專利名稱：汽車技術模擬訓練虛實融合的協(xié)同工作方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明所屬技術領域為交通運輸——汽車運用與服務工程——職業(yè)教育。它是涉及在 汽車復雜系統(tǒng)的模擬訓練中，使用網(wǎng)絡接口，將各種汽車技術實訓模擬器(實訓臺)與遠 程控制臺互聯(lián)組成局域網(wǎng)，將學生測試終端與實訓模擬器互聯(lián)組成模擬工位，形成一種基 于實訓模擬器互聯(lián)的協(xié)同工作與學習的裝置，尤其是將教學軟件嵌入到實訓模擬器硬件當 中，實現(xiàn)虛實融合、軟硬交互的綜合實訓系統(tǒng)。
背景技術：
國內(nèi)汽車工業(yè)飛速發(fā)展國內(nèi)汽車銷售量經(jīng)歷了幾年的"井噴"式發(fā)展，在高油價的 形勢下仍然保持高速增K。據(jù)統(tǒng)計，2007年天津市新增車輛14萬輛，北京市平均每滅銷 售新車995輛，這意味著每三天就要在同一座城市建設一家中等規(guī)模的汽車服務企業(yè)，來 滿足年3000輛汽車的高技術保養(yǎng)與服務。汽車銷售量的高速增長，給汽車應用與服務行 業(yè)展丌了廣闊的發(fā)展空間。據(jù)統(tǒng)計，在未來3年，汽車應用與服務行業(yè)每年約有8千億元 市場。
當前國內(nèi)汽車職業(yè)教育教學情況由于汽車銷售量的飛速增長，導致相關行業(yè)用人需
求激增。國家六部委于2004年啟動了 "緊缺人才培養(yǎng)培訓工程"，將汽車運用與維修等四 種人才列為"技能型緊缺人才"加快培養(yǎng)，國家和各地方政府都在加大對汽車職業(yè)教育的 投入，使我國汽車職業(yè)教育事業(yè)呈現(xiàn)出欣欣向榮、蓬勃發(fā)展的良好局面。但是，在汽車復 雜系統(tǒng)實物上丌展技能訓練，投入過大，成本過高，無法滿足技能訓練的要求，學生的實 際動手能力與行業(yè)企業(yè)的用人需求還有很大差距。
電子控制技術被大量引入汽車裝置隨著電子工業(yè)與汽車科技的飛速發(fā)展，現(xiàn)代汽車 廣泛采用電子控制燃油噴射技術(EFI)、電子控制防抱死制動技術(ABS)、電子控制安全 氣囊技術(SRS)、電子控制自動變速器技術(ECT)以及CAN-BUS現(xiàn)場總線控制技術，汽 車維護與故障診斷維修作業(yè)，己不同于滿足以往單純的機械故障診斷與維修，而更多地著 眼于對電子故障以及機電一體化故障的診斷、維護技術服務，亦更多地依賴于使用先進的 電腦檢測、診斷設備，通過數(shù)據(jù)流分析、波形分析以及尾氣分析等綜合技術分析加以判斷，因此，當前的汽車故障診斷與維護作業(yè)，難點在于針對電子故障以及機電一體化故障的診 斷與排除，它是一項技術性很強，同時又是操作性很強的工作，對從業(yè)人員的文化知識、 專業(yè)理論、技術水平、檢測裝備使用等綜合素質(zhì)提出了更高的要求，這是汽車運用與維修 專業(yè)領域技能型人才緊缺之所在。汽車運用與維修服務的理念隨著汽車技術的更新也在發(fā) 生根本轉(zhuǎn)變，經(jīng)濟性、合理性、有效性原則越來越受到重視，突出體現(xiàn)"預防為主，定期 檢測，強制維護，視情修理"的原則。也正是由于電子裝置在汽車上廣泛應用，每輛汽車 上都裝有幾塊、甚至幾十塊電腦，才為汽車技術實訓模擬器的互聯(lián)創(chuàng)造了先決條件。
虛擬現(xiàn)實技術(Virtual Reality),又稱靈境技術，它是上世紀90年代為科學界和工程 界所關注的技術。它的興起，為人機交互界面的發(fā)展開創(chuàng)了新的研究領域；為智能工程的 應用提供了新的界面工具；為各類工程的大規(guī)模的數(shù)據(jù)可視化提供了新的描述方法。這種 技術的特點在于計算機產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計算機圖形構(gòu) 成的三度空間，或是把其它現(xiàn)實環(huán)境編制到計算機中去產(chǎn)生逼真的"虛擬環(huán)境"，從而使 得用戶在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。
