基于虛擬仿真技術的汽車維修教學系統的研究與設計

陳衛國

摘 要：隨著汽車技術的迅猛發展，對汽車維修教學的要求也越來越高，該文主要介紹了虛擬仿真技術的特點，并對傳統汽車維修訓練系統的現狀及需求進行了分析，最后進行了基于虛擬仿真技術的汽車維修教學系統的設計，給出了總體設計方案和關鍵技術的設計步驟思路，通過虛擬仿真技術的汽車維修教學系統的教學，可以進一步提高汽車維修的教學水平，提升受教者的學識能力。

關鍵詞：虛擬仿真 汽車維修 三維建模

中圖分類號：U472 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（a）-0160-02

Abstract：With the development of automotive technology， the demands of vehicle maintenance and repair education are higher and higher. This paper introduces the specification of virtual simulation and analyses the traditional education`s current situation and requirements. At last we design the education system based on virtual simulation and give the overall scheme and key technology. Through the education of virtual simulation， the education level and the students ability will be improved.

Key Words：Virtual simulation； Vehicle maintenance and repair； 3D modeling

當今世界，科學技術迅猛發展，新技術的不斷涌現迫使傳統行業需要不停地進行自我升級，虛擬仿真技術是當前快速發展和廣泛應用的新技術之一，其在工業、教育、娛樂等多個行業有著廣泛的應用。伴隨著汽車工業技術的飛速發展，其對汽車維修教育水平提出了更高的要求，采用新技術手段來滿足這個要求是我們需要深入思考的問題，而虛擬仿真技術與汽車維修教學的結合為提高傳統汽修教學的水平提供了很好的技術手段。

1 虛擬仿真技術簡介

虛擬仿真技術是當前科技發展的熱門話題，在諸多方面有著廣泛的應用，虛擬仿真技術是多種前沿技術交叉形成的新技術，主要包括仿真技術、計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術和網絡技術等多種技術的集合交叉。虛擬仿真技術的具體應用主要包括環境模擬、狀態感知、人機交互和傳感設備等方面。環境模擬是由計算機生成的、實時動態的三維立體逼真圖像。狀態感知是指理想的虛擬仿真技術應該具有具體應用所需要的感知能力，一般包括視覺感知、聽覺感知、觸覺感知、力覺感知、運動感知等。人機交互是指用戶根據計算機的模擬環境做出相應的動作，同時計算機對用戶的輸入做出實時響應，形成交互互動的過程。

2 汽車維修訓練系統的現狀及需求

虛擬仿真技術由于在人機交互及用戶體驗方面具有良好的應用優勢，使其對傳統的以汽車實物為對象進行維修教育的模式產生了很大的沖擊，其技術優勢和廣闊的應用前景對教育技術而言是一個革命性的技術變革。

傳統的汽車維修教育一般是以汽車實物為教學對象，根據不同的汽車類型和故障模式，通過傳統的教學手段和工具進行實體的維修教育，這種教育模式在汽車發明產生有史以來發揮著巨大的作用。但隨著汽車技術和教育技術的發展，傳統的汽車維修教育模式存在著諸多的弊端，主要表現在以下幾個方面。

（1）汽車技術發展的速度越來越快，以傳統發動機、變速箱為技術核心的技術體系正被以混合動力以及其他動力為核心的技術體系所沖擊，汽車維修教育不能快速地適應汽車技術的更新發展。

（2）傳統的使用實體汽車或汽車部件為教學對象的維修教育模式，不能很好地適應現代教育技術的發展，使得維修教育機構培養的汽車維修人才與社會實踐實際的維修人才需求相脫節。

（3）思想是行動的先導，由于教育者自身認知能力的不足以及思維定勢的影響，導致傳統的汽車維修教育機構對于新技術在教學中具體應用的積極程度不高，進而影響到新技術的推廣應用。

