CN109085780A - 一种基于Unity3D的实验仪器控制系统及方法 - Google Patents

一种基于Unity3D的实验仪器控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于Unity3D的实验仪器控制系统及方法，系统包括实验仪器和上位机，所述实验仪器包括组件和组件通信端口；所述上位机包括模型构建模块、端口通信模块和数据处理模块；模型构建模块用以构建实验仪器各个组件模型并导入到Unity3D；端口通信模块用以实现实验仪器与上位机的通信，数据处理模块包括数据可视化和数据本地存储两部分，数据可视化将接收到的数据以数值和曲线图两种方式显示，数据的本地存储将接收到的数据实时存储到本地。本发明一种基于Unity3D的实验仪器控制系统及方法，可视化强且操作方便，能显著提高用户的工作效率。

Description

一种基于Unity3D的实验仪器控制系统及方法
技术领域
本发明涉及仪器控制技术领域，具体涉及一种基于Unity3D的实验仪器控制系统及方法。
背景技术
在化学领域中，实验仪器占据着非常重要的位置。实验仪器决定着化学实验的准确性和高效性，一直推动着化学学科的发展。而实验仪器又大致可以分为两种类型，一种是配备电脑的仪器，采用软件终端来控制仪器的部分功能或对实验产生的数据进行处理；另一种是无电脑独立操作的仪器。传统的软件终端大多为2D界面，主要用来采集和分析数据，用户友好度较低。Unity3D是由Unity Technologies开发的一个让用户轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型的互动内容的多平台综合性游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。其强大的物理引擎和粒子系统，能够很好地仿真现实世界中的场景并进行控制，使其不仅仅局限于游戏开发领域，在工业设计、系统仿真及建筑可视化等领域也有较好的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于Unity3D的实验仪器控制系统及方法，实现实验仪器的3D显示及对实验仪器进行控制，能够增加界面友好度，并通过上位机进行实时数据采集及控制。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一方面，本发明一种基于Unity3D的实验仪器控制系统，包括实验仪器和上位机，所述实验仪器包括组件和组件通信端口；所述上位机包括模型构建模块、端口通信模块和数据处理模块；
所述模型构建模块，用于根据实验仪器中各组件的实际参数在SOLIDWORKS中构建实验仪器各组件模型；将所述组件模型导出后导入至3ds Max或MeshLab，再从3ds Max或MeshLab导出成.fbx格式后导入至Unity3D；在所述Unity3D中，给需要添加动画效果的组件添加动画效果及动画效果控制脚本，并添加指定事件控制脚本及设置参数；将设置好的组件模型做成预制体，使用预制体构建完整的实验仪器模型；
所述端口通信模块，用于根据所述组件通信端口的端口类型和端口参数实现与实验仪器组件的实时通信；
所述数据处理模块，用于通过所述端口通信模块接收实验仪器数据，并将接收到的实验仪器数据进行动态显示及存储；还用于接收指定事件触发请求，执行对应的动作。
优选的，所述根据实验仪器中各组件的实际参数在SOLIDWORKS中构建实验仪器各组件模型，具体包括：
获取实验仪器的真实数据，包括所有组件的尺寸及角度数据，然后根据这些数据在SOLIDWORKS中构建各组件模型，单位设置成cm。
优选的，所述将所述组件模型导出，具体包括：
将没有动画效果的固定组件在SOLIDWORKS中进行组装作为整体导出，将需要添加动画效果的组件单个导出。
