CN101477756A - 汽车技术模拟训练虚实融合的协同工作方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车技术模拟训练虚实融合的协同工作方法与装置，由汽车技术实训模拟器(1)、远程控制台(2)、网络接口(3)、校园网络(4)、通讯接口(5)、学生测试终端(6)、多媒体动画教学软件和其他教学资源(7)、测试面板(8)、网线(9)和数据线(10)组合构成，通过全仿真与半仿真的结合、模拟软件与汽车实物总成的结合、单台设备与互联网络的结合、实际操作与模拟工位的结合，构建一个汽车技术虚实融合的协同工作环境，在一定的物理空间，建立支持多人自由参与，包括触力觉、视觉、听觉交互响应的、具有临场体验感的汽车技术复杂系统模拟训练方法与集成装置。

Description

汽车技术模拟训练虚实融合的协同工作方法与装置

所属技术领域

本发明所属技术领域为交通运输——汽车运用与服务工程——职业教育。它是涉及在汽车复杂系统的模拟训练中，使用网络接口，将各种汽车技术实训模拟器(实训台)与远程控制台互联组成局域网，将学生测试终端与实训模拟器互联组成模拟工位，形成一种基于实训模拟器互联的协同工作与学习的装置，尤其是将教学软件嵌入到实训模拟器硬件当中，实现虚实融合、软硬交互的综合实训系统。

背景技术

国内汽车工业飞速发展：国内汽车销售量经历了几年的“井喷”式发展，在高油价的形势下仍然保持高速增长。据统计，2007年天津市新增车辆14万辆，北京市平均每天销售新车995辆，这意味着每三天就要在同一座城市建设一家中等规模的汽车服务企业，来满足年3000辆汽车的高技术保养与服务。汽车销售量的高速增长，给汽车应用与服务行业展开了广阔的发展空间。据统计，在未来3年，汽车应用与服务行业每年约有8千亿元市场。

当前国内汽车职业教育教学情况：由于汽车销售量的飞速增长，导致相关行业用人需求激增。国家六部委于2004年启动了“紧缺人才培养培训工程”，将汽车运用与维修等四种人才列为“技能型紧缺人才”加快培养，国家和各地方政府都在加大对汽车职业教育的投入，使我国汽车职业教育事业呈现出欣欣向荣、蓬勃发展的良好局面。但是，在汽车复杂系统实物上开展技能训练，投入过大，成本过高，无法满足技能训练的要求，学生的实际动手能力与行业企业的用人需求还有很大差距。

电子控制技术被大量引入汽车装置：随着电子工业与汽车科技的飞速发展，现代汽车广泛采用电子控制燃油喷射技术(EFI)、电子控制防抱死制动技术(ABS)、电子控制安全气囊技术(SRS)、电子控制自动变速器技术(ECT)以及CAN-BUS现场总线控制技术，汽车维护与故障诊断维修作业，已不同于满足以往单纯的机械故障诊断与维修，而更多地着眼于对电子故障以及机电一体化故障的诊断、维护技术服务，亦更多地依赖于使用先进的电脑检测、诊断设备，通过数据流分析、波形分析以及尾气分析等综合技术分析加以判断，因此，当前的汽车故障诊断与维护作业，难点在于针对电子故障以及机电一体化故障的诊断与排除，它是一项技术性很强，同时又是操作性很强的工作，对从业人员的文化知识、专业理论、技术水平、检测装备使用等综合素质提出了更高的要求，这是汽车运用与维修专业领域技能型人才紧缺之所在。汽车运用与维修服务的理念随着汽车技术的更新也在发生根本转变，经济性、合理性、有效性原则越来越受到重视，突出体现“预防为主，定期检测，强制维护，视情修理”的原则。也正是由于电子装置在汽车上广泛应用，每辆汽车上都装有几块、甚至几十块电脑，才为汽车技术实训模拟器的互联创造了先决条件。

虚拟现实技术(Virtual Reality)，又称灵境技术，它是上世纪90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于：计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。

