基于Unity3D 的航空智能制造科普平臺設計

許從容，劉震磊*，朱萬安，樊蕓廷，郝洪花

（沈陽航空航天大學 航空宇航學院，遼寧 沈陽）

引言

2022 年《“十四五”國家科學技術普及發展規劃》指出，要推動科學普及與科技創新協同發展，并聚焦科技前沿開展針對性科普[1]。當前我國的航空制造正在從傳統的“設計-制造-試驗”模式，向“設計-虛擬驗證-虛擬制造-物理制造”的新模式轉變[2]，生產和管理也正在向數字化、智能化轉型。在此背景下，航空智能制造科普有助于青少年了解我國航空制造的發展成果與進步，學習先進的制造和管理理念在航空中的應用情況。對于即將進入航空制造類專業學習的學生，高水平的科普教育也有助于更好地規劃學習新知識的路徑并構建知識體系。

虛擬現實技術（Virtual Reality，即VR）借助計算機，構建出具有交互性、沉浸感和令人想象的場景[3]，極大程度地克服傳統科普教育方式生動性差、開展成本高以及易受時空制約等弊端。近年來，國內在“VR+科普”方向的研究和應用發展迅速，例如對航空科普場館應用和對航天空間站科普的研究[4-5]，VR 科普場景數據采集優化[6]，農業科技科普[7]，自然災害與救援科普[8]等等。然而目前針對航空制造科普平臺的研究還較為少見，本文將介紹基于Unity3D 和虛擬現實技術開發的航空智能制造科普平臺。

1 平臺設計

1.1 平臺科普教學設計

科普平臺內容的設計參考了《國家智能制造標準體系建設指南（2021 版）》中智能制造標準體系框架下的智能工廠標準[9]，主要以某通用飛機零件制造工廠為主體，對制造過程中涉及的加工工藝、質檢要求、物料運儲，以及智能工廠的理念和發展等內容進行科普介紹，科普知識架構如圖1 所示。平臺為用戶提供了一個用于學習航空科普知識的虛擬環境，根據不同目標人群所需科普知識側重點開發不同版本，此外，還可根據具體的科普需求提供個性化科學知識教學服務。

圖1 智能制造科普框架設計示意

1.2 平臺功能設計

平臺系統有如下3 個功能模塊：場景漫游功能，在第一人稱視角下漫游，通過電腦鍵盤、鼠標等輸入設備控制角色運動，近距觀察設備運轉情況，實現身臨其境的體驗效果；演示功能，通過流程仿真演示，展示AGV 運輸、三坐標測量技術、倉儲管理的過程；學習功能，用戶在第三人稱視角下宏觀感受智能工廠的整體運作，借助圖文和模型學習智能制造和智能工廠相關知識。

1.3 布局方案設計

虛擬工廠主要分為人工作業區與無人自動化作業區。自動化作業區又細分為加工區、倉儲區、檢測區這三個功能區域，工廠設計示意如圖2 所示。

圖2 虛擬工廠設計示意

在人工作業區主要進行以鉗工為代表的較難被自動化設備取代的作業，鉗工技能需要特定的培訓和長期的經驗積累，能解決許多機器難以完成的任務，例如手工微調、組裝和裝配。此外，人工作業也是機器維護的必要保障，因此在虛擬場景中保留了人工作業區。

無人作業通過自動加工、物流、儲存、檢測、排產等智能化過程實現，成為“黑燈工廠”。其中，在加工區主要介紹由AGV 自動運輸車配合數控銑床、數控沖床、3D 打印等自動化設備完成的無人加工過程；倉儲區主要介紹自動升降庫和托盤存儲單元等設備和調配理念；檢測區主要介紹三坐標測量設備與技術。

2 平臺搭建

2.1 平臺開發技術路徑

首先采用CATIA 軟件對平臺中涉及的加工、運儲和測量設備進行仿真建模，接著使用3DMAX 軟件對模型進行減面優化處理并導出FBX 文件，最后將模型導入Unity3D 中，根據工廠布局二維平面設計圖完成工廠場景搭建，最后使用Visual Studio 編寫C#腳本實現設備仿真與交互功能。

