汽車工業(yè)中的虛擬儀器與虛擬試驗技術(shù)

1. 虛擬儀器技術(shù)簡介

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(xiàn)代儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物。在一個虛擬儀器系統(tǒng)中,硬件是整個系統(tǒng)賴以工作的物理平臺,用來建立信號與計算機的連接通道,形成計算機的I/O接口。軟件是整個虛擬儀器硬件系統(tǒng)工作的靈魂,用戶通過由軟件設(shè)計產(chǎn)生的接口界面才能與虛擬儀器硬件系統(tǒng)進行交流,而虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集,分析,處理和顯示功能也只有通過軟件才能實現(xiàn)。虛擬儀器通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與儀器硬件結(jié)合起來,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(jié)合在一起,通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理,表達并以友好的圖形界面顯示出來。虛擬儀器的出現(xiàn)被譽為儀器界革命性的新紀元。

2. 虛擬儀器設(shè)計開發(fā)

由于應(yīng)用軟件實現(xiàn)虛擬儀器與用戶的交流,它可以提供友好的用戶界面,強大的數(shù)據(jù)采集與處理功能,它是實現(xiàn)虛擬儀器功能的關(guān)鍵因素。因此,能否方便的設(shè)計出界面友好,功能強大的虛擬儀器軟件,直接關(guān)系到儀器功能的實現(xiàn)和儀器的性能。目前虛擬儀器的開發(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,表頭等通用用戶接口屬性,也包括了開關(guān),滑動條,數(shù)字顯示窗口等儀器應(yīng)用接口屬性。

虛擬儀器的設(shè)計方法和實現(xiàn)步驟與一般軟件的設(shè)計方法和實現(xiàn)步驟基本相同,只不過虛擬儀器設(shè)計時要考慮硬件部分。虛擬儀器設(shè)計方法主要包括以下三個部分:

(1) IO接口儀器驅(qū)動程序的設(shè)計;

(2) 儀器面板的設(shè)計;

(3) 儀器功能算法的設(shè)計。

3. 汽車工程中的虛擬儀器技術(shù)

伴隨汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，車用電氣設(shè)備越來越多，從發(fā)動機控制到傳動系統(tǒng)控制，從行駛、制動、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制到安全保證系統(tǒng)及儀表報警系統(tǒng)，從電源管理到為提高舒適性而作的各種努力，使汽車電氣系統(tǒng)形成一個復(fù)雜的大系統(tǒng)?，F(xiàn)代汽車已逐漸演變成為一個移動的PC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。利用虛擬儀器技術(shù)，我們可以輕松的仿真各種車用電氣設(shè)備，開發(fā)各種車用電控單元等。利用該技術(shù)，我們不必直接對硬件進行設(shè)計，而是在之前通過虛擬技術(shù)對硬件功能做原理性開發(fā)。這樣，不僅可以縮短開發(fā)時間，也能降低開發(fā)成本。另一方面，現(xiàn)代汽車電氣系統(tǒng)的日益復(fù)雜化，如果采用傳統(tǒng)的硬件測量設(shè)備，不僅僅使設(shè)備數(shù)量增加，加大檢驗的工作量，而且各硬件設(shè)備靈活性不強、成本過高。利用虛擬儀器技術(shù)，我們可以將各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備集成到計算機中，通過軟件實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)讀取和信號分析處理，最后將結(jié)果顯示出來。這樣，可以大大減少檢測的工作量，降低成本，還能靈活的開發(fā)適合自身車型的檢測功能集成。

二. 虛擬試驗技術(shù)

1. 虛擬試驗技術(shù)簡介

科學(xué)試驗和理論研究相結(jié)合是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的一個顯著特點。理論需要實驗的檢驗和驗證,實驗需要理論的指導(dǎo),兩者相互依賴,相輔相成。任何一種理論,只有在科學(xué)實驗得到證實后才能成立。工程技術(shù)中,任何一個成功的產(chǎn)品,都是設(shè)計和試驗相結(jié)合的產(chǎn)物。設(shè)計過程就是試驗過程,試驗貫穿于整個設(shè)計工作的始終。任何設(shè)計思想,理論計算無不經(jīng)過試驗的檢驗。在許多復(fù)雜的工程技術(shù)問題中,試驗常常是解決問題的有效方法。

