虚拟现实技术在电机实验教学中的应用

2022-05-27王大虎宁彤

计算机时代 2022年5期

王大虎　宁彤

摘要：基于虚拟仿真的思想，以电机教学设备为原型，使用3dsMax和Unity3D软件设计开发电机实验仿真教学系统，实现结果表明，该系统交互性能良好，能对设备结构和实验原理进行直观的展示，帮助学生理解内容抽象的知识，同时也能提供给学生不限时间的使用学习，有效地提高了学生的学习兴趣和学习效率。

关键词：电机实验; Unity3D; 虚拟仿真; 3ds Max

中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2022）05-48-04

Application of virtual reality technology in motor experimental teaching

Wang Dahu， Ning Tong

Abstract： Based on the idea of virtual simulation， taking the motor teaching equipment as a prototype， a motor experimental teaching system is designed and developed with 3ds Max and Unity3D. The results show that this system has a good interaction and can visually display the device structure and experimental principles， which effectively improves students’ learning interest and learning efficiency.

Key words： motor experiment; Unity3D; virtual reality; 3ds Max

引言

电机作为一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置，既可生产电能也能产生机械能，用以满足生产生活需要，电机因此特性在国民经济的各个领域中起到了极其重要的作用。

电机学课程具有较强的工程性，理论知识的学习必须依据工程实际，但传统教学以文字、图片和视频为主，教材大多较为成熟系统化，结构图高度符号化，理论学习较为困难。现阶段实验教学多为引领式，虽在一定程度上确保了实验的科学客观性以及操作安全性，但是对于学生自主学习习惯的养成缺乏引导[1]。针对传统教學方式单一化的问题，张文娟等[2]提出借助多媒体技术在原有基础上进行改革，增加了二维、三维动画部分，实现了理论和实物教学的结合，但该方法交互性较差。2018年董立岩教授[3]借助Unity3D开发平台设计开发了基于Unity3D的电机拖动实验仿真系统，该系统为解决实验的危险性和教学成本高等问题提供了一种较好的思路。虚拟现实（VR）技术综合了多门技术，拓宽了人机交互通道，提高了图像信息的认知度，体现了多媒体技术的进步[4]。

综上，虚拟现实技术展现出高集成性和强交互性，因此在教育培训行业有着极大的发展潜力，本文借助该门技术，使用3ds Max和Adobe PhotoShop软件搭建电机实验室场景，在Unity3d平台上借助C#编程语言开发系统交互脚本[5]，借助该电机虚拟仿真教学系统，较好的解决了教学上设备受限的问题[6]。

1 电机实验仿真教学设计

1.1 实验选材

开发电机教学系统，应首先进行实物设备素材拍摄。本文选用电机实验教学常用设备DDSZ-1型电机及电气技术实验装置，该装置可用于变压器空载和短路实验;直流电动机起动、调速;异步电动机基本性能诊断检查等实验。

1.2 实验教学系统的设计过程

1.2.1 实验教学系统的模块设计

该实验教学系统的设计初期目标在于使学生对电机实验原理、设备结构有更加深入的了解，借助新兴技术手段提高学习兴趣。该实验室系统初步设计如下四个模块[7]。

⑴ 场景漫游模块。在搭建的虚拟实验室场景中进行漫游，在该场景下实现对实验室环境以及实验设备外形结构的近距离观察。

⑵ 三维动画模块。该模块旨在以动画视频的形式讲解实验原理和实验步骤，并展示实验开始前的基本工作内容。

⑶ 实验设备拆装模块。该模块用于实验开始前对本次实验所需用到的实验设备进行结构、参数以及主要用途的了解，可以对工作原理有更加直观的认知。

⑷ 实验操作模块。该模块用以学生自主进行实验操作练习，该模块下会有系统自动提示实验操作重难点以及操作注意事项，在保证操作的规范性基础上，给与学生最大程度上的自由操作空间。

1.2.2 设计流程

虚拟试验系统各模块及总体设计流程如图1所示，首先收集和整理有关电机实验的资料，如设备照片、内部结构、实验原理和操作步骤等，然后使用3ds Max软件对实验设备进行初步建模及模型优化，再结合资料对实验步骤、实验原理部分进行动画制作，最后将处理好的模型导入Unity3D中，并完成整个系统的交互功能设计和系统UI页面设计[8]。

