基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車(chē)性能試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

　　1、引言

　　虛擬樣機(jī)技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，改進(jìn)了傳統(tǒng)汽車(chē)設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)的方法。

　　利用虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)字化汽車(chē)同復(fù)雜多變的虛擬試驗(yàn)環(huán)境結(jié)合起來(lái)，用真實(shí)駕駛員進(jìn)行仿真駕駛，以視、聽(tīng)、觸覺(jué)等作用于用戶(hù)，使之產(chǎn)生身臨其境的沉浸、交互感，人——車(chē)——環(huán)境融為一體，可直接感受汽車(chē)的振動(dòng)、傾斜、噪聲等效果，無(wú)危險(xiǎn)和損壞進(jìn)行碰撞、翻傾等極限試驗(yàn),改進(jìn)了抽象的數(shù)值曲線仿真，突破了難以用數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá)的錯(cuò)綜復(fù)雜的駕駛員感受與反應(yīng)等問(wèn)題,在設(shè)計(jì)的早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，進(jìn)行調(diào)整修正、實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，具有節(jié)省資金、可重復(fù)性、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)性等優(yōu)點(diǎn)。

　　典型的例子有：克萊斯勒新型汽車(chē)開(kāi)發(fā)周期由36個(gè)月縮短至24個(gè)月，福特公司也在1999年底宣布開(kāi)發(fā)出了全數(shù)字化轎車(chē)。奔馳汽車(chē)公司1998年之前已經(jīng)完成了數(shù)字化轎車(chē)樣機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可在設(shè)計(jì)階段對(duì)轎車(chē)的總體性能匹配和車(chē)身系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)等進(jìn)行直觀、全面的仿真分析、評(píng)價(jià)和改進(jìn)。

　　因此本文在查閱大量資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了汽車(chē)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并以操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)為例進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)與虛擬試驗(yàn)對(duì)比，虛擬試驗(yàn)比傳統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)處理具有更好的效果，人——車(chē)——環(huán)境融為一體，為研究車(chē)輛閉環(huán)系統(tǒng)提供了一個(gè)嶄新的方法。下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

　　2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　汽車(chē)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)遵循先進(jìn)性、開(kāi)放性、可靠性等基本原則，基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，采取層次化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方法，使系統(tǒng)在保持功能實(shí)現(xiàn)的前提下，達(dá)到結(jié)構(gòu)的合理化。

　　汽車(chē)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要由輸入模塊、虛擬試驗(yàn)?zāi)K以及輸出模塊三部分組成，如圖1所示。把汽車(chē)模型導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中，根據(jù)用戶(hù)的輸入控制命令，對(duì)汽車(chē)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，利用分析數(shù)據(jù)在虛擬場(chǎng)景中“虛擬再現(xiàn)汽車(chē)試驗(yàn)過(guò)程”，用戶(hù)通過(guò)各種傳感器感受并體驗(yàn)該車(chē)的性能，得出性能的評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)進(jìn)行修改模型參數(shù)，該過(guò)程可不斷重復(fù)，進(jìn)行汽車(chē)參數(shù)的修改，直至汽車(chē)獲得最優(yōu)性能。下面對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單描述。

　　1. 輸入模塊：主要是提供車(chē)輛、地面參數(shù)化模型等信息的輸入，在該模塊中，也可輸入實(shí)車(chē)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，用于與虛擬試驗(yàn)比較。

　　2. 虛擬試驗(yàn)?zāi)K：主要由動(dòng)力學(xué)分析模塊，接口模塊以及虛擬試驗(yàn)運(yùn)行模塊，動(dòng)力學(xué)分析模塊主要是根據(jù)車(chē)輛的參數(shù)化模型、駕駛員的行為實(shí)時(shí)計(jì)算車(chē)輛的性能參數(shù)，為虛擬試驗(yàn)?zāi)K提供仿真數(shù)據(jù)，虛擬試驗(yàn)運(yùn)行模塊主要是為用戶(hù)提供逼真的虛擬試驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)虛擬車(chē)輛在試驗(yàn)過(guò)程中的各種狀態(tài)變化并將該信息反饋給用戶(hù)。接口模塊將車(chē)輛實(shí)時(shí)仿真運(yùn)算部分、虛擬運(yùn)行環(huán)境部分、傳感器等接口設(shè)備以及用戶(hù)有機(jī)連接成一體。

　　3. 性能評(píng)價(jià)模塊：在該模塊中，用戶(hù)綜合考慮不同工況下虛擬試驗(yàn)的各種感覺(jué)體驗(yàn)，對(duì)車(chē)輛的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果修改車(chē)輛模型的參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法突破了以往評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以建立、指標(biāo)很難確定、可視化差等不足。在該模塊中，也可對(duì)虛擬試驗(yàn)與實(shí)車(chē)試驗(yàn)的進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)差別對(duì)車(chē)輛模型進(jìn)行修正。

　　3、虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)實(shí)例

　　作者以操縱穩(wěn)定性的虛擬試驗(yàn)為例進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。首先利用ADAMS/Car軟件建立汽車(chē)的數(shù)字化虛擬樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了操縱穩(wěn)定性仿真分析，虛擬試驗(yàn)環(huán)境采用WTK（WorldToolKit）以及Visual C++實(shí)現(xiàn)，虛擬儀表部分采用NI公司的ComponentWorks組件實(shí)現(xiàn)。把動(dòng)力學(xué)分析的仿真數(shù)據(jù)傳送到虛擬環(huán)境中來(lái)形象、逼真的實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)，通過(guò)虛擬儀表來(lái)準(zhǔn)確的顯示數(shù)據(jù)的變化情況。采用人機(jī)交互技術(shù)，使用戶(hù)不僅有視覺(jué)感官上的體驗(yàn)，還可以通過(guò)AGC---Viewer G立體觀測(cè)系統(tǒng)，沉浸到虛擬試驗(yàn)環(huán)境中，真正體驗(yàn)汽車(chē)性能，從 而進(jìn)行汽車(chē)性能評(píng)價(jià)。