电动汽车3D虚拟仿真教学软件

1       软件背景和必要性

随着发展电动汽车成为汽车工业未来的走向。新能源电动汽车这一行业的迅速崛起，必然带来新能源汽车后市场服务行业大量的人才需求。人才的培养离不开教育，因此，现在很多中职学校或技工院校都已经开始着手新能源汽车维修专业建设。

课程开发是一个专业建设的核心内容。职业教育的课程开发关键的是处理好理论与实践的关系。当今在我国被职教专家和职业学校推崇的是工学结合的理论与实践一体化课程。

本项目主要依据现今主流的工学结合理论实践一体化课程开发路径，在课程开发实践中，边实践、边总结，最终开发出新能源汽车维修专业职业核心能力课程。

2       软件开发内容

2.1开发目标

新能源汽车拆装教学软件以电动汽车对对象，通过结构展示、仿真教学、实训操作、教学课件、理论考试、实操考核等功能，为教师与学生提供新能源汽车仿真教学的工具，可以缩短新能源汽车零部件的拆装实训课时，减少对真实车辆实训拆装的磨损，降低学员实训事故风险，提高教学效率；支持多学员同时在线进行拆装实训，规避了实训设备不全的缺陷，节约了设备投资，节约了实训教学场地；把枯燥的汽车维修理论教学，转化成生动刺激的游戏化仿真教学，充分调动学员的学习积极性。

2.2主要内容                                                   

新能源汽车拆装教学软件包含结构展示、仿真教学功能、模拟仿真教学功能以及课件系统功能、在线考试功能。

（1）结构展示

以3D仿真爆炸图的形式展示整车、电驱系统、动力与控制系统、动力冷却系统、传动系统、转向系统、悬架系统、行车制动系统的各部件结构。

（2）仿真教学功能

对电动汽车电驱系统、动力与控制系统、动力冷却系统、传动系统、转向系统、悬架系统、行车制动系统拆装过程进行教学演示，在三维环境中展示拆装具体流程。使用播放按钮对教学演示流程进行控制，并能输出当前拆装步骤的目标对象、使用工具、注意事项等。

仿真教学可以默认预定的视点或用户选择自有视点，用户可自由变换视点位置；界面提供播放速度控制按钮，用户可根据自身掌握情况，更改播放或暂停、播放速度、单步连续播放等。

在仿真教学过程中，可点击界面右侧的“操作方法”按钮，对操作场景中的“目标对象”、“使用工具”和“注意事项”进行讲解，让用户充分了解教学演示中的内容。

（3）实训操作

通过交互操作方式对电动汽车电驱系统、动力与控制系统、动力冷却系统、传动系统、转向系统、悬架系统、行车制动系统拆装过程进行实际操作，操作过程中，能够选择工具进行操作，系统检验操作过程以及使用工具是否符合规范。

在交互操作状态下，用户可使用鼠标点击三维场景中的物体进行装配。可点击提示框下方的“显示操作对象按钮”，此时需要进行操作对象会显示出闪烁红色状态，而其他物体将呈现透明状，帮助用户顺利完成装配操作。

操作时需要用到工具时，提示此次装配操作需要使用相应装配工具才能完成此次操作。

（4）教学资源库

提供了新能源汽车结构、运行原理、拆装过程等对应的课件，以及其他资源，教师可自行添加、修改软件中的课件，供学生学习使用。可在界面上选择打开并查看所选择的课件。

教学资源编辑主要由专业老师根据课程要求，结合自身教学习惯将教学内容编辑成 word、PPT、PDF 等课件形式加入到软件中，实现教学的自主性和独特性。

（5）理论考试功能

局域网内在线理论考试，试题由教师编辑，随机在题库中抽取生成试卷，并实现了考试自动评分、自动登记成绩功能，使考核实现量化评估。

考试试题题型包括单项选择题、多项选择题、判断题，学生能够使用客户端连接教师机，进行自主考试，自动上传考试结果到教师机，教师机能够通过机器自动批阅实现评分，并能够保存记录。

理论考试由专业老师按照自身教学习惯，结合教学内容，对理论考试模块进行编辑设置，理论考试编辑功能主要由专业老师进行操作。

（6）实训考试功能

局域网内在线仿真操作考试，可由教师端指定仿真操作考试内容，学生端在线进行多人考试，并自动将考试结果传输至教师端，由教师端记录并自动计算考试成绩。考试系统科学、公平、安全、可靠，加强了模拟考试的可操作性。

2.3关键技术

（1）作业过程3D数字化建模

作业过程3D数字化建模包含面向装配的产品结构表示、三维模型信息提取以及装配工艺序列表达三个部分。虚拟环境下的装配过程首先考虑零件的数字模型中零部件之间装配信息的存储、读取与表达。其次，对装配序列规划，装配过程仿真、装配分析等功能进行研究，并根据对应的结果来确定是否达到设计或装配的要求。

