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基于Unity3D的分布式多人协同虚拟装配仿真系统

发布时间:2023-01-10

编辑人:灵图互动

阅读量:378

虚拟装配作为虚拟制造技术的关键环节,是将来新型加工制造技术发展的核心点。分布式系统是一定数量、彼此独立的PC和主机组成的集合,每台计算机相当于一个用户,它们可以分布在不同地理空间上,计算机之间通过网络消息传递进行通信和协调,实现与其他用户交互访问。

分布式系统与虚拟装配技术相结合实现分布式多人协同虚拟装配,可以实现不同地域产品设计的网络化协同装配,对产品装配性能进行验证;通过网络修改设计并再次验证,实现跨地域产品设计后的协同装配仿真验证。

1. 分布式多人协同虚拟装配仿真系统关键技术

1.1 碰撞检测技术

碰撞检测技术是实现多人协同虚拟装配的关键技术之一。碰撞检测技术是指对处于相同虚拟工程中的两个对象,在相同时间点有没有发 生碰撞进行检测和判断,并实时将碰撞检测信息显示给用户,对用户在虚拟场景中的操作或行动给予提醒和指示。在虚拟环境中进行虚拟装配时,零部件之间装配须符合物理客观规律,即不能出现两个零部件发生穿透、占据相同物理空间。同时,碰撞检测让虚拟环境的真实性和沉浸性更好,让人在虚拟环境中交互操作时有更强的真实感和沉浸感,提供更佳的操作体验。

1.2 装配顺序规划方法

装配顺序规划是指装配过程中,利用合理的装配工具和方法,根据产品零部件之间的几何关系、结构特点和功能,制定产品零部件的装配顺序,实现产品装配顺序规划,从而实现多人协同虚拟装配。装配顺序规划主要有基于装配优先约束关系法、组件识别法、拆卸法求解装配顺序方法和基于知识的求解方法四种。

1.3 协同仿真技术

协同仿真技术是多人协同虚拟装配的核心技术。协同仿真技术即基于分布式系统基础上,多用户在不同地域、分布式操作,并在 一个实时、可交互、可协同操作环境中方便、友好的采用各自掌握的专业知识和工具,分别对子系统进行仿真,或者参与整个系统的整体仿真,充分利用不同领域设计人员的技术优势,协同高效完成复杂仿真分析的技术方法;协同仿真从时间层面上有对产品整个生命范围内进行的单个时间点仿真,还有在不同时间、不同操作人员开展的仿真,或者在相同时间点,用不同的操作人员开展协同仿真分析。

分布式多人协同虚拟装配仿真系统关键技术

2. 基于Unity3D的分布式多人协同虚拟装配仿真系统开发

2.1 装配建模

(1)3ds Max建模

为保证多人协同装配体模型精度,在3ds Max中严格按照零部件尺寸进行建模,可以将零部件的CAD图纸导入作为参考图,将参考图定位在Max的零坐标位置,依据CAD图纸进行三维建模,提高建模效率。

(2)模型命名和打组

装配体建模完成后,对模型零部件进行命名,然后按照零件、子装配体、总装配体的顺序对零部件进行打组,其中子装配体可以有多层。

(3)模型简单渲染处理

为了让模型便于区分,在Max中对模型添加材质球,以不同的颜色来区分模型,同时对材质球的颜色、漫反射、光泽度等参数进行设置,让模型的材质更贴近真实状态;还可以设置外壳零部件材质的透明度,便于对装配体内部结构的观察。

2.2 模型导入与场景布局

外部模型导入Unity3D中之后,可以将模型预制体直接拖入层次面板或者场景视图,即可添加模型到场景中,在层次面板中,除了装配体模型之外,还有界面UI层级、场景灯光等其他对象,为了进行模型遍历获取模型父子层级关系的时候能够准确找到导入装配体模型,给装配体模型添加标签。

2.3 界面设计与功能实现

(1)界面设计

UGUI是Unity3D自带的UI设计系统,具有简单易用、功能全面等特点。UGUI提供了强大的可视化编辑器,允许用户直观的创建软件图形界面,在创建过程中即可实时 预览运行后的效果,提高了开发效率。在多人协同虚拟装配仿真系统中,用户的操作有:通过界面进行系统登录、在线交流获取仿真任务、拆卸仿真操作、查看和获取拆卸顺序文件等。

(2)功能实现

在设计好界面之后,接下来就是实现界面中Button控件的功能。每个Button控件都用一个On Click()属性来监听鼠标对按钮点击事件,通过给按钮绑定脚本,并绑定脚本中的函数。

基于Unity3D的分布式多人协同虚拟装配仿真系统开发

2.4 场景漫游

在仿真场景中,用户的视角与第一人称摄像机视角一致,因此用户在场景中的漫游 可以通过鼠标和键盘控制摄像机移动和旋转实现。在系统每一帧刷新的时候都调用移动和旋转摄像机的函数,就可以实现场景摄像机连续的移动和旋转。

2.5 用户登录与数据管理

(1)用户登录

用户进行多人协同虚拟装配仿真操作时,需要登录以连接到服务器,当有多位用户同时在线时,系统需对用户进行管理。

(2)数据管理

进行多人协同虚拟装配仿真操作时,用户进入系统后,点击登录到成功连接到服务器这个过程中,客户端首先向服务器发送数据包,服务器接收数据包后,对其执行解析和处理后向客户端广播反馈数据;登录完成后,当用户进行拆卸仿真操作时,客户端和服务器之间不停的进行仿真数据传输,保证系统协同的实时性。 

3. 分布式多人协同虚拟装配仿真系统介绍

3.1 分布式多人协同虚拟装配仿真系统主要功能

在分布式多人协同虚拟装配场景中,系统可以支持多位用户协同操作,每位用户可以自由的从多角度观察场景中的装配体,且用户可以在任意时刻加入协同场景中;系统还维护场景的一致性,当某一个零部件因为被一位用户操作而发生位姿变化时,实时的将该零部件的位姿更新信息发送给其他用户,保证同一时刻所有用户界面零部件位置与姿态的一致性。分布式多人协同虚拟装配仿真系统主要具备以下功能。

(1)分布式网络通信,系统支持不同用户异地通过网络连接相同的服务器,加入协同仿真场景,并通过网络发送各种数据。

(2)碰撞检测,在装配过程中对零部件进行实碰撞检测,对发生碰撞的零部件进行提示,保证零部件的可装配性。

(3)协同拆卸仿真,在分布式多人协同虚拟装配仿真系统中,用户对不同零部件同时进行抓取、加锁、设定移动步长、旋转角度和方向,并进行移动、旋转等操作,达到多用户协同的目的。

(4)装配顺序规划,系统以拆卸法获取拆卸顺序后,将其求逆后即可得装配体最终的装配顺序。

分布式多人协同虚拟装配仿真系统功能

3.2 分布式多人协同虚拟装配仿真系统体系架构

(1)“复制式”与“集中式”架构

多人协同虚拟装配系统的“复制式”与“集中式”架构都是基于客户端和服务器,组合模式构成。集中式指系统所有数据保存和计算都放在服务端中执行,客户端只处理简单的人机 交互和显示图形界面,其优点是简单、并发冲突控制容易和一致性好,缺点是对服务端 机器计算能力要求高、网络负担较重。

(2)“复合型”架构

多人协同虚拟装配系统的的“复合型”两层分布式协同系统架构基于C/S模式,分为客户端和服务器两层,它们之间通过网络协议进行通信和数据传输。具有以下特点:网络传输数据量较小;客户端任务处理机制简单可靠;有利于充分利用系统计算资源,实现分布式计算。


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