畢業(yè)設計--虛擬現(xiàn)實技術在自動變速器3d仿真的應用

1、<p>　　本科畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　題 目：虛擬現(xiàn)實技術在自動變速器</p><p><b>　　3D仿真的應用</b></p><p>　　學 院： 汽車與交通工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： 交通運輸（汽車運用）</p><p>　　學

2、 號： </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　職 稱： 副教授 </p><p>　　二O一二 年 五 月 二十九 日</p><p>&

3、lt;b>　　摘 要</b></p><p>　　變速器作為汽車動力傳動系統(tǒng)的重要部件，對動力性能、駕駛舒適性和油耗，都具有重要的作用，先進的變速器可以令發(fā)動機更好地演繹其優(yōu)良的動力性能，并能夠實現(xiàn)車輛動力性與經(jīng)濟性的完美結合。01N汽車自動變速器兼具燃油經(jīng)濟性、乘坐舒適性和駕駛樂趣于一體，開創(chuàng)了全新變速箱技術的一個新時代，DSG雙離合變速器代表了汽車技術未來的發(fā)展方向。</p>

4、<p>　　隨著計算機虛擬現(xiàn)實技術的快速發(fā)展,三維虛擬實驗設備在實驗教學領域的應用將帶來全面而深刻的變革。本課題擬研制并完成一套“汽車01N自動變速器虛擬實驗設備”，建立01N自動變速器三維數(shù)字化模型，利用虛擬現(xiàn)實技術，構建3D虛擬仿真的交互環(huán)境，并用面向對象的方法，真正實現(xiàn)01N汽車自動變速器的行為交互和3D虛擬仿真。</p><p>　　關鍵詞：DSG變速器，虛擬現(xiàn)實技術，行為交互，虛擬仿真<

5、/p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Transmission as an important vehicle power train components, on the dynamic performance, driving comfort and fuel consumption, have an important role i

6、n the transmission of advanced engine can make a better interpretation of its excellent dynamic performance, and to achieve power and economy of the vehicle the perfect combination. 01N automatic transmission, a collecti

7、on of the existing manual, automatic, automated manual transmission in one of the advantages, both fuel economy, ride comfort and</p><p>　　With computer technology, the rapid development of virtual reality,

8、three-dimensional virtual laboratory equipment applications in the field of experimental teaching will bring comprehensive and profound changes. The project intends to develop and complete a "double-clutch 01N autom

9、atic transmission vehicle virtual test equipment", the establishment of dual-clutch 01N automatic transmission three-dimensional digital model, using virtual reality technology to build interactive virtual simulated

10、 e</p><p>　　Key words: DSG transmission，Virtual Reality，Interactive behavior，Virtual Simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 緒論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

11、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6</p><p>　　1. 1研究背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6</p><p>　　1．1．1虛擬現(xiàn)實概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6</p><p>　　1．1．2虛擬現(xiàn)實的研究現(xiàn)

12、狀．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6</p><p>　　1. 2本課題研究內容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9</p><p>　　1.3本課題研究的意義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9</p><p

13、>　　第2章 01N型自動變速器結構和原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１０</p><p>　　2.1 01N變速器簡介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１０</p><p>　　2.2 01N變速器組成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

14、１１</p><p>　　2.3 01N變速器工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１１</p><p>　　2.3.1離合器的工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１１</p><p>　　2.3.2 制動器工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

15、．．．．．．．．．．．．．．．１２</p><p>　　2.3.4 01N型自動變速器各個擋位動力傳遞路線．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１３</p><p>　　第3章 系統(tǒng)開發(fā)工具．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１７</p><p>　　3.1.仿真系統(tǒng)的體系結構．．．．．．．．．．．．．．．．．

16、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１７</p><p>　　3.1.1仿真系統(tǒng)的體系結構．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１７</p><p>　　3.2系統(tǒng)開發(fā)工具簡介以及作用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１７</p><p>　　3.2．1三維模型建模平臺 CATIA．

17、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１７</p><p>　　3.2.2模型的格式轉換平臺 3DVIA Composer．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１９</p><p>　　3.2.3三維模型的渲染以及分坐標平臺3D Max．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２１</p><p>　　3.2.4虛擬交互平臺 Virto

