基于虛擬仿真技術(shù)的汽車維修教學(xué)系統(tǒng)的研究與設(shè)計

陳衛(wèi)國

摘 要：隨著汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，對汽車維修教學(xué)的要求也越來越高，該文主要介紹了虛擬仿真技術(shù)的特點，并對傳統(tǒng)汽車維修訓(xùn)練系統(tǒng)的現(xiàn)狀及需求進行了分析，最后進行了基于虛擬仿真技術(shù)的汽車維修教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，給出了總體設(shè)計方案和關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計步驟思路，通過虛擬仿真技術(shù)的汽車維修教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)，可以進一步提高汽車維修的教學(xué)水平，提升受教者的學(xué)識能力。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真 汽車維修 三維建模

中圖分類號：U472 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（a）-0160-02

Abstract：With the development of automotive technology， the demands of vehicle maintenance and repair education are higher and higher. This paper introduces the specification of virtual simulation and analyses the traditional education`s current situation and requirements. At last we design the education system based on virtual simulation and give the overall scheme and key technology. Through the education of virtual simulation， the education level and the students ability will be improved.

Key Words：Virtual simulation； Vehicle maintenance and repair； 3D modeling

當(dāng)今世界，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)迫使傳統(tǒng)行業(yè)需要不停地進行自我升級，虛擬仿真技術(shù)是當(dāng)前快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的新技術(shù)之一，其在工業(yè)、教育、娛樂等多個行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。伴隨著汽車工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，其對汽車維修教育水平提出了更高的要求，采用新技術(shù)手段來滿足這個要求是我們需要深入思考的問題，而虛擬仿真技術(shù)與汽車維修教學(xué)的結(jié)合為提高傳統(tǒng)汽修教學(xué)的水平提供了很好的技術(shù)手段。

1 虛擬仿真技術(shù)簡介

虛擬仿真技術(shù)是當(dāng)前科技發(fā)展的熱門話題，在諸多方面有著廣泛的應(yīng)用，虛擬仿真技術(shù)是多種前沿技術(shù)交叉形成的新技術(shù)，主要包括仿真技術(shù)、計算機圖形學(xué)、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合交叉。虛擬仿真技術(shù)的具體應(yīng)用主要包括環(huán)境模擬、狀態(tài)感知、人機交互和傳感設(shè)備等方面。環(huán)境模擬是由計算機生成的、實時動態(tài)的三維立體逼真圖像。狀態(tài)感知是指理想的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)該具有具體應(yīng)用所需要的感知能力，一般包括視覺感知、聽覺感知、觸覺感知、力覺感知、運動感知等。人機交互是指用戶根據(jù)計算機的模擬環(huán)境做出相應(yīng)的動作，同時計算機對用戶的輸入做出實時響應(yīng)，形成交互互動的過程。

2 汽車維修訓(xùn)練系統(tǒng)的現(xiàn)狀及需求

虛擬仿真技術(shù)由于在人機交互及用戶體驗方面具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢，使其對傳統(tǒng)的以汽車實物為對象進行維修教育的模式產(chǎn)生了很大的沖擊，其技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景對教育技術(shù)而言是一個革命性的技術(shù)變革。

傳統(tǒng)的汽車維修教育一般是以汽車實物為教學(xué)對象，根據(jù)不同的汽車類型和故障模式，通過傳統(tǒng)的教學(xué)手段和工具進行實體的維修教育，這種教育模式在汽車發(fā)明產(chǎn)生有史以來發(fā)揮著巨大的作用。但隨著汽車技術(shù)和教育技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的汽車維修教育模式存在著諸多的弊端，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）汽車技術(shù)發(fā)展的速度越來越快，以傳統(tǒng)發(fā)動機、變速箱為技術(shù)核心的技術(shù)體系正被以混合動力以及其他動力為核心的技術(shù)體系所沖擊，汽車維修教育不能快速地適應(yīng)汽車技術(shù)的更新發(fā)展。

（2）傳統(tǒng)的使用實體汽車或汽車部件為教學(xué)對象的維修教育模式，不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，使得維修教育機構(gòu)培養(yǎng)的汽車維修人才與社會實踐實際的維修人才需求相脫節(jié)。

（3）思想是行動的先導(dǎo)，由于教育者自身認(rèn)知能力的不足以及思維定勢的影響，導(dǎo)致傳統(tǒng)的汽車維修教育機構(gòu)對于新技術(shù)在教學(xué)中具體應(yīng)用的積極程度不高，進而影響到新技術(shù)的推廣應(yīng)用。

