基于Unity3D的裝卸料機運動控制仿真

朱泓光，宋永強，劉議聰

（綿陽市維博電子有限責任公司，綿陽 621000）

基于Unity3D的裝卸料機運動控制仿真

朱泓光，宋永強，劉議聰

（綿陽市維博電子有限責任公司，綿陽 621000）

面對日益增長的核電人才需求，以及普通大眾對核電發展的反感，本文采用當下很成熟流行的游戲開發引擎Unity3D，以某核電站裝卸料機為仿真原型，對其運動控制程序進行了分析歸納，并繪制了主要運動機構的控制流程圖,同時選擇了橋架、小車、提升等機構，利用3DMAX創建三維模型，利用Unity3D強大的物理引擎開發了裝卸料機仿真互動游戲。采用互動游戲的方式，有利于核電培訓方式的多元化，有助于普通大眾了解核電裝卸料機的運行。

仿真；虛擬現實；Unity3D；裝卸料機

0 引言

核電廠內核燃料組件裝卸、轉運和貯存系統屬于核輔助系統，包括新燃料組件入堆前的接收、檢查、貯存，拆卸和裝封反應堆，堆芯換料以及乏燃料組件的運輸、貯存和發送等一系列工藝操作。裝卸料機作島內換料的關鍵設備，主要負責堆芯燃料組件的裝換作業，是核電廠換料大修關鍵路徑上的一個重要項目[1]。雖然裝卸料機沒有直接參與參與核電廠的日常運行與安全活動，但間接地影響核電廠的安全可靠性，是核電廠的重要設備之一[2]。根據世界核能協會的數據，截止2015年底，全球在運營核電數439座，在建及擬建總量184座。即便是每座僅有一個反應堆，那也有439個裝卸料機，這就需要更多的核電專業人才。在國內，不少大眾一說核電就覺得有污染有輻射，更有甚者，到核電廠鬧事以阻礙核電正常運行。所以需要一個簡單而接地氣的方式，讓普通大眾去了解核電。

1 裝卸料機仿真

在核電站現場，采用了實際控制室環境高度逼真的培訓模擬機，這樣不僅可用來培訓，亦可為后期優化做邏輯驗證[3]。但是價格不菲，不適合一般情況下的功能演示與高校培訓。

Unity 3D是由 Unity Technologies 開發的讓玩家輕松創建諸如H維視頻游戲、建筑可視化、實時H維動畫、腳本后臺編輯綁定等類型互動內容的多平臺綜合型游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎。Unity 3D是一種涉及到多種不同領域的跨平臺的三維虛擬現實游戲平臺，是一款易于使用的產品，用戶界面簡單，編輯器上手容易，支持多腳本的語言，并具有強大的物理引擎。Unity 3D又可方便的在Windows 、IOS、 安卓、WEB、等平臺發布，跨平臺優勢明顯。另外，Unity3D本身的使用無需昂貴的授權費。鑒于Unity3D的以上優勢，本文使用它作為開發工具，實現裝卸料機的運動仿真，可方便的用于功能展示。同時利用多平臺優勢、以游戲互動的方式，讓大眾更加直觀的了解裝卸料設備的工作方式、同時也可用于高校的培訓。由于Unity3D強大可擴展性能，更可添加其他一些列外圍設備，比如kinect 或者 Oculus Rift虛擬頭盔，可大大增加互動的代入感[4]。

2 仿真系統開發流程

2.1 裝卸料機部分控制流程

利用國外某核電站的裝卸料機作為分析對象，梳理了其控制程序的相應模塊（圖1），并繪制了執行機構的控制流程圖（圖2、圖3、圖4），并利用3DMAX建立了3D模型。同時，根據裝卸料機的運動控制邏輯，選擇部分控制邏輯作為仿真重點（如表1所示），采用C#做為腳本語言，編寫了相應的控制邏輯模塊。從而實現了對裝卸料機運動控制的仿真。便于運動畫面顯示，當機構運動時，UI界面將跟隨。

2.2 Unity 3D開發流程

由于Unity 3D本身的建模能力不足，我們采用第三方工具3d max建模, 然后處理好材質、貼圖，并保存為FBX格式文件。將FBX模型文件導入Unity3D中，進行仿真交互的開發，具體包括UI交互界面、碰撞檢測腳本、模型運動控制腳本、攝像機視野腳本等等。腳本調試好后，即可打包發布為WINDOWS平臺的可執行文件。

