基于虛擬現(xiàn)實技術的汽車性能試驗系統(tǒng)的設計與開發(fā)

　　1、引言

　　虛擬樣機技術以及虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)，改進了傳統(tǒng)汽車設計以及試驗的方法。

　　利用虛擬樣機技術設計的數(shù)字化汽車同復雜多變的虛擬試驗環(huán)境結(jié)合起來，用真實駕駛員進行仿真駕駛，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，無危險和損壞進行碰撞、翻傾等極限試驗,改進了抽象的數(shù)值曲線仿真，突破了難以用數(shù)學模型來表達的錯綜復雜的駕駛員感受與反應等問題,在設計的早期及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題，進行調(diào)整修正、實現(xiàn)優(yōu)化，具有節(jié)省資金、可重復性、無風險性等優(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，并實現(xiàn)了較強的虛擬現(xiàn)實技術，可在設計階段對轎車的總體性能匹配和車身系統(tǒng)布置設計等進行直觀、全面的仿真分析、評價和改進。

　　因此本文在查閱大量資料的基礎上，進行了汽車虛擬試驗系統(tǒng)的設計，并以操縱穩(wěn)定性試驗為例進行了開發(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。下面進行詳細介紹。

　　2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

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

　　汽車虛擬試驗系統(tǒng)主要由輸入模塊、虛擬試驗模塊以及輸出模塊三部分組成，如圖1所示。把汽車模型導入到虛擬環(huán)境中，根據(jù)用戶的輸入控制命令，對汽車模型進行運動學、動力學分析，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)評價進行修改模型參數(shù)，該過程可不斷重復，進行汽車參數(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. 虛擬試驗模塊：主要由動力學分析模塊，接口模塊以及虛擬試驗運行模塊，動力學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)，為虛擬試驗模塊提供仿真數(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、傳感器等接口設備以及用戶有機連接成一體。

　　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，對車輛的性能進行評價，根據(jù)評價結(jié)果修改車輛模型的參數(shù)，進行優(yōu)化設計。該方法突破了以往評價標準難以建立、指標很難確定、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行對比，根據(jù)差別對車輛模型進行修正。

　　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，并對其進行了操縱穩(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，通過虛擬儀表來準確的顯示數(shù)據(jù)的變化情況。采用人機交互技術，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 而進行汽車性能評價。