劉安平 苑鵬濤 邵文冕

Development of Virtual Practice Platform of Electrical Control Based on Unity3D

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍；在Maya軟件建模基礎(chǔ)上，通過Unity3D軟件構(gòu)建虛擬世界，完成電氣控制訓(xùn)練虛擬實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)，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.

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；Unity3D；電氣控制訓(xùn)練；虛擬實(shí)踐平臺(tái)

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

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）15-0212-02

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)，是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的交叉集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。

根據(jù)用戶參與虛擬現(xiàn)實(shí)的不同形式以及沉浸的程度不同，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可分為三類[1]：

①桌面式，利用個(gè)人計(jì)算機(jī)或圖形工作站等設(shè)備，產(chǎn)生虛擬場景，通過三維鼠標(biāo)或其它手控輸入設(shè)備，將計(jì)算機(jī)的屏幕作為觀察虛擬世界的一個(gè)窗口，在一些專業(yè)軟件幫助下，用戶參與虛擬世界的活動(dòng)。

②沉浸式，通常采用頭盔式顯示器、洞穴式立體顯示等設(shè)備，利用空間位置跟蹤定位設(shè)備、數(shù)據(jù)手套、其他手控輸入設(shè)備、聲音設(shè)備讓使用者沉入其中。

③共享式，是一種基于網(wǎng)絡(luò)連接的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它將多個(gè)用戶通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，達(dá)到協(xié)同工作的目的。

作為最出色的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件之一，Unity3D是由英國Unity Technologies公司開發(fā)的一個(gè)讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎[2]。Unity3D軟件，既能開發(fā)娛樂型游戲，例如《鏡之邊緣》、《神廟逃亡2》等，使游戲玩家獲得娛樂和放松為目的；也能開發(fā)嚴(yán)肅型游戲，例如應(yīng)用于軍事國防、醫(yī)療模擬、教育培訓(xùn)以及城市漫游等方面的交互型應(yīng)用程序，以用戶獲得虛擬體驗(yàn)以及虛擬教育為目的。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域是教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍。它營造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式，代之為學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識(shí)、技能的新型學(xué)習(xí)方式。

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以建立各種虛擬實(shí)驗(yàn)室，如地理、物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)室等等，擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以比擬的優(yōu)勢。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，在廣泛的科目領(lǐng)域提供無限的虛擬體驗(yàn)，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過程。親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力，主動(dòng)地去交互與被動(dòng)的灌輸，有本質(zhì)的差別。

2.2 虛擬實(shí)訓(xùn)基地

VR技能訓(xùn)練是利用VR技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)，創(chuàng)造一個(gè)接近事實(shí)的訓(xùn)練情景，使學(xué)生身處其中，自己動(dòng)手操作，獲得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，掌握操作技能[3]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起來的虛擬實(shí)訓(xùn)基地，其“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的，可以根據(jù)需要隨時(shí)生成新的設(shè)備。教學(xué)內(nèi)容可以不斷更新，使實(shí)踐訓(xùn)練及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。

3 虛擬實(shí)踐平臺(tái)構(gòu)建模式

在虛擬實(shí)踐平臺(tái)構(gòu)建過程中，采用Maya2016軟件進(jìn)行虛擬實(shí)踐模型建模，采用Unity3D Pro（5.6.4f1個(gè)人版）軟件進(jìn)行虛擬世界的構(gòu)建。

電氣控制訓(xùn)練虛擬實(shí)踐平臺(tái)主菜單界面見圖1，電氣控制訓(xùn)練共有四個(gè)訓(xùn)練項(xiàng)目，對(duì)應(yīng)四個(gè)游戲關(guān)卡。利用Unity3D技術(shù)，通過圖形與用戶界面（GUI）的選擇，將電氣控制訓(xùn)練的每個(gè)訓(xùn)練項(xiàng)目設(shè)計(jì)成一個(gè)游戲場景，相當(dāng)于一個(gè)游戲關(guān)卡。點(diǎn)擊訓(xùn)練項(xiàng)目按鈕，進(jìn)入對(duì)應(yīng)訓(xùn)練項(xiàng)目的游戲界面，開始電氣控制訓(xùn)練虛擬實(shí)踐。每個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目有三個(gè)環(huán)節(jié)，分別是器件布局、電路連接和電路檢測。

3.1 器件布局

器件布局，就是把導(dǎo)入到Unity3D場景內(nèi)的元器件，按在虛擬實(shí)踐平臺(tái)上預(yù)先設(shè)定好的位置擺放好。

3.1.1 器件模型導(dǎo)入方法

利用Maya軟件，將三相交流電動(dòng)機(jī)、交流接觸器、熱繼電器、三相斷路器、按鈕開關(guān)、行程開關(guān)和時(shí)間繼電器等元器件制作成3D模型，導(dǎo)出為FBX文件，存入U(xiǎn)nity項(xiàng)目文件夾下的Assets文件夾下；打開Unity項(xiàng)目文件，就能看到導(dǎo)入的元器件的3D模型了。這里注意一點(diǎn)，因?yàn)镸aya軟件的常用單位是厘米，Unity3D軟件的常用單位是米，所以打開Unity導(dǎo)入的FBX文件時(shí)，屬性面板中的放大倍數(shù)由1改為100，才能保證導(dǎo)入的3D模型大小不變。