优选的，所述没有动画效果的固定组件包括框架、温控表、压力表、流量计和泵；所述需要添加动画效果的组件包括压力表的指针、流量计指针、减压阀、一通球阀、二通球阀和三通球阀；组件模型导入Unity3D后，编写脚本给压力表的指针添加指针走动的动画效果以模拟压力表数值的变化；编写脚本给减压阀添加转动的动画效果以模拟对压力值的调节；编写脚本给一通球阀、二通球阀和三通球阀添加向下转动的动画效果以模拟气体通路的开关。
优选的，所述指定事件包括控制所述端口通信模块与所述组件通信端口通信事件、控制显示数据曲线图事件和控制实验仪器组件动作事件。
优选的，所述端口类型包括串口、USB口和/或网络口。
另一方面，本发明一种基于Unity3D的实验仪器控制方法，包括：
根据实验仪器中各组件的实际参数在SOLIDWORKS中构建实验仪器各组件模型；将没有动画效果的固定组件在SOLIDWORKS中进行组装作为整体导出，将需要添加动画效果的组件单个导出；导出后经中间软件3ds Max或MeshLab转换成.fbx格式，并导入Unity3D；
在所述Unity3D中，给需要添加动画效果的组件添加动画效果及动画效果控制脚本，并添加指定事件控制脚本及设置参数；将设置好的组件模型做成预制体，使用预制体构建完整的实验仪器模型；
运行在Unity3D中构建的完整实验仪器模型，控制端口通信模块与组件通信端口实时通信；接收实验仪器发送的实时数据以进行动态显示及存储；同时，接收指定事件触发请求，执行对应的动作。
优选的，所述根据实验仪器中各组件的实际参数在SOLIDWORKS中构建实验仪器各组件模型，具体包括：
获取实验仪器的真实数据，包括所有组件的尺寸及角度数据，然后根据这些数据在SOLIDWORKS中构建各组件模型，单位设置成cm。
优选的，所述没有动画效果的固定组件包括框架、温控表、压力表、流量计和泵；所述需要添加动画效果的组件包括压力表的指针、流量计指针、减压阀、一通球阀、二通球阀和三通球阀；所述实验仪器模型导入Unity3D后，编写脚本给压力表的指针添加指针走动的动画效果以模拟压力表数值的变化；编写脚本给减压阀添加转动的动画效果以模拟对压力值的调节；编写脚本给一通球阀、二通球阀和三通球阀添加向下转动的动画效果以模拟气体通路的开关。
优选的，所述指定事件包括控制所述端口通信模块与所述组件通信端口通信事件、控制显示数据曲线图事件和控制实验仪器组件动作事件。
采用上述方案后，本发明的有益效果是：
(1)本发明一种基于Unity3D的实验仪器控制系统及方法，实验仪器各组件可以进行3D显示，从而可实现全方位的观察；此外，实验过程中的交互操作及工作过程都能够实现可视化；
(2)本发明一种基于Unity3D的实验仪器控制系统及方法，可移植性强，通过构建不同的模型和不同的配置信息，可以适用于多种类的实验仪器。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于Unity3D的实验仪器控制系统及方法不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明一种基于Unity3D的实验仪器控制系统结构框图；
图2为本发明一种基于Unity3D的实验仪器控制系统构建的模型效果图；
图3为本发明一种基于Unity3D的实验仪器控制系统UI界面效果图；
图4为本发明一种基于Unity3D的实验仪器控制系统数据存储示意图；
图5为本发明一种基于Unity3D的实验仪器控制方法流程图。
具体实施方式
以下将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述和讨论。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1所示，本发明一种基于Unity3D的实验仪器控制系统，包括实验仪器10和上位机20，所述实验仪器10包括组件101和组件通信端口102；所述上位机20包括模型构建模块201、端口通信模块202和数据处理模块203。
