坦克裝甲車輛機動性虛擬仿真實驗設計與實現

李忠新， 韓立金， 馮慧華， 閆清東

（北京理工大學機械與車輛學院；地面機動裝備國家級實驗教學示范中心，北京100081）

0 引 言

信息技術的飛速發展正在深刻影響教育理念、教育模式和教育體制的發展變化［1-3］。虛擬仿真實驗教學作為目前先進的教學模式，是高校加強實驗實踐教學、提高實驗實踐教學質量的重要手段，已成為高校實驗教學改革與創新的研究熱點［4-5］。我校地面機動裝備國家級實驗教學示范中心，結合坦克傳動國防科技重點實驗室在裝甲車輛領域豐富的科研和教學成果，圍繞坦克裝甲車輛領域人才培養的需求，以“能實不虛、虛實結合”為原則，突出學科優勢與專業特色，開發建設了坦克裝甲車輛機動性虛擬仿真教學實驗。

1 虛擬仿真實驗建設背景與意義

坦克裝甲車輛機動性測試作為裝甲車輛工程專業的專業核心課程裝甲車輛設計的重要教學內容，是坦克裝甲車輛工程專業人才培養體系中占有重要的地位與作用?，F實教學中，高校坦克裝甲車輛機動性實驗受到3 方面制約：①坦克裝甲車輛屬于國家主要突擊武器裝備，機動性測試需要嚴格的審批；② 坦克裝甲車輛機動性測試具有一定的危險性，且實驗成本昂貴；③坦克裝甲車輛機動性測試需要專用的場地環境與條件，須在滿足長度、坡度等條件要求的專用試驗場進行。學生無法獨立、自主的進行實車測試，坦克裝甲車輛機動性實驗只能以演示、觀摩以及科研臺架模擬實驗為主，影響和制約了相關內容的教學效果。為了進一步提升實驗教學效果與實驗教學水平，并作為學校裝甲車輛工程專業示范實驗、結構實踐、虛擬仿真實驗、自主創新實踐等層級實踐教學體系的重要組成和補充完善，基于實際教學需求開發建設了坦克裝甲車輛機動性虛擬仿真實驗系統。坦克裝甲車輛機動性虛擬仿真實驗涵蓋了測試對象與實驗條件、車輛準備、實驗參數優化設計、性能指標測試、實驗數據分析處理等內容與環節，利用虛擬仿真手段重現了高仿真度的實驗環境與測試過程，并支持學生獨立自主地進行機動性實驗研究與探索。

2 虛擬仿真實驗教學平臺開發與體系建設

坦克裝甲車輛機動性虛擬仿真實驗基于坦克裝甲車輛行駛原理與動力學模型開展實驗設計與研究，采用目前比較主流的Unity 3D 作為開發引擎［6-7］，涵蓋了坦克裝甲車輛機動性及其評價、加速特性、動力性換擋規律、牽引特性、牽引力阻力平衡關系、轉向半徑與側滑的關系、雙流傳動轉向特征參數及行駛平順性共計8 個知識點。

2.1 虛擬仿真實驗總體流程設計

坦克裝甲車輛機動性虛擬仿真實驗總體流程如圖1 所示，主要包括實驗指導、測試對象與實驗條件、加速性能測試、最高車速測試、轉向性能測試、越野駕駛訓練等學習任務與測試內容。

圖1 坦克裝甲車輛機動性虛擬仿真實驗總體實驗流程

學生通過本地終端，遠程訪問服務器，進入虛擬仿真實驗系統，依次選擇相應的實驗內容，根據實驗流程以及系統的指導和提示，獨立完成相應實驗設計與操作。該系統不受時間和空間的限制，通過逼真的實驗場景重現，附以動畫、圖形文字介紹、聲光音效、深度互動等手段，讓學生身臨其境，深入淺出地掌握實驗相關原理、方法并對數據、問題進行分析處理。同時學生還可以根據自己的需要，對關鍵環節進行重復，直至掌握為止。

2.2 虛擬仿真實驗系統架構

坦克裝甲車輛機動性虛擬仿真實驗系統架構如圖2 所示。①前端系統：Web 前端負責系統全部的展示及邏輯功能。②后端系統：服務器系統負責記錄學生的操作行為及實驗數據結果等信息。③模塊管理器：管理各個功能模塊，并負責各個功能模塊的切換。④坦克車輛管理器：管理坦克裝甲車輛整車數據、模型、參數等。⑤零件及設備管理器：管理坦克裝甲車輛推進系統部件及相關測試儀器與設備等。⑥ 坦克裝甲車機動性能測試模塊：管理具體實驗測試內容，可以根據需要拓展增加，模塊化搭配各個實驗測試項目。

圖2 虛擬仿真實驗系統架構

2.3 虛擬仿真實驗主要功能模塊設計與實現

虛擬仿真實驗的實驗流程依據國軍標要求以及坦克裝甲車輛性能測試權威機構的試驗規范進行設計，并參考選用測試儀器設備，保證了實驗流程的真實性和科學性。虛擬仿真實驗基于經過驗證的坦克裝甲車輛行駛動力學模型［8-13］進行數據計算與仿真，仿真精度高，保證了實驗結果或結論的可靠性和有效性。虛擬仿真實驗，利用Physx物理引擎高效、逼真地模擬坦克裝甲車輛行進過程中的剛體碰撞、重力等物理效果，采用GPU粒子系統進行水花、煙霧等特效計算，增加了實驗場景與過程的真實感。這些措施，保證了虛擬仿真實驗的科學性和先進性，為學生提供了更多的知識獲取渠道，能夠有效地激發學生實驗興趣并提升綜合素質與能力養成［14-15］。圖3 所示為坦克裝甲車輛機動性虛擬仿真實驗的效果展示。

