文献综述-虚拟现实技术在电动车测试中的应用

48 现代制造技术与装备 2008第1期总第182期虚拟现实技术在电动车测试中的应用侯俊过学迅(武汉理工大学汽车工程学院，武汉430070)摘 要：介绍虚拟现实技术的基本特征、构成，阐述虚拟现实技术在汽车测试中的应用。最后用键词：虚拟现实 虚拟测试 虚拟仪器称V R)技术的虚拟设计是20世纪90年代发展起来的一个新的研究领域，它是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计和制造等技术综合发展的产物，在机械行业有着广泛的应用前景，如虚拟布局、虚拟装配、产品原型快速生成和虚拟制造等。目前，虚拟设计对传统设计方法的革命性的影响已经逐渐显现出来。由于虚拟设计系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发和加工过程在计算机上的本质实现，即完成产品的数字化过程。与传统的设计和制造相比较，它具有高度集成、快速成型和分布合作等特征。虚拟设计技术不仅在科技界，而且在企业界引起了广泛关注，成为研究的热点。V 虚拟现实是借助于计算机生成逼真的实体，“实体”是对于人的感觉(视、听、触、嗅)而言的；用户可以通过人的自然技能与这个环境交互，自然技能是指人的头部转动、眼动、手势等其他人体的动作；虚拟现实往往要借助于一些三维设备和传感设备来完成交互操作。近年来，v 虚拟现实技术的基本特征及类型V 本质上讲，V 通过给用户同时提供诸如视觉、听觉和触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段。最大限度地方便用户操作，从而减轻用户负担，提高整个系统的工作效率。根据V v 如将某种概念设计或构思可视化和可操作化；实现逼真的遥控现场效果；达到任意复杂环境下的廉价模拟训练目的等。虚拟现实技术具有以下4个基本特征。(1)沉浸性虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点。由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者戴上头盔显示器和数据手套等设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。(2)交互性虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，当使用者用手去直接抓取虚拟环境中的物体时，手有握着东西的感觉，并可感觉到物体的重量，物体也随着手的移动而移动。使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。(3)多感知性由于虚拟现实系统中装有视觉、听觉、触觉、味觉等传感装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、味觉等多种感知，从而达到身临其境的感觉。(4)自主性指虚拟环境中的物体依据物理定律进行动作。例如，当物体受到力的作用时，物体会沿着力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。根据用户参与V 拟现实技术可分成3种类型。(1)沉浸的虚拟现实沉浸的虚拟现实系统是一套比较复杂的系统。使用者必须头戴头盔、手带数据手套等传感跟踪装置，才能与虚拟世界进行交互。由于这种系统可以把使用者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来与外界隔离，并提供一个虚拟的感觉空间。使用者可排除外界干扰，全身心地投入和沉浸到虚拟现实中去。但系统设备价格昂贵，难以普及推广。(2)桌面虚拟现实桌面虚拟现实系统由1台普通的计算机系统组成，利用键盘、鼠标等输入设备便可与虚拟环境进行交互。使用者可通过计算机屏幕观察3600范围内的虚拟境界。并操纵其中的物体。