陈敏捷，羊荣金，沈孟锋

基于Android平台的液压虚拟实验系统设计

陈敏捷，羊荣金，沈孟锋

（杭州科技职业技术学院 机电工程学院，浙江 杭州 311402）

为提高“液压传动”课程实验教学质量，借助UG与3ds Max建模软件构建液压零部件模型，并以Unity开发引擎搭建了基于Android平台的液压虚拟实验系统。该系统具有实验室漫游、实验指导、知识点学习、液压元件拆装练习以及液压回路与系统搭建、成果展示等功能。系统效果逼真、人机交互性强，且比桌面式应用更方便灵活，不受时空限制，能充分激发学生的学习兴趣，提高学习质量。

液压实验；虚拟现实；实验教学；Unity 3D

杭州科技职业技术学院将虚拟现实技术应用于液压实验教学环节，采用虚实结合的方式开展实验教学，在提高学生学习兴趣、培养学生实践动手能力与创新意识等方面获得了较好的效果[1]。由于电脑桌面式虚拟实验系统受使用时间、场地的限制，故而开发了一套能在Android手机上运行的液压虚拟实验系统。该系统具有漫游、实验指导、知识点学习、液压元件拆装练习以及液压回路与系统搭建、成果展示等功能，方便学生在课堂、实验室、自习室、宿舍等空间随时进行持续性学习，为提高教学效率和效果提供有力支持[2]。

1 系统的总体设计

1.1 系统的设计思路

本系统定位为基于手机终端、配合信息化教学的虚拟现实互动平台，能够方便学生开展移动式、碎片化学习。系统开发的总体思路为：

（1）界面设计。界面友好、操作方便、环境真实、模型准确，能保证实验的准确性，并让学生从中体验学习的乐趣。

（2）内容设计。原有PC版系统已有液压回路与液压系统搭建的内容，在此基础上增加实验室漫游、实验指导、知识点学习、液压元件拆装练习以及成果展示等内容，既涉及液压传动课程理论教学的核心知识点，又涵盖实验教学的全部内容。在“成果展示”模块展示相关竞赛、科研的最新成果，是学生接触最新液压技术的窗口。

（3）人机交互。既可以全方位进行液压元件的拆装练习，又可以多角度地进行液压回路与系统搭建、实验数据采集等，沉浸感强。

（4）资源共享。可以通过校园网、精品课程、云课程平台等途径实现资源共享，使师生享受虚拟现实技术带给教学的便利。

1.2 系统的框架结构

液压虚拟实验系统的总体框架结构如图1所示。其中，元件部分涵盖齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、单杆活塞缸等14种液压元件；回路部分涵盖压力调节回路、多级调压回路、采用节流阀的节流调速回路等19种基本液压回路；典型系统部分涵盖YT4543型动力滑台液压系统等4种典型液压系统[3]。

图1 液压虚拟实验系统的总体框架结构

2 系统的技术方案

目前，手机系统平台主要为Android、IOS系统，学生普遍使用的小米、OPPO、华为等手机均采用Android系统。本液压虚拟实验系统选择Android系统作为运行平台，技术方案如图2所示。

通过建模软件Solidworks创建液压元件、实验台等装配体模型，并将其导入3ds Max进行模型优化[4-5]。3ds Max可以赋予模型灯光和材质[6]。模型的贴图和材质也可以利用Photoshop软件处理。优化后的模型以Unity能够识别的.fbx文件格式保存。模型和贴图、材质等导入Unity，通过C#编写与之功能相应的脚本程序，并设计系统界面，提供良好的人机交互功能[7]。

图2 液压虚拟实验系统的技术方案

为Unity搭建Android开发环境JDK（Java development kit）、SDK（software development kit）和Eclipse，生成apk安装包，实现Android平台的手机应用[8]。

3 系统的关键技术

液压虚拟实验系统的关键技术是人机交互。人机交互是指用户通过键盘、鼠标和一些外部输入设备控制和操纵虚拟场景中的动作。PC端系统主要通过鼠标与键盘实现交互，而手机的输入设备是触摸屏。因此，需要将对鼠标的操作映射到指尖对触摸屏的相关操作上，才能适配。

本系统的登录或退出、实验的选择、教学资源的点击播放等通过UI界面的Button元素实现；元件的控制（移动、旋转、缩放等）、元件的虚拟拆装以及回路与系统的虚拟搭建通过与元件模型的交互操作来实现。