3 基于虛擬仿真技術的汽車維修教學系統的設計

3.1 需求分析

近十多年來，我國的汽車工業飛速發展，全國的各類汽車保有量大幅提升，對汽車維修的從業人員的需求量也越來越大，進而對汽車維修培訓機構的數量、教學質量等方方面面也提出了更高的要求。“工欲善其事必先利其器”，教學質量的提高離不開教學模式的改進，汽車新技術和教育新技術的不斷發展涌現，使得汽車維修的教學模式也要隨之改變。當前的汽車維修教學主要有以下幾個特點。

（1）由于汽車維修的專業性強，細分門類較多，從而要求從業人員必須具備良好的專業理論基礎和扎實的實踐操作技術功底，能夠熟練地掌握各種維修基本技能，主要包括汽車檢測、故障診斷、零配件拆裝、機電一體化儀器設備的熟練使用等。上述的種種要求需要對傳統的汽車維修的教學方式進行變革。

（2）當前，科學技術發展迅速，新技術在各行各業的廣泛應用深刻地改變著社會面貌，汽車維修的教學也不例外。計算機技術和虛擬仿真技術的發展及其在教育領域中的具體應用，使得受教者能身臨其境地學習到汽車維修的理論和實踐知識，與傳統的板書、圖片、教具及錄像等教學模式相比，其教學成效更加顯著，所以基于虛擬仿真技術的汽車輔助維修訓練系統的設計對于汽車維修教育具有極其重要的實際意義。

（3）通過虛擬仿真汽車維修教學系統的教學，受教者能夠迅速地熟練掌握汽車的總體構成框架、各分系統的結構原理、檢測設備的使用和汽車故障的診斷維修方法，為今后從事汽車維修行業打下良好的基礎。

3.2 總體設計

虛擬仿真技術在汽車維修教學的具體應用主要是通過基于虛擬仿真技術的汽車維修教學系統來完成，該教學系統的總體設計如圖1所示，主要由6個部分組成，分別是汽車總體構成、汽車工作原理、分系統檢測、零配件拆裝、故障診斷維修和維修儀表應用。

系統設計時首先進行汽車三維數字建模，然后對各子模塊分別設計并最終合成疊加，在進行子模塊設計時需要結合原有教學中開展的相關項目，同時增加考慮新能源汽車、混合動力汽車等新技術的汽車維修需求，進行子模塊的方案設計、調試及試運行，并最終形成仿真維修教學系統。

3.3 關鍵技術

汽車維修仿真訓練系統的設計開發核心在于三維數字建模，主要包括3個方面的數字建模：一是汽車整車的數字建模；二是汽車零部件的數字建模；三是儀表工具等輔助維修手段的數字建模。這個3個方面的三維數字建模是各子系統開發的基礎，且數字建模的過程基本相似，可以分以下3個步驟進行。

第一步是汽車整車、零部件以及儀表工具等輔助維修手段相關數據的收集整理，并對相關的數據進行分析，主要包括物理尺寸、結構框架、電路布局及走向、各部件的相對位置等數據資料。

第二步是根據收集分析的數據，使用三維建模軟件（3D Max或者MAYA）進行三維建模和后期處理，三維建模所使用的數據和實際建模后的效果應相互一致并與實際情形相符，在建模完成以后的后期處理，要兼顧光影配合的渲染效果，突出明暗陰影的效果。

第三步是模型合成與優化，將三維建模軟件所建立的實體模型的格式轉換為Open Flight格式，并按照汽車模型數據庫的邏輯結構進行打包壓縮存儲。

在三維數字建模完成的基礎上，完成對圖1各個分系統的設計開發。

4 結語

新技術的發展和應用正深刻地改變著這個社會，虛擬仿真技術在汽車維修教學中的應用也將深刻地改變傳統的汽車維修教學理念，并大大提高教學成效，使得大批的受教者能更加迅速地掌握各型汽車的維修技能，更好地為服務社會做出貢獻。

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