例如苹果公司推出的快速虚拟系统(R)。是采用3600全景拍摄生成逼真的虚拟情景，用户在普通的电脑上，利用鼠标和键盘，就能真实地感受到所虚拟的情景。这种系统的特点是结构简单、价格低廉，易于普及推广，是一套经济实用的系统，但用户缺少完全的沉浸，会受到周围现实环境的干扰。(3)颁布式虚拟现实颁布式虚拟现实系统是通过计算机网络，将异地的不同用户联结起来，共享1个虚拟空间，多个用户通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同工作的目的。例如，异地的医科学生，可以通过网络，对虚拟手术室中的病人进行外科手术。2虚拟现实系统构成虚拟现实系统的构成虚拟现实系统由以下部分构成，见图1。万方数据自动化与控制 49图1虚拟现实系数的组成用户通过传感器直接对虚拟环境进行操作，并得到实时的三维显示和其它反馈信息，当系统与现实世界通过传感器构成闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境之间的交互可以对现实世界产生作用。各部分的作用如下：检测器：检测用户的操作命令，并通过传感器作用于虚拟环境。反馈装置：接受来自传感器信息，为用户提供实时反馈。传感器：一方面接受来自用户的操作命令，并作用于虚拟环境；另一方面将操作后的结果以各种反馈形式提供给用户。控制装置：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。建模：将现实世界组成部分用三维图形表示，并由此构成对应的虚拟环境。虚拟环境：由计算机生成的具有沉浸感的环境，是一种人机交互系统。3虚拟现实技术在汽车测试中的应用31基于理论框架包括虚拟测试相似性原理；虚拟测试系统分析与仿真原理；虚拟测试规划与优化方法；虚拟测试信息的有效表达和复用；虚拟测试与拟测试的基本方法；虚拟测试环境的描述与生成方法；虚拟测试原型系统的建立；虚拟测试系统内部外部的接口技术及相关标准。虚拟测试技术的基本模型见图2，由3个相关联的层组成，即感知层、信息层和物理层。(1)感知层体现了浸一交互一构想。一测试系统信息 测试对象信息 测试传感器信息硬件环境 软件平台(操作系统、测试设备 建模软件、数据库等)图2虚拟测试系统的基本模型图表2表明了接体现了虚拟测试的目的和意义。感知层既包括用户与虚拟测试系统的其他部分的交互和联系，也包含了用户对测试过程的干预、控制和对测试结果的观察和评价过程。(2)信息层包括了作为虚拟测试系统核心的各种信息(测试系统信息、测试对象信息和测试传感器信息)。(3)物理层直接包含了构成虚拟系统的硬件环境、测试设备和软件平台。图3虚拟测试系统的构成32虚拟测试系统构成(见图3)(1)虚拟环境生成器是一个能产生三维世界的软硬件环境。其主要功能是生成三维立体图像，模拟现实所需要的测试环境、设备和对象。(2)虚拟测试平台接受现实环境、测试系统的相关信息，完成测试过程的规划、仿真和控制，并提供与用户的交互功能。(3)虚拟仪器模块接受现实或虚拟测试系统的传感信息，完成信号处理功能。(4)立体视觉模块提供基于多视觉立体成像技术的动态环境建模手段。(5)数据库系统包括场景数据库、测试数据库和产品数据库。场景数据库用于存放关于虚拟环境的场景的有关数据，测试数据库用于存放测试过程中产生的数据(包括中间数据和结果数据)，产品数据库用于存放关于测试系统的领域知识等前期数据。(6)测试设备其作用是将现实的测试设备和对象引入虚拟测试系统。33虚拟仪器技术在电动车底盘测功机测控系统中的应用底盘测功机，又称转鼓试验台，是一种室内试验设备。它根据模拟道路行驶工况的方法测定汽车的使用性能以及检测汽车的技术状况诊断汽车故障。与道路试验相比，底盘测功机具有试验速度快，精度高，费用低，数据稳定，可比性好等优点。本文所介绍的电动车底盘测功机正是以模拟电动车道路试验的各种工况，在室内完成电动车各性能试验。全面评价所测电动车各性能指标的台架试验系统。