但是純粹的虛擬現(xiàn)實技術又無法滿足象汽車這樣的復雜系統(tǒng)的模擬訓練。在汽車運用 與服務工程教育教學中，學習者不但需要良好的"沉浸感"，還要冇良好的"手感"，通過 觸力覺、視覺和聽覺，實現(xiàn)理論與實踐的統(tǒng)一，培養(yǎng)造就一大批既有深厚的基礎理論知識， 又有嫻熟的實際動手能力的高素質(zhì)人才。而虛實融合是今后虛擬現(xiàn)實技術的重要發(fā)展方 向，在復雜產(chǎn)品設計、工程設計論證、復雜系統(tǒng)模擬訓練、娛樂學習等方面都具有重要的 應用價值。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提供了一種汽車技術模擬訓練虛實融合的協(xié)同工作方法與裝 置，它是使用RS232/RS485/UNB網(wǎng)絡接口，將各種汽車技術實訓模擬器硬件互聯(lián)組成局域 網(wǎng)，將學生測試終端與實訓模擬器通過RS232/RS485/UNB/C/VN通訊接口和數(shù)據(jù)線連接組成 模擬工位，將多媒體動畫軟件以及其他教學資源嵌入硬件系統(tǒng)，形成一種虛實融合的協(xié)同 工作及模擬訓練的方法與裝置。
其解決技術問題的技術方案是將汽車發(fā)動機實訓臺、自動變速器實訓臺、ABS防抱 死制動實訓臺、安全氣囊實訓臺、自動空調(diào)實訓臺、汽車電子點火與燃油噴射實訓臺、汽 車燈光電器實訓臺、車載CAN-Bus總線與多路信息傳輸系統(tǒng)實訓臺、教學整車和汽車電控 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實訓臺等汽車總成實物教學裝置構(gòu)成的汽車技術實訓模擬器(1)，使用遠程控制臺(2)通過RS232/RS485/UNB網(wǎng)絡接口 (3)互聯(lián)組成局域網(wǎng)，與校園網(wǎng)絡(4)聯(lián)網(wǎng)實 現(xiàn)教學資源的共享；使用RS232/RS485/UNB/CAN通訊接口 (5)將學生測試終端(6)與汽 車技術實訓模擬器(1)連接，實現(xiàn)多人fi由參與的真實信號與數(shù)據(jù)測量裝置；將多媒體 動畫軟件以及其他教學資源(7)嵌入硬件系統(tǒng)，即汽車技術實訓模擬器(1),可同時表 現(xiàn)該部分總成及部件的三維動畫、平面動畫、工作原理動畫、工作參數(shù)、檢修流程等，形 成一套完整的虛實融合協(xié)同工作與學習的裝置。由于采用了RS232/RS485/UNB等標準接口， 能根據(jù)教學需要與課程設置情況，將各種汽車總成實物教學裝置構(gòu)成的汽車技術實訓模擬 器(1)任意增減、自由接入，每更換一種汽車技術實訓模擬器(1)，只需要更換學生測 試終端(6)上面的測試面板(8)就可以進行新的模塊教學。學生測試終端(6)的連接 數(shù)量'也可以根據(jù)用戶人數(shù)任意增減、自由接入。 系統(tǒng)實現(xiàn)的技術方法與技術手段
該系統(tǒng)通過軟硬件相結(jié)合，運用電子信息、數(shù)據(jù)通訊傳輸、汽車傳感、自動控制、計
算機處理、IntraWeb、三維建模等技術，實現(xiàn)一套完備的基于實訓模擬器互聯(lián)的汽車技術 虛實融合協(xié)同工作實訓系統(tǒng)，通過多層次模塊化的開發(fā)結(jié)構(gòu)，使整個系統(tǒng)具備更大的靈活 性、擴展性及穩(wěn)定性。 一是開發(fā)"車載電控單元的通訊接口 "模塊,用于使計算機通過RS232、 RS485或無線通訊技術與車載電控單元之間建立通訊聯(lián)接，實時采集動態(tài)數(shù)據(jù)。二是開發(fā) "車輛故障遠程通訊與控制單元"模塊，用于執(zhí)行遠程控制命令，設置及診斷汽車故障。 三是通過TCP和串口傳送指令方式，并通過數(shù)據(jù)采集設各獲得測試項的電壓數(shù)據(jù)信息，計 算出測試項的有效電壓值、最小電壓值和最大電壓值，并將采集到的信號信息繪制成波形 圖，形成汽車發(fā)動機綜合分析儀波形自動測試模塊。四是中央控制系統(tǒng)部分采用光耦組、 串口通訊、接口技術、TCP/IP等數(shù)據(jù)通訊傳輸技術，實現(xiàn)遠程控制實訓模擬器(實訓臺) 的起動、熄火、加速減速以及設置和清除故障、網(wǎng)絡互聯(lián)等功能。
