羅天洪，吳不得，李 紅

(1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074; 2.北京康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100120)

基于硬件在環(huán)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地實(shí)現(xiàn)模式

羅天洪1，吳不得1，李 紅2

(1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074; 2.北京康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100120)

基于硬件在環(huán)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地的建設(shè)包括硬件和軟件兩部分，涉及硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶驮囼?yàn)流程，探討了構(gòu)建硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)途徑，搭建了平面組合機(jī)構(gòu)的硬件在環(huán)測試平臺(tái)，對(duì)該環(huán)境下機(jī)構(gòu)的實(shí)測和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。借助實(shí)驗(yàn)基地實(shí)現(xiàn)模式的研究，使高校實(shí)驗(yàn)室能夠更好的開展綜合性、開放性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)能夠更科學(xué)、有效地進(jìn)行。

硬件在環(huán);實(shí)驗(yàn)基地;實(shí)現(xiàn)模式;技術(shù)途徑

一、引言

目前高校實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)備種類和技術(shù)條件雖然比以前有了長足的進(jìn)步，但往往還不能滿足創(chuàng)新開放性實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和多樣性需要，綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)大都不能很好的進(jìn)行，這在很大程度上制約著大學(xué)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展水平［1］。硬件在環(huán)技術(shù)作為一種新興功能強(qiáng)大的仿真技術(shù)，其在安全、可行性和成本上都具有顯著的優(yōu)勢［2］，因此，可以考慮通過虛擬儀器和硬件在環(huán)技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和接口技術(shù)［3］，來搭建一個(gè)設(shè)備種類齊全、手段多樣的綜合性創(chuàng)新基地平臺(tái)，以此達(dá)到高校建設(shè)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)基地的要求。

一個(gè)典型的硬件在環(huán)(Hardware in the loop)包括用于從被控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)的傳感器，用于發(fā)送數(shù)據(jù)的傳動(dòng)器，一個(gè)用于數(shù)據(jù)處理的控制器，一個(gè)人機(jī)界面(HMI)，以及一個(gè)仿真分析平臺(tái)。要精確地仿真測試系統(tǒng)中物理上并不存在的部分，一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是非常必要的。I/O接口是與被測部件交互模擬、數(shù)字、測量和總線信號(hào)［4］，用戶可以用它們來產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，獲取用于記錄和分析的數(shù)據(jù)，并提供被測的電子控制單元(ECU)與模型仿真的虛擬環(huán)境之間的傳感器/執(zhí)行器交互;操作界面與實(shí)時(shí)處理器相通，提供測試命令和可視化環(huán)境，在大多數(shù)情況下，這個(gè)部件也提供配置管理，測試自動(dòng)化，承擔(dān)分析和報(bào)告任務(wù)。

硬件在環(huán)仿真最顯著的特點(diǎn)是可以對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行很好的模擬，對(duì)于高校實(shí)驗(yàn)室來說，無論是創(chuàng)新成果的測試還是設(shè)計(jì)型和開放創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)備數(shù)量種類繁多的硬件設(shè)施是不現(xiàn)實(shí)也是不必要的［5］。構(gòu)件基于硬件在環(huán)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地，可以允許實(shí)驗(yàn)者根據(jù)平臺(tái)上提供的虛擬器材自由搭建任意合理的典型實(shí)驗(yàn)，或?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)案例，這一點(diǎn)是該實(shí)驗(yàn)基地有別于一般教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的重要特征。硬件在環(huán)仿真還可以在真實(shí)世界中不能實(shí)現(xiàn)的極端條件下對(duì)創(chuàng)新成果進(jìn)行測試，而不用準(zhǔn)備全系統(tǒng)所需的實(shí)際硬件。除了可以滿足教師對(duì)各層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，實(shí)驗(yàn)基地還為學(xué)生自由搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┝丝赡?，學(xué)生可通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)手操作，又可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，這樣可以很好的培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)。

二、基于硬件在環(huán)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地實(shí)現(xiàn)模式

