基于UE4的變速箱虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘 要：文章針對汽車手動(dòng)變速箱對場地空間及設(shè)備數(shù)需求較高，同時(shí)變速箱結(jié)構(gòu)沉重復(fù)雜，在實(shí)際操作中不易展示，利用Unreal Engine 4軟件搭建一個(gè)集零部件介紹與訓(xùn)練的變速箱虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。該虛擬仿真教學(xué)可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加安全可靠，環(huán)節(jié)更為可控，知識(shí)點(diǎn)展示更為清晰。

關(guān)鍵詞：UE4 變速器 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

1 緒論

車輛工程專業(yè)知識(shí)體系中，汽車構(gòu)造是一門關(guān)于汽車的構(gòu)成與功能、工作原理與技術(shù)性能、整車匹配與品牌車型的專業(yè)課程，是奠定專業(yè)基礎(chǔ)的核心課程[1]。該課程強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合，以幫助學(xué)生深入了解汽車結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化實(shí)操能力[2]。近年來，新能源汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化給汽車產(chǎn)業(yè)帶來了新的增長點(diǎn)。汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和技術(shù)升級給汽車專業(yè)人才培養(yǎng)，尤其是高素質(zhì)人才的培養(yǎng)帶來前所未有的挑戰(zhàn)[3-4]。因此，隨著科技的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)以及通信技術(shù)日益成熟，其在車輛實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮著愈加顯著的作用。

Unreal Engine 4作為一款成熟的3D引擎，以強(qiáng)大的畫面渲染和方便的藍(lán)圖編程通過眾多項(xiàng)目考驗(yàn)，征服了市場。它通過創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生能夠在沒有實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)收集。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有時(shí)間和空間的靈活性，能夠提供安全、經(jīng)濟(jì)和可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，因此在教育領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5]。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是手動(dòng)變速器相關(guān)課程的交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)教師在正常教學(xué)展示任務(wù)中，可用此軟件配合教學(xué)，也可在教學(xué)任務(wù)完成后引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)不同層面的教學(xué)及實(shí)踐訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)針對變速箱總成，涉及變速器構(gòu)造及工作原理，變速器拆裝順序，掌握三軸式手動(dòng)變速器的構(gòu)成、工作原理及動(dòng)力傳遞過程。

2.1 變速器認(rèn)知及工作原理

變速器由第一軸，第二軸，倒擋軸，變速器殼等部件共同組成。同三維展示圖對應(yīng)仿真環(huán)境下的零件分布，在此基礎(chǔ)上認(rèn)知各零部件主要結(jié)構(gòu)及功能。

變速器三維展示：包括變速箱殼體，換檔裝置，第一軸，第二軸，中間軸，倒擋軸等。展示相對位置關(guān)系。如圖１所示。

該教學(xué)內(nèi)容可以使學(xué)生清楚直觀地了解該變速器的構(gòu)成。當(dāng)學(xué)生將鼠標(biāo)移動(dòng)到零件上時(shí)，該部位輪廓會(huì)高亮顯示，并且顯示零件名稱、作用。

2.2 變速器拆裝步驟說明

（1）拆下變速器后蓋。（2）上下殼體分離。（3）將第一軸和第二軸分開。（4）拆下三、四檔花鍵轂卡環(huán)，取下花鍵轂和三檔從動(dòng)齒輪及同步器鎖環(huán)。（5）取出后端支撐軸承。（6）取下五檔從動(dòng)輪卡環(huán)，后端軸承，取下五檔從動(dòng)輪及同步器。（7）拆卸中間支撐軸承。（8）分別拆卸一擋從動(dòng)齒輪，一、二檔同步器，二檔從動(dòng)輪。

該教學(xué)內(nèi)容要求學(xué)生深度認(rèn)知變速器各部件知識(shí)點(diǎn)，能夠獨(dú)立按照順序完成變速器的仿真拆裝操作。

2.3 變速器理論知識(shí)考核

該部分教學(xué)內(nèi)容考查學(xué)生對變速器基礎(chǔ)知識(shí)掌握的程度，考卷一般以選擇題構(gòu)成，要求學(xué)生對變速器的作用及功能有全面的掌握。

2.4 實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展性

本實(shí)驗(yàn)為汽車底盤實(shí)訓(xùn)課中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，而基于Unreal Engine引擎，創(chuàng)建一整個(gè)虛擬的汽車底盤實(shí)訓(xùn)環(huán)境，包括汽車底盤模型、實(shí)訓(xùn)場地等，按照教學(xué)大綱，設(shè)計(jì)不同的子實(shí)驗(yàn)，例如汽車轉(zhuǎn)向器同拆裝、驅(qū)動(dòng)橋拆裝、剎車系統(tǒng)的檢查等。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)變速器仿真實(shí)驗(yàn)的架構(gòu)，系統(tǒng)分為賬號(hào)登陸模塊、主菜單、實(shí)驗(yàn)?zāi)K、子實(shí)驗(yàn)?zāi)K。主菜單為變速器整體拆解、去殼。分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容根據(jù)變速器第一軸、第二軸、中間軸分為各子模塊。