所述模型构建模块201，用于根据实验仪器10中各组件的实际参数在SOLIDWORKS中构建实验仪器各组件模型；将所述组件模型导出后导入至3ds Max或MeshLab，再从3dsMax或MeshLab导出成.fbx格式后导入至Unity3D；在所述Unity3D中，给需要添加动画效果的组件添加动画效果及动画效果控制脚本，并添加指定事件控制脚本及设置参数；将设置好的组件模型做成预制体，使用预制体构建完整的实验仪器模型。
所述根据实验仪器中各组件的实际参数在SOLIDWORKS中构建实验仪器各组件模型，具体包括：
获取实验仪器的真实数据，包括所有组件的尺寸及角度数据，然后根据这些数据在SOLIDWORKS中构建各组件模型，单位设置成cm。
所述将所述组件模型导出，具体包括：
将没有动画效果的固定组件在SOLIDWORKS中进行组装作为整体导出，将需要添加动画效果的组件单个导出。
本实施例中，所述没有动画效果的固定组件包括框架、温控表、压力表、流量计和泵等；所述需要添加动画效果的组件包括压力表的指针、流量计指针、减压阀、一通球阀、二通球阀、三通球阀和柜门等；所述实验仪器模型导入Unity3D后，编写脚本给压力表的指针添加指针走动的动画效果以模拟压力表数值的变化；编写脚本给减压阀添加转动的动画效果以模拟对压力值的调节；编写脚本给一通球阀、二通球阀和三通球阀添加向下转动的动画效果以模拟气体通路的开关。此外，还可以给柜门的门把手添加开门的动画效果，可以观察模拟仪器的内部效果。所述指定事件包括控制所述端口通信模块与所述组件通信端口通信事件、控制显示数据曲线图事件和控制实验仪器组件动作事件等。
参见图2所示为本发明实施例一种基于Unity3D的实验仪器控制系统构建的模型效果图。实验仪器模型组件中的温控表，分别用来实现床层温度的显示，上段炉、中段炉、下段炉的程序温度控制，汽化器、净化器、阀线和阀箱的温度点控，以及流量计的流量显示和反应压力的压力显示；三通球阀1、二通球阀和一通球阀作为压力表的开关，减压阀1、减压阀2和减压阀3作为压力表的压力值的调节器。
所述端口通信模块202，用于根据所述组件通信端口101的端口类型和端口参数实现与实验仪器组件的实时通信。
本实施例中，所述端口类型为串口。所述组件通信端口101包括温控表通信端口、单片机(主控板)通信端口和泵通信端口，这三个通信端口分别与上位机的端口通信模块202连接，端口通信模块202根据端口号和波特率进行联机，实现通信。具体实施时，温控表相关数据可通过温控表通信端口实现与上位机的实验仪器模型组件进行交互；压力表、流量计及阀门等相关数据可通过主控板通信端口实现与上位机的实验仪器模型组件进行交互；输液泵相关数据可通过泵通信端口实现与上位机的实验仪器模型组件进行交互。
当然，所述端口类型还可以是USB口或网络口，具体由实际的实验仪器决定，也可以同时包括两种或以上的端口类型。
所述数据处理模块203，用于通过所述端口通信模块接收实验仪器数据，并将接收到的实验仪器数据进行动态显示及存储；还用于接收指定事件触发请求，执行对应的动作。
具体的，实验仪器数据进行动态显示即将接收到的数据以数值和曲线图两种方式动态显示，如温度值、流量值和泵相关数据可以数值方式显示，温度值和流量值还可以曲线图方式动态显示；存储即数据的本地存储，数据的本地存储即将接收到的实验仪器数据实时存储到本地，防止数据丢失。
参见图3所示，本实施例数据处理模块203的曲线图显示使用了Graph Maker插件，编写脚本将实验仪器数据与曲线图联系起来。将床层温度、上段炉、中段炉、下段炉、汽化器温度、净化器温度、阀线温度和阀箱温度做成Toggle组，可以选择是否显示该组件数据，不同的组件温度曲线对应不同的颜色，设置横坐标的单位为秒，编写脚本使其根据时间自动调整间隔，横坐标固定只显示30个数值，纵坐标的单位为摄氏度，编写脚本使其根据温度值自动调整坐标值，自适应显示。
参见图4所示，本实施例数据处理模块203还包括本地存储，数据的本地存储采用的是SQLite数据库，SQLite是一个轻量级、跨平台的嵌入式关系型数据库。
