工科車輛專業(yè)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬平臺(tái)研究

靳華偉 陳清華

摘 ?要 工科專業(yè)本科實(shí)踐教學(xué)操作中，因設(shè)備、場(chǎng)地、成本等諸多因素影響，效果不理想。為了提高教學(xué)水平和質(zhì)量，以車輛工程專業(yè)為例，提出汽車實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬化平臺(tái)建設(shè)，詳細(xì)介紹平臺(tái)組成和設(shè)計(jì)思想，并列舉實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞 工科;車輛工程專業(yè);實(shí)踐教學(xué);虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）14-0027-03

Abstract In the undergraduate practical teaching of engineering major， due to many factors such as equipment， site and cost， the effect is not ideal. In order to improve the level and quality of prac-tical teaching， taking vehicle engineering as an example， the con-struction of virtual platform for automobile experimental teaching is?put forward， the composition and design idea of the platform is intr-duced in detail， and experimental cases for application verification are listed.

Key words engineering course; vehicle engineering specialty; prac-tice teaching; virtual simulation experiment platform

1 前言

車輛工程實(shí)踐教學(xué)工作中存在一些困難，如：發(fā)動(dòng)機(jī)體積較大，拆裝不便，造價(jià)高而實(shí)驗(yàn)運(yùn)行經(jīng)費(fèi)有限[1];部分儀器設(shè)備價(jià)值較高[2];傳統(tǒng)汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高、資源消耗大[3]，并且需將實(shí)體結(jié)構(gòu)拆開以了解零部件內(nèi)部構(gòu)造，而部件結(jié)構(gòu)在拆開狀態(tài)下是無(wú)法運(yùn)動(dòng)的[4]，因此無(wú)法同時(shí)表現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造與其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，給實(shí)踐環(huán)節(jié)開展帶來嚴(yán)重困難。

本文選取安徽理工大學(xué)車輛工程專業(yè)為例進(jìn)行研究。該校地處安徽省淮南市，汽車工業(yè)較不發(fā)達(dá)，實(shí)踐基地建設(shè)較為困難;汽車生產(chǎn)企業(yè)對(duì)安全性要求頗高，致使企業(yè)接納大量學(xué)生進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)積極性不高，車輛工程類專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)踐比較困難[5]。為此開展工科車輛專業(yè)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬平臺(tái)的研究。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容研究

實(shí)踐教學(xué)是人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要保障，但很多地方高校無(wú)法提供合格的車輛工程實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，而硬件在環(huán)仿真技術(shù)為問題的解決提供了一條新的途徑。對(duì)車輛工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系中道路實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，涵蓋汽車試驗(yàn)學(xué)等實(shí)訓(xùn)實(shí)踐課程。運(yùn)用車輛動(dòng)力學(xué)軟件和環(huán)境感知軟件搭建汽車駕駛交通環(huán)境，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備、師資和實(shí)踐教學(xué)大綱，基于底層驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向執(zhí)行裝置和控制器搭建硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生身臨其境地體會(huì)汽車道路試驗(yàn)過程，提升學(xué)生對(duì)試驗(yàn)內(nèi)容的掌握，探討仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系，研究人才培養(yǎng)質(zhì)量保障制度。

利用地方高校與區(qū)域汽車相關(guān)企業(yè)的資源，通過產(chǎn)學(xué)研深度融合，利用新一代信息技術(shù)，打造基于校企協(xié)同模式的實(shí)踐教學(xué)新體系。汽車構(gòu)造虛擬實(shí)驗(yàn)屬于構(gòu)造類實(shí)驗(yàn)，主要目的是使學(xué)生了解汽車總體結(jié)構(gòu)，故本實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要包含四部分：汽車原理與構(gòu)造認(rèn)知模塊、汽車底盤結(jié)構(gòu)分析與虛擬拆裝模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析與虛擬拆裝模塊和變速箱結(jié)構(gòu)分析與虛擬拆裝模塊。部分效果圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體包括汽車構(gòu)造與原理分析，通過汽車底盤系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，建立三維仿真模型，使學(xué)生了解各種類型汽車底盤的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功用和裝配關(guān)系，并了解汽車底盤結(jié)構(gòu)有限元分析方法;變速器總體結(jié)構(gòu)與原理、變矩器總成、差速器總成、太陽(yáng)輪總成、行星齒輪總成、各擋位離合器總成（倒擋、1～4擋）等結(jié)構(gòu)原理和拆裝。