3.1 元件移动、旋转、缩放等交互功能的实现

通过指尖触摸的方式对液压虚拟实验系统的元件模型进行操作，其原理是从指尖触摸的位置发射一条射线，并检测射线与元件模型的碰撞体Collider是否接触。在对每个元件模型添加Box Collider后，增加FingerTouch脚本，使之支持指尖触摸操作。对于界面上存在的大量UI按钮等，必须防止点击到UI时触发移动、旋转与缩放。FingerTouch脚本中，单点长按1 s后平行滑动实现元件移动，单点滑动实现元件旋转，多点触摸实现元件缩放。脚本核心代码如下：

//计算老的两点距离和新的两点间距离，变大要放大模型，变小要缩放模型

float oldDistance = Vector2.Distance(oldTouch1. position, oldTouch2.position);

float newDistance = Vector2.Distance(newTouch1. position, newTouch2.position);

//两个距离之差，为正表示放大手势，为负表示缩小手势

float offset = newDistance - oldDistance;

//放大因子，一个像素按 0.01倍来算(100可调整)

float scaleFactor = offset / 100f;

Vector3 localScale = transform.localScale;

Vector3 scale = new Vector3(localScale.x + scaleFactor,

localScale.y + scaleFactor,

localScale.z + scaleFactor);

3.2 回路与系统虚拟搭建的实现

回路与系统的虚拟搭建是通过从UI拖拽生成元件模型实体的方式实现的。当开始拖拽时，即生成元件的模型实体；拖拽过程中，检测射线击中场景中的点并把该点的坐标赋值给生成的元件模型实体。最终，拖拽生成的元件模型实体放置在赋值的坐标点处。脚本核心代码如下：

if (go!=null)

{

Ray ray = Camera.main.ScreenPoint ToRay (Input.fingerPosition);

RaycastHit hit;

Vector3 screenSpace;

if (Physics.Raycast(ray, out hit))

{

go.transform.position = hit.point;

}

else

{

Vector3 pos = Camera.main.ScreenToWorldPoint (Input.fingerPosition);

go.transform.position = pos;

}

}

4 系统的主要功能界面

系统开发完成后，经过测试，在小米、OPPO、华为、VIVO等多个品牌手机的多个版本Android系统平台运行顺畅，能够达到预期效果。本文以“动力元件虚拟实验”与“差动控制回路虚拟实验”为例进行实验演示。终端设备为华为畅享8plus智能手机，CPU主频2.36 GHz，运行内存为4.0 GB，屏幕分辨率为2160×1080，操作系统为Android8.0.0版本。

在手机上安装液压虚拟实验系统，在登录界面输入用户名、密码进入系统主界面。在系统主界面可以选择要进行的虚拟实验。

4.1 动力元件虚拟实验

在系统主界面单击“动力元件”按钮，进入“动力元件虚拟实验”界面。界面上方设有选项卡，可以进行动力元件虚拟实验类型的选择。动力元件包括齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵，如图3(a)所示。图中选中齿轮泵为实验对象。

界面中心区域为齿轮泵三维模型，针对齿轮泵元件的学习包括3部分内容。

（1）知识点学习。通过单击“元件介绍”“工作原理”“爆炸图”按钮分别进入相应界面进行学习，界面图文并茂，爆炸图界面采用视频文件进行元件爆炸视图展示。

（2）元件结构的全方位展示。单点触摸实现模型移动或旋转，多点触摸实现模型缩放；单击某一部分元件结构，可提示该部分元件结构名称；单击元件结构后可继续选择“元件隐藏”或“元件恢复”进行元件结构的隐藏或恢复。通过触摸操作，可以实现全方位、多角度的元件观察，极具现场感与真实感。图3(b)为齿轮泵经过缩放、移动、旋转并隐藏了前泵盖的效果，单击元件的某结构（例如泵体），显示屏将提示该部分结构名称（例如“泵体”）。

（3）元件的虚拟拆装。在虚拟拆装环境，使用者能按照正确的流程逐步完成拆装过程。点击图3(a)中“虚拟拆装”按钮，系统切换至齿轮泵虚拟拆装界面。在图3(c)所示界面下，用户单击“拆装介绍”按钮即可查看拆装方法介绍，单击按钮“上一步”和“下一步”进行拆卸与装配实验。

图3 动力元件虚拟实验

4.2 差动控制回路虚拟实验

在系统主界面单击“基本回路”按钮，进入如图4所示的基本回路选择界面。本实验系统包括19个基本回路实验。如图5所示，在选择进入“差动控制回路”虚拟实验界面后，单击桌面上的“实验目的”“实验原理”和“实验流程”按钮，可以了解实验并做好实验前的准备。

