CN108711326A - 一种基于虚拟仿真的汽车教育培训系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟仿真的汽车教育培训系统，包括：装有汽车教育培训系统的PC机的服务器，服务器与PC机的显示屏相连；汽车教育培训系统包括整车结构模块、原理展示模块、故障诊断模块、教学资源模块、整车拆装模块和理论考核模块。本发明通过VR眼镜使学员能够看到虚拟的立体化汽修培训环境，并通过操作手柄与虚拟环境进行交互操作。本系统能够展示现实培训中无法展示的汽车结构细节和运行原理，并能仿真出大量实训中无法仿真的故障案例供学员进行诊断和维修，极大地增加了学员的实战经验，同时减少了对实训设备的磨损，降低了培训成本并提高了实训的安全性。

Description

一种基于虚拟仿真的汽车教育培训系统

技术领域

本发明涉及教育培训系统，尤其涉及一种基于虚拟仿真的汽车教育培训系统。

背景技术

汽车检测与维修技术专业为汽车检测与维修行业培养第一线需要的高等技术应用型人才，能适应汽车维修、汽车安全检测、汽车质量评估、汽车销售、汽车制造生产、汽车维修车间技术管理、汽车已有新技术开发应用等多种岗位。然而我国汽修人才初级技工饱和，高级技工不足，人才供需失衡，高水平、高素质的汽车维修技师更是“一将难求”，其中尤以汽修、数控等热门专业为代表，被称为“高级蓝领”的高级技工已经成为稀缺资源。根据《紧缺人才报告》数据显示，截止2016年底，我国汽修人才需求量高达300多万，同时这个数据随着中国汽车的普及还在快速增长。

传统汽车教育培训采用先理论后实操的教学方式，具有原理难理解、故障难模拟、实操危险高、实训不充分、硬件损坏大等弊端，培训效果差，难以培养出高素质的汽修人才。VR虚拟现实技术具有高沉浸感、高还原度、高仿真性等特点，是近年出现的新型科研热点。VR技术能够将平面图像立体化，从而使使用者有身临其境的感觉，增加体验的真实性。VR技术具有零距离、零风险，灵活方便、不受时地约束，成本低、效率高等特点，已被广泛应用于工业或医学等危险性高的行业培训中。

发明内容

本发明旨在提供一种基于虚拟仿真的汽车教育培训系统，用于让学员身临其境地学习汽修领域的各项技能，场景真实，原理直观，零事故，零损耗，能够极大的激发学员的学习热情，提高培训效果。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于虚拟仿真的汽车教育培训系统，包括：

(1)装有汽车教育培训系统的PC机的服务器，所述的服务器与PC机的显示屏相连；

所述的汽车教育培训系统包括整车结构模块、原理展示模块、故障诊断模块、教学资源模块、整车拆装模块和理论考核模块；

所述的整车结构模块用于设置汽车各部分结构设备模型，并能够在整车结构模块运行环境下实现720度多角度观察汽车各部分结构设备，同时能够查看汽车零部件的详细说明信息；

所述的原理展示模块用于设置汽车原理展示讲解视频，将复杂的汽车原理进行可视化的讲解展示；

所述故障诊断模块用于虚实融合故障诊断，所述的服务器通过无线或有线物联网模块与安装在真实汽车检测点处的传感器连接，在PC机显示屏上1:1显示该真实汽车的三维模型，同时服务器读取各传感器输出的信号并将信号值传输到与实测测点相对应的汽车三维模型的对应点处，学员在故障诊断模块中采用鼠标选取虚拟诊断仪或者虚拟万用表对三维模型上的检测点进行测量，测量参数显示在显示屏上，该测量参数为所述的各传感器传输的真实汽车对应位置处的信号值，实现在PC端对真实汽车的真实检测；

