汽車工業(yè)中的虛擬儀器與虛擬試驗(yàn)技術(shù)

1. 虛擬儀器技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬儀器(Virtual Instrument)是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instrument)于20世紀(jì)80年代首先提出的。他是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測(cè)試平臺(tái),是計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物。在一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)中,硬件是整個(gè)系統(tǒng)賴以工作的物理平臺(tái),用來(lái)建立信號(hào)與計(jì)算機(jī)的連接通道,形成計(jì)算機(jī)的I/O接口。軟件是整個(gè)虛擬儀器硬件系統(tǒng)工作的靈魂,用戶通過(guò)由軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)生的接口界面才能與虛擬儀器硬件系統(tǒng)進(jìn)行交流,而虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集,分析,處理和顯示功能也只有通過(guò)軟件才能實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與儀器硬件結(jié)合起來(lái),以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測(cè)量,控制能力結(jié)合在一起,通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理,表達(dá)并以友好的圖形界面顯示出來(lái)。虛擬儀器的出現(xiàn)被譽(yù)為儀器界革命性的新紀(jì)元。

2. 虛擬儀器設(shè)計(jì)開發(fā)

由于應(yīng)用軟件實(shí)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集與處理功能,它是實(shí)現(xiàn)虛擬儀器功能的關(guān)鍵因素。因此,能否方便的設(shè)計(jì)出界面友好,功能強(qiáng)大的虛擬儀器軟件,直接關(guān)系到儀器功能的實(shí)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(guān),滑動(dòng)條,數(shù)字顯示窗口等儀器應(yīng)用接口屬性。

虛擬儀器的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)步驟與一般軟件的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)步驟基本相同,只不過(guò)虛擬儀器設(shè)計(jì)時(shí)要考慮硬件部分。虛擬儀器設(shè)計(jì)方法主要包括以下三個(gè)部分:

(1) IO接口儀器驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì);

(2) 儀器面板的設(shè)計(jì);

(3) 儀器功能算法的設(shè)計(jì)。

3. 汽車工程中的虛擬儀器技術(shù)

伴隨汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，車用電氣設(shè)備越來(lái)越多，從發(fā)動(dòng)機(jī)控制到傳動(dòng)系統(tǒng)控制，從行駛、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制到安全保證系統(tǒng)及儀表報(bào)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(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)?，F(xiàn)代汽車已逐漸演變成為一個(gè)移動(dòng)的PC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。利用虛擬儀器技術(shù)，我們可以輕松的仿真各種車用電氣設(shè)備，開發(fā)各種車用電控單元等。利用該技術(shù)，我們不必直接對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是在之前通過(guò)虛擬技術(shù)對(duì)硬件功能做原理性開發(fā)。這樣，不僅可以縮短開發(fā)時(shí)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(fù)雜化，如果采用傳統(tǒng)的硬件測(cè)量設(shè)備，不僅僅使設(shè)備數(shù)量增加，加大檢驗(yàn)的工作量，而且各硬件設(shè)備靈活性不強(qiáng)、成本過(guò)高。利用虛擬儀器技術(shù)，我們可以將各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備集成到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)讀取和信號(hào)分析處理，最后將結(jié)果顯示出來(lái)。這樣，可以大大減少檢測(cè)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(cè)功能集成。

二. 虛擬試驗(yàn)技術(shù)

1. 虛擬試驗(yàn)技術(shù)簡(jiǎn)介

科學(xué)試驗(yàn)和理論研究相結(jié)合是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)。理論需要實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)和驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)需要理論的指導(dǎo),兩者相互依賴,相輔相成。任何一種理論,只有在科學(xué)實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)后才能成立。工程技術(shù)中,任何一個(gè)成功的產(chǎn)品,都是設(shè)計(jì)和試驗(yàn)相結(jié)合的產(chǎn)物。設(shè)計(jì)過(guò)程就是試驗(yàn)過(guò)程,試驗(yàn)貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)工作的始終。任何設(shè)計(jì)思想,理論計(jì)算無(wú)不經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的檢驗(yàn)。在許多復(fù)雜的工程技術(shù)問(wèn)題中,試驗(yàn)常常是解決問(wèn)題的有效方法。

從廣義上講,任何不使用或部分使用實(shí)際硬件來(lái)構(gòu)造試驗(yàn)環(huán)境,完成實(shí)際物理試驗(yàn)的方法和技術(shù)都可以稱為虛擬試驗(yàn)。虛擬試驗(yàn)可以定義為在虛擬環(huán)境中進(jìn)行的試驗(yàn)。而虛擬試驗(yàn)環(huán)境是基于軟件工程研制的仿真試驗(yàn)系統(tǒng),它允許設(shè)計(jì)者將虛擬原型安裝在其上進(jìn)行試驗(yàn),借助交互式技術(shù)和試驗(yàn)分析技術(shù),使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段就能對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)行性能進(jìn)行評(píng)價(jià)或體驗(yàn)。或者虛擬試驗(yàn)就是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用軟件代替部分硬件或全部硬件來(lái)建設(shè)各種虛擬的試驗(yàn)環(huán)境,使試驗(yàn)者可以如同在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各項(xiàng)預(yù)定的試驗(yàn)項(xiàng)目,使所取得的試驗(yàn)效果接近或等于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。

