面向汽车构造教学的虚拟拆装实训教学平台

王建华, 刘茂淳, 翁敬怡, 麦棹铭, 温文昊

(吉林大学 汽车工程学院,长春 130000)

0 引 言

为培养高素质的工程人才，强化其工程实践能力和工程设计能力，应充分发挥实训教学在整个工程教育中的重要作用。在汽车工程院校中，汽车拆装实训作为重要的教学组成部分，涉及工程力学、机械设计等基础学科的学习和利用，并通过实训教学及对拆装与调试等专项技能的运用的教学模式，将理论知识和实践能力有机结合，有利于人才素质的培养[1-4]。然而，目前的汽车零部件拆装实训课程还广泛采用传统的教学方法，在拆装实训的便利性、效率等方面存在以下问题：

(1) 在实训过程中，操作不当易导致教学用具的损耗，长时间的使用可能导致部分教具零件的丢失、受损，影响学生的正常使用。

(2) 汽车技术发展速度快、汽车零部件类型多样化，难以保证有足够的新式教具供拆装实训使用，易造成学校教学与时代脱节，不利于学生了解最新的前沿技术。

(3) 现有的拆装教学方式不利于学生自学。由于实验室开放时间的限制，学生个性化的学习需求无法满足。

(4) 传统教学不够生动形象，不利于提高学生积极性。学生在课堂上接触到的零部件均为静态展示，不利于其对工作原理的理解和学习。

由于以上问题的存在，本研究致力于将虚拟现实技术与传统实训课程有机的结合起来，以解决上述问题[5-6]。

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术以及网络技术等多种技术的集合[7-8]。虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面[9]。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像[10-11]。感知是指理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有触觉、力觉、听觉、运动等感知，甚至还包括味觉和嗅觉等，也称为多感知[12-13]。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，分别反馈到用户的五官。

本研究将传统实训课程的全部教学内容虚拟化，以虚拟现实的效果呈现出来。课前学生可以将平台作为预习或正式拆装前演练工具；授课过程中可以作为课上内容的补充，增强趣味性；课后可为学生自由复习所用；以此来丰富传统的实训课程[14-15]。

1 虚拟拆装教学平台设计

该汽车零部件虚拟拆装教学平台是基于虚拟现实技术(见图1)进行设计的，用于辅助传统的拆装实训教学，将理论知识和拆装实训结合为一个有机系统，通过软、硬件实现人机交互的效果，最终通过本虚拟平台呈现。平台包括对软件操作和开发背景及功能的软件简介部分；对拆装要点、拆装工具和零部件结构功能的理论学习部分；提供不同型号的发动机、变速箱、底盘、车身的零部件库，以及设置“拆”或“装”选项和最终对拆装过程中要点的总结、拆装操作评分的拆装实习部分(见图2)。

图1 虚拟现实技术框架图

图2 汽车零部件虚拟拆装教学平台主要功能

平台由软件与硬件两部分组成，软件部分包括拆装教学平台、软件脚本及零部件模型库3大模块；硬件部分包括虚拟现实头戴设备、操作手柄以及系统的启动按钮(见图3)。

图3 汽车零部件虚拟拆装教学平台设计框架

1.1 软件部分

虚拟拆装教学平台由拆装场景、拆装工具及用户界面构成，作为平台的底层基础模块，该部分向使用者提供了舒适的用户体验感。软件脚本包括拆装控制脚本和用户界面控制脚本(见图4)，用于整个拆装过程的流程设计和动作规划及界面设计。

图4 用户界面控制脚本

基于实际汽车构造，零部件模型库模块分为发动机、变速箱、底盘及车身4部分，其中，发动机又分为直列式、V型、水平对置、W型等类型；变速箱分为手动和自动两种，自动变速箱又细分为传统自动变速箱、无极变速箱和双离合器变速箱；底盘具体细化为传动系、行驶系、转向系和制动系；车身分为承载式车身和非承载式车身两种。

1.2 硬件部分

硬件部分包括虚拟现实头戴设备、操作手柄和启动按钮。通过对硬件的进一步改造，使其和软件部分相适应并形成一个有机的整体，在将拆装教学过程虚拟化的同时实现人机交互，增强用户体验感，并最终通过虚拟拆装教学平台将整个过程展现出来。

2 汽车零部件虚拟拆装教学平台实训案例

2.1 虚拟现实工具的选择

虚拟现实拆装平台开发引擎，也就是为搭建这个拆装教学平台提供解决方法(如渲染、物理状态、碰撞检测、音效、脚本动画等)的软件。如今市场上常见的虚拟现实开发引擎有：Virtools、Unity 3D、EON Studio、Quest-3D等。而选择Unity 3D作为本拆装教学平台的开发引擎的原因如下：

(1) Unity 3D 是最佳游戏开发软件之一，可以实时处理大量的三维模型，画质强，互动性良好，有很多由其开发的互动性游戏足以说明Unity 3D是一款具有很强的互动性的软件。Unity 3D的开发界面友好，层次分明，适合初学者使用。为了优化渲染效果，Unity 3D支持凹凸贴图、反射贴图、环境剔除、阴影贴图等技术来对其中的对象进行渲染。

(2) Unity 3D支持JavaScript和C #两种语言作为程序脚本。C#是微软公司发布的一种面向对象的高级程序设计语言。具有语法相对简洁、与Web紧密结合、完整的安全性与错误处理等特点，但它也存在着如下一些缺点：不允许程序出现任何错误，加大了编写程序的难度；不考虑代码量，很多常用的工具有局限性。因此会耗费程序员大量的时间。但其完整度较高，可保证程序的完善性，学习资源丰富。因此选择C#作为本文的脚本语言。