所述教学资源模块用于设置汽车学习资料以供学员随时阅读学习；

所述整车拆装模块包括整车卸载模块和总成安装模块；所述的整车卸载模块用于进行零件的虚拟卸载训练，所述的整车卸载模块设置有拆卸部件、工具台以及任务流程，进入相应的虚拟操作环境后，学员按照操作提示在工具台选择虚拟工具进行拆卸；所述的总成安装模块用于进行零件的虚拟安装训练，所述的总成安装模块设置有安装部件、工具台以及任务流程，进入相应的虚拟操作环境后，学员按照操作提示选择零部并在工具台选择虚拟工具进行安装；

所述理论考核模块用于设置多种操作的考核内容，或者预设设备的故障情况，学员在PC机通过鼠标点击进入相应的操作，操作过程中理论考核模块自动记录学员操作结果，然后将学员操作结果与设定标准进行比较，最后在PC机显示屏上输出判定和打分以检验学员的知识水平。

本发明的有益效果：

本发明通过采用虚拟仿真技术，开发了一套汽车教育培训系统，填补了VR技术在汽车教育培训领域的空白。本发明通过VR眼镜使学员能够看到虚拟的立体化汽修培训环境，并通过操作手柄与虚拟环境进行交互操作。该系统能够展示现实培训中无法展示的汽车结构细节和运行原理，并能仿真出大量实训中无法仿真的故障案例供学员进行诊断和维修，极大地增加了学员的实战经验，同时减少了对实训设备的磨损，降低了培训成本并提高了实训的安全性。

附图说明

图1是本发明的基于虚拟仿真的汽车教育培训系统硬件整体结构框图，其中1为菜单手柄，2为VR眼镜，3为操作手柄，4为服务器，5为显示屏。

图2是本发明基于虚拟仿真的汽车教育培训系统的软件结构框图；

图3是整车结构设备分解示意图；

图4是AR端原理展示端口原理展示效果示意图；

图5是VR端拆装模块高压控制盒虚拟拆装场景图；

图6是故障诊断模块结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

参见图1所示,一种基于虚拟仿真的汽车教育培训系统，该系统包括：

(1)装有汽车教育培训系统的PC机的服务器4，所述的服务器4与PC机的显示屏5相连；

所述的汽车教育培训系统包括整车结构模块、原理展示模块、故障诊断模块、教学资源模块、整车拆装模块和理论考核模块；

所述的整车结构模块用于设置汽车各部分结构设备模型，并能够在整车结构模块运行环境下实现720度多角度观察汽车各部分结构设备，同时能够查看汽车零部件的详细说明信息，包括其组成、功能用途等操作。

具体的，720度多角度观察汽车各部分结构设备包括旋转、移动汽车整体及零部件模型等操作，可以进行整车分解观察和零件分解观察。通过设备逐层拆分及设备详细介绍，学员能够对汽车各部分结构有一个全面深入的了解，解决了传统培训形式中零部件直观性差、不便于观察的问题。

系统启动后，鼠标点击进入整车结构模块，PC机显示屏5展示出汽车的整体结构模型，学员通过鼠标操作可以旋转、移动汽车模型以进行多角度观察。参见图3所示，鼠标右键点击整车6弹出快捷菜单，选择“设备分解”选项，整车身以爆炸图的形式分解为后备箱盖7、车大架8、车门9、散热系统总成10、机舱盖11、动力系统总成12、前悬挂13、动力电池14，后悬挂15等多个零件，右键单击散热系统总成10选择“设备分解”选项可进一步将散热系统总成10分解成散热风扇16、冷凝器17，水箱18。选择“设备详情”选项可查看零件的详细说明信息。

所述的原理展示模块用于设置汽车原理展示讲解视频，将复杂的汽车原理进行可视化的讲解展示，如在PC端将复杂的汽车运行原理以动画的形式展现出来等。

作为本发明的第一种实施方式，所述的可视化的讲解展示方式为：学员在PC机上观看汽车原理讲解动画展示资料并在原理展示模块的PC端运行界面通过鼠标对汽车三维模型进行旋转、拆解、移动、介绍点选等交互操作，直观地感受电路中电流的流动方向、零件的运转状态等现实中无法观看的原理，从而对各系统的运行原理有一个清晰直观的感受。