同時開發(fā)基于IntraWeb技術的B/S結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡化多媒體教學實訓軟件。結(jié)合3DMax、 Flash ActioTK CuU3D Designer等開發(fā)工具以及編程手段，對汽車各組成模塊的工作原 理，工作時部件的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息及波形信息進行表現(xiàn)，能夠真實表現(xiàn)出總成部件處于不同 工作狀態(tài)下數(shù)據(jù)信息、波形和電路的變化情況，并且可以對汽車總成部件進行三維虛擬現(xiàn) 實拆裝等豐富的信息交互，實現(xiàn)了全網(wǎng)絡化的虛擬現(xiàn)實模擬訓練功能，并具有自動評分功 能。
系統(tǒng)采用先進的EFI、 OBD—II、 CAN-BUS接口以及單片機技術，開發(fā)與車載OBDII的 通信接口 ，實現(xiàn)PC機通過RS232、 RS485、無線Modem與車載ECU的通信并采集數(shù)據(jù)，具
5備很強的抗干擾能力。運用先進的MSP430系列單片機開發(fā)工具和基于IAR公司(美國) 的軟件編譯程序、ARM單片機的開發(fā)工具、基于ARM公司(美國)的軟件編譯程序，實現(xiàn) 對動態(tài)汽車的遠程控制，包括打開汽車點火開關、起動或關閉發(fā)動機運行、設置故障、清 除故障、修改并干擾防盜配置、關閉CAN網(wǎng)絡、修改車載控制單元的編碼等。
1) 實訓模擬器(1)的遠程控制模塊
模塊描述
系統(tǒng)通過軟、硬件結(jié)合的形式進行控制開發(fā)，根據(jù)硬件的底層協(xié)議，軟件將與用戶進 行交互的過程中獲得的信息轉(zhuǎn)換成可以與各種實訓模擬器(實訓臺)進行通信的底層協(xié)議， 然后通過網(wǎng)絡傳輸將數(shù)據(jù)報傳送給實訓臺的控制系統(tǒng)。
函數(shù)定義及說明
說明
Private Sub send—Click(ByVal sender As Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles Buttonl.Click
參數(shù)
Sender:系統(tǒng)默認參數(shù)。 e:系統(tǒng)默認參數(shù)。
返回值無。
引用單元
存在于單元文件Frm3D.vb中。
作用
實現(xiàn)與實訓臺進行通訊控制功能。
實現(xiàn)算法
首先與用戶進行交互獲得用戶的操作信息，然后將操作信息進行封裝轉(zhuǎn)換成通訊協(xié)議， 然后將通訊協(xié)議利用網(wǎng)絡通訊形式向?qū)嵱柲M器(實訓臺)進行發(fā)送，訓練模擬器接收到 信息后對協(xié)議進行解析，最后形成控制指令達到對實訓模擬器(實訓臺)遠程控制的目的。
2) 多媒體動畫調(diào)用模塊
模塊描述
通過此模塊可以對系統(tǒng)的動畫部分進行調(diào)用演示，同時可以響應用戶所作的其他相關 操作。
函數(shù)定義及說明說明
Private Sub AxShockwaveFlashl—FSCommand( ByVal sender As Object, ByVal e As
AxShockwaveFlashObjects._IShockwaveFlashEvents—FSCommandEvent) Handles AxShockwaveFlashl .FSCommand
Sender:系統(tǒng)默認參數(shù)。 e:系統(tǒng)默認參數(shù)。
返回值無。 引用單元
存在于單元文件FrmFlash.vb中。
作用
實現(xiàn)對用戶的操作進行相應調(diào)用相應的教學模塊。 實現(xiàn)算法
根據(jù)用戶點擊的對象找到相應的資源文件。
函數(shù)定義及說明
說明-
Private Sub ButtonsEvents(By Val sender As Button)
Sender:系統(tǒng)默認參數(shù)。
返回值略。 引用單元
存在于單元文件FrmFlash.vb中。
作用
對用戶所單擊的按鈕事件進行響應，調(diào)用相應的教學資源。 實現(xiàn)算法
判斷用戶點擊的按鈕對象，然后找到此對象所對應的系統(tǒng)資源并對其進行調(diào)用來實現(xiàn) 對用戶的響應。
通過上述設計，本發(fā)明的有益效果在于
一是由多個不同的汽車總成實物實訓臺(含整車)組成多個軟、硬件交互結(jié)合的汽車技術實訓模擬器(1)，各實訓模擬器互聯(lián)并組成局域網(wǎng)，實訓模擬器(1)的數(shù)量可根據(jù) 需要任意增減；