圖1 PLC程序模塊

圖2 橋架工作流程圖

圖3 提升工作流程圖

圖4 抓具工作流程圖

2.2.1 模型導入Unity3D

在3DMAX中搭建好模型后，還需要設置材質的漫射、反射、光澤度、折射、BRDF等參數，注意只有standard(標準材質)和Multi/Sub-Objiect（多維/子物體材質）被Unity3D軟件所支持。同時旋轉調整好軸心，并將模型居中。然后，將模型導出為FBX格式，導出時需要注意勾選嵌入的媒體，如果不勾選，在Unity3D中貼圖將無法導入。單位最好設置為毫米，這樣在Unity3D中1個單位就是1米，默認的inch會使導出不成比例。并將FBX文件和貼圖、材質文件一起移至Unity3D項目的Assets文件夾中。模型導入Unity3D后，會發現材質沒有了，不過Unity3D已經將導入的材質生成材質球，我們需要利用material類從新設置材質，另外還可以利用它來設置自定義shader著色器，紋理貼圖，顏色，材質通道等信息。

表1 仿真運動控制腳本模塊

圖5 導入Unity3D的3D模型

2.2.2 碰撞檢測

裝卸料機有很多限位開關。總體分為兩種功能，一是觸發后減速，二是觸發后停止。在Unity 3D中常見的碰撞檢測SphereCollider，WheelCollider，BoxCollider和Mesh-Collider等，我們使用BoxCollider即可。另外在在仿真中，兩個GameObject發生碰撞，要想檢測到觸發信息，最少要有一個剛體碰撞器并且勾選了IsTrigger復選框，另一個最少要有一個碰撞器組件，此時檢測碰撞的腳本必須附加在那個帶有剛體的觸發器上。例如我們將大車對應位置設置好4個 小盒子，以模擬減速限位開關和停止限位開關。將小車設置為剛體，并勾選IsTrigger。在腳本中，利用MonoBehaviour.OnTriggerEnter() 和 MonoBehaviour.OnCollisionEnter()等接口函數實現觸發信息和碰撞信息的檢測。

2.2.3 運動控制

Unity3D有多種實現物體運動的方式，本文直接采用了transform.Translate，該方法可以將物體從當前位置，移動到指定位置，并且可以選擇參照的坐標系。當需要進行坐標系轉換時，可以考慮使用該方法以省去轉換坐標系的步驟。首先通過邏輯流程圖判斷是運動條件是否滿足，然后利用transform.Translate實現運動。其中大車的最大速度為0.2m/s大車運動部分代碼如下：

2.2.4 交互界面

UI界面的制作設計采用NGUI 插件進行開發，NGUI 提供強大的UI 系統和事件通知框架，能夠方便地實現2D、3D 界面開發。默認情況下W、S、A、D 控制大小車、I,k利用前、后方向鍵控制提升機構。通過腳本自定義按鍵功能，按鍵的消息響應在MonoBehavior 的派生類的Update( )函數中實現。UI界面跟隨機構運動的實現方式是首先獲得機構在屏幕上的坐標，然后根據位置做對應移動。利用Camera. WorldToScreenPoint和Camera. ScreenToWorldPoint別將世界坐標和屏幕坐標相互轉換，部分代碼如下：

3 結論

文章分析了實際項目中的裝卸料機控制程序框架，并梳理了執行機構運動流程圖。通過3DMAX建立了3D模型并利用Unity3D完成了裝卸料機大車、小車、提升等機構的運動仿真，結果表明，采用游戲互動的方式有利于高校培訓及核電科普在大眾中傳播。

圖6 仿真系統的開始界面

[1] 郭科科.AP1000裝卸料設備的特點分析[A].中國核學會.中國核科學技術進展報告（第二卷）——中國核學會2011年學術年會論文集第2冊（鈾礦冶分卷、核能動力分卷（上））[C].中國核學會,2011:4.

[2] 付月明.三代壓水堆核電廠PMC設備的特色與設計改進分析[J].機電信息,2013,(33):124-125.

[3] 任永忠,任湘郴.核電廠培訓模擬機設計和開發[J].系統仿真技術,2009,(02):125-129.

[4] 王守尊,陳虎,郭聰.基于Unity 3D的艦載機虛擬訓練系統設計[J].海軍工程大學學報,2016,(04):92-96.

Manipulator crane simulation based on Unity3D

ZHU Hong-guang, SONG Yong-qiang, LIU Yi-cong

TP24

：A

：1009-0134(2017)08-0116-04

2017-06-27

朱泓光（19 -），