基于Unity3D 的航空智能制造科普平台设计

许从容，刘震磊*，朱万安，樊芸廷，郝洪花

（沈阳航空航天大学 航空宇航学院，辽宁 沈阳）

引言

2022 年《“十四五”国家科学技术普及发展规划》指出，要推动科学普及与科技创新协同发展，并聚焦科技前沿开展针对性科普[1]。当前我国的航空制造正在从传统的“设计-制造-试验”模式，向“设计-虚拟验证-虚拟制造-物理制造”的新模式转变[2]，生产和管理也正在向数字化、智能化转型。在此背景下，航空智能制造科普有助于青少年了解我国航空制造的发展成果与进步，学习先进的制造和管理理念在航空中的应用情况。对于即将进入航空制造类专业学习的学生，高水平的科普教育也有助于更好地规划学习新知识的路径并构建知识体系。

虚拟现实技术（Virtual Reality，即VR）借助计算机，构建出具有交互性、沉浸感和令人想象的场景[3]，极大程度地克服传统科普教育方式生动性差、开展成本高以及易受时空制约等弊端。近年来，国内在“VR+科普”方向的研究和应用发展迅速，例如对航空科普场馆应用和对航天空间站科普的研究[4-5]，VR 科普场景数据采集优化[6]，农业科技科普[7]，自然灾害与救援科普[8]等等。然而目前针对航空制造科普平台的研究还较为少见，本文将介绍基于Unity3D 和虚拟现实技术开发的航空智能制造科普平台。

1 平台设计

1.1 平台科普教学设计

科普平台内容的设计参考了《国家智能制造标准体系建设指南（2021 版）》中智能制造标准体系框架下的智能工厂标准[9]，主要以某通用飞机零件制造工厂为主体，对制造过程中涉及的加工工艺、质检要求、物料运储，以及智能工厂的理念和发展等内容进行科普介绍，科普知识架构如图1 所示。平台为用户提供了一个用于学习航空科普知识的虚拟环境，根据不同目标人群所需科普知识侧重点开发不同版本，此外，还可根据具体的科普需求提供个性化科学知识教学服务。

图1 智能制造科普框架设计示意

1.2 平台功能设计

平台系统有如下3 个功能模块：场景漫游功能，在第一人称视角下漫游，通过电脑键盘、鼠标等输入设备控制角色运动，近距观察设备运转情况，实现身临其境的体验效果；演示功能，通过流程仿真演示，展示AGV 运输、三坐标测量技术、仓储管理的过程；学习功能，用户在第三人称视角下宏观感受智能工厂的整体运作，借助图文和模型学习智能制造和智能工厂相关知识。

1.3 布局方案设计

虚拟工厂主要分为人工作业区与无人自动化作业区。自动化作业区又细分为加工区、仓储区、检测区这三个功能区域，工厂设计示意如图2 所示。

图2 虚拟工厂设计示意

在人工作业区主要进行以钳工为代表的较难被自动化设备取代的作业，钳工技能需要特定的培训和长期的经验积累，能解决许多机器难以完成的任务，例如手工微调、组装和装配。此外，人工作业也是机器维护的必要保障，因此在虚拟场景中保留了人工作业区。

无人作业通过自动加工、物流、储存、检测、排产等智能化过程实现，成为“黑灯工厂”。其中，在加工区主要介绍由AGV 自动运输车配合数控铣床、数控冲床、3D 打印等自动化设备完成的无人加工过程；仓储区主要介绍自动升降库和托盘存储单元等设备和调配理念；检测区主要介绍三坐标测量设备与技术。

2 平台搭建

2.1 平台开发技术路径

首先采用CATIA 软件对平台中涉及的加工、运储和测量设备进行仿真建模，接着使用3DMAX 软件对模型进行减面优化处理并导出FBX 文件，最后将模型导入Unity3D 中，根据工厂布局二维平面设计图完成工厂场景搭建，最后使用Visual Studio 编写C#脚本实现设备仿真与交互功能。

