工程機(jī)械的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

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摘要：設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)的工程機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)用戶操作、場(chǎng)景虛擬及場(chǎng)景選擇等多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，并且采用了功能性更強(qiáng)的UGNX虛擬仿真技術(shù)，以提高虛擬教學(xué)平臺(tái)的功能性和數(shù)據(jù)共享性。該平臺(tái)的功能性表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，數(shù)據(jù)處理的響應(yīng)值變動(dòng)更小、效率更高。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)；UGNX

互聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，為工程機(jī)械類專業(yè)的教育教學(xué)提供了一個(gè)全新的途徑，也使基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和遠(yuǎn)程教育得以實(shí)現(xiàn)[1-4]。為滿足工程機(jī)械類專業(yè)的教育教學(xué)與科技創(chuàng)新的需要，實(shí)現(xiàn)教育資源平臺(tái)化共享，本文設(shè)計(jì)了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的聯(lián)通性，建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)，基于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)教學(xué)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的資源共享，提高工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的可拓展性和可維護(hù)性[5-7]。

1工程機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基于互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，將理論分析與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合于一身，能夠從理論和實(shí)踐的雙重視角分析工程機(jī)械運(yùn)動(dòng)的原理，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械理論與實(shí)踐的統(tǒng)一，為工程機(jī)械專業(yè)教學(xué)活動(dòng)提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)化、智能化、交互性的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境[8-9]。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠通過視頻、圖像等方式將機(jī)械設(shè)備的工作過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)化展現(xiàn)，產(chǎn)生更加直觀和生動(dòng)的教學(xué)效果，使學(xué)生更容易掌握工程機(jī)械運(yùn)動(dòng)的原理。

依托于互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)的突出特點(diǎn)是智能化，可以提供更多種類的教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑辉诮换バ缘谋憩F(xiàn)方面具有強(qiáng)大的AI性能[10-11]，易于教師與學(xué)生的互動(dòng)和交流，學(xué)生在選擇性學(xué)習(xí)方面有了更大的自主性。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)資源由網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供，一方面可以保證所提供的工程機(jī)械模型的科學(xué)性、時(shí)效性和多樣化，能夠應(yīng)對(duì)不同方向的教育教學(xué)任務(wù)；另一方面也提高了教學(xué)資源網(wǎng)絡(luò)的共享性和開放性，節(jié)約了教育教學(xué)成本。

本文設(shè)計(jì)的基于網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，是在工程機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和多媒體技術(shù)，以更為直觀和透徹的方式展現(xiàn)工程機(jī)械設(shè)備的工作原理。它改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中過于抽象和單一的表現(xiàn)方式，具有更好的交互性和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)作為一種新型教育教學(xué)系統(tǒng)和媒介，為工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)高效、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的教學(xué)方式。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的最大特點(diǎn)是以虛擬3D的方式呈現(xiàn)，可以在虛擬與現(xiàn)實(shí)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，是多媒體VR技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用價(jià)值的體現(xiàn)[12]。學(xué)生和教師都可以以用戶的身份登錄該平臺(tái)，基于輸入/輸出設(shè)備向虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)傳達(dá)指令并獲取相關(guān)的結(jié)果，反饋的結(jié)果包括視頻輸出、圖形輸出和文字輸出等不同的形式。平臺(tái)還能夠依據(jù)登錄者的要求提供更加完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)圖形及工程機(jī)械各種參數(shù)變化曲線擬合等。

工程機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)總體框架主要由平臺(tái)信息導(dǎo)入模塊、實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬交互系統(tǒng)和平臺(tái)信息導(dǎo)出界面等3部分構(gòu)成。工程機(jī)械虛擬仿真指令從輸入界面導(dǎo)入，用戶的指令需要轉(zhuǎn)換為虛擬的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言并進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。虛擬交互系統(tǒng)是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的核心模塊，按照用戶的指令提供平臺(tái)控制功能、場(chǎng)景虛擬功能、場(chǎng)景選擇功能及各種指令操控功能。平臺(tái)信息導(dǎo)出模塊將實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬交互系統(tǒng)模塊計(jì)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(shí)踐兩個(gè)視角展現(xiàn)工程機(jī)械運(yùn)動(dòng)的過程和基本原理。

