汽車檢測線虛擬仿真實驗教學系統設計研究

陳清奎 李昊 魏鑫鑫 劉怡婧 朱海輪

摘要：汽車檢測線上檢測技術的學習是車輛相關專業的必修課程，實訓課程更是不可缺少的重要環節。然而傳統實訓課程受制于場地的分散、指導教師的缺少等劣勢，導致理論課程的知識與實訓內容的脫軌，學生無法將理論知識應用到實際操作中，該系統以虛擬現實技術為支撐探索創建線上實訓教學系統，在進行實地實驗課程之前首先在線上對汽車各檢測技術進行預習認識和交互操作，以三維立體模型的展示加深學生對原理的認知和實操方法的實施，使理論知識更好的對接到實際操作中。

關鍵詞：汽車檢測技術;虛擬現實技術;三維立體模型;交互

中圖分類號：TP3-05 文獻標識碼：A

文章編號：1009- 3044（2019）34-0076-02

據教育部關于深化本科教學改革的細則中明確指出要高度重視實踐環節，提高學生實踐能力，培養學生的實際動手能力[1]。汽車檢測線作為對汽車的安全、性能、環保進行檢測的自動化流水線，是車輛專業汽車故障檢測技術等學科不可或缺的實踐教學環節。傳統實驗教學在某些方面頻頻出現不適應時代發展的弊端，這些弊端在很大程度上阻礙了大學生實踐學習的積極性，限制了學生創新性的發揮[2]。在汽車檢測技術課程的實驗教學上更是體現了復合型教學缺乏，部分教師在課上直接通過課本來向學生講授汽車故障診斷工具、各種各樣的故障現象等知識，但這樣學生只能抽象地接觸原本就形象具體的知識，導致理論知識的學習和實踐環節脫節，理論知識應用不到實踐當中[3]。基于此，本系統結合多媒體技術、網絡技術，通過建立三維立體虛擬環境，在電腦上人機交互操作實驗，將實際中肉眼看不到的細節以虛擬環境中“視”不可擋的第一視角優勢觀察學習實際中的各種檢測技術[4]，進行軟件交互，大大提高了學生對實踐的興致，提高學生對各種檢測技術原理的認識和檢測方法的實施，使理論知識真正結合到實踐中。

1 系統的整體設計

1.1 主要檢測模塊

根據《汽車檢測與故障診斷技術》學科的教學內容，并結合企業實際檢測過程中所用到的其他檢測手段，設定該《汽車檢測線虛擬仿真實驗教學系統》主要檢測模塊為車速表檢測、廢氣和煙度檢測、外觀和底盤檢查、前照燈檢測、喇叭聲級檢測、側滑量檢測、制動力檢測、軸重檢測、底盤測功檢測、車輪轉向角度檢測、懸架系統檢測[5]。

1.2 場景漫游與設備認知

由于該系統是在電腦上操作的，最基本的交互操作莫過于鼠標和鍵盤，實現在計算機環境中的漫游。設計以右鍵控制視野的旋轉，滑輪控制視野的上下移動，鍵盤的“W、A、S、D”和方向鍵控制視野中場景的前進、向左、后退、向右移動。首先在unity中edit的projectsettings的input中設置好輸人類型，繼而在與unity連接的腳本編輯器visualstudio中用Input類來檢測輸入狀態，例語句Input. GetAxis（“MouseX”）獲取鼠標的X軸移動速度;Input.GetMouseButtonUp（0）“0”代表按下鼠標左鍵，“1”代表按下鼠標右鍵，“2”代表按下鼠標中鍵;Input.G etKey（Keycode.UpArrow）按下上鍵。在每一個檢測臺區域建有三維的檢測設備模型，并當跟隨攝像機漫游到某一檢測臺區域內，該區域配合高亮顯示，以此加深對檢測設備的認識。

1.3 制作檢測原理動畫

本系統中的一些檢測模塊采用展示檢測原理動畫的方式，制作動畫時在3Dsmax中對場景中的物體通過Set Key改變不同時刻的位置狀態，根據原理的演示時長修改動畫的幀數。將動畫導人unity中需注意，在導出FBX格式的面板中將Animotion（動畫）和EmbedMedia（烘焙動畫）勾選上，否則動畫在unitY中不能正常運行。

2 系統的開發

2.1 系統的研究開發步驟

《汽車檢測線虛擬仿真實驗教學系統》的研究開發步驟為：1）三維模型的建立，按比例繪制車間和設備的模型;2）系統UI的設計，對各檢測模塊的面板設計，以及提示窗口設計，根據提示輔助操作，以此提高操作的體驗;3）模型的貼圖、導入動畫的后期處理，采用專門的軟件處理，完善其呈現效果;4）交互功能的實現，設計可以點擊界面按鈕觸發動畫播放等功能，將按鈕和內容鏈接起來;5）系統的試運行和平臺的發布，在unity平臺上試運行系統，檢查是否符合功能要求，最終將系統發布到Windows、Android等格式的平臺上。