(一)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

硬件在環(huán)技術(shù)綜合了物理仿真和數(shù)學(xué)仿真的優(yōu)點(diǎn)，利用虛擬儀器和仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的模型部分進(jìn)行靈活快捷的仿真，學(xué)生通過對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)基地的綜合開放性實(shí)驗(yàn)以及對(duì)創(chuàng)意成果的測試，構(gòu)成復(fù)雜的采用“目標(biāo)機(jī)構(gòu)－I/O硬件－實(shí)驗(yàn)PC平臺(tái)－HMI平臺(tái)”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。?shí)驗(yàn)基地提供部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)可以采用“目標(biāo)機(jī)構(gòu)+其它實(shí)體機(jī)構(gòu)組合－I/O硬件－實(shí)驗(yàn)PC平臺(tái)－HMI交互平臺(tái)”模式，如圖1所示:

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

(二)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)除了目標(biāo)機(jī)構(gòu)外，還包括其它機(jī)構(gòu)、I/O硬件、PC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、HMI人機(jī)交互平臺(tái)4個(gè)模塊，如圖2所示。其他機(jī)構(gòu)指創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室可以提供的實(shí)驗(yàn)硬件資源，或者實(shí)驗(yàn)內(nèi)容必須的需要直觀反映的機(jī)構(gòu)組合。實(shí)際機(jī)構(gòu)的運(yùn)用應(yīng)考慮這些機(jī)構(gòu)的仿真復(fù)雜度，在條件允許的情況下通過運(yùn)用實(shí)際機(jī)構(gòu)來減少實(shí)驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作，提高實(shí)驗(yàn)效率。I/O硬件主要指硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過I/O接口與被測機(jī)構(gòu)交換模擬、數(shù)字和測量信號(hào)，獲取用于記錄和分析的數(shù)據(jù)［6－7］，并提供被測控制單元(ECU)與仿真虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之間的傳感器與執(zhí)行器交互。數(shù)據(jù)采集模塊主要包含傳感器、接口技術(shù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)幾個(gè)方面。一方面通過將實(shí)際硬件產(chǎn)生的速度、加速度、位移以及電學(xué)等測量信號(hào)傳送至實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以供分析［8－9］，另一方面將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制信號(hào)準(zhǔn)確快捷的傳遞至每一個(gè)ECU部件。PC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是整個(gè)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的“大腦”所在，包含數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制器、虛擬儀器庫和數(shù)據(jù)的分析處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊可以選用Labview軟件作為開發(fā)平臺(tái)，用Matlab和Simulink作為數(shù)學(xué)和計(jì)算引擎，利用VRML、Workbench等技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶和模型之間的數(shù)據(jù)交互，并通過JAVA或其他語言進(jìn)行數(shù)據(jù)處理模塊的具體編寫。實(shí)時(shí)控制器包含物理運(yùn)動(dòng)控制和電子仿真控制，通過將數(shù)據(jù)處理模塊的處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為具體的激勵(lì)信號(hào)，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的控制目標(biāo)機(jī)構(gòu)、其它實(shí)際機(jī)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電子信號(hào)，并實(shí)時(shí)控制虛擬模塊的仿真信號(hào)。虛擬儀器庫，包含元件庫、儀器庫、模型庫以及虛擬儀器組合，是虛擬儀器技術(shù)在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地應(yīng)用的最直接體現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)基地事先對(duì)常用零件、儀器和簡單機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，將其分類整理存放，在實(shí)驗(yàn)時(shí)可以隨時(shí)調(diào)用，同時(shí)也將每一次實(shí)驗(yàn)的仿真機(jī)構(gòu)模型或者零件模型加以保存，不斷充實(shí)儀器庫的模型容量，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)效率。HMI人機(jī)交互平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)PC平臺(tái)相連，是實(shí)驗(yàn)者直接觀察實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平臺(tái)，通過現(xiàn)代高性能的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)、圖像采集技術(shù)和仿真模擬技術(shù)的應(yīng)用，提供測試命令和可視化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)也承擔(dān)配置管理和結(jié)果分析報(bào)告任務(wù)。