圖3 坦克裝甲車輛虛擬仿真實驗

（1）坦克裝甲車輛加速性能測試。學生進入坦克裝甲車輛加速性能測試模塊，首先需要依據牽引特性曲線進行換擋規律設計并完成不同換擋策略下的加速性能測試；在前面實驗內容基礎上，還需要依據加速度特性曲線進一步優化設計換擋規律并結合油離配合完成加速性能測試，如圖4、5 所示。加速度特性曲線在牽引特性曲線的基礎上進一步考慮了旋轉質量增加系數等因素，揭示了加速度和牽引力的關系。

圖4 加速性能測試

圖5 換擋規律優化設計測試數據

（2）坦克裝甲車輛最高車速測試。實驗過程中，利用虛擬仿真實驗條件，依據牽引力、阻力平衡曲線，綜合考慮牽引力、阻力特性進行實驗測試以及數據分析獲得特定條件下的最高車速。學生需要思考完成兩項測試內容：①根據牽引力、阻力平衡曲線，已知地面阻力，通過實驗測試確定等速行駛時坦克的排擋和車速；②已知排擋和車速，通過實驗測試確定坦克等速行駛能克服的地面阻力，如圖6 ～8 所示。

圖6 最高車速測試思考答題

圖7 最高車速影響因素分析設計

圖8 不同參數下最高車速測試

（3）坦克裝甲車輛轉向性能測試。轉向性能測試實驗中，學生在方向盤轉角已定條件下，設計油門開度參數，依次完成中心轉向參數設計與測試。在擋位與發動機轉速已定條件下，設計方向盤轉角參數進行行駛轉向測試，如圖9、10 所示。

圖9 坦克裝甲車輛轉向測試方案設計

圖10 行駛轉向性能測試

（4）坦克裝甲車輛越野性能測試。學生需要首先熟悉利用鍵盤鼠標進行坦克裝甲車輛的啟動、換擋、行駛、轉向、停車等操作，操作熟練后可通過鍵鼠配合操作進行越野駕駛訓練，通過典型路況下的綜合駕駛訓練，分析坦克裝甲車輛的行駛平順性，如圖11 所示。

圖11 越野駕駛訓練

2.4 虛擬仿真實驗教學方法

（1）循序漸進引導與自主研究探索相結合。虛擬仿真實驗系統中，提供了開放的實驗環境與條件，可以開展多種類型和層次的虛擬仿真實驗。采用了多種靈活方式實時向學生提供實驗指導，并在提供基礎內容與操作指導的同時，設計了需要學生自主思考完成的內容，通過循序漸進引導與自主研究探索相結合進一步提升了學生實驗過程的參與度與主動性，從而提高了實驗教學實施成效。

（2）線上虛擬實驗與線下總結研討相結合。虛擬仿真實驗采用線上虛擬實驗以及數據分析處理與線下分析總結研討相結合的實驗教學模式，保證實驗完整性的同時，實現了學生獨立完成實驗和團隊交流研討的完整性。

（3）趣味性與學術性相結合。虛擬仿真實驗在內容展示、操作、實現等方面，在尊重學術、技術規律與特點的基礎上，采用了多種形式與手段，加強了實驗的趣味性；在實驗策劃設計中應用了部分科研成果提升了實驗的學術性，從而實現了趣味性與學術性的統一，提高了學生實驗興趣，并進而提升了實驗質量與效果。

3 虛擬仿真實驗教學平臺特色

（1）依托信息化技術的先進手段與技術優勢，采用線上線下教學相結合的模式，實現了理論教學和實驗教學有機結合、循序漸進引導與自主研究探索相結合、線上實驗與線下總結研討相結合、趣味性與學術性相結合的有機統一，大幅提升了實驗教學成效。

（2）以學生實驗學習產出為核心目標，構建了包括虛擬實驗主要操作在線評價、實驗相關基礎知識和知識點掌握情況評價、實驗報告評價在內的線上線下綜合評價體系，能夠更加科學、全面地對學生的實驗學習效果進行評價。

（3）對傳統實驗教學進行了延伸與拓展。① 虛實結合，虛擬仿真實驗與坦克駕駛實習等教學環節互補以及共同作用，拓展了裝甲車輛創新、自主實驗的教學內容。②開放設計，實驗內容柔性模塊化，可靈活地組織實驗內容，并借助虛擬實驗手段與技術優勢，引導自主實驗，提升了虛擬實驗的學習產出。③教學科研緊密結合，將部分科研成果應用于實驗教學，增加研究型實驗，提高了虛擬實驗的學術性。④ 軍民融合，與坦克研發測試相關單位共建共享，拓展了虛擬實驗的應用面。

4 結 語

坦克裝甲車輛機動性虛擬仿真實驗，為學生提供了自主研究探索的開放實驗條件與環境，學生通過實驗掌握坦克裝甲車輛機動性試驗條件、測試儀器設備、測試原理和方法以及試驗數據處理和分析方法，了解我國獨立自主研發的坦克裝甲車輛技術和性能的發展進步，并進一步提高學生服務國防的意識和愛國主義情懷。坦克裝甲車輛機動性虛擬仿真實驗，已認定為2019 年北京市級虛擬仿真實驗教學項目，目前處于國家級虛擬仿真實驗教學項目評審階段。