坦克裝甲車輛機(jī)動性虛擬仿真實驗設(shè)計與實現(xiàn)

李忠新， 韓立金， 馮慧華， 閆清東

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院；地面機(jī)動裝備國家級實驗教學(xué)示范中心，北京100081）

0 引 言

信息技術(shù)的飛速發(fā)展正在深刻影響教育理念、教育模式和教育體制的發(fā)展變化［1-3］。虛擬仿真實驗教學(xué)作為目前先進(jìn)的教學(xué)模式，是高校加強(qiáng)實驗實踐教學(xué)、提高實驗實踐教學(xué)質(zhì)量的重要手段，已成為高校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新的研究熱點(diǎn)［4-5］。我校地面機(jī)動裝備國家級實驗教學(xué)示范中心，結(jié)合坦克傳動國防科技重點(diǎn)實驗室在裝甲車輛領(lǐng)域豐富的科研和教學(xué)成果，圍繞坦克裝甲車輛領(lǐng)域人才培養(yǎng)的需求，以“能實不虛、虛實結(jié)合”為原則，突出學(xué)科優(yōu)勢與專業(yè)特色，開發(fā)建設(shè)了坦克裝甲車輛機(jī)動性虛擬仿真教學(xué)實驗。

1 虛擬仿真實驗建設(shè)背景與意義

坦克裝甲車輛機(jī)動性測試作為裝甲車輛工程專業(yè)的專業(yè)核心課程裝甲車輛設(shè)計的重要教學(xué)內(nèi)容，是坦克裝甲車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系中占有重要的地位與作用?，F(xiàn)實教學(xué)中，高校坦克裝甲車輛機(jī)動性實驗受到3 方面制約：①坦克裝甲車輛屬于國家主要突擊武器裝備，機(jī)動性測試需要嚴(yán)格的審批；② 坦克裝甲車輛機(jī)動性測試具有一定的危險性，且實驗成本昂貴；③坦克裝甲車輛機(jī)動性測試需要專用的場地環(huán)境與條件，須在滿足長度、坡度等條件要求的專用試驗場進(jìn)行。學(xué)生無法獨(dú)立、自主的進(jìn)行實車測試，坦克裝甲車輛機(jī)動性實驗只能以演示、觀摩以及科研臺架模擬實驗為主，影響和制約了相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)效果。為了進(jìn)一步提升實驗教學(xué)效果與實驗教學(xué)水平，并作為學(xué)校裝甲車輛工程專業(yè)示范實驗、結(jié)構(gòu)實踐、虛擬仿真實驗、自主創(chuàng)新實踐等層級實踐教學(xué)體系的重要組成和補(bǔ)充完善，基于實際教學(xué)需求開發(fā)建設(shè)了坦克裝甲車輛機(jī)動性虛擬仿真實驗系統(tǒng)。坦克裝甲車輛機(jī)動性虛擬仿真實驗涵蓋了測試對象與實驗條件、車輛準(zhǔn)備、實驗參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、性能指標(biāo)測試、實驗數(shù)據(jù)分析處理等內(nèi)容與環(huán)節(jié)，利用虛擬仿真手段重現(xiàn)了高仿真度的實驗環(huán)境與測試過程，并支持學(xué)生獨(dú)立自主地進(jìn)行機(jī)動性實驗研究與探索。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺開發(fā)與體系建設(shè)

坦克裝甲車輛機(jī)動性虛擬仿真實驗基于坦克裝甲車輛行駛原理與動力學(xué)模型開展實驗設(shè)計與研究，采用目前比較主流的Unity 3D 作為開發(fā)引擎［6-7］，涵蓋了坦克裝甲車輛機(jī)動性及其評價、加速特性、動力性換擋規(guī)律、牽引特性、牽引力阻力平衡關(guān)系、轉(zhuǎn)向半徑與側(cè)滑的關(guān)系、雙流傳動轉(zhuǎn)向特征參數(shù)及行駛平順性共計8 個知識點(diǎn)。

2.1 虛擬仿真實驗總體流程設(shè)計

坦克裝甲車輛機(jī)動性虛擬仿真實驗總體流程如圖1 所示，主要包括實驗指導(dǎo)、測試對象與實驗條件、加速性能測試、最高車速測試、轉(zhuǎn)向性能測試、越野駕駛訓(xùn)練等學(xué)習(xí)任務(wù)與測試內(nèi)容。

圖1 坦克裝甲車輛機(jī)動性虛擬仿真實驗總體實驗流程

學(xué)生通過本地終端，遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器，進(jìn)入虛擬仿真實驗系統(tǒng)，依次選擇相應(yīng)的實驗內(nèi)容，根據(jù)實驗流程以及系統(tǒng)的指導(dǎo)和提示，獨(dú)立完成相應(yīng)實驗設(shè)計與操作。該系統(tǒng)不受時間和空間的限制，通過逼真的實驗場景重現(xiàn)，附以動畫、圖形文字介紹、聲光音效、深度互動等手段，讓學(xué)生身臨其境，深入淺出地掌握實驗相關(guān)原理、方法并對數(shù)據(jù)、問題進(jìn)行分析處理。同時學(xué)生還可以根據(jù)自己的需要，對關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行重復(fù)，直至掌握為止。