所述指定事件包括控制所述端口通信模块与所述组件通信端口通信事件、控制显示数据曲线图事件和控制实验仪器组件动作事件等。所述动作事件将在界面以按钮、单选框、多选框等形式呈现。即除了上述数据显示部分，界面UI部分还包括一些控制按钮，如实现串口通信的联机按钮(用于控制端口通信模块202是否与组件通信端口101进行通信)、显示数据曲线图面板的图表显示按钮(用于控制进行曲线显示、显示何种曲线等)，以及进行温度、流量等控制操作的一些指令按钮(控制实验仪器执行对应的动作)。具体实施时，前两种按钮为在Unity3D中创建并赋予相应事件，而指令按钮则作为模型组件的一部分导入到Unity3D中，然后在Unity3D中给其添加按钮组件，并赋予相应的事件功能。
参见图5所示，本发明一种基于Unity3D的实验仪器控制方法，包括：
步骤1，根据实验仪器中各组件的实际参数在SOLIDWORKS中构建实验仪器各组件模型；将没有动画效果的固定组件在SOLIDWORKS中进行组装作为整体导出，将需要添加动画效果的组件单个导出；导出后经中间软件3ds Max或MeshLab转换成.fbx格式，并导入Unity3D；
从SOLIDWORKS导出的模型不能直接导入Unity3D，需要进行格式转换。可从SOLIDWORKS中导出.sldprt格式模型再导入3ds Max，再从3ds Max导出成Unity3D支持的.fbx格式，也可从SOLIDWORKS中导出wrl格式模型再导入3ds Max或MeshLab，再导出.fbx格式，最后导入Unity3D；
导入Unity3D的模型大概率会丢失材质组件，可手动将材质文件夹拖入Unity3D中。导入时采用默认比例0.01，其缺失的材质部分可在Unity3D中手动添加。
所述根据实验仪器中各组件的实际参数在SOLIDWORKS中构建实验仪器各组件模型，具体包括：
获取实验仪器的真实数据，包括所有组件的尺寸及角度数据，然后根据这些数据在SOLIDWORKS中构建各组件模型，单位设置成cm。
所述没有动画效果的固定组件包括框架、温控表、压力表、流量计和泵等；所述需要添加动画效果的组件包括压力表的指针、流量计指针、减压阀、一通球阀、二通球阀、三通球阀和柜门等；所述实验仪器模型导入Unity3D后，编写脚本给压力表的指针添加指针走动的动画效果以模拟压力表数值的变化；编写脚本给减压阀添加转动的动画效果以模拟对压力值的调节；编写脚本给一通球阀、二通球阀和三通球阀添加向下转动的动画效果以模拟气体通路的开关。此外，还可以给柜门的门把手添加开门的动画效果，可以观察模拟仪器的内部效果。所述指定事件包括控制所述端口通信模块与所述组件通信端口通信事件、控制显示数据曲线图事件和控制实验仪器组件动作事件等。
步骤2，在所述Unity3D中，给需要添加动画效果的组件添加动画效果及动画效果控制脚本，并添加指定事件控制脚本及设置参数；将设置好的组件模型做成预制体，使用预制体构建完整的实验仪器模型；
步骤3，运行在Unity3D中构建的完整实验仪器模型，控制端口通信模块与组件通信端口实时通信；接收实验仪器发送的实时数据以进行动态显示及存储；同时，接收指定事件触发请求，执行对应的动作。
以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于Unity3D的实验仪器控制系统，包括实验仪器和上位机，其特征在于，所述实验仪器包括组件和组件通信端口；所述上位机包括模型构建模块、端口通信模块和数据处理模块；
所述模型构建模块，用于根据实验仪器中各组件的实际参数在SOLIDWORKS中构建实验仪器各组件模型；将所述组件模型导出后导入至3ds Max或MeshLab，再从3dsMax或MeshLab导出成.fbx格式后导入至Unity3D；在所述Unity3D中，给需要添加动画效果的组件添加动画效果及动画效果控制脚本，并添加指定事件控制脚本及设置参数；将设置好的组件模型做成预制体，使用预制体构建完整的实验仪器模型；
