張 昉

（遼寧省交通高等專(zhuān)科學(xué)校，遼寧 沈陽(yáng) 100122）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，環(huán)境污染、能源緊缺等問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，新能源汽車(chē)得到迅猛發(fā)展。新能源汽車(chē)領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人才成為各類(lèi)職業(yè)院校汽車(chē)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)的重點(diǎn)。而根據(jù)《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》的報(bào)道顯示，2020年年底新能源汽車(chē)技術(shù)的相關(guān)技術(shù)人才有68萬(wàn)的人才需求量[1]。隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)服務(wù)缺口較大的新能源汽車(chē)學(xué)科成為研究的重點(diǎn)。

利用虛擬仿真技術(shù)為新能源汽車(chē)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)最新具備普適性和傳播性的數(shù)字資源是本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容，具備重要理論及現(xiàn)實(shí)意義。

1 新能源汽車(chē)領(lǐng)域數(shù)字資源國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2016年遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院張忠洋等[1]就虛擬仿真軟件在新能源車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。2017年，江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院潘公宇等[2]就車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，通過(guò)自主研發(fā)、科研成果轉(zhuǎn)化和聯(lián)合開(kāi)發(fā)等模式，設(shè)計(jì)了“汽車(chē)構(gòu)造原理與虛擬拆裝”“汽車(chē)性能仿真”“汽車(chē)電子與測(cè)試技術(shù)”“新能源汽車(chē)”及“汽車(chē)制造技術(shù)”5個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。2018年廣西機(jī)電工程學(xué)校陸展在“虛擬仿真軟件在新能源汽車(chē)運(yùn)用與維修專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用探討”中對(duì)虛擬仿真軟件在新能源汽車(chē)運(yùn)用與維修專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，強(qiáng)調(diào)了虛擬仿真技術(shù)在該方面的優(yōu)勢(shì)。2019年周賜恩在“基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車(chē)類(lèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)建與實(shí)施”一文中分析了VR技術(shù)在彌補(bǔ)實(shí)物實(shí)驗(yàn)不足方面的優(yōu)勢(shì)。2019年成都理工大學(xué)袁敏在“基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新能源汽車(chē)實(shí)踐教學(xué)研究”中分析了新能源汽車(chē)實(shí)踐課程中遇到的問(wèn)題，并就VR教學(xué)中心進(jìn)行建設(shè)。

美國(guó)在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件4個(gè)方面[3]。比爾·蓋茨表示投資VR內(nèi)容及軟件的研發(fā)是當(dāng)前所需，并且看好虛擬現(xiàn)實(shí)教育發(fā)展?jié)摿?。麻省理工學(xué)院在1985年成立了虛擬環(huán)境研究實(shí)驗(yàn)室。華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心成立了人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)斯坦福大學(xué)虛擬交互實(shí)驗(yàn)室主任杰瑞米·白朗松正在把虛擬技術(shù)演變?yōu)橐环N教育工具。在VR+汽車(chē)方面，美國(guó)與最大的二手車(chē)交易市場(chǎng)VRoom平臺(tái)推出VR汽車(chē)展廳，讓乘客體驗(yàn)到交互內(nèi)容豐富有趣的乘車(chē)體驗(yàn)，并運(yùn)用到了汽車(chē)銷(xiāo)售教學(xué)中。

日本在VR教育方面的研究主要致力于教學(xué)材料方面。《基于需求調(diào)查和實(shí)踐課程開(kāi)發(fā)多方面VR教學(xué)材料》中提出：從示范班估計(jì)的將來(lái)學(xué)習(xí)基本數(shù)據(jù)。首先對(duì)教師進(jìn)行了“需求調(diào)查”，以檢查可用于教育目的的VR課本。

2 傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在的問(wèn)題

在新能源汽車(chē)領(lǐng)域?qū)嵺`教學(xué)環(huán)節(jié)中，因此類(lèi)汽車(chē)技術(shù)含量高，實(shí)物內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜、造價(jià)昂貴、不便于拆卸、存在一定高電壓、高腐蝕危險(xiǎn)等諸多問(wèn)題，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)條件和現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)方式方法已不適用于新型人才培養(yǎng)。同時(shí)又因設(shè)備數(shù)量限制，內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)法展示等客觀因素，通過(guò)拆裝和靜態(tài)觀看不能達(dá)到較好的教學(xué)效果。因此使用虛擬仿真技術(shù)這一技術(shù)手段動(dòng)態(tài)模擬展示新能源汽車(chē)功能模塊零部件及工作運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)勢(shì)在必行。