2.2 虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構(gòu)

坦克裝甲車輛機(jī)動性虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。①前端系統(tǒng)：Web 前端負(fù)責(zé)系統(tǒng)全部的展示及邏輯功能。②后端系統(tǒng)：服務(wù)器系統(tǒng)負(fù)責(zé)記錄學(xué)生的操作行為及實驗數(shù)據(jù)結(jié)果等信息。③模塊管理器：管理各個功能模塊，并負(fù)責(zé)各個功能模塊的切換。④坦克車輛管理器：管理坦克裝甲車輛整車數(shù)據(jù)、模型、參數(shù)等。⑤零件及設(shè)備管理器：管理坦克裝甲車輛推進(jìn)系統(tǒng)部件及相關(guān)測試儀器與設(shè)備等。⑥ 坦克裝甲車機(jī)動性能測試模塊：管理具體實驗測試內(nèi)容，可以根據(jù)需要拓展增加，模塊化搭配各個實驗測試項目。

圖2 虛擬仿真實驗系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 虛擬仿真實驗主要功能模塊設(shè)計與實現(xiàn)

虛擬仿真實驗的實驗流程依據(jù)國軍標(biāo)要求以及坦克裝甲車輛性能測試權(quán)威機(jī)構(gòu)的試驗規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，并參考選用測試儀器設(shè)備，保證了實驗流程的真實性和科學(xué)性。虛擬仿真實驗基于經(jīng)過驗證的坦克裝甲車輛行駛動力學(xué)模型［8-13］進(jìn)行數(shù)據(jù)計算與仿真，仿真精度高，保證了實驗結(jié)果或結(jié)論的可靠性和有效性。虛擬仿真實驗，利用Physx物理引擎高效、逼真地模擬坦克裝甲車輛行進(jìn)過程中的剛體碰撞、重力等物理效果，采用GPU粒子系統(tǒng)進(jìn)行水花、煙霧等特效計算，增加了實驗場景與過程的真實感。這些措施，保證了虛擬仿真實驗的科學(xué)性和先進(jìn)性，為學(xué)生提供了更多的知識獲取渠道，能夠有效地激發(fā)學(xué)生實驗興趣并提升綜合素質(zhì)與能力養(yǎng)成［14-15］。圖3 所示為坦克裝甲車輛機(jī)動性虛擬仿真實驗的效果展示。

圖3 坦克裝甲車輛虛擬仿真實驗

（1）坦克裝甲車輛加速性能測試。學(xué)生進(jìn)入坦克裝甲車輛加速性能測試模塊，首先需要依據(jù)牽引特性曲線進(jìn)行換擋規(guī)律設(shè)計并完成不同換擋策略下的加速性能測試；在前面實驗內(nèi)容基礎(chǔ)上，還需要依據(jù)加速度特性曲線進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計換擋規(guī)律并結(jié)合油離配合完成加速性能測試，如圖4、5 所示。加速度特性曲線在牽引特性曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了旋轉(zhuǎn)質(zhì)量增加系數(shù)等因素，揭示了加速度和牽引力的關(guān)系。

圖4 加速性能測試

圖5 換擋規(guī)律優(yōu)化設(shè)計測試數(shù)據(jù)

（2）坦克裝甲車輛最高車速測試。實驗過程中，利用虛擬仿真實驗條件，依據(jù)牽引力、阻力平衡曲線，綜合考慮牽引力、阻力特性進(jìn)行實驗測試以及數(shù)據(jù)分析獲得特定條件下的最高車速。學(xué)生需要思考完成兩項測試內(nèi)容：①根據(jù)牽引力、阻力平衡曲線，已知地面阻力，通過實驗測試確定等速行駛時坦克的排擋和車速；②已知排擋和車速，通過實驗測試確定坦克等速行駛能克服的地面阻力，如圖6 ～8 所示。

圖6 最高車速測試思考答題

圖7 最高車速影響因素分析設(shè)計

圖8 不同參數(shù)下最高車速測試

（3）坦克裝甲車輛轉(zhuǎn)向性能測試。轉(zhuǎn)向性能測試實驗中，學(xué)生在方向盤轉(zhuǎn)角已定條件下，設(shè)計油門開度參數(shù)，依次完成中心轉(zhuǎn)向參數(shù)設(shè)計與測試。在擋位與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速已定條件下，設(shè)計方向盤轉(zhuǎn)角參數(shù)進(jìn)行行駛轉(zhuǎn)向測試，如圖9、10 所示。

