車輛電子控制虛擬實驗教學平臺研究

席軍強, 宗 瑩， 王文碩

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

?

車輛電子控制虛擬實驗教學平臺研究

席軍強, 宗 瑩， 王文碩

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

為滿足車輛電子控制技術實驗教學的需要，通過在Matlab/Simulink中搭建8自由度整車動力學模型，應用外部交互設備和Matlab/GUI組建人機交互系統，利用3D MAX和Vizard4.0軟件制作虛擬場景，并完成各軟件數據接口的設計，構建了車輛電子控制的虛擬實驗平臺，實現了理論教學與虛擬實驗教學的良好結合。探討了該虛擬實驗平臺在教學中應用的可行性，并對虛擬教學的應用實踐進行了總結和分析。結果表明，該平臺在實踐教學的應用加深了學生對車輛控制理論知識的理解，且效果良好。

實驗教學； 車輛電子控制； 虛擬現實； 實驗平臺

0 引 言

實驗教學是高校教學活動中的重要環節，在深化理論知識、培養學生動手能力、增強創新能力等方面，具有無可替代的作用[1-3]。車輛電子控制技術作為車輛工程專業的必修課，重點介紹底盤、車身電子控制設備的基本理論、基本組成、工作過程和控制原理[4]，應以實驗教學為主，實驗課程建設的好壞直接影響所培養學生質量的高低。當今實驗教學方式分為實車實驗和仿真實驗。實車實驗對實驗條件要求高，經費需求大，受到設備和經費的限制，學生難以親自動手實驗，教學質量受到影響。而仿真實驗雖然能夠通過仿真曲線圖定量地顯示車輛的運行狀態，但車輛控制者卻無法直觀體驗車輛的動態變化[5-7]。因此，現用的車輛電子控制實驗教學手段和方法已不能滿足車輛電子控制技術課程發展的要求。

虛擬現實(Virtual Reality，VR)技術作為一種用戶通過專用設備與計算機產生的虛擬環境進行交互的嶄新技術，開創了教學領域發展的新方向。目前，虛擬現實技術已成為車輛、建筑、醫學、機械設計等專業教學的研究熱點[8]。在車輛教學領域中，北京理工大學開發的坦克構造與設計視景仿真教學平臺已成功應用于實驗教學，并取得了良好效果[9]。而針對車輛電子控制技術課程，尚未開發出完善的虛擬實驗平臺。

本文將虛擬現實技術應用到車輛電子控制課程的實驗教學中，利用整車建模仿真技術、虛擬現實技術、三維場景技術構建車輛電子控制虛擬實驗平臺，借助人機交互系統對整車及控制等內容進行實驗教學，不僅可達到與實車實驗相同的效果，而且可提高實驗效率，增強學生主動性，培養動手能力和創新能力[10-12]。

1 虛擬實驗平臺的總體結構

根據功能需求和分析，虛擬實驗平臺需要一定的軟硬件支持。結合實驗效果和實驗成本，本平臺采用了如圖1所示的設備。主要的硬件設備包括一臺ThinkStationD30系列的工作站、模擬方向盤、制動和油門踏板及換擋手柄等。軟件環境為在Vizard4.0軟件下，結合3D MAX和Matlab/Simulink進行設計開發，同時設計連接各軟件的數據接口。圖2為本虛擬實驗平臺的工作流程圖，駕駛員通過方向盤、油門和制動踏板等外部交互設備和GUI界面輸入駕駛信息和車輛參數信息，計算機通過接口進行數據采集后，對整車動力學模型進行仿真計算，并將計算結果輸入到虛擬場景中動態展示。虛擬場景包括虛擬道路模型、虛擬環境模型和虛擬車輛模型。

圖1 虛擬實驗平臺原理及設備

整車動力學模型為該平臺的主體，而虛擬場景為載體，單有動力學模型并不能直觀顯示車輛的運行狀態，單有虛擬場景也不能實現車輛性能仿真，必須先由動力學模型進行仿真，將仿真結果輸入到虛擬場景中，驅動虛擬車輛，才能模擬出車輛真實的運行狀態，達到建立車輛虛擬實驗平臺的目的。

圖2 虛擬實驗平臺流程圖

2 平臺關鍵技術的實現

2.1 整車動力學模型的建立

整車動力學模型是虛擬實驗平臺的關鍵部分，綜合考慮運算實時性和仿真精度，本平臺采用Matlab/Simulink搭建8自由度的整車模型[13]。在建立Simulink車輛模型的過程中，采用用戶自主編寫動力學公式和控制策略的方式進行建模，使該平臺具有較高的保真度和可信度。

