基于Unity 3D的電動汽車電氣故障仿真游戲設計

胡勝明 曾煜文 王晰 阮晗煒 蔡逸飛 楊凱

摘要：隨著國家重視新能源汽車的發展，新能源汽車的數量逐漸增多。據調查發現，近幾年的新能源汽車事故也呈逐年增多趨勢，除了電動汽車本身技術方面不夠成熟之外，駕駛人員安全意識不足也是誘發事故的原因之一。目前社會上缺乏安全教育類型的資源。單憑現實模擬實驗，成本過高，且無法保證實驗的安全性?；诖诵枨?，通過Unity 3D引擎，以向廣大電動汽車駕駛司機普及電動汽車安全知識為核心目的，文章設計并實現了一款電動汽車電氣故障仿真游戲，并具體闡述了各模塊構成。

關鍵詞：電動汽車;Unity 3D;故障仿真;傳感器

中圖分類號：TP391? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）06-0092-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 背景

近幾年來，汽車作為人們日常生活中不可或缺的交通工具，為人們的通勤和自駕游等提供了極大的便利，但是人們在駕駛傳統燃油汽車的途中會產生大量的有毒、有害氣體，給自然環境和人們的健康帶來了一定的影響。為了應對自然環境的污染與地球能源危機帶來的問題，2020年11月，國務院辦公廳印發《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》，要求深入實施發展新能源汽車的國家戰略，推動中國新能源汽車產業的高質量可持續發展[1]。選擇開發新能源汽車是一條可行的道路，伴隨著人們社會生活水平的不斷提升的同時，人們對自然環境的保護愈發重視。只有持之以恒地推廣新能源汽車，才能夠從源頭上做到節能環保[2]。

通過調查發現，新能源汽車事故呈逐年增多趨勢[3]，誘因除了技術方面不夠成熟外，駕駛人員安全意識不足也帶來了很大隱患。而社會上實際上缺乏安全教育類型的教育資源，主要原因是電動汽車火災都是毀滅性的災難，通過現場式的實驗來實現，成本過高，且無法保證實驗的安全性?；诖祟愋枨?，本文以向廣大電動車駕駛司機普及電動車安全知識為核心目的，通過Unity 3D引擎開發了一款電動車電氣故障仿真類游戲。

2 Unity 3D引擎技術

Unity3D是Unity公司設計的游戲開發引擎，它包含了配套的編輯器、Shader、C#開發環境、網絡通信、地形編輯、版本控制、物理引擎等功能[4]。Unity可以說是游戲開發領域最輕量級的游戲開發工具，入門簡單，界面簡單、安裝、調試、發布都十分方便。采用C#或者JavaScript作為腳本語言，學習成本低，官方的文檔十分完善，并且給出了相對的Demo。擁有官方的Asset Store，社區活躍且有相當多的資源可供下載，可以提升開發者的開發效率。

目前Unity 3D已經成為全球游戲開發軟件行業的巨擘，可視化編輯器深受開發者們的喜愛?；谏鲜鯱nity 3D的強大功能和其便利的操作性，在本項目中選擇其作為核心開發工具，同時結合C4D建立仿真模型，Axure制作游戲UI界面。

3 電動汽車電氣故障仿真系統的具體實現

3.1 總體設計

3.1.1 總體思路

以電動汽車電氣故障仿真系統為主要基準，設計了名為《E路平安電動車》的仿真類駕駛游戲。作為一款3D電動汽車駕駛體驗仿真類知識普及游戲，游戲的主體劇本為一個網約車司機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。為了保證乘客能夠順利到達目的地，胡靠譜需要安全駕駛電動汽車以避免發生安全隱患的可能。在駕駛期間會出現各種突發情況，需要玩家發揮聰明才智幫助胡靠譜解決這些意外。在解決故障的過程中，玩家從中可以學習到常見的電氣故障的類型和解決方案，同時提升在駕駛電動汽車時的安全意識。

3.1.2 游戲流程

一款游戲的可玩性能夠保障該游戲長久地吸引玩家進行游玩。所謂可玩性，指的是玩家與游戲世界或者游戲世界對玩家所做出反應的方式[5]。該游戲展現了網約車司機胡靠譜從引導乘客上車到乘客到達目的地的全過程，并且在其中穿插了電動汽車的斷路故障、短路故障和超速預警功能，在最后以問答的形式幫助玩家總結歸納游戲中的電氣故障知識。詳細的游戲流程按照場景劃分：場景1：城市內的擁堵路況。內容：在城市擁堵的路況中，玩家駕駛網約車不斷地急剎，導致車內電線斷路;場景2：充電過程中。內容：充電時由于接觸不良引起的火災;場景3：在高速路上。內容：模擬超速行駛時，新能源汽車電流過大產生的火災隱患;場景4：傳感器裝配。內容：對車載傳感器進行介紹;場景5：游戲收尾。內容：知識問答，幫助玩家回顧整個游戲中所涉及的知識。

