統(tǒng)指引完成考試即可，考試結(jié)束由系統(tǒng)將最終結(jié)果與成績(jī)管理系統(tǒng)中的學(xué)生信息進(jìn)行匹配，避免教師二次計(jì)算成績(jī)和成績(jī)錄入，減輕教師工作壓力。

在考核過程中，無論選擇單人模式，還是小組模式，系統(tǒng)能夠自動(dòng)記錄學(xué)生在操作過程中的失誤信息，教師根據(jù)需要導(dǎo)出對(duì)應(yīng)文檔，幫助教師更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

4 汽車檢測(cè)與維修模擬系統(tǒng)的意義和價(jià)值

4.1 安全優(yōu)勢(shì)

在傳統(tǒng)的授課方式中，分理論授課與實(shí)踐授課，教師和學(xué)生受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和課程時(shí)間的影響，學(xué)生無法隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)訓(xùn)練習(xí)和接受教師指導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)機(jī)械裝置接觸時(shí)間有限，實(shí)際操作能力欠佳；安全意識(shí)不足，在無教師指導(dǎo)下，進(jìn)入開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作，容易造成設(shè)備損壞、威脅自身安全的安全事故。該模擬系統(tǒng)的建立，可以讓學(xué)生通過虛擬仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)、練習(xí)拆裝過程，即得到正確指導(dǎo)，反復(fù)練習(xí)，又可以保證學(xué)生安全，避免設(shè)備損壞。

4.2 成本優(yōu)勢(shì)

由于各個(gè)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限，提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)備類型單一。該系統(tǒng)可以在資源庫(kù)中設(shè)置多種典型設(shè)備供教師教學(xué)和學(xué)生練習(xí)使用，配備設(shè)備結(jié)構(gòu)展示和教學(xué)演示，以及汽車整體展示和模擬駕駛模塊，可以節(jié)約大量實(shí)驗(yàn)成本，減輕教師工作壓力，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)實(shí)踐操作能力，提升觀測(cè)汽車車況的能力。

4.3 時(shí)間優(yōu)勢(shì)

由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限，教師在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)授課時(shí)，只能保障部分學(xué)生能夠觀察到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的全貌；學(xué)生在實(shí)訓(xùn)練習(xí)時(shí)只能在特定的時(shí)間和特點(diǎn)的地點(diǎn)進(jìn)行練習(xí)，難以保障學(xué)生在限定時(shí)間內(nèi)掌握所有的實(shí)訓(xùn)操作步驟和操作流程；課后由于教師工作內(nèi)容繁多，無法一一對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，無法掌握每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

利用該系統(tǒng)，學(xué)生可以根據(jù)自身狀態(tài)，進(jìn)入模擬系統(tǒng)，對(duì)各部分的零件以各種視角進(jìn)行觀察和學(xué)習(xí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)展示模式中對(duì)零件的信息介紹和教學(xué)演示中的動(dòng)畫指導(dǎo)，開展實(shí)訓(xùn)練習(xí)。教師根據(jù)考核模塊中的信息反饋，可以掌握每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，開展有針對(duì)性的指導(dǎo)。

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)以汽車檢測(cè)與維修作為切入點(diǎn)，利用Unity3D引擎，運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合交互設(shè)備，著力搭建涵蓋汽車展示、模擬駕駛、底盤拆裝、發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝、起動(dòng)機(jī)拆裝、考核等六方面，集學(xué)習(xí)、練習(xí)、考核為一體的綜合仿真模擬系統(tǒng)，努力打破時(shí)間、空間的限制，降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)訓(xùn)安全性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生專業(yè)技能。但由于筆者對(duì)汽車檢測(cè)與維修的理論知識(shí)研究不足，對(duì)汽車各部分結(jié)構(gòu)分解較為粗糙，今后將進(jìn)一步深入探索汽車檢測(cè)與維修的理論內(nèi)容和各部分結(jié)構(gòu)特性，優(yōu)化系統(tǒng)邏輯和仿真場(chǎng)景，為教師和學(xué)生提供更好的沉浸式體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王玉君，岳志陽(yáng).基于Unity3D的童年往事手機(jī)游戲的設(shè)計(jì)與制作[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè)，2018（12）：66-67.

[2]林文燔.基于Kinect的汽車底盤交互式展示設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，23（02）：12-16.

[3]景忠.基于Unity3D的汽車虛擬展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線互聯(lián)科技，2024，21（03）：52-54.

[4]汪曉飛，楊曉玲，張杰，等.基于Unity 3D的虛擬駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].成都師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，36（03）：114-119.

[5]高峰，左德遙，樓丹，等.基于Unity 3D的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修AR教學(xué)軟件開發(fā)[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2021，（15）：106-108.

[6]甘志梅，高偉，魏志祥，等.基于Unity3D的汽車起動(dòng)機(jī)虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)[J].安陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，22（02）：48-51+63.

[7]倪萌.基于Unity3D的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配訓(xùn)練考評(píng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2014.