汽车性能测试虚拟仿真实验教学系统设计

张丽霞，潘福全，郭峰，杨勇

汽车性能测试虚拟仿真实验教学系统设计

张丽霞，潘福全，郭峰，杨勇

（青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520）

《汽车理论》课程中汽车各种性能实验需要各种复杂的实车行驶工况，使得该课程开展实车实验难度很大。本研究从实际出发，考虑学生人数、实验场地有限、实车实验具有一定危险性等因素，开发了汽车性能测试虚拟仿真实验教学系统，不仅可以进行汽车动力性、制动性、平顺性和操纵稳定性虚拟仿真实验，而且该实验教学系统能够提高学生学习积极性、提升学生创新实践能力。

虚拟仿真；性能测试；汽车；实验教学

引言

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。为全面贯彻实施教育部“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，秉承“以实为主、虚实结合”的建设思路，紧握信息化革命浪潮带来的机遇，通过真实实验与虚拟仿真实验教学的紧密结合，打破汽车驾驶风险高、测试实验成本高的实验教学瓶颈，实现实验教学内容和教学方法的跨越式进步[1-2]。

《汽车理论》课程汽车性能测试试验包括动力性、制动性、操纵稳定性和平顺性[3]。这些试验对汽车综合性能要求高，需要各种复杂的实车行驶工况，所以实车实验开设的难度大[4-5]。同时，由于现在学生人数很多，实验场地又相对有限，所以实验教学方式也出现了局部与传统课堂教学方式趋同的趋势[6]。为了在有限的实验条件下使学生直观形象地领会汽车动力性、制动性、操纵稳定性、平顺性等经典工程实例的理论精髓，需要把虚拟仿真实验引入到实验教学环节中来[7-8]。本研究所开发的汽车性能测试虚拟仿真实验教学系统，以虚拟仿真技术为媒介，可以将真实情境下因抽象不可视、高危、能耗、受时空限制而缺乏互动性的实验项目虚拟化，使学生在虚拟的高度仿真环境下进行汽车性能类测试实验操作和训练，弥补真实实验的不足，且能够解决可能出现的汽车交通安全问题。

1 汽车性能测试虚拟仿真实验系统设计

1.1 技术要求

本系统要求计算机操作系统windows7及以上，浏览器要求Firefox浏览器。

本系统是开发汽车性能测试的虚拟仿真系统，模拟真实实验中用到的器材和设备，提供与真实实验相似的汽车性能测试环境；具有B/S结构，支持网页界面操作方式，软件首页支持教师、管理员、学生等使用不同的身份登录软件，不同的身份具有不同的权限；不限客户端数，支持同时在线人数5 000人以上；为保证系统的交互性和扩展性，系统采用国际领先的Unity3D引擎开发；系统支持用户在三维实验室场景中自由漫游而不受任何约束；系统提供操作帮助，言简意赅描述实验如何开展；系统支持用户从任意视角、任意距离观察实验设备和实验现象；系统画面效果精美，采用虚拟现实实时渲染处理；系统交互性良好，用户使用鼠标键盘即可完成实验操作。

1.2 性能测试模块要求

（1）本系统包括四个汽车性能测试模块：1）汽车动力性测试模块；2）汽车制动性测试模块；3）汽车操纵稳定性测试模块；4）汽车平顺性测试模块。

（2）汽车动力性测试模块包括：1）对汽车滑行测试，测定滑行距离和滑行时间；2）对汽车车速测试，测定最低稳定车速和最高车速；3）对汽车加速测试，求得加速时间，加速距离和平均加速度。

（3）汽车制动性测试包括：1）对汽车制动测试：求得制动时间，制动距离和MFDD。

（4）汽车操纵稳定性测试包括：1）瞬态横摆响应测试：用阶跃试验来测定汽车对转向盘转角输入时的瞬态响应；2）转向盘角脉冲测试：测定汽车横摆角速度频率特性来表征汽车的动态特性；3）稳态转向特性测试：测定汽车转向盘转角输入达到稳定行驶状态时汽车稳态横摆响应；4）典型行驶工况性能测试：测定汽车的蛇形性能。

（5）汽车平顺性测试满足：1）随机输入测试：以测定汽车在多种随机不平的路面上行驶时，其振动对乘员或货物的影响；2）脉冲输入测试：评价汽车行驶中遇到大的凸起物或凹坑时，冲击振动下的平顺性能。

2 汽车性能测试虚拟仿真实验系统应用

双击运行该汽车基本性能测试虚拟仿真实验教学系统，得到如图1所示界面。该界面包括动力性测试，制动性测试，平顺性测试，操纵稳定性测试。点击各个测试模块，可以进行各种性能的虚拟仿真测试。

