工程机械虚拟仿真实验教学平台设计

论文作者:匿名 论文来源:https://www.bgsywzz.cn/ 发布时间:2021/02/09

  摘要:设计了一种基于计算机网络和大数据的工程机械虚拟仿真实验教学平台。该平台的硬件部分由仿真虚拟上位机、信号控制模块、信号驱动模块、仿真机械运动平台、信号感应模块和LED显示模块等部分构成;软件部分涵盖系统时域数据信号的分析及频域特征的研究。该平台可以实现用户操作、场景虚拟及场景选择等多种实验教学功能,并且采用了功能性更强的UGNX虚拟仿真技术,以提高虚拟教学平台的功能性和数据共享性。该平台的功能性表现优于传统实验教学平台,数据处理的响应值变动更小、效率更高。


  关键词:工程机械;虚拟仿真;实验教学平台;UGNX


  互联网与计算机虚拟仿真技术的发展,为工程机械类专业的教育教学提供了一个全新的途径,也使基于网络的虚拟实验教学和远程教育得以实现[1-4]。为满足工程机械类专业的教育教学与科技创新的需要,实现教育资源平台化共享,本文设计了一种基于互联网的虚拟仿真实验教学平台,利用网络实验设备的联通性,建立计算机网络与工程机械实验设备之间的关联,基于互联网实现教学平台与实验设备的资源共享,提高工程机械实验教学平台的可拓展性和可维护性[5-7]。


  1工程机械虚拟仿真实验教学平台的总体架构


  本文设计的基于互联网和计算机虚拟仿真技术的实验教学平台,将理论分析与实验教学融合于一身,能够从理论和实践的双重视角分析工程机械运动的原理,利用虚拟仿真实验平台实现工程机械理论与实践的统一,为工程机械专业教学活动提供了一个动态化、智能化、交互性的教学与实验环境[8-9]。该虚拟仿真实验教学平台能够通过视频、图像等方式将机械设备的工作过程进行动态化展现,产生更加直观和生动的教学效果,使学生更容易掌握工程机械运动的原理。


  依托于互联网和大数据的计算机仿真平台的突出特点是智能化,可以提供更多种类的教学模式和实验模式;在交互性的表现方面具有强大的AI性能[10-11],易于教师与学生的互动和交流,学生在选择性学习方面有了更大的自主性。由于虚拟仿真实验教学平台的教学资源由网络和大数据平台提供,一方面可以保证所提供的工程机械模型的科学性、时效性和多样化,能够应对不同方向的教育教学任务;另一方面也提高了教学资源网络的共享性和开放性,节约了教育教学成本。


  本文设计的基于网络与计算机虚拟仿真技术的工程机械实验教学平台,是在工程机械设计与机械运动原理的基础上,结合计算机仿真技术和多媒体技术,以更为直观和透彻的方式展现工程机械设备的工作原理。它改变传统实验教学平台中过于抽象和单一的表现方式,具有更好的交互性和实验教学效果。计算机虚拟仿真实验教学平台作为一种新型教育教学系统和媒介,为工程机械实验教学提供了一个高效、稳定和经济的教学方式。该虚拟仿真实验教学平台的最大特点是以虚拟3D的方式呈现,可以在虚拟与现实之间进行转换,是多媒体VR技术在教学中应用价值的体现[12]。学生和教师都可以以用户的身份登录该平台,基于输入/输出设备向虚拟实验平台传达指令并获取相关的结果,反馈的结果包括视频输出、图形输出和文字输出等不同的形式。平台还能够依据登录者的要求提供更加完整的实验数据、实验图形及工程机械各种参数变化曲线拟合等。工程机械虚拟仿真的实验教学平台总体框架设计如图1所示。


  工程机械虚拟仿真实验教学平台总体框架主要由平台信息导入模块、实验教学虚拟交互系统和平台信息导出界面等3部分构成。工程机械虚拟仿真指令从输入界面导入,用户的指令需要转换为虚拟的计算机语言并进入虚拟仿真实验教学系统。虚拟交互系统是虚拟仿真实验教学平台的核心模块,按照用户的指令提供平台控制功能、场景虚拟功能、场景选择功能及各种指令操控功能。平台信息导出模块将实验教学虚拟交互系统模块计算和处理过的数据信息、仿真模型以图像或视频的模式显示出来,从理论和实践两个视角展现工程机械运动的过程和基本原理。


