基于VR技术的电控发动机故障诊断实训系统研究

基于 VR 技术的电控发动机故障诊断实训系统研究

黄国潮 王博

浙江交通职业技术学院 浙江 温州 311112

摘要：为解决传统电控发动机故障诊断教学过程中存在的教学设备不足、实训场地有限、学生动手机会少等问题，利用3dmax构建发动机、电气、车身等三维模型，再利用Unity3d虚拟现实技术进行交互控制，开发基于VR技术的电控发动机故障诊断虚拟实训系统，该系统具有零部件展示、发动机电控系统检测等功能，能够使学生全方位多角度地了解发动机结构及重复的进行发动机故障检测，为发动机实践教学提供了一种高效且创新的教学模式，从而提高了学生的学习兴趣和学习主动性，提升了教学质量。

关键词：虚拟现实技术；教学改革；电控发动机；故障诊断

1前言

随着汽车电气化程度、发动机电控系统复杂程度的提高，对汽车机电维修专业技术人才的要求越来越高，但目前存在有部分中、高职院校由于教学车辆及对应的故障检测配套设备价格昂贵、实践教学小班化教学成本高、实训过程需要耗材多、教学车辆容易损坏等造成实践教学人力和物力成本较高等问题；学生实践学习过程的不正当操作会导致设备损坏和安全隐患，增加师生的心理压力，不利于汽车电控发动机故障诊断实践教学的正常实施；还有在发动机舱里进行故障诊断的示范操作空间小，学生难于看清，实操教学示范演示效果差，导致学生学习兴趣下降，所以传统的电控发动机故障诊断实践教学方法影响了学生的学习效果、降低了学生的学习主动性。

虚拟现实技术是一种全新的计算机技术，它不仅弥补了传统实践教学方式中的不足，同时也丰富了教学手段和方法，对于电控发动机故障诊断教学，通过虚拟现实技术可以让学生了解电控发动机的结构、原理及检测方法并科学验证相关理论，加深学生对理论的认识。而对于专业方面的实践教学，如果用虚拟仿真技术逼真的去展示并让学员重复的完成故障的检测维修训练，学生的学习兴趣将会提高，学习主动性会进一步提升。

2 VR技术概述

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术，也称为虚拟仿真技术。虚拟仿真技术它以计算机技术为主，综合运用三维图形技术、计算机仿真技术、多媒体技术、显示技术等多种高科技的最新发展成果，利用计算机、显示器等设备来产生一个逼真的虚拟世界，从而使使用者处于一种身临其境的感觉。随着VR技术的不断发展，我国积极开展了对这一技术的研究，并在众多领域中予以实践运用。职业教育领域便是其中之一，VR技术沉浸性、交互性、构想性等特点，大大丰富了学生的学习体验，提高了学生的学习兴趣，使其加深了对知识的理解，强化了技能的训练。

3汽车电控发动机故障诊断仿真实训系统设计

汽车电控发动机故障诊断仿真实训系统设计内容包括：车门、发动机舱的开启，车辆的起动、零部件及电路的检测等，主要强调软件的真实感和交互性。

3.1系统架构设计

根据发动机故障诊断实训仿真系统的总体方案及设计流程，利用3dmax完成实训车间建模、检测设备和工具的建模、发动机舱建模，利用Web开发技术进行发动机故障诊断虚拟仿真教学管理系统的设计，将软件生成的电控发动机故障诊断虚拟仿真项目发布到学习平台，以便学生能够在平台上进行学习。基于VR的电控发动机故障诊断虚拟仿真需要实现3D场景的实时更改和画面宣染，并使用Json作为信息交互工具与上层应用服务进行交互。

1）汽车实训车间建模

汽车实训车间场景模型的设计与制作是保证该软件具有真实感的关键所在，设计中将实训车辆放在整个场景的中央并配有立柱式举升机，周围通过摆设诊断仪、示波器、工具车、气电灯一体箱等设备，通过场景细节的提升让软件的仿真环境与真实的车间环境有了同样的沉浸感。通过设置观测点、光源、背景节点等参数实现汽车维修车间的背景。

2）检测设备和工具的建模

汽车电控发动机在实际维修过程中是相对较复杂的维修工作，需要有正确的诊断思路和诊断的基本流程，采用多种检测方法，使用各种检测诊断设备。在软件中提供丰富的、与实际一致的诊断设备和检测工具是提高真实感的一项重要因素，其中包括：万用表、示波器、诊断仪、各种拆装工具等。

3）发动机舱建模

对于汽车电控发动机故障诊断实训软件来说，大多数的操作过程都将在发动机舱内完成，其中包括：发动机零部件的拆装、电路的检测和元件的测试等步骤。所以该部分模型直接体现虚拟仿真沉浸感的真实性，要求发动机舱整体界面与实车完全一致，对细节进行深度的宣染，在发动机传感器、执行元件等检测点设置场景按钮，点击可进入操作场景。

3.2系统功能模块设计

根据电控发动机故障诊断虚拟实训系统的需求分析，确定电控发动机故障诊断虚拟仿真教学管理系统的功能分为四大模块，分别为：电控发动机故障诊断模块、实验管理模块、电控发动机知识学习及测试模块、系统管理模块。具体模块如图3.1所示。

图3.1 系统总体功能模块

（1）汽车发动机故障诊断模块

该模块主要完成汽车发动机的故障检测、诊断与维修，让学生对汽车发动机的基本结构、检测方法及诊断逻辑有深入的了解。同时可以对汽车发动机运动仿真功能进行学习，让学生能够对汽车发动机相关传感器、执行器、控制单元及电路进行原理的学习。

（2）实验管理模块

该模块主要功能是电控发动机故障诊断虚拟仿真实验的管理，对学生的学习成绩及学习进度进行管理。用户登录系统时，系统将对学生的待学习任务进行提醒。根据发动机故障诊断实践教学的需求分析，规划了四大学习项目，共十二个学习任务。

（3）电控发动机故障诊断知识学习及测试模块

该模块功能主要是对汽车发动机工作原理的学习，并对学习效果进行评价，学生能够进行自我检测。根据电控发动机故障诊断实践教学的主要特点，将电控发动机的结构、数据流、故障码含义等知识以静态方式显示。

（4）系统管理模块

该模块主要功能是对学生和模型进行管理，比如：学生账号、密码重置等，以及更换电控发动机模型。通过该模块，能够将更多常用的电控发动机模型添加到系统中，以便学生进行学习。

4 汽车电控发动机故障诊断仿真系统发布

汽车电控发动机故障诊断仿真系统主要基于Unity3d平台开发，Unity3d能够生成html文件和可执行文件。在电脑客户端，使用者可以通过安装Unity Web Player插件，在联网情况下应用电脑进行学习和操作。应用生成的可执行文件，可以在离线状态下采用电脑进行学习和操作。除传统的电脑端应用外，还有开发应用于移动端的程序，可以给学生提供更大的学习便利。Unity 3d的系统发布过程，其本质就是一个将内部场景有序布置并进行优化，再将其整合形成可供不同平台使用的程序包。

5结语

针对中、高职院校汽车类各专业的主干课程汽车发动机电控系统检修或相近课程，设计、开发发动机VR教学软件，通过该软件，用户穿戴透视式头盈显示器或手持智能移动终端，可以“身临其境”地学习汽车发动机工作原理、检测和诊断等相关知识，并获取相关技术技能。让学生在虚拟仿真车间里完成汽车故障检测和排除，以此来培养学生对于理论知识的运用能力、拆装和检测设备的使用能力、故障检测与诊断的分析能力等，从而提高学生的学习兴趣和教学质量。

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