图1 汽车基本性能虚拟仿真试验系统界面

2.1 汽车动力性测试实验

把GPS车速传感器，GPS天线，三参数显示器，计算机这些动力性测试系统设备搭建好以后，可以进行动力性测试，包括滑行测试和加速测试。如图2所示是加速性能测试。

图2 加速性能测试

2.2 汽车制动性测试实验

把GPS车速传感器，GPS天线，三参数显示器，计算机这些制动性测试系统设备搭建好以后，可以进行制动性测试，如图3所示。

图3 制动性能测试

2.3 汽车平顺性测试实验

把GPS车速传感器，GPS天线，测试主机，三参数显示器，计算机，脚、靠背、座垫传感器这些平顺性性测试系统设备搭建好以后，可以进行平顺性测试，包括随机输入测试和脉冲输入测试。如图4所示是随机输入实验。

图4 汽车平顺性随机输入实验

2.4 汽车操纵稳定性测试实验

把GPS车速传感器，GPS天线，车辆姿态测量仪器，测力方向盘，三参数显示器，计算机，数据采集仪这些操纵稳定性测试系统设备搭建好以后，可以进行汽车操纵稳定性测试，包括角阶跃测试、转向盘角脉冲测试、稳态转向特性测试和蛇形性能测试，分别如图5—图8所示。

图5 汽车操纵稳定性角阶跃实验

图6 汽车操纵稳定性角脉冲实验

图7 汽车操纵稳定性稳态转向实验

图8 汽车操纵稳定性蛇形实验

3 结束语

本汽车性能测试系统综合应用多媒体、大数据、三维建模、人工智能、人机交互、超级计算、虚拟现实、增强现实、云计算等网络化、数字化、智能化技术手段，充分发挥虚拟仿真的技术优势，可以使使用者不受时间、空间和测试实验次数的限制进行实验，建立以使用者为中心的实验环境，创造有意义的学习经历，提高其动手能力，还可以使学习者改变实验条件，观测到在不同实验条件下的实验结果。能够有效解决目前《汽车理论》课程实车实验少、实践教学缺乏、理论教学过于抽象导致学生学习汽车理论兴趣不足等教学问题，能够很好提高学生学习积极性、提升学生创新实践能力。

[1] 喻亭亭,常承阳.汽车专业虚拟仿真实训教学软件的设计与开发[J]. 科技经济导刊, 2020,28(36):53-54,57.

[2] 喻曹丰,陈清华,汪选要,等.虚拟仿真实验模块在车辆工程专业实验教学中的应用[J].教育教学论坛,2019,(17):276-278.

[3] 余志生.汽车理论.第5版[M].北京:机械工业出版社,2012.

[4] 吴明翔.改进汽车理论教学方法的思考[J].教育教学论坛,2016, (18):169-172.

[5] 郝慧荣,张慧杰,吉平,等.基于思维导图和MATLAB仿真实验的“汽车理论”混合式教学模式[J].实验室科学,2019,22(4):91-94.

[6] 王健,于明进,郭荣春.汽车工程虚拟仿真实验教学平台设计[J].教育现代化,2020,7(9):92-93.

[7]王彦,李万敏,杨昀梓.项目教学法+虚拟实验在汽车试验学课程中的应用[J].汽车实用技术, 2020,45(16):212-214.

[8]江浩斌,潘公宇,杨晓峰,等.车辆工程虚拟仿真实验教学体系与平台的构建[J].实验室研究与探索,2017,36(06):114-117.

Design of Virtual Simulation Experiment Teaching System for Automobile Performance Test

ZHANG Lixia, PAN Fuquan, GUO Feng, YANG Yong

( School of Mechanical and Automobile Qingdao Technological University, Shandong Qingdao 266520 )

In the course of, all kinds of automobile performance experiments need all kinds of complex real vehicle driving conditions, which makes it very difficult to carry out real vehicle experiments. This study starts from the reality, considering the number of students, the experimental site is relatively limited, the real car experiment has a certain risk . In this paper, a virtual simulation experiment teaching system for automobile performance test is developed, which can not only carry out virtual simulation experiments of automobile power performance, braking performance, ride comfort and handling stability, but also carry out virtual simulation experiments. The experimental teaching system can improve students' learning enthusiasm and innovative practice ability.

Virtual simulation;Performance test; Automobile; Experiment teaching

U467.1; G642.4

A

1671-7988(2021)20-160-03

U467.1；G642.4

A

1671-7988(2021)20-160-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.040

张丽霞（1978—），女，副教授，博士，就职于青岛理工大学机械与汽车工程学院，研究方向：车辆系统动力学及控制。

教育部产学合作协同育人项目（项目编号：201801142023），山东省自然科学基金（ZR2020MG021），青岛理工大学课程思政项目《交通安全理论与技术》。