VR技術在新能源電動汽車教學中的應用研究

秦彩寧 夏美藝 李恒賓 黃偉 青海交通職業技術學院

關健詞：VR技術 新能源 電動汽車 高職高專 教學改革

一、研究現狀

虛擬現實技術簡稱VR，全稱“Virtual Reality”,是一種由計算機技術創造的虛擬新世界，它綜合了計算機圖形學、光電成像、融合顯示、多傳感器、圖像處理、計算機視覺等多門學科，創造出一個逼真的三維虛擬環境。虛擬現實技術涉及教育、軍事、工業生產、藝術與娛樂、醫療、城市規劃、科學計算可視化等領域。VR技術已廣泛的應用于各種科學領域，虛擬現實技術的先進特性使得該項技術應用于各行各業的模擬仿真研究中,并切實有效地指導了生產實踐。虛擬現實技術在不遠的將來就會應用于社會生產實踐的各個領域,它與網絡、多媒體將并稱為 21 世紀最具應用前景的三大技術。

在國內，已有一些應用，例如：基于激光VR視覺重構和圖像修復，對已損古建筑進行三維重現技術，并采用該技術實現古建筑完整成像；將VR技術引入到網絡購物，并提出利用VR+服裝網購方式讓消費者對服裝有更直觀的了解，從而提高消費者購物體驗；基于VR技術的船舶駕駛模擬仿真系統，通過船舶駕駛仿真系統不斷提高船員的操作水平；將VR技術與電影進行媒介融合一定會超越以往技術上的突破，為電影業帶來新一輪革命；針對電力高空作業人員由于視覺信息發生變化以及心理上的不合理信念，產生恐高的問題，提出將VR技術應用于恐高癥的治療，以提高電網運行安全性等等。

VR技術現在已逐漸在課堂教學中應用，汽車專業學生可以通過VR技術進行設計模擬、車身內外飾體驗仿真以及結構優化、汽車零配件的裝配以及安全模擬等；旅游專業學生課堂教學通過引入VR技術能讓學生不用千里跋涉就可以更加身臨其境地欣賞世界各地的旅游景點及名聲古跡；機電專業學生可以通過VR技術認知了解某一三維物體的構造。

在國外，VR技術與課程融合的案例有很多，如創新手術學習課程、3D解剖課程、電力變壓器操作課程、飛機維修技術的培訓課程、自閉癥譜系障礙的培訓課程、物流全球虛擬團隊教學工具等等。

研究分析目前國內外應用成果后，感覺還存在一些不足，理想的VR體驗需要融合人的所有感知，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺等。由于技術原因，目前大部分VR設備只包括視覺和聽覺，包括所有感知的VR短期內還不能實現。

鑒于以上情況，在汽車專業教學中，引入虛擬現實技術，將汽車各零件的構成、分解、檢驗、調整、拆卸以及裝配等結合在一起，應用虛擬現實技術不僅可使學生實訓的培養時間有效地縮短, 減少教學實習場地與訓練器材等所投入的費用，同時在很大程度上也使教師工作量得到了減少, 有利于最大經濟效益以及社會效益的實現。

二、研究內容和方案

隨著社會經濟與信息技術的快速發展,市場需求對于汽車維修教學的要求也不斷增加和提 高,而如何培養高技術人才也成為了當前汽車工程教學所研究的一個重要課題。在教學中,若缺乏相應的實戰練習,無法實現學生基本技能訓練操作的提高；如果每個環節都采取實地練習,勢必會加大教學成本,也沒有相應的訓練場地。因此，對于學校而言，解決教學和實訓困難也是當前面臨的一個主要難題。

1.研究內容

根據課題中“VR+教育”在汽車教學方面的需求，用虛擬建模的方式，開發一套VR軟件，借助手柄、VR 頭盔等，實現用戶與虛擬物體的交互操作。包括汽車零件的拆卸、裝配等。因此在研究中擬解決兩個問題：

車內某些機械零部件和電氣線路安裝的位置隱蔽，學習者對新能源電動汽車機械結構和電氣組成的認知存在不確定性。

電能如何轉換、分配，電流如何流動、動力如何傳遞等抽象、難以理解的問題。

基于以上問題，首先擬在課程教學過程中引入VR技術，利用頭盔、手柄、油門踏板等裝置；其次，可讓體驗者按動或觸摸某個驅動裝置后，輔助裝置將發出信號，并以電路運行的模擬演示形式，讓體驗者感知該段線路或裝置的電路走向等。另外，增設聽覺功能，除有正常的啟動、剎車、行駛等聲音外，還可模擬風、雨、雪等不同天氣狀況下的各種響聲，以增強體驗者安全駕駛的意識。

2.工作方案

在充分調研的基礎上，通過對電動汽車在不同工況下動力傳遞的過程進行研究分析，結合課程的教學過程，利用專業虛擬現實編程軟件進行交互軟件系統的開發，至少可分為九個步驟：

(1）確定需求：首先確定汽車拆裝虛擬現實資源的需求，比如是整車的拆裝或者是汽車零部件的詳細拆裝等等。

(2）建立模型：根據所確定的汽車拆裝虛擬現實資源的需求，便可進行相應模型的制作，如使用需求為汽車發動機的拆裝，則模型可制作成只含有發動機的汽車等。

(3）導入模型：模型建立完成后，將制作好的模型導入專業的虛擬現實編程軟件中，觀察是否有問題或無法導入等情況。

(4）搭建場景：汽車拆裝虛擬現實資源所需的模型均導入成功，則可進行虛擬現實場景的搭建，在專業的虛擬現實編程軟件中需要注意調整相機的位置、高度以及方向等參數。

(5）選擇終端：場景搭建完畢后，需進行最終使用終端的確定，如確定在HTC VIVE環境中進行汽車拆裝虛擬現實資源的使用，則需下載HTC VIVE相關SDK并針對起硬件結構進行開發，一旦確定終端后，其他終端無法共享使用。

(6）編寫功能：編寫代碼進行相關交互操作功能的編寫，例如想讓汽車的車門在虛擬現實環境中可抓取，則需編寫相關代碼進行控制。

(7）運行測試：運行編寫好的程序，進行簡單的測試，保證程序的可靠性。

(8）發布原型：程序無問題后可進行發布使用。

(9）修改完善：發布的程序后如有更新、問題、不足等，需重新對程序進行修改、運行、發布操作，直至程序達到預期效果。

三、研究的創新點

1.學生與虛擬場景的虛擬交互體驗

采用精確的跟蹤系統，跟蹤精度高，跟蹤范圍廣，實現多人同時在虛擬場景中進行實時的交互體驗，打造全新虛擬體驗模式。學生與虛擬場景的交互借助交互硬件實現。如手柄、VR 頭盔等。當學生做出自然生活中的動作，如轉頭、拾取、行進時，對應功能區中特定的虛擬場景或虛擬物體應識別人的動作, 并呈現符合邏輯規律的改變。

2.極強的沉浸感和真實感

采用具有真實感的實時渲染引擎，完全模擬真實場景，效果逼真，沉浸感強，真實感強。電路工作過程這一虛擬場景的交互及實現，將電動汽車在不同工況下動力傳遞過程用虛擬現實進行可視化，從而讓學生對電動汽車動力傳遞的過程有更為深刻地認識。