电动车底盘测功机的整体结构是以传统内燃机底盘测功机为基础，根据电动车性能测试的要求改装而成。它由滚筒装置，加载装置，飞轮组件，测控系统，反拖装置。举升、锁定、引导装置等构成。万方数据现代制造技术与装备 2008第1期总第182期下面将简单介绍如何用实验室虚拟仪器工程平台)是美国出的一种基于形化编程语言)的虚拟软件开发工具。进行图形化编程之前首先建立电动车行时阻力的数学模型。在坡道路面上加速行驶时，汽车的行驶阻力包含滚动阻力、迎风阻力、坡道阻力和加速阻力。其模拟阻力矩的数学模型可由下式表示：rc+n。r,+广乙MT t 1)式中，Fffr。=m；兄613m；为汽车上坡时克服坡道阻力转换到滚筒上的阻力矩，r,=，=删一JJ。m；胁为底盘测功机上的滚动阻力矩与轴承力矩之和，缸+坼=m。机械模拟时，在底盘测功机的滚筒上安装飞轮模拟汽车加速力矩，飞轮的转动惯量通常按汽车在道路试验和台架试验动能相等的原理确定。汽车在道路试验中的动能由式(1)表示：Eo=l22)式中6为汽车的旋转质量换算系数，可取8=106；验标准要求)，kg；ms。汽车在底盘测功机上试验时的动能可用式(2)表示，即28112ld；o：式6。中为电动车电机转子，传动系旋转件及驱动轮等的旋转质量换算为平移质量的换算系数。上为底盘测功机滚筒和电涡流测功机的转动惯量，厶为底盘测功机飞轮的转动惯量，、分别为滚筒、飞轮角速度，s。按道路试验与台架试验动能相等原则，由既=828，l2J触l2(3)则 J=10,21(86J)It=rJ设飞轮安装在滚筒轴端部，饥；。，则上式可改写为厶=(66) (4)式中国=6一艿，；为滚筒半径，m。在公式(1)中，通过传感器输入的量为滚筒转速峨、滚筒转轴上的扭矩。数据采集卡在接收到经过信号调理的转速信号后，通过图形化程序，最后求得模拟的车辆行驶阻力数值。对于底盘测功机的控制系统，主要的被控制量就是吸功设备即电涡流测功机的激磁电流。通过程序的设计控制测功机的激磁电流，使底盘输出扭矩与扭矩设定值一致。设定值不变而改变外加负载时，将导致车速发生变化，直到车速达到稳定值。对电涡流测功机仍选用恒扭矩控制方式，假设计算机采样时间的时间间隔为r，每采样一次主滚筒的转速，就按式(1)计算出应施加的制动力矩，而在要选取合适的采样时间，就可以实现汽车行驶时的阻力模拟。行驶阻力的图形化程序如图4所示：输入为滚筒转速、角加速度以及主滚筒扭矩。输出为模拟的行驶阻力数值以及扭矩乘积计算出的功率值。以上所示的就是基于拟现实系统具有的前瞻性、实用性和极佳的投入产出比率，事实证明，越早引入这一技术，则越快产生最大价值，并大大降低产品制造成本。增加产品的竞争力。4结束语近年来，国内外许多大型机械制造业公司已经对虚拟图4行驶阻力的图形化程序 (下转第60页)万方数据60 现代制造技术与装备 2008第1期总第182期町够满足后续分析要求。5结论本文简要的介绍了有限元分网的基本原理及壳体的网格划分方法。利用时提出网格划分过程中的基本方法和技巧，实现共同网格对象，为多个应用之间的交互提供了附加的灵活性，有效解决了单一网个对象。参考文献【1】王勖成等有限单元法基本原理和数值方法清华大学出版社。1997【2】王勖成有线单元法清华大学出版社，2003【3】杜平安，甘娥忠，于亚婷有线单元法一原理、建模及应用国防工业出版社，20048【4】于开平，周传月等技出版社，2005【5】仁文家手机结构设计与制造工艺华南理工大学出版社，2005【61赵波，龚勉等华大学出版社，2002(上接第50页) 现实技术进行了大量研究工作，并初步应用到了生产领域。我国对虚拟现实技术的研究仅仅是刚刚开始，成功的案例还很少。可以预见虚拟设计和虚拟现实技术在汽车设计和测试方面有着广泛的应用前景，应该加紧这方面的研究。