車用發(fā)動機虛擬仿真實訓(xùn)平臺架構(gòu)的設(shè)計與研究

王放 蘇娜 孫艷妮 文玉芳

基金項目：西安汽車職業(yè)大學(xué)2021年度科學(xué)研究基金項目“發(fā)動機虛擬仿真平臺開發(fā)及應(yīng)用”（2021KJ001）；2020年度陜西省教育廳專項科學(xué)研究計劃項目“基于風(fēng)向標(biāo)大眾帕薩特發(fā)動機故障診斷試驗臺架教學(xué)顯示功能擴展的研究”（20JK0827）

摘要：以“虛擬仿真實訓(xùn)平臺”為課題，對虛擬實驗軟件平臺的構(gòu)建以及運用VR虛擬仿真技術(shù)開發(fā)軟件平臺步驟的詳細(xì)介紹。將虛擬仿真軟件的搭建內(nèi)容、步驟和所依托的軟件作為研究對象，具體分析了虛擬仿真平臺的技術(shù)特點和實現(xiàn)過程，以期根據(jù)用戶需求設(shè)計出適合的技術(shù)路徑和實現(xiàn)方案，為高校自主研發(fā)虛擬仿真實驗平臺提供參考，并將此類虛擬仿真實訓(xùn)軟件應(yīng)用在各種實訓(xùn)臺架上，解決臺架技術(shù)落后問題，如在風(fēng)向標(biāo)帕薩特臺架搭載并運用此虛擬仿真開發(fā)技術(shù)拓展臺架功能。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；發(fā)動機；虛擬仿真實訓(xùn)平臺；模擬；Unity 3D；3DMax

中圖分類號：U462? 收稿日期：2023-11-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401014

1 虛擬實訓(xùn)軟件平臺的研究意義

虛擬實訓(xùn)（實驗）仿真技術(shù)是一種可以創(chuàng)設(shè)和體驗虛擬情境的計算機系統(tǒng)，是利用虛擬仿真技術(shù)[1]，在電腦上建立起一種能夠全部或部分取代真實情境中實訓(xùn)（實驗）操作的仿真環(huán)境，從而能夠進(jìn)行各種實驗、實訓(xùn)操作，了解實驗原理、實驗步驟，或是練習(xí)操作技巧?？梢酝ㄟ^開發(fā)和設(shè)計一款具備現(xiàn)代主流技術(shù)發(fā)動機的虛擬仿真實訓(xùn)平臺，包括發(fā)動機的選擇、發(fā)動機建模、模型修復(fù)、虛擬環(huán)境的建立、模型交互，以及功能的實現(xiàn)。該平臺可為培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)核心技能提供幫助，以及為實訓(xùn)教學(xué)提供新思路。

2 發(fā)動機虛擬仿真實訓(xùn)軟件的設(shè)計

2.1 互聯(lián)網(wǎng)平臺搭建

發(fā)動機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的搭建，在多媒體教室中有兩種情況：如果使用本地局域網(wǎng)絡(luò)，只需要一臺電腦就可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；使用外網(wǎng)，所選發(fā)動機引擎的訓(xùn)練可以讓學(xué)員隨時隨地進(jìn)行訓(xùn)練。平臺的架構(gòu)是實現(xiàn)虛擬仿真實訓(xùn)的關(guān)鍵。在設(shè)計時，采取分布式架構(gòu)，將虛擬仿真軟件和數(shù)據(jù)存儲分離，實現(xiàn)軟件的遠(yuǎn)程訪問功能。采用云計算技術(shù)，將多個獨立的實例結(jié)合在一起，形成強大的計算力，縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率。

數(shù)據(jù)管理是平臺開發(fā)過程中的重點。在實現(xiàn)虛擬仿真的過程中，需要對發(fā)動機零部件的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理，例如發(fā)動機的性能參數(shù)、設(shè)計圖紙、三維模型和測試數(shù)據(jù)等，建立高效的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，將這些數(shù)據(jù)集中存儲，并提供與用戶交互的接口。

虛擬仿真實訓(xùn)平臺的搭建需要考慮架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)管理、交互體驗和安全性等因素，并采取相應(yīng)的策略來實現(xiàn)平臺的高效性和安全性。

2.2 零部件三維建模與模型渲染

2.2.1 零部件三維建模

使用三維掃描工具對發(fā)動機零部件進(jìn)行掃描的過程如圖1所示。軟件開發(fā)主要通過三維掃描工具以及3ds Max建模軟件來構(gòu)建實訓(xùn)工具、發(fā)動機總成及虛擬實訓(xùn)場景模型；物體運動由iTween插件控制；三維場景及發(fā)動機總成由Unity3D引擎完成交互和渲染。為了制作發(fā)動機實訓(xùn)部件、操作工具以及實訓(xùn)室場景的模型，建立發(fā)動機型資源庫，并采用編輯多邊形的建模方式。利用法線貼圖技術(shù)將高精度的模型烘焙到優(yōu)化后的低模上，可呈現(xiàn)逼真的效果，同時降低面數(shù)和資源消耗。為保證發(fā)動機建模精準(zhǔn)度，采用三維掃描儀對發(fā)動機零部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過三維建模軟件構(gòu)建發(fā)動機模型資源庫[2]。

