Unity3D技术在电气工程实训教学中的应用

刘安平，邵文冕，苑鹏涛，杜林娟，梁志强

（黑龙江科技大学 工程训练与基础实验中心，黑龙江 哈尔滨）

一 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。

（一） 虚拟现实技术应用

虚拟现实技术在教育、军事、工业制造、医疗等众多领域的广泛应用，能够为行业发展提供切实可行的研究方案。特别是在高校实践教学中，利用虚拟现实技术，模拟实践教学内容的真实场景，为学生定制类真实的实践环境，这为高校实践教学的开展提供了新的途径[1]。

（二） 虚拟现实技术应用软件

VR技术用到的软件主要有：3D模型制作软件、图片处理软件、虚拟现实游戏开发引擎和编程语言等。3D模型制作软件，如 3D Max、Maya等，用于构建虚拟世界的三维模型；图像处理工具，如Photo Shop、Core Draw 等，用于制作材质、纹理、光照贴图。虚拟现实游戏开发引擎提供了虚拟场景的快速组织、管理、发布平台和可视化控制界面，用于场景渲染，物理模拟，特效制作，UI界面设计等，常用的虚拟现实游戏开发引擎有Unity3D、Unreal Engine等。编程语言是专门为VR应用程序编写脚本实现交互控制的开发语言，如JavaScript、C#等[2]。

二 电气工程实训课程内容

电气工程实训课程是我校大文科专业和工科非电专业学生的必修课程，按专业不同，分成电工技能训练和电气控制训练两门课程。

（一） 电工技能训练

电工技能训练课程内容是照明电路安装实践，训练项目有N地控制一盏灯、三盏灯串并联电路和两盏灯串并联电路等，每个训练项目包括线路连接、电路检测和送电试灯3个步骤。

（二） 电气控制训练

电气控制训练课程内容是三相交流异步电动机控制线路安装实践，训练项目有自锁控制线路、正反转控制线路、自动往返控制线路和顺序控制线路等，每个项目包括线路连接、电路检测和送电试车3个步骤。

三 电气工程实训虚拟实践平台

（一） 虚拟实践平台研究过程

在使用Unity3D虚拟现实开发引擎之前，要进行资源采集，包括模型、图片和声音等。采用Maya2016软件进行3D建模，构建电气工程实训所需的实践台、元器件、导线、工具和仪表等模型；用Photo Shop 来处理模型贴图文理。将制作好的模型以FBX文件形式导入到Unity3D建立的虚拟世界中，进行动画制作、动态交互等功能，通过C#语言编程控制来实现各种状态的调用。最后是项目发布，通过Unity3D游戏开发引擎，可以将调试好的电气工程虚拟实践平台发布到电脑Windows平台上运行，也可以发布到手机Android平台上运行[3]。

按学生专业和课程内容不同，电气工程虚拟实训平台，由电工技能训练虚拟演示平台和电气控制训练虚拟实践平台两部分组成。

（二） 电工技能训练虚拟演示平台

电工技能训练虚拟演示平台开始界面见图1，点击“1一控一灯”，开始照明电路一个开关控制一盏灯的虚拟实践。下面以一个开关控制一盏灯为例，对电工技能训练虚拟演示平台进行阐述。

（1）线路连接

在线路连接之前，首先要做的是线管穿线，一个开关控制一盏灯的线管穿线演示图片见图2，为了显示直观，将实践台桌面及网板隐藏。

（2）电路检测

电路检测界面见图3，点击“停电检测”，会显示万用表，点击“拨动S1”，会显示正确的测量数据；依次点击“闭合QF1”、“闭合QF2”、“拨动S1”，万用表隐藏，灯泡能够发光，再次点击“拨动S1”，灯泡熄灭。

（三） 电气控制训练虚拟实践平台

电气控制虚拟实践平台开始界面见图4，点击“1自锁控制线路”，开始电动机自锁控制线路的虚拟实践。下面以自锁控制线路为例，对电气控制训练虚拟实践平台加以说明。

（1）线路连接

自锁控制线路的线路连接界面见图5，其中①～⑤是主电路接线，⑥～⑧是控制电路接线。点击“①M Δ”按钮，电动机Δ形连接的导线就会连接到指定位置；再次点击，摄像机会移动，聚焦到刚才连接的导线，显示具体的接线状态。

（2）断电检测

自锁控制线路的断电检测界面见图6，点击“按下KM”，进行主电路检测；点击“按下SB1”，进行控制电路检测。依次点击按钮①～③，万用表表笔依次测量负载开关下端UVW三相之间的电阻值，判断线路是否连接正确。

（3）送电试车

自锁控制线路的送电试车界面见图7，依次点击“①QF1”、“②QF2”，闭合电源开关和负载开关；点击“③SB1”，电动机叶轮转动，点击“④SB2”，电动机叶轮停止转动。

四 电气工程虚拟实践平台特点

（一） 形象直观、方便教学

电气工程虚拟实践平台，可以将在实验室和课堂里无法真实呈现的、学生不易理解的教学难点，通过虚拟仿真技术展示出来，变抽象为形象，进而完成虚拟实践；同时还可以运用计算机人工智能对虚拟实践的教学效果进行分析和评价[4]。

（二） 材料低损耗、人身低危险

利用虚拟现实技术进行电气工程虚拟实践，可以在电脑上进行，也可以在手机上上完成。在掌握一定的实践操作技能之后，再进行真正的电气工程实训操作，可以最大限度避免由于误操作造成的人身伤害和设备损坏，降低教学材料的消耗[5]。

五 结语

电气工程虚拟实践平台在投入实践教学应用后，取得了很好的教学效果，当然也存在着很多缺点和不足，需要今后不断改进和提高。同时，因为掌握的虚拟现实技术以及计算机编程水平的限制，目前只开发了单机版、桌面式的电气工程虚拟实践平台，关于网络版、沉浸式的电气工程虚拟实践平台，有待今后去开发研究。