3.2 游戲模塊的具體實現

3.2.1 斷路故障仿真

本模塊主要由電動汽車仿真駕駛和斷路故障示意兩部分構成。在城市擁堵的路況中，玩家駕駛網約車不斷地急剎，導致車內電線斷路。

對于仿真駕駛功能，為盡可能給玩家帶來真實的駕駛體驗，玩家視角設置在電動汽車側后方。玩家通過鍵盤上的四個按鍵WSAD來實現電動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分別起到使電動汽車方向盤向左和向右旋轉的作用。在右下角設置了一個UI小地圖，為玩家指示行進路線和目的地（即小地圖中的紅色標記處）。玩家需要按照游戲要求，將電動汽車開至目的地。此外，還為其速度設置了一個最大值，當達到該上限時，意味著到達了電機的最大輸出功率，此時速度不再增大。電動汽車駕駛展示如圖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，其多樣的行動軌跡使得玩家需要開動腦筋躲避AI車輛以避免發生交通事故，為游戲增添了趣味性，增強了玩家的游戲體驗。

當玩家駕駛到游戲界面右下角的小地圖上指定的位置時，將會觸發電動汽車的斷路故障。此時玩家將跟隨胡靠譜的視角一同發現電動汽車發生斷路故障的部位，以及修復斷路故障。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，使用中點分形法生成導線斷路導致的電弧，很好地模擬了真實的斷路情況。

3.2.2 短路故障仿真

游戲中，玩家幫助胡靠譜修復斷路故障后，電動汽車也駛上了高速公路上。在高速公路上因電動汽車蓄電池電量不足，胡靠譜將車駛向路邊的充電樁。在使用充電樁的過程中，因發生短路故障，導致車輛自燃。本模塊采用Unity引擎提供的粒子系統，能夠很好地模擬出車輛自燃的情景，生成的火焰能夠展現燃燒不充分產生的黑煙，與實際現象相吻合。

3.2.3 電動汽車超速預警仿真

在游戲過程中，由于乘客曾老師著急趕往A市的知名大學，導致電動汽車發出了超速預警。本模塊不僅生動展現了超速預警的情形，而且還為玩家呈現了超速預警功能背后的傳感器原理及其裝配。

游戲在這里準備了一些傳感器，供玩家將其裝配到電動汽車上。如，電流傳感器：該傳感器以霍爾效應為基本原理，通過對磁場的測量就可以反推出電流的大小。以此為原理的電流測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時監測電路電流變化。氣體傳感器：在電動汽車的電氣故障中，線路短路產生高溫，進而會產生一系列特征氣體，氣體傳感器可以檢測這些特征氣體并報警[6]。還有很多傳感器，在這里不再累述。在游戲界面中，玩家可以通過鼠標右鍵單擊UI界面上的傳感器圖標，彈出相關的傳感器知識，供玩家學習。

3.2.4 理論知識問答模塊

在游戲最后配備了理論知識問答，該模塊用于幫助玩家回顧游戲過程中涉及的電氣故障相關理論知識。知識問答結束后，游戲會根據玩家答題情況給出相應的百分制分數，讓玩家了解理論知識掌握的情況。問答模塊界面如圖5所示。

4 結束語

本游戲基于Unity 3D所具備的成熟開發環境以及精致的三維模型，與C#編程腳本的完美配合，成功地設計出一款向玩家介紹在電動汽車駕駛時，可能出現的電氣故障及其相關知識的游戲。在玩家從游戲中獲得愉悅感的同時，也能夠不知不覺地從中提高了安全意識。

雖然本游戲通過Unity 3D引擎基本實現了電動汽車的駕駛功能和電氣故障的虛擬仿真，但是因為筆者在電動汽車電氣故障的理論知識研究水平不足，對Unity 3D游戲開發的運用不夠熟練，在虛擬電動汽車駕駛的實現和電氣故障的呈現方面還有多需要進一步優化的空間。隨著本項目的發展，對其理論內容研究的探索深入、電氣故障特性的研究，這些不足在日后將會得到改進，游戲中的仿真場景將更加細致，游戲內容也將更兼具娛樂性和大眾教育意義。

參考文獻：

[1] 國務院辦公廳.國務院辦公廳關于印發新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）的通知[J].中華人民共和國國務院公報，2020（31）：16-23.

[2] 林燁，黃國忠，肖凌云，等.基于深度調查的電動汽車火災原因分析技術[J].消防科學與技術，2021，40（1）：145-148.

[3] 孟利偉，張志，王彩申，等.電動車輛電池管理系統中數據采集系統設計[J].電子世界，2019（21）：126-128.

[4] 徐敏，童強.一種基于Unity3D+Vuforia的增強現實交互App的開發[J].現代計算機（專業版），2016（12）：71-75.

[5] 吳志達.一個基于Unity3d游戲引擎的體感游戲研究與實現[D].廣州：中山大學，2012.

[6] 張鳳銀.基于多傳感器融合的電動汽車電池倉火災自動預警系統研究與設計[D].西安：長安大學，2020.

【通聯編輯：唐一東】