基于Unity 3D的現代化溫室大棚虛擬仿真實訓系統的開發(fā)

9 2018年2月 總第283期 ISSN1672-1438 CN11-4994/T技術前沿與裝備應用 基于Unity 3D的現代化溫室大棚虛擬仿真實訓系統的開發(fā) 張 軍 張觀山 山東農業(yè)大學機械與電子工程學院 山東泰安 271018 摘 要：結合現代化溫室大棚虛擬仿真實訓系統要求，采用四層軟件架構體系，完成了現代化溫室大棚的結構、溫室大棚 自動控制系統以及溫室大棚常用機械等功能模塊的開發(fā)。實踐結果表明，基于Unity 3D的現代化溫室大棚虛擬仿真實訓系 統具備良好的三維展示和交互效果，操作簡單，具有一定的應用價值。 關鍵詞：虛擬仿真實訓系統；四層軟件架構體系；應用價值 作者簡介：張軍，大專，高級實驗師，電子中心主任；張觀山，工學碩士，實驗師。虛擬現實技術通過生成真實的三維虛擬環(huán)境， 使用戶沉浸虛擬環(huán)境之中，通過與虛擬環(huán)境的交互， 可產生身臨其境的感覺，虛擬現實技術在沉浸感、交 互性和實時性方面優(yōu)勢明顯 1,2 。利用虛擬現實技術能 夠構建具有真實感的虛擬仿真展示平臺，將虛擬仿真 展示平臺應用于實驗教學具有非常重大的現實意義。 現代化溫室大棚是用來栽培植物的設施，配備有各種 先進的計算機控制系統，可通過各系統的合理運作給 作物創(chuàng)造一個最適合的生長環(huán)境。溫室內各種先進自 動控制系統及農機裝備集成了無數項自動化、電氣、 農業(yè)機械等專業(yè)技術，如果能夠掌握這些專業(yè)技術， 對于學生動手能力和實踐能力將有很大的提升。由于 條件限制，學生無法對溫室內先進設備進行全面的學 習和認知。虛擬現實技術的發(fā)展給現代化溫室大棚各 種先進技術的學習與認知帶來了新的機會。劉金明 3 等設計了基于Unity3D的電動機虛擬仿真展示平臺設 計，實現了對電動機的結構、拆裝和工作原理進行在 線展示。相茂英 4 等設計了基于Unity3D的化工設備 虛擬培訓系統，完成了設備結構、工作原理等5個功 能模塊的開發(fā)，實現了化工設備虛擬培訓。楊雪松 5 設計了基于Unity 3D的發(fā)動機虛擬拆裝系統，解決了 發(fā)動機教學和拆裝訓練存在的諸多問題。本文提出了 一種基于Unity 3D的現代化溫室大棚虛擬仿真實訓系 統，利用虛擬現實技術將溫室大棚的結構、自動控制 系統及農機裝備的工作原理進行詳細的展示。 1 Unity 3D技術概述 Unity 3D是由Unity Technologies公司研發(fā)的一個 專業(yè)游戲引擎，開發(fā)者利用該游戲引擎可非常方便地 創(chuàng)建3D游戲、三維虛擬環(huán)境、3D動畫模型等內容， 近年來深受廣大軟件開發(fā)者的喜愛 6-8 。Unity3D既可 以運行在Windows，Mac等操作系統之下，又可將軟 件發(fā)布到Windows，Mac，Wii，iphone等主流平臺 下，同時支持網頁版本 9 。Unity 3D具有跨平臺、高度 優(yōu)化的圖形渲染管道、內置物理引擎、兼容多種外部 資源、支持多語言并且可進行可視化操作等特點，因 而被廣泛地應用于虛擬仿真實驗教學、房地產開發(fā)、 虛擬展館、家具設計展示等各行各業(yè)中。 2 系統整體框架設計 現代化溫室大棚虛擬仿真實訓系統采用Unity 3D 軟件開發(fā)技術，結合三維建模軟件3ds max構建模型， 實現現代化溫室大棚虛擬仿真教學及實訓系統功能。 