【摘要】 消防車的安全檢測(cè)中經(jīng)常需要伸展至大于30米的規(guī)定工作高度，因此經(jīng)常在室外進(jìn)行安全檢測(cè)，該情況下的檢測(cè)以檢驗(yàn)人員目測(cè)，主觀判斷為主，無(wú)法提供進(jìn)一步的數(shù)據(jù)支持，一方面不盡客觀，不符合檢驗(yàn)要求，另一方面對(duì)檢驗(yàn)人員的專業(yè)素質(zhì)要求較高，本文旨在討論利用Unity3D配合VisualStudio開發(fā)能還原消防車工作情況的軟硬件系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】 Unity3D 傳感器 三維圖像 消防車

一、前言

時(shí)至今日，三維成像技術(shù)早已在工業(yè)、科研、教育娛樂(lè)等眾多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，在工業(yè)和科研中以往許多以波形、圖表、參數(shù)來(lái)顯示的現(xiàn)場(chǎng)工作狀況早已被替換成直觀的三維圖像，也使得人們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的判斷也更加準(zhǔn)確快速。在消防車安全檢測(cè)領(lǐng)域中，由于工作狀態(tài)下的消防車工作高度經(jīng)常大于30米，很多時(shí)候，檢測(cè)人員只能通過(guò)目測(cè)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)。從精確度和有效性上講這樣的方法缺陷較大。因此，本文旨在探討用傳感器和Unity3D三維圖像引擎開發(fā)一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)反應(yīng)消防車工作臂工作狀態(tài)的軟硬件系統(tǒng)。

二、整體系統(tǒng)說(shuō)明

系統(tǒng)說(shuō)明如圖1所示。數(shù)據(jù)采集器采集陀螺儀和激光測(cè)距傳感器的參數(shù)，再通過(guò)RS232發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)軟件將收集到的數(shù)據(jù)加工后送至Unity3D開發(fā)的三維顯示界面，與此同時(shí)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息顯示在屏幕上。

2.1硬件部分

加速度計(jì)陀螺儀采用市面上常見的MPU6050模塊，數(shù)據(jù)包分為加速度包、角速度包和角度包。用于三維現(xiàn)場(chǎng)還原時(shí)，主要用角度包當(dāng)中的俯仰角數(shù)據(jù)，用來(lái)體現(xiàn)消費(fèi)車工作臂的抬起角度。

激光傳感器采用KAKRU公司的HPS-L1-V系列拉繩傳感器。用于三維現(xiàn)場(chǎng)還原時(shí)，拉繩傳感器用來(lái)提供工作臂伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度。返回的數(shù)據(jù)用4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)來(lái)表示長(zhǎng)度。

2.2軟件部分

軟件分為兩大部分，第一部分上位機(jī)主體，主要為軟件主界面，包括串口循環(huán)讀取模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和參數(shù)傳遞模塊。此部分在VisualStudio中開發(fā)完成。

第二部分為Unity3D三維圖像顯示控件，主要功能為接受后臺(tái)的數(shù)據(jù)處理模塊傳遞過(guò)來(lái)的參數(shù)，還原成現(xiàn)場(chǎng)的情況。此部分在Unity3D開發(fā)環(huán)境中開發(fā)完成。

2.2.1軟件主界面

1.串口循環(huán)讀取模塊

功能：由計(jì)時(shí)器（Timer）為主體，Timer每一次觸發(fā)，讀取串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，在解析之前，需要先進(jìn)行搜索數(shù)據(jù)包頭的操作。

搜索方法主要由依次遍歷匹配實(shí)現(xiàn)，此次設(shè)計(jì)采用的硬件中，代表包頭的數(shù)據(jù)內(nèi)容為“0x55”，則搜索數(shù)據(jù)包頭操作說(shuō)明即為：將串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取至一個(gè)字節(jié)數(shù)組，對(duì)該數(shù)組第一位進(jìn)行判斷，若為“0x55”，則程序繼續(xù)執(zhí)行，否則對(duì)該數(shù)組下一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。

由MPU6050使用說(shuō)明書可知，找到包頭之后，若包頭之后的一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)為“0x53”，則代表該包為角度包，此時(shí)數(shù)據(jù)編號(hào)為“4”和“5”的數(shù)據(jù)（即包頭之后第四和第五個(gè)字節(jié)）即為角度包的高位值和低位值。

該模塊主要代碼如下（buf為字節(jié)數(shù)組，用于存儲(chǔ)串口數(shù)據(jù)）：

private void timerSerialData_Tick（object sender， EventArgs e）

{serialPort1.Read（buf， 0， 66）；

for （m = 0； m < 33； m++）

{if （（buf[m] == 0x55） （buf[m + 1] == 0x53））

DataAnalysis（）；

}}}

2.數(shù)據(jù)處理模塊

功能：該模塊主要將串口循環(huán)讀取模塊讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析出來(lái)的數(shù)據(jù)用于計(jì)算Unity3D引擎中需要顯示的各個(gè)模塊的參數(shù)。

以一組兩節(jié)工作臂的消防車為例，在空間坐標(biāo)中，假定工作臂在空間坐標(biāo)中的X正方向上抬起、放下，在已知抬起的角度a（即俯仰角）及工作臂伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度L，即可通過(guò)簡(jiǎn)單的三角函數(shù)計(jì)算出工作臂的第一節(jié)臂和第二節(jié)臂的中心位置和姿態(tài)角度，計(jì)算方法在此不在贅述。

