汽车操纵稳定性虚拟试验系统设计

汽车操纵稳定性虚拟试验系统设计

使用虚拟技术在汽车旋转稳定研究中的应用，可以克服数值模拟中缺乏真实环境感和形象表现的缺点。虚拟争吵模拟包括使用汽车动态分析数据来驱动虚拟环境中的汽车模型，并将测试过程中的不同状态更改到计算机屏幕上。在虚拟技术的互动手段上，他们创造了“在场”的感觉，让研究人员和普通用户了解汽车旋转的稳定性，评估设计人员在设计早期评估汽车性能，并改变设计错误，加速新产品的开发速度，降低开发成本。本文从车辆运行稳定虚拟测试系统中组成，建立车辆模型和模型的建设，开始构建数据模型模型，并对虚拟旋转虚拟测试进行探讨。1性能分析的通过操纵稳定性虚拟试验系统应具有如下功能:(1)虚拟场景与车辆参数化模型、路面模型等之间的信息传递;(2)驾驶员行为控制信息的导入,对车辆进行运动学、动力学分析,获取车辆性能的参数;(3)逼真地反映试验过程,驾驶员可沉浸到试验中,感受试验中车辆状态的变化;(4)对车辆操纵稳定性进行评价.为使用户沉浸到虚拟试验系统中,还需要具备产生临场感觉的传感器设备,如立体显示、位置与方向跟踪、触觉反馈、语音控制输入等.根据上述需求,车辆操纵稳定性虚拟试验系统可划分为输入模块、动力学分析模块、虚拟试验模块、评价模块、接口模块等,模块之间通过接口函数进行信息传递.使用模块构成的方法增加了系统的灵活性和可扩展性,整个系统的结构图如图1所示.2动态和实体模型的构建2.1汽车整车模型仿真操纵稳定性的动力学分析过程中应包含驾驶员闭环控制的信息,并可根据车辆模型修改相应的输入参数.使用参数化建模方法建立车辆操纵稳定性的动力学模型,用户可根据需要调整车辆模型参数,在仿真分析中再选择对应的驾驶员模型进行闭环系统的分析研究.以桑塔纳轿车参数为依据,采用多体系统动力学软件ADAMS/CAR的模板技术,将汽车整车分为前悬架、后悬架、转向系、轮胎等模块,分别建立各个子模块的虚拟样机模型,再将各子模块装配成整车模型,建立如图2所示的虚拟汽车模型.整车模型具有48个自由度,通过仿真计算得到车辆操纵稳定性动力学数据.2.2响仿真实时性(1)实体结构建模.实体结构建模就是赋予汽车模型三维实体结构、材质、颜色等外观特征.直接把ADAMS的车辆模型存为DXF文件,导入虚拟现实编程环境中,发现模型存在以下不足:①模型太大,整车模型约有1.6×104多个多边形,装入场景中时间太长,影响仿真实时性;②由于格式不完全兼容,在转换过程中造成部分信息丢失;③汽车的分层结构没有传递过来,转换的模型只是一个块结构,在试验过程中无法对汽车各部分的运动进行操纵控制.因此需要对整个模型进行再处理.采用3DMax软件进行三维实体建模,其真实感较强,图3是由800多个多边形组成的试验汽车实体结构模型.(2)行为建模.行为建模就是赋予模型物理属性和“与生俱来”的、符合其内在客观规律的行为与反应的能力,模型中体现这些关系、特征和规律,车辆在虚拟世界就具有逼真感.通过行为建模,实现试验过程中汽车运动状态的变化以及组成部件之间的相互运动.本文使用控制节点T3把试验汽车的车身几何体、轮胎组节点等的运动联系起来,而车身与轮胎之间的运动通过控制节点T4来约束,如图4所示.为避免信息的传播累加,使用分离节点把轮胎的变化信息与其他节点分离开来.3节点的作用与类型虚拟场景建模采用面向对象的方法和分层模块化结构进行设计,利用树形结构组织不同对象,一方面可以提高程序运行效率,改善实时性的问题;另一方面通过仿真引擎进行渲染,解决了虚拟对象行为和几何模型的分离问题.