汽車工業(yè)中的虛擬儀器與虛擬試驗技術

摘   要:

虛擬儀器技術是近幾年發(fā)展起來的新一代儀器技術。它徹底改變了以往儀器的靈活性不強、成本過高的缺點。它將高速發(fā)展的計算機技術、電子技術、通信技術和測試技術結合起來，成為儀器界的一場革命。

虛擬試驗是基于軟件工程研制的仿真試驗系統(tǒng),它借助交互式技術和試驗分析技術,使設計者在設計階段就能對產品的運行性能進行評價或體驗。
伴隨現(xiàn)代汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是汽車電氣技術的飛速發(fā)展，利用虛擬技術不僅可以對各種新車型的電氣儀表和節(jié)點進行仿真，以降低研發(fā)成本、提高工作效能，還能在整車電氣系統(tǒng)檢測中，開發(fā)適合自身特點且靈活性強的檢測系統(tǒng)。

關鍵詞: 虛擬儀器, 虛擬試驗.

一. 虛擬儀器技術

1. 虛擬儀器技術簡介
虛擬儀器(Virtual Instrument)是由美國國家儀器公司(National Instrument)于20世紀80年代首先提出的。他是基于計算機的軟硬件測試平臺,是計算機技術與現(xiàn)代儀器技術深層次結合的產物。在一個虛擬儀器系統(tǒng)中,硬件是整個系統(tǒng)賴以工作的物理平臺,用來建立信號與計算機的連接通道,形成計算機的I/O接口。軟件是整個虛擬儀器硬件系統(tǒng)工作的靈魂,用戶通過由軟件設計產生的接口界面才能與虛擬儀器硬件系統(tǒng)進行交流,而虛擬儀器的數據采集,分析,處理和顯示功能也只有通過軟件才能實現(xiàn)。虛擬儀器通過應用程序將通用計算機與儀器硬件結合起來,以透明的方式把計算機資源和儀器硬件的測量,控制能力結合在一起,通過軟件實現(xiàn)對數據的分析處理,表達并以友好的圖形界面顯示出來。虛擬儀器的出現(xiàn)被譽為儀器界革命性的新紀元。

2. 虛擬儀器設計開發(fā)
由于應用軟件實現(xiàn)虛擬儀器與用戶的交流,它可以提供友好的用戶界面,強大的數據采集與處理功能,它是實現(xiàn)虛擬儀器功能的關鍵因素。因此,能否方便的設計出界面友好,功能強大的虛擬儀器軟件,直接關系到儀器功能的實現(xiàn)和儀器的性能。目前虛擬儀器的開發(fā)較多的使用由NI公司推出的Lab Windows CVI,LabVIEW等。它們采用最流行的圖形化編程環(huán)境,其中既包括菜單,表頭等通用用戶接口屬性,也包括了開關,滑動條,數字顯示窗口等儀器應用接口屬性。
虛擬儀器的設計方法和實現(xiàn)步驟與一般軟件的設計方法和實現(xiàn)步驟基本相同,只不過虛擬儀器設計時要考慮硬件部分。虛擬儀器設計方法主要包括以下三個部分:
(1) IO接口儀器驅動程序的設計;
(2) 儀器面板的設計;
(3) 儀器功能算法的設計。

3. 汽車工程中的虛擬儀器技術
伴隨汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，車用電氣設備越來越多，從發(fā)動機控制到傳動系統(tǒng)控制，從行駛、制動、轉向系統(tǒng)控制到安全保證系統(tǒng)及儀表報警系統(tǒng)，從電源管理到為提高舒適性而作的各種努力，使汽車電氣系統(tǒng)形成一個復雜的大系統(tǒng)?，F(xiàn)代汽車已逐漸演變成為一個移動的PC網絡系統(tǒng)。利用虛擬儀器技術，我們可以輕松的仿真各種車用電氣設備，開發(fā)各種車用電控單元等。利用該技術，我們不必直接對硬件進行設計，而是在之前通過虛擬技術對硬件功能做原理性開發(fā)。這樣，不僅可以縮短開發(fā)時間，也能降低開發(fā)成本。另一方面，現(xiàn)代汽車電氣系統(tǒng)的日益復雜化，如果采用傳統(tǒng)的硬件測量設備，不僅僅使設備數量增加，加大檢驗的工作量，而且各硬件設備靈活性不強、成本過高。利用虛擬儀器技術，我們可以將各種數據采集設備集成到計算機中，通過軟件實現(xiàn)各種數據讀取和信號分析處理，最后將結果顯示出來。這樣，可以大大減少檢測的工作量，降低成本，還能靈活的開發(fā)適合自身車型的檢測功能集成。

二. 虛擬試驗技術

1. 虛擬試驗技術簡介
科學試驗和理論研究相結合是現(xiàn)代科學技術的一個顯著特點。理論需要實驗的檢驗和驗證,實驗需要理論的指導,兩者相互依賴,相輔相成。任何一種理論,只有在科學實驗得到證實后才能成立。工程技術中,任何一個成功的產品,都是設計和試驗相結合的產物。設計過程就是試驗過程,試驗貫穿于整個設計工作的始終。任何設計思想,理論計算無不經過試驗的檢驗。在許多復雜的工程技術問題中,試驗常常是解決問題的有效方法。

