虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K在車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

喻曹豐 陳清華 汪選要 張國(guó)榮

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)的虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越多。車(chē)輛工程是一門(mén)工程應(yīng)用型學(xué)科，旨在培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐能力，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)起到了非常重要的作用。但基于實(shí)驗(yàn)條件的局限性，全國(guó)大部分高校均難以滿足車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等特殊需求。因此，設(shè)立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，借助虛擬仿真技術(shù)，搭建車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，能在一定程度上降低實(shí)驗(yàn)成本，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；車(chē)輛工程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：U467 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）17-0276-03

一、前言

車(chē)輛工程是一門(mén)工程應(yīng)用型學(xué)科，旨在培養(yǎng)出能從事汽車(chē)工程技術(shù)領(lǐng)域設(shè)計(jì)制造、科研開(kāi)發(fā)、應(yīng)用研究、經(jīng)營(yíng)管理和市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)等工作的復(fù)合型高級(jí)專(zhuān)業(yè)人才，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，在人才培養(yǎng)過(guò)程中具有非常重要的作用。然而，受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)使用等諸多因素的影響，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中親自動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)有限，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果。通過(guò)設(shè)立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，借助虛擬仿真技術(shù)，搭建車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，能在一定程度上降低實(shí)驗(yàn)成本，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐能力，提升教學(xué)質(zhì)量。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊的搭建方案

1.汽車(chē)結(jié)構(gòu)拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K。汽車(chē)結(jié)構(gòu)拆裝實(shí)驗(yàn)主要用于汽車(chē)工程導(dǎo)論、汽車(chē)構(gòu)造、發(fā)動(dòng)機(jī)原理等車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)課程，使學(xué)生了解汽車(chē)總體構(gòu)造及其連接關(guān)系，了解各部分結(jié)構(gòu)的功能和運(yùn)動(dòng)形式。傳統(tǒng)汽車(chē)構(gòu)造實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高、資源消耗大，并且需將實(shí)體結(jié)構(gòu)拆開(kāi)以了解零部件內(nèi)部構(gòu)造，而部件結(jié)構(gòu)在拆開(kāi)狀態(tài)下又無(wú)法運(yùn)行，因此在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中無(wú)法同時(shí)表現(xiàn)汽車(chē)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)造及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

采用虛擬仿真技術(shù)，研發(fā)“汽車(chē)結(jié)構(gòu)拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”，使用虛擬顯示技術(shù)創(chuàng)建的一種可以完全或部分代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)的各種操作的模擬環(huán)境，學(xué)生可以進(jìn)行各種汽車(chē)虛擬裝配和拆裝實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)操作，了解汽車(chē)構(gòu)造與裝配原理、步驟，以及鍛煉操作技能，使學(xué)生更加直觀地學(xué)習(xí)汽車(chē)構(gòu)造和工作原理。如圖1所示，本系統(tǒng)包含四個(gè)實(shí)驗(yàn)子模塊：汽車(chē)原理與構(gòu)造認(rèn)知子模塊、汽車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)分析與虛擬拆裝子模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析與虛擬拆裝子模塊、變速箱結(jié)構(gòu)分析與虛擬拆裝子模塊。

采用虛擬仿真技術(shù)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)汽車(chē)構(gòu)造，了解底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱總成、部件、零件的結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系，使學(xué)生在沉浸式虛擬環(huán)境下自主學(xué)習(xí)各總成的拆裝，有效地解決了真實(shí)實(shí)驗(yàn)無(wú)法同時(shí)表現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造與工作狀態(tài)的問(wèn)題。

2.車(chē)輛性能測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。如圖2所示，車(chē)輛性能測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K應(yīng)用于汽車(chē)?yán)碚?、?nèi)燃機(jī)原理、汽車(chē)實(shí)驗(yàn)學(xué)等專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)，包括車(chē)輛動(dòng)力性能仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、車(chē)輛制動(dòng)性能仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、車(chē)輛經(jīng)濟(jì)性能仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、車(chē)輛操縱穩(wěn)定性能仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。應(yīng)用此實(shí)驗(yàn)?zāi)K可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能。

