摘 要：汽車檢測與維修是汽車類專業(yè)的必備技能，為降低實驗成本，提高實訓安全性，打破時間、空間等因素對實訓的限制，文章將借助Unity3D引擎，運用增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實技術，結合交互設備，探究搭建涵蓋汽車展示、模擬駕駛、底盤拆裝、發(fā)動機拆裝、起動機拆裝、考核等六方面，集學習、練習、考核為一體的綜合仿真模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建設可以激發(fā)學生學習興趣，提升動手實踐能力，提升動手實踐能力，增強對汽車各部分的認知，提升觀測能力。

關鍵詞：Unity3D 汽車檢測與維修 底盤 發(fā)動機 起動機

1 緒論

汽車檢測與維修作為本科、高職高專、中職等汽車類專業(yè)的必備技能，涵蓋汽車裝備與調試技術、汽車性能檢測、底盤檢測與維修、發(fā)動機檢測與維修等多門必修課程，具有較強的實踐操作性；但由于汽車種類較多且汽車技術迭代較快，實踐環(huán)節(jié)成本較高，導致實驗設備種類單一，實訓場地較少，致使學生理論知識掌握較好，實踐能力較為薄弱。

隨著新一代信息技術的高速發(fā)展，仿真技術、顯示技術、交互方式的日漸成熟，為解決上述問題，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實已在汽車檢測與維修領域有了進一步的應用。本文將以汽車檢測與維修為研究對象，使用Unity3D引擎，結合交互方式、顯示技術，使用3DMax軟件進行三維建模，從汽車虛擬展示、汽車駕駛、底盤拆裝、發(fā)動機拆裝、起動機拆裝、考核方式等六個方面進行研究，搭建模擬系統(tǒng)。

2 汽車檢測與維修模擬系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)依托Unity3D引擎、增強現(xiàn)實技術、虛擬現(xiàn)實技術，選用體感交互和仿真駕駛設備作為人機交互方式，結合汽車動力學模型等技術手段，探究搭建“一界面、六模塊”的汽車檢測與維修模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)汽車展示、模擬駕駛、底盤拆裝、發(fā)動機拆裝、起動機拆解的模擬仿真操作和考核方式創(chuàng)新；滿足單人拆解、組裝和小組拆解、組裝的多場景需要，幫助提升實訓環(huán)節(jié)的安全性，降低實訓成本，改變實訓空間，增強學習效果。汽車檢測與維修模擬系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

3 汽車檢測與維修模擬系統(tǒng)設計

3.1 汽車檢測與維修模擬系統(tǒng)界面

系統(tǒng)界面采用2D用戶界面，使用UGUI將用戶界面分為三級。一級界面設置賬戶注冊、賬戶登錄按鈕；二級界面包含賬戶注冊界面和賬戶模式選擇界面，賬戶模式選擇包括單人模式和小組模式按鈕；三級界面根據(jù)賬戶選擇模式不同，提供不同模塊選擇按鈕，如：（1）單人模式：三級界面顯示六個模塊按鈕；（2）小組模式：三級界面擁有添加小組成員信息組件和六個模塊按鈕，每小組上限為4人，根據(jù)小組需要，由小組組長選擇模塊功能[1]。

為便于考核模塊中考核結果上傳成績管理系統(tǒng)，在賬戶注冊時，學號、姓名、學校、班級、專業(yè)、身份證號、聯(lián)系方式等信息為必填信息，方便賬戶信息與成績管理系統(tǒng)中的學生信息進行綁定。

3.2 汽車檢測與維修模擬系統(tǒng)六模塊

模擬系統(tǒng)的六模塊分別為：汽車展示模塊、模擬駕駛模塊、底盤拆裝模塊、發(fā)動機拆裝模塊、起動機拆裝模塊、考核模塊。模擬系統(tǒng)中的模型均以CAD作為參考圖，根據(jù)參考圖比例，選用3DMax中對應工具進行三維建模，保障模型規(guī)格、尺寸統(tǒng)一。

3.2.1 交互設備

模擬系統(tǒng)使用的交互設備有兩個，一個是萊仕達PXN-V9-H仿真駕駛設備，一個是Kinect體感交互設備。

仿真駕駛設備-萊仕達PXN-V9-H：該設備能夠多平臺使用，包括方向盤、掛擋桿和踏板三大組件；方向盤旋轉角度可根據(jù)場景需要兩檔調節(jié)，分別為270度和900度；踏板采用線性防滑設計，提升踏板的可控性，可以使操控者有更加真實的駕駛體驗。

Kinect體感交互設備擁有彩色攝像頭、深度紅外攝像頭、紅外CMOS攝像頭和四個四元線性麥克風陣列，擺脫傳統(tǒng)交互設備對操作者的束縛，實現(xiàn)對人體骨骼的追蹤和人臉識別等功能，確保獲取數(shù)據(jù)的準確性。使用Kinect的深度紅外攝像頭采集人體手部信息，在Unity3D引擎中使用C#編寫腳本控制采集到的信息，實現(xiàn)人體手勢借助Kinect傳遞到Unity3D中，以達到虛擬與人體手勢匹配的目的。[2]

