汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用虛擬技術(shù)在汽車旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定研究中的應(yīng)用，可以克服數(shù)值模擬中缺乏真實(shí)環(huán)境感和形象表現(xiàn)的缺點(diǎn)。虛擬爭吵模擬包括使用汽車動(dòng)態(tài)分析數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境中的汽車模型，并將測試過程中的不同狀態(tài)更改到計(jì)算機(jī)屏幕上。在虛擬技術(shù)的互動(dòng)手段上，他們創(chuàng)造了“在場”的感覺，讓研究人員和普通用戶了解汽車旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，評估設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)早期評估汽車性能，并改變設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，加速新產(chǎn)品的開發(fā)速度，降低開發(fā)成本。本文從車輛運(yùn)行穩(wěn)定虛擬測試系統(tǒng)中組成，建立車輛模型和模型的建設(shè)，開始構(gòu)建數(shù)據(jù)模型模型，并對虛擬旋轉(zhuǎn)虛擬測試進(jìn)行探討。1性能分析的通過操縱穩(wěn)定性虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能:(1)虛擬場景與車輛參數(shù)化模型、路面模型等之間的信息傳遞;(2)駕駛員行為控制信息的導(dǎo)入,對車輛進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析,獲取車輛性能的參數(shù);(3)逼真地反映試驗(yàn)過程,駕駛員可沉浸到試驗(yàn)中,感受試驗(yàn)中車輛狀態(tài)的變化;(4)對車輛操縱穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià).為使用戶沉浸到虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)中,還需要具備產(chǎn)生臨場感覺的傳感器設(shè)備,如立體顯示、位置與方向跟蹤、觸覺反饋、語音控制輸入等.根據(jù)上述需求,車輛操縱穩(wěn)定性虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)可劃分為輸入模塊、動(dòng)力學(xué)分析模塊、虛擬試驗(yàn)?zāi)K、評價(jià)模塊、接口模塊等,模塊之間通過接口函數(shù)進(jìn)行信息傳遞.使用模塊構(gòu)成的方法增加了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性,整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.2動(dòng)態(tài)和實(shí)體模型的構(gòu)建2.1汽車整車模型仿真操縱穩(wěn)定性的動(dòng)力學(xué)分析過程中應(yīng)包含駕駛員閉環(huán)控制的信息,并可根據(jù)車輛模型修改相應(yīng)的輸入?yún)?shù).使用參數(shù)化建模方法建立車輛操縱穩(wěn)定性的動(dòng)力學(xué)模型,用戶可根據(jù)需要調(diào)整車輛模型參數(shù),在仿真分析中再選擇對應(yīng)的駕駛員模型進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的分析研究.以桑塔納轎車參數(shù)為依據(jù),采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS/CAR的模板技術(shù),將汽車整車分為前懸架、后懸架、轉(zhuǎn)向系、輪胎等模塊,分別建立各個(gè)子模塊的虛擬樣機(jī)模型,再將各子模塊裝配成整車模型,建立如圖2所示的虛擬汽車模型.整車模型具有48個(gè)自由度,通過仿真計(jì)算得到車輛操縱穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù).2.2響仿真實(shí)時(shí)性(1)實(shí)體結(jié)構(gòu)建模.實(shí)體結(jié)構(gòu)建模就是賦予汽車模型三維實(shí)體結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、顏色等外觀特征.直接把ADAMS的車輛模型存為DXF文件,導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)編程環(huán)境中,發(fā)現(xiàn)模型存在以下不足:①模型太大,整車模型約有1.6×104多個(gè)多邊形,裝入場景中時(shí)間太長,影響仿真實(shí)時(shí)性;②由于格式不完全兼容,在轉(zhuǎn)換過程中造成部分信息丟失;③汽車的分層結(jié)構(gòu)沒有傳遞過來,轉(zhuǎn)換的模型只是一個(gè)塊結(jié)構(gòu),在試驗(yàn)過程中無法對汽車各部分的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行操縱控制.因此需要對整個(gè)模型進(jìn)行再處理.采用3DMax軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模,其真實(shí)感較強(qiáng),圖3是由800多個(gè)多邊形組成的試驗(yàn)汽車實(shí)體結(jié)構(gòu)模型.(2)行為建模.行為建模就是賦予模型物理屬性和“與生俱來”的、符合其內(nèi)在客觀規(guī)律的行為與反應(yīng)的能力,模型中體現(xiàn)這些關(guān)系、特征和規(guī)律,車輛在虛擬世界就具有逼真感.通過行為建模,實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化以及組成部件之間的相互運(yùn)動(dòng).本文使用控制節(jié)點(diǎn)T3把試驗(yàn)汽車的車身幾何體、輪胎組節(jié)點(diǎn)等的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來,而車身與輪胎之間的運(yùn)動(dòng)通過控制節(jié)點(diǎn)T4來約束,如圖4所示.