(三)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)流程

由于硬件在環(huán)技術(shù)的特殊性，此類實(shí)驗(yàn)需要一定的前期工作，為了提高實(shí)驗(yàn)效率，必須對(duì)實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行科學(xué)規(guī)范化的管理，使之有序高效的完成。

1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作

硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作可以概括為三個(gè)方面:實(shí)驗(yàn)方案確定、實(shí)驗(yàn)儀器準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)方案的確定是前期準(zhǔn)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系到整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程能否順利的進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)基地的實(shí)驗(yàn)首先應(yīng)該由實(shí)驗(yàn)者本人向?qū)嶒?yàn)室管理員提交實(shí)驗(yàn)申請，并提交初步的實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)室在收到申請后由專業(yè)老師對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的合理性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案不足的地方提出改進(jìn)意見，并對(duì)符合要求的實(shí)驗(yàn)確定最終的實(shí)驗(yàn)方案，在滿足實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡幕A(chǔ)上爭取采用最合理最實(shí)用的實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)儀器的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需要的設(shè)備、儀器等，包括實(shí)體機(jī)構(gòu)、儀器的準(zhǔn)備以及虛擬模塊的準(zhǔn)備。儀器庫中已有的虛擬儀器可以直接調(diào)用，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上沒有的可以利用虛擬技術(shù)進(jìn)行模擬仿真。準(zhǔn)備工作的第三階段是搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是前期準(zhǔn)備工作很重要的一環(huán)。將實(shí)際機(jī)構(gòu)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行搭配組合，并連接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，然后在需要的位置安裝傳感器、測量儀器以及控制儀器，實(shí)驗(yàn)PC平臺(tái)也需要在這個(gè)階段對(duì)虛擬仿真儀器及機(jī)構(gòu)進(jìn)行整合，并建立實(shí)時(shí)控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊，最終完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。

2.實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的管理

為了便于不同實(shí)驗(yàn)的高效進(jìn)行，并對(duì)其進(jìn)行規(guī)范管理，可以將每一個(gè)實(shí)驗(yàn)根據(jù)情況分為申請中、籌備中、試驗(yàn)中、分析總結(jié)以及平臺(tái)重建五種狀態(tài)，如圖3所示。處于實(shí)驗(yàn)申請中的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室只需要對(duì)其實(shí)驗(yàn)方案把關(guān)，篩選合理的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。于籌備中和實(shí)驗(yàn)中兩種狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)可以并行處理，即在每一次的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，可以同時(shí)對(duì)計(jì)劃中的下一次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行籌備，包括虛擬機(jī)構(gòu)的仿真以及數(shù)據(jù)處理模塊的編寫等。分析總結(jié)和平臺(tái)重建兩種狀態(tài)也可以并行處理，即在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)結(jié)果的分析總結(jié)階段，可以立即搭建下一次實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)基地通過對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的分類管理，可以在保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的同時(shí)，根據(jù)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)的特殊性，并行處理，極大提高實(shí)驗(yàn)基地的實(shí)驗(yàn)效率。

3.實(shí)驗(yàn)過程及處理

在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作完成以后，實(shí)驗(yàn)室即可根據(jù)制定好的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，充分利用硬件在環(huán)的巨大優(yōu)勢，靈活快捷的進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中，按照實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的管理可同時(shí)按照計(jì)劃進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作。通過實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，既可以預(yù)先檢查學(xué)生的創(chuàng)意成果的合理性和可靠性，同時(shí)也可以開展基于硬件在環(huán)的開放型、綜合型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，以更好的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。在實(shí)驗(yàn)完成以后，即可按照過程管理搭建計(jì)劃中實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)根據(jù)人機(jī)交互平臺(tái)提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡耐瑫r(shí)進(jìn)行優(yōu)化提高。

