汽車運輸安全虛擬仿真實驗設(shè)計

陳 濤，范林坤

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710000）

汽車運輸安全實驗涉及汽車理論、汽車動力學(xué)、汽車設(shè)計、機械設(shè)計等基礎(chǔ)知識，利于學(xué)生建立豐富、扎實的知識基礎(chǔ)。在旨在培養(yǎng)交通運輸類實用性人才的汽車運輸安全教學(xué)體系中，是培養(yǎng)學(xué)生較強的工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力的必修環(huán)節(jié)[1]。由于交通運輸實驗難以在實際的生產(chǎn)環(huán)境中完成，運輸生產(chǎn)過程成本高、風(fēng)險大，高速運動狀態(tài)的運載工具一旦發(fā)生操作失誤，極易導(dǎo)致重大事故發(fā)生，導(dǎo)致了學(xué)生在現(xiàn)場生產(chǎn)實踐和實習(xí)過程中缺乏實際動手操作的機會[2]，阻礙了交通運輸領(lǐng)域人才的培養(yǎng)。

虛擬仿真技術(shù)就是用一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)，具有自由度高、交互性強、仿真度高，可修改仿真參數(shù)等特點[3-5]。該技術(shù)在汽車加速[6]、交通運輸[7]、車輛工程專業(yè)教學(xué)[8-9]、交通事故[10]、汽車動力學(xué)[11]等研究中均有應(yīng)用，但仍存在汽車運輸安全實驗成本高，危險系數(shù)大的難題。

本文采用模塊化方案進行虛擬仿真實驗設(shè)計，基于B/S（browser/server）架構(gòu)，利用Unity 3D 虛擬引擎和Java Server Pages（JSP）等軟件實現(xiàn)的汽車運輸安全虛擬仿真實驗可以有效地降低實驗成本和風(fēng)險，改善實驗的實用性，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

1 虛擬仿真實驗設(shè)計

1.1 實驗?zāi)康?/h3>

汽車運輸安全實驗的目的是通過仿真實驗找到影響汽車運輸安全的因素，這些因素包括整車參數(shù)和道路參數(shù)。為了確定哪些參數(shù)的變化會影響汽車的運輸安全性，實驗采用了控制變量法。首先在理論分析的基礎(chǔ)上確定哪些參數(shù)會影響汽車運輸?shù)陌踩裕筢槍γ總€可能的影響參數(shù)進行實驗。實驗時保持其他參數(shù)不變，在盡可能廣的取值范圍內(nèi)調(diào)整目標參數(shù)，進行若干次實驗并記錄實驗結(jié)果，獲得目標參數(shù)與側(cè)翻因子間的關(guān)系。這樣可以直觀地判斷出每一特定參數(shù)與汽車運輸安全性的關(guān)系，得到影響汽車安全性的車輛和道路參數(shù)，并且可以確定參數(shù)調(diào)整策略。

1.2 虛擬仿真實驗總體設(shè)計

1.2.1 實驗功能模塊設(shè)計

為提高實驗設(shè)計與仿真平臺搭建的效率，采用模塊化設(shè)計框架，將實驗分為實驗準備、參數(shù)設(shè)置、仿真計算、實驗結(jié)果分析4 個模塊（見圖1）進行設(shè)計。實驗準備模塊介紹實驗詳情，確定實驗參數(shù)；參數(shù)設(shè)置模塊將確定的車輛和道路參數(shù)輸入到仿真計算模塊；仿真計算模塊根據(jù)汽車系統(tǒng)動力學(xué)原理對車輛和道路參數(shù)進行分析計算，得出車輛的行駛狀態(tài)；實驗結(jié)果分析模塊進行實驗結(jié)果分析與傳輸。

圖1 實驗功能模塊

1）實驗準備模塊。

此模塊主要介紹實驗流程、實驗要求、實驗原理；對用戶計算機進行帶寬測試，判斷帶寬條件；為了使學(xué)生了解服務(wù)器占用情況，在實驗開始階段的界面上顯示當前實驗人數(shù)。

2）參數(shù)設(shè)置模塊。

確定車輛參數(shù)和道路參數(shù)后，參數(shù)設(shè)置模塊將這些參數(shù)輸入到仿真軟件中。該模塊涉及的車輛參數(shù)包括：車型、整車（質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量、迎風(fēng)面積、質(zhì)量等）、發(fā)動機、傳動系、懸架系統(tǒng)、制動系、轉(zhuǎn)向系、輪胎、車速等。道路參數(shù)包括：道路半徑、超高、道路坡度、路面附著系數(shù)等。為了使學(xué)生更加直觀地了解所設(shè)置的參數(shù)的詳細信息，參數(shù)設(shè)置模塊提供汽車各結(jié)構(gòu)的2D 圖紙信息或者特性圖。