3.2.2 汽車展示模塊

汽車展示模塊運用HiAR中適用于Uniyt3D的SDK來實現(xiàn)汽車展示的增強現(xiàn)實功能，由2D界面與汽車信息顯示、汽車縮放與旋轉、觸發(fā)操作所組成。通過2D界面中掃描按鈕，調用攝像頭，掃描標定圖像，結合2D圖像的識別與圖像追蹤技術，對所識別的圖像進行特征提取，與攝像頭呈現(xiàn)畫面進行匹配，匹配成功便會顯示對應的3D模型[3]。3D模型上設置交互組件，添加信息點，觸發(fā)信息點后便可展開3D信息塊，介紹汽車對應位置特征和信息。根據(jù)功能組件的設置不同，實現(xiàn)的效果也各有不同，如：車燈開啟與關閉、車門開啟與關閉、引擎蓋開啟與關閉和改變車身顏色等；通過點擊觸發(fā)人機交互，對Input和Touch類型的輸入信號進行處理，以實現(xiàn)鼠標點擊和手指觸摸兩種形式的模型縮放與旋轉功能。汽車展示模塊可以提升學生的學習興趣，增強其對汽車各部分的認知，提升觀測能力，滿足汽車檢測中對車況的觀察需要。

3.2.3 模擬駕駛模塊

模擬駕駛模塊運用虛擬現(xiàn)實技術模擬真實車輛的行駛過程，結合汽車動力學模型和仿真駕駛操作工具-萊仕達PXN-V9-H，實現(xiàn)虛擬駕駛系統(tǒng)的人機交互。模擬駕駛模塊有兩個基礎功能：基本駕駛模式和汽車行駛行為選擇。

基本駕駛模式以系統(tǒng)提供操作的車輛信息為基礎，運用Wheel Collider車輪碰撞器設置剛體和碰撞體，結合C#代碼調節(jié)汽車的阿克曼轉向、質心和下壓力，增強汽車駕駛過程中的仿真效果。[4]

汽車行駛行為選擇分為兩種，一種是定速巡航，一種是超車行為。定速巡航：使用PID控制算法，調節(jié)KP、KI和KD控制器參數(shù)，通過計算當前速度與目標速度之間的差值，依據(jù)差值和時間調節(jié)當前速度，以達到恒定速度行駛的目的。超車行為：根據(jù)車輛模型添加的剛體和碰撞器組件實現(xiàn)基本控制邏輯，根據(jù)路徑規(guī)劃，使用物理碰撞判斷是否滿足超車環(huán)境，如果滿足，則判斷在哪個車道超車，從而改變車輛速度，完成超車行為。

3.2.4 底盤拆裝模塊

汽車底盤結構可大體分為傳動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)，為滿足學生練習需要，結合底盤結構特點，為底盤結構展示，教學演示，底盤拆裝模式三部分搭配UI按鈕控件，增加模塊的可操作性。

底盤結構展示以圖片的形式整體顯示底盤的構造和組成部分，并搭配說明文字，幫助學生理解和記憶底盤構造的相關知識；教學演示以動畫的形式演示底盤拆裝的流程和步驟，在進度條中標注每一個環(huán)節(jié)的開始位置，方便學生按照自身需求進行反復拖拽學習。底盤拆裝模式，可以以單人模式進入，也可以以小組模式進入；單人模式，學生可以按照對底盤拆裝的掌握程度，按照教學演示中的拆裝流程進行反復練習；小組模式，學生以團隊的形式進行底盤拆裝，按照小組分工，完成底盤拆裝，提升團隊協(xié)作能力，提升底盤拆裝效率。

3.2.5 發(fā)動機拆裝模塊

發(fā)動機拆裝模塊中的結構展示以三維模型的形式進行發(fā)動機結構圖展示和介紹，當學生利用Kinect體感交互設備指向發(fā)動機的某一部分或拆裝時所用的某一個工具時，會隨之彈出該部分的解釋說明文字框，顯示內容包含型號、用途、拆裝環(huán)境等。

教學演示中的動畫設計需以靜態(tài)方式標記所有零件的分解位置和組裝位置，防止因系統(tǒng)關閉和用戶退出而重新播放拆裝動畫；為滿足教學要求，在教學演示的過程中逐一顯示對應零件的信息，以達到溫故而知新的目的。

發(fā)動機拆裝模式通過Kinect體感交互設備將零件移動到安裝位置，當系統(tǒng)檢測到該零件已到達正確的安裝位置時，零件的背景顏色發(fā)生變化，系統(tǒng)則提示零件已完成安裝；當在拆裝的過程中，需要旋轉發(fā)動機模型時，根據(jù)Kinect采集到的手勢信息，實時調用當前攝像機的位置和旋轉數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)控制模型顯示視角的目的[5]。

3.2.6 起動機拆裝模塊

起動機在能量來源、結構、工作原理三個方面與發(fā)動機不同，起動機將電能轉化為機器能，帶動發(fā)動機工作，所以將發(fā)動機拆裝與起動機拆裝分開設計。

發(fā)動機拆裝模塊中結構展示以兩條軸線展示，一是從固定螺栓、電磁開關展開演示，二是后端蓋、單向離合器、減速機構、電樞、磁極、電刷、前端蓋展開演示；根據(jù)手勢點擊位置，顯示各部分具體信息。[6]

