基于虛擬仿真技術的新能源汽車領域模塊數字化過程研究
——以交流異步電動機為例

張 昉

（遼寧省交通高等專科學校，遼寧 沈陽 100122）

0 引言

隨著社會經濟發展，環境污染、能源緊缺等問題日趨嚴峻，新能源汽車得到迅猛發展。新能源汽車領域專業技術人才成為各類職業院校汽車專業培養的重點。而根據《制造業人才發展規劃指南》的報道顯示，2020年年底新能源汽車技術的相關技術人才有68萬的人才需求量[1]。隨著虛擬仿真技術的發展，該技術服務缺口較大的新能源汽車學科成為研究的重點。

利用虛擬仿真技術為新能源汽車領域開發最新具備普適性和傳播性的數字資源是本項目的主要研究內容，具備重要理論及現實意義。

1 新能源汽車領域數字資源國內外研究現狀

2016年遼寧工業大學汽車與交通工程學院張忠洋等[1]就虛擬仿真軟件在新能源車輛工程專業實驗教學中的應用進行探討。2017年，江蘇大學汽車與交通工程學院潘公宇等[2]就車輛工程專業虛擬仿真實驗教學平臺的設計進行研究，通過自主研發、科研成果轉化和聯合開發等模式，設計了“汽車構造原理與虛擬拆裝”“汽車性能仿真”“汽車電子與測試技術”“新能源汽車”及“汽車制造技術”5個虛擬仿真實驗教學平臺。2018年廣西機電工程學校陸展在“虛擬仿真軟件在新能源汽車運用與維修專業教學中的應用探討”中對虛擬仿真軟件在新能源汽車運用與維修專業教學中的應用進行分析，強調了虛擬仿真技術在該方面的優勢。2019年周賜恩在“基于虛擬現實技術的汽車類虛擬仿真實驗項目構建與實施”一文中分析了VR技術在彌補實物實驗不足方面的優勢。2019年成都理工大學袁敏在“基于虛擬現實技術的新能源汽車實踐教學研究”中分析了新能源汽車實踐課程中遇到的問題，并就VR教學中心進行建設。

美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件4個方面[3]。比爾·蓋茨表示投資VR內容及軟件的研發是當前所需，并且看好虛擬現實教育發展潛力。麻省理工學院在1985年成立了虛擬環境研究實驗室。華盛頓大學華盛頓技術中心成立了人機界面技術實驗室。美國斯坦福大學虛擬交互實驗室主任杰瑞米·白朗松正在把虛擬技術演變為一種教育工具。在VR+汽車方面，美國與最大的二手車交易市場VRoom平臺推出VR汽車展廳，讓乘客體驗到交互內容豐富有趣的乘車體驗，并運用到了汽車銷售教學中。

日本在VR教育方面的研究主要致力于教學材料方面。《基于需求調查和實踐課程開發多方面VR教學材料》中提出：從示范班估計的將來學習基本數據。首先對教師進行了“需求調查”，以檢查可用于教育目的的VR課本。

2 傳統實訓教學存在的問題

在新能源汽車領域實踐教學環節中，因此類汽車技術含量高，實物內部構造復雜、造價昂貴、不便于拆卸、存在一定高電壓、高腐蝕危險等諸多問題，傳統實訓條件和現場教學方式方法已不適用于新型人才培養。同時又因設備數量限制，內部結構無法展示等客觀因素，通過拆裝和靜態觀看不能達到較好的教學效果。因此使用虛擬仿真技術這一技術手段動態模擬展示新能源汽車功能模塊零部件及工作運轉狀態勢在必行。

3 交流異步電動機數字資源建設過程

因新能源汽車技術含量高，實物內部構造復雜且難以展示，教學不便開展。本項目的研究采用虛擬現實技術，將新能源汽車內部結構數字模塊化并生成高清動態動畫演示視頻。項目主要研究內容如下。

3.1 資源模塊化分解

汽車數字資源的選擇以新能源汽車為主，兼顧傳統能源與其共用部分和傳統能源經典內部結構部分。新能源汽車部分如：永磁減速起動機結構組、交流異步電動機結構；共用部分：電動車窗結構、制動系統結構、電動助力轉向系統機構等；傳統能源經典：四缸發動機結構等。資源選擇具備覆蓋范圍廣、涉及專業多、結構難度大等特點。此部分由汽車專業人員進行，根據實際工作過程，將零件結構性劃分，滿足教學及展示需求。本文以交流異步電動機結構為例進行介紹。

3.2 機械模塊數字化過程

所選交流電異步電機資源模塊首先要經過測量進行數字化建模。此部分需機械測量專業和計算機三維建模人員共同完成。對汽車零部件進行測量，根據測量數據和采集的二維信息，采用3D建模技術，將機械模塊數字化。

交流異步電動機結構數字化模塊如圖1所示。

圖1 交流異步電動機模塊

3.3 虛擬仿真技術和動畫視頻制作技術實現數字資源

在三維數字模塊基礎上，采用虛擬現實技術，根據汽車結構工作原理，將模塊實現動態化運轉。結合動畫制作技術將動畫效果轉換為高清視頻。此部分涉及汽車專業和計算機虛擬現實專業人員。選用軟件Unity3D，Premiere等。以電動發動機為例，該電動機是電能轉化為機械能的電力拖動裝置。它主要由定子、轉子和它們之間的氣隙構成。當定子的對稱繞組連接到電源上時，繞組內將通入電流，并在空間產生旋轉磁場，磁場沿定子內圓周方向旋轉，當磁場旋轉時，轉子繞組的導體切割磁通將產生感應電動勢，由于電動勢的存在，轉子繞組中將產生轉子電流。根據安培電磁力定律，轉子電流與旋轉磁場相互作用將產生電磁力，該力在轉子的軸上形成電磁轉矩，且轉矩的作用方向與旋轉磁場的旋轉方向相同，轉子受此轉矩作用，便按旋轉磁場的旋轉方向旋轉起來。受作用力影響及一系列轉化，完成電能轉化為機械能的過程。根據這一原理進行零件間的動畫設置。結合幀動畫技術，設置不同幀的動態效果，使用渲染技術，完成若干個完整周期，導出圖片序列，格式為JPG結合Premiere軟件進行高清動態視頻的生成。

4 結語

新能源汽車數字資源開發和新能源汽車領域人才都是該領域緊缺的，就數字資源開發方面，受場地、設備、人員、技術等限制，采用傳統測量模塊中機械部件尺寸方法為模型數字化帶來了很大困難。使用大型3D掃描設備可以較大程度的解決此項困難，為新能源數字汽車領域資源開發帶來更大便利。