一种汽车综合性能试验的虚拟平台方案

李鹏

摘要：针对汽车综合性能试验在试验设备、试验场地、外界条件等方面存在的问题，提出了一种以汽车驾驶模拟器代替实车、以软件为主的综合性能试验虚拟平台方案。介绍了该平台的工作原理、组成和功能。虚拟平台可在试验室内完成汽车加速、滑行、制动以及燃油消耗等性能试验，解决现有实践环节安全性差、易受天气等外界条件干扰、成本高等问题，从而达到提升学生的参与度和积极性、提高实践教学效率的目的。

关键词：汽车驾驶模拟器;汽车综合性能试验;虚拟平台;车辆工程

中图分类号：G421     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）44-0145-03

汽车综合性能试验是车辆工程专业必修实践环节——综合实习中的一项重要内容，其内容涉及汽车滑行试验、制动试验以及加速试验等，是对《汽车构造》、《汽车试验学》等理论课程所讲授内容的实践与验证[1，2]。通过该环节的学习，可以使学生掌握各种汽车性能测试仪器的实际操作过程、学会对试验数据的处理和分析，从而提高对汽车性能的理解[3-6]。然而，在实际教学过程中，由于受到试验设备、试验场地、天气条件等方面不利因素的影响，实践环节往往达不到预期的教学效果。

一、汽车综合性能试验在实践过程中存在的问题

以南京林业大学车辆的汽车综合性能试验为例，本文就实践环节存在的问题分析如下。

1.试验设备——一方面，旧仪器操作简单、使用方便，学生可在较短时间内掌握其原理和使用方法，但存在精度较低、抗干扰能力弱的问题，一次试验往往进行2～3次才能成功，这影响了教学效率、试验数据的精度与准确度;另一方面，新仪器精度高、功能全，如VBOX（Velocity Box）是一款基于GPS定位的综合仪器，可完成车辆加速、制动、燃油消耗等性能的测试，但这类综合功能的仪器存在功能多、原理复杂、使用相对不便等问题，使学生在较短时间内难以掌握其原理和使用方法。

2.试验场地——受限于大学校园的面积，一般无专用的试验场地，只能借助校内道路开展试验，在实践环节中存在较大的安全隐患。为了确保试验的安全开展，试验过程中教师的参与度（车辆驾驶、试验仪器的操作主要由教师负责）远大于学生，导致学生参与积极性不高、动手能力较弱，继而影响了综合性能试验的教学效果。

3.外界干扰——现有的试验全部是用实车在外场完成，这使得试验对外界因素的变化较为敏感，如天气变化（雨雪天气试验无法开展）等。

4.学生考核——因受试验场地和外界干扰的影响，现有试验多以小组的形式展开。小组之间的试验数据均不相同，但各小组内部共用一份数据。学生在进行数据处理时，存在相互抄袭的现象，这影响了实习考核的公正性。

5.试验成本——采用实车进行试验增加了实习成本，如车辆的维护成本、燃油消耗等。此外，试验过程中车辆的尾气排放，会造成大气污染等。

因此，如何在保证安全的前提下，高效、低成本、全天候的开展综合性能试验教学，是影响车辆工程专业综合实习效率、质量的关键所在。

二、应对措施与方案

针对以上存在的问题，本文提出基于试验室现有的汽车驾驶模拟器建立一套以软件为主的汽车综合性能试验虚拟平台。该平台主要包括汽车驾驶模拟器、数据采集与处理模块、核心计算模块、可视化模块和考核模块（试验操作的规范性和数据处理的正确性）四部分。

（一）应对措施

以汽车驾驶模拟器代替实车、以动力学计算代替车辆状态参数采集，将外场试验移至试验室，可以克服试验设备、试验场地、外界干扰和试验成本等方面存在的问题。此外，在克服试验场地和外界干扰问题的基础上，可以实现一人一组的试验方案。这样学生之间的试验数据各不相同，可以避免学生在数据处理过程中的抄袭现象。通过设计考核模块，统一考核标准，保证考核过程的公正性。

（二）方案

1.虚拟平台的工作原理。图1为汽车综合性能试验虚拟平台的工作原理图，其中驾驶模拟器替代实车，成为虚拟平台的主要试验对象。根据驾驶员的操纵输入，如方向盘转角、油门踏板行程等，实时计算车辆的状态并呈现。数据采集与处理模块用于代替传统的车辆状态参数采集装置，如光电式和雷达式车速传感器等，完成车辆状态参数、时间参数以及车辆操纵装置位置与状态信息的采集与处理，并将以上参数以数字量的形式传输给核心计算模块;可视化模块主要用于试验管理、数据管理以及车辆状态参数的实时呈现;考核模块负责录入学生处理后的数据、试验规范性评价以及数据处理正确性考核;核心计算模块是各模块信息交互的中枢，可细分为车辆性能计算单元、数据管理单元以及通信单元三部分。其中车辆性能计算单元主要根据采集的车辆状态参数实时计算车辆的加速、滑行、制动等性能，数据管理单元主要实现直接测量的状态参数、间接测量的性能数据、各操纵装置的位置与状态参数以及学生处理后数据的存取，通信单元负责指令管理，触发数据采集与处理模块。

