基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車性能試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(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)字化汽車同復(fù)雜多變的虛擬試驗(yàn)環(huán)境結(jié)合起來，用真實(shí)駕駛員進(jìn)行仿真駕駛，以視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境的沉浸、交互感，人——車——環(huán)境融為一體，可直接感受汽車的振動(dòng)、傾斜、噪聲等效果，無危險(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)模型來表達(dá)的錯(cuò)綜復(fù)雜的駕駛員感受與反應(yīng)等問題,在設(shè)計(jì)的早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問題，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、無風(fēng)險(xiǎn)性等優(yōu)點(diǎn)。 

       典型的例子有：克萊斯勒新型汽車開發(fā)周期由36個(gè)月縮短至24個(gè)月，福特公司也在1999年底宣布開發(fā)出了全數(shù)字化轎車。奔馳汽車公司1998年之前已經(jīng)完成了數(shù)字化轎車樣機(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)轎車的總體性能匹配和車身系統(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——環(huán)境融為一體，為研究車輛閉環(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。把汽車模型導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中，根據(jù)用戶的輸入控制命令，對(duì)汽車模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，利用分析數(shù)據(jù)在虛擬場景中“虛擬再現(xiàn)汽車試驗(yàn)過程”，用戶通過各種傳感器感受并體驗(yàn)該車的性能，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)，該過程可不斷重復(fù)，進(jìn)行汽車參數(shù)的修改，直至汽車獲得最優(yōu)性能。下面對(duì)其進(jìn)行簡單描述。 

      1. 輸入模塊：主要是提供車輛、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)車輛的參數(shù)化模型、駕駛員的行為實(shí)時(shí)計(jì)算車輛的性能參數(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提供逼真的虛擬試驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)虛擬車輛在試驗(yàn)過程中的各種狀態(tài)變化并將該信息反饋給用戶。接口模塊將車輛實(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)備以及用戶有機(jī)連接成一體。 

       3. 性能評(píng)價(jià)模塊：在該模塊中，用戶綜合考慮不同工況下虛擬試驗(yàn)的各種感覺體驗(yàn)，對(duì)車輛的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果修改車輛模型的參數(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)車試驗(yàn)的進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)差別對(duì)車輛模型進(jìn)行修正。 

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

        作者以操縱穩(wěn)定性的虛擬試驗(yàn)為例進(jìn)行了開發(fā)。首先利用ADAMS/Car軟件建立汽車的數(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)境中來形象、逼真的實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)，通過虛擬儀表來準(zhǔn)確的顯示數(shù)據(jù)的變化情況。采用人機(jī)交互技術(shù)，使用戶不僅有視覺感官上的體驗(yàn)，還可以通過AGC---Viewer G立體觀測系統(tǒng)，沉浸到虛擬試驗(yàn)環(huán)境中，真正體驗(yàn)汽車性能，從 而進(jìn)行汽車性能評(píng)價(jià)。  

  下面以車輛的操縱穩(wěn)定性閉環(huán)試驗(yàn)中的單移線試驗(yàn)為例進(jìn)行說明，利用ADAMS/Car,作者建立了某汽車的數(shù)字化模型,并根據(jù)單移線試驗(yàn)方法（如軌跡、速度等）設(shè)計(jì)了控制文件，在車輛動(dòng)力學(xué)仿真過程中，該文件控制車輛使其沿著規(guī)定的路線行駛，然后從仿真分析結(jié)果中提取操縱穩(wěn)定性的主要特征參數(shù)（如方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度，側(cè)傾角和側(cè)向加速度等）的數(shù)據(jù)，配合單移線試驗(yàn)的場景來動(dòng)態(tài)觀察車輛本身以及參數(shù)的變化。為使用戶精確的知道汽車運(yùn)動(dòng)過程中的具體參數(shù)變化，增加了虛擬儀表的功能，利用虛擬儀表來配合虛擬場景，動(dòng)態(tài)顯示汽車在仿真過程中各個(gè)參數(shù)的變化。為更加逼真的實(shí)現(xiàn)場景的沉浸感，開發(fā)了雙視口的立體場景顯示效果，通過AGC--ViewerG立體觀測系統(tǒng)，可沉浸在虛擬的試驗(yàn)場景中，感覺、體驗(yàn)試驗(yàn)過程。圖2為動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果（速度為 100km/h），圖3為虛擬單移線試驗(yàn)過程中的仿真場景與虛擬儀表變化。 

(a) 側(cè)偏位移變化 

(b)方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)向加速度的變化  

圖2 單移線試驗(yàn)主要參數(shù)的變化軌跡 

圖3 虛擬單移線試驗(yàn)過程中的仿真場景與虛擬儀表變化 

         4、小結(jié) 

         隨著虛擬樣機(jī)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展，在汽車的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究方面取的了很大的發(fā)展。采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件獲取車輛性能參數(shù)，虛擬實(shí)現(xiàn)車輛性能的試驗(yàn)系統(tǒng)，可完全實(shí)現(xiàn) “室內(nèi)虛擬試驗(yàn)”，是未來虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展，通過連接一些控制設(shè)備，與虛擬場景相結(jié)合，可使用戶感覺到汽車的振動(dòng)、側(cè)偏、側(cè)傾等運(yùn)動(dòng)，可以把人的主觀感受加入到評(píng)價(jià)車輛性能中來，具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。隨著計(jì)算機(jī)、圖像技術(shù)、傳感器等技術(shù)的發(fā)展，汽車虛擬試驗(yàn)技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。