基于Unity3D的电气控制虚拟实践平台建设

刘安平 苑鹏涛 邵文冕

Development of Virtual Practice Platform of Electrical Control Based on Unity3D

摘要：虚拟现实技术在实践教学中的应用，是现代教育技术发展的一个飞跃；在Maya软件建模基础上，通过Unity3D软件构建虚拟世界，完成电气控制训练虚拟实践平台建设，取得了初步的研究成果。

Abstract： The application of virtual reality technology in practice teaching is a leap in the development of modern education technology. On the basis of Maya software modeling， the virtual world was built through Unity3D software to complete the development of virtual practice platform of electrical control training， and preliminary research results have been obtained.

关键词：VR技术；Unity3D；电气控制训练；虚拟实践平台

Key words： VR technology；Unity3D；electrical control training；virtual practice platform

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0212-02

1 虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术，是计算机仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的交叉集合，是一门富有挑战性的前沿学科和研究领域。

根據用户参与虚拟现实的不同形式以及沉浸的程度不同，虚拟现实技术可分为三类[1]：

①桌面式，利用个人计算机或图形工作站等设备，产生虚拟场景，通过三维鼠标或其它手控输入设备，将计算机的屏幕作为观察虚拟世界的一个窗口，在一些专业软件帮助下，用户参与虚拟世界的活动。

②沉浸式，通常采用头盔式显示器、洞穴式立体显示等设备，利用空间位置跟踪定位设备、数据手套、其他手控输入设备、声音设备让使用者沉入其中。

③共享式，是一种基于网络连接的虚拟现实系统，它将多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，达到协同工作的目的。

作为最出色的虚拟现实软件之一，Unity3D是由英国Unity Technologies公司开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎[2]。Unity3D软件，既能开发娱乐型游戏，例如《镜之边缘》、《神庙逃亡2》等，使游戏玩家获得娱乐和放松为目的；也能开发严肃型游戏，例如应用于军事国防、医疗模拟、教育培训以及城市漫游等方面的交互型应用程序，以用户获得虚拟体验以及虚拟教育为目的。

2 虚拟现实技术在教育领域的应用

虚拟现实技术应用于教育领域是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式，代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。

2.1 虚拟实验室

利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室等等，拥有传统实验室难以比拟的优势。虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的虚拟学习环境，在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动的灌输，有本质的差别。

2.2 虚拟实训基地

VR技能训练是利用VR技术和计算机多媒体技术，创造一个接近事实的训练情景，使学生身处其中，自己动手操作，获得实践经验，掌握操作技能[3]。利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实训基地，其“设备”与“部件”多是虚拟的，可以根据需要随时生成新的设备。教学内容可以不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展。同时，虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。

3 虚拟实践平台构建模式

在虚拟实践平台构建过程中，采用Maya2016软件进行虚拟实践模型建模，采用Unity3D Pro（5.6.4f1个人版）软件进行虚拟世界的构建。

电气控制训练虚拟实践平台主菜单界面见图1，电气控制训练共有四个训练项目，对应四个游戏关卡。利用Unity3D技术，通过图形与用户界面（GUI）的选择，将电气控制训练的每个训练项目设计成一个游戏场景，相当于一个游戏关卡。点击训练项目按钮，进入对应训练项目的游戏界面，开始电气控制训练虚拟实践。每个实践项目有三个环节，分别是器件布局、电路连接和电路检测。

3.1 器件布局

器件布局，就是把导入到Unity3D场景内的元器件，按在虚拟实践平台上预先设定好的位置摆放好。

3.1.1 器件模型导入方法

利用Maya软件，将三相交流电动机、交流接触器、热继电器、三相断路器、按钮开关、行程开关和时间继电器等元器件制作成3D模型，导出为FBX文件，存入Unity项目文件夹下的Assets文件夹下；打开Unity项目文件，就能看到导入的元器件的3D模型了。这里注意一点，因为Maya软件的常用单位是厘米，Unity3D软件的常用单位是米，所以打开Unity导入的FBX文件时，属性面板中的放大倍数由1改为100，才能保证导入的3D模型大小不变。

