汽车工业中的虚拟仪器与虚拟试验技术

1. 虚拟仪器技术简介

虚拟仪器(Virtual Instrument)是由美国国家仪器公司(National Instrument)于20世纪80年代首先提出的。他是基于计算机的软硬件测试平台,是计算机技术与现代仪器技术深层次结合的产物。在一个虚拟仪器系统中,硬件是整个系统赖以工作的物理平台,用来建立信号与计算机的连接通道,形成计算机的I/O接口。软件是整个虚拟仪器硬件系统工作的灵魂,用户通过由软件设计产生的接口界面才能与虚拟仪器硬件系统进行交流,而虚拟仪器的数据采集,分析,处理和显示功能也只有通过软件才能实现。虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来,以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测量,控制能力结合在一起,通过软件实现对数据的分析处理,表达并以友好的图形界面显示出来。虚拟仪器的出现被誉为仪器界革命性的新纪元。

2. 虚拟仪器设计开发

由于应用软件实现虚拟仪器与用户的交流,它可以提供友好的用户界面,强大的数据采集与处理功能,它是实现虚拟仪器功能的关键因素。因此,能否方便的设计出界面友好,功能强大的虚拟仪器软件,直接关系到仪器功能的实现和仪器的性能。目前虚拟仪器的开发较多的使用由NI公司推出的Lab Windows CVI,LabVIEW等。它们采用最流行的图形化编程环境,其中既包括菜单,表头等通用用户接口属性,也包括了开关,滑动条,数字显示窗口等仪器应用接口属性。

虚拟仪器的设计方法和实现步骤与一般软件的设计方法和实现步骤基本相同,只不过虚拟仪器设计时要考虑硬件部分。虚拟仪器设计方法主要包括以下三个部分:

(1) IO接口仪器驱动程序的设计;

(2) 仪器面板的设计;

(3) 仪器功能算法的设计。

3. 汽车工程中的虚拟仪器技术

伴随汽车工业的蓬勃发展，车用电气设备越来越多，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力，使汽车电气系统形成一个复杂的大系统。现代汽车已逐渐演变成为一个移动的PC网络系统。利用虚拟仪器技术，我们可以轻松的仿真各种车用电气设备，开发各种车用电控单元等。利用该技术，我们不必直接对硬件进行设计，而是在之前通过虚拟技术对硬件功能做原理性开发。这样，不仅可以缩短开发时间，也能降低开发成本。另一方面，现代汽车电气系统的日益复杂化，如果采用传统的硬件测量设备，不仅仅使设备数量增加，加大检验的工作量，而且各硬件设备灵活性不强、成本过高。利用虚拟仪器技术，我们可以将各种数据采集设备集成到计算机中，通过软件实现各种数据读取和信号分析处理，最后将结果显示出来。这样，可以大大减少检测的工作量，降低成本，还能灵活的开发适合自身车型的检测功能集成。

二. 虚拟试验技术

1. 虚拟试验技术简介

科学试验和理论研究相结合是现代科学技术的一个显著特点。理论需要实验的检验和验证,实验需要理论的指导,两者相互依赖,相辅相成。任何一种理论,只有在科学实验得到证实后才能成立。工程技术中,任何一个成功的产品,都是设计和试验相结合的产物。设计过程就是试验过程,试验贯穿于整个设计工作的始终。任何设计思想,理论计算无不经过试验的检验。在许多复杂的工程技术问题中,试验常常是解决问题的有效方法。

从广义上讲,任何不使用或部分使用实际硬件来构造试验环境,完成实际物理试验的方法和技术都可以称为虚拟试验。虚拟试验可以定义为在虚拟环境中进行的试验。而虚拟试验环境是基于软件工程研制的仿真试验系统,它允许设计者将虚拟原型安装在其上进行试验,借助交互式技术和试验分析技术,使设计者在设计阶段就能对产品的运行性能进行评价或体验。或者虚拟试验就是在计算机系统中采用软件代替部分硬件或全部硬件来建设各种虚拟的试验环境,使试验者可以如同在真实的环境中一样完成各项预定的试验项目,使所取得的试验效果接近或等于在真实环境中所取得的效果。

