新能源汽車變速器虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣歡麗 朝暉 馮丙寅

摘 要：為了輔助新能源汽車變速器的教與學(xué)，提高汽車專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，應(yīng)用UG及3ds MAX工具，構(gòu)建了新能源汽車變速器虛擬模型資源，然后利用該模型資源，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，基于Unity3D平臺，設(shè)計(jì)了一款新能源汽車變速器的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用戶操作、結(jié)構(gòu)展示和虛擬實(shí)訓(xùn)拆裝等功能，是一種輔助實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效學(xué)習(xí)資源。

關(guān)鍵詞：虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng);新能源汽車;變速器

中圖分類號：TP399? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）22-167-03

Abstract： In order to assist the teaching and learning of new energy vehicle transmission， and improving the learning interest of automobile major students， new energy vehicle transmission virtual model resources are constructed by using UG and 3ds MAX， then a new energy vehicle transmission virtual learning system is designed based on the Unity3D platform and virtual simulation technology. The system realizes the functions of user operation， structure display， virtual training dismounting and so on. It is an effective learning resource to assist training teaching.

Keywords： Virtual learning system; New Energy Vehicles; Transmission

CLC NO.： TP399? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-167-03

1 引言

近幾年來，VR技術(shù)（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）在醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、環(huán)境、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、建筑、汽車等多個(gè)領(lǐng)域得到了快速應(yīng)用，解決了一些教學(xué)、研究及實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練等方面的問題?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)，王健君等[1]，黃鋒等[2]，張濤等[3]，國大亮等[4]將其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)與教學(xué);朱宗奎[5]對地質(zhì)專業(yè)教學(xué)進(jìn)行了探析;姜萍等[6]將其應(yīng)用于發(fā)電實(shí)驗(yàn)教學(xué);魏娜等[7]對水利水電專業(yè)教學(xué)進(jìn)行了探析;王龍庭等[8]將其應(yīng)用于工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué);李洪亮等[9]將其用于云計(jì)算技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué);孫育英等[10]將其應(yīng)用于建筑環(huán)境與能源專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)。鑒于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與新能源汽車教學(xué)方面的研究較少，且新能源汽車實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的一些問題，本文以新能源汽車變速器為研究對象，設(shè)計(jì)了新能源汽車變速器虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

在新能源汽車學(xué)習(xí)過程中，新能源汽車變速器的學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)是非常重要的教學(xué)內(nèi)容。實(shí)際上，學(xué)生將抽象的汽車零部件理論知識轉(zhuǎn)換到實(shí)際的操作，存在著一定困難。且由于受汽車零部件資源、實(shí)訓(xùn)工具、實(shí)訓(xùn)場地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)、教學(xué)課時(shí)等各方面的限制，難以保障每個(gè)學(xué)生有足夠的空間和時(shí)間進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。

因此，使用者通過該學(xué)習(xí)系統(tǒng)要能獲得一定理論知識且能進(jìn)行虛擬實(shí)訓(xùn)。該系統(tǒng)具有：（1）仿真性。與實(shí)訓(xùn)教室相似的環(huán)境和仿真的新能源汽車零部件模型，較高的模型仿真程度可增強(qiáng)實(shí)用者的沉浸感，提高使用者的學(xué)習(xí)效果;（2）可視化。使用者能夠多角度、多位置觀察，對新能源汽車變速器整體結(jié)構(gòu)外觀及其所有零部件結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生直觀的認(rèn)識;（3）交互性。學(xué)習(xí)能力不同的使用者可自行調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度，且有較全面的提示功能，尤其是在進(jìn)行錯(cuò)誤操作時(shí)應(yīng)給予提示;（4）重復(fù)性。使用者可反復(fù)進(jìn)行學(xué)習(xí);（5）引導(dǎo)性。有良好的教學(xué)引導(dǎo)流程，能調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣及積極性，順利的完成學(xué)習(xí)及虛擬實(shí)訓(xùn);（6）沉浸式體驗(yàn)性。有比較美觀的場景、音樂以及流暢的操作體驗(yàn)，讓使用者在操作學(xué)習(xí)系統(tǒng)時(shí)心情暢快、集中精神，不產(chǎn)生煩躁情緒。

該新能源汽車變速器虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)，是在汽車設(shè)計(jì)及汽車?yán)碚摰幕A(chǔ)上，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)，以直觀性、體驗(yàn)性、沉浸性及透徹性的方式展示新能源汽車變速器，同時(shí)進(jìn)行虛擬實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)。它更加貼合以學(xué)生為主體的教學(xué)方式，系統(tǒng)以“引導(dǎo)者”的身份幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，具有更好的實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示：

3 虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與展示

本文設(shè)計(jì)的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)，以新能源汽車兩檔變速器的設(shè)計(jì)過程為依據(jù)，構(gòu)件模型資源，構(gòu)建出新能源汽車虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

3.1 仿真模型資源構(gòu)建

UG又稱NX，具有強(qiáng)大的功能板塊可以幫助用戶完成一些復(fù)雜的操作，不僅可以進(jìn)行三維設(shè)計(jì)及模具設(shè)計(jì)等，還可以對復(fù)雜曲面及復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程[11]。而3ds MAX最顯著的特點(diǎn)是可堆疊的建模步驟、各種3D制作軟件的適配兼容性、強(qiáng)大的渲染功能等，使模型的仿真效果更好，推廣應(yīng)用更方便。因此本文選擇了UG和3ds MAX軟件作為模型資源構(gòu)建的工具，根據(jù)變速器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建了實(shí)訓(xùn)室仿真環(huán)境模型和變速器零部件仿真模型。

3.2 學(xué)習(xí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展及新能源汽車變速器的特點(diǎn)，本文選擇Unity3D平臺作為該學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)的引擎。Unity3D平臺是一款集 3D視覺游戲、模型可視化、實(shí)時(shí)人機(jī)交互等功能的大型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)能夠適配其他軟件的綜合而專業(yè)的引擎。

將實(shí)訓(xùn)室仿真環(huán)境模型和變速器零部件仿真模型轉(zhuǎn)換為FBX格式，作為資源導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D平臺，其中碰撞檢測是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)交互的關(guān)鍵，給零件添加網(wǎng)格碰撞器，防止對象互相穿透，給所有的障礙物添加靜態(tài)碰撞器。拆裝實(shí)訓(xùn)模塊通過使用三個(gè)關(guān)鍵腳本實(shí)現(xiàn)，分別是控制模型移動(dòng)、模型裝配信標(biāo)及模型吸附動(dòng)作，信標(biāo)腳本即當(dāng)模型移動(dòng)到足夠近時(shí)，會觸發(fā)裝配命令，信標(biāo)的位置即裝配位置。

根據(jù)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)的總體架構(gòu)，對變速器零部件展示模塊、拆裝實(shí)訓(xùn)模塊、背景音樂模塊等功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，并編寫合適的腳本，同時(shí)通過腳本控制對象產(chǎn)生碰撞檢測和交互，進(jìn)行打包及發(fā)布。圖2為該新能源汽車變速器虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程圖。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款新能源汽車變速器虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可滿足不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)的需要，實(shí)現(xiàn)了用戶操作、結(jié)構(gòu)展示和虛擬實(shí)訓(xùn)拆裝等功能，具有仿真性、交互性、體驗(yàn)性等特點(diǎn)，同時(shí)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)汽車變速器的興趣，是一種輔助實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效學(xué)習(xí)資源。

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