9 2018年2月 總第283期 ISSN1672-1438 CN11-4994/T技術(shù)前沿與裝備應(yīng)用 基于Unity 3D的現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā) 張 軍 張觀山 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院 山東泰安 271018 摘 要：結(jié)合現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)要求，采用四層軟件架構(gòu)體系，完成了現(xiàn)代化溫室大棚的結(jié)構(gòu)、溫室大棚 自動控制系統(tǒng)以及溫室大棚常用機械等功能模塊的開發(fā)。實踐結(jié)果表明，基于Unity 3D的現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實訓(xùn)系 統(tǒng)具備良好的三維展示和交互效果，操作簡單，具有一定的應(yīng)用價值。 關(guān)鍵詞：虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)；四層軟件架構(gòu)體系；應(yīng)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(xué)碩士，實驗師。虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(chǎn)生身臨其境的感覺，虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實技術(shù)能 夠構(gòu)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(yīng)用于實驗教學(xué)具有非常重大的現(xiàn)實意義。 現(xiàn)代化溫室大棚是用來栽培植物的設(shè)施，配備有各種 先進的計算機控制系統(tǒng)，可通過各系統(tǒng)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(nèi)各種先進自 動控制系統(tǒng)及農(nóng)機裝備集成了無數(shù)項自動化、電氣、 農(nóng)業(yè)機械等專業(yè)技術(shù)，如果能夠掌握這些專業(yè)技術(shù)， 對于學(xué)生動手能力和實踐能力將有很大的提升。由于 條件限制，學(xué)生無法對溫室內(nèi)先進設(shè)備進行全面的學(xué) 習(xí)和認知。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展給現(xiàn)代化溫室大棚各 種先進技術(shù)的學(xué)習(xí)與認知帶來了新的機會。劉金明 3 等設(shè)計了基于Unity3D的電動機虛擬仿真展示平臺設(shè) 計，實現(xiàn)了對電動機的結(jié)構(gòu)、拆裝和工作原理進行在 線展示。相茂英 4 等設(shè)計了基于Unity3D的化工設(shè)備 虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，完成了設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理等5個功 能模塊的開發(fā)，實現(xiàn)了化工設(shè)備虛擬培訓(xùn)。楊雪松 5 設(shè)計了基于Unity 3D的發(fā)動機虛擬拆裝系統(tǒng)，解決了 發(fā)動機教學(xué)和拆裝訓(xùn)練存在的諸多問題。本文提出了 一種基于Unity 3D的現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實訓(xùn)系 統(tǒng)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將溫室大棚的結(jié)構(gòu)、自動控制 系統(tǒng)及農(nóng)機裝備的工作原理進行詳細的展示。 1 Unity 3D技術(shù)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(nèi)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(tǒng)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(wǎng)頁版本 9 。Unity 3D具有跨平臺、高度 優(yōu)化的圖形渲染管道、內(nèi)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(yīng)用于虛擬仿真實驗教學(xué)、房地產(chǎn)開發(fā)、 虛擬展館、家具設(shè)計展示等各行各業(yè)中。 2 系統(tǒng)整體框架設(shè)計 現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)采用Unity 3D 軟件開發(fā)技術(shù)，結(jié)合三維建模軟件3ds max構(gòu)建模型， 實現(xiàn)現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真教學(xué)及實訓(xùn)系統(tǒng)功能。 系統(tǒng)開發(fā)采用四層軟件架構(gòu)體系，四層軟件架構(gòu)分別 為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、模型層、Unity 3D服務(wù)層。 如圖1為系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)圖。 動態(tài)展示、人機交互 現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真 教學(xué)與實訓(xùn) C#語言開發(fā) 溫室大棚及主要設(shè)備模型 放大縮小 相機控制 聲音控制 動作觸發(fā) 表現(xiàn)層 業(yè)務(wù)邏輯層 Unity 3D 服務(wù)層 模型層圖1 系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)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(xiàn)層位于最外層(最上層)，離用戶最近，主 要實現(xiàn)人機交互和軟件界面展示，負責(zé)提供業(yè)務(wù)操作 界面供用戶操作相關(guān)業(yè)務(wù)，同時對用戶業(yè)務(wù)操作結(jié)果 進行展示，不涉及具體的數(shù)據(jù)處理 10 。 (2)業(yè)務(wù)邏輯層是針對具體邏輯問題對模型層、 Unity3D服務(wù)層進行操作，是系統(tǒng)架構(gòu)中的核心部 分。業(yè)務(wù)邏輯層在整個架構(gòu)中的位置很關(guān)鍵，它處于 表現(xiàn)層與Unity3D服務(wù)層、模型層中間，在整個系統(tǒng) 中起到承上啟下的作用。 (3)Unity 3D服務(wù)層主要是控制系統(tǒng)的運行邏輯。 包括模型的放大、縮小、視角轉(zhuǎn)換、場景切換、動作 觸發(fā)等。 (4)模型層主要針對溫室結(jié)構(gòu)、主要自動控制系統(tǒng) 及農(nóng)機裝備模型進行存儲和管理。根據(jù)不同的功能模 塊，系統(tǒng)從模型層中調(diào)取不同的模型到達表現(xiàn)層，進 而實現(xiàn)對溫室內(nèi)相關(guān)設(shè)備的展示。 