3 基于虛擬仿真技術(shù)的汽車維修教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 需求分析

近十多年來，我國的汽車工業(yè)飛速發(fā)展，全國的各類汽車保有量大幅提升，對汽車維修的從業(yè)人員的需求量也越來越大，進而對汽車維修培訓(xùn)機構(gòu)的數(shù)量、教學(xué)質(zhì)量等方方面面也提出了更高的要求?！肮び破涫卤叵壤淦鳌?，教學(xué)質(zhì)量的提高離不開教學(xué)模式的改進，汽車新技術(shù)和教育新技術(shù)的不斷發(fā)展涌現(xiàn)，使得汽車維修的教學(xué)模式也要隨之改變。當(dāng)前的汽車維修教學(xué)主要有以下幾個特點。

（1）由于汽車維修的專業(yè)性強，細(xì)分門類較多，從而要求從業(yè)人員必須具備良好的專業(yè)理論基礎(chǔ)和扎實的實踐操作技術(shù)功底，能夠熟練地掌握各種維修基本技能，主要包括汽車檢測、故障診斷、零配件拆裝、機電一體化儀器設(shè)備的熟練使用等。上述的種種要求需要對傳統(tǒng)的汽車維修的教學(xué)方式進行變革。

（2）當(dāng)前，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，新技術(shù)在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用深刻地改變著社會面貌，汽車維修的教學(xué)也不例外。計算機技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展及其在教育領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，使得受教者能身臨其境地學(xué)習(xí)到汽車維修的理論和實踐知識，與傳統(tǒng)的板書、圖片、教具及錄像等教學(xué)模式相比，其教學(xué)成效更加顯著，所以基于虛擬仿真技術(shù)的汽車輔助維修訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計對于汽車維修教育具有極其重要的實際意義。

（3）通過虛擬仿真汽車維修教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)，受教者能夠迅速地熟練掌握汽車的總體構(gòu)成框架、各分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理、檢測設(shè)備的使用和汽車故障的診斷維修方法，為今后從事汽車維修行業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

3.2 總體設(shè)計

虛擬仿真技術(shù)在汽車維修教學(xué)的具體應(yīng)用主要是通過基于虛擬仿真技術(shù)的汽車維修教學(xué)系統(tǒng)來完成，該教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示，主要由6個部分組成，分別是汽車總體構(gòu)成、汽車工作原理、分系統(tǒng)檢測、零配件拆裝、故障診斷維修和維修儀表應(yīng)用。

系統(tǒng)設(shè)計時首先進行汽車三維數(shù)字建模，然后對各子模塊分別設(shè)計并最終合成疊加，在進行子模塊設(shè)計時需要結(jié)合原有教學(xué)中開展的相關(guān)項目，同時增加考慮新能源汽車、混合動力汽車等新技術(shù)的汽車維修需求，進行子模塊的方案設(shè)計、調(diào)試及試運行，并最終形成仿真維修教學(xué)系統(tǒng)。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

汽車維修仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)核心在于三維數(shù)字建模，主要包括3個方面的數(shù)字建模：一是汽車整車的數(shù)字建模；二是汽車零部件的數(shù)字建模；三是儀表工具等輔助維修手段的數(shù)字建模。這個3個方面的三維數(shù)字建模是各子系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，且數(shù)字建模的過程基本相似，可以分以下3個步驟進行。

第一步是汽車整車、零部件以及儀表工具等輔助維修手段相關(guān)數(shù)據(jù)的收集整理，并對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行分析，主要包括物理尺寸、結(jié)構(gòu)框架、電路布局及走向、各部件的相對位置等數(shù)據(jù)資料。

第二步是根據(jù)收集分析的數(shù)據(jù)，使用三維建模軟件（3D Max或者MAYA）進行三維建模和后期處理，三維建模所使用的數(shù)據(jù)和實際建模后的效果應(yīng)相互一致并與實際情形相符，在建模完成以后的后期處理，要兼顧光影配合的渲染效果，突出明暗陰影的效果。

第三步是模型合成與優(yōu)化，將三維建模軟件所建立的實體模型的格式轉(zhuǎn)換為Open Flight格式，并按照汽車模型數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)進行打包壓縮存儲。

在三維數(shù)字建模完成的基礎(chǔ)上，完成對圖1各個分系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。

4 結(jié)語

新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用正深刻地改變著這個社會，虛擬仿真技術(shù)在汽車維修教學(xué)中的應(yīng)用也將深刻地改變傳統(tǒng)的汽車維修教學(xué)理念，并大大提高教學(xué)成效，使得大批的受教者能更加迅速地掌握各型汽車的維修技能，更好地為服務(wù)社會做出貢獻。

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