圖9 坦克裝甲車輛轉(zhuǎn)向測試方案設(shè)計

圖10 行駛轉(zhuǎn)向性能測試

（4）坦克裝甲車輛越野性能測試。學(xué)生需要首先熟悉利用鍵盤鼠標(biāo)進(jìn)行坦克裝甲車輛的啟動、換擋、行駛、轉(zhuǎn)向、停車等操作，操作熟練后可通過鍵鼠配合操作進(jìn)行越野駕駛訓(xùn)練，通過典型路況下的綜合駕駛訓(xùn)練，分析坦克裝甲車輛的行駛平順性，如圖11 所示。

圖11 越野駕駛訓(xùn)練

2.4 虛擬仿真實驗教學(xué)方法

（1）循序漸進(jìn)引導(dǎo)與自主研究探索相結(jié)合。虛擬仿真實驗系統(tǒng)中，提供了開放的實驗環(huán)境與條件，可以開展多種類型和層次的虛擬仿真實驗。采用了多種靈活方式實時向?qū)W生提供實驗指導(dǎo)，并在提供基礎(chǔ)內(nèi)容與操作指導(dǎo)的同時，設(shè)計了需要學(xué)生自主思考完成的內(nèi)容，通過循序漸進(jìn)引導(dǎo)與自主研究探索相結(jié)合進(jìn)一步提升了學(xué)生實驗過程的參與度與主動性，從而提高了實驗教學(xué)實施成效。

（2）線上虛擬實驗與線下總結(jié)研討相結(jié)合。虛擬仿真實驗采用線上虛擬實驗以及數(shù)據(jù)分析處理與線下分析總結(jié)研討相結(jié)合的實驗教學(xué)模式，保證實驗完整性的同時，實現(xiàn)了學(xué)生獨(dú)立完成實驗和團(tuán)隊交流研討的完整性。

（3）趣味性與學(xué)術(shù)性相結(jié)合。虛擬仿真實驗在內(nèi)容展示、操作、實現(xiàn)等方面，在尊重學(xué)術(shù)、技術(shù)規(guī)律與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用了多種形式與手段，加強(qiáng)了實驗的趣味性；在實驗策劃設(shè)計中應(yīng)用了部分科研成果提升了實驗的學(xué)術(shù)性，從而實現(xiàn)了趣味性與學(xué)術(shù)性的統(tǒng)一，提高了學(xué)生實驗興趣，并進(jìn)而提升了實驗質(zhì)量與效果。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺特色

（1）依托信息化技術(shù)的先進(jìn)手段與技術(shù)優(yōu)勢，采用線上線下教學(xué)相結(jié)合的模式，實現(xiàn)了理論教學(xué)和實驗教學(xué)有機(jī)結(jié)合、循序漸進(jìn)引導(dǎo)與自主研究探索相結(jié)合、線上實驗與線下總結(jié)研討相結(jié)合、趣味性與學(xué)術(shù)性相結(jié)合的有機(jī)統(tǒng)一，大幅提升了實驗教學(xué)成效。

（2）以學(xué)生實驗學(xué)習(xí)產(chǎn)出為核心目標(biāo)，構(gòu)建了包括虛擬實驗主要操作在線評價、實驗相關(guān)基礎(chǔ)知識和知識點(diǎn)掌握情況評價、實驗報告評價在內(nèi)的線上線下綜合評價體系，能夠更加科學(xué)、全面地對學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評價。

（3）對傳統(tǒng)實驗教學(xué)進(jìn)行了延伸與拓展。① 虛實結(jié)合，虛擬仿真實驗與坦克駕駛實習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)互補(bǔ)以及共同作用，拓展了裝甲車輛創(chuàng)新、自主實驗的教學(xué)內(nèi)容。②開放設(shè)計，實驗內(nèi)容柔性模塊化，可靈活地組織實驗內(nèi)容，并借助虛擬實驗手段與技術(shù)優(yōu)勢，引導(dǎo)自主實驗，提升了虛擬實驗的學(xué)習(xí)產(chǎn)出。③教學(xué)科研緊密結(jié)合，將部分科研成果應(yīng)用于實驗教學(xué)，增加研究型實驗，提高了虛擬實驗的學(xué)術(shù)性。④ 軍民融合，與坦克研發(fā)測試相關(guān)單位共建共享，拓展了虛擬實驗的應(yīng)用面。

4 結(jié) 語

坦克裝甲車輛機(jī)動性虛擬仿真實驗，為學(xué)生提供了自主研究探索的開放實驗條件與環(huán)境，學(xué)生通過實驗掌握坦克裝甲車輛機(jī)動性試驗條件、測試儀器設(shè)備、測試原理和方法以及試驗數(shù)據(jù)處理和分析方法，了解我國獨(dú)立自主研發(fā)的坦克裝甲車輛技術(shù)和性能的發(fā)展進(jìn)步，并進(jìn)一步提高學(xué)生服務(wù)國防的意識和愛國主義情懷。坦克裝甲車輛機(jī)動性虛擬仿真實驗，已認(rèn)定為2019 年北京市級虛擬仿真實驗教學(xué)項目，目前處于國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目評審階段。