席軍強(qiáng), 宗 瑩， 王文碩

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

?

車輛電子控制虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研究

席軍強(qiáng), 宗 瑩， 王文碩

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

為滿足車輛電子控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，通過在Matlab/Simulink中搭建8自由度整車動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用外部交互設(shè)備和Matlab/GUI組建人機(jī)交互系統(tǒng)，利用3D MAX和Vizard4.0軟件制作虛擬場(chǎng)景，并完成各軟件數(shù)據(jù)接口的設(shè)計(jì)，構(gòu)建了車輛電子控制的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的良好結(jié)合。探討了該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在教學(xué)中應(yīng)用的可行性，并對(duì)虛擬教學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)和分析。結(jié)果表明，該平臺(tái)在實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用加深了學(xué)生對(duì)車輛控制理論知識(shí)的理解，且效果良好。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 車輛電子控制； 虛擬現(xiàn)實(shí)； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)活動(dòng)中的重要環(huán)節(jié)，在深化理論知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、增強(qiáng)創(chuàng)新能力等方面，具有無(wú)可替代的作用[1-3]。車輛電子控制技術(shù)作為車輛工程專業(yè)的必修課，重點(diǎn)介紹底盤、車身電子控制設(shè)備的基本理論、基本組成、工作過程和控制原理[4]，應(yīng)以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)的好壞直接影響所培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)量的高低。當(dāng)今實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式分為實(shí)車實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)車實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求高，經(jīng)費(fèi)需求大，受到設(shè)備和經(jīng)費(fèi)的限制，學(xué)生難以親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，教學(xué)質(zhì)量受到影響。而仿真實(shí)驗(yàn)雖然能夠通過仿真曲線圖定量地顯示車輛的運(yùn)行狀態(tài)，但車輛控制者卻無(wú)法直觀體驗(yàn)車輛的動(dòng)態(tài)變化[5-7]。因此，現(xiàn)用的車輛電子控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和方法已不能滿足車輛電子控制技術(shù)課程發(fā)展的要求。

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)技術(shù)作為一種用戶通過專用設(shè)備與計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬環(huán)境進(jìn)行交互的嶄新技術(shù)，開創(chuàng)了教學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的新方向。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為車輛、建筑、醫(yī)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)教學(xué)的研究熱點(diǎn)[8]。在車輛教學(xué)領(lǐng)域中，北京理工大學(xué)開發(fā)的坦克構(gòu)造與設(shè)計(jì)視景仿真教學(xué)平臺(tái)已成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并取得了良好效果[9]。而針對(duì)車輛電子控制技術(shù)課程，尚未開發(fā)出完善的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到車輛電子控制課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用整車建模仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維場(chǎng)景技術(shù)構(gòu)建車輛電子控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，借助人機(jī)交互系統(tǒng)對(duì)整車及控制等內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可達(dá)到與實(shí)車實(shí)驗(yàn)相同的效果，而且可提高實(shí)驗(yàn)效率，增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)性，培養(yǎng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力[10-12]。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)功能需求和分析，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要一定的軟硬件支持。結(jié)合實(shí)驗(yàn)效果和實(shí)驗(yàn)成本，本平臺(tái)采用了如圖1所示的設(shè)備。主要的硬件設(shè)備包括一臺(tái)ThinkStationD30系列的工作站、模擬方向盤、制動(dòng)和油門踏板及換擋手柄等。軟件環(huán)境為在Vizard4.0軟件下，結(jié)合3D MAX和Matlab/Simulink進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，同時(shí)設(shè)計(jì)連接各軟件的數(shù)據(jù)接口。圖2為本虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作流程圖，駕駛員通過方向盤、油門和制動(dòng)踏板等外部交互設(shè)備和GUI界面輸入駕駛信息和車輛參數(shù)信息，計(jì)算機(jī)通過接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，對(duì)整車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果輸入到虛擬場(chǎng)景中動(dòng)態(tài)展示。虛擬場(chǎng)景包括虛擬道路模型、虛擬環(huán)境模型和虛擬車輛模型。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理及設(shè)備

整車動(dòng)力學(xué)模型為該平臺(tái)的主體，而虛擬場(chǎng)景為載體，單有動(dòng)力學(xué)模型并不能直觀顯示車輛的運(yùn)行狀態(tài)，單有虛擬場(chǎng)景也不能實(shí)現(xiàn)車輛性能仿真，必須先由動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果輸入到虛擬場(chǎng)景中，驅(qū)動(dòng)虛擬車輛，才能模擬出車輛真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到建立車輛虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的目的。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)流程圖