但是纯粹的虚拟现实技术又无法满足象汽车这样的复杂系统的模拟训练。在汽车运用与服务工程教育教学中，学习者不但需要良好的“沉浸感”，还要有良好的“手感”，通过触力觉、视觉和听觉，实现理论与实践的统一，培养造就一大批既有深厚的基础理论知识，又有娴熟的实际动手能力的高素质人才。而虚实融合是今后虚拟现实技术的重要发展方向，在复杂产品设计、工程设计论证、复杂系统模拟训练、娱乐学习等方面都具有重要的应用价值。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种汽车技术模拟训练虚实融合的协同工作方法与装置，它是使用RS232/RS485/UNB网络接口，将各种汽车技术实训模拟器硬件互联组成局域网，将学生测试终端与实训模拟器通过RS232/RS485/UNB/CAN通讯接口和数据线连接组成模拟工位，将多媒体动画软件以及其他教学资源嵌入硬件系统，形成一种虚实融合的协同工作及模拟训练的方法与装置。

其解决技术问题的技术方案是：将汽车发动机实训台、自动变速器实训台、ABS防抱死制动实训台、安全气囊实训台、自动空调实训台、汽车电子点火与燃油喷射实训台、汽车灯光电器实训台、车载CAN-Bus总线与多路信息传输系统实训台、教学整车和汽车电控转向系统实训台等汽车总成实物教学装置构成的汽车技术实训模拟器(1)，使用远程控制台(2)通过RS232/RS485/UNB网络接口(3)互联组成局域网，与校园网络(4)联网实现教学资源的共享；使用RS232/RS485/UNB/CAN通讯接口(5)将学生测试终端(6)与汽车技术实训模拟器(1)连接，实现多人自由参与的真实信号与数据测量装置；将多媒体动画软件以及其他教学资源(7)嵌入硬件系统，即汽车技术实训模拟器(1)，可同时表现该部分总成及部件的三维动画、平面动画、工作原理动画、工作参数、检修流程等，形成一套完整的虚实融合协同工作与学习的装置。由于采用了RS232/RS485/UNB等标准接口，能根据教学需要与课程设置情况，将各种汽车总成实物教学装置构成的汽车技术实训模拟器(1)任意增减、自由接入，每更换一种汽车技术实训模拟器(1)，只需要更换学生测试终端(6)上面的测试面板(8)就可以进行新的模块教学。学生测试终端(6)的连接数量也可以根据用户人数任意增减、自由接入。

系统实现的技术方法与技术手段：

该系统通过软硬件相结合，运用电子信息、数据通讯传输、汽车传感、自动控制、计算机处理、IntraWeb、三维建模等技术，实现一套完备的基于实训模拟器互联的汽车技术虚实融合协同工作实训系统，通过多层次模块化的开发结构，使整个系统具备更大的灵活性、扩展性及稳定性。一是开发“车载电控单元的通讯接口”模块，用于使计算机通过RS232、RS485或无线通讯技术与车载电控单元之间建立通讯联接，实时采集动态数据。二是开发“车辆故障远程通讯与控制单元”模块，用于执行远程控制命令，设置及诊断汽车故障。三是通过TCP和串口传送指令方式，并通过数据采集设备获得测试项的电压数据信息，计算出测试项的有效电压值、最小电压值和最大电压值，并将采集到的信号信息绘制成波形图，形成汽车发动机综合分析仪波形自动测试模块。四是中央控制系统部分采用光耦组、串口通讯、接口技术、TCP/IP等数据通讯传输技术，实现远程控制实训模拟器(实训台)的起动、熄火、加速减速以及设置和清除故障、网络互联等功能。

同时开发基于IntraWeb技术的B/S结构网络化多媒体教学实训软件。结合3DMax、Flash Action、Cult3D Designer等开发工具以及编程手段，对汽车各组成模块的工作原理，工作时部件的状态数据信息及波形信息进行表现，能够真实表现出总成部件处于不同工作状态下数据信息、波形和电路的变化情况，并且可以对汽车总成部件进行三维虚拟现实拆装等丰富的信息交互，实现了全网络化的虚拟现实模拟训练功能，并具有自动评分功能。

系统采用先进的EFI、OBD—II、CAN-BUS接口以及单片机技术，开发与车载OBDII的通信接口，实现PC机通过RS232、RS485、无线Modem与车载ECU的通信并采集数据，具备很强的抗干扰能力。运用先进的MSP430系列单片机开发工具和基于IAR公司(美国)的软件编译程序、ARM单片机的开发工具、基于ARM公司(美国)的软件编译程序，实现对动态汽车的远程控制，包括打开汽车点火开关、起动或关闭发动机运行、设置故障、清除故障、修改并干扰防盗配置、关闭CAN网络、修改车载控制单元的编码等。

