王放 蘇娜 孫艷妮 文玉芳

基金項(xiàng)目：西安汽車(chē)職業(yè)大學(xué)2021年度科學(xué)研究基金項(xiàng)目“發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用”（2021KJ001）；2020年度陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目“基于風(fēng)向標(biāo)大眾帕薩特發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷試驗(yàn)臺(tái)架教學(xué)顯示功能擴(kuò)展的研究”（20JK0827）

摘要：以“虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”為課題，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)的構(gòu)建以及運(yùn)用VR虛擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)步驟的詳細(xì)介紹。將虛擬仿真軟件的搭建內(nèi)容、步驟和所依托的軟件作為研究對(duì)象，具體分析了虛擬仿真平臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，以期根據(jù)用戶(hù)需求設(shè)計(jì)出適合的技術(shù)路徑和實(shí)現(xiàn)方案，為高校自主研發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供參考，并將此類(lèi)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件應(yīng)用在各種實(shí)訓(xùn)臺(tái)架上，解決臺(tái)架技術(shù)落后問(wèn)題，如在風(fēng)向標(biāo)帕薩特臺(tái)架搭載并運(yùn)用此虛擬仿真開(kāi)發(fā)技術(shù)拓展臺(tái)架功能。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；發(fā)動(dòng)機(jī)；虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)；模擬；Unity 3D；3DMax

中圖分類(lèi)號(hào)：U462? 收稿日期：2023-11-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401014

1 虛擬實(shí)訓(xùn)軟件平臺(tái)的研究意義

虛擬實(shí)訓(xùn)（實(shí)驗(yàn)）仿真技術(shù)是一種可以創(chuàng)設(shè)和體驗(yàn)虛擬情境的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是利用虛擬仿真技術(shù)[1]，在電腦上建立起一種能夠全部或部分取代真實(shí)情境中實(shí)訓(xùn)（實(shí)驗(yàn)）操作的仿真環(huán)境，從而能夠進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)操作，了解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟，或是練習(xí)操作技巧?？梢酝ㄟ^(guò)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)一款具備現(xiàn)代主流技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇、發(fā)動(dòng)機(jī)建模、模型修復(fù)、虛擬環(huán)境的建立、模型交互，以及功能的實(shí)現(xiàn)。該平臺(tái)可為培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)核心技能提供幫助，以及為實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供新思路。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件的設(shè)計(jì)

2.1 互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)搭建

發(fā)動(dòng)機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的搭建，在多媒體教室中有兩種情況：如果使用本地局域網(wǎng)絡(luò)，只需要一臺(tái)電腦就可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；使用外網(wǎng)，所選發(fā)動(dòng)機(jī)引擎的訓(xùn)練可以讓學(xué)員隨時(shí)隨地進(jìn)行訓(xùn)練。平臺(tái)的架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)時(shí)，采取分布式架構(gòu)，將虛擬仿真軟件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分離，實(shí)現(xiàn)軟件的遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)功能。采用云計(jì)算技術(shù)，將多個(gè)獨(dú)立的實(shí)例結(jié)合在一起，形成強(qiáng)大的計(jì)算力，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高開(kāi)發(fā)效率。

數(shù)據(jù)管理是平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)虛擬仿真的過(guò)程中，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)、設(shè)計(jì)圖紙、三維模型和測(cè)試數(shù)據(jù)等，建立高效的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，將這些數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)，并提供與用戶(hù)交互的接口。

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的搭建需要考慮架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)管理、交互體驗(yàn)和安全性等因素，并采取相應(yīng)的策略來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的高效性和安全性。

2.2 零部件三維建模與模型渲染

2.2.1 零部件三維建模

使用三維掃描工具對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件進(jìn)行掃描的過(guò)程如圖1所示。軟件開(kāi)發(fā)主要通過(guò)三維掃描工具以及3ds Max建模軟件來(lái)構(gòu)建實(shí)訓(xùn)工具、發(fā)動(dòng)機(jī)總成及虛擬實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景模型；物體運(yùn)動(dòng)由iTween插件控制；三維場(chǎng)景及發(fā)動(dòng)機(jī)總成由Unity3D引擎完成交互和渲染。為了制作發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)訓(xùn)部件、操作工具以及實(shí)訓(xùn)室場(chǎng)景的模型，建立發(fā)動(dòng)機(jī)型資源庫(kù)，并采用編輯多邊形的建模方式。利用法線(xiàn)貼圖技術(shù)將高精度的模型烘焙到優(yōu)化后的低模上，可呈現(xiàn)逼真的效果，同時(shí)降低面數(shù)和資源消耗。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)建模精準(zhǔn)度，采用三維掃描儀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)三維建模軟件構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)模型資源庫(kù)[2]。