2 平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

2.1 整車動(dòng)力學(xué)模型的建立

整車動(dòng)力學(xué)模型是虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵部分，綜合考慮運(yùn)算實(shí)時(shí)性和仿真精度，本平臺(tái)采用Matlab/Simulink搭建8自由度的整車模型[13]。在建立Simulink車輛模型的過程中，采用用戶自主編寫動(dòng)力學(xué)公式和控制策略的方式進(jìn)行建模，使該平臺(tái)具有較高的保真度和可信度。

整車動(dòng)力學(xué)模型包括駕駛員模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、變速器模塊、差速器模塊以及轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系模塊等。車輛動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 整車動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算流程

圖4展示了在車輛坐標(biāo)系下的整車動(dòng)力學(xué)模型。其中，8個(gè)自由度包括車體的縱向運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)、橫擺運(yùn)動(dòng)、側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，以及四個(gè)車輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

整車動(dòng)力學(xué)模型各自由度方向的動(dòng)力學(xué)微分方程如下所示：

圖4 車輛坐標(biāo)系下的車輛動(dòng)力學(xué)模型

式中：Mv、Ms分別為整車質(zhì)量、懸掛質(zhì)量；a、b分別為質(zhì)心到前、后軸的距離；B為輪距；hs為側(cè)傾中心高度；Rw為輪胎負(fù)載半徑；ax和ay分別為縱向和側(cè)向加速度；Vx和Vy分別為車輛縱向和側(cè)向速度；ωr為橫擺角速度；φ為側(cè)傾角；δ為前輪轉(zhuǎn)角；ωij為輪胎的旋轉(zhuǎn)角速度，其中，i=f、r分別為前、后輪，j=l、r分別為左右輪；Ff為空氣阻力；Ix、Iz、Ixz分別為懸掛質(zhì)量繞X、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及慣性積；Fxij、Fyij分別為輪胎縱向力和側(cè)向力，j=l，r分別為左、右輪；Kφij、Cφij分別為懸架的側(cè)傾剛度和阻尼；Tdij、Tbij各車輪上驅(qū)動(dòng)力矩、制動(dòng)力矩。

2.2 人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的一大特點(diǎn)是可以進(jìn)行人機(jī)交互操作，使實(shí)驗(yàn)者從被動(dòng)地觀察變?yōu)橹鲃?dòng)地參與。人機(jī)交互系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)平臺(tái)中不同層次的信息交換，如操作者與車輛動(dòng)力學(xué)模型間的信息交換、整車動(dòng)力學(xué)模型與虛擬車輛模型和虛擬環(huán)境的信息交換等。

由以上分析可知，人機(jī)交互系統(tǒng)需由相應(yīng)的軟硬件構(gòu)成，其中硬件部分包括外部交互設(shè)備和計(jì)算機(jī)交互界面，可以實(shí)現(xiàn)信息輸入、采集以及車輛參數(shù)修改等功能。本平臺(tái)的外部交互設(shè)備包括方向盤、油門和制動(dòng)踏板、換擋手柄等，這些設(shè)備構(gòu)成駕駛模擬器，如圖5所示，用來采集駕駛員輸入信號(hào)，并將采集到的信號(hào)通過USB接口輸入到整車動(dòng)力學(xué)模型中。利用Matlab/GUI設(shè)計(jì)開發(fā)的計(jì)算機(jī)交互界面可對(duì)車輛參數(shù)進(jìn)行直接修改，便于學(xué)生操作。

圖5 車輛駕駛模擬器

人機(jī)交互系統(tǒng)軟件部分的重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)接口的設(shè)計(jì)。本平臺(tái)應(yīng)用UDP作為外部交互設(shè)備與Simulink模型間的接口，以使外部交互設(shè)備采集到的信息作為輸入信號(hào)傳遞到整車動(dòng)力學(xué)模型中。另外，利用Python語(yǔ)言編寫了Simulink與Vizard4.0的接口文件(Pymat文件)，將整車動(dòng)力學(xué)模型的仿真結(jié)果輸出到Vizard4.0中進(jìn)行場(chǎng)景演示。通過以上兩個(gè)接口的設(shè)計(jì)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?、?shí)時(shí)性和精確性。

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)