系統開發(fā)采用四層軟件架構體系，四層軟件架構分別 為表現層、業(yè)務邏輯層、模型層、Unity 3D服務層。 如圖1為系統整體軟件架構圖。 動態(tài)展示、人機交互 現代化溫室大棚虛擬仿真 教學與實訓 C#語言開發(fā) 溫室大棚及主要設備模型 放大縮小 相機控制 聲音控制 動作觸發(fā) 表現層 業(yè)務邏輯層 Unity 3D 服務層 模型層圖1 系統整體軟件架構圖 DOI:10.13492/j.cnki.cmee.2018.03.00410 2018年2月 總第283期 ISSN1672-1438 CN11-4994/T (1)表現層位于最外層(最上層)，離用戶最近，主 要實現人機交互和軟件界面展示，負責提供業(yè)務操作 界面供用戶操作相關業(yè)務，同時對用戶業(yè)務操作結果 進行展示，不涉及具體的數據處理 10 。 (2)業(yè)務邏輯層是針對具體邏輯問題對模型層、 Unity3D服務層進行操作，是系統架構中的核心部 分。業(yè)務邏輯層在整個架構中的位置很關鍵，它處于 表現層與Unity3D服務層、模型層中間，在整個系統 中起到承上啟下的作用。 (3)Unity 3D服務層主要是控制系統的運行邏輯。 包括模型的放大、縮小、視角轉換、場景切換、動作 觸發(fā)等。 (4)模型層主要針對溫室結構、主要自動控制系統 及農機裝備模型進行存儲和管理。根據不同的功能模 塊，系統從模型層中調取不同的模型到達表現層，進 而實現對溫室內相關設備的展示。 3 系統功能設計與實現 現代化溫室大棚虛擬仿真系統以現代化溫室大 棚為原型，建立三維虛擬溫室大棚，重點展示內容 包括現代化溫室大棚的結構、溫室大棚自動控制系 統以及溫室大棚的常用機械等。系統通過漫游行 走、熱點顯示、2.5D小地圖、設備結構展示、設備 拆裝、工作原理展示等方式進行虛擬仿真教學項目 開發(fā)?，F代化溫室大棚虛擬仿真實訓系統功能結構 圖如圖2所示?，F代化溫室大棚仿真實訓系統 溫室大棚結構組成 溫室大棚自動控制系統 溫室大棚常用機械 氣 象 儀 控 制 室 墻 體 卷 膜 控 制 卷 簾 控 制 風 機 濕 簾 施 肥 灌 溉 微 耕 機 播 種 機 暖 風 機 圖2 現代化溫室大棚虛擬仿真實訓系統功能結構圖 3.1 溫室大棚結構組成 溫室大棚結構組成部分包括氣象儀、控制室、 遮陽網、太陽能、墻體、骨架等部分。該模塊展示 幾種常見的溫室類型，如文洛型玻璃溫室、里歇爾 溫室，并對溫室的建筑材料、骨架結構以及不同結 構的特點、適用用途等內容進行了詳細的介紹。該 模塊還有溫室建造過程數字模擬功能，通過虛擬現 實的方式動態(tài)展示溫室整個的建造過程，從而使用 戶對于溫室結構有更加深刻的理解。此外系統設置 有考核模塊，用戶通過該模塊的學習之后，通過考 核模塊對溫室大棚結構組成的掌握程度進行考核， 考核之后系統給予評分。如圖3為現代化溫室大棚結 構組成界面。圖3 溫室大棚結構組成界面 3.2 溫室大棚自動控制系統 溫室大棚自動控制系統是專門為農業(yè)溫室、農業(yè) 環(huán)境控制、氣象觀測開發(fā)生產的環(huán)境自動控制系統。 該功能模塊通過虛擬現實技術模擬測量風向、風速、 空氣溫濕度、太陽光照度、大氣氣壓、降雨量、太陽 輻射量、太陽紫外線強度、土壤溫濕度等各種溫室環(huán) 境參數，并通過軟件設置模擬溫室內植物生長需求， 系統結合作物生長需求以及當前溫室環(huán)境狀況自動控 制溫室大棚開窗、卷膜、風機濕簾、生物補光、灌溉 施肥等溫室環(huán)境自動控制設備，從而實現自動調控溫 室內環(huán)境達到適宜植物生長的范圍的目標，為溫室內 植物生長提供最佳環(huán)境。