（2）模型轻量化技术

模型轻量化技术在不影响画面视觉效果的前提条件下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。该技术通常对每一原始多面体模型建立几个不同逼近精度的几何模型。与原模型相比，每个模型均保留了一定层次的细节。当从近处观察物体时，我们采用精细模型，而当从远处观察物体时则采用较为粗糙的模型。同时，在两个相邻层次模型之间形成光滑的视觉过渡，即几何形状过渡，以避免视点连续地变化时两个不同层次的模型间产生明显的跳跃。这样，计算机在生模型时，根据该物体所在位置与视点间的远近关系不同，分别使用不同精细程度的模型，避免了不必要的计算，既能节约时间又不会降低场景的逼真度，使计算的效率大大提高。

（3）操作指引任务网建模

使用Petri网对系统进行过程建模与分析，形成严格的过程形式化体系，具有许多优点。首先，使用Petri网可以使模型具有精确的定义，避免了非形式化框图技术的模糊性、不确定性和矛盾性。其次，形式化体系可以用来反思过程，方便验证与分析。在本系统中，使用Petri网对系统进行建模，是为了对各功能模块和总体流程的形式化规范表达，可以有效地描述系统原理、分析系统构成，在后期还可以指导程序实现、评估程序效率

（4）立体显示技术

使用分时显示技术以一定的频率交替显示两幅图像，一般的交替频率为30Hz。同时，为了保证每只眼睛只能看到各自相应的图像，用户通过以相同频率同步切换的有源立体眼镜来观察图像。通过对同一场景用左右两个视点分别计算其透视视图，产生两幅具有一定视差的图像，然后借助立体眼镜，使左右双眼只能看到与之对应的图像，视线交于三维空间中的一点上，从而恢复出三维深度信息。

2.4技术指标

项目的具体技术指标包含：

（1）支持通用CAD软件以及三维建模软件的三维模型格式导入，包含prt、x_t、wrl、stp、igs、obj、stl等格式；

（2）具有大型三维模型实时渲染能力，在系统推荐配置的电脑上运行，非立体方式下帧率不低于30帧/秒，立体方式下不低于20帧/秒；

（3）支持光照、环境纹理等效果，能够在三维环境下对真实场景进行仿真；

（4）可视化系统支持立体显示，支持主流的主动立体（快门式）、被动立体（偏正式）显示或投影设备。

（5）具有较好的稳定性，能连续无故障运行12小时以上。

3     软件实施技术方案

新能源汽车拆装教学软件是一个基于数字样机的操作仿真平台，能够为新能源汽车的维修操作培训人员提供虚拟的操作练习环境。软件利用3D数字化维修手册的工艺操作信息，生成支持包含结构展示、仿真教学、实训操作、实训考核、教学资源查看等功能在内的培训系统，系统的模块结构图如下图所示。

新能源汽车拆装教学软件模块结构图

1)       仿真逻辑控制模块

l  整个仿真系统的逻辑控制中心，负责系统的初始化、运行、模块调用、退出等功能；

l  负责各个模块之间的输入输出协调、模快间消息通信、多线程间的信号同步等。

2)       拆装过程管理模块

l  读取数字化拆装手册中的维修工艺信息，生成支持仿真培训的工艺操作序列；

l  维修逻辑控制：对维修逻辑进行描述，对用户的维修过程进行描述、控制与存储；

l  维修工艺管理：记录维修过程中每一步骤的工艺信息，包括维修对象、操作工具、注意事项、维修工艺动画等，为维修逻辑控制提供数据支持；

3)       三维图形渲染模块

l  读取数字化维修手册中的三维模型信息，将维修过程中相关的三维模型加载到系统中；

l  维护系统的三维场景树，接收仿真逻辑控制模块发送的物体位置、状态等的信息，查找场景树中与仿真模型对应的三维显示模型节点，并更新相关信息；

l   计算当前视点位置，根据视点信息、场景树的当前状态进行裁剪、渲染，生成虚拟场景图像并显示。

4)       三维交互操作界面

l  在三维环境中显示三维菜单，支持鼠标、触摸等交互操作，用于菜单的选择；

l  通过碰撞检测技术实现三维场景中的模型拾取、框选等，用于用户在三维环境中的交互。

在此基础上，实现了仿真教学、实训操作、教学资源以及实训考核功能，用于维修操作流程的交互式操作培训。

4       软件创新点

本软件具有如下创新点：

1） 使用高仿真度的虚拟环境对新能源汽车拆装过程进行模拟，仿真操作环境、仿真操作对象、操作流程与实际环境、操作对象、操作过程一致；

2）具有设备操作工艺支持库，用户可根据实际产品对象对库进行添加、删除、编辑等，不断完善与丰富库的内容；

3） 支持虚拟操作过程中工具的使用，用户通过操作虚拟工具进行对应的拆装操作，掌握这些对象的操作要求和操作流程；

4）支持立体显示，用户可使用系统自带的立体眼镜在操作中全程获得立体效果，获得更好的沉浸感与真实感。

5）系统可根据学员的仿真操作过程中操作指令对操作过程进行自动评分，简化了考试流程以及教师的评分工作量，达到公平公正的目的。

6）该系统能够拓展到支持通用机械、机电、电器类产品的操作过程，用户可对虚拟操作对象、虚拟场景、操作流程等进行自定义。