缸體是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，它需要三維建模并考慮其內(nèi)部氣缸布局和冷卻水路系統(tǒng)。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，需要根據(jù)其轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行細(xì)致的三維建模，以便在軟件中模擬各個(gè)工作階段的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度。發(fā)動(dòng)機(jī)的連接件連桿等，在建模時(shí)需要考慮其長(zhǎng)度、直徑和支撐點(diǎn)的位置等因素?；钊诮r(shí)需要細(xì)致地分析其受力情況和摩擦等因素，以便在虛擬仿真軟件中模擬并分析各個(gè)工作狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。氣門(mén)在建模時(shí)需要考慮其在吸氣、排氣過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，氣門(mén)的開(kāi)度和關(guān)閉對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)有著重要的影響，因此需要在虛擬仿真軟件中模擬和分析各個(gè)工作狀態(tài)下氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和效果。

2.2.2 模型的交互和渲染

發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)工具。其中，模型的交互和渲染是其兩個(gè)核心環(huán)節(jié)。模型的交互包括用戶(hù)與模型的交互和模型與模型的交互兩個(gè)方面。

在模型的渲染方面，主要涉及圖形學(xué)中的三個(gè)核心技術(shù)：建模、渲染和動(dòng)畫(huà)。建模技術(shù)主要負(fù)責(zé)將實(shí)際物體的幾何形狀、物理特性、材質(zhì)屬性等信息轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以理解的形式，并生成相應(yīng)的幾何模型。幾何模型通常采用多邊形網(wǎng)格模型表示，其大小和精度會(huì)直接影響渲染和動(dòng)畫(huà)的效果。渲染技術(shù)則負(fù)責(zé)將幾何模型轉(zhuǎn)化為圖像，包括光照、紋理、透視、陰影等視覺(jué)效果。動(dòng)畫(huà)技術(shù)則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)變化，通常采用關(guān)鍵幀技術(shù)和插值算法[3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)可以提高實(shí)踐操作能力，有助于學(xué)生的職業(yè)發(fā)展和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的提升。同時(shí)，該平臺(tái)運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助工程、高性能計(jì)算等領(lǐng)域的前沿技術(shù)和理論，具有行業(yè)內(nèi)和學(xué)術(shù)界雙重影響力和推廣價(jià)值。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝腳本的撰寫(xiě)

a.針對(duì)不同的使用場(chǎng)景和操作習(xí)慣優(yōu)化腳本的設(shè)計(jì)，提供更人性化的腳本操作界面和更完善的腳本功能。例如，在拆裝過(guò)程中，用戶(hù)需要通過(guò)操作螺栓、螺母等零件來(lái)拆卸和安裝發(fā)動(dòng)機(jī)，為滿(mǎn)足操作的復(fù)雜性和正確性，腳本需要實(shí)現(xiàn)模擬零件的動(dòng)態(tài)變化、力學(xué)特性和碰撞檢測(cè)等。

b.發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝腳本的核心是算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。在實(shí)際拆裝過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)零件的復(fù)雜性和數(shù)量是非常大的，需要通過(guò)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的快速定位、動(dòng)態(tài)變形和碰撞檢測(cè)等操作。此外，為提高算法的效率和性能，需要進(jìn)行算法優(yōu)化。例如采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行優(yōu)化，減少計(jì)算量和提高計(jì)算速度。

c.發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝腳本的撰寫(xiě)還需要考慮軟件的可擴(kuò)展性和靈活性。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，軟件需要不斷更新和優(yōu)化，因此需要提供易于擴(kuò)展的接口和架構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，為了便于用戶(hù)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置和拓展功能，還需要提供相應(yīng)的可配置性和可定制性。

發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝腳本的撰寫(xiě)是發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真軟件中的重要環(huán)節(jié)，需要根據(jù)用戶(hù)需求優(yōu)化腳本設(shè)計(jì)，進(jìn)行算法設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時(shí)考慮軟件的可擴(kuò)展性和靈活性。