溫室大棚自動控制系統部分 包括有卷簾控制系統、卷膜控制系統、風機濕簾系 統、遮陽系統、補光控制系統、施肥灌溉系統等，采 用三維互動、三維動畫、平面動畫等形式，形象化展 示設備、傳感器工作原理、自動控制系統生產工作流 程。此外系統通過文字或者語音介紹、拆裝動畫、模 擬作業(yè)等形式展示溫室內主要控制系統的工作過程以 及工作原理，從而達到認知與教學的目的。如圖4為 溫室卷簾機工作界面，圖5為溫室卷膜機工作界面。圖4 溫室卷簾機工作界面11 2018年2月 總第283期 ISSN1672-1438 CN11-4994/T圖5 溫室卷膜機工作界面 3.3 溫室大棚常用機械 溫室大棚常用機械包括微耕機、播種機、植保 機械、暖風機等。該部分包括模擬作業(yè)、虛擬拆裝、 理論教學三大功能功能模塊。模擬作業(yè)模塊可模擬人 工操作，展示溫室常用機械的使用方法以及安全注意 事項。虛擬拆裝模塊可對溫室內幾種常用機械進行拆 裝練習，展示幾種常用機械的內部原理，從而使用戶 對溫室常用機械有一個更加深刻的認識。理論教學模 塊基于三維模型，通過爆炸視圖、透明顯示等方式展 示設備內外部結構，同時通過文字、圖片、語音的形 勢展示幾種常用機械的結構組成、工作原理等內容， 從而使用戶針對溫室常用機械有更加全面、系統的認 識。如圖6為暖風機工作原理展示界面。圖6 暖風機工作原理展示界面 4 結語 針對現代化溫室大棚在使用培訓、工作原理學習 等方面的需求，借助Unity 3D可跨平臺、高度優(yōu)化的 圖形渲染管道、內置物理引擎、兼容多種外部資源、 支持多語言并且可進行可視化操作等特點開發(fā)了現代 化溫室大棚虛擬仿真實訓系統，突破了傳統的理論學 習、實際操作等培訓學習方式。軟件界面設計簡潔、 操作友好、上手容易，達到了理論教學與操作實踐并 用的目的。學生及溫室管理人員通過系統學習溫室的 結構和工作原理，掌握溫室內設備使用及維護知識， 因此該系統具有一定的應用價值。與此同時該系統的 設計實現了對現代化溫室大棚的全面培訓，給傳統的 設備培訓方式帶來了新的思路，具備一定的推廣應用 的價值。 參考文獻 1 馮桂珍,池建斌,王大鳴.VRML虛擬校園漫游與交互技術J.工 程圖學學報,2011,32(5):40-45. 2 白海軍,高云麗.計算機虛擬現實技術在高校體育訓練中的應 用J.黑龍江八一農墾大學學報,2013,25(3):105-107. 3 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):66-68. 4 相茂英,馬純永,韓勇.基于Unity3D的化工設備虛擬培訓系統 研究J.計算機技術與發(fā)展,2014,24(7):196-200. 5 楊雪松.基于Unity 3D的發(fā)動機虛擬拆裝系統研究J.設計與 研究,2016,43(1):32-35. 6 Xie J.Research on key technologies base Unity3D game engineC. International Conference on computer Science four layer architecture; application value