談新能源汽車變速器學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：為了輔助新能源汽車變速器的教與學(xué)，提高汽車專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，應(yīng)用UG及3dsMAX工具，構(gòu)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(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，基于Unity3D平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一款新能源汽車變速器的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用戶操作、結(jié)構(gòu)展示和虛擬實(shí)訓(xùn)拆裝等功能，是一種輔助實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效學(xué)習(xí)資源。

關(guān)鍵詞：虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)；新能源汽車；變速器

1引言

近幾年來(lái)，VR技術(shù)（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）在醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、環(huán)境、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、建筑、汽車等多個(gè)領(lǐng)域得到了快速應(yīng)用，解決了一些教學(xué)、研究及實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練等方面的問(wèn)題。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，王健君等[1]，黃鋒等[2]，張濤等[3]，國(guó)大亮等[4]將其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)；朱宗奎[5]對(duì)地質(zhì)專業(yè)教學(xué)進(jìn)行了探析；姜萍等[6]將其應(yīng)用于發(fā)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)；魏娜等[7]對(duì)水利水電專業(yè)教學(xué)進(jìn)行了探析；王龍庭等[8]將其應(yīng)用于工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)；李洪亮等[9]將其用于云計(jì)算技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；孫育英等[10]將其應(yīng)用于建筑環(huán)境與能源專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)。鑒于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與新能源汽車教學(xué)方面的研究較少，且新能源汽車實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，本文以新能源汽車變速器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了新能源汽車變速器虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

2系統(tǒng)構(gòu)建

在新能源汽車學(xué)習(xí)過(guò)程中，新能源汽車變速器的學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)是非常重要的教學(xué)內(nèi)容。實(shí)際上，學(xué)生將抽象的汽車零部件理論知識(shí)轉(zhuǎn)換到實(shí)際的操作，存在著一定困難。且由于受汽車零部件資源、實(shí)訓(xùn)工具、實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)、教學(xué)課時(shí)等各方面的限制，難以保障每個(gè)學(xué)生有足夠的空間和時(shí)間進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。因此，使用者通過(guò)該學(xué)習(xí)系統(tǒng)要能獲得一定理論知識(shí)且能進(jìn)行虛擬實(shí)訓(xùn)。該系統(tǒng)具有：（1）仿真性。與實(shí)訓(xùn)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(qiáng)實(shí)用者的沉浸感，提高使用者的學(xué)習(xí)效果；（2）可視化。使用者能夠多角度、多位置觀察，對(duì)新能源汽車變速器整體結(jié)構(gòu)外觀及其所有零部件結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生直觀的認(rèn)識(shí)；（3）交互性。學(xué)習(xí)能力不同的使用者可自行調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度，且有較全面的提示功能，尤其是在進(jìn)行錯(cuò)誤操作時(shí)應(yīng)給予提示；（4）重復(fù)性。使用者可反復(fù)進(jìn)行學(xué)習(xí)；（5）引導(dǎo)性。有良好的教學(xué)引導(dǎo)流程，能調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣及積極性，順利的完成學(xué)習(xí)及虛擬實(shí)訓(xùn)；（6）沉浸式體驗(yàn)性。有比較美觀的場(chǎng)景、音樂(lè)以及流暢的操作體驗(yàn)，讓使用者在操作學(xué)習(xí)系統(tǒng)時(shí)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(xué)習(xí)系統(tǒng)，是在汽車設(shè)計(jì)及汽車?yán)碚摰幕A(chǔ)上，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)，以直觀性、體驗(yàn)性、沉浸性及透徹性的方式展示新能源汽車變速器，同時(shí)進(jìn)行虛擬實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)。它更加貼合以學(xué)生為主體的教學(xué)方式，系統(tǒng)以“引導(dǎo)者”的身份幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，具有更好的實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示：

3虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與展示

本文設(shè)計(jì)的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)，以新能源汽車兩檔變速器的設(shè)計(jì)過(guò)程為依據(jù)，構(gòu)件模型資源，構(gòu)建出新能源汽車虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

3.1仿真模型資源構(gòu)建

UG又稱NX，具有強(qiáng)大的功能板塊可以幫助用戶完成一些復(fù)雜的操作，不僅可以進(jìn)行三維設(shè)計(jì)及模具設(shè)計(jì)等，還可以對(duì)復(fù)雜曲面及復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程[11]。而3dsMAX最顯著的特點(diǎn)是可堆疊的建模步驟、各種3D制作軟件的適配兼容性、強(qiáng)大的渲染功能等，使模型的仿真效果更好，推廣應(yīng)用更方便。因此本文選擇了UG和3dsMAX軟件作為模型資源構(gòu)建的工具，根據(jù)變速器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建了實(shí)訓(xùn)室仿真環(huán)境模型和變速器零部件仿真模型。

3.2學(xué)習(xí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展及新能源汽車變速器的特點(diǎn)，本文選擇Unity3D平臺(tái)作為該學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)的引擎。Unity3D平臺(tái)是一款集3D視覺(jué)游戲、模型可視化、實(shí)時(shí)人機(jī)交互等功能的大型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)能夠適配其他軟件的綜合而專業(yè)的引擎。將實(shí)訓(xùn)室仿真環(huán)境模型和變速器零部件仿真模型轉(zhuǎn)換為FBX格式，作為資源導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D平臺(tái)，其中碰撞檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)交互的關(guān)鍵，給零件添加網(wǎng)格碰撞器，防止對(duì)象互相穿透，給所有的障礙物添加靜態(tài)碰撞器。拆裝實(shí)訓(xùn)模塊通過(guò)使用三個(gè)關(guān)鍵腳本實(shí)現(xiàn)，分別是控制模型移動(dòng)、模型裝配信標(biāo)及模型吸附動(dòng)作，信標(biāo)腳本即當(dāng)模型移動(dòng)到足夠近時(shí)，會(huì)觸發(fā)裝配命令，信標(biāo)的位置即裝配位置。根據(jù)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)的總體架構(gòu)，對(duì)變速器零部件展示模塊、拆裝實(shí)訓(xùn)模塊、背景音樂(lè)模塊等功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，并編寫合適的腳本，同時(shí)通過(guò)腳本控制對(duì)象產(chǎn)生碰撞檢測(cè)和交互，進(jìn)行打包及。圖2為該新能源汽車變速器虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過(guò)程圖。

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款新能源汽車變速器虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可滿足不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)的需要，實(shí)現(xiàn)了用戶操作、結(jié)構(gòu)展示和虛擬實(shí)訓(xùn)拆裝等功能，具有仿真性、交互性、體驗(yàn)性等特點(diǎn)，同時(shí)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)汽車變速器的興趣，是一種輔助實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效學(xué)習(xí)資源。

作者：蔣歡 陳麗 劉朝暉 馮丙寅 單位：邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院