2.2 系統關鍵技術的實現

2.2.1 模型處理

對于模型的創建，通用的三維建模軟件都可以，但是對于非3Dsmax軟件的其他建模軟件需要轉換格式導人到3Dsmax中，因為最終將模型導人unity3D時，需要在3Dsmax中導出.FBX格式。由于本系統是以展現其整體效果為主，建模不需要太精確，而且為了高度仿真需要賦予模型材質、進行貼圖處理以及燈光渲染，所以系統采用在這些要求中具有優勢的3Ds-max軟件建模。將內置渲染器改為Vray渲染器，渲染效果出眾，不用布置過多的燈光，減少模型文件大小。

2.2.2 物理屬性的添加

物理屬性是自然屬性的一種，是系統高度仿真化的重要元素，其帶來的碰撞反饋是交互作用發生的前提。在unity中物理系統最常用組件Rigidbody（剛體）和Collider（碰撞器），通過給場景中的Gameobj ect添加這兩個組件實現真實環境的碰撞效果。本系統中車間廠房模擬現實靜止不動，因此在Rigidbody中要取消勾選use gravity。以帶有Collider組件的Maincamera為漫游主體碰撞到場景中帶有Rigidbody和Collider的車間和設備時調用VisuaIStudio腳本中的MonoBehaviour.OnTriggerEnt-er/Stay/Exit0語句激活觸發命令，隨后調用MonoBehaviour. On-ColliderEnter/Stay/Exit0語句激活碰撞命令。

2.2.3 unity3D中界面的制作

界面的制作有利于功能的演示，很大程度上決定著用戶體驗，在Hierarchy里創建panel面板組件，在scene中通過移動其內置UI組件的容器Canvas（畫布）的錨點來確定參考位置，改變panel相對于錨點的位置來改變panel在場景中顯示的位置，在Canvas帶有的CanvasScaler組件中調整所需設備屏幕的分辨率、寬高比等，然后在panel的Inspector（屬性）列表里出現的im—age組件中給他設置一個顏色作為面板的背景。每一個檢測模塊對應一個button（按鈕），在panel中創建UI元素button，在but-ton中自帶的text組件中修改其顯示內容為各個檢測模塊的名稱，在Inspector中的button.script組件中設置按鈕的響應效果，本例鼠標懸停在button上時顏色高亮改變。

2.2.4 button控件事件

通過點擊button控件響應所屬檢測模塊的檢測原理動畫和互動實驗的操作。采用button的事件觸發系統，在button的Inspector中的OnClick0-欄中點擊“+”添加按鈕被按下的事件，然后添加C#腳本，編寫按鈕事件，響應事先做好的原理動畫事件，而對于鼠標操作進行實驗的模塊，將操作對象物體添加到OnClick中，然后對該物體編寫點擊后的響應事件，最后將腳本拖人OnClick0中完成事件腳本的添加。

2.3 系統的平臺發布

Unity3D支持多個平臺的導出，點擊File→Buid Settings選擇需要發布的平臺。對于PC平臺，直接選中并點擊Build按鈕，即可生成exe文件，對于Android平臺，還需安裝Java-JDK和Android-SDK工具。

3 系統應用

該《汽車檢測線虛擬仿真實驗教學系統》是基于PC平臺操作的。

1）雙擊運行軟件，彈出初始配置窗口，在Graphics -欄設置分辨率、顯示方式、圖形質量，在Input中了解操作方式。

2）在進入界面中可以進行場景漫游操作，點擊互動實驗按鈕進入檢測模塊實驗界面，如圖2所示，繼而進行各種實踐模塊操作。

3）以車速表檢測模塊為例，點擊車速表檢測按鈕，播放檢則原理動畫，點擊圖中油門按鈕，互動操作實驗。如圖3所示。

4 結束語

該系統將汽車檢測線中的故障檢測技術以虛擬模塊化的方式在電腦上呈現，結合虛擬現實技術通過極度仿真的三維立體模型展示檢測原理和實驗互動操作，極大提高了學生對檢測技術的原理認識和操作方法的掌握。通過線上實訓系統的學習，搭建了理論知識和實訓課程相連接的橋梁，加深學生對理論知識的理解和在實際中應用的能力。

參考文獻：

[1]教育部關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見[J].中國大學教學，2007（3）：9-11.

[2]白秀娟.高校傳統實驗教學模式改革的必要性[J].高校實驗室工作研究，2018（2）：11-12.

[3]淺談虛擬技術在汽車故障診斷與檢測中的應用[J].科技信息，2011（11）：10116-10117.

[4]張守足.《汽車檢測與故障診斷技術》課程教學改革思考[J].才智，2018（3）：138.

[5]張建俊.汽車檢測與故障診斷技術[M].北京：機械工業m版社.2019.

【通聯編輯：李雅琪】