2.4 虛擬環(huán)境的編輯、角色設(shè)置與功能展示

2.4.1 虛擬環(huán)境的編輯

車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，虛擬環(huán)境的編輯是不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)中，通過(guò)對(duì)虛擬環(huán)境的建模和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模擬和仿真操作。虛擬環(huán)境的編輯需要注意以下幾個(gè)方面：

a.仿真的實(shí)時(shí)性和精度。在建模的過(guò)程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整和補(bǔ)充，確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。同時(shí)考慮虛擬環(huán)境所需要的運(yùn)算，進(jìn)行合理的分配和優(yōu)化，提高仿真的效率和精度[3]。

b.用戶(hù)的使用體驗(yàn)和交互性。通過(guò)界面設(shè)計(jì)和交互操作，使用戶(hù)能夠輕松地進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)操作，加強(qiáng)用戶(hù)的參與感和情感認(rèn)知，避免因操作麻煩或界面設(shè)計(jì)問(wèn)題而導(dǎo)致用戶(hù)放棄使用。

c.系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性。以模塊化的方式來(lái)構(gòu)建虛擬環(huán)境，以便在需要增加新功能或改進(jìn)系統(tǒng)性能時(shí)，能夠快速地進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性。

d.系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性?？紤]到系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)安全和權(quán)限管理問(wèn)題，以及在系統(tǒng)崩潰或出現(xiàn)異常情況時(shí)的自動(dòng)備份和恢復(fù)機(jī)制。這樣能夠確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

此款發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真軟件設(shè)計(jì)中搭載的環(huán)境主要為兩個(gè)：在拆裝車(chē)間進(jìn)行結(jié)構(gòu)的認(rèn)知；在虛擬車(chē)間進(jìn)行拆裝和測(cè)量的模擬操作，圖2為氣缸蓋拆卸演示。

2.4.2 仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中角色設(shè)置

通過(guò)對(duì)仿真的組裝進(jìn)行多次的模擬，采用各種方式進(jìn)行拆卸，整個(gè)仿真實(shí)訓(xùn)過(guò)程成為一個(gè)研究性的學(xué)習(xí)過(guò)程。將仿真實(shí)訓(xùn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化，在仿真空間中進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。

2.4.3 虛擬仿真軟件的功能展示

在車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中，虛擬仿真軟件可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程，還可了解發(fā)動(dòng)機(jī)的總體構(gòu)造、工作原理、模擬裝配、裝配時(shí)所用工具的認(rèn)知、資料查詢(xún)、在線(xiàn)考核以及檢查測(cè)量等功能，如圖3所示。

軟件操作功能的設(shè)定：在模擬裝配中有演示、報(bào)錯(cuò)功能、計(jì)時(shí)功能、計(jì)算分?jǐn)?shù)功能等。在結(jié)構(gòu)認(rèn)知中具備發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分類(lèi)認(rèn)知展示和部件隱藏功能、搜索功能、名稱(chēng)顯示功能、部件旋轉(zhuǎn)、縮放功能等，如圖4所示。

3 實(shí)訓(xùn)臺(tái)架仿真軟件功能的升級(jí)

隨著汽車(chē)技術(shù)的更新，很多試驗(yàn)臺(tái)架最初設(shè)計(jì)時(shí)不具備升級(jí)和技術(shù)同步更新的功能，久而久之面臨著閑置或者瀕臨報(bào)廢，也是職業(yè)院校的一個(gè)窘境。老舊臺(tái)架成為閑置和瀕臨報(bào)廢品，造成了場(chǎng)地的嚴(yán)重浪費(fèi)。自主開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真軟件搭載在相關(guān)試驗(yàn)臺(tái)架中，完成試驗(yàn)臺(tái)架的升級(jí)和功能完善，使之具備先進(jìn)性與技術(shù)性，不僅可以解決老舊設(shè)備的問(wèn)題，也給其注入新的活力和使用價(jià)值［4］。

4 結(jié)語(yǔ)

車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。它具有以下優(yōu)勢(shì)：

a.軟件開(kāi)發(fā)主要通過(guò)三維掃描工具以及3ds Max建模軟件來(lái)構(gòu)建實(shí)訓(xùn)工具、發(fā)動(dòng)機(jī)總成及虛擬實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景模型；物體運(yùn)動(dòng)由iTween插件控制；三維場(chǎng)景及發(fā)動(dòng)機(jī)總成則由Unity3D引擎完成交互和渲染。

b.發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真軟件車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，虛擬環(huán)境的編輯是不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。

c.發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真軟件可以提供更多、更靈活的實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)，通過(guò)虛擬仿真軟件，可以進(jìn)行更多、更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，亦可隨時(shí)隨地進(jìn)行操作，通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練，增加學(xué)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。

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[2趙敬杰凈煙器結(jié)構(gòu)與造型設(shè)計(jì)研究[D]長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2021.

[3]楊遠(yuǎn)滿(mǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)訓(xùn)的探索與實(shí)踐——以北京汽車(chē)技師學(xué)院為例[J]汽車(chē)維護(hù)與修理，2019（14）：18-20.

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作者簡(jiǎn)介：

王放，男，1970年生，副教授，研究方向?yàn)槠?chē)改裝技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和職業(yè)教育。