基于Unity 3D的電動(dòng)汽車電氣故障仿真游戲設(shè)計(jì)

胡勝明 曾煜文 王晰 阮晗煒 蔡逸飛 楊凱

摘要：隨著國(guó)家重視新能源汽車的發(fā)展，新能源汽車的數(shù)量逐漸增多。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近幾年的新能源汽車事故也呈逐年增多趨勢(shì)，除了電動(dòng)汽車本身技術(shù)方面不夠成熟之外，駕駛?cè)藛T安全意識(shí)不足也是誘發(fā)事故的原因之一。目前社會(huì)上缺乏安全教育類型的資源。單憑現(xiàn)實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)，成本過(guò)高，且無(wú)法保證實(shí)驗(yàn)的安全性?；诖诵枨?，通過(guò)Unity 3D引擎，以向廣大電動(dòng)汽車駕駛司機(jī)普及電動(dòng)汽車安全知識(shí)為核心目的，文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款電動(dòng)汽車電氣故障仿真游戲，并具體闡述了各模塊構(gòu)成。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;Unity 3D;故障仿真;傳感器

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）06-0092-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 背景

近幾年來(lái)，汽車作為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡慕煌üぞ?，為人們的通勤和自駕游等提供了極大的便利，但是人們?cè)隈{駛傳統(tǒng)燃油汽車的途中會(huì)產(chǎn)生大量的有毒、有害氣體，給自然環(huán)境和人們的健康帶來(lái)了一定的影響。為了應(yīng)對(duì)自然環(huán)境的污染與地球能源危機(jī)帶來(lái)的問(wèn)題，2020年11月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，要求深入實(shí)施發(fā)展新能源汽車的國(guó)家戰(zhàn)略，推動(dòng)中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展[1]。選擇開(kāi)發(fā)新能源汽車是一條可行的道路，伴隨著人們社會(huì)生活水平的不斷提升的同時(shí)，人們對(duì)自然環(huán)境的保護(hù)愈發(fā)重視。只有持之以恒地推廣新能源汽車，才能夠從源頭上做到節(jié)能環(huán)保[2]。

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新能源汽車事故呈逐年增多趨勢(shì)[3]，誘因除了技術(shù)方面不夠成熟外，駕駛?cè)藛T安全意識(shí)不足也帶來(lái)了很大隱患。而社會(huì)上實(shí)際上缺乏安全教育類型的教育資源，主要原因是電動(dòng)汽車火災(zāi)都是毀滅性的災(zāi)難，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)式的實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，成本過(guò)高，且無(wú)法保證實(shí)驗(yàn)的安全性?；诖祟愋枨?，本文以向廣大電動(dòng)車駕駛司機(jī)普及電動(dòng)車安全知識(shí)為核心目的，通過(guò)Unity 3D引擎開(kāi)發(fā)了一款電動(dòng)車電氣故障仿真類游戲。

2 Unity 3D引擎技術(shù)

Unity3D是Unity公司設(shè)計(jì)的游戲開(kāi)發(fā)引擎，它包含了配套的編輯器、Shader、C#開(kāi)發(fā)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)通信、地形編輯、版本控制、物理引擎等功能[4]。Unity可以說(shuō)是游戲開(kāi)發(fā)領(lǐng)域最輕量級(jí)的游戲開(kāi)發(fā)工具，入門簡(jiǎn)單，界面簡(jiǎn)單、安裝、調(diào)試、發(fā)布都十分方便。采用C#或者JavaScript作為腳本語(yǔ)言，學(xué)習(xí)成本低，官方的文檔十分完善，并且給出了相對(duì)的Demo。擁有官方的Asset Store，社區(qū)活躍且有相當(dāng)多的資源可供下載，可以提升開(kāi)發(fā)者的開(kāi)發(fā)效率。

目前Unity 3D已經(jīng)成為全球游戲開(kāi)發(fā)軟件行業(yè)的巨擘，可視化編輯器深受開(kāi)發(fā)者們的喜愛(ài)。基于上述Unity 3D的強(qiáng)大功能和其便利的操作性，在本項(xiàng)目中選擇其作為核心開(kāi)發(fā)工具，同時(shí)結(jié)合C4D建立仿真模型，Axure制作游戲UI界面。

3 電動(dòng)汽車電氣故障仿真系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計(jì)

