2015/12/21 16:22:36 基于虚拟现实的汽车仿真实验系统平稳定的设计与研究

汽车虚拟试验的特点

   虚拟试验不仅可以作为真实试验的前期准备工作,而且可以在一定程度上替代传统的试验。和传统试验相比它具有以下优点:

   (1)可重复性采用虚拟样机代替实物试验,可以非常灵活地改变试验参数和试验条件反复试验,试验不受场地,时间和次数的限制;

   (2)节省经费虚拟试验只需在可重复使用的模型上进行,所花费的成本比在实际产品上作试验低得多;

   (3)安全可靠模型试验可以避免真实试验的危险性和危害性,科学试验中很多试验不仅是花费大,也存在很大的潜在危险,尤其是探索性的试验,如汽车碰撞试验;

(4)可控性好现实中一些高难度试验,涉及的参数多,或者环境复杂,或者费时费力,试验条件不容易控制,采用虚拟试验就可以人为的设计和灵活的改  

(5)可重现性虚拟试验只要条件一样,完全可以重现整个过程和结果,因此,对于一些危害性和危险性大的试验,可以反复进行并观察分析每一细节。如对汽车发动机进行虚拟试验,操作者可以进入“发动机”的内部去观察和分析发动机的工作过程,研究其故障发生的机理;

   (6)获取信息的多样性一次虚拟试验,可以把系统各个部位及环节的各种信息采集下来,并以多种形式(文字、数据、曲线、图形、动画等)展现出来,而实际试验由于数据采集记录和测试条件的限制,一次试验所获得的信息量十分有限。

此外,虚拟试验技术应用于复杂产品的开发中,可以实现设计者和产品用户在设计阶段信息的相互反馈,使设计者全方位吸收采纳对新产品的建议,减少新产品的试制时间。变复杂的环境和众多的参数进行重复试验;

汽车虚拟试验系统的硬件设计

1.汽车虚拟试验系统的基本结构

   汽车虚拟试验系统是建立在虚拟现实技术基础上的应用系统,要求操作者完全融入虚拟环境中,通过虚拟传感设备亲身操作,并体验汽车在各种工况下性能,如同驾驶一部真车在实际路面上行驶一样,确实具备虚拟现实系统具有的沉浸-交互一构想三个基本特征,因此,如同构成虚拟现实系统的基本结构一样,汽车虚拟试验系统也主要由三大部分组成:虚拟环境产生器、效果产生器和接口设备,其基本结构如图2.5所示。

2.汽车虚拟试验系统的硬件分析

   根据上述基本结构,结合汽车虚拟试验系统的基本要求,对部分硬件进行分W高性能计算机

   汽车虚拟试验系统实现的功能多、结构复杂、实时性和速度要求高,因此选择图形能力强、运算速度快的高性能计算机硬件支持以实时处理复杂的图像并缩短参与者的视觉延迟。}}l如,SGI公司的Reality Eingine2,每秒可以处理600000个贴图多边形,并可实现高达30帧每秒的图像更新率。

   (2)立体显示设备    对虚拟环境的沉浸感主要依赖于人类的视觉感知,因此三维立体视觉是汽车虚拟试验系统的第一传感通道。常用的立体显示设备有头盔显示器、双目全方位显示器、液晶光闸眼镜以及大屏幕立体投影等。双目全方位显示器和大屏幕立体投影投资较大,而液晶光闸眼镜尽管便宜,但沉浸感太差,一般选用头盔显示器。头盔显示器提供一种观察虚拟世界的手段,通常支持两个显示源及一组光学器件,这组光学器件将图像以预先确定的距离投影到参与者面前,并将图形放大以头/眼/手/体位跟踪定位装置

   为了与三维虚拟世界交互,必须感知参与者的视线,即跟踪其头部的位置和方向,这需要在头盔上安头部跟踪传感器;为了在虚拟世界中移动物体甚至移动参与者的身体,必须跟踪观察者的手位和手势、甚至全身各肢体的位置,此时参与者需要穿戴数据手套以至数据衣。也可以采用三维或六维鼠标和空间球等装置与三维虚拟世界进行交互。数据手套、三维鼠标和3-D位置跟踪器是常用的装置。

  (4)三维声音和三维空间定域装置

借助立体声音响可以加强人们对虚拟世界的真实体验。声音定域装置采集自然或合成声音信号,并使用特殊处理技术在360度球体中空间化这些信号、使参与者即使头部在运动时也感觉到声音保持在原处不变。利用这些装置,在汽车虚拟试验的过程中,参与者可以感觉到车辆启动、振动、制动、空气噪声等声音。

   (5)触觉/力反馈装置

 触觉反馈装置使参与者能够感受到触觉刺激,如纹理、质地感:力量反馈装置则可提供虚拟物体对人体的反作用力。这些尽管在实现上有比较大的难度,但对汽车的虚拟实验非常的重要。在汽车的加速、减速、制动、转弯等工况以及用户通过驾驶杆、脚蹬、油门杆等驾驶汽车时,都要能够感受各种力的作用。

汽车虚拟试验系统的软件设计

1.软件设计方法

   由上述分析可知,遵循先进性、开放性、可靠性和重用性的基本原则,采用面向对象的设计方法和软件父用技术、分布交互仿真技术等先进的设计思想来开发汽车虚拟试验系统的一体化的集成仿真平台。