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

計算機仿真為科學(xué)試驗開辟了一個全新的解決方案。計算機仿真是利用計算機對試驗對象的數(shù)學(xué)模型進行模擬實驗,求得對實物原型系統(tǒng)規(guī)律性認識的一種試驗方法,它使虛擬試驗進入了數(shù)字化階段。計算機進行的仿真試驗過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?zāi)芴幚硪恍?fù)雜系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)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單性研究轉(zhuǎn)向復(fù)雜性研究,從定性研究轉(zhuǎn)向定量研究。

計算機仿真的進一步發(fā)展是虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality Test,簡稱VR) 。虛擬現(xiàn)實是一種人工創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng),它具有三個重要特征: 高度的沉浸感,可信度和交互性。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù),可以方便地在計算機上產(chǎn)生一個虛擬的試驗環(huán)境,對被試產(chǎn)品進行各種性能測試和檢驗;通過人的視覺,聽覺,觸覺等作用于人,使人產(chǎn)生身臨其境的感覺,使試驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的試驗項目。

虛擬試驗系統(tǒng)不僅可以作為真實試驗的前期準備工作,而且可以在一定程度上替代傳統(tǒng)的試驗。于傳統(tǒng)試驗相比它具有一下優(yōu)點:

(1) 可以大幅度減少樣機制造試驗次數(shù),縮短新產(chǎn)品試驗周期,同時,降低實際試驗費用。

(2) 虛擬試驗技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)中,可以實現(xiàn)設(shè)計者,產(chǎn)品用戶在設(shè)計階段信息的互反饋,使設(shè)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)代替實際試驗,實現(xiàn)了試驗不受場地,時間和次數(shù)的限制,可對試驗過程進行回放,再現(xiàn)和重復(fù)。

2. 虛擬試驗技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,硬件性能的不斷提高,推動了虛擬試驗在車輛工程方面的應(yīng)用。1972年,美國通用汽車公司首先開發(fā)了車輛動力性和燃油經(jīng)濟性的通用預(yù)測程序GPSIM,該程序可以模擬汽車在任何工況行駛下的瞬時油耗,累計油耗,行駛時間和距離,預(yù)測汽車設(shè)計參數(shù)如: 質(zhì)量,傳動比,空氣阻力系數(shù)等的變化對汽車性能的影響。美國北卡大學(xué)虛擬環(huán)境試驗室,開展了車輛駕駛員虛擬環(huán)境的研究,具有極強的工程應(yīng)用性。美國MDI公司開發(fā)的ADAMS軟件是構(gòu)造產(chǎn)品的虛擬原型的一個很好的平臺,其中的CAR模塊是MDI公司與Audi, BMW, Renault和Volvo等公司合作開發(fā)的整車虛擬軟件包,集成了它們在汽車設(shè)計,開發(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虛擬樣機(包括車身,懸架,傳動系統(tǒng),發(fā)動機,轉(zhuǎn)向機構(gòu),制動系統(tǒng)等)并進行仿真,通過高速動畫直觀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)整車動力學(xué)響應(yīng),輸出標致操縱穩(wěn)定性,制動性,乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù),從而減少對物理樣機的依賴。VTL(Virtual Test Lab)系統(tǒng)是由美國MTS(Mechanical Test System)公司研制的虛擬試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)通過在產(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(fù)進行試驗,并根據(jù)虛擬試驗結(jié)果對設(shè)計進行反復(fù)修改,從而獲得最佳設(shè)計方案。

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

三. 結(jié)語

現(xiàn)代汽車已發(fā)展成為一個智能化網(wǎng)絡(luò)計算平臺。汽車網(wǎng)絡(luò)貫穿整車的控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)和傳感執(zhí)行系統(tǒng)等。伴隨汽車電子產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,汽車工業(yè)已不再是單一的機械制造,據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示,未來的汽車制造,電子產(chǎn)品將占據(jù)近50%的工藝和成本。相關(guān)電子產(chǎn)品的開發(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,將在汽車工程中扮演越來越重要的角色。