2 实验室三维建模

本文中描述的虚拟电机实验室场景主要包括实验设备模型、实验台模型以及实验室环境模型。建模过程中需要遵照一定的操作规范，这样才能够确保建模精度，以此增强虚拟实验室环境的真实感。

下面以DDSZ-1型电机及电气技术实验装置为对象，对三维建模进行简单介绍。

2.1 使用3ds建立模型

3ds Max软件作为美国Autodesk旗下的一款基于PC端的三维动画制作软件，旨在通过逼真的三维模型和强大的物理引擎来实现对真实环境的模拟，该软件具备强大的功能板块，且操作简单、容易上手，因此应用广泛，随着时代的发展，该软件也逐渐应用于教学领域。三维建模需要做到力争还原实物细节，确保模型能够在视觉效果上与实物相近[9]。图2所示为DDSZ-1型实验装置。

建模的基本步骤：首先观察分析物体的结构，对复杂物体进行各部件单独建模，对单一结构物体可进行整体建模。第一步根据设备部件外形选择相应的基础几何体，如长方体、圆柱体等，根据实际比例设置参数的大小;第二步按照层级结构优先顺序先从较大部件进行建模，即将该部分几何体转换成可编辑多边形，并通过顶点、边线等不同操作层级对几何体进行挤出、倒角等修改，不断调整参数以达到实际物體的外观形状;最后将各部分组件进行位置移动和旋转等操作，还原真实物体结构。已建模型如图3所示。

2.2 优化处理

由初步模型图可见，虽然完成了对设备外形的还原，但为了增强使用过程的真实感，还需对模型进行优化处理：

⑴ 对模型文件赋予材质贴图，要增加模型的真实感，需要对模型的细节部分进行贴图处理，这里使用PhotoShop软件对设备实物进行贴图裁取并做出优化处理，将贴图通过材质球赋予到模型表面;适当调整模型本身的光照效果，增设局部光源和整体光源，改变自身光反射参数，使模型更具真实感。优化处理后的模型如图4所示。

⑵ 优化处理后的模型具有更真实的视觉效果，但对细节的过度刻画会使模型的面数陡增，在导入Unity3D中会出现卡顿的情况，因此需要对模型部分面做遮挡剔除，并借助烘焙技术[10]将模型外观细节加到简化处理过的模型上，保证模型精度的基础上保证系统流程运行。

3 三维场景交互

3.1 基于Unity3D平台的人机交互

选用Unity3D引擎作为系统交互开发平台，因为Unity作为Unity Technologies开发的跨平台游戏引擎，对图形渲染管道做出了高度的优化改进设计，其最大的好处是允许配置较低的硬件设备实现流畅的场景漫游、交互式动画等，且能够构造出高质量的三维仿真系统和沉浸感更强的模拟体验环境。模型搭建完成后，将其转换成FBX格式文件，导入Unity3D平台，设计人机交互，从而完成预期目标。实验室模型导入Unity3D平台的效果图如图5所示。

3.2 碰撞检测技术

文中的系统交互包括对实验原理以及实验过程等内容的三维展示、使用者拾取实验设备进行单独拆装观察操作。前者使用按钮以及文本框组件，并编写脚本即可实现相应功能，而后者涉及到物体间的接触，需要借助碰撞检测技术[11]对使用者的操作行为进行实时计算检测，防止出现交互时虚拟物体之间相互穿透的异常现象，例如场景漫游时“穿越”墙体和地面等，并能选中物体对其进行拆装和结构观察。

Unity3D中的碰撞检测基于层次包围盒算法，主要分为AABB立方体边界框检测、OBB定向包围盒以及包围球三种。针对本文中的实验室模型，层次包围盒法通过使用构造简单且体积略大于模型的长方体作为包围盒，碰撞检测时，系统实时分析计算包围盒与物体之间的相交情况，综合考虑系统运行环境，AABB边界框检测算法在保证系统交互时碰撞检测计算的一定准度的前提下，实时计算量较小，能够在硬件设备条件有限的环境下流畅运行。

