新能源汽車變速器虛擬學習系統(tǒng)設計

蔣歡麗 朝暉 馮丙寅

摘 要：為了輔助新能源汽車變速器的教與學，提高汽車專業(yè)學生的學習興趣，應用UG及3ds MAX工具，構建了新能源汽車變速器虛擬模型資源，然后利用該模型資源，應用虛擬仿真技術，基于Unity3D平臺，設計了一款新能源汽車變速器的虛擬學習系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了用戶操作、結構展示和虛擬實訓拆裝等功能，是一種輔助實訓教學的有效學習資源。

關鍵詞：虛擬學習系統(tǒng);新能源汽車;變速器

中圖分類號：TP399? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）22-167-03

Abstract： In order to assist the teaching and learning of new energy vehicle transmission， and improving the learning interest of automobile major students， new energy vehicle transmission virtual model resources are constructed by using UG and 3ds MAX， then a new energy vehicle transmission virtual learning system is designed based on the Unity3D platform and virtual simulation technology. The system realizes the functions of user operation， structure display， virtual training dismounting and so on. It is an effective learning resource to assist training teaching.

Keywords： Virtual learning system; New Energy Vehicles; Transmission

CLC NO.： TP399? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-167-03

1 引言

近幾年來，VR技術（虛擬現(xiàn)實技術）在醫(yī)學、地質、環(huán)境、機械、計算機、建筑、汽車等多個領域得到了快速應用，解決了一些教學、研究及實驗訓練等方面的問題。基于虛擬現(xiàn)實技術，王健君等[1]，黃鋒等[2]，張濤等[3]，國大亮等[4]將其應用于醫(yī)學實驗與教學;朱宗奎[5]對地質專業(yè)教學進行了探析;姜萍等[6]將其應用于發(fā)電實驗教學;魏娜等[7]對水利水電專業(yè)教學進行了探析;王龍庭等[8]將其應用于工程機械實驗教學;李洪亮等[9]將其用于云計算技術實驗教學;孫育英等[10]將其應用于建筑環(huán)境與能源專業(yè)實訓教學。鑒于虛擬現(xiàn)實技術與新能源汽車教學方面的研究較少，且新能源汽車實訓教學中存在的一些問題，本文以新能源汽車變速器為研究對象，設計了新能源汽車變速器虛擬學習系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)構建

在新能源汽車學習過程中，新能源汽車變速器的學習和實訓是非常重要的教學內容。實際上，學生將抽象的汽車零部件理論知識轉換到實際的操作，存在著一定困難。且由于受汽車零部件資源、實訓工具、實訓場地、教學經(jīng)費、教學課時等各方面的限制，難以保障每個學生有足夠的空間和時間進行實訓。

因此，使用者通過該學習系統(tǒng)要能獲得一定理論知識且能進行虛擬實訓。該系統(tǒng)具有：（1）仿真性。與實訓教室相似的環(huán)境和仿真的新能源汽車零部件模型，較高的模型仿真程度可增強實用者的沉浸感，提高使用者的學習效果;（2）可視化。使用者能夠多角度、多位置觀察，對新能源汽車變速器整體結構外觀及其所有零部件結構，產(chǎn)生直觀的認識;（3）交互性。學習能力不同的使用者可自行調整學習進度，且有較全面的提示功能，尤其是在進行錯誤操作時應給予提示;（4）重復性。使用者可反復進行學習;（5）引導性。有良好的教學引導流程，能調動學習者的學習興趣及積極性，順利的完成學習及虛擬實訓;（6）沉浸式體驗性。有比較美觀的場景、音樂以及流暢的操作體驗，讓使用者在操作學習系統(tǒng)時心情暢快、集中精神，不產(chǎn)生煩躁情緒。

該新能源汽車變速器虛擬學習系統(tǒng)，是在汽車設計及汽車理論的基礎上，結合虛擬仿真技術、計算機多媒體技術，以直觀性、體驗性、沉浸性及透徹性的方式展示新能源汽車變速器，同時進行虛擬實訓學習。它更加貼合以學生為主體的教學方式，系統(tǒng)以“引導者”的身份幫助學生學習，具有更好的實訓教學效果。系統(tǒng)的架構設計如圖1所示：

3 虛擬學習系統(tǒng)實現(xiàn)與展示

本文設計的虛擬學習系統(tǒng)，以新能源汽車兩檔變速器的設計過程為依據(jù)，構件模型資源，構建出新能源汽車虛擬學習系統(tǒng)。

3.1 仿真模型資源構建

UG又稱NX，具有強大的功能板塊可以幫助用戶完成一些復雜的操作，不僅可以進行三維設計及模具設計等，還可以對復雜曲面及復雜結構進行編程[11]。而3ds MAX最顯著的特點是可堆疊的建模步驟、各種3D制作軟件的適配兼容性、強大的渲染功能等，使模型的仿真效果更好，推廣應用更方便。因此本文選擇了UG和3ds MAX軟件作為模型資源構建的工具，根據(jù)變速器設計數(shù)據(jù)構建了實訓室仿真環(huán)境模型和變速器零部件仿真模型。

3.2 學習系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展及新能源汽車變速器的特點，本文選擇Unity3D平臺作為該學習系統(tǒng)開發(fā)的引擎。Unity3D平臺是一款集 3D視覺游戲、模型可視化、實時人機交互等功能的大型游戲開發(fā)工具，是一個能夠適配其他軟件的綜合而專業(yè)的引擎。

將實訓室仿真環(huán)境模型和變速器零部件仿真模型轉換為FBX格式，作為資源導入Unity3D平臺，其中碰撞檢測是實現(xiàn)系統(tǒng)交互的關鍵，給零件添加網(wǎng)格碰撞器，防止對象互相穿透，給所有的障礙物添加靜態(tài)碰撞器。拆裝實訓模塊通過使用三個關鍵腳本實現(xiàn)，分別是控制模型移動、模型裝配信標及模型吸附動作，信標腳本即當模型移動到足夠近時，會觸發(fā)裝配命令，信標的位置即裝配位置。

根據(jù)虛擬學習系統(tǒng)的總體架構，對變速器零部件展示模塊、拆裝實訓模塊、背景音樂模塊等功能進行設計，并編寫合適的腳本，同時通過腳本控制對象產(chǎn)生碰撞檢測和交互，進行打包及發(fā)布。圖2為該新能源汽車變速器虛擬學習系統(tǒng)的學習過程圖。

4 結論

本文設計了一款新能源汽車變速器虛擬學習系統(tǒng)，該系統(tǒng)可滿足不同層次學生學習的需要，實現(xiàn)了用戶操作、結構展示和虛擬實訓拆裝等功能，具有仿真性、交互性、體驗性等特點，同時提高了學生學習汽車變速器的興趣，是一種輔助實訓教學的有效學習資源。

參考文獻

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