3 系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn) 現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真系統(tǒng)以現(xiàn)代化溫室大 棚為原型，建立三維虛擬溫室大棚，重點展示內(nèi)容 包括現(xiàn)代化溫室大棚的結(jié)構(gòu)、溫室大棚自動控制系 統(tǒng)以及溫室大棚的常用機械等。系統(tǒng)通過漫游行 走、熱點顯示、2.5D小地圖、設(shè)備結(jié)構(gòu)展示、設(shè)備 拆裝、工作原理展示等方式進行虛擬仿真教學(xué)項目 開發(fā)?，F(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu) 圖如圖2所示?，F(xiàn)代化溫室大棚仿真實訓(xùn)系統(tǒng) 溫室大棚結(jié)構(gòu)組成 溫室大棚自動控制系統(tǒng) 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(fēng) 機 濕 簾 施 肥 灌 溉 微 耕 機 播 種 機 暖 風(fēng) 機 圖2 現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖 3.1 溫室大棚結(jié)構(gòu)組成 溫室大棚結(jié)構(gòu)組成部分包括氣象儀、控制室、 遮陽網(wǎng)、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(jié)構(gòu)以及不同結(jié) 構(gòu)的特點、適用用途等內(nèi)容進行了詳細的介紹。該 模塊還有溫室建造過程數(shù)字模擬功能，通過虛擬現(xiàn) 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(jié)構(gòu)有更加深刻的理解。此外系統(tǒng)設(shè)置 有考核模塊，用戶通過該模塊的學(xué)習(xí)之后，通過考 核模塊對溫室大棚結(jié)構(gòu)組成的掌握程度進行考核， 考核之后系統(tǒng)給予評分。如圖3為現(xiàn)代化溫室大棚結(jié) 構(gòu)組成界面。圖3 溫室大棚結(jié)構(gòu)組成界面 3.2 溫室大棚自動控制系統(tǒng) 溫室大棚自動控制系統(tǒng)是專門為農(nóng)業(yè)溫室、農(nóng)業(yè) 環(huán)境控制、氣象觀測開發(fā)生產(chǎn)的環(huán)境自動控制系統(tǒng)。 該功能模塊通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬測量風(fēng)向、風(fēng)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(shù)，并通過軟件設(shè)置模擬溫室內(nèi)植物生長需求， 系統(tǒng)結(jié)合作物生長需求以及當(dāng)前溫室環(huán)境狀況自動控 制溫室大棚開窗、卷膜、風(fēng)機濕簾、生物補光、灌溉 施肥等溫室環(huán)境自動控制設(shè)備，從而實現(xiàn)自動調(diào)控溫 室內(nèi)環(huán)境達到適宜植物生長的范圍的目標(biāo)，為溫室內(nèi) 植物生長提供最佳環(huán)境。溫室大棚自動控制系統(tǒng)部分 包括有卷簾控制系統(tǒng)、卷膜控制系統(tǒng)、風(fēng)機濕簾系 統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)、補光控制系統(tǒng)、施肥灌溉系統(tǒng)等，采 用三維互動、三維動畫、平面動畫等形式，形象化展 示設(shè)備、傳感器工作原理、自動控制系統(tǒng)生產(chǎn)工作流 程。此外系統(tǒng)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(nèi)主要控制系統(tǒng)的工作過程以 及工作原理，從而達到認知與教學(xué)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(fēng)機等。該部分包括模擬作業(yè)、虛擬拆裝、 理論教學(xué)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(nèi)幾種常用機械進行拆 裝練習(xí)，展示幾種常用機械的內(nèi)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(xué)模 塊基于三維模型，通過爆炸視圖、透明顯示等方式展 示設(shè)備內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，同時通過文字、圖片、語音的形 勢展示幾種常用機械的結(jié)構(gòu)組成、工作原理等內(nèi)容， 從而使用戶針對溫室常用機械有更加全面、系統(tǒng)的認 識。如圖6為暖風(fēng)機工作原理展示界面。圖6 暖風(fēng)機工作原理展示界面 4 結(jié)語 針對現(xiàn)代化溫室大棚在使用培訓(xùn)、工作原理學(xué)習(xí) 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(nèi)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(xiàn)代 化溫室大棚虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)的理論學(xué) 習(xí)、實際操作等培訓(xùn)學(xué)習(xí)方式。軟件界面設(shè)計簡潔、 操作友好、上手容易，達到了理論教學(xué)與操作實踐并 用的目的。學(xué)生及溫室管理人員通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)溫室的 結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握溫室內(nèi)設(shè)備使用及維護知識， 因此該系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價值。與此同時該系統(tǒng)的 設(shè)計實現(xiàn)了對現(xiàn)代化溫室大棚的全面培訓(xùn)，給傳統(tǒng)的 設(shè)備培訓(xùn)方式帶來了新的思路，具備一定的推廣應(yīng)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(shù)J.工 程圖學(xué)學(xué)報,2011,32(5):40-45. 2 白海軍,高云麗.計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校體育訓(xùn)練中的應(yīng) 用J.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)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(shè)計J.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報,2014,26(3):66-68. 4 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