基于Unity 3D的电动汽车电气故障仿真游戏设计

胡胜明 曾煜文 王晰 阮晗炜 蔡逸飞 杨凯

摘要：随着国家重视新能源汽车的发展，新能源汽车的数量逐渐增多。据调查发现，近几年的新能源汽车事故也呈逐年增多趋势，除了电动汽车本身技术方面不够成熟之外，驾驶人员安全意识不足也是诱发事故的原因之一。目前社会上缺乏安全教育类型的资源。单凭现实模拟实验，成本过高，且无法保证实验的安全性。基于此需求，通过Unity 3D引擎，以向广大电动汽车驾驶司机普及电动汽车安全知识为核心目的，文章设计并实现了一款电动汽车电气故障仿真游戏，并具体阐述了各模块构成。

关键词：电动汽车;Unity 3D;故障仿真;传感器

中图分类号：TP391        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）06-0092-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 背景

近几年来，汽车作为人们日常生活中不可或缺的交通工具，为人们的通勤和自驾游等提供了极大的便利，但是人们在驾驶传统燃油汽车的途中会产生大量的有毒、有害气体，给自然环境和人们的健康带来了一定的影响。为了应对自然环境的污染与地球能源危机带来的问题，2020年11月，国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，要求深入实施发展新能源汽车的国家战略，推动中国新能源汽车产业的高质量可持续发展[1]。选择开发新能源汽车是一条可行的道路，伴随着人们社会生活水平的不断提升的同时，人们对自然环境的保护愈发重视。只有持之以恒地推广新能源汽车，才能够从源头上做到节能环保[2]。

通过调查发现，新能源汽车事故呈逐年增多趋势[3]，诱因除了技术方面不够成熟外，驾驶人员安全意识不足也带来了很大隐患。而社会上实际上缺乏安全教育类型的教育资源，主要原因是电动汽车火灾都是毁灭性的灾难，通过现场式的实验来实现，成本过高，且无法保证实验的安全性。基于此类需求，本文以向广大电动车驾驶司机普及电动车安全知识为核心目的，通过Unity 3D引擎开发了一款电动车电气故障仿真类游戏。

2 Unity 3D引擎技术

Unity3D是Unity公司设计的游戏开发引擎，它包含了配套的编辑器、Shader、C#开发环境、网络通信、地形编辑、版本控制、物理引擎等功能[4]。Unity可以说是游戏开发领域最轻量级的游戏开发工具，入门简单，界面简单、安装、调试、发布都十分方便。采用C#或者JavaScript作为脚本语言，学习成本低，官方的文檔十分完善，并且给出了相对的Demo。拥有官方的Asset Store，社区活跃且有相当多的资源可供下载，可以提升开发者的开发效率。

目前Unity 3D已经成为全球游戏开发软件行业的巨擘，可视化编辑器深受开发者们的喜爱。基于上述Unity 3D的强大功能和其便利的操作性，在本项目中选择其作为核心开发工具，同时结合C4D建立仿真模型，Axure制作游戏UI界面。

3 电动汽车电气故障仿真系统的具体实现

3.1 总体设计

3.1.1 总体思路

以电动汽车电气故障仿真系统为主要基准，设计了名为《E路平安电动车》的仿真类驾驶游戏。作为一款3D电动汽车驾驶体验仿真类知识普及游戏，游戏的主体剧本为一个网约车司机胡靠谱需要将乘客曾老师从厦门市送往A市的一所知名大学。为了保证乘客能够顺利到达目的地，胡靠谱需要安全驾驶电动汽车以避免发生安全隐患的可能。在驾驶期间会出现各种突发情况，需要玩家发挥聪明才智帮助胡靠谱解决这些意外。在解决故障的过程中，玩家从中可以学习到常见的电气故障的类型和解决方案，同时提升在驾驶电动汽车时的安全意识。

3.1.2 游戏流程

一款游戏的可玩性能够保障该游戏长久地吸引玩家进行游玩。所谓可玩性，指的是玩家与游戏世界或者游戏世界对玩家所做出反应的方式[5]。该游戏展现了网约车司机胡靠谱从引导乘客上车到乘客到达目的地的全过程，并且在其中穿插了电动汽车的断路故障、短路故障和超速预警功能，在最后以问答的形式帮助玩家总结归纳游戏中的电气故障知识。详细的游戏流程按照场景划分：场景1：城市内的拥堵路况。内容：在城市拥堵的路况中，玩家驾驶网约车不断地急刹，导致车内电线断路;场景2：充电过程中。内容：充电时由于接触不良引起的火灾;场景3：在高速路上。内容：模拟超速行驶时，新能源汽车电流过大产生的火灾隐患;场景4：传感器装配。内容：对车载传感器进行介绍;场景5：游戏收尾。内容：知识问答，帮助玩家回顾整个游戏中所涉及的知识。