4.2.1 实验台的搭建与元件的操作

（1）元件搭建。如图6所示，点击左侧“元件库”，选择实验所需用的元件，拖动到原理图相应的位置，待出现一个红色识别区后，释放元件。如果选择元件正确即可完成元件安装。在实验台搭建过程中，仍然可以通过指尖触摸的方式在界面上进行元件与实验台的移动、旋转与缩放。

图4 基本回路选择界面

图5 差动控制回路虚拟实验界面

图6 液压实验台的搭建

（2）管路连接。所有元件安装到位后，点击左侧连管按钮，完成管路连接。管路的透明程度可以通过管路透明调节滑块调节，方便观察液压油的流动情况。

（3）元件的操作。通过元件的操作按钮，例如电源按钮、压泵按钮、电磁阀线圈按钮、阀门上的转向箭头等，即可打开或关闭相应的元件。

4.2.2 信息提示和数据采集

提示和报警：在实验过程中，会出现实验操作步骤的提示，如果实验错误，会出现报警。

实验数据：点击“实验数据”按钮，可以查看实验过程中压力、流量等实时数据。

以“差动控制回路”虚拟实验为例，当三位四通电磁阀处于左位和中位时，可以观察到液压缸伸出速度的变化，帮助学生直观理解差动回路的控制原理；可以读取压力表的压力值，观察系统的压力变化。

5 结语

我校在“液压传动”课程的教学中，通过混合式教学法，将“液压虚拟实验系统”引入理论教学环节。2017级近200名学生使用该移动式、智能化的实验教学平台进行学习，表现出很高的学习热情[9-10]。该液压虚拟实验系统作为“液压传动”课程学习的有效工具，比桌面应用软件更具灵活性。该软件因具有创新性与实用性，已经获得相关软件著作权。基于移动学习模式的巨大发展空间，后续将在人机交互、系统功能等方面继续完善系统，在“液压传动”课程教学中不断创新，取得更好的教学效果。

[1] 陈敏捷，羊荣金，沈孟锋. 虚拟现实技术在液压传动实验教学中的应用研究[J]. 实验技术与管理，2018, 35(4): 136–139.

[2] 邱龙辉. 基于Android平台的工程图学助教助学系统研究与实现[J]. 图学学报，2016, 37(6): 831–835.

[3] 王积伟. 液压传动[M]. 3版. 北京：机械工业出版社，2018.

[4] 刘杰宇，单奇. 基于VR技术的液压多路阀虚拟装配系统研究[J]. 中国测试，2014, 40(增刊1): 121–125.

[5] 何昌伟，贾小平，刘大伟，等. 增强现实技术在船舶液压领域中的应用[J]. 中国航海，2014, 37(2): 24–26, 52.

[6] 梁峙. 中文版3ds Max2014实用教程[M]. 北京：人民邮电出版社，2016.

[7] 吴雁涛. Unity3D平台AR与VR开发快速上手[M]. 北京：清华大学出版社，2017.

[8] 丰生强. Android 软件安全权威指南[M]. 北京：电子工业出版社，2019.

[9] 吕明珠. 虚拟仿真技术在液压与气动实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理，2015, 32(4): 144–146.

[10] 赵雷，杨奕，张利国，等. 基于混合式教学的“液压与气压传动”在线开放课程设计[J]. 实验技术与管理，2018, 35(5): 159–162.

Design of hydraulic virtual experiment system based on Android platform

CHEN Minjie, YANG Rongjin, SHEN Mengfeng

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Hangzhou Polytechnic, Hangzhou 311402, China)

In order to improve the experimental teaching quality of the“Hydraulic drive” course, the model of hydraulic components is built by UG and 3ds Max modeling software, and a hydraulic virtual experiment system based on Android platform is built by Unity development engine. This system has the functions of laboratory roaming, experimental guidance, knowledge point learning, hydraulic component disassembly and assembly exercises, hydraulic circuit and system construction, achievement display, etc. This system has vivid effect, strong human-computer interaction, and is more convenient and flexible than desktop application, which is not limited by time and space and can fully stimulate students’ interest in learning and improve the quality of learning.

hydraumatic experiment; virtual reality; experimental teaching; Unity 3D

G642

A

1002-4956(2019)11-0117-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.029

2019-04-28

浙江省教科规划2018年度研究课题（2018SCG010）；2017年浙江省教育厅一般科研项目（Y201737277）；杭州科技职业技术学院2018年校级重点科研课题（HKZYZD-2018-2）

陈敏捷（1986—），女，浙江温州，硕士，讲师，主要从事液压虚拟仿真教学科研工作。E-mail: 1692326544@qq.com