一種汽車(chē)綜合性能試驗(yàn)的虛擬平臺(tái)方案

李鵬

摘要：針對(duì)汽車(chē)綜合性能試驗(yàn)在試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)場(chǎng)地、外界條件等方面存在的問(wèn)題，提出了一種以汽車(chē)駕駛模擬器代替實(shí)車(chē)、以軟件為主的綜合性能試驗(yàn)虛擬平臺(tái)方案。介紹了該平臺(tái)的工作原理、組成和功能。虛擬平臺(tái)可在試驗(yàn)室內(nèi)完成汽車(chē)加速、滑行、制動(dòng)以及燃油消耗等性能試驗(yàn)，解決現(xiàn)有實(shí)踐環(huán)節(jié)安全性差、易受天氣等外界條件干擾、成本高等問(wèn)題，從而達(dá)到提升學(xué)生的參與度和積極性、提高實(shí)踐教學(xué)效率的目的。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)駕駛模擬器;汽車(chē)綜合性能試驗(yàn);虛擬平臺(tái);車(chē)輛工程

中圖分類(lèi)號(hào)：G421 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）44-0145-03

汽車(chē)綜合性能試驗(yàn)是車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)必修實(shí)踐環(huán)節(jié)——綜合實(shí)習(xí)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其內(nèi)容涉及汽車(chē)滑行試驗(yàn)、制動(dòng)試驗(yàn)以及加速試驗(yàn)等，是對(duì)《汽車(chē)構(gòu)造》、《汽車(chē)試驗(yàn)學(xué)》等理論課程所講授內(nèi)容的實(shí)踐與驗(yàn)證[1，2]。通過(guò)該環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生掌握各種汽車(chē)性能測(cè)試儀器的實(shí)際操作過(guò)程、學(xué)會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析，從而提高對(duì)汽車(chē)性能的理解[3-6]。然而，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，由于受到試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)場(chǎng)地、天氣條件等方面不利因素的影響，實(shí)踐環(huán)節(jié)往往達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。

一、汽車(chē)綜合性能試驗(yàn)在實(shí)踐過(guò)程中存在的問(wèn)題

以南京林業(yè)大學(xué)車(chē)輛的汽車(chē)綜合性能試驗(yàn)為例，本文就實(shí)踐環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題分析如下。

1.試驗(yàn)設(shè)備——一方面，舊儀器操作簡(jiǎn)單、使用方便，學(xué)生可在較短時(shí)間內(nèi)掌握其原理和使用方法，但存在精度較低、抗干擾能力弱的問(wèn)題，一次試驗(yàn)往往進(jìn)行2～3次才能成功，這影響了教學(xué)效率、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度與準(zhǔn)確度;另一方面，新儀器精度高、功能全，如VBOX（Velocity Box）是一款基于GPS定位的綜合儀器，可完成車(chē)輛加速、制動(dòng)、燃油消耗等性能的測(cè)試，但這類(lèi)綜合功能的儀器存在功能多、原理復(fù)雜、使用相對(duì)不便等問(wèn)題，使學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)難以掌握其原理和使用方法。

2.試驗(yàn)場(chǎng)地——受限于大學(xué)校園的面積，一般無(wú)專(zhuān)用的試驗(yàn)場(chǎng)地，只能借助校內(nèi)道路開(kāi)展試驗(yàn)，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中存在較大的安全隱患。為了確保試驗(yàn)的安全開(kāi)展，試驗(yàn)過(guò)程中教師的參與度（車(chē)輛駕駛、試驗(yàn)儀器的操作主要由教師負(fù)責(zé)）遠(yuǎn)大于學(xué)生，導(dǎo)致學(xué)生參與積極性不高、動(dòng)手能力較弱，繼而影響了綜合性能試驗(yàn)的教學(xué)效果。

3.外界干擾——現(xiàn)有的試驗(yàn)全部是用實(shí)車(chē)在外場(chǎng)完成，這使得試驗(yàn)對(duì)外界因素的變化較為敏感，如天氣變化（雨雪天氣試驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展）等。

4.學(xué)生考核——因受試驗(yàn)場(chǎng)地和外界干擾的影響，現(xiàn)有試驗(yàn)多以小組的形式展開(kāi)。小組之間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均不相同，但各小組內(nèi)部共用一份數(shù)據(jù)。學(xué)生在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，存在相互抄襲的現(xiàn)象，這影響了實(shí)習(xí)考核的公正性。