缸體是整個發(fā)動機的主體結(jié)構(gòu)，它需要三維建模并考慮其內(nèi)部氣缸布局和冷卻水路系統(tǒng)。曲軸是發(fā)動機的重要組成部分，需要根據(jù)其轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行細(xì)致的三維建模，以便在軟件中模擬各個工作階段的轉(zhuǎn)動角度和速度。發(fā)動機的連接件連桿等，在建模時需要考慮其長度、直徑和支撐點的位置等因素?；钊诮r需要細(xì)致地分析其受力情況和摩擦等因素，以便在虛擬仿真軟件中模擬并分析各個工作狀態(tài)下的運動狀態(tài)。氣門在建模時需要考慮其在吸氣、排氣過程中的運動狀態(tài)，氣門的開度和關(guān)閉對發(fā)動機的工作狀態(tài)有著重要的影響，因此需要在虛擬仿真軟件中模擬和分析各個工作狀態(tài)下氣門的運動狀態(tài)和效果。

2.2.2 模型的交互和渲染

發(fā)動機虛擬仿真實訓(xùn)平臺是一種基于計算機技術(shù)的實訓(xùn)教學(xué)工具。其中，模型的交互和渲染是其兩個核心環(huán)節(jié)。模型的交互包括用戶與模型的交互和模型與模型的交互兩個方面。

在模型的渲染方面，主要涉及圖形學(xué)中的三個核心技術(shù)：建模、渲染和動畫。建模技術(shù)主要負(fù)責(zé)將實際物體的幾何形狀、物理特性、材質(zhì)屬性等信息轉(zhuǎn)化為計算機可以理解的形式，并生成相應(yīng)的幾何模型。幾何模型通常采用多邊形網(wǎng)格模型表示，其大小和精度會直接影響渲染和動畫的效果。渲染技術(shù)則負(fù)責(zé)將幾何模型轉(zhuǎn)化為圖像，包括光照、紋理、透視、陰影等視覺效果。動畫技術(shù)則負(fù)責(zé)實現(xiàn)模型的動態(tài)變化，通常采用關(guān)鍵幀技術(shù)和插值算法[3]。

發(fā)動機虛擬仿真實訓(xùn)平臺的設(shè)計可以提高實踐操作能力，有助于學(xué)生的職業(yè)發(fā)展和就業(yè)競爭力的提升。同時，該平臺運用計算機圖形學(xué)、計算機輔助工程、高性能計算等領(lǐng)域的前沿技術(shù)和理論，具有行業(yè)內(nèi)和學(xué)術(shù)界雙重影響力和推廣價值。

2.3 發(fā)動機拆裝腳本的撰寫

a.針對不同的使用場景和操作習(xí)慣優(yōu)化腳本的設(shè)計，提供更人性化的腳本操作界面和更完善的腳本功能。例如，在拆裝過程中，用戶需要通過操作螺栓、螺母等零件來拆卸和安裝發(fā)動機，為滿足操作的復(fù)雜性和正確性，腳本需要實現(xiàn)模擬零件的動態(tài)變化、力學(xué)特性和碰撞檢測等。

b.發(fā)動機拆裝腳本的核心是算法的設(shè)計和優(yōu)化。在實際拆裝過程中，發(fā)動機零件的復(fù)雜性和數(shù)量是非常大的，需要通過算法來實現(xiàn)對零件的快速定位、動態(tài)變形和碰撞檢測等操作。此外，為提高算法的效率和性能，需要進(jìn)行算法優(yōu)化。例如采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行優(yōu)化，減少計算量和提高計算速度。

c.發(fā)動機拆裝腳本的撰寫還需要考慮軟件的可擴展性和靈活性。隨著發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展，軟件需要不斷更新和優(yōu)化，因此需要提供易于擴展的接口和架構(gòu)設(shè)計。同時，為了便于用戶根據(jù)實際需求進(jìn)行個性化設(shè)置和拓展功能，還需要提供相應(yīng)的可配置性和可定制性。

發(fā)動機拆裝腳本的撰寫是發(fā)動機虛擬仿真軟件中的重要環(huán)節(jié)，需要根據(jù)用戶需求優(yōu)化腳本設(shè)計，進(jìn)行算法設(shè)計和優(yōu)化，同時考慮軟件的可擴展性和靈活性。