计算机仿真为科学试验开辟了一个全新的解决方案。计算机仿真是利用计算机对试验对象的数学模型进行模拟实验,求得对实物原型系统规律性认识的一种试验方法,它使虚拟试验进入了数字化阶段。计算机进行的仿真试验过程都是计算与逻辑判断。但由于计算机在记忆能力和运算速度上的优势,使计算机仿真试验能处理一些复杂系统和非线性系统的试验。计算机强大的信息处理能力和强大的计算能力使虚拟试验的范围逐步从简单性研究转向复杂性研究,从定性研究转向定量研究。

计算机仿真的进一步发展是虚拟现实(Virtual Reality Test,简称VR) 。虚拟现实是一种人工创建和体验虚拟世界的计算机系统,它具有三个重要特征: 高度的沉浸感,可信度和交互性。利用虚拟现实技术,可以方便地在计算机上产生一个虚拟的试验环境,对被试产品进行各种性能测试和检验;通过人的视觉,听觉,触觉等作用于人,使人产生身临其境的感觉,使试验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的试验项目。

虚拟试验系统不仅可以作为真实试验的前期准备工作,而且可以在一定程度上替代传统的试验。于传统试验相比它具有一下优点:

(1) 可以大幅度减少样机制造试验次数,缩短新产品试验周期,同时,降低实际试验费用。

(2) 虚拟试验技术应用于复杂产品的开发中,可以实现设计者,产品用户在设计阶段信息的互反馈,使设计者全方位吸收,采纳对新产品的建议。

(3) 虚拟试验技术代替实际试验,实现了试验不受场地,时间和次数的限制,可对试验过程进行回放,再现和重复。

2. 虚拟试验技术在汽车工业中的应用

计算机技术的不断发展,硬件性能的不断提高,推动了虚拟试验在车辆工程方面的应用。1972年,美国通用汽车公司首先开发了车辆动力性和燃油经济性的通用预测程序GPSIM,该程序可以模拟汽车在任何工况行驶下的瞬时油耗,累计油耗,行驶时间和距离,预测汽车设计参数如: 质量,传动比,空气阻力系数等的变化对汽车性能的影响。美国北卡大学虚拟环境试验室,开展了车辆驾驶员虚拟环境的研究,具有极强的工程应用性。美国MDI公司开发的ADAMS软件是构造产品的虚拟原型的一个很好的平台,其中的CAR模块是MDI公司与Audi, BMW, Renault和Volvo等公司合作开发的整车虚拟软件包,集成了它们在汽车设计,开发等方面的经验。利用该模块,工程师可以快速建造高精度的整车虚拟样机(包括车身,悬架,传动系统,发动机,转向机构,制动系统等)并进行仿真,通过高速动画直观地显示在各种试验工况下(例如: 天气,道路状况,驾驶员经验)整车动力学响应,输出标致操纵稳定性,制动性,乘坐舒适性和安全性的特征参数,从而减少对物理样机的依赖。VTL(Virtual Test Lab)系统是由美国MTS(Mechanical Test System)公司研制的虚拟试验系统,该系统通过在产品或部件上安装虚拟传感器,并将虚拟原型安装在不同的试验环境中,一旦虚拟模型确定,可以反复进行试验,并根据虚拟试验结果对设计进行反复修改,从而获得最佳设计方案。

与西方发达国家相比,国内在虚拟试验方面的研究单位主要集中在高校。吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室对汽车防抱制动系统(ABS)混合仿真试验台进行了系统分析,建立了用于硬件在环仿真的车辆模型,轮胎模型,路面模拟以及ABS液压系统模型,并进行了硬件在环仿真试验。它将ABS实际部件嵌入到软件环境中进行混合仿真,极大地扩展了软件仿真的功能,为ABS产品开发提供了开发工具和试验平台。

三. 结语

现代汽车已发展成为一个智能化网络计算平台。汽车网络贯穿整车的控制系统、信息系统、驾驶系统和传感执行系统等。伴随汽车电子产业的不断发展,汽车工业已不再是单一的机械制造,据有关数据显示,未来的汽车制造,电子产品将占据近50%的工艺和成本。相关电子产品的开发与测试亦将飞速发展。虚拟仪器技术和虚拟试验技术以其低成本,高效能,灵活可靠等特点,将在汽车工程中扮演越来越重要的角色。