3）仿真計算模塊。

該模塊實時輸出車輛的性能參數(shù)，是虛擬仿真實驗的核心，側(cè)滑和側(cè)翻是運輸車輛行駛過程中最危險的2 種工況，仿真計算模塊根據(jù)運輸車輛行駛過程中通過彎道時的車速、汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)與道路參數(shù)計算出車輛側(cè)傾角、側(cè)向加速度、四輪垂直反力隨時間的變化情況，并推算出側(cè)滑的臨界車速、側(cè)翻因子、側(cè)翻的臨界車速，從而判斷汽車是否出現(xiàn)側(cè)滑或側(cè)翻。

為簡化模型建立的過程和便于計算，這里假設(shè)汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，汽車的懸架系統(tǒng)保持線性變化。汽車曲線運動時需要側(cè)向附著力提供向心力，側(cè)向附著力為umg，在汽車轉(zhuǎn)彎時是個定值。而向心力與車速v和轉(zhuǎn)彎半徑R相關(guān)。如果車速過大或轉(zhuǎn)彎半徑過小，會使側(cè)向附著力不足以提供曲線運動所需的向心力，汽車的轉(zhuǎn)彎半徑會突然變大，發(fā)生側(cè)滑[12]。汽車發(fā)生轉(zhuǎn)彎側(cè)滑的臨界條件為：

其中，u為路面?zhèn)认蚰Σ料禂?shù)；v為車輛行駛速度；R為彎道半徑；m為汽車質(zhì)量；g為重力加速度。當ug＜ 時汽車發(fā)生側(cè)滑失去穩(wěn)定性。

其中，ay為側(cè)向加速度；hg為質(zhì)心高度；β為坡道傾角；FZi為內(nèi)側(cè)車輪壓力；B為輪距。

汽車發(fā)生側(cè)翻時的臨界車速為：

側(cè)翻因子IR能夠測量和估計非簧載質(zhì)量和簧載質(zhì)量垂向加速度、橫向加速度和側(cè)傾角等未知參數(shù)，實時計算存在路面激勵臨界條件下車輛側(cè)翻傾向，其表達式為[13]：

其中，T為輪距；Ix為簧載質(zhì)量的轉(zhuǎn)動慣量；為左側(cè)非簧載質(zhì)量的垂直加速度；為右側(cè)非簧載質(zhì)量的垂直加速度；mu1為左側(cè)非簧載質(zhì)量；mu2為右側(cè)非簧載質(zhì)量；為轉(zhuǎn)動角加速度；φ為轉(zhuǎn)動角速度；mx為左側(cè)簧載總質(zhì)量；hg為車輛質(zhì)心高度；ay為車輛在y方向的加速度分量；mz為右側(cè)簧載總質(zhì)量；為車輛的垂直加速度；m為車輛質(zhì)量。

4）實驗結(jié)果分析模塊。

該模塊的作用是將仿真計算模塊得出的結(jié)果直觀地呈現(xiàn)出來，進行分析。在該模塊中可以直接得到汽車行駛狀況（側(cè)滑、側(cè)翻、正常行駛）、側(cè)翻臨界車速、車輛側(cè)傾角、側(cè)向加速度、四輪垂直反力與時間的關(guān)系曲線等。為了使學(xué)生可以全面地了解實驗結(jié)果，汽車行駛過程以三維動畫的形式顯示。實驗三維動畫場景主要展示汽車行駛狀況、道路狀況和各個車輪的受力狀況，并可以進行場景漫游，學(xué)生可以從不同角度觀察車輛行駛的過程。為了指導(dǎo)學(xué)生進行合理操作，該模塊為學(xué)生呈現(xiàn)實驗結(jié)果操作說明。如果選擇提交實驗結(jié)果，則實驗結(jié)果被保存至數(shù)據(jù)庫，并在實驗準備模塊中展示出來；如果學(xué)生選擇不提交實驗結(jié)果，則直接開始下次實驗。

1.2.2 實驗交互界面設(shè)計

交互界面的目的是增加學(xué)生的實驗參與感，提高實驗效率，增強實驗的直觀性。二維交互界面設(shè)計時遵循準確、簡潔的準則，界面以藍色、白色和黑色為主，學(xué)生可以直觀地看到設(shè)置的參數(shù)的詳細信息。

