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

時間:2008-06-12 13:46:00來源:dujing

導語:?基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的汽車性能試驗系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)
1、引言 虛擬樣機技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn),改進了傳統(tǒng)汽車設(shè)計以及試驗的方法。 利用虛擬樣機技術(shù)設(shè)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(yīng)等問題,在設(shè)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(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(chǔ)上,進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(shè)計 汽車虛擬試驗系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng),在設(shè)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(shè)計思想,采取層次化、模塊化、標準化的設(shè)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(shè)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(shè)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(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。 [align=center] (a) 側(cè)偏位移變化[/align] [align=center] (b)方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)向加速度的變化[/align] [align=center] 圖3 虛擬單移線試驗過程中的仿真場景與虛擬儀表變化[/align] 4、小結(jié) 隨著虛擬樣機以及虛擬現(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”,是未來虛擬樣機系統(tǒng)的擴展,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,具有很強的實際意義。隨著計算機、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。 參考文獻 [1] 汪成為,高文,王行仁.靈境(虛擬現(xiàn)實)技術(shù)的理論、實現(xiàn)及應(yīng)用.北京:清華大學出版社,1996. [2] 楊寶民,朱一寧編著.分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用.北京:科學出版社,2000. [3] 王樹鳳,余群,車輛虛擬試驗系統(tǒng)的實現(xiàn) ,農(nóng)業(yè)機械學報,2002,33(3),4-7. [4] 熊堅,曾紀國,宋健,汽車操縱穩(wěn)定性虛擬仿真的研究.汽車工程,2002,24(5):430-433.

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