汽車(chē)工業(yè)中的虛擬儀器與虛擬試驗技術(shù)

摘   要:

虛擬儀器技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的新一代儀器技術(shù)。它徹底改變了以往儀器的靈活性不強、成本過(guò)高的缺點(diǎn)。它將高速發(fā)展的計算機技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)和測試技術(shù)結合起來(lái)，成為儀器界的一場(chǎng)革命。

虛擬試驗是基于軟件工程研制的仿真試驗系統,它借助交互式技術(shù)和試驗分析技術(shù),使設計者在設計階段就能對產(chǎn)品的運行性能進(jìn)行評價(jià)或體驗。
伴隨現代汽車(chē)工業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是汽車(chē)電氣技術(shù)的飛速發(fā)展，利用虛擬技術(shù)不僅可以對各種新車(chē)型的電氣儀表和節點(diǎn)進(jìn)行仿真，以降低研發(fā)成本、提高工作效能，還能在整車(chē)電氣系統檢測中，開(kāi)發(fā)適合自身特點(diǎn)且靈活性強的檢測系統。

關(guān)鍵詞: 虛擬儀器, 虛擬試驗.

一. 虛擬儀器技術(shù)

1. 虛擬儀器技術(shù)簡(jiǎn)介
虛擬儀器(Virtual Instrument)是由美國國家儀器公司(National Instrument)于20世紀80年代首先提出的。他是基于計算機的軟硬件測試平臺,是計算機技術(shù)與現代儀器技術(shù)深層次結合的產(chǎn)物。在一個(gè)虛擬儀器系統中,硬件是整個(gè)系統賴(lài)以工作的物理平臺,用來(lái)建立信號與計算機的連接通道,形成計算機的I/O接口。軟件是整個(gè)虛擬儀器硬件系統工作的靈魂,用戶(hù)通過(guò)由軟件設計產(chǎn)生的接口界面才能與虛擬儀器硬件系統進(jìn)行交流,而虛擬儀器的數據采集,分析,處理和顯示功能也只有通過(guò)軟件才能實(shí)現。虛擬儀器通過(guò)應用程序將通用計算機與儀器硬件結合起來(lái),以透明的方式把計算機資源和儀器硬件的測量,控制能力結合在一起,通過(guò)軟件實(shí)現對數據的分析處理,表達并以友好的圖形界面顯示出來(lái)。虛擬儀器的出現被譽(yù)為儀器界革命性的新紀元。

2. 虛擬儀器設計開(kāi)發(fā)
由于應用軟件實(shí)現虛擬儀器與用戶(hù)的交流,它可以提供友好的用戶(hù)界面,強大的數據采集與處理功能,它是實(shí)現虛擬儀器功能的關(guān)鍵因素。因此,能否方便的設計出界面友好,功能強大的虛擬儀器軟件,直接關(guān)系到儀器功能的實(shí)現和儀器的性能。目前虛擬儀器的開(kāi)發(fā)較多的使用由NI公司推出的Lab Windows CVI,LabVIEW等。它們采用最流行的圖形化編程環(huán)境,其中既包括菜單,表頭等通用用戶(hù)接口屬性,也包括了開(kāi)關(guān),滑動(dòng)條,數字顯示窗口等儀器應用接口屬性。
虛擬儀器的設計方法和實(shí)現步驟與一般軟件的設計方法和實(shí)現步驟基本相同,只不過(guò)虛擬儀器設計時(shí)要考慮硬件部分。虛擬儀器設計方法主要包括以下三個(gè)部分:
(1) IO接口儀器驅動(dòng)程序的設計;
(2) 儀器面板的設計;
(3) 儀器功能算法的設計。