三維交互界面設(shè)計時采用第一視角的漫游界面，界面可進行放大、縮小操作；設(shè)計4 個向上的黃色箭頭對應(yīng)4 個車輪垂直反力的值，箭頭長短與垂直反力成正比關(guān)系；三維交互界面的功能還包括暫停、快退、快進、延時顯示、顯示實驗進行時間和剩余時間等。

實驗的主要交互界面的功能設(shè)計如圖2 所示。

圖2 人機交互界面設(shè)計

2 虛擬仿真實驗實現(xiàn)

汽車運行安全虛擬仿真實驗采用B/S 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。用戶瀏覽器、數(shù)據(jù)庫、仿真服務(wù)器和仿真軟件構(gòu)成了汽車運輸安全虛擬仿真實驗平臺，如圖3 所示。

圖3 實驗平臺構(gòu)建框架

2.1 數(shù)據(jù)庫

設(shè)計時采用Mysql 數(shù)據(jù)庫進行開發(fā)，實驗結(jié)果數(shù)據(jù)和車輛、道路結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)都保存在數(shù)據(jù)庫中。確定數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流和實體關(guān)系圖后，利用Powerbuilder 軟件進行數(shù)據(jù)庫的搭建。仿真服務(wù)器用來承擔虛擬仿真平臺的數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)傳遞任務(wù)。考慮平臺計算量較小設(shè)計時采用私有云服務(wù)器。

2.2 仿真過程實現(xiàn)

2.2.1 參數(shù)設(shè)置模塊實現(xiàn)

該模塊使用JSP 軟件進行開發(fā)，實現(xiàn)步驟如下：①明確界面功能，確定界面布局和數(shù)據(jù)流向；②創(chuàng)建實體類包，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)參數(shù)2D 視圖和特性曲線；③調(diào)用業(yè)務(wù)層的處理類和處理方法處理請求，根據(jù)結(jié)果返回響應(yīng)。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)內(nèi)容搭建的參數(shù)設(shè)置模塊如圖 4所示。

圖4 參數(shù)設(shè)置模塊

2.2.2 建模與場景搭建

采用3D MAX 軟件進行三維場景建模。建模時在確保真實性的前提下，通過減少不必要的線條來優(yōu)化模型，減小粒度。利用Unity 3D 地形編輯功能，構(gòu)建室外實驗環(huán)境，并將車輛和道路模型以 FBX 格式導(dǎo)入Unity 3D 場景來鋪設(shè)道路路線。

2.2.3 虛擬仿真實現(xiàn)

虛擬仿真實驗中主要呈現(xiàn)的有3 種行駛狀態(tài)：正常行駛、發(fā)生側(cè)滑和發(fā)生側(cè)翻。通過動畫模擬演示功能，根據(jù)仿真服務(wù)器傳來的計算結(jié)果進行車輛行駛狀態(tài)的虛擬仿真，如圖5 所示。根據(jù)C#腳本中Carstate存儲的變量信息使用Animator 來控制車輛行駛狀態(tài)的切換，實現(xiàn)實驗計算結(jié)果與仿真動畫的對接。

2.2.4 三維交互界面

實驗界面為場景漫游界面，學(xué)生可以第一視角在實驗場景中自由觀察，設(shè)計時采用Unity 3D 自帶的UGUI 組件和可視化工具。攝像機的視角范圍決定了界面的顯示內(nèi)容，實驗中創(chuàng)建了一個Camera 與漫游界面相對應(yīng)，通過編寫SceneMove.cs 類文件使拖動鼠標左鍵為改變視角，拖動鼠標右鍵為拉進/放遠視角，實現(xiàn)手控個人視角。

圖5 汽車行駛動畫

2.3 實驗結(jié)果分析

基于仿真服務(wù)器提供的車輛側(cè)翻因子、側(cè)傾角、側(cè)向加速度和四輪垂直反力的值，利用JPS 的MVC模型來實現(xiàn)結(jié)果分析與展示如圖6 所示。

圖6 實驗結(jié)果

3 結(jié)語

汽車運輸安全虛擬仿真實驗降低了實驗的成本與風(fēng)險；通過方便快速的實驗環(huán)境與輸出結(jié)果達到了快速獲取實驗現(xiàn)象的目的，實現(xiàn)了良好的人機交互；學(xué)生可以根據(jù)實驗的效果直觀地理解實驗的運行機制；還可以根據(jù)自己的實驗?zāi)康淖灾髟O(shè)置實驗參數(shù)，自主操作，提高了學(xué)生的參與感；汽車運輸安全虛擬仿真實驗擺脫了實車實驗中時間、空間和技術(shù)要求的限制。