3.1.1 總體思路

以電動(dòng)汽車電氣故障仿真系統(tǒng)為主要基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了名為《E路平安電動(dòng)車》的仿真類駕駛游戲。作為一款3D電動(dòng)汽車駕駛體驗(yàn)仿真類知識(shí)普及游戲，游戲的主體劇本為一個(gè)網(wǎng)約車司機(jī)胡靠譜需要將乘客曾老師從廈門市送往A市的一所知名大學(xué)。為了保證乘客能夠順利到達(dá)目的地，胡靠譜需要安全駕駛電動(dòng)汽車以避免發(fā)生安全隱患的可能。在駕駛期間會(huì)出現(xiàn)各種突發(fā)情況，需要玩家發(fā)揮聰明才智幫助胡靠譜解決這些意外。在解決故障的過(guò)程中，玩家從中可以學(xué)習(xí)到常見(jiàn)的電氣故障的類型和解決方案，同時(shí)提升在駕駛電動(dòng)汽車時(shí)的安全意識(shí)。

3.1.2 游戲流程

一款游戲的可玩性能夠保障該游戲長(zhǎng)久地吸引玩家進(jìn)行游玩。所謂可玩性，指的是玩家與游戲世界或者游戲世界對(duì)玩家所做出反應(yīng)的方式[5]。該游戲展現(xiàn)了網(wǎng)約車司機(jī)胡靠譜從引導(dǎo)乘客上車到乘客到達(dá)目的地的全過(guò)程，并且在其中穿插了電動(dòng)汽車的斷路故障、短路故障和超速預(yù)警功能，在最后以問(wèn)答的形式幫助玩家總結(jié)歸納游戲中的電氣故障知識(shí)。詳細(xì)的游戲流程按照?qǐng)鼍皠澐郑簣?chǎng)景1：城市內(nèi)的擁堵路況。內(nèi)容：在城市擁堵的路況中，玩家駕駛網(wǎng)約車不斷地急剎，導(dǎo)致車內(nèi)電線斷路;場(chǎng)景2：充電過(guò)程中。內(nèi)容：充電時(shí)由于接觸不良引起的火災(zāi);場(chǎng)景3：在高速路上。內(nèi)容：模擬超速行駛時(shí)，新能源汽車電流過(guò)大產(chǎn)生的火災(zāi)隱患;場(chǎng)景4：傳感器裝配。內(nèi)容：對(duì)車載傳感器進(jìn)行介紹;場(chǎng)景5：游戲收尾。內(nèi)容：知識(shí)問(wèn)答，幫助玩家回顧整個(gè)游戲中所涉及的知識(shí)。

3.2 游戲模塊的具體實(shí)現(xiàn)

3.2.1 斷路故障仿真

本模塊主要由電動(dòng)汽車仿真駕駛和斷路故障示意兩部分構(gòu)成。在城市擁堵的路況中，玩家駕駛網(wǎng)約車不斷地急剎，導(dǎo)致車內(nèi)電線斷路。

對(duì)于仿真駕駛功能，為盡可能給玩家?guī)?lái)真實(shí)的駕駛體驗(yàn)，玩家視角設(shè)置在電動(dòng)汽車側(cè)后方。玩家通過(guò)鍵盤上的四個(gè)按鍵WSAD來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的前后左右的行駛，按鍵W為油門鍵，按鍵S為剎車和倒車鍵，按鍵A和按鍵D分別起到使電動(dòng)汽車方向盤向左和向右旋轉(zhuǎn)的作用。在右下角設(shè)置了一個(gè)UI小地圖，為玩家指示行進(jìn)路線和目的地（即小地圖中的紅色標(biāo)記處）。玩家需要按照游戲要求，將電動(dòng)汽車開(kāi)至目的地。此外，還為其速度設(shè)置了一個(gè)最大值，當(dāng)達(dá)到該上限時(shí)，意味著到達(dá)了電機(jī)的最大輸出功率，此時(shí)速度不再增大。電動(dòng)汽車駕駛展示如圖1所示。為了盡可能模擬城市擁堵路況，本游戲在城市中引入了AI車輛，其多樣的行動(dòng)軌跡使得玩家需要開(kāi)動(dòng)腦筋躲避AI車輛以避免發(fā)生交通事故，為游戲增添了趣味性，增強(qiáng)了玩家的游戲體驗(yàn)。

當(dāng)玩家駕駛到游戲界面右下角的小地圖上指定的位置時(shí)，將會(huì)觸發(fā)電動(dòng)汽車的斷路故障。此時(shí)玩家將跟隨胡靠譜的視角一同發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車發(fā)生斷路故障的部位，以及修復(fù)斷路故障。斷路故障仿真效果圖如圖2所示。本游戲利用了Unity引擎提供的LineRenderer功能，使用中點(diǎn)分形法生成導(dǎo)線斷路導(dǎo)致的電弧，很好地模擬了真實(shí)的斷路情況。

