VR技术在新能源电动汽车教学中的应用研究

秦彩宁 夏美艺 李恒宾 黄伟 青海交通职业技术学院

关健词：VR技术 新能源 电动汽车 高职高专 教学改革

一、研究现状

虚拟现实技术简称VR，全称“Virtual Reality”,是一种由计算机技术创造的虚拟新世界，它综合了计算机图形学、光电成像、融合显示、多传感器、图像处理、计算机视觉等多门学科，创造出一个逼真的三维虚拟环境。虚拟现实技术涉及教育、军事、工业生产、艺术与娱乐、医疗、城市规划、科学计算可视化等领域。VR技术已广泛的应用于各种科学领域，虚拟现实技术的先进特性使得该项技术应用于各行各业的模拟仿真研究中,并切实有效地指导了生产实践。虚拟现实技术在不远的将来就会应用于社会生产实践的各个领域,它与网络、多媒体将并称为 21 世纪最具应用前景的三大技术。

在国内，已有一些应用，例如：基于激光VR视觉重构和图像修复，对已损古建筑进行三维重现技术，并采用该技术实现古建筑完整成像；将VR技术引入到网络购物，并提出利用VR+服装网购方式让消费者对服装有更直观的了解，从而提高消费者购物体验；基于VR技术的船舶驾驶模拟仿真系统，通过船舶驾驶仿真系统不断提高船员的操作水平；将VR技术与电影进行媒介融合一定会超越以往技术上的突破，为电影业带来新一轮革命；针对电力高空作业人员由于视觉信息发生变化以及心理上的不合理信念，产生恐高的问题，提出将VR技术应用于恐高症的治疗，以提高电网运行安全性等等。

VR技术现在已逐渐在课堂教学中应用，汽车专业学生可以通过VR技术进行设计模拟、车身内外饰体验仿真以及结构优化、汽车零配件的装配以及安全模拟等；旅游专业学生课堂教学通过引入VR技术能让学生不用千里跋涉就可以更加身临其境地欣赏世界各地的旅游景点及名声古迹；机电专业学生可以通过VR技术认知了解某一三维物体的构造。

在国外，VR技术与课程融合的案例有很多，如创新手术学习课程、3D解剖课程、电力变压器操作课程、飞机维修技术的培训课程、自闭症谱系障碍的培训课程、物流全球虚拟团队教学工具等等。

研究分析目前国内外应用成果后，感觉还存在一些不足，理想的VR体验需要融合人的所有感知，包括视觉、听觉、触觉、味觉等。由于技术原因，目前大部分VR设备只包括视觉和听觉，包括所有感知的VR短期内还不能实现。

鉴于以上情况，在汽车专业教学中，引入虚拟现实技术，将汽车各零件的构成、分解、检验、调整、拆卸以及装配等结合在一起，应用虚拟现实技术不仅可使学生实训的培养时间有效地缩短, 减少教学实习场地与训练器材等所投入的费用，同时在很大程度上也使教师工作量得到了减少, 有利于最大经济效益以及社会效益的实现。

二、研究内容和方案

随着社会经济与信息技术的快速发展,市场需求对于汽车维修教学的要求也不断增加和提 高,而如何培养高技术人才也成为了当前汽车工程教学所研究的一个重要课题。在教学中,若缺乏相应的实战练习,无法实现学生基本技能训练操作的提高；如果每个环节都采取实地练习,势必会加大教学成本,也没有相应的训练场地。因此，对于学校而言，解决教学和实训困难也是当前面临的一个主要难题。

1.研究内容

根据课题中“VR+教育”在汽车教学方面的需求，用虚拟建模的方式，开发一套VR软件，借助手柄、VR 头盔等，实现用户与虚拟物体的交互操作。包括汽车零件的拆卸、装配等。因此在研究中拟解决两个问题：

车内某些机械零部件和电气线路安装的位置隐蔽，学习者对新能源电动汽车机械结构和电气组成的认知存在不确定性。

电能如何转换、分配，电流如何流动、动力如何传递等抽象、难以理解的问题。

基于以上问题，首先拟在课程教学过程中引入VR技术，利用头盔、手柄、油门踏板等装置；其次，可让体验者按动或触摸某个驱动装置后，辅助装置将发出信号，并以电路运行的模拟演示形式，让体验者感知该段线路或装置的电路走向等。另外，增设听觉功能，除有正常的启动、刹车、行驶等声音外，还可模拟风、雨、雪等不同天气状况下的各种响声，以增强体验者安全驾驶的意识。

2.工作方案

在充分调研的基础上，通过对电动汽车在不同工况下动力传递的过程进行研究分析，结合课程的教学过程，利用专业虚拟现实编程软件进行交互软件系统的开发，至少可分为九个步骤：

(1）确定需求：首先确定汽车拆装虚拟现实资源的需求，比如是整车的拆装或者是汽车零部件的详细拆装等等。

(2）建立模型：根据所确定的汽车拆装虚拟现实资源的需求，便可进行相应模型的制作，如使用需求为汽车发动机的拆装，则模型可制作成只含有发动机的汽车等。

(3）导入模型：模型建立完成后，将制作好的模型导入专业的虚拟现实编程软件中，观察是否有问题或无法导入等情况。

(4）搭建场景：汽车拆装虚拟现实资源所需的模型均导入成功，则可进行虚拟现实场景的搭建，在专业的虚拟现实编程软件中需要注意调整相机的位置、高度以及方向等参数。

(5）选择终端：场景搭建完毕后，需进行最终使用终端的确定，如确定在HTC VIVE环境中进行汽车拆装虚拟现实资源的使用，则需下载HTC VIVE相关SDK并针对起硬件结构进行开发，一旦确定终端后，其他终端无法共享使用。

(6）编写功能：编写代码进行相关交互操作功能的编写，例如想让汽车的车门在虚拟现实环境中可抓取，则需编写相关代码进行控制。

(7）运行测试：运行编写好的程序，进行简单的测试，保证程序的可靠性。

(8）发布原型：程序无问题后可进行发布使用。

(9）修改完善：发布的程序后如有更新、问题、不足等，需重新对程序进行修改、运行、发布操作，直至程序达到预期效果。

三、研究的创新点

1.学生与虚拟场景的虚拟交互体验

采用精确的跟踪系统，跟踪精度高，跟踪范围广，实现多人同时在虚拟场景中进行实时的交互体验，打造全新虚拟体验模式。学生与虚拟场景的交互借助交互硬件实现。如手柄、VR 头盔等。当学生做出自然生活中的动作，如转头、拾取、行进时，对应功能区中特定的虚拟场景或虚拟物体应识别人的动作, 并呈现符合逻辑规律的改变。

2.极强的沉浸感和真实感

采用具有真实感的实时渲染引擎，完全模拟真实场景，效果逼真，沉浸感强，真实感强。电路工作过程这一虚拟场景的交互及实现，将电动汽车在不同工况下动力传递过程用虚拟现实进行可视化，从而让学生对电动汽车动力传递的过程有更为深刻地认识。