(3) 更重要的是，Unity 3D能够跨平台开发游戏，可以通过发布设置将游戏发布到Windows、Mac、Ios、Android等操作系统。这样就方便本文的拆装教学平台在不同的系统中使用，有利于该拆装教学平台的普及。

综上所述，选择Unity 3D作为本拆装教学平台的开发引擎。

2.2 零部件建模

汽车由多种零部件构成，以其中最复杂、最核心的汽车部件——发动机为例描述建模过程。

本平台通过CATIA V5R21进行发动机模型的构建以及虚拟装配，然后将建好的模型整体导入3Ds Max进行格式转换，再导入虚拟现实制作软件中。

(1) 分别列出所要拆装的发动机包含的各个总成，并按机构或系统进行整理。

(2) 对各个总成进行进一步拆解成零部件，并分为标准件和非标准件两大类，以便建模时能在零件库中调用。以机构或系统为单位，用CATIA V5R21对其中的各个零件进行建模。由于发动机零部件的数量较为庞大，分组建模有助于对各零件的管理，以防丢失或混乱。像活塞、连杆、曲轴等非标准件，可以通过CATIA V5R21中如零件设计、创成式外形设计等不同模块进行建模。而对于螺栓、螺钉、螺母、齿轮等标准件则可以直接使用CATIA V5R21自带的标准零件，也可以从外部调入标准零件库来使用标准件，这样便极大提高了工作效率。

(3) 完成各零件建模后，先将各零部件进行初步装配，形成模块化的总成。然后，根据各总成之间的装配关系，在CATIA V5R21的装配设计中对各个总成进行虚拟装配。

由于所选择的虚拟现实软件Unity 3D不支持CATIA V5R21现有的格式的模型导入，因此选择3Ds Max作为中转平台，使模型能够顺利导入虚拟现实软件中。此外，若直接通过3Ds Max将模型整体(见图5)导入Unity3D，模型会以相互关联的整体形式呈现，不便于后续操作。因此将发动机模型导入3Ds Max后，应有序的将发动机拆分成零件，然后保存为Unity 3D能接收的.fbx格式。完成格式转换后，导入Unity 3D中。

为了便于对各零部件的识别，增强用户的视觉体验，通过Unity 3D对零件进行贴图处理(见图6)，使关键的零部件能够被突出体现。此外为了方便零部件的管理，减少对内存空间及图像处理器线程的占用，本平台在层次面板按照实际拆装要求对零件以总成形式建立父子关系，并且将各总成制作成相应的预制体。

图5 3DMax软件中的发动机模型

图6 Unity 3D开发界面

至此，完成了模型的构建。

3 拆装教学平台的现实效果

通过软件开发工具包，即一种用C#语言编写的Unity插件来进行用户界面系统设计，使系统具有符合用户需求的交互界面。其中包含了:主界面、软件简介及软件操作说明、设有包含不同型号的汽车各部件的零部件模型库、拆装前的要点介绍和注意事项，并设有拆装工具的介绍及使用说明、拆装过程中的步骤提示、拆装后整个操作过程的要点总结和评分以给予用户实时反馈。平台实现了将理论知识教学和实际拆装有机结合成一套完备的虚拟现实教学体系的设计初衷。简便、自然、友好的交互界面让用户能方便地了解该平台的作用以及拆装顺序和部件名称。虚拟现实眼镜的呈现方式使模型立体化，让用户能够从不同视角进行观察和拆装，极大的提高了人机交互体验。此外，以发动机为例，其模型较为完整，包含有曲柄连杆机构、配气机构、供给系统、点火系统、冷却系统、润滑系统和起动系统及各类附件，这能让模型更接近于真实拆装的发动机。拆装的每一步骤都有相应的指示与引导，并且通过C#语句对拆装顺序进行了严格的规定，保证了拆装的过程尽可能的严谨科学，以达到让用户掌握拆装知识这一根本的教学目的。因此，本虚拟拆装教学平台(见图7、8)能够很好地应用于面向汽车构造的拆装教学实训中。

图7 教学平台开始界面

图8 在Unity 3D中进行软件运行调试

4 结 语

虚拟现实技术拥有多感知性、交互性强、使用方便灵活等优点，在教学领域可以得到诸多应用。而目前的拆装实训又存在设备数量有限、易损坏、教学用具更新速度有限等限制，所以开发一套汽车零部件虚拟拆装教学平台对拆装实习教学有很大帮助。该教学平台能将抽象的讲述变成具体的操作，使教师的教学过程更加生动，让学生学习拆装的过程变得轻松、便捷、安全、深刻。学生可以随时随地进行考察与训练，不再受场地和设备的制约，真正让教学走出教室，这对现代化教育的建设具有积极意义。

为适应未来虚拟现实技术不断与现代工业生产和现代教育紧密结合的这一发展潮流，应对现有的虚拟拆装教学平台进行完善。例如，对该发动机虚拟拆装平台的拆装资源库进行进一步扩充，加入各种不同汽车零部件，将它扩展为汽车零部件拆装教学平台，乃至成为一个综合的机械零部件拆装平台。同时，加入如实时反馈、机器运行展示以满足现代化教学的需求，实现虚拟现实技术与现代化教学的融合。