基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的汽車類虛擬仿真實驗項目構(gòu)建與實施

周錫恩 韋國耀 毛彩云 吳秋怡 張兆宇

摘 ?要 針對當前實物實驗存在的一些問題，分析在汽車類實驗項目中開展虛擬仿真實驗的現(xiàn)實意義。介紹如何通過引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建汽車類虛擬仿真實驗項目，彌補實物實驗不足的方法，為有志于構(gòu)建虛擬仿真實驗項目的教師提供參考。

關(guān)鍵詞 汽車類虛擬仿真實驗;虛擬現(xiàn)實技術(shù);實物實驗;車輛工程專業(yè)

中圖分類號：TP391.9 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）16-0029-03

Construction and Implementation of Vehicle Virtual Simulation Experiment Project based on Virtual Reality Technology//ZHOU Xien， WEI Guoyao， MAO Caiyun， WU Qiuyi， ZHANG Zhaoyu

Abstract Aiming at some problems existing in the current physical experiment， the practical significance of virtual simulation experi-ment in the automobile experiment project is analyzed. This paper introduces how to make up for the shortcomings of the physical experiment by introducing virtual reality technology to construct the automobile virtual simulation experiment project， which provides a useful reference for teachers who are interested in constructing the virtual simulation experiment project.

Key words vehicle virtual simulation experiment; virtual reality technology; physical experiment; vehicle engineering

1 前言

2018年，教育部在示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)工作的基礎(chǔ)上進一步深化和拓展，開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)工作，目的是進一步推動實驗教學信息化，更新實驗教學理念，改進實驗教學的方式、手段，拓展實驗教學內(nèi)容，延伸實驗教學空間，解決當前傳統(tǒng)實驗教學中實驗手段單一、實驗內(nèi)容限制過多、高風險高投入實驗難以開展等問題。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR技術(shù)）作為新興的信息融合技術(shù)，因其具有較好的沉浸性、構(gòu)想性以及交互性，廣泛應(yīng)用在虛擬仿真技術(shù)中，尤其在虛擬仿真實驗教學項目中的應(yīng)用具有獨特優(yōu)勢[1-2]，目前許多高校虛擬仿真教學項目的構(gòu)建都采用VR技術(shù)。

2 虛擬仿真實驗課程建設(shè)的意義

2018年12月，某大學科研實驗室發(fā)生爆炸，造成三名參與實驗的研究生不幸遇難，實驗室安全問題擺在大眾面前。由于高校實驗室類型繁多，各種儀器設(shè)備以及危化品多，而進行研究的學生每年都在變化，往往操作人員不固定，對儀器設(shè)備和實驗對象不夠熟悉，導致安全事故時有發(fā)生。但是并不能因為安全事故的發(fā)生，就放棄一些高風險實驗項目，而是應(yīng)尋找一種更優(yōu)的方法。除了做好實驗室安全管理工作外，還要對學生進行安全培訓。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，許多問題迎刃而解。高?？梢园岩恍└唢L險實驗項目設(shè)計成虛擬仿真實驗項目，在進行實物實驗之前，讓學生先進行虛擬仿真實驗。在虛擬仿真實驗中出現(xiàn)錯誤或危險操作時，利用其聲、光、電等形式提醒學生注意，著重讓學生養(yǎng)成良好的實驗行為習慣以及規(guī)范的操作流程。學生只有在虛擬仿真實驗中達到一定要求后才能進行實物實驗，將大大降低實驗事故的發(fā)生率和提高實驗的成功率。

除了一些高風險實驗外，一些高消耗高投入的實驗項目也可轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗，不僅能夠擴充實驗內(nèi)容，延伸實驗空間，還能節(jié)省成本，降低實驗風險，對增強教學效果、提升學生培養(yǎng)質(zhì)量具有較為明顯的作用。

