秦彩寧 夏美藝 李恒賓 黃偉 青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院

關(guān)健詞：VR技術(shù) 新能源 電動(dòng)汽車 高職高專 教學(xué)改革

一、研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)稱VR，全稱“Virtual Reality”,是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)造的虛擬新世界，它綜合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、光電成像、融合顯示、多傳感器、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺等多門學(xué)科，創(chuàng)造出一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及教育、軍事、工業(yè)生產(chǎn)、藝術(shù)與娛樂、醫(yī)療、城市規(guī)劃、科學(xué)計(jì)算可視化等領(lǐng)域。VR技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于各種科學(xué)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的先進(jìn)特性使得該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)的模擬仿真研究中,并切實(shí)有效地指導(dǎo)了生產(chǎn)實(shí)踐。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不遠(yuǎn)的將來(lái)就會(huì)應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域,它與網(wǎng)絡(luò)、多媒體將并稱為 21 世紀(jì)最具應(yīng)用前景的三大技術(shù)。

在國(guó)內(nèi)，已有一些應(yīng)用，例如：基于激光VR視覺重構(gòu)和圖像修復(fù)，對(duì)已損古建筑進(jìn)行三維重現(xiàn)技術(shù)，并采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)古建筑完整成像；將VR技術(shù)引入到網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物，并提出利用VR+服裝網(wǎng)購(gòu)方式讓消費(fèi)者對(duì)服裝有更直觀的了解，從而提高消費(fèi)者購(gòu)物體驗(yàn)；基于VR技術(shù)的船舶駕駛模擬仿真系統(tǒng)，通過船舶駕駛仿真系統(tǒng)不斷提高船員的操作水平；將VR技術(shù)與電影進(jìn)行媒介融合一定會(huì)超越以往技術(shù)上的突破，為電影業(yè)帶來(lái)新一輪革命；針對(duì)電力高空作業(yè)人員由于視覺信息發(fā)生變化以及心理上的不合理信念，產(chǎn)生恐高的問題，提出將VR技術(shù)應(yīng)用于恐高癥的治療，以提高電網(wǎng)運(yùn)行安全性等等。

VR技術(shù)現(xiàn)在已逐漸在課堂教學(xué)中應(yīng)用，汽車專業(yè)學(xué)生可以通過VR技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬、車身內(nèi)外飾體驗(yàn)仿真以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、汽車零配件的裝配以及安全模擬等；旅游專業(yè)學(xué)生課堂教學(xué)通過引入VR技術(shù)能讓學(xué)生不用千里跋涉就可以更加身臨其境地欣賞世界各地的旅游景點(diǎn)及名聲古跡；機(jī)電專業(yè)學(xué)生可以通過VR技術(shù)認(rèn)知了解某一三維物體的構(gòu)造。

在國(guó)外，VR技術(shù)與課程融合的案例有很多，如創(chuàng)新手術(shù)學(xué)習(xí)課程、3D解剖課程、電力變壓器操作課程、飛機(jī)維修技術(shù)的培訓(xùn)課程、自閉癥譜系障礙的培訓(xùn)課程、物流全球虛擬團(tuán)隊(duì)教學(xué)工具等等。

研究分析目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用成果后，感覺還存在一些不足，理想的VR體驗(yàn)需要融合人的所有感知，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺等。由于技術(shù)原因，目前大部分VR設(shè)備只包括視覺和聽覺，包括所有感知的VR短期內(nèi)還不能實(shí)現(xiàn)。

鑒于以上情況，在汽車專業(yè)教學(xué)中，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將汽車各零件的構(gòu)成、分解、檢驗(yàn)、調(diào)整、拆卸以及裝配等結(jié)合在一起，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可使學(xué)生實(shí)訓(xùn)的培養(yǎng)時(shí)間有效地縮短, 減少教學(xué)實(shí)習(xí)場(chǎng)地與訓(xùn)練器材等所投入的費(fèi)用，同時(shí)在很大程度上也使教師工作量得到了減少, 有利于最大經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益的實(shí)現(xiàn)。

二、研究?jī)?nèi)容和方案

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與信息技術(shù)的快速發(fā)展,市場(chǎng)需求對(duì)于汽車維修教學(xué)的要求也不斷增加和提 高,而如何培養(yǎng)高技術(shù)人才也成為了當(dāng)前汽車工程教學(xué)所研究的一個(gè)重要課題。在教學(xué)中,若缺乏相應(yīng)的實(shí)戰(zhàn)練習(xí),無(wú)法實(shí)現(xiàn)學(xué)生基本技能訓(xùn)練操作的提高；如果每個(gè)環(huán)節(jié)都采取實(shí)地練習(xí),勢(shì)必會(huì)加大教學(xué)成本,也沒有相應(yīng)的訓(xùn)練場(chǎng)地。因此，對(duì)于學(xué)校而言，解決教學(xué)和實(shí)訓(xùn)困難也是當(dāng)前面臨的一個(gè)主要難題。