為避免信息的傳播累加,使用分離節(jié)點(diǎn)把輪胎的變化信息與其他節(jié)點(diǎn)分離開來.3節(jié)點(diǎn)的作用與類型虛擬場景建模采用面向?qū)ο蟮姆椒ê头謱幽K化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),利用樹形結(jié)構(gòu)組織不同對象,一方面可以提高程序運(yùn)行效率,改善實(shí)時(shí)性的問題;另一方面通過仿真引擎進(jìn)行渲染,解決了虛擬對象行為和幾何模型的分離問題.在程序開發(fā)中,根據(jù)面向?qū)ο蟮膱鼍敖Y(jié)構(gòu)分別開發(fā)出相應(yīng)的類,將虛擬場景節(jié)點(diǎn)對應(yīng)CScene類,靜態(tài)組節(jié)點(diǎn)對應(yīng)CStaticScene類,汽車組節(jié)點(diǎn)對應(yīng)CVehicle類,虛擬試驗(yàn)場的樹型結(jié)構(gòu)如圖4所示.節(jié)點(diǎn)T1控制操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)在整個(gè)試驗(yàn)場中的位置,T2控制蛇行線試驗(yàn)場的相對位置…….虛擬場景分層結(jié)構(gòu)中大量使用了分離組節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的功能是阻止?fàn)顟B(tài)信息從它的子孫傳播到它的兄弟姐妹.狀態(tài)信息(如光、霧、車輛的位置與方向等)具有累加傳播性能,有時(shí)并不希望這種狀態(tài)傳播;如在汽車結(jié)構(gòu)中,輪胎節(jié)點(diǎn)的上面還有懸架等系統(tǒng),如果把輪胎的自身旋轉(zhuǎn)、側(cè)偏等運(yùn)動(dòng)加到懸架等系統(tǒng)中,結(jié)果與真實(shí)情況相違背.用節(jié)點(diǎn)封裝技術(shù)把所有的狀態(tài)變化信息全部封裝在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部,在遍歷該節(jié)點(diǎn)前,把當(dāng)前的信息變化拷貝下來,處理完該節(jié)點(diǎn)后恢復(fù)原先的狀態(tài).虛擬試驗(yàn)中,逼真的場景有助于沉浸感.對場景進(jìn)行諸如光照、霧化、紋理映射等描述,可以形成較好的視覺感受.故人機(jī)交互界面可以根據(jù)需要改變光、霧信息,獲得不同光照、霧化條件下的場景.程序開發(fā)中缺省的光源情況為:直射光(主光)照亮整個(gè)場景,環(huán)境光增加場景對比度.WTK編輯的直射光為:虛擬場景的霧化處理效果如圖5所示.聲音也是虛擬場景中的重要部分,在試驗(yàn)開始、結(jié)束時(shí)加入了汽車啟動(dòng)、停車的聲音,試驗(yàn)中根據(jù)車輛速度的快慢加入了相應(yīng)的聲音信息,其實(shí)現(xiàn)方法如下:4立體視覺的實(shí)現(xiàn)操縱穩(wěn)定性虛擬試驗(yàn)的基本原理和數(shù)據(jù)的映射如圖6所示.這里需要處理的主要數(shù)據(jù)有方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角、側(cè)向位移等數(shù)據(jù).在虛擬試驗(yàn)過程中既要根據(jù)試驗(yàn)過程的變化不斷刷新場景,又要根據(jù)仿真分析數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地改變虛擬場景中汽車的狀態(tài),協(xié)調(diào)好汽車各部件之間的運(yùn)動(dòng),場景與汽車的變化要保持同步,才能為駕駛員提供一個(gè)逼真的試驗(yàn)過程,產(chǎn)生與真實(shí)試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)相同的效果.前面在汽車模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中預(yù)留了運(yùn)動(dòng)接口,這里把仿真數(shù)據(jù)應(yīng)用到對應(yīng)的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)上,就可實(shí)現(xiàn)汽車按照其運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律的運(yùn)動(dòng).其中實(shí)現(xiàn)車身的前進(jìn)、偏移、側(cè)傾的主要代碼如下:圖7顯示了桑塔納轎車單移線虛擬試驗(yàn)過程中場景、數(shù)據(jù)顯示儀表以及汽車狀態(tài)變化.立體視覺是產(chǎn)生“沉浸感”、“身臨其境”的關(guān)鍵.利用立體視覺,用戶可沉浸到虛擬試驗(yàn)環(huán)境中,通過周圍場景的變化體驗(yàn)試驗(yàn)過程中汽車的偏移、側(cè)傾等運(yùn)動(dòng)變化.基于雙目視差原理,本系統(tǒng)中使用AGC-ViewerG立體觀測系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)立體視覺,如圖8(a)所示.具體實(shí)現(xiàn)方法如下:在計(jì)算機(jī)上生成上、下兩幅完全相同的圖像,觸發(fā)控制器上的立體實(shí)現(xiàn)按鈕,使其分別對應(yīng)左、右眼的圖像,通過液晶光閘眼鏡就可在屏幕上看到全屏的立體圖像.程序代碼是:WTuniverse-new(WTDISPLAY-CRYSTALEYES,WTWINDOW-STEREO);雙目視差窗口如圖8(b)所示.5虛擬試驗(yàn)與實(shí)車試驗(yàn)的關(guān)系實(shí)車試驗(yàn)主要是驗(yàn)證虛擬試驗(yàn)的可信度,從以下兩個(gè)方面進(jìn)行:(1)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比.用桑塔納轎車在不同行駛速度進(jìn)行了單移線、雙移線、蛇行線等操縱穩(wěn)定性實(shí)際試驗(yàn).圖9為車速40km/h單移線試驗(yàn)時(shí),汽車的橫擺角速度ωr、方向盤轉(zhuǎn)角θ、橫向加速度ay、側(cè)傾角γ實(shí)測值與虛擬試驗(yàn)值的對比曲線.虛擬試驗(yàn)的數(shù)據(jù)就是車輛動(dòng)力學(xué)模型仿真的數(shù)據(jù),虛擬試驗(yàn)中由仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)汽車的行駛和位姿的變化.由曲線對比可知,實(shí)車測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)具有較好的一致性,說明車輛模型以及動(dòng)力學(xué)計(jì)算部分是正確的,所建立的車輛模型能夠反映實(shí)際的車輛運(yùn)行情況.(2)試驗(yàn)場景對比.試驗(yàn)過程中,用攝像機(jī)分別從整體和局部(駕駛員角度)兩個(gè)角度拍攝場景的變化,將拍攝的場景變化信息與虛擬試驗(yàn)中的所對