2.2 三维模型建立与优化

三维模型构建是航空智能制造科普平台开发的基础，选取具有代表性的加工、检测、运储设备及其功能说明如表1 所示。

表1 代表性的加工、检测、运储设备及其功能说明

使用CATIA 软件建模，要注意装配层次和仿真运动设计间的对应关系，之后将模型导入3DMAX 软件对模型性能、质量和细节进行优化，如图3 所示。移除隐藏视角下不可见面，简化网格与纹理，最后将模型转换为FBX 格式导入Unity，调整材质、比例和位置排布，完成三维模型的建立。

图3 3DMAX 软件处理三坐标测量机模型

2.3 虚拟仿真场景搭建

物理场景虚拟化搭建是平台仿真的重点，逼真和美观的仿真环境能够提高平台使用的体验感。平台的场景是工厂，环境设置可分外环境与内环境分别考虑。工厂外部采用天空盒和赋图背景板完成，窗口外景可以将高清图片赋予板件，调整大小和角度关系；天空盒采用包含白色光源的晴天布景，通过C#脚本可以实现光亮度和光源角度的调整以及天空旋转等效果。

工厂内部则主要是对需要科普的对象赋予材质或贴图，例如测量机机身金属质感的视觉效果。此外，根据局部细节的呈现效果，增加独立光源，调整各物体间的渲染层级和关系，在保证效果的同时尽量降低Unity 的运行载荷。

2.4 平台开发重点

（1）交互界面：用户界面（User Interface，简称UI）包括渲染、布局、显示、交互等组件。设计时插入按钮、选择框、滑动条等组件后用代码关联内部逻辑。平台搭建了图标- 单元栏- 功能栏- 设置栏共四级UI嵌套，将进入- 引导- 操作- 结束的基本交互框架搭建完善。

（2）摄像机：摄像机是Unity 中开发视角和用户视角之间的媒介。在本平台中创建了6 个摄像机，分别对应漫游视角、人物视角以及4 个虚拟监控视角，将各个摄像机的切换嵌入用户界面，并在漫游摄像机下挂载代码实现运行状态下键盘控制移动，鼠标控制旋转的功能。

（3）仿真演示：仿真动画既可以制作完成后导入项目，也可以使用Unity 自带的动画窗口创建。AGV运输车的物流和三坐标测量机的检测过程就采用了Unity 自带的关键帧方法制作动画。在动画录制模式下，将对象的位置、旋转、动作等属性进行修改和记录，通过不断调试确定最佳的演示效果。

平台开发过程中的UI 设计，摄像机视角切换和三坐标测量仿真演示效果如图4 所示。

图4 平台开发的UI、摄像机、仿真演示效果

3 平台发布与测试

3.1 平台发布选择

平台构建完成后，选择Windows PC 平台进行打包，生成可执行的.exe 文件以及存放资源的文件夹。如果要开发更丰富的使用场景和交互体验，可以利用Unity 跨平台开发的优势快速构建项目并发布到Android、Web、HTC Vive 等平台。

3.2 平台运行优化

为保证发布系统良好的性能和用户体验感，需要对系统进行测试。Profiler 是Unity 内部集成的一款性能分析优化工具。利用Profiler 可视化性能分析功能，记录操作过程，对FPS 帧率、CPU 占用、GPU 占用、代码运行等指标进行评估并改进。

3.3 平台功能测试

功能的完整性和合理性也是测试的重要部分。漫游功能使用户以兴趣为引导自由探索，以第一人称视角配合键盘、鼠标与UI 进行交互。演示功能则通过仿真展示了物流、检测等多个环节的作业流程。学习功能让用户在第三人称视角下整体性地了解智能制造概念和框架，通过文字、图片、模型、音视频等多种形式进行科普学习。经过测试，科普平台的漫游、演示和学习功能均能良好运行，同时UI 的引导功能和控制逻辑设定合理，能够达到相应的要求。

结束语

Unity 拥有丰富的资源库和功能插件，可以帮助开发者高效地构建个性化的航空科普平台，且相较传统科普方式具有更便捷、更生动、更低成本的优势，能给使用者带来更好的体验感。平台下一步将继续优化系统性能，针对不同的应用场景开发更丰富的科普功能，有望今后在航空制造科普教育方向发挥更大的作用。