所述端口通信模块，用于根据所述组件通信端口的端口类型和端口参数实现与实验仪器组件的实时通信；
所述数据处理模块，用于通过所述端口通信模块接收实验仪器数据，并将接收到的实验仪器数据进行动态显示及存储；还用于接收指定事件触发请求，执行对应的动作。
2.根据权利要求1所述的基于Unity3D的实验仪器控制系统，其特征在于，所述根据实验仪器中各组件的实际参数在SOLIDWORKS中构建实验仪器各组件模型，具体包括：
获取实验仪器的真实数据，包括所有组件的尺寸及角度数据，然后根据这些数据在SOLIDWORKS中构建各组件模型，单位设置成cm。
3.根据权利要求1所述的基于Unity3D的实验仪器控制系统，其特征在于，将所述组件模型导出，具体包括：
将没有动画效果的固定组件在SOLIDWORKS中进行组装作为整体导出，将需要添加动画效果的组件单个导出。
4.根据权利要求3所述的基于Unity3D的实验仪器控制系统，其特征在于，所述没有动画效果的固定组件包括框架、温控表、压力表、流量计和泵；所述需要添加动画效果的组件包括压力表的指针、流量计指针、减压阀、一通球阀、二通球阀和三通球阀；组件模型导入Unity3D后，编写脚本给压力表的指针添加指针走动的动画效果以模拟压力表数值的变化；编写脚本给减压阀添加转动的动画效果以模拟对压力值的调节；编写脚本给一通球阀、二通球阀和三通球阀添加向下转动的动画效果以模拟气体通路的开关。
5.根据权利要求1所述的基于Unity3D的实验仪器控制系统，其特征在于，所述指定事件包括控制所述端口通信模块与所述组件通信端口通信事件、控制显示数据曲线图事件和控制实验仪器组件动作事件。
6.根据权利要求1所述的基于Unity3D的实验仪器控制系统，其特征在于，所述端口类型包括串口、USB口和/或网络口。
7.一种基于Unity3D的实验仪器控制方法，其特征在于，包括：
根据实验仪器中各组件的实际参数在SOLIDWORKS中构建实验仪器各组件模型；将没有动画效果的固定组件在SOLIDWORKS中进行组装作为整体导出，将需要添加动画效果的组件单个导出；导出后经中间软件3ds Max或MeshLab转换成.fbx格式，并导入Unity3D；
在所述Unity3D中，给需要添加动画效果的组件添加动画效果及动画效果控制脚本，并添加指定事件控制脚本及设置参数；将设置好的组件模型做成预制体，使用预制体构建完整的实验仪器模型；
运行在Unity3D中构建的完整实验仪器模型，控制端口通信模块与组件通信端口实时通信；接收实验仪器发送的实时数据以进行动态显示及存储；同时，接收指定事件触发请求，执行对应的动作。
8.根据权利要求7所述的基于Unity3D的实验仪器控制方法，其特征在于，所述根据实验仪器中各组件的实际参数在SOLIDWORKS中构建实验仪器各组件模型，具体包括：
获取实验仪器的真实数据，包括所有组件的尺寸及角度数据，然后根据这些数据在SOLIDWORKS中构建各组件模型，单位设置成cm。
9.根据权利要求1所述的基于Unity3D的实验仪器控制方法，其特征在于，所述没有动画效果的固定组件包括框架、温控表、压力表、流量计和泵；所述需要添加动画效果的组件包括压力表的指针、流量计指针、减压阀、一通球阀、二通球阀和三通球阀；所述实验仪器模型导入Unity3D后，编写脚本给压力表的指针添加指针走动的动画效果以模拟压力表数值的变化；编写脚本给减压阀添加转动的动画效果以模拟对压力值的调节；编写脚本给一通球阀、二通球阀和三通球阀添加向下转动的动画效果以模拟气体通路的开关。
10.根据权利要求1所述的基于Unity3D的实验仪器控制方法，其特征在于，所述指定事件包括控制所述端口通信模块与所述组件通信端口通信事件、控制显示数据曲线图事件和控制实验仪器组件动作事件。
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