在程序开发中,根据面向对象的场景结构分别开发出相应的类,将虚拟场景节点对应CScene类,静态组节点对应CStaticScene类,汽车组节点对应CVehicle类,虚拟试验场的树型结构如图4所示.节点T1控制操纵稳定性试验在整个试验场中的位置,T2控制蛇行线试验场的相对位置…….虚拟场景分层结构中大量使用了分离组节点,节点的功能是阻止状态信息从它的子孙传播到它的兄弟姐妹.状态信息(如光、雾、车辆的位置与方向等)具有累加传播性能,有时并不希望这种状态传播;如在汽车结构中,轮胎节点的上面还有悬架等系统,如果把轮胎的自身旋转、侧偏等运动加到悬架等系统中,结果与真实情况相违背.用节点封装技术把所有的状态变化信息全部封装在节点内部,在遍历该节点前,把当前的信息变化拷贝下来,处理完该节点后恢复原先的状态.虚拟试验中,逼真的场景有助于沉浸感.对场景进行诸如光照、雾化、纹理映射等描述,可以形成较好的视觉感受.故人机交互界面可以根据需要改变光、雾信息,获得不同光照、雾化条件下的场景.程序开发中缺省的光源情况为:直射光(主光)照亮整个场景,环境光增加场景对比度.WTK编辑的直射光为:虚拟场景的雾化处理效果如图5所示.声音也是虚拟场景中的重要部分,在试验开始、结束时加入了汽车启动、停车的声音,试验中根据车辆速度的快慢加入了相应的声音信息,其实现方法如下:4立体视觉的实现操纵稳定性虚拟试验的基本原理和数据的映射如图6所示.这里需要处理的主要数据有方向盘转角、横摆角速度、侧向加速度、侧倾角、侧向位移等数据.在虚拟试验过程中既要根据试验过程的变化不断刷新场景,又要根据仿真分析数据实时地改变虚拟场景中汽车的状态,协调好汽车各部件之间的运动,场景与汽车的变化要保持同步,才能为驾驶员提供一个逼真的试验过程,产生与真实试验运动相同的效果.前面在汽车模型结构设计中预留了运动接口,这里把仿真数据应用到对应的转换节点上,就可实现汽车按照其运动学规律的运动.其中实现车身的前进、偏移、侧倾的主要代码如下:图7显示了桑塔纳轿车单移线虚拟试验过程中场景、数据显示仪表以及汽车状态变化.立体视觉是产生“沉浸感”、“身临其境”的关键.利用立体视觉,用户可沉浸到虚拟试验环境中,通过周围场景的变化体验试验过程中汽车的偏移、侧倾等运动变化.基于双目视差原理,本系统中使用AGC-ViewerG立体观测系统来实现立体视觉,如图8(a)所示.具体实现方法如下:在计算机上生成上、下两幅完全相同的图像,触发控制器上的立体实现按钮,使其分别对应左、右眼的图像,通过液晶光闸眼镜就可在屏幕上看到全屏的立体图像.程序代码是:WTuniverse-new(WTDISPLAY-CRYSTALEYES,WTWINDOW-STEREO);双目视差窗口如图8(b)所示.5虚拟试验与实车试验的关系实车试验主要是验证虚拟试验的可信度,从以下两个方面进行:(1)试验数据对比.用桑塔纳轿车在不同行驶速度进行了单移线、双移线、蛇行线等操纵稳定性实际试验.图9为车速40km/h单移线试验时,汽车的横摆角速度ωr、方向盘转角θ、横向加速度ay、侧倾角γ实测值与虚拟试验值的对比曲线.虚拟试验的数据就是车辆动力学模型仿真的数据,虚拟试验中由仿真数据驱动汽车的行驶和位姿的变化.由曲线对比可知,实车测试数据与仿真数据具有较好的一致性,说明车辆模型以及动力学计算部分是正确的,所建立的车辆模型能够反映实际的车辆运行情况.(2)试验场景对比.试验过程中,用摄像机分别从整体和局部(驾驶员角度)两个角度拍摄场景的变化,将拍摄的场景变化信息与虚拟试验中的所对