編者按：隨著虛擬樣機以及虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，在汽車行業(yè)引起了一場革命，本文把虛擬樣機技術與虛擬現(xiàn)實技術應用到車輛的性能試驗中來，設計了汽車虛擬試驗系統(tǒng)，并以汽車的操縱穩(wěn)定性試驗為例進行了開發(fā)研究，結(jié)果證明，配合虛擬儀表以及虛擬環(huán)境，虛擬試驗突破了原有仿真曲線等評價的不足，通過立體視覺設備，人可以沉浸到環(huán)境中來，以閉環(huán)的方式體驗車輛的性能，突破了目前車輛性能評價的方式。
1、引言
虛擬樣機技術以及虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)，改進了傳統(tǒng)汽車設計以及試驗的方法。利用虛擬樣機技術設計的數(shù)字化汽車同復雜多變的虛擬試驗環(huán)境結(jié)合起來，用真實駕駛員進行仿真駕駛，以視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境的沉浸、交互感，人——車——環(huán)境融為一體，可直接感受汽車的振動、傾斜、噪聲等效果，無危險和損壞進行碰撞、翻傾等極限試驗,改進了抽象的數(shù)值曲線仿真，突破了難以用數(shù)學模型來表達的錯綜復雜的駕駛員感受與反應等問題,在設計的早期及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題，進行調(diào)整修正、實現(xiàn)優(yōu)化，具有節(jié)省資金、可重復性、無風險性等優(yōu)點。典型的例子有：克萊斯勒新型汽車開發(fā)周期由36個月縮短至24個月，福特公司也在1999年底宣布開發(fā)出了全數(shù)字化轎車。奔馳汽車公司1998年之前已經(jīng)完成了數(shù)字化轎車樣機，并實現(xiàn)了較強的虛擬現(xiàn)實技術，可在設計階段對轎車的總體性能匹配和車身系統(tǒng)布置設計等進行直觀、全面的仿真分析、評價和改進。
因此本文在查閱大量資料的基礎上，進行了汽車虛擬試驗系統(tǒng)的設計，并以操縱穩(wěn)定性試驗為例進行了開發(fā)，經(jīng)實際試驗與虛擬試驗對比，虛擬試驗比傳統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)處理具有更好的效果，人——車——環(huán)境融為一體，為研究車輛閉環(huán)系統(tǒng)提供了一個嶄新的方法。下面進行詳細介紹。
2、系統(tǒng)結(jié)構設計
汽車虛擬試驗系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，在設計時遵循先進性、開放性、可靠性等基本原則，基于面向?qū)ο蟮脑O計思想，采取層次化、模塊化、標準化的設計方法，使系統(tǒng)在保持功能實現(xiàn)的前提下，達到結(jié)構的合理化。
汽車虛擬試驗系統(tǒng)主要由輸入模塊、虛擬試驗模塊以及輸出模塊三部分組成，如圖1所示。把汽車模型導入到虛擬環(huán)境中，根據(jù)用戶的輸入控制命令，對汽車模型進行運動學、動力學分析，利用分析數(shù)據(jù)在虛擬場景中“虛擬再現(xiàn)汽車試驗過程”，用戶通過各種傳感器感受并體驗該車的性能，得出性能的評價，根據(jù)評價進行修改模型參數(shù)，該過程可不斷重復，進行汽車參數(shù)的修改，直至汽車獲得最優(yōu)性能。下面對其進行簡單描述。
系統(tǒng)框架結(jié)構圖
1. 輸入模塊：主要是提供車輛、地面參數(shù)化模型等信息的輸入，在該模塊中，也可輸入實車試驗的數(shù)據(jù)，用于與虛擬試驗比較。