作为本发明的第二种实施方式，所述的可视化的讲解展示方式为：所述的服务器4的信号输出端与VR眼镜2相连，学员通过佩戴VR眼镜2进入原理展示模块的虚拟三维环境中观看汽车零部件的结构组成及运行原理。通过让学员沉浸在虚拟的三维环境中，将复杂的原理立体化后以可交互的VR形式进行展现，学员通过佩戴VR眼镜可以观察到三维空间中的汽车零部件内部能量或电流的流动过程，实现将枯燥难懂的文字或平面图片知识生动立体的展现在学员的眼前，让知识能够看得见，学得懂。

参见图4所示，作为本发明的第三种实施方式，所述的可视化的讲解展示方式为：在学员的移动端上安装原理展示模块APP，学员通过移动端APP扫描教材图片，APP采用图像识别算法识别出图片内容，并将该图片所对应的三维立体化图片显示在移动端屏幕上，用户在移动端屏幕上对三维立体模型进行旋转、移动、放大、缩小等操作，通过动态内容的交互详细观察汽车内部各部分的原理。

所述故障诊断模块用于虚实融合故障诊断，参见图6所示，所述的服务器4通过无线或有线物联网模块24与安装在真实汽车25检测点处的传感器连接，在PC机显示屏5上1:1显示该真实汽车的三维模型，同时服务器4读取各传感器输出的信号并将信号值传输到与实测测点相对应的汽车三维模型的对应点处，学员在故障诊断模块中采用鼠标选取虚拟诊断仪23或者虚拟万用表22对三维模型上的检测点进行测量，测量参数显示在显示屏5上，该测量参数为所述的各传感器传输的真实汽车对应位置处的信号值，实现在PC端对真实汽车的真实检测。根据系统故障诊断模块中的测量结果便可以对硬件故障做出判断，这样无需对实车进行操作，既减少了对硬件的磨损又降低了操作的危险性。

例如，汽车25上动力电池系统与电压传感器相连，该电压传感器通过有线物联网模块24连接到服务器4，PC机显示屏5上显示该汽车25的1:1三维模型，使用鼠标选取虚拟万用表22测量虚拟汽车三维模型的动力电池系统的电压，则PC机显示屏上将显示测量的电压参数值，该电压参数值即为实车动力电池系统通过电压传感器实时传输到服务器上的真实电压值，由此实现在PC端对实车的真实检测。

所述教学资源模块用于设置汽车学习资料以供学员随时阅读学习，所述的汽车学习资料包含各种零部件结构与原理资料、教学教案、维修手册等。该模块可以打开多种类型的资料文件，包含PPT、WORD、EXCEL、PDF、FLASH文件等，学员可以随时阅读学习，并且该模块随着汽车技术的发展不断更新和完善，以保证学习资料的与时俱进。

所述整车拆装模块包括整车卸载模块和总成安装模块；所述的整车卸载模块用于进行零件的虚拟卸载训练，所述的整车卸载模块设置有拆卸部件、工具台以及任务流程，进入相应的虚拟操作环境后，学员按照操作提示在工具台选择虚拟工具进行拆卸；

所述的总成安装模块用于进行零件的虚拟安装训练，所述的总成安装模块设置有安装部件、工具台以及任务流程，进入相应的虚拟操作环境后，学员按照操作提示选择零部并在工具台选择虚拟工具进行安装。

作为本发明的一种实施方式，进入整车卸载模块或者总成安装模块进行操作的方式为：进入整车卸载模块或者总成安装模块后，显示屏弹出提示步骤菜单，学员按照提示步骤采用鼠标点击进行拆装操作。界面工具箱中包含各种型号的套筒、扳手、专用钳子等工具，在某些步骤中学员需要从工具箱中选择特定的工具进行组合来拆卸或安装零部件。待操作熟练后可以取消步骤提示，学员凭借记忆进行操作以进一步提高熟练程度。

