張麗霞，潘福全，郭峰，楊勇

汽車性能測試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張麗霞，潘福全，郭峰，楊勇

（青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520）

《汽車?yán)碚摗氛n程中汽車各種性能實(shí)驗(yàn)需要各種復(fù)雜的實(shí)車行駛工況，使得該課程開展實(shí)車實(shí)驗(yàn)難度很大。本研究從實(shí)際出發(fā)，考慮學(xué)生人數(shù)、實(shí)驗(yàn)場地有限、實(shí)車實(shí)驗(yàn)具有一定危險(xiǎn)性等因素，開發(fā)了汽車性能測試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，不僅可以進(jìn)行汽車動(dòng)力性、制動(dòng)性、平順性和操縱穩(wěn)定性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，而且該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

虛擬仿真；性能測試；汽車；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

引言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。為全面貫徹實(shí)施教育部“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，秉承“以實(shí)為主、虛實(shí)結(jié)合”的建設(shè)思路，緊握信息化革命浪潮帶來的機(jī)遇，通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的緊密結(jié)合，打破汽車駕駛風(fēng)險(xiǎn)高、測試實(shí)驗(yàn)成本高的實(shí)驗(yàn)教學(xué)瓶頸，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的跨越式進(jìn)步[1-2]。

《汽車?yán)碚摗氛n程汽車性能測試試驗(yàn)包括動(dòng)力性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性和平順性[3]。這些試驗(yàn)對汽車綜合性能要求高，需要各種復(fù)雜的實(shí)車行駛工況，所以實(shí)車實(shí)驗(yàn)開設(shè)的難度大[4-5]。同時(shí)，由于現(xiàn)在學(xué)生人數(shù)很多，實(shí)驗(yàn)場地又相對有限，所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式也出現(xiàn)了局部與傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式趨同的趨勢[6]。為了在有限的實(shí)驗(yàn)條件下使學(xué)生直觀形象地領(lǐng)會(huì)汽車動(dòng)力性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性、平順性等經(jīng)典工程實(shí)例的理論精髓，需要把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中來[7-8]。本研究所開發(fā)的汽車性能測試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，以虛擬仿真技術(shù)為媒介，可以將真實(shí)情境下因抽象不可視、高危、能耗、受時(shí)空限制而缺乏互動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目虛擬化，使學(xué)生在虛擬的高度仿真環(huán)境下進(jìn)行汽車性能類測試實(shí)驗(yàn)操作和訓(xùn)練，彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的不足，且能夠解決可能出現(xiàn)的汽車交通安全問題。

1 汽車性能測試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)要求

本系統(tǒng)要求計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)windows7及以上，瀏覽器要求Firefox瀏覽器。

本系統(tǒng)是開發(fā)汽車性能測試的虛擬仿真系統(tǒng)，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)中用到的器材和設(shè)備，提供與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的汽車性能測試環(huán)境；具有B/S結(jié)構(gòu)，支持網(wǎng)頁界面操作方式，軟件首頁支持教師、管理員、學(xué)生等使用不同的身份登錄軟件，不同的身份具有不同的權(quán)限；不限客戶端數(shù)，支持同時(shí)在線人數(shù)5 000人以上；為保證系統(tǒng)的交互性和擴(kuò)展性，系統(tǒng)采用國際領(lǐng)先的Unity3D引擎開發(fā)；系統(tǒng)支持用戶在三維實(shí)驗(yàn)室場景中自由漫游而不受任何約束；系統(tǒng)提供操作幫助，言簡意賅描述實(shí)驗(yàn)如何開展；系統(tǒng)支持用戶從任意視角、任意距離觀察實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；系統(tǒng)畫面效果精美，采用虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染處理；系統(tǒng)交互性良好，用戶使用鼠標(biāo)鍵盤即可完成實(shí)驗(yàn)操作。

1.2 性能測試模塊要求

（1）本系統(tǒng)包括四個(gè)汽車性能測試模塊：1）汽車動(dòng)力性測試模塊；2）汽車制動(dòng)性測試模塊；3）汽車操縱穩(wěn)定性測試模塊；4）汽車平順性測試模塊。

（2）汽車動(dòng)力性測試模塊包括：1）對汽車滑行測試，測定滑行距離和滑行時(shí)間；2）對汽車車速測試，測定最低穩(wěn)定車速和最高車速；3）對汽車加速測試，求得加速時(shí)間，加速距離和平均加速度。

（3）汽車制動(dòng)性測試包括：1）對汽車制動(dòng)測試：求得制動(dòng)時(shí)間，制動(dòng)距離和MFDD。

（4）汽車操縱穩(wěn)定性測試包括：1）瞬態(tài)橫擺響應(yīng)測試：用階躍試驗(yàn)來測定汽車對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)；2）轉(zhuǎn)向盤角脈沖測試：測定汽車橫擺角速度頻率特性來表征汽車的動(dòng)態(tài)特性；3）穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性測試：測定汽車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入達(dá)到穩(wěn)定行駛狀態(tài)時(shí)汽車穩(wěn)態(tài)橫擺響應(yīng)；4）典型行駛工況性能測試：測定汽車的蛇形性能。

（5）汽車平順性測試滿足：1）隨機(jī)輸入測試：以測定汽車在多種隨機(jī)不平的路面上行駛時(shí)，其振動(dòng)對乘員或貨物的影響；2）脈沖輸入測試：評價(jià)汽車行駛中遇到大的凸起物或凹坑時(shí)，沖擊振動(dòng)下的平順性能。

