張麗霞，潘福全，郭峰，楊勇

汽車性能測試虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

張麗霞，潘福全，郭峰，楊勇

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

《汽車理論》課程中汽車各種性能實驗需要各種復(fù)雜的實車行駛工況，使得該課程開展實車實驗難度很大。本研究從實際出發(fā)，考慮學(xué)生人數(shù)、實驗場地有限、實車實驗具有一定危險性等因素，開發(fā)了汽車性能測試虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，不僅可以進行汽車動力性、制動性、平順性和操縱穩(wěn)定性虛擬仿真實驗，而且該實驗教學(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)新實踐能力。

虛擬仿真；性能測試；汽車；實驗教學(xué)

引言

虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(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。為全面貫徹實施教育部“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，秉承“以實為主、虛實結(jié)合”的建設(shè)思路，緊握信息化革命浪潮帶來的機遇，通過真實實驗與虛擬仿真實驗教學(xué)的緊密結(jié)合，打破汽車駕駛風(fēng)險高、測試實驗成本高的實驗教學(xué)瓶頸，實現(xiàn)實驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的跨越式進步[1-2]。

《汽車理論》課程汽車性能測試試驗包括動力性、制動性、操縱穩(wěn)定性和平順性[3]。這些試驗對汽車綜合性能要求高，需要各種復(fù)雜的實車行駛工況，所以實車實驗開設(shè)的難度大[4-5]。同時，由于現(xiàn)在學(xué)生人數(shù)很多，實驗場地又相對有限，所以實驗教學(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]。為了在有限的實驗條件下使學(xué)生直觀形象地領(lǐng)會汽車動力性、制動性、操縱穩(wěn)定性、平順性等經(jīng)典工程實例的理論精髓，需要把虛擬仿真實驗引入到實驗教學(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驗教學(xué)系統(tǒng)，以虛擬仿真技術(shù)為媒介，可以將真實情境下因抽象不可視、高危、能耗、受時空限制而缺乏互動性的實驗項目虛擬化，使學(xué)生在虛擬的高度仿真環(huán)境下進行汽車性能類測試實驗操作和訓(xùn)練，彌補真實實驗的不足，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驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 技術(shù)要求

本系統(tǒng)要求計算機操作系統(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)，模擬真實實驗中用到的器材和設(shè)備，提供與真實實驗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)，支持同時在線人數(shù)5 000人以上；為保證系統(tǒng)的交互性和擴展性，系統(tǒng)采用國際領(lǐng)先的Unity3D引擎開發(fā)；系統(tǒng)支持用戶在三維實驗室場景中自由漫游而不受任何約束；系統(tǒng)提供操作幫助，言簡意賅描述實驗如何開展；系統(tǒng)支持用戶從任意視角、任意距離觀察實驗設(shè)備和實驗現(xiàn)象；系統(tǒng)畫面效果精美，采用虛擬現(xiàn)實實時渲染處理；系統(tǒng)交互性良好，用戶使用鼠標鍵盤即可完成實驗操作。

1.2 性能測試模塊要求

（1）本系統(tǒng)包括四個汽車性能測試模塊：1）汽車動力性測試模塊；2）汽車制動性測試模塊；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，求得加速時間，加速距離和平均加速度。

（3）汽車制動性測試包括：1）對汽車制動測試：求得制動時間，制動距離和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：用階躍試驗來測定汽車對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入時的瞬態(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)角輸入達到穩(wěn)定行駛狀態(tài)時汽車穩(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）隨機輸入測試：以測定汽車在多種隨機不平的路面上行駛時，其振動對乘員或貨物的影響；2）脈沖輸入測試：評價汽車行駛中遇到大的凸起物或凹坑時，沖擊振動下的平順性能。

2 汽車性能測試虛擬仿真實驗系統(tǒng)應(yīng)用

雙擊運行該汽車基本性能測試虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，得到如圖1所示界面。該界面包括動力性測試，制動性測試，平順性測試，操縱穩(wěn)定性測試。點擊各個測試模塊，可以進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系統(tǒng)界面

2.1 汽車動力性測試實驗

把GPS車速傳感器，GPS天線，三參數(shù)顯示器，計算機這些動力性測試系統(tǒng)設(shè)備搭建好以后，可以進行動力性測試，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 汽車制動性測試實驗

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

圖3 制動性能測試

2.3 汽車平順性測試實驗

把GPS車速傳感器，GPS天線，測試主機，三參數(shù)顯示器，計算機，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，可以進行平順性測試，包括隨機輸入測試和脈沖輸入測試。如圖4所示是隨機輸入實驗。

圖4 汽車平順性隨機輸入實驗

2.4 汽車操縱穩(wěn)定性測試實驗

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，計算機，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)定性角階躍實驗

圖6 汽車操縱穩(wěn)定性角脈沖實驗

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

圖8 汽車操縱穩(wěn)定性蛇形實驗

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、人機交互、超級計算、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、云計算等網(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間、空間和測試實驗次數(shù)的限制進行實驗，建立以使用者為中心的實驗環(huán)境，創(chuàng)造有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，提高其動手能力，還可以使學(xué)習(xí)者改變實驗條件，觀測到在不同實驗條件下的實驗結(jié)果。能夠有效解決目前《汽車理論》課程實車實驗少、實踐教學(xué)缺乏、理論教學(xué)過于抽象導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)汽車理論興趣不足等教學(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)新實踐能力。

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

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

[3] 余志生.汽車理論.第5版[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[4] 吳明翔.改進汽車理論教學(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仿真實驗的“汽車理論”混合式教學(xué)模式[J].實驗室科學(xué),2019,22(4):91-94.

[6] 王健,于明進,郭榮春.汽車工程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺設(shè)計[J].教育現(xiàn)代化,2020,7(9):92-93.

[7]王彥,李萬敏,楊昀梓.項目教學(xué)法+虛擬實驗在汽車試驗學(xué)課程中的應(yīng)用[J].汽車實用技術(shù), 2020,45(16):212-214.

[8]江浩斌,潘公宇,楊曉峰,等.車輛工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系與平臺的構(gòu)建[J].實驗室研究與探索,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)機械與汽車工程學(xué)院，研究方向：車輛系統(tǒng)動力學(xué)及控制。

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