参考文献【1】曾建超，俞志和虚拟现实的技术及应用【M】清华大学出版社1996【2】陈定方，罗亚波等虚拟设计【M】机械工业出版社，2002【3】王国权等虚拟试验技术【M】电子工业出版社，2004【4】刘君华等虚拟仪器图形化编程语言】西安电子科技大学出版社，20013_0一一一一【7】邢静忠技出版社，2006【8】980001，21(2)：159164ii10054)t0 of of a to on y of of t0 so it ey 】张世琪，李迎，孙宇等现代制造引论【M】北京：科学出版社，200330070)il t a of on is 一一一一万方数据虚拟现实技术在电动车测试中的应用作者： 侯俊， 过学迅， 武汉理工大学汽车工程学院,武汉,430070刊名： 现代制造技术与装备英文刊名： (期)： 2008，(1)被引用次数： 0次参考文献(5条)拟现实的技术及应用 拟设计 拟试验技术 拟仪器图形化编程语言代制造引论 2003相似文献(10条)军 基于虚拟现实的车辆振动测试仿真技术研究 2005测试技术是现代工业中必不可少的技术。计算机技术的发展促成了虚拟测试技术的诞生和应用。而虚拟现实(英文缩写为术则是另一个近年来兴起的技术，它已在产品制造与装配，人员的培训中以其无可比拟的优势成为技术革命的重要力量。当这两种技术相结合时，就诞生了基于与传统的测试技术相比，成本低，测试范围广，并在产品制造和装配之前就能进行“预言性的测试”，因而逐渐引起了制造界和学术界的重视。本文以车辆平顺性虚拟测试项目为工程背景，根据虚拟建模和虚拟仪器的理论，结合实际需要进行了较为详细的分析，并对基于文的主要章节内容安排如下：第一章介绍了虚拟现实技术和虚拟测试技术；阐述了基于简要叙述了开展该领域研究的意义；说明了本论文的主要工作和组织情况。第二章阐述虚拟建模的应用思想。本章首先说明了虚拟建模在基于出可以将建模分为几何建模、运动建模和物理建模三部分。然后分别叙述了几何建模的过程，运动建模的方案，物理建模中动力学方程的构建与求解过程。最后针对与被测模型一体化的虚拟传感器的使用加以说明。第三章阐述虚拟仪器的应用思想。本章先明确给出虚拟仪器的定义，并说明了在基于后详细分析了虚拟仪器的组成结构，以及每个组成部分在现实系统中的工作原理及其相关的数字现实方法。第四章是第二、三两章的延伸。本章在前面所叙述的应用思想的基础上，结合了所参与的科研项目，给出了虚拟建模和虚拟仪器在现实系统中的常用的实现技术，对提高动力学方程的求解速度，避免程序内部各操作间的冲突，实时更新测试曲线等实际问题提出了有实用价值的解决方法。第五章概括了全文工作的主要结果和结论，并对与论文相关的进一步研究工作作了展望。于虚拟现实的车辆振动虚拟测试系统设计 0)出了由虚拟现实子系统、给出了车辆振动的虚拟测试结果显示,结果表明:基于虚拟现实的虚拟测试技术的理论模型适用于基于虚拟现实的车辆振动虚拟测试系统设计,通过该系统,星星 基于虚拟技术的汽车操纵稳定性虚拟实验系统的研制 2006汽车操纵稳定性是指汽车在行驶状况下，接受驾驶员控制的能力以及行驶方向的稳定性。它不仅表征汽车驾驶的操纵方便程度和乘坐的舒适性，更是汽车高速行驶的一个主要安全性能指标。随着现代汽车速度的提高，对汽车操纵稳定性的要求也越来越高，因而对汽车操纵稳定性的测试方法也有了更高的要求。传统的汽车操纵稳定性试验方法都是在样车试制之后，通过多次、重复的实车试验来完成。该方法周期长、效率低，已经不能满足现代汽车开发速度和开发质量的要求。本文依托院长基金项目基于虚拟现实与虚拟仪器的测试与诊断技术研究的子课题基于虚拟现实的计算机整车仿真分析技术与系统的基础研究，开展了在虚拟现实环境下汽车操纵稳定性的研究，为汽车操纵稳定性试验提供了一个全新的试验方法，整个虚拟试验系统都是以数据流为导向，完全的计算机化、数字化，因而能在样机试制之前为汽车操纵稳定性提供一个较为全面的主客观评价。论文各个章节的主要内容安排概括如下：第一章为绪论，主要介绍了操纵稳定性的评价方法及研究现状，并结合本论文的需要介绍了虚拟样机技术及虚拟现实技术的意义及发展现状，最后概要介绍了本轮文的研究内容及论文的总体框架。