1)实训模拟器(1)的远程控制模块

模块描述

系统通过软、硬件结合的形式进行控制开发，根据硬件的底层协议，软件将与用户进行交互的过程中获得的信息转换成可以与各种实训模拟器(实训台)进行通信的底层协议，然后通过网络传输将数据报传送给实训台的控制系统。

函数定义及说明

说明：

Private Sub send_Click(ByVal sender As Object，ByVal e As System.EventArgs)HandlesButtonl.Click

参数：

Sender：系统默认参数。

e：系统默认参数。

返回值：无。

引用单元

存在于单元文件Frm3D.vb中。

作用：

实现与实训台进行通讯控制功能。

实现算法：

首先与用户进行交互获得用户的操作信息，然后将操作信息进行封装转换成通讯协议，然后将通讯协议利用网络通讯形式向实训模拟器(实训台)进行发送，训练模拟器接收到信息后对协议进行解析，最后形成控制指令达到对实训模拟器(实训台)远程控制的目的。2)多媒体动画调用模块

模块描述

通过此模块可以对系统的动画部分进行调用演示，同时可以响应用户所作的其他相关操作。

函数定义及说明

说明：

Private Sub AxShockwaveFlash1_FSCommand(

ByVal sender As Object，ByVal e As

AxShockwaveFlashObjects._IShockwaveFlashEvents_FSCommandEvent)

Handles AxShockwaveFlash1.FSCommand

参数：

Sender：系统默认参数。

e：系统默认参数。

返回值：无。

引用单元

存在于单元文件FrmFlash.vb中。

作用

实现对用户的操作进行相应调用相应的教学模块。

实现算法

根据用户点击的对象找到相应的资源文件。

函数定义及说明

说明：

Private Sub ButtonsEvents(ByVal sender As Button)

参数：

Sender：系统默认参数。

返回值：略。

引用单元

存在于单元文件FrmFlash.vb中。

作用

对用户所单击的按钮事件进行响应，调用相应的教学资源。

实现算法

判断用户点击的按钮对象，然后找到此对象所对应的系统资源并对其进行调用来实现对用户的响应。

通过上述设计，本发明的有益效果在于：

一是由多个不同的汽车总成实物实训台(含整车)组成多个软、硬件交互结合的汽车技术实训模拟器(1)，各实训模拟器互联并组成局域网，实训模拟器(1)的数量可根据需要任意增减；

二是该互联局域网可通过代理服务器并入校园网(4)，向上联机联网实现教学资源的共享；

三是每个不同的汽车技术实训模拟器(1)均可连接由学生测试终端(6)构成的实训模拟工位，向下实现联机联网，组成实训模拟工位群，增加实训人次、减少实训批次、降低训练成本、放大教学效果。学生测试终端(6)构成的实训模拟工位数量也可以根据需要任意增减；

四是具有多媒体教学软件(7)作为辅助教学手段，直接与各种汽车电子实训台硬件链接，通过软、硬件交互结合，实现教与学的互动，并具有考核评估与职业技能鉴定功能；

五是通过全仿真与半仿真的结合、模拟软件与汽车实物总成的结合、单台设备与互联网络的结合、实际操作与模拟工位的结合，构建系统完整的汽车技术虚实融合协同工作环境，在一定的物理空间(专业教室)建立支持多人自由参与，包括触力觉、视觉、听觉交互响应的、具有临场体验感的集成实训系统。

项目综合了电子信息技术、数据通讯传输技术、汽车传感技术、自动控制技术、计算机处理技术，实现多学科、多领域的集成创新与原始创新，综合运用于汽车运用与服务工程职业教育教学，实现大范围、全方位发挥作用的实时、准确、安全、高效、低耗、环保的综合运行系统，从而构建系统完整的汽车技术复杂系统模拟训练协同工作环境。其结构组成如图所示：

附图说明

附图是汽车技术模拟训练虚实融合的协同工作装置的结构图以及内部连接关系。图中：

1是汽车技术实训模拟器(实训台)