2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的基礎(chǔ)硬件設(shè)計(jì)

工程機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)部分構(gòu)成，其中硬件部分是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)基礎(chǔ)功能的前提和保證，也是軟件功能得以實(shí)施的實(shí)物載體。

用于工程機(jī)械虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)核心硬件模塊包括虛擬上位機(jī)、信號(hào)控制模塊、信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊、仿真運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、信號(hào)感應(yīng)模塊和LED顯示模塊。當(dāng)用戶開始操作平臺(tái)時(shí)，信號(hào)模塊會(huì)將用戶的要求和信息以控制信號(hào)的模式導(dǎo)入驅(qū)動(dòng)模塊，同時(shí)虛擬上位機(jī)系統(tǒng)參與協(xié)同控制，共同控制虛擬仿真平臺(tái)的工作與運(yùn)行。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)除了具有必要的電機(jī)結(jié)構(gòu)、聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)、臺(tái)體結(jié)構(gòu)、電控裝置及運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)之外，還通過編碼器、光柵尺、傳感器等與上位機(jī)系統(tǒng)連接，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為依托，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)的更新與變革。工程機(jī)械虛擬平臺(tái)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(tái)的電控裝置，傳導(dǎo)信號(hào)、輸出指令和導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)教學(xué)用的相關(guān)數(shù)據(jù)和虛擬模型。

3實(shí)現(xiàn)流程與關(guān)鍵技術(shù)

工程機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)，與系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)及硬件模塊設(shè)計(jì)相匹配，平臺(tái)的各軟件模塊都圍繞著工程機(jī)械設(shè)計(jì)的基本理論展開。平臺(tái)軟件的實(shí)現(xiàn)流程包括系統(tǒng)用戶時(shí)域信號(hào)的分析和系統(tǒng)頻域特征的分析，最終通過對(duì)用戶需求的分析和平臺(tái)虛擬程序的運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出各類工程機(jī)械工作原理視頻或圖片，以達(dá)到提高教育、教學(xué)效果的最終目的。

平臺(tái)啟動(dòng)后，用戶按照自己的教學(xué)需求和平臺(tái)使用規(guī)則載入原始數(shù)據(jù)，并開始進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提取符合工程機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)的性能指標(biāo)值及相關(guān)數(shù)字信號(hào)的空間坐標(biāo)值。系統(tǒng)的軟件模塊和軟件實(shí)現(xiàn)流程能夠以程序的方式寫入平臺(tái)系統(tǒng)，也可以按照用戶的需求及工程機(jī)械的基本原理進(jìn)行修正，以呈現(xiàn)出不同的信號(hào)頻域特征和工程機(jī)械模型。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)信號(hào)的響應(yīng)速度是衡量平臺(tái)軟件系統(tǒng)功能性的主要指標(biāo)之一。平臺(tái)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)信號(hào)和系統(tǒng)本身固有特性共同作用下，可以將用戶的實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)要求轉(zhuǎn)化為最終的工程機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并在顯示模塊中顯示出來。初始階段由用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過來的信號(hào)為階躍信號(hào)，階躍信號(hào)可以直接調(diào)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)的資源，但受到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)硬件兼容性的限制。當(dāng)信號(hào)無法調(diào)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)資源時(shí)，就需要將階躍信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)。平臺(tái)的響應(yīng)信號(hào)實(shí)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(gòu)成，在系統(tǒng)平臺(tái)開始進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的過程中，基于對(duì)仿真信號(hào)的傳遞、識(shí)別和處理，能夠得到實(shí)際的工程機(jī)械仿真模擬輸出，但在繪制信號(hào)的仿真輸出曲線時(shí)會(huì)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(duì)信號(hào)傳輸誤差進(jìn)行有效控制。系統(tǒng)信號(hào)輸出誤差的控制可以通過調(diào)整系統(tǒng)硬件參數(shù)設(shè)定或更新軟件程序的方法實(shí)現(xiàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的頻率響應(yīng)效率是影響平臺(tái)信號(hào)諧波輸入及系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一個(gè)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(tái)基礎(chǔ)性能的重要指標(biāo)之一。當(dāng)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過修改信號(hào)頻率的模式，得到若干組數(shù)據(jù)信號(hào)輸出值，使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的誤差最小化，得到結(jié)果最為真實(shí)、準(zhǔn)確。