3.2.2 短路故障仿真

游戲中，玩家?guī)椭孔V修復(fù)斷路故障后，電動(dòng)汽車也駛上了高速公路上。在高速公路上因電動(dòng)汽車蓄電池電量不足，胡靠譜將車駛向路邊的充電樁。在使用充電樁的過(guò)程中，因發(fā)生短路故障，導(dǎo)致車輛自燃。本模塊采用Unity引擎提供的粒子系統(tǒng)，能夠很好地模擬出車輛自燃的情景，生成的火焰能夠展現(xiàn)燃燒不充分產(chǎn)生的黑煙，與實(shí)際現(xiàn)象相吻合。

3.2.3 電動(dòng)汽車超速預(yù)警仿真

在游戲過(guò)程中，由于乘客曾老師著急趕往A市的知名大學(xué)，導(dǎo)致電動(dòng)汽車發(fā)出了超速預(yù)警。本模塊不僅生動(dòng)展現(xiàn)了超速預(yù)警的情形，而且還為玩家呈現(xiàn)了超速預(yù)警功能背后的傳感器原理及其裝配。

游戲在這里準(zhǔn)備了一些傳感器，供玩家將其裝配到電動(dòng)汽車上。如，電流傳感器：該傳感器以霍爾效應(yīng)為基本原理，通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量就可以反推出電流的大小。以此為原理的電流測(cè)量傳感器就是霍爾式電流傳感器，它能夠以非接觸的方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路電流變化。氣體傳感器：在電動(dòng)汽車的電氣故障中，線路短路產(chǎn)生高溫，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生一系列特征氣體，氣體傳感器可以檢測(cè)這些特征氣體并報(bào)警[6]。還有很多傳感器，在這里不再累述。在游戲界面中，玩家可以通過(guò)鼠標(biāo)右鍵單擊UI界面上的傳感器圖標(biāo)，彈出相關(guān)的傳感器知識(shí)，供玩家學(xué)習(xí)。

3.2.4 理論知識(shí)問(wèn)答模塊

在游戲最后配備了理論知識(shí)問(wèn)答，該模塊用于幫助玩家回顧游戲過(guò)程中涉及的電氣故障相關(guān)理論知識(shí)。知識(shí)問(wèn)答結(jié)束后，游戲會(huì)根據(jù)玩家答題情況給出相應(yīng)的百分制分?jǐn)?shù)，讓玩家了解理論知識(shí)掌握的情況。問(wèn)答模塊界面如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本游戲基于Unity 3D所具備的成熟開(kāi)發(fā)環(huán)境以及精致的三維模型，與C#編程腳本的完美配合，成功地設(shè)計(jì)出一款向玩家介紹在電動(dòng)汽車駕駛時(shí)，可能出現(xiàn)的電氣故障及其相關(guān)知識(shí)的游戲。在玩家從游戲中獲得愉悅感的同時(shí)，也能夠不知不覺(jué)地從中提高了安全意識(shí)。

雖然本游戲通過(guò)Unity 3D引擎基本實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車的駕駛功能和電氣故障的虛擬仿真，但是因?yàn)楣P者在電動(dòng)汽車電氣故障的理論知識(shí)研究水平不足，對(duì)Unity 3D游戲開(kāi)發(fā)的運(yùn)用不夠熟練，在虛擬電動(dòng)汽車駕駛的實(shí)現(xiàn)和電氣故障的呈現(xiàn)方面還有多需要進(jìn)一步優(yōu)化的空間。隨著本項(xiàng)目的發(fā)展，對(duì)其理論內(nèi)容研究的探索深入、電氣故障特性的研究，這些不足在日后將會(huì)得到改進(jìn)，游戲中的仿真場(chǎng)景將更加細(xì)致，游戲內(nèi)容也將更兼具娛樂(lè)性和大眾教育意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國(guó)務(wù)院辦公廳.國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于印發(fā)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）的通知[J].中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院公報(bào)，2020（31）：16-23.

[2] 林燁，黃國(guó)忠，肖凌云，等.基于深度調(diào)查的電動(dòng)汽車火災(zāi)原因分析技術(shù)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2021，40（1）：145-148.

[3] 孟利偉，張志，王彩申，等.電動(dòng)車輛電池管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2019（21）：126-128.

[4] 徐敏，童強(qiáng).一種基于Unity3D+Vuforia的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互App的開(kāi)發(fā)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2016（12）：71-75.

[5] 吳志達(dá).一個(gè)基于Unity3d游戲引擎的體感游戲研究與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：中山大學(xué)，2012.

[6] 張鳳銀.基于多傳感器融合的電動(dòng)汽車電池倉(cāng)火災(zāi)自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2020.

【通聯(lián)編輯：唐一東】