從廣義上講,任何不使用或部分使用實際硬件來構造試驗環(huán)境,完成實際物理試驗的方法和技術都可以稱為虛擬試驗。虛擬試驗可以定義為在虛擬環(huán)境中進行的試驗。而虛擬試驗環(huán)境是基于軟件工程研制的仿真試驗系統(tǒng),它允許設計者將虛擬原型安裝在其上進行試驗,借助交互式技術和試驗分析技術,使設計者在設計階段就能對產品的運行性能進行評價或體驗?；蛘咛摂M試驗就是在計算機系統(tǒng)中采用軟件代替部分硬件或全部硬件來建設各種虛擬的試驗環(huán)境,使試驗者可以如同在真實的環(huán)境中一樣完成各項預定的試驗項目,使所取得的試驗效果接近或等于在真實環(huán)境中所取得的效果。

計算機仿真為科學試驗開辟了一個全新的解決方案。計算機仿真是利用計算機對試驗對象的數學模型進行模擬實驗,求得對實物原型系統(tǒng)規(guī)律性認識的一種試驗方法,它使虛擬試驗進入了數字化階段。計算機進行的仿真試驗過程都是計算與邏輯判斷。但由于計算機在記憶能力和運算速度上的優(yōu)勢,使計算機仿真試驗能處理一些復雜系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的試驗。計算機強大的信息處理能力和強大的計算能力使虛擬試驗的范圍逐步從簡單性研究轉向復雜性研究,從定性研究轉向定量研究。

計算機仿真的進一步發(fā)展是虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality Test,簡稱VR) 。虛擬現(xiàn)實是一種人工創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng),它具有三個重要特征: 高度的沉浸感,可信度和交互性。利用虛擬現(xiàn)實技術,可以方便地在計算機上產生一個虛擬的試驗環(huán)境,對被試產品進行各種性能測試和檢驗;通過人的視覺,聽覺,觸覺等作用于人,使人產生身臨其境的感覺,使試驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預定的試驗項目。

虛擬試驗系統(tǒng)不僅可以作為真實試驗的前期準備工作,而且可以在一定程度上替代傳統(tǒng)的試驗。于傳統(tǒng)試驗相比它具有一下優(yōu)點:
(1) 可以大幅度減少樣機制造試驗次數,縮短新產品試驗周期,同時,降低實際試驗費用。
(2) 虛擬試驗技術應用于復雜產品的開發(fā)中,可以實現(xiàn)設計者,產品用戶在設計階段信息的互反饋,使設計者全方位吸收,采納對新產品的建議。
(3) 虛擬試驗技術代替實際試驗,實現(xiàn)了試驗不受場地,時間和次數的限制,可對試驗過程進行回放,再現(xiàn)和重復。

2. 虛擬試驗技術在汽車工業(yè)中的應用
計算機技術的不斷發(fā)展,硬件性能的不斷提高,推動了虛擬試驗在車輛工程方面的應用。1972年,美國通用汽車公司首先開發(fā)了車輛動力性和燃油經濟性的通用預測程序GPSIM,該程序可以模擬汽車在任何工況行駛下的瞬時油耗,累計油耗,行駛時間和距離,預測汽車設計參數如: 質量,傳動比,空氣阻力系數等的變化對汽車性能的影響。美國北卡大學虛擬環(huán)境試驗室,開展了車輛駕駛員虛擬環(huán)境的研究,具有極強的工程應用性。美國MDI公司開發(fā)的ADAMS軟件是構造產品的虛擬原型的一個很好的平臺,其中的CAR模塊是MDI公司與Audi, BMW, Renault和Volvo等公司合作開發(fā)的整車虛擬軟件包,集成了它們在汽車設計,開發(fā)等方面的經驗。利用該模塊,工程師可以快速建造高精度的整車虛擬樣機(包括車身,懸架,傳動系統(tǒng),發(fā)動機,轉向機構,制動系統(tǒng)等)并進行仿真,通過高速動畫直觀地顯示在各種試驗工況下(例如: 天氣,道路狀況,駕駛員經驗)整車動力學響應,輸出標致操縱穩(wěn)定性,制動性,乘坐舒適性和安全性的特征參數,從而減少對物理樣機的依賴。VTL(Virtual Test Lab)系統(tǒng)是由美國MTS(Mechanical Test System)公司研制的虛擬試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)通過在產品或部件上安裝虛擬傳感器,并將虛擬原型安裝在不同的試驗環(huán)境中,一旦虛擬模型確定,可以反復進行試驗,并根據虛擬試驗結果對設計進行反復修改,從而獲得最佳設計方案。

與西方發(fā)達國家相比,國內在虛擬試驗方面的研究單位主要集中在高校。吉林大學汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室對汽車防抱制動系統(tǒng)(ABS)混合仿真試驗臺進行了系統(tǒng)分析,建立了用于硬件在環(huán)仿真的車輛模型,輪胎模型,路面模擬以及ABS液壓系統(tǒng)模型,并進行了硬件在環(huán)仿真試驗。它將ABS實際部件嵌入到軟件環(huán)境中進行混合仿真,極大地擴展了軟件仿真的功能,為ABS產品開發(fā)提供了開發(fā)工具和試驗平臺。

三. 結語

現(xiàn)代汽車已發(fā)展成為一個智能化網絡計算平臺。汽車網絡貫穿整車的控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)和傳感執(zhí)行系統(tǒng)等。伴隨汽車電子產業(yè)的不斷發(fā)展,汽車工業(yè)已不再是單一的機械制造,據有關數據顯示,未來的汽車制造,電子產品將占據近50%的工藝和成本。相關電子產品的開發(fā)與測試亦將飛速發(fā)展。虛擬儀器技術和虛擬試驗技術以其低成本,高效能,靈活可靠等特點,將在汽車工程中扮演越來越重要的角色。

附錄    參考文獻
1. 虛擬試驗技術
王國權    電子工業(yè)出版社    2004.3
2. 虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境編程指南
張毅剛  喬立巖     機械工業(yè)出版社  2002.8