2.虚拟平台的构成与功能。

（1）汽车驾驶模拟器。如图2所示，汽车驾驶模拟器的驾驶室是实车驾驶室的简易版，装有转向盘、油门踏板、制动踏板、档位拨杆以及离合器等实车等效操作装置，可以真实模拟实车驾驶。模拟器的动力学模型根据操纵输入，实时计算车辆的状态参数（包括位置、速度、加速度等），并通过视景系统实时呈现。驾驶员通过视景系统的视觉反馈来驾驶车辆行驶。

（2）数据采集与处理模块。虚拟平台是一种硬件在环的分布式仿真系统，汽车驾驶模拟器的计算单元（车辆动力学模型、视景模型等）独立于其他四个模块，单独运行于上位机，其余模块在下位机上运行（图1中的虚线框部分）。上位机与下位机之间通过网络通信协议（如Tcp-ip等）进行数据交换。整个通信网络的开启与关闭均由数据采集与处理模块的触发子模块来控制，其中触发子模块接收和解析核心计算模块发来的数据采集触发指令，根据指令要求来决定通信网络的开启与关闭。

（3）可视化模块。可视化模块是虚拟平台人——机交互的主要接口。试验时，工作人员通过该模块来选择将要开展的试验类型（如制动试验），向核心计算模块发送试验开始与结束的触发指令;试验结束时，基于数据库技术对车辆运行状态、操纵装置位置等试验数据进行存储与管理。此外，该模块基于计算机图像处理的方式（如OPENGL等）以图、表来呈现，既可以实时、动态地呈现汽车驾驶模拟器的状态参数（如车速等），又能对历史数据进行复现。

（4）考核模块。培养学生的试验数据处理能力是汽车综合性能试验的其中一个目的。考核模块一方面提供交互界面，实现学生计算结果的录入。另一方面，基于数据库技术实现对学生实习考核结果的管理，包括考核成绩的保存、查询、添加、删除以及修改，历史数据的查看与打印等。

（5）核心计算模块。核心计算模块是虚拟平台的数据管理、计算以及交换中枢。管理功能包括指令管理和试验数据管理，其中前者根据可视化模块的指令来调用相应的性能试验子模块，如加速性能试验子模块，同时触发数据采集与处理模块，同步记录试验数据和时间。后者主要负责试验数据（包括时间）的存储、查询、修改以及删除;计算功能主要是指性能参数的计算（如根据采集的加速时间和距离计算相应的加速度等）、数据比对以及操作评价。通过将学生的处理结果与性能参数计算结果进行比对，完成对学生试验数据处理能力的考核。通过对比标准操作流程与学生实际操作流程和逻辑，来对学生操作的规范性进行评价;交换功能是指核心计算模块与其他模块之间的数据交互，如核心计算模块负责接收考核模块录入的数据处理结果，在进行比对后，给学生的实习打分，并将成绩反馈给考核模块。具体数据交互参见图1。

三、结语

本文基于试验室现有的汽车驾驶模拟器建立了一套使用安全、数据采集与处理精度高、抗外界干扰能力强、能全天候开展汽车综合性能试验的虚拟平台方案。该平台不仅能服务于车辆工程专业的综合实习环节，完成对汽车加速性能等试验相关设备的认知、试验过程与试验方法的熟悉，还能作为《汽车试验学》、《汽车理论》等课程的教学工具来使用，很好的将理论与实践相结合，加深与巩固了学生的课堂所学，提高了教学效率。

参考文献：

[1]黄泽好，李朝晖，陈宝，等.《汽车试验学》课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2012，（15）：122-123.

[2]王建.《汽车测试技术》教学改革探索与实践[J].教育教学论坛，2013，（1）：50-51.

[3]张振东，周萍，卢曦，等.车辆工程专业试验教学体系改革与实践[J].教育教学论坛，2013，（4）：142-143.

[4]杨姝，亓昌，胡平，等.仿真与试验结合的车辆工程专业案例教学探讨[J].试验室科学，2012，（4）：131-133.

[5]赵树恩，李玉玲，张慧玲.车辆工程专业模块课试验教学整合与优化[J].实验科学与技术，2012，10（4）：114-116.

[6]万茂松，徐晓美，羊玢，等.车辆工程专业人才培养模式的改革与实践[J].江苏第二师范学院学报：自然科学版，2012，28（3）：36-38.