18、ols．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２２</p><p>　　3.2.5 輔助工具 Photoshop CS4 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２５</p><p>　　3.3 模型從CATIA到Virtools之間的關鍵技術．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２６</p><p>　　3

19、.3.1格式問題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２６</p><p>　　3.3.2模型的渲染．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２６</p><p>　　3.3.2分坐標．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２９&

20、lt;/p><p>　　3.3.3模型導入Virtools的初步設置和對象建立．．．．．．．．．．．．．．．．．．３１</p><p>　　第4章 自動變速器虛擬裝配平臺開發(fā)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３４</p><p>　　4.1 虛擬交換環(huán)境．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

21、．．．３４</p><p>　　4.1.1 燈光設置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３４</p><p>　　4.1.2攝像機的設定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３５</p><p>　　4.2 2D幀的設置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

22、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３７</p><p>　　4.2.1 2D幀的BB設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４２</p><p>　　4.3動作BB的設置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４３</p><p>　　4.3.1旋轉

23、BB．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４３</p><p>　　4.3.2 暫停．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４４</p><p>　　4.3.3 返回IC．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４５

24、</p><p>　　4.4 整體界面．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４７</p><p>　　第5章 總結和展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４９</p><p>　　5.1總結．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

25、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４９</p><p>　　5．1.1操作BB的技巧．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４９</p><p>　　5.1．2模型以及界面的分組．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４９</p><p>　　5.1.3 IC的設置．．．

26、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．５０</p><p>　　5.1.4 命名技巧．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．５１</p><p>　　5.2展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．５１</p&g

27、t;<p>　　致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．５3</p><p>　　參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．５4</p><p><b>　　緒論</b></p>

28、<p><b>　　研究背景</b></p><p><b>　　虛擬現(xiàn)實概述</b></p><p>　　“虛擬現(xiàn)實”(Virtual Reality VR)是人們想象力的發(fā)展，是一種以沉浸性、交互性及構想性為主要特征的計算機系統(tǒng)，通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等方式創(chuàng)建和體驗虛擬世界，用戶可以融入這個二維虛擬世界并目睹與場景中的對象

29、進行交互，使用戶感到作為主角存在虛擬環(huán)境之中;虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)需要硬件和軟件兩方面的支持，硬件方面主要包括數(shù)據(jù)手套、二維鼠標、運動跟蹤器、力反饋裝置、語音識別及合成系統(tǒng)等等，軟件方面的選擇則很多，其中法國達索公司的virtools開發(fā)平臺是目前較為流行的一種，</p><p>　　virtools以完全的可視化模式建構互動體驗，其開放架構支持多種3D文件格式的讀取，使實現(xiàn)3D技術的應用變得更加多元化，更加廣泛。虛擬

30、環(huán)境是虛擬現(xiàn)實技術的具體體現(xiàn)，是一種基于計算機圖形學的實時、動態(tài)的二維環(huán)境，利用最新的計算機技術，使人身臨其境、有特性化的數(shù)字化多維信息空間;理想的虛擬環(huán)境可以說是現(xiàn)實世界的真實再現(xiàn)，是生動形象的，用戶難以分辨真假、全身心地投入到由計算機所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中;利用虛擬環(huán)境我們可以對實際工作過程和工作環(huán)境進行計算機預演，比如虛擬消防演示;也可以是我們時間、空間和體力、能力所不能達到的環(huán)境的模擬，比如虛擬事故的展示，這樣就利于我們對這些環(huán)境進

31、行生動形象地研究;同時，還可以替代耗資巨大的現(xiàn)實環(huán)境以節(jié)約時間、空間，降低成本，比如軍事模擬;總而言之，人們可以在虛擬環(huán)境中和虛擬環(huán)境中的物體進行自然地交互，有親臨現(xiàn)場的感受和體驗，所以，可以說虛擬現(xiàn)實是基于現(xiàn)實，同時又可超越現(xiàn)實。</p><p>　　1.1.2虛擬現(xiàn)實的研究現(xiàn)狀</p><p>　　虛擬現(xiàn)實技術是一門集人工智能、計算機圖形技術、計算機仿真技術、傳感與測量技術等為一體的實