2.2 三維模型建立與優化

三維模型構建是航空智能制造科普平臺開發的基礎，選取具有代表性的加工、檢測、運儲設備及其功能說明如表1 所示。

表1 代表性的加工、檢測、運儲設備及其功能說明

使用CATIA 軟件建模，要注意裝配層次和仿真運動設計間的對應關系，之后將模型導入3DMAX 軟件對模型性能、質量和細節進行優化，如圖3 所示。移除隱藏視角下不可見面，簡化網格與紋理，最后將模型轉換為FBX 格式導入Unity，調整材質、比例和位置排布，完成三維模型的建立。

圖3 3DMAX 軟件處理三坐標測量機模型

2.3 虛擬仿真場景搭建

物理場景虛擬化搭建是平臺仿真的重點，逼真和美觀的仿真環境能夠提高平臺使用的體驗感。平臺的場景是工廠，環境設置可分外環境與內環境分別考慮。工廠外部采用天空盒和賦圖背景板完成，窗口外景可以將高清圖片賦予板件，調整大小和角度關系；天空盒采用包含白色光源的晴天布景，通過C#腳本可以實現光亮度和光源角度的調整以及天空旋轉等效果。

工廠內部則主要是對需要科普的對象賦予材質或貼圖，例如測量機機身金屬質感的視覺效果。此外，根據局部細節的呈現效果，增加獨立光源，調整各物體間的渲染層級和關系，在保證效果的同時盡量降低Unity 的運行載荷。

2.4 平臺開發重點

（1）交互界面：用戶界面（User Interface，簡稱UI）包括渲染、布局、顯示、交互等組件。設計時插入按鈕、選擇框、滑動條等組件后用代碼關聯內部邏輯。平臺搭建了圖標- 單元欄- 功能欄- 設置欄共四級UI嵌套，將進入- 引導- 操作- 結束的基本交互框架搭建完善。

（2）攝像機：攝像機是Unity 中開發視角和用戶視角之間的媒介。在本平臺中創建了6 個攝像機，分別對應漫游視角、人物視角以及4 個虛擬監控視角，將各個攝像機的切換嵌入用戶界面，并在漫游攝像機下掛載代碼實現運行狀態下鍵盤控制移動，鼠標控制旋轉的功能。

（3）仿真演示：仿真動畫既可以制作完成后導入項目，也可以使用Unity 自帶的動畫窗口創建。AGV運輸車的物流和三坐標測量機的檢測過程就采用了Unity 自帶的關鍵幀方法制作動畫。在動畫錄制模式下，將對象的位置、旋轉、動作等屬性進行修改和記錄，通過不斷調試確定最佳的演示效果。

平臺開發過程中的UI 設計，攝像機視角切換和三坐標測量仿真演示效果如圖4 所示。

圖4 平臺開發的UI、攝像機、仿真演示效果

3 平臺發布與測試

3.1 平臺發布選擇

平臺構建完成后，選擇Windows PC 平臺進行打包，生成可執行的.exe 文件以及存放資源的文件夾。如果要開發更豐富的使用場景和交互體驗，可以利用Unity 跨平臺開發的優勢快速構建項目并發布到Android、Web、HTC Vive 等平臺。

3.2 平臺運行優化

為保證發布系統良好的性能和用戶體驗感，需要對系統進行測試。Profiler 是Unity 內部集成的一款性能分析優化工具。利用Profiler 可視化性能分析功能，記錄操作過程，對FPS 幀率、CPU 占用、GPU 占用、代碼運行等指標進行評估并改進。

3.3 平臺功能測試

功能的完整性和合理性也是測試的重要部分。漫游功能使用戶以興趣為引導自由探索，以第一人稱視角配合鍵盤、鼠標與UI 進行交互。演示功能則通過仿真展示了物流、檢測等多個環節的作業流程。學習功能讓用戶在第三人稱視角下整體性地了解智能制造概念和框架，通過文字、圖片、模型、音視頻等多種形式進行科普學習。經過測試，科普平臺的漫游、演示和學習功能均能良好運行，同時UI 的引導功能和控制邏輯設定合理，能夠達到相應的要求。

結束語

Unity 擁有豐富的資源庫和功能插件，可以幫助開發者高效地構建個性化的航空科普平臺，且相較傳統科普方式具有更便捷、更生動、更低成本的優勢，能給使用者帶來更好的體驗感。平臺下一步將繼續優化系統性能，針對不同的應用場景開發更豐富的科普功能，有望今后在航空制造科普教育方向發揮更大的作用。