1.研究?jī)?nèi)容

根據(jù)課題中“VR+教育”在汽車教學(xué)方面的需求，用虛擬建模的方式，開發(fā)一套VR軟件，借助手柄、VR 頭盔等，實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬物體的交互操作。包括汽車零件的拆卸、裝配等。因此在研究中擬解決兩個(gè)問題：

車內(nèi)某些機(jī)械零部件和電氣線路安裝的位置隱蔽，學(xué)習(xí)者對(duì)新能源電動(dòng)汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣組成的認(rèn)知存在不確定性。

電能如何轉(zhuǎn)換、分配，電流如何流動(dòng)、動(dòng)力如何傳遞等抽象、難以理解的問題。

基于以上問題，首先擬在課程教學(xué)過程中引入VR技術(shù)，利用頭盔、手柄、油門踏板等裝置；其次，可讓體驗(yàn)者按動(dòng)或觸摸某個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置后，輔助裝置將發(fā)出信號(hào)，并以電路運(yùn)行的模擬演示形式，讓體驗(yàn)者感知該段線路或裝置的電路走向等。另外，增設(shè)聽覺功能，除有正常的啟動(dòng)、剎車、行駛等聲音外，還可模擬風(fēng)、雨、雪等不同天氣狀況下的各種響聲，以增強(qiáng)體驗(yàn)者安全駕駛的意識(shí)。

2.工作方案

在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過對(duì)電動(dòng)汽車在不同工況下動(dòng)力傳遞的過程進(jìn)行研究分析，結(jié)合課程的教學(xué)過程，利用專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)編程軟件進(jìn)行交互軟件系統(tǒng)的開發(fā)，至少可分為九個(gè)步驟：

(1）確定需求：首先確定汽車拆裝虛擬現(xiàn)實(shí)資源的需求，比如是整車的拆裝或者是汽車零部件的詳細(xì)拆裝等等。

(2）建立模型：根據(jù)所確定的汽車拆裝虛擬現(xiàn)實(shí)資源的需求，便可進(jìn)行相應(yīng)模型的制作，如使用需求為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝，則模型可制作成只含有發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車等。

(3）導(dǎo)入模型：模型建立完成后，將制作好的模型導(dǎo)入專業(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)編程軟件中，觀察是否有問題或無(wú)法導(dǎo)入等情況。

(4）搭建場(chǎng)景：汽車拆裝虛擬現(xiàn)實(shí)資源所需的模型均導(dǎo)入成功，則可進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的搭建，在專業(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)編程軟件中需要注意調(diào)整相機(jī)的位置、高度以及方向等參數(shù)。

(5）選擇終端：場(chǎng)景搭建完畢后，需進(jìn)行最終使用終端的確定，如確定在HTC VIVE環(huán)境中進(jìn)行汽車拆裝虛擬現(xiàn)實(shí)資源的使用，則需下載HTC VIVE相關(guān)SDK并針對(duì)起硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，一旦確定終端后，其他終端無(wú)法共享使用。

(6）編寫功能：編寫代碼進(jìn)行相關(guān)交互操作功能的編寫，例如想讓汽車的車門在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可抓取，則需編寫相關(guān)代碼進(jìn)行控制。

(7）運(yùn)行測(cè)試：運(yùn)行編寫好的程序，進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試，保證程序的可靠性。

(8）發(fā)布原型：程序無(wú)問題后可進(jìn)行發(fā)布使用。

(9）修改完善：發(fā)布的程序后如有更新、問題、不足等，需重新對(duì)程序進(jìn)行修改、運(yùn)行、發(fā)布操作，直至程序達(dá)到預(yù)期效果。

三、研究的創(chuàng)新點(diǎn)

1.學(xué)生與虛擬場(chǎng)景的虛擬交互體驗(yàn)

采用精確的跟蹤系統(tǒng)，跟蹤精度高，跟蹤范圍廣，實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互體驗(yàn)，打造全新虛擬體驗(yàn)?zāi)Ｊ?。學(xué)生與虛擬場(chǎng)景的交互借助交互硬件實(shí)現(xiàn)。如手柄、VR 頭盔等。當(dāng)學(xué)生做出自然生活中的動(dòng)作，如轉(zhuǎn)頭、拾取、行進(jìn)時(shí)，對(duì)應(yīng)功能區(qū)中特定的虛擬場(chǎng)景或虛擬物體應(yīng)識(shí)別人的動(dòng)作, 并呈現(xiàn)符合邏輯規(guī)律的改變。

2.極強(qiáng)的沉浸感和真實(shí)感

采用具有真實(shí)感的實(shí)時(shí)渲染引擎，完全模擬真實(shí)場(chǎng)景，效果逼真，沉浸感強(qiáng)，真實(shí)感強(qiáng)。電路工作過程這一虛擬場(chǎng)景的交互及實(shí)現(xiàn)，將電動(dòng)汽車在不同工況下動(dòng)力傳遞過程用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行可視化，從而讓學(xué)生對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力傳遞的過程有更為深刻地認(rèn)識(shí)。