教學演示中除了動畫演示以外，添加音頻講解；通過功能按鈕選擇，演示自動拆解和組成過程。在拆裝過程中，當零件拆裝順序與教學演示中的一致時，系統(tǒng)將根據(jù)零件移動的位置判斷當前處于拆解狀態(tài)還是組裝狀態(tài)。

3.2.7 考核模塊

考核模塊分為理論知識考核和實訓技能考核兩部分。

理論知識考核只有單人模式，教師提前按照課程內容和考核要求設置題庫，供學生練習所用。考試時，教師根據(jù)課程需求設置題型數(shù)量和分值，發(fā)布考試試卷，最終將學生成績上傳成績管理系統(tǒng)。

實訓技能考核分為單人模式和小組模式，可以選擇底盤拆裝、發(fā)動機拆裝、起動機拆裝，以三維交互的方式進行考核。拆解和組裝按照正確流程，每一步的分值由教師設置，學生需要在少量信息提示和引導下，完成拆裝操作。單人模式下，當在考試時間內完成拆裝操作，則可以直接根據(jù)分值設置計算分數(shù)；當考試時間截止，拆裝操作仍未完成，則按照學生已完成部分占總分的比重進行計算[7]。多人模式下，學生根據(jù)分工依次完成拆裝操作，在規(guī)定時間內完成的，按照小組成員分工比重進行計算；如果時間截止，操作未完成，根據(jù)小組分工和已完成部分占總分比重，分別計算每一位學生的成績?？己四K中分值和比重設置，在考試發(fā)布前已設置完畢，學生只需按照系統(tǒng)指引完成考試即可，考試結束由系統(tǒng)將最終結果與成績管理系統(tǒng)中的學生信息進行匹配，避免教師二次計算成績和成績錄入，減輕教師工作壓力。

在考核過程中，無論選擇單人模式，還是小組模式，系統(tǒng)能夠自動記錄學生在操作過程中的失誤信息，教師根據(jù)需要導出對應文檔，幫助教師更好地了解學生的學習情況。

4 汽車檢測與維修模擬系統(tǒng)的意義和價值

4.1 安全優(yōu)勢

在傳統(tǒng)的授課方式中，分理論授課與實踐授課，教師和學生受實驗設備、實驗場地和課程時間的影響，學生無法隨時隨地進行實訓練習和接受教師指導，導致學生對機械裝置接觸時間有限，實際操作能力欠佳；安全意識不足，在無教師指導下，進入開放實驗室進行操作，容易造成設備損壞、威脅自身安全的安全事故。該模擬系統(tǒng)的建立，可以讓學生通過虛擬仿真系統(tǒng)學習、練習拆裝過程，即得到正確指導，反復練習，又可以保證學生安全，避免設備損壞。

4.2 成本優(yōu)勢

由于各個學校的實驗經費和實驗場地有限，提供的實驗設備類型單一。該系統(tǒng)可以在資源庫中設置多種典型設備供教師教學和學生練習使用，配備設備結構展示和教學演示，以及汽車整體展示和模擬駕駛模塊，可以節(jié)約大量實驗成本，減輕教師工作壓力，提升學生的學習興趣，增強實踐操作能力，提升觀測汽車車況的能力。

4.3 時間優(yōu)勢

由于實驗場地有限，教師在實訓環(huán)節(jié)授課時，只能保障部分學生能夠觀察到實驗設備的全貌；學生在實訓練習時只能在特定的時間和特點的地點進行練習，難以保障學生在限定時間內掌握所有的實訓操作步驟和操作流程；課后由于教師工作內容繁多，無法一一對學生進行指導，無法掌握每一位學生的學習情況。

利用該系統(tǒng)，學生可以根據(jù)自身狀態(tài)，進入模擬系統(tǒng)，對各部分的零件以各種視角進行觀察和學習，依據(jù)結構展示模式中對零件的信息介紹和教學演示中的動畫指導，開展實訓練習。教師根據(jù)考核模塊中的信息反饋，可以掌握每一位學生的學習情況，開展有針對性的指導。

5 結語

該系統(tǒng)以汽車檢測與維修作為切入點，利用Unity3D引擎，運用增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實技術，結合交互設備，著力搭建涵蓋汽車展示、模擬駕駛、底盤拆裝、發(fā)動機拆裝、起動機拆裝、考核等六方面，集學習、練習、考核為一體的綜合仿真模擬系統(tǒng)，努力打破時間、空間的限制，降低實驗成本，提高實訓安全性，激發(fā)學生學習興趣，提升學生專業(yè)技能。但由于筆者對汽車檢測與維修的理論知識研究不足，對汽車各部分結構分解較為粗糙，今后將進一步深入探索汽車檢測與維修的理論內容和各部分結構特性，優(yōu)化系統(tǒng)邏輯和仿真場景，為教師和學生提供更好的沉浸式體驗。

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