車輛工程專業(yè)的許多實驗項目如汽車碰撞實驗等存在高投入、高風險的特點，難以在實驗室進行。虛擬仿真實驗提供了有效的解決辦法，因此有必要根據(jù)教學實際，開展汽車類虛擬仿真實驗項目。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為新興技術(shù)，其綜合了圖像處理、模式識別、傳感技術(shù)、多媒體技術(shù)等[3]，應(yīng)用在虛擬仿真教學中具有較好的交互性，是傳統(tǒng)虛擬仿真技術(shù)的進一步深化，能夠進一步激發(fā)學生學習的主動性、積極性，提高學生的認知能力[4]。因此，本文介紹采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)汽車類虛擬仿真實驗項目，推動實驗教學改革。

3 虛擬仿真實驗項目建設(shè)目標及技術(shù)路線

目前，車輛工程專業(yè)主要的專業(yè)實踐課程包括“汽車構(gòu)造實驗”“汽車電控技術(shù)實驗”“汽車檢測與診斷實驗”“汽車拆裝實習”“汽車電器綜合實習”。這幾門實踐課程基本上都是演示性和驗證性實驗，缺少綜合性、設(shè)計性等實驗，難以提高學生的創(chuàng)新思維能力和動手操作能力。一些諸如底盤測功、發(fā)動機測功等實驗項目，由于設(shè)備昂貴、臺套數(shù)少，而且具有一定的風險性，一般采用演示性實驗，學生得不到實操鍛煉。此外，發(fā)動機以及變速箱的拆裝實習，臺套數(shù)雖然可以滿足學生分組進行拆裝，但是由于學生對其認識不深，在拆裝過程中常常出現(xiàn)錯誤，導致發(fā)動機以及變速箱經(jīng)過一定次數(shù)的拆裝后損耗嚴重，直接影響學生實習效果。為此，通過梳理實踐課程中難以讓學生有效進行操作以及實操效果不理想的實踐項目加以虛擬化，使學生進行虛擬實驗或者在虛擬實驗后進行實物實驗，提高學生的動手能力。

在虛擬仿真實驗項目開發(fā)過程中選取部分工作，如實物建模等，以項目或課程設(shè)計的形式安排學生分組進行，讓學生在設(shè)計實驗項目的過程中積極思考，深化對理論知識的認識，提高創(chuàng)新思維能力。整個虛擬仿真實驗項目的建設(shè)遵循圖1所示技術(shù)路線。

4 虛擬仿真實驗內(nèi)容的設(shè)計與構(gòu)建

實訓項目內(nèi)容設(shè)計要緊扣實物實驗，最大限度貼近實物實驗，同時可在實物實驗的基礎(chǔ)上進一步深化。下面以汽車拆裝實習項目作為案例，說明實訓內(nèi)容的設(shè)計及構(gòu)建過程，如圖2所示。

虛擬仿真實驗?zāi)_本編寫 ?確定實驗項目后，對整個實驗如何開展進行文字描述即腳本編寫，包括實驗過程的整個流程，作為后續(xù)的實驗具體內(nèi)容構(gòu)建的藍本。表1所示為部分實驗分解腳本案例。

實物建模 ?主要建立實驗對象的虛擬模型。汽車拆裝實習中主要是對發(fā)動機、變速箱以及底盤其他部件進行拆裝，學生無法實現(xiàn)從整車中把相關(guān)部件拆卸下來。而作為虛擬仿真實驗，可以實現(xiàn)從整車到零部件的拆裝練習。因此，在建立實物模型時不僅建立發(fā)動機及底盤等相關(guān)模型，而且可以建立整車模型，使學生能夠從整體上對汽車有更全面的認識。在建立實物模型時，首先建立各個汽車總成的模型，然后通過交互設(shè)計，根據(jù)約束條件構(gòu)建整車模型。