2 汽車性能測試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用

雙擊運(yùn)行該汽車基本性能測試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，得到如圖1所示界面。該界面包括動(dòng)力性測試，制動(dòng)性測試，平順性測試，操縱穩(wěn)定性測試。點(diǎn)擊各個(gè)測試模塊，可以進(jìn)行各種性能的虛擬仿真測試。

圖1 汽車基本性能虛擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)界面

2.1 汽車動(dòng)力性測試實(shí)驗(yàn)

把GPS車速傳感器，GPS天線，三參數(shù)顯示器，計(jì)算機(jī)這些動(dòng)力性測試系統(tǒng)設(shè)備搭建好以后，可以進(jìn)行動(dòng)力性測試，包括滑行測試和加速測試。如圖2所示是加速性能測試。

圖2 加速性能測試

2.2 汽車制動(dòng)性測試實(shí)驗(yàn)

把GPS車速傳感器，GPS天線，三參數(shù)顯示器，計(jì)算機(jī)這些制動(dòng)性測試系統(tǒng)設(shè)備搭建好以后，可以進(jìn)行制動(dòng)性測試，如圖3所示。

圖3 制動(dòng)性能測試

2.3 汽車平順性測試實(shí)驗(yàn)

把GPS車速傳感器，GPS天線，測試主機(jī)，三參數(shù)顯示器，計(jì)算機(jī)，腳、靠背、座墊傳感器這些平順性性測試系統(tǒng)設(shè)備搭建好以后，可以進(jìn)行平順性測試，包括隨機(jī)輸入測試和脈沖輸入測試。如圖4所示是隨機(jī)輸入實(shí)驗(yàn)。

圖4 汽車平順性隨機(jī)輸入實(shí)驗(yàn)

2.4 汽車操縱穩(wěn)定性測試實(shí)驗(yàn)

把GPS車速傳感器，GPS天線，車輛姿態(tài)測量儀器，測力方向盤，三參數(shù)顯示器，計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集儀這些操縱穩(wěn)定性測試系統(tǒng)設(shè)備搭建好以后，可以進(jìn)行汽車操縱穩(wěn)定性測試，包括角階躍測試、轉(zhuǎn)向盤角脈沖測試、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性測試和蛇形性能測試，分別如圖5—圖8所示。

圖5 汽車操縱穩(wěn)定性角階躍實(shí)驗(yàn)

圖6 汽車操縱穩(wěn)定性角脈沖實(shí)驗(yàn)

圖7 汽車操縱穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)

圖8 汽車操縱穩(wěn)定性蛇形實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)束語

本汽車性能測試系統(tǒng)綜合應(yīng)用多媒體、大數(shù)據(jù)、三維建模、人工智能、人機(jī)交互、超級計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、云計(jì)算等網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)手段，充分發(fā)揮虛擬仿真的技術(shù)優(yōu)勢，可以使使用者不受時(shí)間、空間和測試實(shí)驗(yàn)次數(shù)的限制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，建立以使用者為中心的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，創(chuàng)造有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，提高其動(dòng)手能力，還可以使學(xué)習(xí)者改變實(shí)驗(yàn)條件，觀測到在不同實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。能夠有效解決目前《汽車?yán)碚摗氛n程實(shí)車實(shí)驗(yàn)少、實(shí)踐教學(xué)缺乏、理論教學(xué)過于抽象導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)汽車?yán)碚撆d趣不足等教學(xué)問題，能夠很好提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

[1] 喻亭亭,常承陽.汽車專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]. 科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊, 2020,28(36):53-54,57.

[2] 喻曹豐,陳清華,汪選要,等.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K在車輛工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇,2019,(17):276-278.

[3] 余志生.汽車?yán)碚?第5版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[4] 吳明翔.改進(jìn)汽車?yán)碚摻虒W(xué)方法的思考[J].教育教學(xué)論壇,2016, (18):169-172.

[5] 郝慧榮,張慧杰,吉平,等.基于思維導(dǎo)圖和MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)的“汽車?yán)碚摗被旌鲜浇虒W(xué)模式[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2019,22(4):91-94.

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[8]江浩斌,潘公宇,楊曉峰,等.車輛工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系與平臺的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2017,36(06):114-117.

Design of Virtual Simulation Experiment Teaching System for Automobile Performance Test

ZHANG Lixia, PAN Fuquan, GUO Feng, YANG Yong

( School of Mechanical and Automobile Qingdao Technological University, Shandong Qingdao 266520 )

In the course of, all kinds of automobile performance experiments need all kinds of complex real vehicle driving conditions, which makes it very difficult to carry out real vehicle experiments. This study starts from the reality, considering the number of students, the experimental site is relatively limited, the real car experiment has a certain risk . In this paper, a virtual simulation experiment teaching system for automobile performance test is developed, which can not only carry out virtual simulation experiments of automobile power performance, braking performance, ride comfort and handling stability, but also carry out virtual simulation experiments. The experimental teaching system can improve students' learning enthusiasm and innovative practice ability.

Virtual simulation;Performance test; Automobile; Experiment teaching

U467.1; G642.4

A

1671-7988(2021)20-160-03

U467.1；G642.4

A

1671-7988(2021)20-160-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.040

張麗霞（1978—），女，副教授，博士，就職于青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，研究方向：車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及控制。

教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：201801142023），山東省自然科學(xué)基金（ZR2020MG021），青島理工大學(xué)課程思政項(xiàng)目《交通安全理論與技術(shù)》。