3 工科車輛工程專業(yè)車輛性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

車輛性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括四個(gè)部分，分別是車輛動(dòng)力性能仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊、車輛制動(dòng)性能仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊、車輛經(jīng)濟(jì)性能仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K和車輛操縱穩(wěn)定性能仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。應(yīng)用該平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能。相應(yīng)開設(shè)課程有汽車?yán)碚?、?nèi)燃機(jī)原理、汽車實(shí)驗(yàn)學(xué)等專業(yè)課程。平臺(tái)具體建設(shè)如圖2所示。

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)案例介紹

隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，如何將車載通信技術(shù)體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是亟待解決的問題。為此，選取以CAN采樣與通信實(shí)驗(yàn)為例，分三步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的演示。首先是AD采樣實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行CAN通信實(shí)驗(yàn)，最后將兩者結(jié)合，自己編程功能。

AD采樣實(shí)驗(yàn) ?用跳線帽將接口JP5上的插針短接，將ZX0802A小液晶插到電路板的J_LCD2接口;打開文件中的演示代碼“模數(shù)轉(zhuǎn)換.mcp”;觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在調(diào)試窗口的Data：1窗口中顯示兩個(gè)AD輸入通道的數(shù)值，單擊AD_in1和AD_in2可以顯示電壓的實(shí)時(shí)值。用螺絲刀轉(zhuǎn)動(dòng)滑動(dòng)變阻器，則AD_in1和AD_in2的值會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)AD_in1的值大于AD_in2的值時(shí)，指示燈DA1點(diǎn)亮;當(dāng)AD_in1的值小于AD_in2的值時(shí)，指示燈DA1熄滅。在小液晶上觀察顯示的數(shù)值。用萬(wàn)用表測(cè)量電路板上的測(cè)試點(diǎn)AD1和AD2的電壓值，并與AD_in1和AD_in2的值進(jìn)行比對(duì)。

CAN通信實(shí)驗(yàn) ?用跳線帽將JP4上的插針短接，用雙股杜邦線將J_CAN1和J_CAN2連接起來。將CAN分析器的CAN1端的高低口與開發(fā)板上兩個(gè)CAN口的高低口對(duì)應(yīng)連接，將CAN分析器通過USB口與電腦連接。將ZX0802A小液晶模塊插到電路板上的J_LCD2接口上，將BDM下載器連接到開發(fā)平臺(tái)上，打開文件中的代碼;打開桌面上的Embeded-Config，在“選擇端口號(hào)”中選擇com3/com4，然后打開串口，將總線波特率設(shè)為250 000，點(diǎn)擊配置波特率;打開桌面上的EmbededDebug v2.0軟件，點(diǎn)擊“串口配置”，串口號(hào)選擇com3/com4，確定后，打開串口;觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：CAN0發(fā)送數(shù)據(jù)，CAN1接收數(shù)據(jù)，觀察液晶屏上顯示的接收到的數(shù)據(jù);在EmbededDebug v2.0界面中觀察接收到的數(shù)據(jù)。

D采樣——CAN總線發(fā)送接收實(shí)驗(yàn) ?用跳線帽將JP4和JP5上的插針短接，用雙股杜邦線將J_CAN1和J_CAN2連接起來。將CAN分析器的CAN1端的高低口與開發(fā)板上兩個(gè)CAN口的高低口對(duì)應(yīng)連接，將CAN分析器通過USB口與電腦連接。將小液晶模塊插到電路板接口上，將BDM下載器連接到開發(fā)平臺(tái)上。打開文件中代碼，編寫主函數(shù)部分;打開桌面軟件，在“選擇端口號(hào)”中選擇com3/com4，然后打開串口，將總線波特率設(shè)為250 000，點(diǎn)擊配置波特率;打開桌面上的EmbededDebug v2.0軟件，點(diǎn)擊“串口配置”，串口號(hào)選擇com3/com4，確定后，打開串口;觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：AD模塊采集的數(shù)據(jù)通過CAN0發(fā)送，CAN1接收數(shù)據(jù)，觀察液晶屏上顯示的接收到的數(shù)據(jù);用螺絲刀轉(zhuǎn)動(dòng)滑動(dòng)變阻器，在小液晶上觀察顯示的數(shù)值的變化，同時(shí)觀察在界面中觀察接收到的數(shù)據(jù)。借助仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，調(diào)試實(shí)驗(yàn)如圖3所示。

5 結(jié)語(yǔ)

為了解決車輛工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)水平，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行汽車實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬化平臺(tái)建設(shè)，取得顯著成果。汽車構(gòu)造虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和車輛性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩大模塊的構(gòu)建，以及相關(guān)應(yīng)用驗(yàn)證表明，虛擬化平臺(tái)建設(shè)是提升工科院校實(shí)踐教學(xué)水平的有效途徑。

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