汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗系統(tǒng)設計

汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗系統(tǒng)設計

使用虛擬技術在汽車旋轉穩(wěn)定研究中的應用，可以克服數(shù)值模擬中缺乏真實環(huán)境感和形象表現(xiàn)的缺點。虛擬爭吵模擬包括使用汽車動態(tài)分析數(shù)據(jù)來驅動虛擬環(huán)境中的汽車模型，并將測試過程中的不同狀態(tài)更改到計算機屏幕上。在虛擬技術的互動手段上，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的穩(wěn)定性，評估設計人員在設計早期評估汽車性能，并改變設計錯誤，加速新產品的開發(fā)速度，降低開發(fā)成本。本文從車輛運行穩(wěn)定虛擬測試系統(tǒng)中組成，建立車輛模型和模型的建設，開始構建數(shù)據(jù)模型模型，并對虛擬旋轉虛擬測試進行探討。1性能分析的通過操縱穩(wěn)定性虛擬試驗系統(tǒng)應具有如下功能:(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入,對車輛進行運動學、動力學分析,獲取車輛性能的參數(shù);(3)逼真地反映試驗過程,駕駛員可沉浸到試驗中,感受試驗中車輛狀態(tài)的變化;(4)對車輛操縱穩(wěn)定性進行評價.為使用戶沉浸到虛擬試驗系統(tǒng)中,還需要具備產生臨場感覺的傳感器設備,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)定性虛擬試驗系統(tǒng)可劃分為輸入模塊、動力學分析模塊、虛擬試驗模塊、評價模塊、接口模塊等,模塊之間通過接口函數(shù)進行信息傳遞.使用模塊構成的方法增加了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性,整個系統(tǒng)的結構圖如圖1所示.2動態(tài)和實體模型的構建2.1汽車整車模型仿真操縱穩(wěn)定性的動力學分析過程中應包含駕駛員閉環(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)定性的動力學模型,用戶可根據(jù)需要調整車輛模型參數(shù),在仿真分析中再選擇對應的駕駛員模型進行閉環(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)動力學軟件ADAMS/CAR的模板技術,將汽車整車分為前懸架、后懸架、轉向系、輪胎等模塊,分別建立各個子模塊的虛擬樣機模型,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個自由度,通過仿真計算得到車輛操縱穩(wěn)定性動力學數(shù)據(jù).2.2響仿真實時性(1)實體結構建模.實體結構建模就是賦予汽車模型三維實體結構、材質、顏色等外觀特征.直接把ADAMS的車輛模型存為DXF文件,導入虛擬現(xiàn)實編程環(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多個多邊形,裝入場景中時間太長,影響仿真實時性;②由于格式不完全兼容,在轉換過程中造成部分信息丟失;③汽車的分層結構沒有傳遞過來,轉換的模型只是一個塊結構,在試驗過程中無法對汽車各部分的運動進行操縱控制.因此需要對整個模型進行再處理.采用3DMax軟件進行三維實體建模,其真實感較強,圖3是由800多個多邊形組成的試驗汽車實體結構模型.(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、符合其內在客觀規(guī)律的行為與反應的能力,模型中體現(xiàn)這些關系、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,實現(xiàn)試驗過程中汽車運動狀態(tài)的變化以及組成部件之間的相互運動.本文使用控制節(jié)點T3把試驗汽車的車身幾何體、輪胎組節(jié)點等的運動聯(lián)系起來,而車身與輪胎之間的運動通過控制節(jié)點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)點把輪胎的變化信息與其他節(jié)點分離開來.3節(jié)點的作用與類型虛擬場景建模采用面向對象的方法和分層模塊化結構進行設計,利用樹形結構組織不同對象,一方面可以提高程序運行效率,改善實時性的問題;另一方面通過仿真引擎進行渲染,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)面向對象的場景結構分別開發(fā)出相應的類,將虛擬場景節(jié)點對應CScene類,靜態(tài)組節(jié)點對應CStaticScene類,汽車組節(jié)點對應CVehicle類,虛擬試驗場的樹型結構如圖4所示.節(jié)點T1控制操縱穩(wěn)定性試驗在整個試驗場中的位置,T2控制蛇行線試驗場的相對位置…….虛擬場景分層結構中大量使用了分離組節(jié)點,節(jié)點的功能是阻止狀態(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,有時并不希望這種狀態(tài)傳播;如在汽車結構中,輪胎節(jié)點的上面還有懸架等系統(tǒng),如果把輪胎的自身旋轉、側偏等運動加到懸架等系統(tǒng)中,結果與真實情況相違背.用節(jié)點封裝技術把所有的狀態(tài)變化信息全部封裝在節(jié)點內部,在遍歷該節(jié)點前,把當前的信息變化拷貝下來,處理完該節(jié)點后恢復原先的狀態(tài).虛擬試驗中,逼真的場景有助于沉浸感.對場景進行諸如光照、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,在試驗開始、結束時加入了汽車啟動、停車的聲音,試驗中根據(jù)車輛速度的快慢加入了相應的聲音信息,其實現(xiàn)方法如下:4立體視覺的實現(xiàn)操縱穩(wěn)定性虛擬試驗的基本原理和數(shù)據(jù)的映射如圖6所示.這里需要處理的主要數(shù)據(jù)有方向盤轉角、橫擺角速度、側向加速度、側傾角、側向位移等數(shù)據(jù).在虛擬試驗過程中既要根據(jù)試驗過程的變化不斷刷新場景,又要根據(jù)仿真分析數(shù)據(jù)實時地改變虛擬場景中汽車的狀態(tài),協(xié)調好汽車各部件之間的運動,場景與汽車的變化要保持同步,才能為駕駛員提供一個逼真的試驗過程,產生與真實試驗運動相同的效果.前面在汽車模型結構設計中預留了運動接口,這里把仿真數(shù)據(jù)應用到對應的轉換節(jié)點上,就可實現(xiàn)汽車按照其運動學規(guī)律的運動.其中實現(xiàn)車身的前進、偏移、側傾的主要代碼如下: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.立體視覺是產生“沉浸感”、“身臨其境”的關鍵.利用立體視覺,用戶可沉浸到虛擬試驗環(huán)境中,通過周圍場景的變化體驗試驗過程中汽車的偏移、側傾等運動變化.基于雙目視差原理,本系統(tǒng)中使用AGC-ViewerG立體觀測系統(tǒng)來實現(xiàn)立體視覺,如圖8(a)所示.具體實現(xiàn)方法如下:在計算機上生成上、下兩幅完全相同的圖像,觸發(fā)控制器上的立體實現(xiàn)按鈕,使其分別對應左、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虛擬試驗與實車試驗的關系實車試驗主要是驗證虛擬試驗的可信度,從以下兩個方面進行:(1)試驗數(shù)據(jù)對比.用桑塔納轎車在不同行駛速度進行了單移線、雙移線、蛇行線等操縱穩(wěn)定性實際試驗.圖9為車速40km/h單移線試驗時,汽車的橫擺角速度ωr、方向盤轉角θ、橫向加速度ay、側傾角γ實測值與虛擬試驗值的對比曲線.虛擬試驗的數(shù)據(jù)就是車輛動力學模型仿真的數(shù)據(jù),虛擬試驗中由仿真數(shù)據(jù)驅動汽車的行駛和位姿的變化.由曲線對比可知,實車測試數(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力學計算部分是正確的,所建立的車輛模型能夠反映實際的車輛運行情況.(2)試驗場景對比.試驗過程中,用攝像機分別從整體和局部(駕駛員角度)兩個角度拍攝場景的變化,將拍攝的場景變化信息與虛擬試驗中的所對