邵偉平，李東洋

(沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

隨著無人飛行器在國內(nèi)外軍事、民生等領(lǐng)域的廣泛應用，作為無人飛行器中的重要分支，仿生撲翼飛行器也獲得了深入的研究。相較于微小型固定翼飛行器和旋翼飛行器的不穩(wěn)定性，撲翼飛行器的撲翼結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的氣動力，實現(xiàn)懸停。在遇到外界干擾或者突發(fā)情況時，具有更好的穩(wěn)定性、靈活性和機動性[1-3]。

隨著虛擬仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的不斷迭代，虛擬仿真的應用范圍從最初的游戲領(lǐng)域發(fā)展到工業(yè)仿真、教學培訓、航空航天等各領(lǐng)域，在軍事領(lǐng)域也有著廣闊的前景，無論是武器仿真還是模擬訓練等方面都有很強的可研究性[4-5]。

Unity3D引擎是現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究使用的主要平臺，支持大多數(shù)三維建模軟件和C#、Java等多種腳本語言，廣泛應用于航天、工業(yè)、軍事、醫(yī)學、教育、建筑等多個領(lǐng)域[6-7]。傳統(tǒng)的仿真軟件只能從數(shù)據(jù)方面呈現(xiàn)設(shè)計效果，而虛擬現(xiàn)實可以更直觀地感受設(shè)計成果。通過Unity3D引擎中的NavMesh功能，配合編寫的相關(guān)腳本，實現(xiàn)撲翼飛行器的自主尋路的虛擬仿真。

1 模型和場景構(gòu)建

1.1 撲翼飛行器的繪制和處理

選擇UG進行撲80翼飛行器的三維建模，根據(jù)設(shè)計參數(shù)完成撲翼飛行器的模型制作。將模型導入還原度和精細度更好的3DMAX中做進一步處理，拆分分類，對坐標軸等進行修改，以便在Unity3D中使用，進行貼圖后導出FBX格式，導入到Unity3D，根據(jù)需要對模型部件進行父子關(guān)系以及屬性的設(shè)置，完成撲翼飛行器的準備工作。

1.2 場景搭建

根據(jù)實驗需要選擇設(shè)計場景，以街道為主要地形，建筑群作為尋路時的避障物體。將做好的街道模型和需要的紋理及貼圖導入到Unity3D引擎。根據(jù)街道的形式依次把紋理貼圖按照順序置于地形上，通過紋理貼圖的使用，劃出馬路、公路等區(qū)域，處理后的地表模型如圖1所示。

圖1 處理后的地表模型

將3DMAX做好的建筑物模型導入Unity3D，將建筑物組合分區(qū)填入城市，通過建筑物的分割和街道的連接使場景初步具備一個現(xiàn)實的城市樣貌。制作一些搭配場景風格的裝飾物導入場景，使城市場景看起來更加真實，如花壇、路邊長椅、路燈、告示牌、噴泉和垃圾桶等。

完成場景內(nèi)部對象的外觀和形狀后，對場景中的環(huán)境進行設(shè)置，主要包括天空盒和光照系統(tǒng)兩部分。天空盒是Unity3D引擎中對環(huán)境進行渲染的重要組件，由六個面構(gòu)成，像盒子一樣將場景囊括其中，天空盒可以增加場景的真實感，并且對硬件的負載也較小。將貼圖填入Unity3D的Skybox(天空盒)組件，把組件應用到場景攝像機上。光源是配合天空盒的重要組成部分，使場景更具真實感。Unity3D中的光源主要有四種：點光源、平行光、聚光燈和區(qū)域光。使用平行光光源搭配陰影效果達到模擬真實太陽光的照射情況，路燈上可添加點光源，場景最終效果如圖2所示。

圖2 場景最終效果

2 自主尋路方法及原理

2.1 尋路方法的選擇

目前尋路方法眾多，各有優(yōu)劣，常用的主流算法有A*算法、NavMesh算法[8-9]。

A*算法是一種傳統(tǒng)的智能尋路算法，是使用最廣泛的尋路算法之一[10]，但在Unity3D內(nèi)有尋路組件NavMeshAgent，無論是腳本編寫方面或是設(shè)定網(wǎng)格和烘焙地形方面，NavMesh算法的便捷性均優(yōu)于A*算法。在算法的效率問題上，在這種非大型場景中，NavMesh算法的效率也更高，因此選擇NavMesh算法作為本次實驗的尋路算法。

2.2 NavMesh算法原理

NavMesh算法分為Recast算法和Detour算法兩部分。Recast算法是NavMesh的核心，將地圖數(shù)據(jù)進行簡化和抽象處理，使其變成可用于尋路的網(wǎng)格模型，生成可導航地圖，將地圖導入Detour算法，Detour算法再基于導航網(wǎng)格進行路徑規(guī)劃。