3.1.2 器件布局虚拟实践模式

按游戏开发的需要，创建和编写相应的Script脚本语言，这里主要采用GUI桌面按钮和JavaScipts脚本语言中的If语句来实现交互动作的控制。点选虚拟实践台桌面上的的元器件，参照器件布局提示，通过键盘按键将器件平移到相应位置附近区域，器件会自动找到预先设定的位置，完成器件布局。完成器件布局后，控制主摄像机移动，可以进行场景漫游，加深对器件的认识；按动返回按钮，回到主菜单界面，按动继续按钮，进入下一环节。

3.2 电路连接

电路连接包括主电路连线和控制电路连线两部分，导线的模型和连线最终位置，都是在Maya软件里制作和设定的。在游戏界面中，通过Unity3D软件中的Script脚本语言完成人机交互控制，进而实现电路连接的虚拟实践。

3.2.1 主电路连线

主电路连线就是三相电源由配电箱引出，经三相断路器、交流接触器主触点、热继电器，最后到电动机线圈的连线，共有5组导线，每组3根导线。

3.2.2 按钮开关内部连线

自锁控制线路，用到绿色启动按钮和红色停止按钮，按钮内部连好导线以后，引出3根导线；后三个线路，按钮盒里的绿、黑和红色按钮都要用到，按钮内部连好线以后引出4根导线。

3.2.3 控制电路连线

控制电路连线，参考电路原理图，先连接电源线，再连接按钮引出线，最后连接其它节点连線。

3.3 电路检测

电路检测包括送电前检测和送电试车两部分，送电前检测要显示万用表测量到的数据，送电检测要搬动电源开关、按动按钮开关，显示电机上的风车转动。在电路检测这一环节，游戏界面上设定3个动画播放按钮和一个返回按钮。通过播放主电路检测、控制电路检测和送电试车三个动画来实现虚拟实践。

4 虚拟实践平台的特点和意义

电气控制训练虚拟实践平台的建设，既弥补了过去电气控制训练实践操作的不足，又更加完善了电气控制训练室的数字化建设。主要有以下几个特点：

4.1 模块全方位、次数无限制

在虚拟实践平台建设基础上，根据教学需要，不断完善和更新电子器件的3D虚拟模型，我们就能进行各种实践模块的虚拟训练了；每个模块，学生还可以反复训练，直到熟练掌握实践操作技能。

4.2 训练场地、训练时间不限[4]

Unity3D软件对电脑的配置要求不高，学生只要在电脑上装有Unity3D软件，就能随时随地的进行电气控制训练课程的虚拟实践了。

4.3 学和玩相融、技能易掌握

在电气控制训练虚拟实践平台中，通过Unity3D软件，将训练项目设置成游戏关卡，将学习和游戏融为一体，增加学生学习兴趣，学生更容易掌握教学大纲要求的实践技能。

4.4 材料低损耗、设备人身零风险[5]

将实践训练的内容进行整合，学生经过虚拟实践平台训练后，具有了一定的实践操作技能，这时再进行真正意义的实践操作，就不会因为误操作而浪费导线和对设备造成损坏，也避免了因为盲目操作引起的人身触电事故的发生，得到事半功倍的效果。

5 结语

电气控制训练虚拟实践平台试运行以来，极大的提高了学生的学习兴趣，取得了良好的实践教学效果。由于经费和我们掌握虚拟现实技术水平的限制，目前只开发了桌面式虚拟实践平台，关于沉浸式和共享式的虚拟实践平台，有待今后学习和进一步开发研究。

参考文献：

[1]方涛，梅晓荣.浅谈VR技术在机电类专业中的应用[J].山东工业技术，2017（9）：165-166.

[2]李静蓉，倪间龙，陈锐奇，等.基于虚拟现实交互的虚拟锻造工艺实习系统设计[J].实验室研究与探索，2017（4）：87-89，102.

[3]马丽萍.虚拟现实技术在电工电子教学中的实际应用[J].电子世界，2014（18）：320-321.

[4]陈建军，辜永红，韩庆文，等.基于虚拟仪器的实践教学平台建设[J].教育教学论坛，2017（21）：180-181.

[5]罗资琴，Unity3D在虚拟机械拆装中的应用[J].山西冶金，2016（6）：74-76.