工程機械的虛擬仿真實驗教學設計
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摘要：設計了一種基于計算機網(wǎng)絡和大數(shù)據(jù)的工程機械虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺可以實現(xiàn)用戶操作、場景虛擬及場景選擇等多種實驗教學功能，并且采用了功能性更強的UGNX虛擬仿真技術，以提高虛擬教學平臺的功能性和數(shù)據(jù)共享性。該平臺的功能性表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)實驗教學平臺，數(shù)據(jù)處理的響應值變動更小、效率更高。
關鍵詞：工程機械；虛擬仿真；實驗教學平臺；UGNX
互聯(lián)網(wǎng)與計算機虛擬仿真技術的發(fā)展，為工程機械類專業(yè)的教育教學提供了一個全新的途徑，也使基于網(wǎng)絡的虛擬實驗教學和遠程教育得以實現(xiàn)[1-4]。為滿足工程機械類專業(yè)的教育教學與科技創(chuàng)新的需要，實現(xiàn)教育資源平臺化共享，本文設計了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬仿真實驗教學平臺，利用網(wǎng)絡實驗設備的聯(lián)通性，建立計算機網(wǎng)絡與工程機械實驗設備之間的關聯(lián)，基于互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)教學平臺與實驗設備的資源共享，提高工程機械實驗教學平臺的可拓展性和可維護性[5-7]。
1工程機械虛擬仿真實驗教學平臺的總體架構
本文設計的基于互聯(lián)網(wǎng)和計算機虛擬仿真技術的實驗教學平臺，將理論分析與實驗教學融合于一身，能夠從理論和實踐的雙重視角分析工程機械運動的原理，利用虛擬仿真實驗平臺實現(xiàn)工程機械理論與實踐的統(tǒng)一，為工程機械專業(yè)教學活動提供了一個動態(tài)化、智能化、交互性的教學與實驗環(huán)境[8-9]。該虛擬仿真實驗教學平臺能夠通過視頻、圖像等方式將機械設備的工作過程進行動態(tài)化展現(xiàn)，產(chǎn)生更加直觀和生動的教學效果，使學生更容易掌握工程機械運動的原理。
依托于互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的計算機仿真平臺的突出特點是智能化，可以提供更多種類的教學模式和實驗模式；在交互性的表現(xiàn)方面具有強大的AI性能[10-11]，易于教師與學生的互動和交流，學生在選擇性學習方面有了更大的自主性。由于虛擬仿真實驗教學平臺的教學資源由網(wǎng)絡和大數(shù)據(jù)平臺提供，一方面可以保證所提供的工程機械模型的科學性、時效性和多樣化，能夠應對不同方向的教育教學任務；另一方面也提高了教學資源網(wǎng)絡的共享性和開放性，節(jié)約了教育教學成本。
本文設計的基于網(wǎng)絡與計算機虛擬仿真技術的工程機械實驗教學平臺，是在工程機械設計與機械運動原理的基礎上，結合計算機仿真技術和多媒體技術，以更為直觀和透徹的方式展現(xiàn)工程機械設備的工作原理。它改變傳統(tǒng)實驗教學平臺中過于抽象和單一的表現(xiàn)方式，具有更好的交互性和實驗教學效果。計算機虛擬仿真實驗教學平臺作為一種新型教育教學系統(tǒng)和媒介，為工程機械實驗教學提供了一個高效、穩(wěn)定和經(jīng)濟的教學方式。該虛擬仿真實驗教學平臺的最大特點是以虛擬3D的方式呈現(xiàn)，可以在虛擬與現(xiàn)實之間進行轉換，是多媒體VR技術在教學中應用價值的體現(xiàn)[12]。學生和教師都可以以用戶的身份登錄該平臺，基于輸入/輸出設備向虛擬實驗平臺傳達指令并獲取相關的結果，反饋的結果包括視頻輸出、圖形輸出和文字輸出等不同的形式。平臺還能夠依據(jù)登錄者的要求提供更加完整的實驗數(shù)據(jù)、實驗圖形及工程機械各種參數(shù)變化曲線擬合等。