2. 虛擬試驗模塊：主要由動力學分析模塊，接口模塊以及虛擬試驗運行模塊，動力學分析模塊主要是根據(jù)車輛的參數(shù)化模型、駕駛員的行為實時計算車輛的性能參數(shù)，為虛擬試驗模塊提供仿真數(shù)據(jù)，虛擬試驗運行模塊主要是為用戶提供逼真的虛擬試驗環(huán)境，實現(xiàn)虛擬車輛在試驗過程中的各種狀態(tài)變化并將該信息反饋給用戶。接口模塊將車輛實時仿真運算部分、虛擬運行環(huán)境部分、傳感器等接口設備以及用戶有機連接成一體。
3. 性能評價模塊：在該模塊中，用戶綜合考慮不同工況下虛擬試驗的各種感覺體驗，對車輛的性能進行評價，根據(jù)評價結(jié)果修改車輛模型的參數(shù)，進行優(yōu)化設計。該方法突破了以往評價標準難以建立、指標很難確定、可視化差等不足。在該模塊中，也可對虛擬試驗與實車試驗的進行對比，根據(jù)差別對車輛模型進行修正。
(a) 側(cè)偏位移變化
(b)方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)向加速度的變化
圖2 單移線試驗主要參數(shù)的變化軌跡
圖3 虛擬單移線試驗過程中的仿真場景與虛擬儀表變化
3、虛擬試驗系統(tǒng)的開發(fā)實例
作者以操縱穩(wěn)定性的虛擬試驗為例進行了開發(fā)。首先利用ADAMS/Car軟件建立汽車的數(shù)字化虛擬樣機，并對其進行了操縱穩(wěn)定性仿真分析，虛擬試驗環(huán)境采用WTK（WorldToolKit）以及Visual C++實現(xiàn)，虛擬儀表部分采用NI公司的ComponentWorks組件實現(xiàn)。把動力學分析的仿真數(shù)據(jù)傳送到虛擬環(huán)境中來形象、逼真的實現(xiàn)試驗，通過虛擬儀表來準確的顯示數(shù)據(jù)的變化情況。采用人機交互技術，使用戶不僅有視覺感官上的體驗，還可以通過AGC---Viewer G立體觀測系統(tǒng)，沉浸到虛擬試驗環(huán)境中，真正體驗汽車性能，從而進行汽車性能評價。
下面以車輛的操縱穩(wěn)定性閉環(huán)試驗中的單移線試驗為例進行說明，利用ADAMS/Car,作者建立了某汽車的數(shù)字化模型,并根據(jù)單移線試驗方法（如軌跡、速度等）設計了控制文件，在車輛動力學仿真過程中，該文件控制車輛使其沿著規(guī)定的路線行駛，然后從仿真分析結(jié)果中提取操縱穩(wěn)定性的主要特征參數(shù)（如方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度，側(cè)傾角和側(cè)向加速度等）的數(shù)據(jù)，配合單移線試驗的場景來動態(tài)觀察車輛本身以及參數(shù)的變化。為使用戶精確的知道汽車運動過程中的具體參數(shù)變化，增加了虛擬儀表的功能，利用虛擬儀表來配合虛擬場景，動態(tài)顯示汽車在仿真過程中各個參數(shù)的變化。為更加逼真的實現(xiàn)場景的沉浸感，開發(fā)了雙視口的立體場景顯示效果，通過AGC--ViewerG立體觀測系統(tǒng)，可沉浸在虛擬的試驗場景中，感覺、體驗試驗過程。圖2為動力學仿真分析結(jié)果（速度為100km/h），圖3為虛擬單移線試驗過程中的仿真場景與虛擬儀表變化。
4、小結(jié)
隨著虛擬樣機以及虛擬現(xiàn)實技術在汽車行業(yè)的應用與發(fā)展，在汽車的設計與試驗研究方面取的了很大的發(fā)展。采用多體系統(tǒng)動力學分析軟件獲取車輛性能參數(shù)，虛擬實現(xiàn)車輛性能的試驗系統(tǒng)，可完全實現(xiàn) “室內(nèi)虛擬試驗”，是未來虛擬樣機系統(tǒng)的擴展，通過連接一些控制設備，與虛擬場景相結(jié)合，可使用戶感覺到汽車的振動、側(cè)偏、側(cè)傾等運動，可以把人的主觀感受加入到評價車輛性能中來，具有很強的實際意義。隨著計算機、圖像技術、傳感器等技術的發(fā)展，汽車虛擬試驗技術具有良好的發(fā)展前景。
參考文獻
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