第二章建立了进行操纵稳定性试验的汽车数学模型，讨论了动力学相关理论及动力学分析软件便于驱动虚拟现实系统中的汽车模型，进行基于后从中提取了一些汽车运动位姿数据曲线图，并对曲线图作了平滑化处理。第三章构建了虚拟现实系统，包括硬件的组成与软件系统的设计。研究了虚拟现实软件包论了基于后，实现了在虚拟现实系统中对四章研究了仿真系统软件模块的编制方法，完成了蛇形试验的虚拟仿真软件系统的编制及其硬件系统的调试。第五章回顾与总结了全文的研究内容，归纳了本文的主要研究成果，并对今后的研究工作做了展望。于虚拟现实的虚拟测试技术研究 4(22)对虚拟制造的含义进行了扩展,通过将虚拟现实仿真技术拓展到测试分析的一般领域,形成了基于虚拟现实的虚拟测试技术的概念,使得在由计算机软件生成的虚拟测试环境中对产品性能进行测试成为可能,并将其纳入虚拟制造的体系结构之中,天太 基于005 本文的研究内容紧紧围绕基于点在于从宏观角度对基于求建立其基本概念及理论模型、实现方法等，具体内容可大致分为三个部分：理论基础、实现技术、应用实例。主要研究内容如下：第一章是绪论部分。首先介绍了虚拟现实技术的概念、特点、历史与现状、以及虚拟现实技术在机械制造领域的应用。然后介绍了基于究现状、研究意义与研究内容，讨论了本文的创新之处。最后给出了论文的主要工作以及论文的组织结构。第二章的主要内容是基于体内容包括：基于于论模型、基本思想、工作原理、理论框架等；基于类、主要功能、实施步骤、功能及局限性等；基于几种含义迥异的虚拟测试技术名称的概念辨析。最后对于基于三章研究基于容主要包括相似性原理及其在基于向对象思想及其在虚拟测试技术中的应用；拟测试系统的仿真原理；以及虚拟测试系统中的测试技术。本章说明了基于四章的研究内容是基于要内容包括：虚拟测试系统中的三维建模技术、虚拟仪器技术、可视化技术、数据管理技术、人工智能技术、系统集成技术等内容，最后在前述内容的基础上，建立了基于五章是一个基于单机的虚拟测试系统示例：建立在沉浸式容包括系统配置、车辆操纵稳定性分析技术介绍、辆操纵稳定性虚拟试验系统中的三维建模技术和及基于虚拟测试技术的车辆操纵稳定性虚拟试验技术，最后给出了车辆操纵稳定性虚拟试验系统的部分结果。第六章介绍了一个基于网络的虚拟测试系统示例：在桌面型容包括系统配置、损检测技术概论、基于于后给出了基于七章是总结与展望，包括对全文研究内容的总结，和对今后工作的展望。由于基于涉及的理论和技术相当繁多，应用范围也相当广阔，加上受本人的水平及客观条件的限制，本文的研究内容只是初步的研究和探讨，难免存在不少缺陷和不足，这既有待于以后的完善和发展，也敬请各位专家和同行批评指正。于虚拟现实的虚拟测试技术研究 2002本文分析了虚拟制造技术的体系结构、研究现状和存在的问题;通过将虚拟现实仿真技术拓展到测试分析的一般领域而形成基于虚拟现实的虚拟测试技术的概念;就虚拟测试技术的体系结构和实现技术等研究内容进行探讨,建立其基本模型;将虚拟测试技术纳入虚拟制造的体系结构之中,分析虚拟测试技术在虚拟制造的全生命周期中所能够发挥的作用;俊福 基于007论文对基于出了基于立了基于究了模型子系统、路面不平度模型、虚拟仪器子系统、虚拟现实子系统和基于要内容如下：第一章绪论。介绍了与本研究有关的虚拟现实技术、虚拟仪器技术和虚拟测试技术的概念、特点和研究现状以及路面不平度的研究现状。然后阐述了基于列出了论文的创新之处。最后给出了论文的主要工作以及论文的组织结构。第二章主要研究了基于先给出了基于立了其理论模型和理论框架。然后建立了基于究了车辆振动测试系统，最后给出了基于三章主要研究基于括车辆几何模型的建立、车辆运动模型的建立以及车辆振动模型的建立。第四章研究路面不平度模型的建立，包括：路面不平度、路面不平度模型、离散小波变换、最大重叠离散小波变换、基于面不平度取和带突变路面不平度的模拟。第五章研究基于先研究了车辆振动的评价、数据处理以及车辆振动数学模型的求解。讨论了虚拟仪器面板的设计，采用了桌面虚拟现实系统，选择了后利用序内部的协调技术和而实现了基于果表明：通过该系统