3.汽車(chē)模擬駕駛虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K。汽車(chē)模擬駕駛虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要用于汽車(chē)?yán)碚?、汽?chē)電子控制技術(shù)等車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)課程，使學(xué)生了解汽車(chē)?yán)碚撝R(shí)在汽車(chē)上的應(yīng)用及電子控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)形式。傳統(tǒng)汽車(chē)駕駛實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅需要特定的場(chǎng)地、專(zhuān)業(yè)的司機(jī)，還浪費(fèi)了大量的資源，成本較高，同時(shí)可重復(fù)性不高。學(xué)生在完成該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)多處于感興趣的狀態(tài)且走馬觀花，對(duì)涉及的理論知識(shí)思索得不夠。采用虛擬仿真技術(shù)研發(fā)了“汽車(chē)模擬駕駛仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的一種可以完全或部分代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)各種操作的模擬環(huán)境。

本系統(tǒng)包含四個(gè)實(shí)驗(yàn)子模塊：轉(zhuǎn)向理論認(rèn)知子模塊、制動(dòng)理論認(rèn)知子模塊、操作穩(wěn)定性認(rèn)知子模塊和汽車(chē)電子技術(shù)認(rèn)知子模塊，如圖3所示。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊的具體應(yīng)用

1.汽車(chē)結(jié)構(gòu)拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)最重要的系統(tǒng)之一，發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝是熟悉汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，利用虛擬仿真技術(shù)研發(fā)汽車(chē)結(jié)構(gòu)拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K，虛擬設(shè)置整車(chē)的各部分結(jié)構(gòu)，建立三維互動(dòng)模型，呈現(xiàn)逼真結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過(guò)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的虛擬拆卸、安裝，快速掌握汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成，提升教學(xué)效果。

2.車(chē)輛性能測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。汽車(chē)動(dòng)力性仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包括汽車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)、汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力以及驅(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡圖、動(dòng)力特性圖（包含各檔位下的驅(qū)動(dòng)力曲線、加速度曲線、爬坡度曲線）和汽車(chē)的功率平衡圖。系統(tǒng)建立汽車(chē)動(dòng)力性能的影響參數(shù)與汽車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)的函數(shù)關(guān)系。在系統(tǒng)面板的左半?yún)^(qū)域是汽車(chē)動(dòng)力性的影響參數(shù)，右半?yún)^(qū)域是汽車(chē)動(dòng)力性的指標(biāo)顯示區(qū)域和系統(tǒng)控制區(qū)域，中間面板是汽車(chē)動(dòng)力性所涉及的一些特征曲線。

通過(guò)車(chē)輛性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真平臺(tái)的使用，使學(xué)生理解并掌握車(chē)輛動(dòng)力性模型的建立和計(jì)算。理解車(chē)輛各性能的影響因素，在今后的車(chē)輛性能優(yōu)化學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生感性和理性的認(rèn)識(shí)，了解車(chē)輛各性能特征參數(shù)曲線的變化趨勢(shì)。圖6為汽車(chē)模擬駕駛與操穩(wěn)性能實(shí)驗(yàn)界面，圖7為車(chē)輛動(dòng)力性能仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)前面板。

3.汽車(chē)模擬駕駛虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和3D沉浸式交互顯示系統(tǒng)，可設(shè)置不同的道路、場(chǎng)景，使學(xué)生具有身臨其境的視覺(jué)，提高學(xué)生對(duì)汽車(chē)駕駛體驗(yàn)感，提高教學(xué)效果。圖8為汽車(chē)的模擬駕駛場(chǎng)景。

四、結(jié)論

采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)傳感和3D沉浸式技術(shù)，搭建車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，作為一種輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，用來(lái)彌補(bǔ)受實(shí)驗(yàn)條件限制的實(shí)物實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)具有重要意義。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)具有降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本、提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率、減輕教師教學(xué)負(fù)擔(dān)等諸多優(yōu)點(diǎn)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊開(kāi)發(fā)周期和成本的降低，先進(jìn)傳感技術(shù)和3D沉浸式渲染技術(shù)的提高，未來(lái)更逼真、更豐富、更高效的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊會(huì)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并應(yīng)用到車(chē)輛工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去。

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