基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的汽車性能試驗系統(tǒng)

　　1、引言

　　虛擬樣機(jī)技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，改進(jìn)了傳統(tǒng)汽車設(shè)計以及試驗的方法。

　　利用虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計的數(shù)字化汽車同復(fù)雜多變的虛擬試驗環(huán)境結(jié)合起來，用真實駕駛員進(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、傾斜、噪聲等效果，無危險和損壞進(jìn)行碰撞、翻傾等極限試驗,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)的錯綜復(fù)雜的駕駛員感受與反應(yīng)等問題,在設(shè)計的早期及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題，進(jìn)行調(diào)整修正、實現(xiàn)優(yōu)化，具有節(jié)省資金、可重復(fù)性、無風(fēng)險性等優(yōu)點。

　　典型的例子有：克萊斯勒新型汽車開發(fā)周期由36個月縮短至24個月，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)，并實現(xiàn)了較強(qiáng)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可在設(shè)計階段對轎車的總體性能匹配和車身系統(tǒng)布置設(shè)計等進(jìn)行直觀、全面的仿真分析、評價和改進(jìn)。

　　因此本文在查閱大量資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了汽車虛擬試驗系統(tǒng)的設(shè)計，并以操縱穩(wěn)定性試驗為例進(jìn)行了開發(fā)，經(jīng)實際試驗與虛擬試驗對比，虛擬試驗比傳統(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

　　汽車虛擬試驗系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，在設(shè)計時遵循先進(jìn)性、開放性、可靠性等基本原則，基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，采取層次化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計方法，使系統(tǒng)在保持功能實現(xiàn)的前提下，達(dá)到結(jié)構(gòu)的合理化。

　　汽車虛擬試驗系統(tǒng)主要由輸入模塊、虛擬試驗?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，對汽車模型進(jìn)行運動學(xué)、動力學(xué)分析，利用分析數(shù)據(jù)在虛擬場景中“虛擬再現(xiàn)汽車試驗過程”，用戶通過各種傳感器感受并體驗該車的性能，得出性能的評價，根據(jù)評價進(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，也可輸入實車試驗的數(shù)據(jù)，用于與虛擬試驗比較。

　　2. 虛擬試驗?zāi)K：主要由動力學(xué)分析模塊，接口模塊以及虛擬試驗運行模塊，動力學(xué)分析模塊主要是根據(jù)車輛的參數(shù)化模型、駕駛員的行為實時計算車輛的性能參數(shù)，為虛擬試驗?zāi)K提供仿真數(shù)據(jù)，虛擬試驗運行模塊主要是為用戶提供逼真的虛擬試驗環(huán)境，實現(xiàn)虛擬車輛在試驗過程中的各種狀態(tài)變化并將該信息反饋給用戶。接口模塊將車輛實時仿真運算部分、虛擬運行環(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. 性能評價模塊：在該模塊中，用戶綜合考慮不同工況下虛擬試驗的各種感覺體驗，對車輛的性能進(jìn)行評價，根據(jù)評價結(jié)果修改車輛模型的參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。該方法突破了以往評價標(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，也可對虛擬試驗與實車試驗的進(jìn)行對比，根據(jù)差別對車輛模型進(jìn)行修正。

　　3、虛擬試驗系統(tǒng)的開發(fā)實例

　　作者以操縱穩(wěn)定性的虛擬試驗為例進(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)，并對其進(jìn)行了操縱穩(wěn)定性仿真分析，虛擬試驗環(huán)境采用WTK（WorldToolKit）以及Visual C++實現(xiàn)，虛擬儀表部分采用NI公司的ComponentWorks組件實現(xiàn)。把動力學(xué)分析的仿真數(shù)據(jù)傳送到虛擬環(huán)境中來形象、逼真的實現(xiàn)試驗，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，還可以通過AGC---Viewer G立體觀測系統(tǒng)，沉浸到虛擬試驗環(huán)境中，真正體驗汽車性能，從而進(jìn)行汽車性能評價。
下面以車輛的操縱穩(wěn)定性閉環(huán)試驗中的單移線試驗為例進(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)單移線試驗方法（如軌跡、速度等）設(shè)計了控制文件，在車輛動力學(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)，配合單移線試驗的場景來動態(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動過程中的具體參數(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，動態(tài)顯示汽車在仿真過程中各個參數(shù)的變化。為更加逼真的實現(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場景中，感覺、體驗試驗過程。圖2為動力學(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)實技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展，在汽車的設(shè)計與試驗研究方面取的了很大的發(fā)展。采用多 體系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件獲取車輛性能參數(shù)，虛擬實現(xiàn)車輛性能的試驗系統(tǒng)，可完全實現(xiàn) “室內(nèi)虛擬試驗”，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、側(cè)偏、側(cè)傾等運動，可以把人的主觀感受加入到評價車輛性能中來，具有很強(qiáng)的實際意義。隨著計算機(jī)、圖像技術(shù)、傳感器等技術(shù)的發(fā)展，汽車虛擬試驗技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。