整車動力學模型包括駕駛員模塊、發動機模塊、變速器模塊、差速器模塊以及轉向系、制動系模塊等。車輛動力學模型的計算流程如圖3所示。

圖3 整車動力學模型計算流程

圖4展示了在車輛坐標系下的整車動力學模型。其中，8個自由度包括車體的縱向運動、側向運動、橫擺運動、側傾運動，以及四個車輪的旋轉運動。

整車動力學模型各自由度方向的動力學微分方程如下所示：

圖4 車輛坐標系下的車輛動力學模型

式中：Mv、Ms分別為整車質量、懸掛質量；a、b分別為質心到前、后軸的距離；B為輪距；hs為側傾中心高度；Rw為輪胎負載半徑；ax和ay分別為縱向和側向加速度；Vx和Vy分別為車輛縱向和側向速度；ωr為橫擺角速度；φ為側傾角；δ為前輪轉角；ωij為輪胎的旋轉角速度，其中，i=f、r分別為前、后輪，j=l、r分別為左右輪；Ff為空氣阻力；Ix、Iz、Ixz分別為懸掛質量繞X、Z軸轉動慣量及慣性積；Fxij、Fyij分別為輪胎縱向力和側向力，j=l，r分別為左、右輪；Kφij、Cφij分別為懸架的側傾剛度和阻尼；Tdij、Tbij各車輪上驅動力矩、制動力矩。

2.2 人機交互系統的設計

虛擬實驗平臺的一大特點是可以進行人機交互操作，使實驗者從被動地觀察變為主動地參與。人機交互系統主要用于實現平臺中不同層次的信息交換，如操作者與車輛動力學模型間的信息交換、整車動力學模型與虛擬車輛模型和虛擬環境的信息交換等。

由以上分析可知，人機交互系統需由相應的軟硬件構成，其中硬件部分包括外部交互設備和計算機交互界面，可以實現信息輸入、采集以及車輛參數修改等功能。本平臺的外部交互設備包括方向盤、油門和制動踏板、換擋手柄等，這些設備構成駕駛模擬器，如圖5所示，用來采集駕駛員輸入信號，并將采集到的信號通過USB接口輸入到整車動力學模型中。利用Matlab/GUI設計開發的計算機交互界面可對車輛參數進行直接修改，便于學生操作。

圖5 車輛駕駛模擬器

人機交互系統軟件部分的重點在于數據接口的設計。本平臺應用UDP作為外部交互設備與Simulink模型間的接口，以使外部交互設備采集到的信息作為輸入信號傳遞到整車動力學模型中。另外，利用Python語言編寫了Simulink與Vizard4.0的接口文件(Pymat文件)，將整車動力學模型的仿真結果輸出到Vizard4.0中進行場景演示。通過以上兩個接口的設計，保證了數據傳輸的有效性、實時性和精確性。

2.3 虛擬實驗場景的設計

虛擬場景是實驗者最直接的接觸部分。虛擬場景越逼真，該平臺所展現出的車輛運行狀態越真實，實驗者也越具有沉浸感[14]。因此，虛擬場景的設計是搭建該實驗平臺的重要環節。虛擬場景主要包括虛擬道路模型、虛擬車輛模型以及虛擬環境模型，圖6展示了虛擬實驗場景的總體構造。虛擬道路模型和虛擬環境模型由3D MAX軟件設計開發。針對不同實驗目的的需要，分別設計了不同類型的道路模型，如不同附著系數路面(干燥路面、濕路面、冰雪路面等)和不同材料路面(水泥路面、瀝青路面等)。

其次，虛擬實驗場景最終由Vizard4.0軟件生成。應用3D MAX建立的道路環境模型，生成IVE格式文件，導入Vizard4.0中，建立車輛物理模型、整車動力學模型和道路、環境模型之間的聯系，從而實現虛擬車輛運行狀態與動力學仿真結果的一致性。

3 虛擬實驗平臺的教學應用實例

通過建立整車動力學模型、開發人機交互界面和虛擬場景，并設計各軟件間的數據接口，搭建了虛擬實驗平臺。該平臺各底層程序均自主編寫，可自行更改，具有較強的可操作性和通用性。車輛電子控制虛擬實驗平臺可對車輛進行換擋控制實驗、動力性實驗[15]、操縱穩定性實驗[16]等，可滿足車輛電子控制技術課程要求的實驗教學任務。為了分析和驗證利用該平臺進行虛擬實驗的可行性，以某轎車的物理參數為整車模型的仿真基礎，進行了換擋規律驗證實驗。

自動換擋規律是影響車輛動力性和經濟性的重要因素，是自動變速器系統的核心，因此，換擋規律的設計是車輛電子控制技術課程的重要內容之一。傳統的換擋規律以同一油門開度下相鄰兩擋加速度相等為設計原則，根據參數的不同分為單參數、雙參數和三參數三種類型。

本文根據換擋規律的設計原則，采用平臺中整車動力學模型內嵌的換擋規律設計模塊Matlab/Stateflow，如圖7所示。分別設計了單參數和雙參數換擋規律，如圖8和圖9所示。在車速初值為0，油門開度為100%的工況下，通過仿真，得到了反映車輛動力性能的實驗數據，如圖10所示，進而將仿真結果輸入虛擬場景中直觀地顯示車輛的運行狀態(見圖11)。通過虛擬場景，學生可以形象地觀察到此換擋規律下車輛的運行狀態和動力性能表現。

圖7 換擋規律設計模塊

由于該實驗平臺具有數據存儲功能，可實現對仿真實驗過程的回放與再現。因此，在實驗中，可將單參數與雙參數的換擋規律實驗數據同時輸入到虛擬場景中，驅動兩輛汽車運動，觀察不同換擋規律對于車輛性能的影響，如圖12所示。