3.1.2 器件布局虛擬實(shí)踐模式

按游戲開發(fā)的需要，創(chuàng)建和編寫相應(yīng)的Script腳本語言，這里主要采用GUI桌面按鈕和JavaScipts腳本語言中的If語句來實(shí)現(xiàn)交互動(dòng)作的控制。點(diǎn)選虛擬實(shí)踐臺(tái)桌面上的的元器件，參照器件布局提示，通過鍵盤按鍵將器件平移到相應(yīng)位置附近區(qū)域，器件會(huì)自動(dòng)找到預(yù)先設(shè)定的位置，完成器件布局。完成器件布局后，控制主攝像機(jī)移動(dòng)，可以進(jìn)行場景漫游，加深對(duì)器件的認(rèn)識(shí)；按動(dòng)返回按鈕，回到主菜單界面，按動(dòng)繼續(xù)按鈕，進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。

3.2 電路連接

電路連接包括主電路連線和控制電路連線兩部分，導(dǎo)線的模型和連線最終位置，都是在Maya軟件里制作和設(shè)定的。在游戲界面中，通過Unity3D軟件中的Script腳本語言完成人機(jī)交互控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電路連接的虛擬實(shí)踐。

3.2.1 主電路連線

主電路連線就是三相電源由配電箱引出，經(jīng)三相斷路器、交流接觸器主觸點(diǎn)、熱繼電器，最后到電動(dòng)機(jī)線圈的連線，共有5組導(dǎo)線，每組3根導(dǎo)線。

3.2.2 按鈕開關(guān)內(nèi)部連線

自鎖控制線路，用到綠色啟動(dòng)按鈕和紅色停止按鈕，按鈕內(nèi)部連好導(dǎo)線以后，引出3根導(dǎo)線；后三個(gè)線路，按鈕盒里的綠、黑和紅色按鈕都要用到，按鈕內(nèi)部連好線以后引出4根導(dǎo)線。

3.2.3 控制電路連線

控制電路連線，參考電路原理圖，先連接電源線，再連接按鈕引出線，最后連接其它節(jié)點(diǎn)連線。

3.3 電路檢測

電路檢測包括送電前檢測和送電試車兩部分，送電前檢測要顯示萬用表測量到的數(shù)據(jù)，送電檢測要搬動(dòng)電源開關(guān)、按動(dòng)按鈕開關(guān)，顯示電機(jī)上的風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)。在電路檢測這一環(huán)節(jié)，游戲界面上設(shè)定3個(gè)動(dòng)畫播放按鈕和一個(gè)返回按鈕。通過播放主電路檢測、控制電路檢測和送電試車三個(gè)動(dòng)畫來實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)踐。

4 虛擬實(shí)踐平臺(tái)的特點(diǎn)和意義

電氣控制訓(xùn)練虛擬實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)，既彌補(bǔ)了過去電氣控制訓(xùn)練實(shí)踐操作的不足，又更加完善了電氣控制訓(xùn)練室的數(shù)字化建設(shè)。主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

4.1 模塊全方位、次數(shù)無限制

在虛擬實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)基礎(chǔ)上，根據(jù)教學(xué)需要，不斷完善和更新電子器件的3D虛擬模型，我們就能進(jìn)行各種實(shí)踐模塊的虛擬訓(xùn)練了；每個(gè)模塊，學(xué)生還可以反復(fù)訓(xùn)練，直到熟練掌握實(shí)踐操作技能。

4.2 訓(xùn)練場地、訓(xùn)練時(shí)間不限[4]

Unity3D軟件對(duì)電腦的配置要求不高，學(xué)生只要在電腦上裝有Unity3D軟件，就能隨時(shí)隨地的進(jìn)行電氣控制訓(xùn)練課程的虛擬實(shí)踐了。

4.3 學(xué)和玩相融、技能易掌握

在電氣控制訓(xùn)練虛擬實(shí)踐平臺(tái)中，通過Unity3D軟件，將訓(xùn)練項(xiàng)目設(shè)置成游戲關(guān)卡，將學(xué)習(xí)和游戲融為一體，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生更容易掌握教學(xué)大綱要求的實(shí)踐技能。

4.4 材料低損耗、設(shè)備人身零風(fēng)險(xiǎn)[5]

將實(shí)踐訓(xùn)練的內(nèi)容進(jìn)行整合，學(xué)生經(jīng)過虛擬實(shí)踐平臺(tái)訓(xùn)練后，具有了一定的實(shí)踐操作技能，這時(shí)再進(jìn)行真正意義的實(shí)踐操作，就不會(huì)因?yàn)檎`操作而浪費(fèi)導(dǎo)線和對(duì)設(shè)備造成損壞，也避免了因?yàn)槊つ坎僮饕鸬娜松碛|電事故的發(fā)生，得到事半功倍的效果。

5 結(jié)語

電氣控制訓(xùn)練虛擬實(shí)踐平臺(tái)試運(yùn)行以來，極大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的實(shí)踐教學(xué)效果。由于經(jīng)費(fèi)和我們掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)水平的限制，目前只開發(fā)了桌面式虛擬實(shí)踐平臺(tái)，關(guān)于沉浸式和共享式的虛擬實(shí)踐平臺(tái)，有待今后學(xué)習(xí)和進(jìn)一步開發(fā)研究。

參考文獻(xiàn)：

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