32、用技術，是由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統(tǒng)。</p><p><b>　　國外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　VR技術的發(fā)源地在美國，目前美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。虛擬現(xiàn)實技術具有“沉浸感”、“交互性”與“實時性”，逐漸滲透到虛擬城市規(guī)劃、名勝古跡虛擬旅游、大型工程漫游、虛擬房地產(chǎn)推銷、VR虛擬現(xiàn)實教育娛樂等多個

33、領域，汽車領域是其應用的最廣最深的行業(yè)之一。</p><p>　　美國將虛擬現(xiàn)實技術廣泛應用于軍事模擬訓練方面[7]。美國國防部的DRRPA研究的Simnet被稱為近戰(zhàn)戰(zhàn)術訓練器，可以集成世界各地的模擬艙，連接各種各樣不同性質的車輛模擬器，所有的參與者可以進入同一個合成的環(huán)境中，即使相隔很遠的駕駛員也可以進行實時交互。這類虛擬訓練即節(jié)省了實車訓練的燃油，又避免了環(huán)境污染。許多模擬器視景采取計算機成像系統(tǒng)（CGS)

34、，運動系統(tǒng)都可以模擬六個自由度的運動情況，為用戶提供逼真的模擬駕駛環(huán)境。</p><p>　　美國國家交通安全協(xié)會研發(fā)的國家先進汽車駕駛模擬器(NADS)，可以為駕駛員提供9個自由度的空間位置或觸覺方面的汽車運動體驗。也給駕駛員360度的視景感受和聲音感受，并且，在駕駛員模擬操作過程中隨時可以得到汽車在虛擬的公路環(huán)境中行駛的各種性能參數(shù)以及駕駛員自身的各種生理參數(shù)。</p><p>　　目

35、前，法國PSA Peugeot Citroen研發(fā)中心利用Virtools制作3D / VR大型展示，在CAVE系統(tǒng)中，提供融入式車體展示與模擬汽車駕駛操控，呈現(xiàn)沉浸式虛擬實境的仿真體驗。</p><p><b>　　國內研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　我國VR技術起步較晚，在駕駛仿真系統(tǒng)方面的研究經(jīng)歷了一個從引進國外產(chǎn)品到自行研制的較漫長的發(fā)展過程[9]。近年

36、來，國家高技術研究發(fā)展計劃、國家自學科學基金會等都把VR列入了研究項目。90年代，隨著計算機技術和圖形、圖像技術的發(fā)展，汽車駕駛仿真系統(tǒng)走進國內，主要用于附合我國駕使員培訓教學和通用技術課程的現(xiàn)代化教學設備，目前多所知名大學都在這方面作了大量貢獻。中視典數(shù)字科技是中國較早從事數(shù)字汽車三維可視化、數(shù)字氣車虛擬駕駛、以及六自由度運動平臺整合的軟硬件一體化的專業(yè)研發(fā)公司。</p><p>　　虛擬現(xiàn)實技術在實際應用中分

37、為增強現(xiàn)實又稱混合現(xiàn)實系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。從上面可以看出國外比較重視前三個方面及硬件的研發(fā)，隨著生成的視景數(shù)據(jù)越多越復雜，對硬件性能的要求也就越高，市場上汽車駕駛模擬器的價格一般都很高，低端的用戶無法承擔這高昂的費用。作者到成都幾家比較正規(guī)的培訓中心的虛擬駕駛室親自體驗了一下，除了像極品飛車一樣體驗駕駛感覺外，大都沒有擺脫賽車游戲模式的束縛，計算機實時生成三維圖像或多或少地存在著汽車視景與操縱動

38、作脫節(jié)、滯后，虛擬與仿真的矛盾造成“沉浸感”、“交互性”與“實時性”不強等缺點。國內在進行虛擬現(xiàn)實的研究和應用并取得了一些不錯的研究成果。但與發(fā)達國家相比還有很大的一段距離，開發(fā)技術含量相對較低，己經(jīng)研制出來的汽車模擬系統(tǒng)很多從單方面作研究，缺乏知識連貫性,駕駛員無法對自己的駕駛以及硬件使用狀況作出正確的評估，給實車培訓糾錯或以后的駕駛生涯造成一定的影響。</p><p>　　北京航空航天大學是我國最早進行虛擬現(xiàn)