工程機械虛擬仿真實驗教學平臺總體框架主要由平臺信息導入模塊、實驗教學虛擬交互系統(tǒng)和平臺信息導出界面等3部分構成。工程機械虛擬仿真指令從輸入界面導入，用戶的指令需要轉換為虛擬的計算機語言并進入虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)。虛擬交互系統(tǒng)是虛擬仿真實驗教學平臺的核心模塊，按照用戶的指令提供平臺控制功能、場景虛擬功能、場景選擇功能及各種指令操控功能。平臺信息導出模塊將實驗教學虛擬交互系統(tǒng)模塊計算和處理過的數(shù)據(jù)信息、仿真模型以圖像或視頻的模式顯示出來，從理論和實踐兩個視角展現(xiàn)工程機械運動的過程和基本原理。
2虛擬仿真實驗教學平臺的基礎硬件設計
工程機械虛擬仿真實驗教學平臺由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個部分構成，其中硬件部分是實現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)基礎功能的前提和保證，也是軟件功能得以實施的實物載體。
用于工程機械虛擬仿真的實驗教學平臺核心硬件模塊包括虛擬上位機、信號控制模塊、信號驅(qū)動模塊、仿真運動平臺、信號感應模塊和LED顯示模塊。當用戶開始操作平臺時，信號模塊會將用戶的要求和信息以控制信號的模式導入驅(qū)動模塊，同時虛擬上位機系統(tǒng)參與協(xié)同控制，共同控制虛擬仿真平臺的工作與運行。虛擬仿真實驗教學平臺除了具有必要的電機結構、聯(lián)軸器結構、臺體結構、電控裝置及運動結構之外，還通過編碼器、光柵尺、傳感器等與上位機系統(tǒng)連接，以虛擬現(xiàn)實技術為依托，實現(xiàn)工程機械實驗教學平臺系統(tǒng)的更新與變革。工程機械虛擬平臺系統(tǒng)依靠編碼器、傳感器等讀取用戶的指令信息，再利用信息控制模塊及平臺的電控裝置，傳導信號、輸出指令和導出實驗教學用的相關數(shù)據(jù)和虛擬模型。
3實現(xiàn)流程與關鍵技術
工程機械虛擬仿真實驗教學平臺的系統(tǒng)軟件程序設計，與系統(tǒng)整體框架設計及硬件模塊設計相匹配，平臺的各軟件模塊都圍繞著工程機械設計的基本理論展開。平臺軟件的實現(xiàn)流程包括系統(tǒng)用戶時域信號的分析和系統(tǒng)頻域特征的分析，最終通過對用戶需求的分析和平臺虛擬程序的運轉，輸出各類工程機械工作原理視頻或圖片，以達到提高教育、教學效果的最終目的。
平臺啟動后，用戶按照自己的教學需求和平臺使用規(guī)則載入原始數(shù)據(jù)，并開始進行數(shù)據(jù)轉換，提取符合工程機械標準的性能指標值及相關數(shù)字信號的空間坐標值。系統(tǒng)的軟件模塊和軟件實現(xiàn)流程能夠以程序的方式寫入平臺系統(tǒng)，也可以按照用戶的需求及工程機械的基本原理進行修正，以呈現(xiàn)出不同的信號頻域特征和工程機械模型。
虛擬仿真實驗教學平臺信號的響應速度是衡量平臺軟件系統(tǒng)功能性的主要指標之一。平臺系統(tǒng)在數(shù)據(jù)信號和系統(tǒng)本身固有特性共同作用下，可以將用戶的實驗目的及實驗要求轉化為最終的工程機械虛擬仿真實驗結果，并在顯示模塊中顯示出來。初始階段由用戶數(shù)據(jù)轉換過來的信號為階躍信號，階躍信號可以直接調(diào)動系統(tǒng)平臺的資源，但受到虛擬仿真實驗教學平臺硬件兼容性的限制。當信號無法調(diào)動系統(tǒng)平臺資源時，就需要將階躍信號轉變?yōu)槊}沖信號。平臺的響應信號實質(zhì)上由系統(tǒng)內(nèi)部軟件程序的微分方程及其全部的解構成，在系統(tǒng)平臺開始進行仿真實驗的過程中，基于對仿真信號的傳遞、識別和處理，能夠得到實際的工程機械仿真模擬輸出，但在繪制信號的仿真輸出曲線時會出現(xiàn)一定程度的系統(tǒng)誤差(t)，影響微分方程正確解的總體數(shù)量，因而需要對信號傳輸誤差進行有效控制。系統(tǒng)信號輸出誤差的控制可以通過調(diào)整系統(tǒng)硬件參數(shù)設定或更新軟件程序的方法實現(xiàn)。虛擬仿真實驗教學平臺的頻率響應效率是影響平臺信號諧波輸入及系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應的一個重要因素，輸出曲線的正弦波相位變化及幅值的變化，是顯示虛擬仿真平臺基礎性能的重要指標之一。當進行虛擬仿真實驗時，可以通過修改信號頻率的模式，得到若干組數(shù)據(jù)信號輸出值，使虛擬仿真實驗教學平臺的誤差最小化，得到結果最為真實、準確。