虛擬場(chǎng)景是實(shí)驗(yàn)者最直接的接觸部分。虛擬場(chǎng)景越逼真，該平臺(tái)所展現(xiàn)出的車輛運(yùn)行狀態(tài)越真實(shí)，實(shí)驗(yàn)者也越具有沉浸感[14]。因此，虛擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)是搭建該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的重要環(huán)節(jié)。虛擬場(chǎng)景主要包括虛擬道路模型、虛擬車輛模型以及虛擬環(huán)境模型，圖6展示了虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的總體構(gòu)造。虛擬道路模型和虛擬環(huán)境模型由3D MAX軟件設(shè)計(jì)開發(fā)。針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡男枰謩e設(shè)計(jì)了不同類型的道路模型，如不同附著系數(shù)路面(干燥路面、濕路面、冰雪路面等)和不同材料路面(水泥路面、瀝青路面等)。

其次，虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景最終由Vizard4.0軟件生成。應(yīng)用3D MAX建立的道路環(huán)境模型，生成IVE格式文件，導(dǎo)入Vizard4.0中，建立車輛物理模型、整車動(dòng)力學(xué)模型和道路、環(huán)境模型之間的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)虛擬車輛運(yùn)行狀態(tài)與動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的一致性。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)應(yīng)用實(shí)例

通過建立整車動(dòng)力學(xué)模型、開發(fā)人機(jī)交互界面和虛擬場(chǎng)景，并設(shè)計(jì)各軟件間的數(shù)據(jù)接口，搭建了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)各底層程序均自主編寫，可自行更改，具有較強(qiáng)的可操作性和通用性。車輛電子控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可對(duì)車輛進(jìn)行換擋控制實(shí)驗(yàn)、動(dòng)力性實(shí)驗(yàn)[15]、操縱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)[16]等，可滿足車輛電子控制技術(shù)課程要求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。為了分析和驗(yàn)證利用該平臺(tái)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的可行性，以某轎車的物理參數(shù)為整車模型的仿真基礎(chǔ)，進(jìn)行了換擋規(guī)律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

自動(dòng)換擋規(guī)律是影響車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素，是自動(dòng)變速器系統(tǒng)的核心，因此，換擋規(guī)律的設(shè)計(jì)是車輛電子控制技術(shù)課程的重要內(nèi)容之一。傳統(tǒng)的換擋規(guī)律以同一油門開度下相鄰兩擋加速度相等為設(shè)計(jì)原則，根據(jù)參數(shù)的不同分為單參數(shù)、雙參數(shù)和三參數(shù)三種類型。

本文根據(jù)換擋規(guī)律的設(shè)計(jì)原則，采用平臺(tái)中整車動(dòng)力學(xué)模型內(nèi)嵌的換擋規(guī)律設(shè)計(jì)模塊Matlab/Stateflow，如圖7所示。分別設(shè)計(jì)了單參數(shù)和雙參數(shù)換擋規(guī)律，如圖8和圖9所示。在車速初值為0，油門開度為100%的工況下，通過仿真，得到了反映車輛動(dòng)力性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖10所示，進(jìn)而將仿真結(jié)果輸入虛擬場(chǎng)景中直觀地顯示車輛的運(yùn)行狀態(tài)(見圖11)。通過虛擬場(chǎng)景，學(xué)生可以形象地觀察到此換擋規(guī)律下車輛的運(yùn)行狀態(tài)和動(dòng)力性能表現(xiàn)。

圖7 換擋規(guī)律設(shè)計(jì)模塊

由于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)過程的回放與再現(xiàn)。因此，在實(shí)驗(yàn)中，可將單參數(shù)與雙參數(shù)的換擋規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)輸入到虛擬場(chǎng)景中，驅(qū)動(dòng)兩輛汽車運(yùn)動(dòng)，觀察不同換擋規(guī)律對(duì)于車輛性能的影響，如圖12所示。

圖8 單參數(shù)換擋規(guī)律

圖9 雙參數(shù)換擋規(guī)律

圖10 換擋規(guī)律仿真結(jié)果圖

圖11 車輛運(yùn)行狀態(tài)顯示圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺(tái)可直觀地觀察車輛在不同換擋規(guī)律下，車輛性能的不同表現(xiàn)來進(jìn)行換擋規(guī)律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。此外，在虛擬場(chǎng)景直觀顯示和回放功能的作用下，學(xué)生不僅可以形象地了解車輛在此換擋規(guī)律下的運(yùn)行狀態(tài)，還能觀察到不同換擋規(guī)律對(duì)車輛性能的影響，加深學(xué)生對(duì)車輛換擋規(guī)律的理解。