各實(shí)驗(yàn)單獨(dú)成為關(guān)卡，關(guān)卡之間通過菜單切換及返回，根據(jù)之前的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)測試，在此單獨(dú)子實(shí)驗(yàn)操作時(shí)增加重新拆解選項(xiàng)，學(xué)生通過控制臺(tái)操作出錯(cuò)時(shí)可以選擇重新開始，通過藍(lán)圖編程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。如圖：

3.2 教學(xué)內(nèi)容流程設(shè)計(jì)

經(jīng)實(shí)際教學(xué)班課程教學(xué)，根據(jù)學(xué)生反饋修改，本教學(xué)實(shí)驗(yàn)一共分為四個(gè)步驟。首先依舊是傳統(tǒng)實(shí)物教學(xué)階段，虛擬仿真教學(xué)在學(xué)生直觀感知實(shí)際事物的基礎(chǔ)上進(jìn)行效果更好。當(dāng)實(shí)物展示結(jié)束后，教師使用虛擬仿真軟件，引導(dǎo)學(xué)生開始自主學(xué)習(xí)操作，教師演示軟件系統(tǒng)的登錄，以及虛擬拆裝過程，同時(shí)講解操作方法，注意事項(xiàng)。最后為學(xué)生練習(xí)，練習(xí)結(jié)束后，在仿真軟件里完成該課程考核。

教師演示階段，演示虛擬仿真系統(tǒng)流程為：登錄賬號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)→手動(dòng)變速器總裝配實(shí)驗(yàn)→選定下一級實(shí)驗(yàn)（如輸入軸拆裝）→輸入軸零件介紹→展示同步器、鎖環(huán)等零件功能介紹，同步器工作原理等。教師在演示過程中，提醒學(xué)生可以通過移動(dòng)鼠標(biāo)選定零件而高亮顯示該零件功能及作用，自主操作時(shí)，遇到課程知識(shí)點(diǎn)，可以隨時(shí)移動(dòng)鼠標(biāo)至該零件，尋求提示。同時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)以及各零件尤其是換擋機(jī)構(gòu)、同步器及正確裝配順序，如果拆裝時(shí)出錯(cuò)卡住，可以點(diǎn)擊返回，回到上一級菜單的同時(shí)裝配流程會(huì)刷新，此時(shí)可以重新操作。

學(xué)生練習(xí)階段，登錄自己的學(xué)號(hào)、在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行練習(xí)，賬號(hào)將被記錄用于最后考核評分，同時(shí)學(xué)生可將操作過程中的問題反饋給教師。完成全部練習(xí)可參加考核，考核內(nèi)容為規(guī)定時(shí)間內(nèi)正確裝配完變速器，同時(shí)完成變速器相關(guān)知識(shí)的試題。

評價(jià)及反思，教師總結(jié)實(shí)驗(yàn)過程中易出現(xiàn)的問題，回顧知識(shí)要點(diǎn)，再次梳理變速器拆解相關(guān)知識(shí)。同時(shí)歡迎學(xué)生對虛擬實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行評價(jià)，提出意見及建議。

3.3 具體虛擬實(shí)驗(yàn)功能

本實(shí)驗(yàn)互動(dòng)如下：

（1）學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)后在登錄界面輸入自己的學(xué)號(hào)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)場景。

（2）在空白處按住鼠標(biāo)左鍵不放同時(shí)拖拽，實(shí)現(xiàn)主視角的旋轉(zhuǎn)。

（3）在模型上按住鼠標(biāo)左鍵不放同時(shí)拖拽，實(shí)現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)。

（4）通過滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪實(shí)現(xiàn)視口縮放。

（5）移動(dòng)鼠標(biāo)，當(dāng)光標(biāo)懸停在零件上時(shí)，該部件輪廓高亮顯示，同時(shí)出現(xiàn)的名稱，功能介紹。

（6）使用鼠標(biāo)對單個(gè)零件模型進(jìn)行點(diǎn)擊拖拽可移動(dòng)零件，進(jìn)行交互拆裝。

（7）設(shè)置刷新、返回按鈕，可以返回上級菜單，或者刷新所有模型回原位。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

4.1 用戶界面登陸

通過添加控件藍(lán)圖來創(chuàng)建一個(gè)UI主界面。

在UI主界面中添加canvas panel（畫布面板），設(shè)置為登錄界面。再拖入文字塊及文字輸入框。添加控件藍(lán)圖及藍(lán)圖結(jié)構(gòu)體，此步驟可以導(dǎo)入教學(xué)班學(xué)生學(xué)號(hào)，通過判斷事件是否配對成功來確認(rèn)登陸，此步驟可以確定學(xué)生信息。如圖：