3.2 游戏模块的具体实现

3.2.1 断路故障仿真

本模块主要由电动汽车仿真驾驶和断路故障示意两部分构成。在城市拥堵的路况中，玩家驾驶网约车不断地急刹，导致车内电线断路。

对于仿真驾驶功能，为尽可能给玩家带来真实的驾驶体验，玩家视角设置在电动汽车侧后方。玩家通过键盘上的四个按键WSAD来实现电动汽车的前后左右的行驶，按键W为油门键，按键S为刹车和倒车键，按键A和按键D分别起到使电动汽车方向盘向左和向右旋转的作用。在右下角设置了一个UI小地图，为玩家指示行进路线和目的地（即小地图中的红色标记处）。玩家需要按照游戏要求，将电动汽车开至目的地。此外，还为其速度设置了一个最大值，当达到该上限时，意味着到达了电机的最大输出功率，此时速度不再增大。电动汽车驾驶展示如图1所示。为了尽可能模拟城市拥堵路况，本游戏在城市中引入了AI车辆，其多样的行动轨迹使得玩家需要开动脑筋躲避AI车辆以避免发生交通事故，为游戏增添了趣味性，增强了玩家的游戏体验。

当玩家驾驶到游戏界面右下角的小地图上指定的位置时，将会触发电动汽车的断路故障。此时玩家将跟随胡靠谱的视角一同发现电动汽车发生断路故障的部位，以及修复断路故障。断路故障仿真效果图如图2所示。本游戏利用了Unity引擎提供的LineRenderer功能，使用中点分形法生成导线断路导致的电弧，很好地模拟了真实的断路情况。

3.2.2 短路故障仿真

游戏中，玩家帮助胡靠谱修复断路故障后，电动汽车也驶上了高速公路上。在高速公路上因电动汽车蓄电池电量不足，胡靠谱将车驶向路边的充电桩。在使用充电桩的过程中，因发生短路故障，导致车辆自燃。本模块采用Unity引擎提供的粒子系统，能够很好地模拟出车辆自燃的情景，生成的火焰能够展现燃烧不充分产生的黑烟，与实际现象相吻合。

3.2.3 电动汽车超速预警仿真

在游戏过程中，由于乘客曾老师着急赶往A市的知名大学，导致电动汽车发出了超速预警。本模块不仅生动展现了超速预警的情形，而且还为玩家呈现了超速预警功能背后的传感器原理及其装配。

游戏在这里准备了一些传感器，供玩家将其装配到电动汽车上。如，电流传感器：该传感器以霍尔效应为基本原理，通过对磁场的测量就可以反推出电流的大小。以此为原理的電流测量传感器就是霍尔式电流传感器，它能够以非接触的方式实时监测电路电流变化。气体传感器：在电动汽车的电气故障中，线路短路产生高温，进而会产生一系列特征气体，气体传感器可以检测这些特征气体并报警[6]。还有很多传感器，在这里不再累述。在游戏界面中，玩家可以通过鼠标右键单击UI界面上的传感器图标，弹出相关的传感器知识，供玩家学习。

3.2.4 理论知识问答模块

在游戏最后配备了理论知识问答，该模块用于帮助玩家回顾游戏过程中涉及的电气故障相关理论知识。知识问答结束后，游戏会根据玩家答题情况给出相应的百分制分数，让玩家了解理论知识掌握的情况。问答模块界面如图5所示。

4 结束语

本游戏基于Unity 3D所具备的成熟开发环境以及精致的三维模型，与C#编程脚本的完美配合，成功地设计出一款向玩家介绍在电动汽车驾驶时，可能出现的电气故障及其相关知识的游戏。在玩家从游戏中获得愉悦感的同时，也能够不知不觉地从中提高了安全意识。

虽然本游戏通过Unity 3D引擎基本实现了电动汽车的驾驶功能和电气故障的虚拟仿真，但是因为笔者在电动汽车电气故障的理论知识研究水平不足，对Unity 3D游戏开发的运用不够熟练，在虚拟电动汽车驾驶的实现和电气故障的呈现方面还有多需要进一步优化的空间。随着本项目的发展，对其理论内容研究的探索深入、电气故障特性的研究，这些不足在日后将会得到改进，游戏中的仿真场景将更加细致，游戏内容也将更兼具娱乐性和大众教育意义。

参考文献：

[1] 国务院办公厅.国务院办公厅关于印发新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）的通知[J].中华人民共和国国务院公报，2020（31）：16-23.

[2] 林烨，黄国忠，肖凌云，等.基于深度调查的电动汽车火灾原因分析技术[J].消防科学与技术，2021，40（1）：145-148.

[3] 孟利伟，张志，王彩申，等.电动车辆电池管理系统中数据采集系统设计[J].电子世界，2019（21）：126-128.

[4] 徐敏，童强.一种基于Unity3D+Vuforia的增强现实交互App的开发[J].现代计算机（专业版），2016（12）：71-75.

[5] 吴志达.一个基于Unity3d游戏引擎的体感游戏研究与实现[D].广州：中山大学，2012.

[6] 张凤银.基于多传感器融合的电动汽车电池仓火灾自动预警系统研究与设计[D].西安：长安大学，2020.

【通联编辑：唐一东】