基于Unity3D的無人機交互式課件開發

褚麗娜，李建增，謝志剛（軍械工程學院無人機工程系，石家莊　050003）

基于Unity3D的無人機交互式課件開發

褚麗娜，李建增，謝志剛
（軍械工程學院無人機工程系，石家莊050003）

0　引言

目前，無人機作為一種復雜裝備，教學常用的文字、圖片、視頻等手段很難將其內部復雜的結構關系展示清晰，學生很難形成直觀的感受，需要通過空間想象來理解相關知識。結合實裝的上機練習雖然可以讓學生形成直觀的感受，但是裝備價格昂貴、壽命有限，教學用裝備數量有限，不允許每個學生在訓練中反復練習提高［1-3］。在裝備信息化建設背景下，為提高裝備教學能力，減少訓練費用，提高學生動手能力，探索更加科學有效的教學訓練方法意義重大。

Unity3D是由Unity Technologies開發的一個跨平臺專業游戲引擎，支持主流的三維建模軟件，可以實時處理大量的三維模型，同時支持C#、JavaScript、Boo等多種腳本語言［4］。除了游戲開發領域，它還被廣泛運用于航天、軍事國防、工業仿真、教育培訓、醫學模擬、建筑漫游等領域。李葳［5］等將Unity3D虛擬現實技術用于土工試驗教學，達到良好的教學效果；張延［6］等設計實現導彈視景方針系統，降低了實驗成本；劉金明［7］等設計實現了電動機虛擬仿真展示Web平臺，對學生和維修人員的學習具有一定應用價值。本文針對無人機裝備在教學、訓練等方面的需求，以Unity3D作為虛擬開發平臺，設計并實現了無人機課程交互課件的開發，教學訓練時只需用鼠標進行操作，價格便宜，無須維護。

1　交互式課件的開發

基于Unity3D的交互式課件開發流程包括模型和場景的構建、人機交互界面的實現、交互控制腳本的編寫和軟件發布等四個環節。

1.1模型和場景的構建

Unity3D作為一個引擎，只提供盒子、球體、膠囊體等基礎的模型，要制作出無人機的3D模型需要借助Maya、3DMax、Pro/E等三維建模軟件。在分析無人機設備實體結構組成，進行零件拆分的基礎上，選用3DMax完成裝備各部分模型的創建和美化工作，最終導出模型為.FBX格式。

將3DMax中導出的模型和貼圖文件放到Unity工程文件夾下的assets文件夾中，即可在Project視圖中看到模型文件，完成導入。在場景中添加主攝像機和燈光等虛擬環境的必備元素，使模型達到最佳顯示效果。同時，據需要對模型進行相關父子關系和屬性的設置，通過父節點包含子節點，子節點又可以包含另外的子節點。當父節點運動時，子節點隨之做同樣運動，但子節點運動時，父節點保持不變，為下面拆裝功能的實現提供基礎設置。

1.2人機交互界面的實現

在Unity3D中，基本的環境、燈光、攝影機和組件添加好后，需要建立操作界面。交互式課件的操作界面由一個主界面和多個子界面組成，主界面中設置多個按鈕引導用戶進行拆卸、組裝、使用提示幫助等相關內容操作，均通過鼠標進行操作。Unity3D的操作界面由腳本實現，利用OnGUI實現，部分代碼如下：

提示幫助采用GUI Window和GUI.Label實現提示信息的顯示與隱藏。

1.3交互控制腳本的編寫

交互控制技術是交互式課件的關鍵，需要采用腳本語言編寫控制代碼形成腳本文件，將腳本文件加載到需要實現此行為的物體下面，運行程序時該物體就能按照腳本所編輯的規律運動。目前Unity3D支持C#、JavaScript和Boo三種腳本語言，本文選用JavaScript編寫。具體實現功能如下：

（1）攝像機的控制。通過加載在攝像機上的腳本控制物體的旋轉、縮放和平移，可以使觀察視角任意改變，并能深入到裝備內部進行查看。在腳本中通過改變受控物體的Transform組件中的position和Rotation屬性實現物體的旋轉、縮放和平移運動，實現對無人機的全方位觀察。

（2）標簽的顯示/隱藏。為了更方便學生課下自己操作練習，為無人機的每個零部件都添加了實時名稱標簽，當鼠標移入該零部件區域時，標簽出現；鼠標移出時標簽消失。部分控制代碼如下：

將該腳本加載到每個需要顯示名稱標簽的物體上后，需要為這些物體分別添加碰撞體，才能實現函數OnMouseEnter和OnMouseExit中預設的控制。當物體形狀比較簡單時，可以根據物體形狀添加盒子、球體或膠囊體碰撞體，例如可以為中外翼添加盒子碰撞體；當物體形狀比較復雜或安裝位置零部件較多時，需要添加網格碰撞體，例如發動機整流罩本身形狀不規則，而且涉及安裝螺釘較多，且內部包裹的發動機也要添加碰撞體，為了避免碰撞體想過重疊產生錯誤，為其添加網格碰撞體。