環(huán)境構(gòu)建 ?主要是構(gòu)建虛擬的實驗室工作環(huán)境，包括實驗室的具體布置、拆裝臺的設(shè)置和工具箱及其工具的擺放等，使整個虛擬仿真實驗過程能夠貼近實際，具有更好的交互性。實驗室環(huán)境的布置要按照實驗室建設(shè)標準進行設(shè)計，包括安全管理守則的懸掛、警示標志的粘貼以及實驗空間的比例等，盡可能給學生虛擬出較為真實的環(huán)境，使學生更加認真對待虛擬仿真實驗，形成良好的實驗習慣。

交互設(shè)計 ?按照實驗?zāi)_本，通過渲染端進行約束裝配、拆卸和動畫模擬等。這部分比較關(guān)鍵，實驗整個流程以及操作步驟是否正確取決于交互設(shè)計，設(shè)計人員要非常熟悉實驗的流程和相關(guān)步驟，因此，交互設(shè)計過程需要反復設(shè)計與驗證，不斷地完善。

模型的建立是個復雜的過程，需要根據(jù)實物的具體參數(shù)建立模型。目前，大部分是利用CAD或SolidWorks軟件建立模型[5]。如果每個模型都需要通過測量參數(shù)重新建立，將耗費大量時間，可以通過校企合作的方式，或者利用現(xiàn)有模型進行二次開發(fā)。本文采用校企合作的方式，通過引入虛擬現(xiàn)實仿真實驗系統(tǒng)，利用已有的資源庫進行二次開發(fā)。該系統(tǒng)能夠直接利用其自帶的軟件進行建模，也可以通過SolidWorks等軟件先建模，然后導入該系統(tǒng)中再進行交互設(shè)計和渲染，可以較快地構(gòu)建所需的實驗項目，大量節(jié)省開發(fā)時間。

5 虛擬仿真實驗的實施

虛擬仿真實驗項目構(gòu)建完成后，為使學生快速掌握實驗方法，需要編寫實驗指導書。指導書的內(nèi)容應(yīng)包括實驗?zāi)康?、實驗要求、實驗軟硬件介紹、實驗內(nèi)容、具體的操作步驟以及實驗效果評價等。在進行虛擬仿真實驗時，學生閱讀指導書，按照實物實驗的實驗要求進行實習前預(yù)習，主要是對實驗原理、實驗內(nèi)容、軟硬件的使用進行預(yù)習，以便能夠更加順利地完成實驗項目。

實驗時，學生帶上虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的外部設(shè)備，包括操作手柄、3D光學追蹤眼鏡等進行操作，將置身于虛擬現(xiàn)實環(huán)境，猶如身臨其境進行實物實驗。

學生進入實驗界面后首先進行模式選擇，包括“學習模式”“練習模式”和“考核模式”。在學習模式中，系統(tǒng)會自動選取工具并進行連貫的拆裝演示，學生可以通過觀看演示過程，學習操作步驟。在練習模式中，學生需要自行選擇拆裝工具，按照正確的步驟進行拆裝練習;當步驟錯誤或者選擇的零部件錯誤時將不能進行拆裝，學生可以重新選取合適的工具和零部件。在考核模式中，學生的評價只有“通過”和“不通過”兩種。當學生正確選擇工具并按照正確的步驟完成拆裝，則通過考核;若工具選擇錯誤，可以重新選擇工具;若拆裝步驟錯誤，考核不通過，需要重新進行練習和考核。

6 結(jié)語

虛擬仿真實驗?zāi)軌蛴行Ы鉀Q當前實驗課程所面臨的一些問題，尤其是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬仿真實驗，具有更好的交互性和真實性，更加貼近實物實驗。學生可以通過虛擬仿真實驗替代部分實物實驗，也可以先進行虛擬仿真實驗，再進行實物實驗，提高實驗的成功率以及減少設(shè)備的損耗。在構(gòu)建虛擬仿真實驗的同時，需要建立與之相適應(yīng)的教學方法，才能更好地發(fā)揮虛擬仿真實驗的優(yōu)勢。

參考文獻

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