3. 汽車(chē)工程中的虛擬儀器技術(shù)
伴隨汽車(chē)工業(yè)的蓬勃發(fā)展，車(chē)用電氣設備越來(lái)越多，從發(fā)動(dòng)機控制到傳動(dòng)系統控制，從行駛、制動(dòng)、轉向系統控制到安全保證系統及儀表報警系統，從電源管理到為提高舒適性而作的各種努力，使汽車(chē)電氣系統形成一個(gè)復雜的大系統?，F代汽車(chē)已逐漸演變成為一個(gè)移動(dòng)的PC網(wǎng)絡(luò )系統。利用虛擬儀器技術(shù)，我們可以輕松的仿真各種車(chē)用電氣設備，開(kāi)發(fā)各種車(chē)用電控單元等。利用該技術(shù)，我們不必直接對硬件進(jìn)行設計，而是在之前通過(guò)虛擬技術(shù)對硬件功能做原理性開(kāi)發(fā)。這樣，不僅可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，也能降低開(kāi)發(fā)成本。另一方面，現代汽車(chē)電氣系統的日益復雜化，如果采用傳統的硬件測量設備，不僅僅使設備數量增加，加大檢驗的工作量，而且各硬件設備靈活性不強、成本過(guò)高。利用虛擬儀器技術(shù)，我們可以將各種數據采集設備集成到計算機中，通過(guò)軟件實(shí)現各種數據讀取和信號分析處理，最后將結果顯示出來(lái)。這樣，可以大大減少檢測的工作量，降低成本，還能靈活的開(kāi)發(fā)適合自身車(chē)型的檢測功能集成。

二. 虛擬試驗技術(shù)

1. 虛擬試驗技術(shù)簡(jiǎn)介
科學(xué)試驗和理論研究相結合是現代科學(xué)技術(shù)的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)。理論需要實(shí)驗的檢驗和驗證,實(shí)驗需要理論的指導,兩者相互依賴(lài),相輔相成。任何一種理論,只有在科學(xué)實(shí)驗得到證實(shí)后才能成立。工程技術(shù)中,任何一個(gè)成功的產(chǎn)品,都是設計和試驗相結合的產(chǎn)物。設計過(guò)程就是試驗過(guò)程,試驗貫穿于整個(gè)設計工作的始終。任何設計思想,理論計算無(wú)不經(jīng)過(guò)試驗的檢驗。在許多復雜的工程技術(shù)問(wèn)題中,試驗常常是解決問(wèn)題的有效方法。

從廣義上講,任何不使用或部分使用實(shí)際硬件來(lái)構造試驗環(huán)境,完成實(shí)際物理試驗的方法和技術(shù)都可以稱(chēng)為虛擬試驗。虛擬試驗可以定義為在虛擬環(huán)境中進(jìn)行的試驗。而虛擬試驗環(huán)境是基于軟件工程研制的仿真試驗系統,它允許設計者將虛擬原型安裝在其上進(jìn)行試驗,借助交互式技術(shù)和試驗分析技術(shù),使設計者在設計階段就能對產(chǎn)品的運行性能進(jìn)行評價(jià)或體驗?；蛘咛摂M試驗就是在計算機系統中采用軟件代替部分硬件或全部硬件來(lái)建設各種虛擬的試驗環(huán)境,使試驗者可以如同在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各項預定的試驗項目,使所取得的試驗效果接近或等于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。

計算機仿真為科學(xué)試驗開(kāi)辟了一個(gè)全新的解決方案。計算機仿真是利用計算機對試驗對象的數學(xué)模型進(jìn)行模擬實(shí)驗,求得對實(shí)物原型系統規律性認識的一種試驗方法,它使虛擬試驗進(jìn)入了數字化階段。計算機進(jìn)行的仿真試驗過(guò)程都是計算與邏輯判斷。但由于計算機在記憶能力和運算速度上的優(yōu)勢,使計算機仿真試驗能處理一些復雜系統和非線(xiàn)性系統的試驗。計算機強大的信息處理能力和強大的計算能力使虛擬試驗的范圍逐步從簡(jiǎn)單性研究轉向復雜性研究,從定性研究轉向定量研究。

計算機仿真的進(jìn)一步發(fā)展是虛擬現實(shí)(Virtual Reality Test,簡(jiǎn)稱(chēng)VR) 。虛擬現實(shí)是一種人工創(chuàng )建和體驗虛擬世界的計算機系統,它具有三個(gè)重要特征: 高度的沉浸感,可信度和交互性。利用虛擬現實(shí)技術(shù),可以方便地在計算機上產(chǎn)生一個(gè)虛擬的試驗環(huán)境,對被試產(chǎn)品進(jìn)行各種性能測試和檢驗;通過(guò)人的視覺(jué),聽(tīng)覺(jué),觸覺(jué)等作用于人,使人產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué),使試驗者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預定的試驗項目。