作为本发明的另一种实施方式，进入整车卸载模块或者总成安装模块进行操作的方式为：一个菜单手柄1与服务器与相连，所述的菜单手柄1用于控制菜单显示的开启与关闭并控制菜单在VR眼镜视野中显示的位置；

一个操作手柄3与服务器相连，所述的操作手柄3用于实现虚拟环境下的人机交互操作；

由学员佩戴的VR眼镜2,所述的VR眼镜与服务器相连，用于在视野中显示1:1虚拟汽修培训环境，可以出现相应的操作菜单界面，如：整车卸载菜单或者总成安装菜单等，优选的，所述的VR眼镜与服务器通过USB连接进行实时数据传输。

所述的显示屏用于实时显示VR眼镜观看到的画面；

在启动整车拆装模块后，所述的服务器接收学员操纵菜单手柄1输出的菜单界面，然后根据接收到的操作手柄2输出的操作控制信号在菜单界面中确定要进行的虚拟拆装训练内容，并通过整车卸载模块或者总成安装模块进入相应的虚拟汽修培训环境，操作手柄2再在相应的虚拟汽修培训环境下选取所需的某一工具进行汽车零件拆卸或者选取所需的某一工具以及汽车零件进行安装以实现虚拟环境下的人机交互操作；

例如，参见图5所示，学员佩戴VR眼镜进入高压控制盒虚拟拆装环境后，视野中会出现工具台19，待拆装的高压控制盒20以及任务流程21，学员根据任务流程的操作提示逐步进行拆卸操作，任务流程中提示需要使用工具进行拆卸时，如使用小号棘轮扳手+小号接杆+7#套筒组套工具拆卸高压控制盒盖板螺栓，学员可以使用操作手柄在工具台上依次选择正确的工具，然后组合在一起将螺栓拆下。待学员操作熟练后，可以取消任务流程21的步骤提示，学员凭借记忆进行练习可以进一步的提高操作熟练程度。所述的菜单手柄、操作手柄以及VR眼镜市场有售，按照使用说明与服务器连接使用即可。

进一步地，在所述的服务器中安装有错误识别模块，所述的错误识别模块用于读取整车卸载模块和总成安装模块输出的学员在进行虚拟拆装的过程中的操作信息，并根据错误识别模块中预设的数据评定学员的操作是否正确、规范，在学员操作错误时给予警告并提示正确的操作步骤；

所述理论考核模块用于设置多种操作的考核内容，或者预设设备的故障情况，学员在PC机通过鼠标点击进入相应的操作，操作过程中理论考核模块自动记录学员操作结果，然后将学员操作结果与设定标准进行比较，最后在PC机显示屏上输出判定和打分以检验学员的知识水平。

Claims (8)

1.一种基于虚拟仿真的汽车教育培训系统，其特征在于包括：

(1)装有汽车教育培训系统的PC机的服务器，所述的服务器与PC机的显示屏相连；

所述的汽车教育培训系统包括整车结构模块、原理展示模块、故障诊断模块、教学资源模块、整车拆装模块和理论考核模块；

所述的整车结构模块用于设置汽车各部分结构设备模型，并能够在整车结构模块运行环境下实现720度多角度观察汽车各部分结构设备，同时能够查看汽车零部件的详细说明信息；

所述的原理展示模块用于设置汽车原理展示讲解视频，将复杂的汽车原理进行可视化的讲解展示；

所述故障诊断模块用于虚实融合故障诊断，所述的服务器通过无线或有线物联网模块与安装在真实汽车检测点处的传感器连接，在PC机显示屏上1:1显示该真实汽车的三维模型，同时服务器读取各传感器输出的信号并将信号值传输到与实测测点相对应的汽车三维模型的对应点处，学员在故障诊断模块中采用鼠标选取虚拟诊断仪或者虚拟万用表对三维模型上的检测点进行测量，测量参数显示在显示屏上，该测量参数为所述的各传感器传输的真实汽车对应位置处的信号值，实现在PC端对真实汽车的真实检测；