5.試驗(yàn)成本——采用實(shí)車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)增加了實(shí)習(xí)成本，如車(chē)輛的維護(hù)成本、燃油消耗等。此外，試驗(yàn)過(guò)程中車(chē)輛的尾氣排放，會(huì)造成大氣污染等。

因此，如何在保證安全的前提下，高效、低成本、全天候的開(kāi)展綜合性能試驗(yàn)教學(xué)，是影響車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)習(xí)效率、質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

二、應(yīng)對(duì)措施與方案

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，本文提出基于試驗(yàn)室現(xiàn)有的汽車(chē)駕駛模擬器建立一套以軟件為主的汽車(chē)綜合性能試驗(yàn)虛擬平臺(tái)。該平臺(tái)主要包括汽車(chē)駕駛模擬器、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、核心計(jì)算模塊、可視化模塊和考核模塊（試驗(yàn)操作的規(guī)范性和數(shù)據(jù)處理的正確性）四部分。

（一）應(yīng)對(duì)措施

以汽車(chē)駕駛模擬器代替實(shí)車(chē)、以動(dòng)力學(xué)計(jì)算代替車(chē)輛狀態(tài)參數(shù)采集，將外場(chǎng)試驗(yàn)移至試驗(yàn)室，可以克服試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)場(chǎng)地、外界干擾和試驗(yàn)成本等方面存在的問(wèn)題。此外，在克服試驗(yàn)場(chǎng)地和外界干擾問(wèn)題的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)一人一組的試驗(yàn)方案。這樣學(xué)生之間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)各不相同，可以避免學(xué)生在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的抄襲現(xiàn)象。通過(guò)設(shè)計(jì)考核模塊，統(tǒng)一考核標(biāo)準(zhǔn)，保證考核過(guò)程的公正性。

（二）方案

1.虛擬平臺(tái)的工作原理。圖1為汽車(chē)綜合性能試驗(yàn)虛擬平臺(tái)的工作原理圖，其中駕駛模擬器替代實(shí)車(chē)，成為虛擬平臺(tái)的主要試驗(yàn)對(duì)象。根據(jù)駕駛員的操縱輸入，如方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、油門(mén)踏板行程等，實(shí)時(shí)計(jì)算車(chē)輛的狀態(tài)并呈現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集與處理模塊用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車(chē)輛狀態(tài)參數(shù)采集裝置，如光電式和雷達(dá)式車(chē)速傳感器等，完成車(chē)輛狀態(tài)參數(shù)、時(shí)間參數(shù)以及車(chē)輛操縱裝置位置與狀態(tài)信息的采集與處理，并將以上參數(shù)以數(shù)字量的形式傳輸給核心計(jì)算模塊;可視化模塊主要用于試驗(yàn)管理、數(shù)據(jù)管理以及車(chē)輛狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)呈現(xiàn);考核模塊負(fù)責(zé)錄入學(xué)生處理后的數(shù)據(jù)、試驗(yàn)規(guī)范性評(píng)價(jià)以及數(shù)據(jù)處理正確性考核;核心計(jì)算模塊是各模塊信息交互的中樞，可細(xì)分為車(chē)輛性能計(jì)算單元、數(shù)據(jù)管理單元以及通信單元三部分。其中車(chē)輛性能計(jì)算單元主要根據(jù)采集的車(chē)輛狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算車(chē)輛的加速、滑行、制動(dòng)等性能，數(shù)據(jù)管理單元主要實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量的狀態(tài)參數(shù)、間接測(cè)量的性能數(shù)據(jù)、各操縱裝置的位置與狀態(tài)參數(shù)以及學(xué)生處理后數(shù)據(jù)的存取，通信單元負(fù)責(zé)指令管理，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集與處理模塊。

2.虛擬平臺(tái)的構(gòu)成與功能。

（1）汽車(chē)駕駛模擬器。如圖2所示，汽車(chē)駕駛模擬器的駕駛室是實(shí)車(chē)駕駛室的簡(jiǎn)易版，裝有轉(zhuǎn)向盤(pán)、油門(mén)踏板、制動(dòng)踏板、檔位撥桿以及離合器等實(shí)車(chē)等效操作裝置，可以真實(shí)模擬實(shí)車(chē)駕駛。模擬器的動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)操縱輸入，實(shí)時(shí)計(jì)算車(chē)輛的狀態(tài)參數(shù)（包括位置、速度、加速度等），并通過(guò)視景系統(tǒng)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。駕駛員通過(guò)視景系統(tǒng)的視覺(jué)反饋來(lái)駕駛車(chē)輛行駛。