39、實研究的單位之一，在虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理、虛擬現(xiàn)實中的視覺接口方面等方面取得了很好的進展，實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境的網(wǎng)絡設計，不僅可以提供實時的二維動態(tài)數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實的演示環(huán)境、用于飛行員培訓的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，還可以提供虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)的開發(fā)平臺等;哈爾濱工業(yè)大學的研究人員成功地虛擬出了人的高級行為中特定人臉圖像的合成、表情的合成和唇動的合成等技術;浙江大學的國家重點實驗室開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境的實時漫游系統(tǒng)，研制出了

40、一種在虛擬環(huán)境中新的快速漫游算法以及一種遞進網(wǎng)格的快速生成算法;清華大學在虛擬現(xiàn)實和臨場感方面進行了研究;西安交通大學信息工程研究所對虛擬現(xiàn)實中立體顯示技術進行了研究，提出了一種基于JPEG標準壓縮編碼的新方案，獲得了較高的壓縮比、信噪比和解壓速度;對于虛擬現(xiàn)實的研究，我國已經(jīng)完成了兩個“863”項目，完成了體視動畫的自動生成部分算法和合成軟件處理，完成了虛擬現(xiàn)實圖像處理與演示系統(tǒng)的多媒體平臺及有關的音頻資料庫，并且制作了一些相關的體視

41、動畫光盤。</p><p>　　當前，國內專注于虛擬現(xiàn)實與仿真技術的軟硬件開發(fā)與推廣，已經(jīng)具備了國際上比較先進的虛擬現(xiàn)實技術解決方案及相關服務，具體的產(chǎn)品有:虛擬現(xiàn)實編輯器VRP-Builder、數(shù)字城市仿真平臺fvRP-Digieity、二維網(wǎng)絡平臺VRPIE、工業(yè)仿真平臺WRP-Indusim、二維仿真系統(tǒng)開發(fā)包VRP-SDK，能滿足不同領域、不同層次的用戶對虛擬現(xiàn)實的需求，在2002年和2007年國家級重點

42、項目數(shù)字奧運仿真中發(fā)揮了重要的作用，為2008年奧運虛擬現(xiàn)實提供了重要的技術支持。</p><p>　　1.2本課題研究內容</p><p>　　在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，用戶應該能夠以一種自然的方式與虛擬環(huán)境實現(xiàn)交互，包括感知環(huán)境并且干預環(huán)境，從而使用戶有置身于真實環(huán)境中的真實感和沉浸感。近些年來，虛擬現(xiàn)實技術己經(jīng)成為信息領域研究及開發(fā)應用的熱點方向，在航空汽車中同樣能體現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實技術的重要作

43、用，尤其是在虛擬模擬、車輛制造等方面有著非常廣泛的應用。</p><p>　　本文重點研究基于CATIA、3VIA Compser、3D Max和Virtools的汽車自動變速器仿真系統(tǒng)的基本實現(xiàn)方法，創(chuàng)建了具有交互性的虛擬現(xiàn)實模擬。首先利用CATIA建立自動變速器的簡化模型并導出格式為3DXML模型文件。再導入3VIA Compser里將格式轉換為3dmas。在導入3D Max里，做渲染、分坐標。以NMO格式輸

44、出文件，最后將模型導入virtools中進行交互模塊設計。</p><p>　　1.3本課題研究的意義</p><p>　　當前，無論是在中學，還是高校，均設置了大量的實驗課程;在廣大企業(yè)，員工上崗前也需要進行培訓。對學生和員工來說，實驗課程和培訓非常重要，因為這樣可以培養(yǎng)學生和員工的觀察能力、動手能力、形象思維能力，以及現(xiàn)場實際操作能力。但是，由于部分實驗和培訓設備昂貴，占地面積大，操作

45、復雜，笨重，給學校和企業(yè)帶來很大負擔。同時，在操作過程中，可能發(fā)生危險，這樣給學生和員工的生命帶來危險。尤其是在學校，由于經(jīng)費和場地的限制，這樣的設備，不可能大量購置。面對上述困難，為了不影響教學和企業(yè)培訓質量，這類實驗可以通過實驗仿真軟件來代替。實驗仿真軟件解決了學生員工人數(shù)相對較多，設備相對較少的問題，為學校節(jié)省了大量設備購置經(jīng)費，同時也為企業(yè)降低了培訓費用。更值得注意的是實驗仿真軟件可以對實驗設備進行仿真操作，通過實驗仿真軟件，學