   本软件以Visual C++作为软件开发语言,充分利用VC强大的面向对象程序设计功能。面向对象仿真软件应该将传统的以功能为中心的模块变为以对象为中心的模块,将功能模块完成的功能改由对象的操作来完成,而整个系统的功能实现则由对象间彼此的消息传递来完成。系统仿真软件中包含由相应的类产生的多种对象,根据所实现的功能,这些类可以分为以下几种:

   (1)建模对象类包括用于描述汽车虚拟试验系统的各种构成成分的类,这些类按层次结构组成,数量众多,类型复杂,共同描述汽车虚拟试验系统的结构与功能,主要由参数模型类和仿真模型类组成;

   (2)虚拟试验管理与控制类用于建立与管理虚拟试验框架,从建模类库中选择合适的类生成所需的对象,并对仿真试验进行控制。这一部分的工作主要由虚拟试验框架类完成;

   (3)用户接口类提供实现仿真用户最终需要的人机交互界面的一些类。由Visual C++提供的相应类继承而来,既保证了软件界面的标准、规范与美观,同时也提高了软件开发的效率:

     (4)输出分析类用于对虚拟试验结果进行各种分析、处理和评价等。这部分的功能集成在试验框架类中。2.系统功能和模块划分

   汽车虚拟试验系统研究的目的是为了克服传统产品开发过程中的弊端,利用现代仿真技术在计算机上对汽车的整车性能进行虚拟试验,从而对汽车的设计参

数进行科学的评价和合理的优化。实现的主要功能有:

   (1)人机交互功能在开发的虚拟试验平台上,操作人员完全融入逼真的虚拟实验环境中通过数据手套、斗盔、数据衣等虑拟设各亲身体会汽车的整个试验过程,并通过虚拟仪表观察到各种性能参数的实时变化;当行驶条件发生改变,随即体会到汽车性能的变化;

   (2)整车性能试验可以进行整车的某方面性能的试验以及对其它的性能的影响的评价,如平顺性的改善对操纵稳定性以及驱动桥疲劳可靠性的不良影响的评价、比较综合全面的评价汽车的性能;

    汽车虚拟仿真软件硬件系统结构

   (3)试验结果的分析、计算、评价和优化功能等的一体化借助各分析软件的各自分析计算的优势,实现从“模型建立一动力学分析计算一性能评价一模型参数的修改一再分析…”的整个循环、直至最终的性能优化的整个虚拟试验过程的有机协调,其中还包括人机的不断交互等。

   根据系统的功能要求,遵循模块划分的独立性原则,将汽车虚拟试验系统划分为人机接口、虚拟试验、数据库、分析评价等模块,每个子模块又可以根据其物理结构和实现的功能分解出多个子模块等。汽车虚拟试验系统结构框图如图2.6

汽车虚拟仿真软件总体结构设计

    汽车虚拟试验系统仿真软件以系统对象为基本模块,其主要层次结构。系统结构在纵向上分为三个层次。

     (1)管理层实现对仿真试验过程的管理功能,其主要任务是完成用户与仿真软件的交互作用,将用户的各种命令传递给实体层和数据层;

     (2)应用层是虚拟仿真试验任务的主执行部分,它接受管理层的命令,调用数据层的各软件模块,从而实现用户的仿真意图。

     (3)数据层所示。

  汽车虚拟仿真软件体系结构层

四个仿真类库及其相应的管理系统构成了软件的主体内容。

   模型库及其管理:模型库由参数模型类(汽车整车和结构模型、各级路面模型、虚拟场景模型等)和仿真模型类(描述汽车虚拟试验过程中各部分的动态行为及彼此的相互作用)构成;模型库管理提供了高速生成试验所需的模型以及对模型的修改以及用户在虚拟环境里与模型的交互功能等。

     算法软件库及其管理:提供虚拟试验中各种仿真算法(包括虚拟外设的驱动、碰撞检测、虚拟试验规划等)以及各种分析软件。

     试验框架库及其管理:提供对每一次具体的虚拟仿真试验的控制管理作用,根据试验框架管理系统的消息确定试验任务、匹配虚拟仿真试验的各种参数、模型及算法,保证试验过程、分析评价、数据格式等的协调。

     试验数据库及其管理:实现对仿真结果的存储、显示、打印等功能,对各种数据(同源或异源的数据、虚拟环境产生的中间或结果数据、实采数据等)进行适当的融合处理,为各种不同的仿真试验任务提供统一的数据输入/输出接口。  

汽车虚拟仿真软件整体流程

本章首先在综述汽车试验技术的发展和传统的试验方法的基础上,说明了汽车虚拟试验方法的产生必然性;然后对现有虚拟试验的研究成果进行了分析,明确了虚拟试验方法的概念,总结了其应用特点;基于相似理论和虚拟现实技术,采用面向对象的仿真技术、软件复用技术、分布交互仿真技术等先进的软件设计方法和思想,对汽车虚拟试验系统的硬件系统和软件系统总体结构进行了分析设计,构建了汽车虚拟试验系统的一体化集成仿真平台,它是汽车平顺性虚拟试验研究的基础。


 
QQ在线咨询
销售热线
0371-53302651