2是远程控制台

3是网络接口

4是校园网络

5是通讯接口

6是学生测试终端

7是多媒体动画教学软件和其他教学资源

8是测试面板

9是网线

10是数据线

具体实施方式：

实训模拟器的互联如图所示，在汽车技术实训模拟器(1)上安装RS232/RS485/UNB接口(3)和RS232/RS485/UNB/CAN通讯接口(5)，使用网线(9)通过接口(3)与远程控制台(2)连接组成互联的局域网，远程控制台(2)又通过标准接口及网线接入校园网络(4)，在校园内的任意一个网络节点都可以使用计算机远程控制某个汽车技术实训模拟器(1)工作，包括起动、运行、停止、设置故障、清除故障、诊断故障。诊断故障包括读取故障代码、分析动态数据流、绘制主要传感器与执行器的波形图。这些数据通过远程控制台(2)接入校园网络(4)实现教学资源的共享，并通过投影仪、电子白板展示出来。

模拟工位的设置与互联如图所示，使用数据线(10)通过通讯接口(5)将各种汽车总成实物教学装置构成的汽车技术实训模拟器(1)与学生测试终端(6)连接，在学生测试终端(6)上面的测试面板(8)上，使用外接的汽车保修设备，如：汽车故障诊断仪、汽车万用表、汽车示波器、汽车尾气分析仪等可以测量到汽车技术实训模拟器(1)发出的所有真实的电信号。当教师使用远程控制台(2)控制汽车技术实训模拟器(1)工作并做相关讲解时，学生可在测试终端(6)构成的模拟工位上同时做相关测量，实现教与学的互动。模拟工位的数量还可根据参与的人数自由增减。

虚实融合的协同工作如图所示，将多媒体动画教学软件和其他教学资源(7)嵌入汽车技术实训模拟器(1)，当教师使用远程控制台(2)、投影仪、电子白板讲解到相关汽车总成或部件时，可随时调用与之配套的三维动画、平面动画和工作原理动画等教学软件，以及在校园网络(4)上面的其他教学资源辅助教学，实现软硬件交互与虚实融合的协同工作。学生也可使用位于模拟工位的计算机自有参与，实现教学互动。

Claims (6)

1.一种汽车技术模拟训练虚实融合的协同工作方法与装置，由汽车技术实训模拟器(1)、远程控制台(2)、网络接口(3)、通讯接口(5)、学生测试终端(6)、多媒体动画教学软件和其他教学资源(7)、测试面板(8)、网线(9)和数据线(10)构成，其特征是：校园网络(4)通过网线与远程控制台(2)电连接，远程控制台(2)通过网络接口(3)与实训模拟器(1)电连接，实训模拟器(1)通过通讯接口(5)与学生测试终端(6)电连接，把多媒体动画教学软件和其他教学资源(7)嵌入实训模拟器(1)，构成一种汽车技术虚实融合的协同工作环境与实训装置。

2.根据权利要求1所述的汽车技术模拟训练虚实融合的协同工作方法与装置，其特征是：汽车技术实训模拟器(1)由汽车发动机实训台、自动变速器实训台、ABS防抱死制动实训台、安全气囊实训台、自动空调实训台、汽车电子点火与燃油喷射实训台、汽车灯光电器实训台、车载CAN-Bus总线与多路信息传输系统实训台、教学整车和汽车电控转向系统实训台等各种不同的汽车实物总成实训台构成，使用统一的网络接口(3)与远程控制台(2)电连接。

3.根据权利要求1所述的汽车技术模拟训练虚实融合的协同工作方法与装置，其特征是：实训模拟器(1)可根据教学内容与课程设置，自由确定接入远程控制台(2)的种类与数量。

4.根据权利要求1所述的汽车技术模拟训练虚实融合的协同工作方法与装置，其特征是：在学生测试终端(6)安装有测试面板(8)，通过通讯接口(5)与实训模拟器(1)电连接，当更换不同的汽车技术实训模拟器(1)后，只需更换测试面板(8)与之对应就能实现不同的教学实训内容。

5.根据权利要求1所述的汽车技术模拟训练虚实融合的协同工作方法与装置，其特征是：学生测试终端(6)接入实训模拟器(1)的数量可根据参与实训的学生人数自由增减。

6.根据权利要求1所述的汽车技术模拟训练虚实融合的协同工作方法与装置，其特征是：把多媒体动画教学软件和其他教学资源(7)嵌入实训模拟器(1)，通过在实训台控制软件界面上设置的按钮来实现软、硬件之间的交互教学。

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