在工程機械虛擬仿真實驗教學平臺的實際應用中，本文采用的UGNX虛擬技術，能夠?qū)敫鞣N3D模型制作軟件，具有更加良好的適配性和兼容性。在虛擬仿真實驗教學中，軟件程序的設計主要基于UGNX虛擬技術來實現(xiàn)，包括3D建模、3D渲染和仿真教學模型的優(yōu)化。利用UGNX虛擬技術進行工程機械仿真實驗教學，基于UGNX技術優(yōu)化虛擬仿真實驗教學平臺的系統(tǒng)屬性和軟件實現(xiàn)流程，并按照用戶的需求模擬真實的工程機械設備進行場景的選擇與設定，添加各種屬性和行為。
虛擬仿真軟件程序在UGNX內(nèi)創(chuàng)建并內(nèi)嵌于虛擬仿真實驗教學平臺之中，實現(xiàn)工程機械的3D建模。創(chuàng)建仿真程序需要對原始的數(shù)據(jù)信號進行標準化處理及虛擬場景的交互，導入機械設備模型的三維數(shù)據(jù)，其中工程機械設備的格式是以系統(tǒng)插件的形式完成的，在數(shù)據(jù)信號格式的轉換中，基于網(wǎng)絡和校園內(nèi)部瀏覽器向平臺輸出相關的實驗教學數(shù)據(jù)，確定虛擬仿真實驗教學的實施路徑，并將最終的虛擬仿真結果以視頻或圖像的形式更為直觀地展現(xiàn)出來。
在工程機械虛擬仿真實驗教學中，為了提高三維展示的直觀性，工程機械內(nèi)部零件都具有一定的透明度，并可以利用UGNX技術將不同的零件輔以不同的顏色，在實驗教學中有助于使用者更為細致地觀察工程機械的運行原理，認識各個內(nèi)部零件之間及與設備整體的邏輯關系。與傳統(tǒng)的工程機械類實驗平臺相比，本文設計的仿真實驗平臺，在仿真的直觀性、準確性、交互性及實驗課堂教學效果方面都具有較大的優(yōu)勢。特別是在平臺系統(tǒng)交互性能方面，利用UGNX技術平衡虛擬仿真平臺總體的架構與節(jié)點安排，使工程機械設備結構的各種特性都能夠全面地展示出來，顯著提高教育教學的交互性與智能性。
4實證結果與分析
4.1虛擬平臺的功能性驗證
首先驗證虛擬仿真實驗平臺的功能性。采用問卷調(diào)查的方式對使用了平臺的師生進行問卷調(diào)查，對于文中提出平臺設計的滿意度問卷調(diào)查統(tǒng)計情況問卷調(diào)查結果顯示，各專業(yè)教師和學生對于虛擬仿真平臺的滿意度均在95%以上，說明文中提出的虛擬仿真平臺相對于傳統(tǒng)平臺具有良好的功能性和實用性，能夠獲得更好的實驗教學效果。
4.2虛擬仿真平臺的性能驗證
教學實驗平臺的信號響應值是衡量系統(tǒng)平臺性能的重要指標，信號響應值越小則證明實驗平臺的信號響應越快速、性能越強。本文以車輛工程專業(yè)教學中的底盤設計為例，分析傳統(tǒng)實驗教學平臺和虛擬仿真實驗平臺的信號傳輸響應值分布情況。該基于互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的工程機械虛擬仿真實驗教學平臺的信號響應值被控制在±1.0之內(nèi)，最高值和最低值分別為0.65和–0.65。從實驗結果可知：本文設計的虛擬仿真實驗教學平臺在系統(tǒng)響應時間上更有優(yōu)勢，尤其是在復雜三維建模中可以提高仿真教學的效率和效果。
5結語
為實現(xiàn)教學資源的整合與資源共享，基于VR技術、UGNX技術和網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)建立虛擬仿真實驗教學平臺具有重要的現(xiàn)實意義。工程機械虛擬仿真實驗教學平臺為實驗教學提供了一種全新的途徑，在專業(yè)課程實驗教學中發(fā)揮了重要作用。在未來虛擬仿真教學平臺的設計與發(fā)展過程中，要使平臺的功能性更加趨于完善，使軟件操作更為便捷，在信號處理及數(shù)據(jù)處理算法設計等方面加以完善，從而提高視頻圖像的精確性和直觀性，強化學生群體對于抽象工程機械運動原理的理解和運用。
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作者：王龍庭 石永軍 姜浩 徐興平 蓋永革 陸富榮 單位：中國石油大學（華東）機電工程學院