計(jì)算機(jī)仿真為科學(xué)試驗(yàn)開辟了一個(gè)全新的解決方案。計(jì)算機(jī)仿真是利用計(jì)算機(jī)對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),求得對(duì)實(shí)物原型系統(tǒng)規(guī)律性認(rèn)識(shí)的一種試驗(yàn)方法,它使虛擬試驗(yàn)進(jìn)入了數(shù)字化階段。計(jì)算機(jī)進(jìn)行的仿真試驗(yàn)過(guò)程都是計(jì)算與邏輯判斷。但由于計(jì)算機(jī)在記憶能力和運(yùn)算速度上的優(yōu)勢(shì),使計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)?zāi)芴幚硪恍?fù)雜系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的試驗(yàn)。計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力和強(qiáng)大的計(jì)算能力使虛擬試驗(yàn)的范圍逐步從簡(jiǎn)單性研究轉(zhuǎn)向復(fù)雜性研究,從定性研究轉(zhuǎn)向定量研究。

計(jì)算機(jī)仿真的進(jìn)一步發(fā)展是虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality Test,簡(jiǎn)稱VR) 。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種人工創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),它具有三個(gè)重要特征: 高度的沉浸感,可信度和交互性。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),可以方便地在計(jì)算機(jī)上產(chǎn)生一個(gè)虛擬的試驗(yàn)環(huán)境,對(duì)被試產(chǎn)品進(jìn)行各種性能測(cè)試和檢驗(yàn);通過(guò)人的視覺,聽覺,觸覺等作用于人,使人產(chǎn)生身臨其境的感覺,使試驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的試驗(yàn)項(xiàng)目。

虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)不僅可以作為真實(shí)試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作,而且可以在一定程度上替代傳統(tǒng)的試驗(yàn)。于傳統(tǒng)試驗(yàn)相比它具有一下優(yōu)點(diǎn):

(1) 可以大幅度減少樣機(jī)制造試驗(yàn)次數(shù),縮短新產(chǎn)品試驗(yàn)周期,同時(shí),降低實(shí)際試驗(yàn)費(fèi)用。

(2) 虛擬試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)中,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者,產(chǎn)品用戶在設(shè)計(jì)階段信息的互反饋,使設(shè)計(jì)者全方位吸收,采納對(duì)新產(chǎn)品的建議。

(3) 虛擬試驗(yàn)技術(shù)代替實(shí)際試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)不受場(chǎng)地,時(shí)間和次數(shù)的限制,可對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行回放,再現(xiàn)和重復(fù)。

2. 虛擬試驗(yàn)技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,硬件性能的不斷提高,推動(dòng)了虛擬試驗(yàn)在車輛工程方面的應(yīng)用。1972年,美國(guó)通用汽車公司首先開發(fā)了車輛動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的通用預(yù)測(cè)程序GPSIM,該程序可以模擬汽車在任何工況行駛下的瞬時(shí)油耗,累計(jì)油耗,行駛時(shí)間和距離,預(yù)測(cè)汽車設(shè)計(jì)參數(shù)如: 質(zhì)量,傳動(dòng)比,空氣阻力系數(shù)等的變化對(duì)汽車性能的影響。美國(guó)北卡大學(xué)虛擬環(huán)境試驗(yàn)室,開展了車輛駕駛員虛擬環(huán)境的研究,具有極強(qiáng)的工程應(yīng)用性。美國(guó)MDI公司開發(fā)的ADAMS軟件是構(gòu)造產(chǎn)品的虛擬原型的一個(gè)很好的平臺(tái),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?cè)谄囋O(shè)計(jì),開發(fā)等方面的經(jīng)驗(yàn)。利用該模塊,工程師可以快速建造高精度的整車虛擬樣機(jī)(包括車身,懸架,傳動(dòng)系統(tǒng),發(fā)動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),制動(dòng)系統(tǒng)等)并進(jìn)行仿真,通過(guò)高速動(dòng)畫直觀地顯示在各種試驗(yàn)工況下(例如: 天氣,道路狀況,駕駛員經(jīng)驗(yàn))整車動(dòng)力學(xué)響應(yīng),輸出標(biāo)致操縱穩(wěn)定性,制動(dòng)性,乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù),從而減少對(duì)物理樣機(jī)的依賴。VTL(Virtual Test Lab)系統(tǒng)是由美國(guó)MTS(Mechanical Test System)公司研制的虛擬試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)在產(chǎn)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(yàn)環(huán)境中,一旦虛擬模型確定,可以反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn),并根據(jù)虛擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行反復(fù)修改,從而獲得最佳設(shè)計(jì)方案。

與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比,國(guó)內(nèi)在虛擬試驗(yàn)方面的研究單位主要集中在高校。吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)汽車防抱制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)混合仿真試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)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(jìn)行了硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)。它將ABS實(shí)際部件嵌入到軟件環(huán)境中進(jìn)行混合仿真,極大地?cái)U(kuò)展了軟件仿真的功能,為ABS產(chǎn)品開發(fā)提供了開發(fā)工具和試驗(yàn)平臺(tái)。

三. 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代汽車已發(fā)展成為一個(gè)智能化網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺(tái)。汽車網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,汽車工業(yè)已不再是單一的機(jī)械制造,據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示,未來(lái)的汽車制造,電子產(chǎn)品將占據(jù)近50%的工藝和成本。相關(guān)電子產(chǎn)品的開發(fā)與測(cè)試亦將飛速發(fā)展。虛擬儀器技術(shù)和虛擬試驗(yàn)技術(shù)以其低成本,高效能,靈活可靠等特點(diǎn),將在汽車工程中扮演越來(lái)越重要的角色。