圖8 單參數換擋規律

圖9 雙參數換擋規律

圖10 換擋規律仿真結果圖

圖11 車輛運行狀態顯示圖

實驗結果表明，該平臺可直觀地觀察車輛在不同換擋規律下，車輛性能的不同表現來進行換擋規律的驗證實驗。此外，在虛擬場景直觀顯示和回放功能的作用下，學生不僅可以形象地了解車輛在此換擋規律下的運行狀態，還能觀察到不同換擋規律對車輛性能的影響，加深學生對車輛換擋規律的理解。

圖12 不同車輛運動對比圖

4 結 語

將虛擬現實技術與車輛仿真技術結合起來運用于車輛電子控制實驗教學中，給車輛電子控制技術課程提供了一種嶄新的教學手段。將車輛仿真技術的數字化和被動性與虛擬現實技術的交互性和沉浸性相融合，滿足了車輛電子控制實驗教學的要求。通過該虛擬實驗平臺的各項創新性實驗，加深了學生對于車輛底盤各控制器理論知識的理解，同時在進行實驗的過程中，將控制策略與車輛運行性能相對應，有效地培養了學生的動手實踐能力和創新能力。

[1] 趙志剛. 虛擬現實技術對實驗教學的影響[J]. 中國電化教育,

2007,251：81-83.

[2] 榮 昶，趙向陽，蔡惠萍. 實驗教學與創新能力培養探析[J]. 實驗室研究與探索，2004, 23(1)：12-14.

[3] 黃 鑫. 基于VR技術的虛擬教學應用研究[J]. 江西教育學院學報(綜合)，2008,29(3)：50-52.

[4] 魯植雄. 《車輛電子控制技術》課程研究型教學的探索與實踐[J]. 教育教學論壇,2013(8):71-73.

[5] 仇成群, 王忠純，沈法華，等. 汽車電子虛擬實驗系統研究[J]. 實驗科學與技術，2012(3)：47-50.

[6] 周淑輝，郝春光，安曉鵑，等. 汽車電子技術與微機工程測控技術實驗教學的探索[J]. 實驗室研究與探索，2007, 26(4)：115-117.

[7] 范小彬. 車輛工程專業汽車電控技術課程建設探討[J]. 中國現代教育裝備，2013(5)：50-51.

[8] 李 欣. 虛擬現實及其教育應用[M]. 北京：科學出版社，2008.

[9] 姚壽文，陳 巖.坦克構造與設計的視景仿真虛擬實驗教學研究[J]. 實驗技術與管理,2013,30(2):86-89.

[10] Elvedin Kljuno, Robert L. Williams II. 車輛仿真系統：基于虛擬現實的車輛動態仿真和控制 [J]. 智能和機器人系統，2008, 52(1)：70-99.

[11] 徐延海，寧凡坤. 用于汽車操縱穩定性模擬的虛擬現實平臺的研究[J]. 系統仿真報,2007,19(17):3984-3987.

[12] 柴 山，荊 旭，王龍江, 等. 基于汽車系統動力學的虛擬駕駛仿真模型研究[J]. 系統仿真學報，2009, 21(8)：2281-2284.

[13] 吳光強，楊林孟，邱緒云. 汽車底盤集成控制器硬件在環仿真試驗臺：中國，CN 101308386[P].2012.03.07.

[14] 王 濤，李宏才. 基于車輛傳動系統虛擬裝配平臺的虛擬試驗研究[J]. 機械設計與制造，2013(3)：77-80.

[15] 余志生. 汽車理論[M].5版. 北京：機械工業出版社，2009.

[16] 鄭水波，唐厚君，韓正之，等. 車輛穩定性提升的控制器設計[J]. 控制工程實踐, 2006, 14(12): 1413-1421.

Research on Virtual Experimental Teaching Platform of Vehicle Electronic Control

XIJun-qiang,ZONGYing,WANGWen-shuo

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

According to needs of the experimental teaching, an 8-DOF overall vehicle dynamic model is built by using MATLAB/Simulink. A human-computer interaction system which includes external interactive devices and MATLAB GUI is established, virtual scenarios are made by 3D MAX and Vizard4.0, and data interfaces between softwares are finished. Finally, the virtual experimental platform of vehicle electronic control is established to realize the successful combination of real and virtual teachings. The feasibility of the virtual experimental platform applied in teaching is discussed, and its application in virtual teaching is also summarized and analyzed. The results verify that the use of the platform deepens the understanding of vehicle control theory and application, and the effect is good.

eperiment teaching; vehicle electronic control; virtual reality; experiment platform

2014-04-04

國家留學基金管理委員會項目(2011AA11A252);北京理工大學學位與研究生教育發展研究生課題

席軍強(1972-)，男，北京人，副教授，博士生導師，主要從事車輛自動變速理論及設計方向教學科研等工作。

Tel.:13651353076; E-mail: xijunqiang@bit.edu.cn

TP 391.9;G 434

A

1006-7167(2015)01-0079-05