最后在Inspector視圖中添加物體名稱到參數tipname，如圖1所示，即可實現物體標簽的顯示與隱藏。

圖1　添加組件名稱

（3）拆裝功能的實現。拆裝功能是針對物體本身的運動操作，實現方法有兩種，一是通過代碼直接控制物體的Transform組件實現運動控制，二是先通過Unity3D自帶的Animation組件為物體制作軌跡動畫，再用代碼控制動畫播放的條件和時刻。本文采用方法二實現，軌跡動畫制作界面如圖2所示，對于螺栓、螺母等小零件，在改變Transform組件參數實現拆裝動畫的同時，改變其Scale參數，使小零件在拆卸后放大，便于觀察和組裝時尋找。

圖2　軌跡動畫制作界面

由于無人機的拆裝過程需要按照一定的順序進行，鼠標單擊物體時，需要判斷是否滿足該物體拆卸或組裝的條件，若滿足條件方可播放拆卸或組裝的軌跡動畫；若不滿足條件，則顯示提示信息，提醒應先拆卸或組裝某零部件。部分代碼如下：

將上述代碼寫入function Update函數中，同時利用標簽顯示/隱藏的方法顯示提示信息，為每個需要拆卸或組裝的零部件加載該腳本。當同時有多個螺釘或螺母需要拆裝時，例如左中外翼整流罩安裝螺釘共6個，并沒有為這6個螺釘都加載上述動畫控制腳本，而是動畫控制腳本隨機加載到其中一個螺釘上，只有單擊該螺釘才能執行6個螺釘的拆裝動畫，這樣的設置既壓縮了課件的大小，又保證學生可以得到充分的練習，全面地認識無人機上的細小結構組成。無人機拆卸完成界面如圖3所示。

（4）幫助功能的實現。課件的相應部分會提供使用幫助功能，幫助中詳細說明課件操作的方法、無人機拆裝的步驟和詳細操作流程，并為學生和教師提供必要的提示導航信息，幫助初學者熟悉軟件操作流程，鞏固課程相關知識。如圖3所示，當操作熟練后，可以點擊左下角的“收起提示”按鈕，隱藏左上角的拆裝步驟欄和右下角對應步驟的具體操作提示信息，進行自測練習。

圖3　系統拆卸完成界面

1.4軟件發布

Unity3D支持Windows、Linux、Mac OS X、iOS、Android、Web等多個平臺。根據日常教學需要，本文直接發布為.exe程序，直接雙擊打開即可進行操作。后續根據教學需求，可以發布到iOS、Android等移動平臺，讓學生可以直接通過智能手機隨時隨地瀏覽該課件。

2　結語

本文將Unity3D引入無人機教學訓練中，開發的無人機課程交互式課件，可以全方位、多角度展示無人機的機械構造、拆裝流程等訓練教學內容，使學生能夠在單獨的PC上模擬操作練習，符合裝備信息化建設的需要。該系統實現了結構演示、安裝與拆卸等功能，對無人機的教學和訓練提供了一種新的手段。

［1］楊思，李小民.基于虛擬現實的無人機維修訓練系統的開發［J］.計算機仿真，2008，25（1）：302-313.

［2］高穎，連明，許志國等.無人機模擬訓練系統的設計與實現［J］.燕山大學學報，2005，29（2）：117-122.

［3］丁進勇，寇昆湖，陳勇等.無人機模擬訓練教學系統設計［J］.實驗室研究與探索，2014，33（7）：221-224.

［4］Unity Technologies主編.Unity4.x從入門到精通［M］.北京：中國鐵道出版社，2013.11.

［5］李葳，馬樺.Unity3D虛擬技術在高職土工試驗教學中的應用［J］.科技創新導報，2012，（12）：124.

［6］張延，余紅英，戚藝雪等.基于Unity3D/3DMAX的導彈視景仿真系統［J］.科技視界，2013，（25）：151.

［7］劉金明，馬鐵民，王娜.基于Unity3D的電動機虛擬仿真展示平臺設計［J］.黑龍江八一農墾大學學報，2014，26（3）：66-69.

Unity3D；UAV；Interactive Courseware

Implementation of UAV Interactive Courseware Based on Unity3D

CHU Li-na，LI Jian-zeng，ZUO Xian-zhang
（Department of Unmanned Aerial Vehicle，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003）

1007-1423（2015）24-0039-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.24.010

褚麗娜（1983-），女，河北涿州人，軍械工程學院講師，碩士研究生，研究方向為虛擬現實技術

李建增（1966-），男，河北石家莊人，碩士研究生，講師，研究方向為無人機信息處理

謝志剛（1975-），男，湖北漢川人，博士研究生，講師，研究方向為無人機信息處理

2015-07-14

2015-09-10

從無人機教學訓練的角度出發，研究如何利用Unity3D引擎實現交互式課件開發，探索交互式課件開發的關鍵技術和具體實現方法，制作出仿真性強、交互靈活、支持拆裝的無人機交互式課件。

Unity3D；無人機；交互式課件

軍械工程學院教學研究立項課題（No.jxlx1548）

From the perspective of teaching and training，mainly studies how to effectively use Unity3D to design the interactive courseware，to explore key technology and steps，and to create interactive courseware which has the characteristic of strong simulation，flexible control and supporting dismounting and assembling.