圖3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備流程

(四)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的技術(shù)途徑

實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)仿真需要解決的問題主要包括:仿真模型的建立，軟件平臺(tái)的建立，接口技術(shù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，編寫實(shí)時(shí)內(nèi)核(也就是實(shí)時(shí)控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊)，以及儀器庫的擴(kuò)充。

①仿真模型建立:硬件在環(huán)仿真模型和普通的仿真模型不同，在通過各種仿真軟件建立模型本身之后，還必須預(yù)留與其他仿真模型和實(shí)際硬件的接口技術(shù)。② 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立:目前流行的硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)開發(fā)工具主要是dSPACE產(chǎn)品、LabVIEW-RT和xPC目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)?？梢圆捎肔abview軟件為開發(fā)平臺(tái)，用MATLAB和Simulink作為數(shù)學(xué)和計(jì)算引擎。③接口技術(shù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù):接口程序使用S函數(shù)和MATLAB中特定的專業(yè)模塊(如XPC或者VR工具箱)來完成，利用VRML、Workbench等技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶和模型之間的數(shù)據(jù)交互。④實(shí)時(shí)內(nèi)核采用MATLAB軟件提供的各種功能強(qiáng)大的函數(shù)和工具箱來完成，通過JAVA或其他語言進(jìn)行數(shù)據(jù)處理模塊的具體編寫。⑤儀器庫的擴(kuò)充:在實(shí)驗(yàn)基地安排學(xué)生的仿真培訓(xùn)時(shí)，將對(duì)常用機(jī)構(gòu)或者儀器的仿真作為學(xué)生的訓(xùn)練內(nèi)容，并將好的作品補(bǔ)充入實(shí)驗(yàn)基地的虛擬儀器庫中。同時(shí)，對(duì)學(xué)生的課外實(shí)踐活動(dòng)中的仿真成果以及教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)的仿真成果，在征得作者同意的基礎(chǔ)上，都可以將其收藏至實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的儀器庫中，積少成多，不斷豐富實(shí)驗(yàn)基地的儀器庫。

硬件在環(huán)仿真是集合多種軟硬件技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，在試驗(yàn)過程中必須解決軟硬件在接口的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞問題，因此有必要建立接口管理系統(tǒng)的方法來解決，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示:

圖4 結(jié)構(gòu)圖

處理器芯片通過實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集接口兩端的數(shù)據(jù)信號(hào)，以基于雙口RAM的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)字量，供計(jì)算機(jī)平臺(tái)使用，并將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸出信號(hào)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)化成每個(gè)ECU所需的信號(hào)輸出。

三、平面機(jī)構(gòu)組合硬件在環(huán)測試平臺(tái)

為更具體的研究硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)形式，本文利用有限的資源，搭建了平面機(jī)構(gòu)組合的硬件在環(huán)測試平臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5，通過數(shù)據(jù)采集模塊可以實(shí)時(shí)確定硬件機(jī)構(gòu)的物理運(yùn)動(dòng)和電學(xué)特征，通過測試模塊對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測試和數(shù)據(jù)處理，通過圖像采集模塊可以為實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程共享提供條件，通過PCI接口協(xié)調(diào)平臺(tái)CPU與各模塊之間的數(shù)據(jù)傳送。

該平臺(tái)涵蓋了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖塊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、齒輪-曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、齒輪-曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪-曲柄搖塊機(jī)構(gòu)、齒輪-槽輪機(jī)構(gòu)、齒輪-曲柄導(dǎo)桿搖桿機(jī)構(gòu)、齒輪-曲柄導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)等共15種常見機(jī)構(gòu)，也可以根據(jù)需要拼接其他的試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，具有一定的開放性和實(shí)用性。平臺(tái)可以通過虛擬測量儀器的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)對(duì)這些機(jī)構(gòu)的物理運(yùn)動(dòng)如位移、速度、加速度的實(shí)時(shí)測量。通過對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，并搭接實(shí)際的測試儀器，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也可以實(shí)時(shí)的提供實(shí)際測試和虛擬測試的結(jié)果對(duì)比，具有一定的參考意義。