相關(guān)代碼如下：

變量說(shuō)明：

LA一一Scale為縮放值，即現(xiàn)實(shí)中工作臂的長(zhǎng)度換算為三維模型時(shí)的比例，LA為該縮放值下的工作臂長(zhǎng)度。

DataAnalysis（）；

{a = （Convert.ToInt32（buf[m + 5] << 8 | buf[m + 4]）） / 32768.0* 3.1415926；

L = Convert.ToInt32（（buf[m + 11] << 8 | buf[m + 10]），16）；}

3.參數(shù)傳遞模塊

功能：Unity3D開發(fā)的三維模塊可以以控件的形式加載，用SendMessage方法來(lái)傳遞參數(shù)，此時(shí)需要定義一個(gè)簡(jiǎn)單通訊協(xié)議，通訊協(xié)議如下：

參數(shù)按順序依次為第一節(jié)臂中心點(diǎn)位置（p_x1， p_y1， p_z1），工作臂第一節(jié)姿態(tài)角度（0 ， a ， 0），工作臂第二節(jié)中心點(diǎn)位置（ p_x2， p_y2， p_z2）工作臂第二節(jié)姿態(tài)角度（0 ， a ， 0）。將參數(shù)依次放進(jìn)字符串a(chǎn)并用逗號(hào)隔開后，直接使用SendMessage即可

代碼如下：

axUnityWebPlayer1.SendMessage（“FireEngine”，“CallUnity”， a）；

代碼中最后一行的”FireEngine”為Unity3D中需要調(diào)用腳本的對(duì)象，”CallUnity”為調(diào)用的腳本。

2.2.2 Unity3D三維圖像顯示控件

1.三維圖像模塊

此模塊用于三維模型顯示，在Unity3D開發(fā)平臺(tái)開發(fā)，消防車的三維模型可以使用3Dmax軟件制作，在Unity3D開發(fā)平臺(tái)中加載消防車的三維模型即可。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，我們將消防車三維模型中消防臂的底端移至場(chǎng)景中空間坐標(biāo)的（0，0，0）點(diǎn)，并將消防臂朝向X軸的正方向，此時(shí)記錄下消防臂第一節(jié)臂的中心點(diǎn)在X軸上的坐標(biāo)值L1X，這個(gè)值的兩倍除以現(xiàn)實(shí)世界中消防車的工作臂長(zhǎng)度即為本文之前提到的Scale縮放值。

即 Scale= 2*L1X / （現(xiàn)實(shí)中消防車工作臂長(zhǎng)度）

之后在Unity3D中新建一個(gè)腳本，名為“CallUnity”，腳本的對(duì)象為消防車“FireEngine”。

2.參數(shù)拆包模塊

此模塊對(duì)應(yīng)2.1.3的參數(shù)傳遞模塊。SendMessage中的字符串a(chǎn)中包含所有控制參數(shù)，因此先用Spilt方法分割參數(shù)，然后將分割的參數(shù)由字符串類型改變?yōu)楦↑c(diǎn)型，存入數(shù)組data，代碼不在此贅述。

3.模型控制模塊

此模塊的功能主要為調(diào)用控制參數(shù)控制消防車的兩節(jié)工作臂。控制主要通過(guò)Unity3D的transform方法實(shí)現(xiàn)，代碼如下（arm1、arm2分別為第一、第二節(jié)工作臂）：

void OnGUI（）

{

Arm1.transform.position = Vector3（data[0]， data[1]， data[2]）；

Arm1.transform.rotation = Vector3（data[3]， data[4]， data[5]）；

Arm2.transform.position = Vector3（data[6]， data[7]， data[8]）；

Arm2.transform.rotation = Vector3（data[9]， data[10]， data[11]）；

}

這段代碼每執(zhí)行一次，都會(huì)將工作臂的第一節(jié)和第二節(jié)臂的模型移動(dòng)至計(jì)算好的位置上，并調(diào)整成相應(yīng)的姿態(tài)角。因此即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)還原。

最終三維圖像的效果如下圖：

三、總結(jié)與展望

許多消防車的工作臂頂端會(huì)連接一個(gè)工作斗，這套系統(tǒng)在工作斗上也可以安裝一個(gè)陀螺儀，采集工作斗的調(diào)平數(shù)據(jù)，對(duì)該數(shù)據(jù)計(jì)算累計(jì)時(shí)間即可反應(yīng)出工作斗調(diào)平響應(yīng)時(shí)間等測(cè)試指標(biāo)。即可簡(jiǎn)化測(cè)試員在該情況下的測(cè)試工作。

該軟件系統(tǒng)可以添加數(shù)據(jù)庫(kù)功能，數(shù)據(jù)庫(kù)中存如現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)，只需簡(jiǎn)單的逐行調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)情況再次重現(xiàn)的功能，為測(cè)試員重復(fù)觀察提供了極大便利。

這樣的系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)單，軟硬件成本低，且功能可以根據(jù)不同類型傳感器、用戶需求、算法實(shí)現(xiàn)不同的功能?？蓱?yīng)用于諸如教學(xué)，機(jī)械裝置狀況反饋等多種場(chǎng)合。