3.3 虚拟交互脚本程序

在Unity3D中要想实现交互功能，不仅需要给模型物体添加相关组件，同样需要编写相关的运行程序，该系统使用C#语言进行交互脚本程序的编写。

整个系统中最重要的交互功能体现实现使用者对设备结构、参数信息等进行观察了解。通过移动和旋转物体可实现拾取和拆装设备，实现该功能的部分代码如下：

void Update（）

{ if （Input.GetMouseButton （0））

//表示获取鼠标左键作为输入值，用以选中并移动物体

{ //将屏幕坐标转化成世界坐标

Vector3 temp=Camera.main.ScreenToWorldPoint

（new Vector3（Input.mousePosition.x， Input

.mousePosition.y， 10））;

transform.position=temp;

}

else if （Input .GetMouseButton （1））

//表示获取鼠标右键作为输入值，用以旋转物体

{ //getaxis（"mouse x"）获取鼠标移动的距离

x += Input.GetAxis（"Mouse X"） * xSpeed * 0.02f;

y -= Input.GetAxis（"Mouse Y"） * ySpeed * 0.02f;

y = ClampAngle（y， yMinLimit， yMaxLimit）;

Quaternion ratation = Quaternion.Euler（y， x， 0）;

transform.rotation = ratation;

}

else if （Input.GetAxis （"Mouse ScrollWheel"）！=0）

{ //鼠标滑动滚轮缩放所选物体

if （Input.GetAxis （"Mouse ScrollWheel"）<0）

{ //范围值限定

if （Camera.main.fieldOfView <= 100）

Camera.main.fieldOfView += 2;

if （Camera.main.orthographicSize <= 20）

Camera.main.orthographicSize += 0.5f;

}

if （Input.GetAxis （"Mouse ScrollWheel"）>0）

{ //范围值限定

if （Camera.main.fieldOfView > 2）

Camera.main.fieldOfView -= 2;

if （Camera.main.orthographicSize >= 1）

Camera.main.orthographicSize -= 0.5f;

}

4 系统测试与发布

在系统设计完成之后，需要对系统性能进行测试，图6所示为系统主页面，根据系统设计需求分为四个模块：场景展示模块、实验设备展示模块、设备装拆模块和工作原理模块[12]。通过点击各模块窗口，进入其展示模块。测试后各模块功能基本满足设计要求。

系统测试完后，在Unity3D中在Project視图下进行Assets资源包的打包，在Build Setting中进行发布配置，借助Unity软件强大的系统兼容性可以满足该系统在各大平台下的运行。

5 结束语

VR技术的不断更新发展为实验教学和电力行业培训带来了极大的便利，本文借助强大的3ds Max建模软件和Unity3D开发引擎，构建了一个较为完整的虚拟电机实验室场景，并设计实现了基础的人机交互，在一定程度上弥补了传统教学方法单一、偏重于理论教学和实际操作教学部分课时较短等缺陷，很好的利用了VR这一高新技术手段，为工科学生的实验教学环节增添了趣味性，并在最大程度上避免了因场地和设备使用时间受限而导致学习劲头不高的问题，从而提高学习热情和学习效率。

参考文献（References）：

[1] 宋战锋，刘涛.《电机学》教学方法改革探究[J].中国电力教育，

2021（1）：66-67

[2] 张文娟，张志刚.多媒体技术在《电机学》中的改革与实践[J].

中国电力教育，2017（8）：71-73

[3] 董立岩，王越群，李永丽.基于Unity3D的电机拖动仿真系统[J].

吉林大学学报（信息科学版），2018，36（5）：456-459

[4] 周前祥，姜世忠，姜国华.虚拟现实技术的研究现状与进展[J].

计算机仿真，2003（7）：1-4，93

[5] 王大虎，陈侠，高会争.虚拟现实技术在PLC燃气锅炉培训系

统中的应用[J].系统仿真学报，2017，29（12）：3010-3015

[6] 李舒明.虚拟现实VR技术在实训教学中的创新应用[J].海