3 交流異步電動(dòng)機(jī)數(shù)字資源建設(shè)過(guò)程

因新能源汽車(chē)技術(shù)含量高，實(shí)物內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜且難以展示，教學(xué)不便開(kāi)展。本項(xiàng)目的研究采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將新能源汽車(chē)內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)字模塊化并生成高清動(dòng)態(tài)動(dòng)畫(huà)演示視頻。項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容如下。

3.1 資源模塊化分解

汽車(chē)數(shù)字資源的選擇以新能源汽車(chē)為主，兼顧傳統(tǒng)能源與其共用部分和傳統(tǒng)能源經(jīng)典內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分。新能源汽車(chē)部分如：永磁減速起動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)組、交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)；共用部分：電動(dòng)車(chē)窗結(jié)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)等；傳統(tǒng)能源經(jīng)典：四缸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)等。資源選擇具備覆蓋范圍廣、涉及專(zhuān)業(yè)多、結(jié)構(gòu)難度大等特點(diǎn)。此部分由汽車(chē)專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行，根據(jù)實(shí)際工作過(guò)程，將零件結(jié)構(gòu)性劃分，滿足教學(xué)及展示需求。本文以交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行介紹。

3.2 機(jī)械模塊數(shù)字化過(guò)程

所選交流電異步電機(jī)資源模塊首先要經(jīng)過(guò)測(cè)量進(jìn)行數(shù)字化建模。此部分需機(jī)械測(cè)量專(zhuān)業(yè)和計(jì)算機(jī)三維建模人員共同完成。對(duì)汽車(chē)零部件進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)和采集的二維信息，采用3D建模技術(shù)，將機(jī)械模塊數(shù)字化。

交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字化模塊如圖1所示。

圖1 交流異步電動(dòng)機(jī)模塊

3.3 虛擬仿真技術(shù)和動(dòng)畫(huà)視頻制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字資源

在三維數(shù)字模塊基礎(chǔ)上，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，根據(jù)汽車(chē)結(jié)構(gòu)工作原理，將模塊實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化運(yùn)轉(zhuǎn)。結(jié)合動(dòng)畫(huà)制作技術(shù)將動(dòng)畫(huà)效果轉(zhuǎn)換為高清視頻。此部分涉及汽車(chē)專(zhuān)業(yè)和計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)專(zhuān)業(yè)人員。選用軟件Unity3D，Premiere等。以電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)為例，該電動(dòng)機(jī)是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電力拖動(dòng)裝置。它主要由定子、轉(zhuǎn)子和它們之間的氣隙構(gòu)成。當(dāng)定子的對(duì)稱(chēng)繞組連接到電源上時(shí)，繞組內(nèi)將通入電流，并在空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)沿定子內(nèi)圓周方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體切割磁通將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于電動(dòng)勢(shì)的存在，轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流。根據(jù)安培電磁力定律，轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用將產(chǎn)生電磁力，該力在轉(zhuǎn)子的軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩的作用方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)子受此轉(zhuǎn)矩作用，便按旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。受作用力影響及一系列轉(zhuǎn)化，完成電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程。根據(jù)這一原理進(jìn)行零件間的動(dòng)畫(huà)設(shè)置。結(jié)合幀動(dòng)畫(huà)技術(shù)，設(shè)置不同幀的動(dòng)態(tài)效果，使用渲染技術(shù)，完成若干個(gè)完整周期，導(dǎo)出圖片序列，格式為JPG結(jié)合Premiere軟件進(jìn)行高清動(dòng)態(tài)視頻的生成。

4 結(jié)語(yǔ)

新能源汽車(chē)數(shù)字資源開(kāi)發(fā)和新能源汽車(chē)領(lǐng)域人才都是該領(lǐng)域緊缺的，就數(shù)字資源開(kāi)發(fā)方面，受場(chǎng)地、設(shè)備、人員、技術(shù)等限制，采用傳統(tǒng)測(cè)量模塊中機(jī)械部件尺寸方法為模型數(shù)字化帶來(lái)了很大困難。使用大型3D掃描設(shè)備可以較大程度的解決此項(xiàng)困難，為新能源數(shù)字汽車(chē)領(lǐng)域資源開(kāi)發(fā)帶來(lái)更大便利。