2.4 虛擬環(huán)境的編輯、角色設(shè)置與功能展示

2.4.1 虛擬環(huán)境的編輯

車用發(fā)動機虛擬仿真實訓(xùn)平臺的設(shè)計中，虛擬環(huán)境的編輯是不可或缺的一個環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)中，通過對虛擬環(huán)境的建模和設(shè)計，實現(xiàn)對發(fā)動機模擬和仿真操作。虛擬環(huán)境的編輯需要注意以下幾個方面：

a.仿真的實時性和精度。在建模的過程中，對發(fā)動機各參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整和補充，確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和實時性。同時考慮虛擬環(huán)境所需要的運算，進(jìn)行合理的分配和優(yōu)化，提高仿真的效率和精度[3]。

b.用戶的使用體驗和交互性。通過界面設(shè)計和交互操作，使用戶能夠輕松地進(jìn)行模擬和實驗操作，加強用戶的參與感和情感認(rèn)知，避免因操作麻煩或界面設(shè)計問題而導(dǎo)致用戶放棄使用。

c.系統(tǒng)的可擴展性和靈活性。以模塊化的方式來構(gòu)建虛擬環(huán)境，以便在需要增加新功能或改進(jìn)系統(tǒng)性能時，能夠快速地進(jìn)行擴展和改進(jìn)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性。

d.系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性?？紤]到系統(tǒng)在運行過程中的數(shù)據(jù)安全和權(quán)限管理問題，以及在系統(tǒng)崩潰或出現(xiàn)異常情況時的自動備份和恢復(fù)機制。這樣能夠確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

此款發(fā)動機虛擬仿真軟件設(shè)計中搭載的環(huán)境主要為兩個：在拆裝車間進(jìn)行結(jié)構(gòu)的認(rèn)知；在虛擬車間進(jìn)行拆裝和測量的模擬操作，圖2為氣缸蓋拆卸演示。

2.4.2 仿真實訓(xùn)平臺中角色設(shè)置

通過對仿真的組裝進(jìn)行多次的模擬，采用各種方式進(jìn)行拆卸，整個仿真實訓(xùn)過程成為一個研究性的學(xué)習(xí)過程。將仿真實訓(xùn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化，在仿真空間中進(jìn)行實訓(xùn)。

2.4.3 虛擬仿真軟件的功能展示

在車用發(fā)動機虛擬仿真實訓(xùn)平臺中，虛擬仿真軟件可模擬發(fā)動機的工作過程，還可了解發(fā)動機的總體構(gòu)造、工作原理、模擬裝配、裝配時所用工具的認(rèn)知、資料查詢、在線考核以及檢查測量等功能，如圖3所示。

軟件操作功能的設(shè)定：在模擬裝配中有演示、報錯功能、計時功能、計算分?jǐn)?shù)功能等。在結(jié)構(gòu)認(rèn)知中具備發(fā)動機爆炸、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分類認(rèn)知展示和部件隱藏功能、搜索功能、名稱顯示功能、部件旋轉(zhuǎn)、縮放功能等，如圖4所示。

3 實訓(xùn)臺架仿真軟件功能的升級

隨著汽車技術(shù)的更新，很多試驗臺架最初設(shè)計時不具備升級和技術(shù)同步更新的功能，久而久之面臨著閑置或者瀕臨報廢，也是職業(yè)院校的一個窘境。老舊臺架成為閑置和瀕臨報廢品，造成了場地的嚴(yán)重浪費。自主開發(fā)的發(fā)動機虛擬仿真軟件搭載在相關(guān)試驗臺架中，完成試驗臺架的升級和功能完善，使之具備先進(jìn)性與技術(shù)性，不僅可以解決老舊設(shè)備的問題，也給其注入新的活力和使用價值［4］。

4 結(jié)語

車用發(fā)動機虛擬仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。它具有以下優(yōu)勢：

a.軟件開發(fā)主要通過三維掃描工具以及3ds Max建模軟件來構(gòu)建實訓(xùn)工具、發(fā)動機總成及虛擬實訓(xùn)場景模型；物體運動由iTween插件控制；三維場景及發(fā)動機總成則由Unity3D引擎完成交互和渲染。

b.發(fā)動機虛擬仿真軟件車用發(fā)動機虛擬仿真實訓(xùn)平臺的設(shè)計中，虛擬環(huán)境的編輯是不可或缺的一個環(huán)節(jié)。

c.發(fā)動機虛擬仿真軟件可以提供更多、更靈活的實訓(xùn)機會，通過虛擬仿真軟件，可以進(jìn)行更多、更復(fù)雜的實驗實訓(xùn)，亦可隨時隨地進(jìn)行操作，通過反復(fù)訓(xùn)練，增加學(xué)生對發(fā)動機的實際操作經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)：

[1]柳洪潔，宋月鵬，馬蘭婷，等國內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀[J]教育教學(xué)論壇，2020（17）：124-126.

[2趙敬杰凈煙器結(jié)構(gòu)與造型設(shè)計研究[D]長春：長春工業(yè)大學(xué)，2021.

[3]楊遠(yuǎn)滿虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機拆裝實訓(xùn)的探索與實踐——以北京汽車技師學(xué)院為例[J]汽車維護與修理，2019（14）：18-20.

[4]高林虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬仿真實訓(xùn)中的應(yīng)用[J]科技資訊，2022（4）：177-180.

作者簡介：

王放，男，1970年生，副教授，研究方向為汽車改裝技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和職業(yè)教育。