二是該互聯(lián)局域網(wǎng)可通過代理服務器并入校園網(wǎng)(4)，向上聯(lián)機聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)教學資源的 共享；
三是每個不同的汽車技術實訓模擬器(1)均可連接由學生測試終端(6)構(gòu)成的實訓 模擬工位，向下實現(xiàn)聯(lián)機聯(lián)網(wǎng)，組成實訓模擬工位群，增加實訓人次、減少實訓批次、降 低訓練成本、放大教學效果。學生測試終端(6)構(gòu)成的實訓模擬工位數(shù)量也可以根據(jù)需 要任意增減；
四是具有多媒體教學軟件(7)作為輔助教學手段，直接與各種汽車電子實訓臺硬件 鏈接，通過軟、硬件交互結(jié)合，實現(xiàn)教與學的互動，并具有考核評估與職業(yè)技能鑒定功能；
五是通過全仿真與半仿真的結(jié)合、模擬軟件與汽車實物總成的結(jié)合、單臺設備與互聯(lián) 網(wǎng)絡的結(jié)合、實際操作與模擬工位的結(jié)合，構(gòu)建系統(tǒng)完整的汽車技術虛實融合協(xié)同工作環(huán) 境，在一定的物理空間(專業(yè)教室)建立支持多人自由參與，包括觸力覺、視覺、聽覺交 互響應的、具有臨場體驗感的集成實訓系統(tǒng)。
項目綜合了電子信息技術、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術、汽車傳感技術、自動控制技術、計算 機處理技術，實現(xiàn)多學科、多領域的集成創(chuàng)新與原始創(chuàng)新，綜合運用于汽車運用與服務工 程職業(yè)教育教學，實現(xiàn)大范圍、全方位發(fā)揮作用的實時、準確、安全、高效、低耗、環(huán)保 的綜合運行系統(tǒng)，從而構(gòu)建系統(tǒng)完整的汽車技術復雜系統(tǒng)模擬訓練協(xié)同工作環(huán)境。其結(jié)構(gòu) 組成如圖所示


附圖是汽車技術模擬訓練虛實融合的協(xié)同工作裝置的結(jié)構(gòu)圖以及內(nèi)部連接關系。 圖中
1是汽車技術實訓模擬器(實訓臺)
2是遠程控制臺
3是網(wǎng)絡接口
4是校園網(wǎng)絡
5是通訊接口
6是學生測試終端
7是多媒體動畫教學軟件和其他教學資源8是測試面板 9是網(wǎng)線 10是數(shù)據(jù)線
具體實施方式
-
實訓模擬器的互聯(lián)如圖所示，在汽車技術實訓模擬器(1)上安裝RS232/RS485/UNB 接口 (3)和RS232/RS485/UNB/CAN通訊接口 (5)，使用網(wǎng)線(9)通過接口 (3)與遠程 控制臺(2)連接組成互聯(lián)的局域網(wǎng)，遠程控制臺(2)又通過標準接口及網(wǎng)線接入校園網(wǎng) 絡(4)，在校園內(nèi)的任意一個網(wǎng)絡節(jié)點都可以使用計算機遠程控制某個汽車技術實訓模擬 器(1)工作，包括起動、運行、停止、設置故障、清除故障、診斷故障。診斷故障包括 讀取故障代碼、分析動態(tài)數(shù)據(jù)流、繪制主要傳感器與執(zhí)行器的波形圖。這些數(shù)據(jù)通過遠程 控制臺(2)接入校園網(wǎng)絡(4)實現(xiàn)教學資源的共享，并通過投影儀、電子白板展示出來。
模擬工位的設置與互聯(lián)如圖所示，使用數(shù)據(jù)線(10)通過通訊接口 (5)將各種汽車 總成實物教學裝置構(gòu)成的汽車技術實訓模擬器(1)與學生測試終端(6)連接，在學生測 試終端(6)上面的測試面板(8)上，使用外接的汽車保修設備，如汽車故障診斷儀、 汽車萬用表、汽車示波器、汽車尾氣分析儀等可以測量到汽車技術實訓模擬器(1)發(fā)出 的所有真實的電信號。當教師使用遠程控制臺(2)控制汽車技術實訓模擬器(1)工作并 做相關講解時，學生可在測試終端(6)構(gòu)成的模擬工位上同時做相關測量，實現(xiàn)教與學 的互動。模擬工位的數(shù)量還可根據(jù)參與的人數(shù)自由增減。
虛實融合的協(xié)同工作如圖所示，將多媒體動畫教學軟件和其他教學資源(7)嵌入汽 車技術實訓模擬器(1)，當教師使用遠程控制臺(2)、投影儀、電子白板講解到相關汽車 總成或部件時，可隨時調(diào)用與之配套的三維動畫、平面動畫和工作原理動畫等教學軟件， 以及在校園網(wǎng)絡(4)上面的其他教學資源輔助教學，實現(xiàn)軟硬件交互與虛實融合的協(xié)同 工作。學生也可使用位于模擬工位的計算機自有參與，實現(xiàn)教學互動。