（2）數(shù)據(jù)采集與處理模塊。虛擬平臺(tái)是一種硬件在環(huán)的分布式仿真系統(tǒng)，汽車(chē)駕駛模擬器的計(jì)算單元（車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型、視景模型等）獨(dú)立于其他四個(gè)模塊，單獨(dú)運(yùn)行于上位機(jī)，其余模塊在下位機(jī)上運(yùn)行（圖1中的虛線(xiàn)框部分）。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（如Tcp-ip等）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)啟與關(guān)閉均由數(shù)據(jù)采集與處理模塊的觸發(fā)子模塊來(lái)控制，其中觸發(fā)子模塊接收和解析核心計(jì)算模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)采集觸發(fā)指令，根據(jù)指令要求來(lái)決定通信網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)啟與關(guān)閉。

（3）可視化模塊。可視化模塊是虛擬平臺(tái)人——機(jī)交互的主要接口。試驗(yàn)時(shí)，工作人員通過(guò)該模塊來(lái)選擇將要開(kāi)展的試驗(yàn)類(lèi)型（如制動(dòng)試驗(yàn)），向核心計(jì)算模塊發(fā)送試驗(yàn)開(kāi)始與結(jié)束的觸發(fā)指令;試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)、操縱裝置位置等試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理。此外，該模塊基于計(jì)算機(jī)圖像處理的方式（如OPENGL等）以圖、表來(lái)呈現(xiàn)，既可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)汽車(chē)駕駛模擬器的狀態(tài)參數(shù)（如車(chē)速等），又能對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。

（4）考核模塊。培養(yǎng)學(xué)生的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力是汽車(chē)綜合性能試驗(yàn)的其中一個(gè)目的?？己四K一方面提供交互界面，實(shí)現(xiàn)學(xué)生計(jì)算結(jié)果的錄入。另一方面，基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)習(xí)考核結(jié)果的管理，包括考核成績(jī)的保存、查詢(xún)、添加、刪除以及修改，歷史數(shù)據(jù)的查看與打印等。

（5）核心計(jì)算模塊。核心計(jì)算模塊是虛擬平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理、計(jì)算以及交換中樞。管理功能包括指令管理和試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理，其中前者根據(jù)可視化模塊的指令來(lái)調(diào)用相應(yīng)的性能試驗(yàn)子模塊，如加速性能試驗(yàn)子模塊，同時(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集與處理模塊，同步記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)和時(shí)間。后者主要負(fù)責(zé)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（包括時(shí)間）的存儲(chǔ)、查詢(xún)、修改以及刪除;計(jì)算功能主要是指性能參數(shù)的計(jì)算（如根據(jù)采集的加速時(shí)間和距離計(jì)算相應(yīng)的加速度等）、數(shù)據(jù)比對(duì)以及操作評(píng)價(jià)。通過(guò)將學(xué)生的處理結(jié)果與性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，完成對(duì)學(xué)生試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力的考核。通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)操作流程與學(xué)生實(shí)際操作流程和邏輯，來(lái)對(duì)學(xué)生操作的規(guī)范性進(jìn)行評(píng)價(jià);交換功能是指核心計(jì)算模塊與其他模塊之間的數(shù)據(jù)交互，如核心計(jì)算模塊負(fù)責(zé)接收考核模塊錄入的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，在進(jìn)行比對(duì)后，給學(xué)生的實(shí)習(xí)打分，并將成績(jī)反饋給考核模塊。具體數(shù)據(jù)交互參見(jiàn)圖1。

三、結(jié)語(yǔ)

本文基于試驗(yàn)室現(xiàn)有的汽車(chē)駕駛模擬器建立了一套使用安全、數(shù)據(jù)采集與處理精度高、抗外界干擾能力強(qiáng)、能全天候開(kāi)展汽車(chē)綜合性能試驗(yàn)的虛擬平臺(tái)方案。該平臺(tái)不僅能服務(wù)于車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的綜合實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，完成對(duì)汽車(chē)加速性能等試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備的認(rèn)知、試驗(yàn)過(guò)程與試驗(yàn)方法的熟悉，還能作為《汽車(chē)試驗(yàn)學(xué)》、《汽車(chē)?yán)碚摗返日n程的教學(xué)工具來(lái)使用，很好的將理論與實(shí)踐相結(jié)合，加深與鞏固了學(xué)生的課堂所學(xué)，提高了教學(xué)效率。

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