虛擬試驗系統不僅可以作為真實(shí)試驗的前期準備工作,而且可以在一定程度上替代傳統的試驗。于傳統試驗相比它具有一下優(yōu)點(diǎn):
(1) 可以大幅度減少樣機制造試驗次數,縮短新產(chǎn)品試驗周期,同時(shí),降低實(shí)際試驗費用。
(2) 虛擬試驗技術(shù)應用于復雜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中,可以實(shí)現設計者,產(chǎn)品用戶(hù)在設計階段信息的互反饋,使設計者全方位吸收,采納對新產(chǎn)品的建議。
(3) 虛擬試驗技術(shù)代替實(shí)際試驗,實(shí)現了試驗不受場(chǎng)地,時(shí)間和次數的限制,可對試驗過(guò)程進(jìn)行回放,再現和重復。

2. 虛擬試驗技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)中的應用
計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,硬件性能的不斷提高,推動(dòng)了虛擬試驗在車(chē)輛工程方面的應用。1972年,美國通用汽車(chē)公司首先開(kāi)發(fā)了車(chē)輛動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟性的通用預測程序GPSIM,該程序可以模擬汽車(chē)在任何工況行駛下的瞬時(shí)油耗,累計油耗,行駛時(shí)間和距離,預測汽車(chē)設計參數如: 質(zhì)量,傳動(dòng)比,空氣阻力系數等的變化對汽車(chē)性能的影響。美國北卡大學(xué)虛擬環(huán)境試驗室,開(kāi)展了車(chē)輛駕駛員虛擬環(huán)境的研究,具有極強的工程應用性。美國MDI公司開(kāi)發(fā)的ADAMS軟件是構造產(chǎn)品的虛擬原型的一個(gè)很好的平臺,其中的CAR模塊是MDI公司與Audi, BMW, Renault和Volvo等公司合作開(kāi)發(fā)的整車(chē)虛擬軟件包,集成了它們在汽車(chē)設計,開(kāi)發(fā)等方面的經(jīng)驗。利用該模塊,工程師可以快速建造高精度的整車(chē)虛擬樣機(包括車(chē)身,懸架,傳動(dòng)系統,發(fā)動(dòng)機,轉向機構,制動(dòng)系統等)并進(jìn)行仿真,通過(guò)高速動(dòng)畫(huà)直觀(guān)地顯示在各種試驗工況下(例如: 天氣,道路狀況,駕駛員經(jīng)驗)整車(chē)動(dòng)力學(xué)響應,輸出標致操縱穩定性,制動(dòng)性,乘坐舒適性和安全性的特征參數,從而減少對物理樣機的依賴(lài)。VTL(Virtual Test Lab)系統是由美國MTS(Mechanical Test System)公司研制的虛擬試驗系統,該系統通過(guò)在產(chǎn)品或部件上安裝虛擬傳感器,并將虛擬原型安裝在不同的試驗環(huán)境中,一旦虛擬模型確定,可以反復進(jìn)行試驗,并根據虛擬試驗結果對設計進(jìn)行反復修改,從而獲得最佳設計方案。

與西方發(fā)達國家相比,國內在虛擬試驗方面的研究單位主要集中在高校。吉林大學(xué)汽車(chē)動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗室對汽車(chē)防抱制動(dòng)系統(ABS)混合仿真試驗臺進(jìn)行了系統分析,建立了用于硬件在環(huán)仿真的車(chē)輛模型,輪胎模型,路面模擬以及ABS液壓系統模型,并進(jìn)行了硬件在環(huán)仿真試驗。它將ABS實(shí)際部件嵌入到軟件環(huán)境中進(jìn)行混合仿真,極大地擴展了軟件仿真的功能,為ABS產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了開(kāi)發(fā)工具和試驗平臺。

三. 結語(yǔ)

現代汽車(chē)已發(fā)展成為一個(gè)智能化網(wǎng)絡(luò )計算平臺。汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )貫穿整車(chē)的控制系統、信息系統、駕駛系統和傳感執行系統等。伴隨汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,汽車(chē)工業(yè)已不再是單一的機械制造,據有關(guān)數據顯示,未來(lái)的汽車(chē)制造,電子產(chǎn)品將占據近50%的工藝和成本。相關(guān)電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與測試亦將飛速發(fā)展。虛擬儀器技術(shù)和虛擬試驗技術(shù)以其低成本,高效能,靈活可靠等特點(diǎn),將在汽車(chē)工程中扮演越來(lái)越重要的角色。

附錄    參考文獻
1. 虛擬試驗技術(shù)
王國權    電子工業(yè)出版社    2004.3
2. 虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境編程指南
張毅剛  喬立巖     機械工業(yè)出版社  2002.8