Recast算法首先將原地圖網(wǎng)格光柵化，形成一個高度場。進一步定義可通過部分，將這些部分劃分為連續(xù)的地區(qū)，同時剔除不可通過的部分。再將劃分好的可通過地區(qū)轉(zhuǎn)換為簡單的多邊形，然后進行簡化，簡化邊界和相近多邊形的邊緣，變成更利于尋路的凸多邊形。將凸多邊形網(wǎng)格三角化，并對細節(jié)進行優(yōu)化，完成導航網(wǎng)格。Detour算法基于Recast算法生成導航多邊形網(wǎng)格，通過算法尋找起止點多邊形，進行路徑規(guī)劃。提高了一定的效率，平衡了算法的運行效率和路徑的準確性，因此，NavMesh算法在非大型場景中的表現(xiàn)較為優(yōu)秀。

3 自主尋路的實現(xiàn)

3.1 NavMesh導航組件

在Unity3D引擎的編輯器中，打開Navigation面板，包括4種標簽，如圖3所示。

圖3 Navigation面板的4種標簽

(1) 代理：設(shè)定導航時尋路對象與障礙物的接近程度，尋路對象可達到的高度等。

(2) 區(qū)域：對地圖上的物體進行分類，用層來表示，默認有三個，也可自己添加。

(3) 對象：對當前選擇的場景中的物體進行操作，其中Navigation Static判斷此物體是否作為尋路過程的一部分，所以前面制作的場景地圖和地圖上設(shè)置的障礙物等都要勾選此項。

(4) 烘焙：對當前地圖進行烘焙。完成上面幾項的設(shè)置后，點擊烘焙，生成可行走的Navmesh導航區(qū)域，如圖4所示。

圖4 Navmesh導航區(qū)域

為撲翼飛行器添加NavMesh Agent組件，對尋路對象的參數(shù)進行初步設(shè)置，如必要的速度、角速度、加速度和制動距離等，其中制動距離表示離障礙多遠時開始減速。此外，還有對障礙進行躲避時的半徑、高度等參數(shù)以及尋路的一些設(shè)置。

3.2 編寫腳本

Unity3D引擎支持JAVA語言和C#語言進行腳本的編寫，由于C#語言在Unity3D中使用更方便，所以選擇C#作為編程語言，來配合Navigation面板和NavMesh Agent組件完成自主尋路。腳本設(shè)計以鼠標點擊位置為尋路的目標終點，且在尋路途中再次點擊其他地點，可以隨時更改目標，其部分代碼如下：

NavMeshAgent agent;

private LineRenderer lr;

void Start()

{

agent = GetComponent();

//獲取組件

lr = GetComponent();

InitLine();

}

……

if (Input.GetMouseButtonDown(0))

{

Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay

(Input.mousePosition);

RaycastHit hit;

……

}

為了更好地看到尋路時的情況，再編寫一個腳本使場景內(nèi)的攝影機跟隨撲翼飛行器，將腳本搭載在攝影機上。

3.3 實驗測試

將撲翼飛行器放入搭建好的場景中，添加Navigation面板，設(shè)置參數(shù)，進行烘焙生成導航網(wǎng)格。為撲翼飛行器添加NavMesh Agent組件，設(shè)置各種參數(shù)，將寫好的腳本搭載到撲翼飛行器上。

在運行場景中點擊無障礙處作為目標點，撲翼飛行器能避開障礙物，準確地進行尋路。為方便查看，使用著色小球作為目標點進行測試，如圖5所示，在撲翼飛行器尋路過程中點擊其他地點，可做到即時重新尋路，并且路線準確。圖6所示為撲翼飛行器尋路時的飛行姿態(tài)。

圖5 撲翼飛行器到達的目標點

圖6 撲翼飛行器尋路時的飛行姿態(tài)

4 結(jié)束語

基于Unity3D引擎，研究撲翼飛行器的自主尋路，建立相關(guān)模型并且進行處理。搭建適于實驗的場景地圖，選擇NavMesh算法作為尋路算法，配合Unity3D內(nèi)組件的使用，大大簡化了腳本的編寫，通過鼠標點擊進行自主尋路并隨時更換目標，實現(xiàn)了撲翼飛行器自主尋路的虛擬仿真。

由于Unity3D引擎的可視化，打破了傳統(tǒng)仿真只能用數(shù)據(jù)表現(xiàn)的單一形式，實時可見撲翼飛行器的狀態(tài)和尋路過程。Unity3D引擎作為專業(yè)的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品，暫時還無法與外部的飛行器系統(tǒng)對接輸出。隨著Unity3D在各場景應用的越來越廣泛，不僅會有更完善的尋路方法，也會與外部系統(tǒng)有良好的配合應用。