圖12 不同車輛運(yùn)動(dòng)對(duì)比圖

4 結(jié) 語(yǔ)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與車輛仿真技術(shù)結(jié)合起來運(yùn)用于車輛電子控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，給車輛電子控制技術(shù)課程提供了一種嶄新的教學(xué)手段。將車輛仿真技術(shù)的數(shù)字化和被動(dòng)性與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性和沉浸性相融合，滿足了車輛電子控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。通過該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各項(xiàng)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，加深了學(xué)生對(duì)于車輛底盤各控制器理論知識(shí)的理解，同時(shí)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，將控制策略與車輛運(yùn)行性能相對(duì)應(yīng)，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

[1] 趙志剛. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響[J]. 中國(guó)電化教育,

2007,251：81-83.

[2] 榮 昶，趙向陽(yáng)，蔡惠萍. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)探析[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2004, 23(1)：12-14.

[3] 黃 鑫. 基于VR技術(shù)的虛擬教學(xué)應(yīng)用研究[J]. 江西教育學(xué)院學(xué)報(bào)(綜合)，2008,29(3)：50-52.

[4] 魯植雄. 《車輛電子控制技術(shù)》課程研究型教學(xué)的探索與實(shí)踐[J]. 教育教學(xué)論壇,2013(8):71-73.

[5] 仇成群, 王忠純，沈法華，等. 汽車電子虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2012(3)：47-50.

[6] 周淑輝，郝春光，安曉鵑，等. 汽車電子技術(shù)與微機(jī)工程測(cè)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007, 26(4)：115-117.

[7] 范小彬. 車輛工程專業(yè)汽車電控技術(shù)課程建設(shè)探討[J]. 中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2013(5)：50-51.

[8] 李 欣. 虛擬現(xiàn)實(shí)及其教育應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2008.

[9] 姚壽文，陳 巖.坦克構(gòu)造與設(shè)計(jì)的視景仿真虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(2):86-89.

[10] Elvedin Kljuno, Robert L. Williams II. 車輛仿真系統(tǒng)：基于虛擬現(xiàn)實(shí)的車輛動(dòng)態(tài)仿真和控制 [J]. 智能和機(jī)器人系統(tǒng)，2008, 52(1)：70-99.

[11] 徐延海，寧凡坤. 用于汽車操縱穩(wěn)定性模擬的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的研究[J]. 系統(tǒng)仿真報(bào),2007,19(17):3984-3987.

[12] 柴 山，荊 旭，王龍江, 等. 基于汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的虛擬駕駛仿真模型研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009, 21(8)：2281-2284.

[13] 吳光強(qiáng)，楊林孟，邱緒云. 汽車底盤集成控制器硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)：中國(guó)，CN 101308386[P].2012.03.07.

[14] 王 濤，李宏才. 基于車輛傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬裝配平臺(tái)的虛擬試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013(3)：77-80.

[15] 余志生. 汽車?yán)碚揫M].5版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[16] 鄭水波，唐厚君，韓正之，等. 車輛穩(wěn)定性提升的控制器設(shè)計(jì)[J]. 控制工程實(shí)踐, 2006, 14(12): 1413-1421.

Research on Virtual Experimental Teaching Platform of Vehicle Electronic Control

XIJun-qiang,ZONGYing,WANGWen-shuo

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

According to needs of the experimental teaching, an 8-DOF overall vehicle dynamic model is built by using MATLAB/Simulink. A human-computer interaction system which includes external interactive devices and MATLAB GUI is established, virtual scenarios are made by 3D MAX and Vizard4.0, and data interfaces between softwares are finished. Finally, the virtual experimental platform of vehicle electronic control is established to realize the successful combination of real and virtual teachings. The feasibility of the virtual experimental platform applied in teaching is discussed, and its application in virtual teaching is also summarized and analyzed. The results verify that the use of the platform deepens the understanding of vehicle control theory and application, and the effect is good.

eperiment teaching; vehicle electronic control; virtual reality; experiment platform

2014-04-04

國(guó)家留學(xué)基金管理委員會(huì)項(xiàng)目(2011AA11A252);北京理工大學(xué)學(xué)位與研究生教育發(fā)展研究生課題

席軍強(qiáng)(1972-)，男，北京人，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事車輛自動(dòng)變速理論及設(shè)計(jì)方向教學(xué)科研等工作。

Tel.:13651353076; E-mail: xijunqiang@bit.edu.cn

TP 391.9;G 434

A

1006-7167(2015)01-0079-05