  2虚拟仿真实验教学平台的基础硬件设计


  工程机械虚拟仿真实验教学平台由硬件系统和软件系统两个部分构成,其中硬件部分是实现虚拟仿真系统基础功能的前提和保证,也是软件功能得以实施的实物载体。虚拟仿真实验教学平台的硬件模块结构设计如图2所示。


  用于工程机械虚拟仿真的实验教学平台核心硬件模块包括虚拟上位机、信号控制模块、信号驱动模块、仿真运动平台、信号感应模块和LED显示模块。当用户开始操作平台时,信号模块会将用户的要求和信息以控制信号的模式导入驱动模块,同时虚拟上位机系统参与协同控制,共同控制虚拟仿真平台的工作与运行。虚拟仿真实验教学平台除了具有必要的电机结构、联轴器结构、台体结构、电控装置及运动结构之外,还通过编码器、光栅尺、传感器等与上位机系统连接,以虚拟现实技术为依托,实现工程机械实验教学平台系统的更新与变革。工程机械虚拟平台系统依靠编码器、传感器等读取用户的指令信息,再利用信息控制模块及平台的电控装置,传导信号、输出指令和导出实验教学用的相关数据和虚拟模型。


  3实现流程与关键技术


  工程机械虚拟仿真实验教学平台的系统软件程序设计,与系统整体框架设计及硬件模块设计相匹配,平台的各软件模块都围绕着工程机械设计的基本理论展开。平台软件的实现流程包括系统用户时域信号的分析和系统频域特征的分析,最终通过对用户需求的分析和平台虚拟程序的运转,输出各类工程机械工作原理视频或图片,以达到提高教育、教学效果的最终目的。


  平台启动后,用户按照自己的教学需求和平台使用规则载入原始数据,并开始进行数据转换,提取符合工程机械标准的性能指标值及相关数字信号的空间坐标值。系统的软件模块和软件实现流程能够以程序的方式写入平台系统,也可以按照用户的需求及工程机械的基本原理进行修正,以呈现出不同的信号频域特征和工程机械模型,用于工程机械虚拟仿真实验教学平台的软件系统工作流程(见图3)。


  虚拟仿真实验教学平台信号的响应速度是衡量平台软件系统功能性的主要指标之一。平台系统在数据信号和系统本身固有特性共同作用下,可以将用户的实验目的及实验要求转化为最终的工程机械虚拟仿真实验结果,并在显示模块中显示出来。初始阶段由用户数据转换过来的信号为阶跃信号,阶跃信号可以直接调动系统平台的资源,但受到虚拟仿真实验教学平台硬件兼容性的限制。当信号无法调动系统平台资源时,就需要将阶跃信号转变为脉冲信号。平台的响应信号实质上由系统内部软件程序的微分方程及其全部的解构成,在系统平台开始进行仿真实验的过程中,基于对仿真信号的传递、识别和处理,能够得到实际的工程机械仿真模拟输出,但在绘制信号的仿真输出曲线时会出现一定程度的系统误差width=21.25,height=15.25,影响微分方程正确解的总体数量,因而需要对信号传输误差进行有效控制。如果系统平台的实际输出信号为yout(t),用于工程机械虚拟仿真的实验教学平台仿真期望结果输出变量为yEout(t),则系统误差可以表示为:


  width=96,height=15.25(1)


  式中t为时间变量。系统信号输出误差的控制可以通过调整系统硬件参数设定或更新软件程序的方法实现。虚拟仿真实验教学平台的频率响应效率是影响平台信号谐波输入及系统稳态响应的一个重要因素,输出曲线的正弦波相位变化及幅值的变化,是显示虚拟仿真平台基础性能的重要指标之一。工程机械虚拟仿真系统的输入信号呈现线性变化的特征,系统平台仿真信号稳态输入输出比,与频率信号的变化呈现出函数的变化关系,记为width=24.25,height=15.25,其中width=11.25,height=9.75为信号输入与输出的比值,频率信号变化函数width=24.25,height=15.25可以表示为:


  式中,width=11.25,height=15为第width=6.75,height=12个时间变量下的输出信号。当进行虚拟仿真实验时,可以通过修改信号频率的模式,得到若干组数据信号输出值,使虚拟仿真实验教学平台的误差最小化,得到结果最为真实、准确。


  在工程机械虚拟仿真实验教学平台的实际应用中,本文采用的UGNX虚拟技术,能够导入各种3D模型制作软件,具有更加良好的适配性和兼容性。在虚拟仿真实验教学中,软件程序的设计主要基于UGNX虚拟技术来实现,包括3D建模、3D渲染和仿真教学模型的优化。利用UGNX虚拟技术进行工程机械仿真实验教学,基于UGNX技术优化虚拟仿真实验教学平台的系统属性和软件实现流程,并按照用户的需求模拟真实的工程机械设备进行场景的选择与设定,添加各种属性和行为。


  虚拟仿真软件程序在UGNX内创建并内嵌于虚拟仿真实验教学平台之中,实现工程机械的3D建模。创建仿真程序需要对原始的数据信号进行标准化处理及虚拟场景的交互,导入机械设备模型的三维数据,其中工程机械设备的格式是以系统插件的形式完成的,在数据信号格式的转换中,基于网络和校园内部浏览器向平台输出相关的实验教学数据,确定虚拟仿真实验教学的实施路径,并将最终的虚拟仿真结果以视频或图像的形式更为直观地展现出来。


  在工程机械虚拟仿真实验教学中,为了提高三维展示的直观性,工程机械内部零件都具有一定的透明度,并可以利用UGNX技术将不同的零件辅以不同的颜色,在实验教学中有助于使用者更为细致地观察工程机械的运行原理,认识各个内部零件之间及与设备整体的逻辑关系。与传统的工程机械类实验平台相比,本文设计的仿真实验平台,在仿真的直观性、准确性、交互性及实验课堂教学效果方面都具有较大的优势。特别是在平台系统交互性能方面,利用UGNX技术平衡虚拟仿真平台总体的架构与节点安排,使工程机械设备结构的各种特性都能够全面地展示出来,显著提高教育教学的交互性与智能性。


  4实证结果与分析


  4.1虚拟平台的功能性验证


  首先验证虚拟仿真实验平台的功能性。采用问卷调查的方式对使用了平台的师生进行问卷调查,对于文中提出平台设计的满意度问卷调查统计情况如表1所示。


  问卷调查结果显示,各专业教师和学生对于虚拟仿真平台的满意度均在95%以上,说明文中提出的虚拟仿真平台相对于传统平台具有良好的功能性和实用性,能够获得更好的实验教学效果。


  4.2虚拟仿真平台的性能验证


  教学实验平台的信号响应值是衡量系统平台性能的重要指标,信号响应值越小则证明实验平台的信号响应越快速、性能越强。本文以车辆工程专业教学中的底盘设计为例,分析传统实验教学平台和虚拟仿真实验平台的信号传输响应值分布情况。系统运行环境及相关的参数设定如表2所示。


  从图4工程机械虚拟仿真实验教学平台的信号响应值变化曲线能够分析出,该基于互联网和大数据的工程机械虚拟仿真实验教学平台的信号响应值被控制在±1.0之内,最高值和最低值分别为0.65和–0.65。从实验结果可知:本文设计的虚拟仿真实验教学平台在系统响应时间上更有优势,尤其是在复杂三维建模中可以提高仿真教学的效率和效果。


  5结语


  为实现教学资源的整合与资源共享,基于VR技术、UGNX技术和网络大数据建立虚拟仿真实验教学平台具有重要的现实意义。工程机械虚拟仿真实验教学平台为实验教学提供了一种全新的途径,在专业课程实验教学中发挥了重要作用。在未来虚拟仿真教学平台的设计与发展过程中,要使平台的功能性更加趋于完善,使软件操作更为便捷,在信号处理及数据处理算法设计等方面加以完善,从而提高视频图像的精确性和直观性,强化学生群体对于抽象工程机械运动原理的理解和运用。

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