所述教学资源模块用于设置汽车学习资料以供学员随时阅读学习；

所述整车拆装模块包括整车卸载模块和总成安装模块；所述的整车卸载模块用于进行零件的虚拟卸载训练，所述的整车卸载模块设置有拆卸部件、工具台以及任务流程，进入相应的虚拟操作环境后，学员按照操作提示在工具台选择虚拟工具进行拆卸；所述的总成安装模块用于进行零件的虚拟安装训练，所述的总成安装模块设置有安装部件、工具台以及任务流程，进入相应的虚拟操作环境后，学员按照操作提示选择零部并在工具台选择虚拟工具进行安装；

所述理论考核模块用于设置多种操作的考核内容，或者预设设备的故障情况，学员在PC机通过鼠标点击进入相应的操作，操作过程中理论考核模块自动记录学员操作结果，然后将学员操作结果与设定标准进行比较，最后在PC机显示屏上输出判定和打分以检验学员的知识水平。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟仿真的汽车教育培训系统，其特征在于：在所述的服务器中安装有错误识别模块，所述的错误识别模块用于读取整车卸载模块和总成安装模块输出的学员在进行虚拟拆装的过程中的操作信息，并根据错误识别模块中预设的数据评定学员的操作是否正确、规范，在学员操作错误时给予警告并提示正确的操作步骤。

3.根据权利要求1或者2所述的基于虚拟仿真的汽车教育培训系统，其特征在于：所述的原理展示模块进行可视化讲解展示方式为：学员在PC机上观看汽车原理讲解动画展示资料并在原理展示模块的PC端运行界面通过鼠标对汽车三维模型进行旋转、拆解、移动和介绍点选交互操作。

4.根据权利要求1或者2所述的基于虚拟仿真的汽车教育培训系统，其特征在于：所述的原理展示模块进行可视化讲解展示方式为：所述的服务器的信号输出端与VR眼镜相连，学员通过佩戴VR眼镜进入原理展示模块的虚拟三维环境中观看汽车零部件的结构组成及运行原理。

5.根据权利要求1或者2所述的基于虚拟仿真的汽车教育培训系统，其特征在于：所述的原理展示模块进行可视化讲解展示方式为：在学员的移动端上安装原理展示模块APP，学员通过移动端APP扫描教材图片，APP采用图像识别算法识别出图片内容，并将该图片所对应的三维立体化图片显示在移动端屏幕上，用户在移动端屏幕上对三维立体模型进行旋转、移动、放大和缩小操作。

6.根据权利要求1或者2所述的基于虚拟仿真的汽车教育培训系统，其特征在于：进入整车卸载模块或者总成安装模块进行操作的方式为：进入整车卸载模块或者总成安装模块后，显示屏弹出提示步骤菜单，学员按照提示步骤采用鼠标点击进行拆装操作。

7.根据权利要求1或者2所述的基于虚拟仿真的汽车教育培训系统，其特征在于：进入整车卸载模块或者总成安装模块进行操作的方式为：一个菜单手柄与服务器与相连，所述的菜单手柄用于控制菜单显示的开启与关闭并控制菜单在VR眼镜视野中显示的位置；

一个操作手柄与服务器相连，所述的操作手柄用于实现虚拟环境下的人机交互操作；

由学员佩戴的VR眼镜,所述的VR眼镜与服务器相连，用于在视野中显示1:1虚拟汽修培训环境；

所述的显示屏用于实时显示VR眼镜观看到的画面；

在启动整车拆装模块后，所述的服务器接收学员操纵菜单手柄输出的菜单界面，然后根据接收到的操作手柄输出的操作控制信号在菜单界面中确定要进行的虚拟拆装训练内容，并通过整车卸载模块或者总成安装模块进入相应的虚拟汽修培训环境，操作手柄再在相应的虚拟汽修培训环境下选取所需的某一工具进行汽车零件拆卸或者选取所需的某一工具以及汽车零件进行安装以实现虚拟环境下的人机交互操作。

8.根据权利要求7所述的基于虚拟仿真的汽车教育培训系统，其特征在于：所述的VR眼镜与服务器通过USB连接进行实时数据传输。