在工程機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用中，本文采用的UGNX虛擬技術(shù)，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(shí)驗(yàn)教學(xué)中，軟件程序的設(shè)計(jì)主要基于UGNX虛擬技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，包括3D建模、3D渲染和仿真教學(xué)模型的優(yōu)化。利用UGNX虛擬技術(shù)進(jìn)行工程機(jī)械仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，基于UGNX技術(shù)優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的系統(tǒng)屬性和軟件實(shí)現(xiàn)流程，并按照用戶的需求模擬真實(shí)的工程機(jī)械設(shè)備進(jìn)行場(chǎng)景的選擇與設(shè)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)之中，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的3D建模。創(chuàng)建仿真程序需要對(duì)原始的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理及虛擬場(chǎng)景的交互，導(dǎo)入機(jī)械設(shè)備模型的三維數(shù)據(jù)，其中工程機(jī)械設(shè)備的格式是以系統(tǒng)插件的形式完成的，在數(shù)據(jù)信號(hào)格式的轉(zhuǎn)換中，基于網(wǎng)絡(luò)和校園內(nèi)部瀏覽器向平臺(tái)輸出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)，確定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施路徑，并將最終的虛擬仿真結(jié)果以視頻或圖像的形式更為直觀地展現(xiàn)出來。

在工程機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為了提高三維展示的直觀性，工程機(jī)械內(nèi)部零件都具有一定的透明度，并可以利用UGNX技術(shù)將不同的零件輔以不同的顏色，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有助于使用者更為細(xì)致地觀察工程機(jī)械的運(yùn)行原理，認(rèn)識(shí)各個(gè)內(nèi)部零件之間及與設(shè)備整體的邏輯關(guān)系。與傳統(tǒng)的工程機(jī)械類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相比，本文設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在仿真的直觀性、準(zhǔn)確性、交互性及實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效果方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)。特別是在平臺(tái)系統(tǒng)交互性能方面，利用UGNX技術(shù)平衡虛擬仿真平臺(tái)總體的架構(gòu)與節(jié)點(diǎn)安排，使工程機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)的各種特性都能夠全面地展示出來，顯著提高教育教學(xué)的交互性與智能性。

4實(shí)證結(jié)果與分析

4.1虛擬平臺(tái)的功能性驗(yàn)證

首先驗(yàn)證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能性。采用問卷調(diào)查的方式對(duì)使用了平臺(tái)的師生進(jìn)行問卷調(diào)查，對(duì)于文中提出平臺(tái)設(shè)計(jì)的滿意度問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)情況問卷調(diào)查結(jié)果顯示，各專業(yè)教師和學(xué)生對(duì)于虛擬仿真平臺(tái)的滿意度均在95%以上，說明文中提出的虛擬仿真平臺(tái)相對(duì)于傳統(tǒng)平臺(tái)具有良好的功能性和實(shí)用性，能夠獲得更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

4.2虛擬仿真平臺(tái)的性能驗(yàn)證

教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的信號(hào)響應(yīng)值是衡量系統(tǒng)平臺(tái)性能的重要指標(biāo)，信號(hào)響應(yīng)值越小則證明實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的信號(hào)響應(yīng)越快速、性能越強(qiáng)。本文以車輛工程專業(yè)教學(xué)中的底盤設(shè)計(jì)為例，分析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的信號(hào)傳輸響應(yīng)值分布情況。該基于互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的工程機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的信號(hào)響應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：本文設(shè)計(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間上更有優(yōu)勢(shì)，尤其是在復(fù)雜三維建模中可以提高仿真教學(xué)的效率和效果。

5結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的整合與資源共享，基于VR技術(shù)、UGNX技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。工程機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種全新的途徑，在專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。在未來虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與發(fā)展過程中，要使平臺(tái)的功能性更加趨于完善，使軟件操作更為便捷，在信號(hào)處理及數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)等方面加以完善，從而提高視頻圖像的精確性和直觀性，強(qiáng)化學(xué)生群體對(duì)于抽象工程機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理的理解和運(yùn)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(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院