圖5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

選取齒輪-曲柄導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)物分別如圖6所示，機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由齒輪上的偏轉(zhuǎn)滑塊帶動(dòng)搖桿和導(dǎo)桿的運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)通過傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的精確定位，并對(duì)機(jī)構(gòu)構(gòu)件的位移和角度進(jìn)行測量，由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測試模塊進(jìn)行計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)速度、加速度的測量計(jì)算。

圖6 結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以通過內(nèi)置的虛擬測量儀器對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測試，以這些平面機(jī)構(gòu)的物理運(yùn)動(dòng)為例，如需對(duì)機(jī)構(gòu)的物理運(yùn)動(dòng)如速度和加速度進(jìn)行測量，按照常規(guī)的方法往往需要昂貴的測試設(shè)備，不同的測量量有時(shí)還需要安裝不同的測試設(shè)備，比較麻煩，也不經(jīng)濟(jì)。而該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以通過虛擬的測試儀器，在安裝相應(yīng)傳感器的基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)的給出機(jī)構(gòu)的物理運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，測試不同的物理量也無需安裝其他儀器，通過內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理模塊可以很方便的對(duì)可換算量進(jìn)行轉(zhuǎn)換并給出運(yùn)動(dòng)曲線。圖7為齒輪運(yùn)動(dòng)的硬件在環(huán)測試結(jié)果:

圖7 齒輪運(yùn)動(dòng)曲線

通過搭接實(shí)際的測量儀器，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也可以對(duì)構(gòu)件進(jìn)行仿真分析和實(shí)測分析，并加以比較。圖8為滑塊的仿真分析結(jié)果，圖9為實(shí)際測試結(jié)果。

仿真分析為“仿真機(jī)構(gòu)+實(shí)際測試儀器”的測試結(jié)果，實(shí)測分析為測試儀器對(duì)實(shí)際機(jī)構(gòu)的測試結(jié)果，通過分析比較，可以得出結(jié)論，在準(zhǔn)確仿真的基礎(chǔ)上，硬件在環(huán)測試可以較為準(zhǔn)確的給出機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)際機(jī)構(gòu)由于受到電機(jī)驅(qū)動(dòng)的波動(dòng)性和機(jī)構(gòu)間連接間隙的影響，曲線有一定程度的波動(dòng)，而仿真機(jī)構(gòu)由于其理想和準(zhǔn)確性，其運(yùn)動(dòng)曲線較為平滑。

圖8 仿真結(jié)果

圖9 實(shí)測結(jié)果

通過研究可得出結(jié)論，基于硬件在環(huán)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地可以在現(xiàn)有的高校實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上發(fā)展起來，并可在很大程度上節(jié)省硬件設(shè)施投入;由于硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)的靈活性和多選擇性，該實(shí)驗(yàn)基地為高校開展高水平的綜合性和可設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供了條件，為深化教學(xué)改革，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式提供了新的思路。

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Implementation Pattern of Open Innovation Design Experimental Platform Based on Hardware in Loop

LUO Tian-hong1，WU Bu-de1，LI Hong2
(1.College of Mechantronics＆Automobile Engineering，Chongqing Jiaotong University，400074，Chongqing，China;2.EMBL Petroleum Technology Co.，Ltd.，Beijing 100120，China)

This paper introduced the concepts and composition of the hardware in the loop technology，researched the structure of the experimental base，analyzed the experiment model and test process，summarized the technology approach of how to construct a experimental platform，and set up the testing platform of plane combination mechanism based on hardware in the loop，then discussed the experiment results.The results show that this technology can make innovation activity，creativity and innovation ability be developed systematically，scientifically and efficiently.

HIL;experimental base;implementation model;technology approach

G434

A

1674－8425(2011)09－0116－06

2011－06－10

重慶市高等教育教學(xué)改革重點(diǎn)研究項(xiàng)目(092013)資助。

羅天洪(1975—)，男，博士，教授，研究方向:虛擬設(shè)計(jì)、現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)方法。

(責(zé)任編輯 魏艷君)