4.2 主菜單

主菜單的功能是進(jìn)行各實(shí)驗(yàn)之間的跳轉(zhuǎn)，本次實(shí)驗(yàn)的重置，包括變速器整體認(rèn)知，輸入軸（第一軸）拆裝，輸出軸拆裝，換擋機(jī)構(gòu)拆裝。實(shí)驗(yàn)可以隨時(shí)重置刷新，以及切換其他實(shí)驗(yàn)。

進(jìn)入U(xiǎn)I主界面（控件藍(lán)圖），在控件藍(lán)圖中添加Uniform Grid Panel（統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)面板），并修改為合適的尺寸。在Uniform Grid Panel（統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)面板）中添加Button（按鈕）并填充整個(gè)網(wǎng)絡(luò)面板，在按鈕上添加文字。即可完成一個(gè)菜單選項(xiàng)的繪制。

設(shè)計(jì)好布局之后，若要令其顯示在實(shí)驗(yàn)關(guān)卡內(nèi)，需要在另一個(gè)關(guān)卡藍(lán)圖使用 Create Widget（創(chuàng)建控件）和 Add to Viewport（添加視口）節(jié)點(diǎn)調(diào)用它。

4.3 操作與反饋機(jī)制設(shè)計(jì)

使用者可以通過控制臺(tái)模塊的配合，通過拖拽鼠標(biāo)來控制變速器零部件的移動(dòng)，以及零件自身的轉(zhuǎn)動(dòng)，拆卸時(shí)零件移動(dòng)一定距離即判定成功，并開始下一步操作；安裝時(shí)零件移動(dòng)到規(guī)定位置系統(tǒng)會(huì)提示成功，并開始下一步操作，直到使用者根據(jù)系統(tǒng)提示完成所有的拆裝操作。當(dāng)使用者完成所有操作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)有完成實(shí)驗(yàn)的提示，等待操作者進(jìn)行下一步操作，操作者可以選擇返回或者重置命令。

通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊鼠標(biāo)抓取、釋放網(wǎng)格體：

（1）創(chuàng)建一個(gè)藍(lán)圖Actor，添加一個(gè)BoxCollision組件作為觸發(fā)器。

（2）將BoxCollision組件的“碰撞預(yù)設(shè)”（?Collision Preset）?設(shè)置為“BlockAll”（所有）。調(diào)整BoxCollision組件的大小，?以確保它能夠覆蓋你想要被抓取零件的整個(gè)區(qū)域。

（3）設(shè)置“Line Trace By Channel”自定義事件，創(chuàng)建用戶控件獲取鼠標(biāo)焦點(diǎn)，通過事件（抓取/釋放）將零件的所有權(quán)（?Ownership）?轉(zhuǎn)移給控制器，?或者將零件附加（?Attach）?到玩家的鼠標(biāo)上。

4.4 軟件打包設(shè)置

根據(jù)軟件自帶的功能選擇，可以將項(xiàng)目打包至windows客戶端或者手機(jī)移動(dòng)端（Android/iOS）。打包完成的安裝包軟件，可以上傳至網(wǎng)絡(luò)，供學(xué)生自由下載至多種通信設(shè)備上，隨時(shí)進(jìn)行練習(xí)。

5 結(jié)論

隨著國家教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程受到了國家的高度重視，本實(shí)驗(yàn)為汽車底盤構(gòu)造實(shí)驗(yàn)課程的手動(dòng)變速器課程，提出了變速器虛擬拆裝的總體思路和詳細(xì)方案，建立從變速器功能認(rèn)知至運(yùn)行原理的一套實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。按照“能實(shí)不虛，已虛補(bǔ)實(shí)”的思路，同時(shí)針對我校實(shí)際情況，在教學(xué)過程中，將實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)相結(jié)合，優(yōu)先進(jìn)行實(shí)物教學(xué)及講解，達(dá)到“虛從實(shí)來”。用虛擬仿真教學(xué)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的部分教學(xué)，達(dá)到“已虛補(bǔ)實(shí)”，學(xué)生將不在受場地，時(shí)間，臺(tái)套數(shù)約束的進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。同時(shí)使實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備價(jià)值最大化，最終讓學(xué)生對車輛變速系統(tǒng)形成系統(tǒng)、深入的認(rèn)識(shí)。

本實(shí)驗(yàn)基于Unreal Engine引擎，具有高度擴(kuò)展性，此項(xiàng)目僅包含手動(dòng)變速器拆裝一個(gè)教學(xué)模塊，未來此系統(tǒng)將能整合所有由此引擎制作的虛擬仿真項(xiàng)目。

基金項(xiàng)目：江蘇省高等教育協(xié)會(huì)高校實(shí)驗(yàn)室研究委員會(huì)課題“汽車手動(dòng)變速箱虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)”（GS2022BZZ35）。

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