9
權(quán)利要求
1. 一種汽車技術模擬訓練虛實融合的協(xié)同工作方法與裝置，由汽車技術實訓模擬器(1)、遠程控制臺(2)、網(wǎng)絡接口(3)、通訊接口(5)、學生測試終端(6)、多媒體動畫教學軟件和其他教學資源(7)、測試面板(8)、網(wǎng)線(9)和數(shù)據(jù)線(10)構(gòu)成，其特征是校園網(wǎng)絡(4)通過網(wǎng)線與遠程控制臺(2)電連接，遠程控制臺(2)通過網(wǎng)絡接口(3)與實訓模擬器(1)電連接，實訓模擬器(1)通過通訊接口(5)與學生測試終端(6)電連接，把多媒體動畫教學軟件和其他教學資源(7)嵌入實訓模擬器(1)，構(gòu)成一種汽車技術虛實融合的協(xié)同工作環(huán)境與實訓裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車技術模擬訓練虛實融合的協(xié)同工作方法與裝置，其特征是 汽車技術實訓模擬器(1)由汽車發(fā)動機實訓臺、自動變速器實訓臺、ABS防抱死制動 實訓臺、安全氣囊實訓臺、自動空調(diào)實訓臺、汽車電子點火與燃油噴射實訓臺、汽車 燈光電器實訓臺、車載CAN-Bus總線與多路信息傳輸系統(tǒng)實訓臺、教學整車和汽車電 控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實訓臺等各種不同的汽車實物總成實訓臺構(gòu)成，使用統(tǒng)一的網(wǎng)絡接口 (3) 與遠程控制臺(2)電連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車技術模擬訓練虛實融合的協(xié)同工作方法與裝置，其特征是 實訓模擬器(1)可根據(jù)教學內(nèi)容與課程設置，自由確定接入遠程控制臺(2)的種類 與數(shù)量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的汽車技術模擬訓練虛實融合的協(xié)同工作方法與裝置，其特征是 在學生測試終端(6)安裝有測試面板(8)，通過通訊接口 (5)與實訓模擬器(1)電 連接，當更換不同的汽車技術實訓模擬器(1)后，只需更換測試面板(8)與之對應 就能實現(xiàn)不同的教學實訓內(nèi)容。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車技術模擬訓練虛實融合的協(xié)同工作方法與裝置，其特征是 學生測試終端(6)接入實訓模擬器(1)的數(shù)量可根據(jù)參與實訓的學生人數(shù)自由增減。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的汽車技術模擬訓練虛實融合的協(xié)同工作方法與裝置，其特征是把多媒體動畫教學軟件和其他教學資源(7)嵌入實訓模擬器(1),通過在實訓臺控制軟竹界面上設置的按鈕來實現(xiàn)軟、硬件之間的交互教學。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種汽車技術模擬訓練虛實融合的協(xié)同工作方法與裝置，由汽車技術實訓模擬器(1)、遠程控制臺(2)、網(wǎng)絡接口(3)、校園網(wǎng)絡(4)、通訊接口(5)、學生測試終端(6)、多媒體動畫教學軟件和其他教學資源(7)、測試面板(8)、網(wǎng)線(9)和數(shù)據(jù)線(10)組合構(gòu)成，通過全仿真與半仿真的結(jié)合、模擬軟件與汽車實物總成的結(jié)合、單臺設備與互聯(lián)網(wǎng)絡的結(jié)合、實際操作與模擬工位的結(jié)合，構(gòu)建一個汽車技術虛實融合的協(xié)同工作環(huán)境，在一定的物理空間，建立支持多人自由參與，包括觸力覺、視覺、聽覺交互響應的、具有臨場體驗感的汽車技術復雜系統(tǒng)模擬訓練方法與集成裝置。
文檔編號G09B9/04GK101477756SQ20081015433
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者征 王 申請人:天津市優(yōu)耐特汽車電控技術服務有限公司