1、 南京林业大学本科毕业设计（论文）题 目：虚拟现实技术在自动变速器3D 仿真的应用学 院： 汽车与交通工程学院 专 业： 交通运输（汽车运用）学 号： 080302215 学生姓名： 指导教师： 职 称： 副教授 二 O 一二 年 五 月 二十九 日摘 要变速器作为汽车动力传动系统的重要部件，对动力性能、驾驶舒适性和油耗，都具有重要的作用，先进的变速器可以令发动机更好地演绎其优良的动力性能，并能够实现车辆动力性与经济性的完美结合。01N 汽车自动变速器兼具燃油经济性、乘坐舒适性和驾驶乐趣于一体，开创了全新变速箱技术的一个新时代，DSG 双离合变速器代表了汽车技术未来的发展方向。随着计算机虚拟现
2、实技术的快速发展,三维虚拟实验设备在实验教学领域的应用将带来全面而深刻的变革。本课题拟研制并完成一套“汽车 01N 自动变速器虚拟实验设备”，建立 01N 自动变速器三维数字化模型，利用虚拟现实技术，构建 3D 虚拟仿真的交互环境，并用面向对象的方法，真正实现 01N 汽车自动变速器的行为交互和 3D 虚拟仿真。关键词：DSG 变速器，虚拟现实技术，行为交互，虚拟仿真AbstractTransmission as an important vehicle power train components, on the dynamic performance, driving comfort an
3、d fuel consumption, have an important role in 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 collection of the existing manual, automatic
4、, automated manual transmission in one of the advantages, both fuel economy, ride comfort and driving pleasure in one, creating a new transmission technology, a new era, 01N transmission technology represents the future direction of automotive one. With computer technology, the rapid development of
5、virtual reality, 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 automatic transmission vehicle virtual test equipment“, the establishment
6、 of dual-clutch 01N automatic transmission three-dimensional digital model, using virtual reality technology to build interactive virtual simulated environment, and object-oriented approach, the real 01N transmission to achieve a virtual simulation . Key words: DSG transmission，Virtual Reality，Inter
7、active behavior，Virtual Simulation目 录第 1 章 绪论 61. 1 研究背景 6111 虚拟现实概述 6112 虚拟现实的研究现状 61. 2 本课题研究内容 91.3 本课题研究的意义 9第 2 章 01N 型自动变速器结构和原理 2.1 01N 变速器简介 2.2 01N 变速器组成 2.3 01N 变速器工作原理 2.3.1 离合器的工作原理 2.3.2 制动器工作原理 2.3.4 01N 型自动变速器各个挡位动力传递路线 第 3 章 系统开发工具 3.1.仿真系统的体系结构 3.1.1 仿真系统的体系结构 3.2 系统开发工具简介以及作用 3.21
8、三维模型建模平台 CATIA 3.2.2 模型的格式转换平台 3DVIA Composer 3.2.3 三维模型的渲染以及分坐标平台 3D Max 3.2.4 虚拟交互平台 Virtools 3.2.5 辅助工具 Photoshop CS4 3.3 模型从 CATIA 到 Virtools 之间的关键技术 3.3.1 格式问题 3.3.2 模型的渲染 3.3.2 分坐标 3.3.3 模型导入 Virtools 的初步设置和对象建立 第 4 章 自动变速器虚拟装配平台开发 4.1 虚拟交换环境 4.1.1 灯光设置 4.1.2 摄像机的设定 4.2 2D 帧的设置 4.2.1 2D 帧的 BB
9、设计 4.3 动作 BB 的设置 4.3.1 旋转BB 4.3.2 暂停 4.3.3 返回IC 4.4 整体界面 第 5 章 总结和展望 5.1 总结 51.1 操作 BB 的技巧 5.12 模型以及界面的分组 5.1.3 IC 的设置 5.1.4 命名技巧 5.2 展望 致谢 3参考文献 4第 1 章绪论1.1 研究背景1.1.1 虚拟现实概述“虚拟现实”(Virtual Reality VR)是人们想象力的发展，是一种以沉浸性、交互性及构想性为主要特征的计算机系统，通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等方式创建和体验虚拟世界，用户可以融入这个二维虚拟世界并目睹与场景中的对象进行交互，使用户感到作为主
10、角存在虚拟环境之中;虚拟现实的实现需要硬件和软件两方面的支持，硬件方面主要包括数据手套、二维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、语音识别及合成系统等等，软件方面的选择则很多，其中法国达索公司的 virtools 开发平台是目前较为流行的一种，virtools 以完全的可视化模式建构互动体验，其开放架构支持多种 3D 文件格式的读取，使实现 3D 技术的应用变得更加多元化，更加广泛。虚拟环境是虚拟现实技术的具体体现，是一种基于计算机图形学的实时、动态的二维环境，利用最新的计算机技术，使人身临其境、有特性化的数字化多维信息空间;理想的虚拟环境可以说是现实世界的真实再现，是生动形象的，用户难以分辨真假、全
11、身心地投入到由计算机所创建的虚拟环境中;利用虚拟环境我们可以对实际工作过程和工作环境进行计算机预演，比如虚拟消防演示;也可以是我们时间、空间和体力、能力所不能达到的环境的模拟，比如虚拟事故的展示，这样就利于我们对这些环境进行生动形象地研究;同时，还可以替代耗资巨大的现实环境以节约时间、空间，降低成本，比如军事模拟;总而言之，人们可以在虚拟环境中和虚拟环境中的物体进行自然地交互，有亲临现场的感受和体验，所以，可以说虚拟现实是基于现实，同时又可超越现实。1.1.2 虚拟现实的研究现状虚拟现实技术是一门集人工智能、计算机图形技术、计算机仿真技术、传感与测量技术等为一体的实用技术，是由计算机技术辅助生
12、成的高技术模拟系统。国外研究现状VR 技术的发源地在美国，目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。虚拟现实技术具有“沉浸感” 、 “交互性”与“实时性” ，逐渐渗透到虚拟城市规划、名胜古迹虚拟旅游、大型工程漫游、虚拟房地产推销、VR 虚拟现实教育娱乐等多个领域，汽车领域是其应用的最广最深的行业之一。美国将虚拟现实技术广泛应用于军事模拟训练方面7。美国国防部的DRRPA 研究的 Simnet 被称为近战战术训练器，可以集成世界各地的模拟舱，连接各种各样不同性质的车辆模拟器，所有的参与者可以进入同一个合成的环境中，即使相隔很远的驾驶员也可以进行实时交互。这类虚拟
13、训练即节省了实车训练的燃油，又避免了环境污染。许多模拟器视景采取计算机成像系统（CGS)，运动系统都可以模拟六个自由度的运动情况，为用户提供逼真的模拟驾驶环境。美国国家交通安全协会研发的国家先进汽车驾驶模拟器(NADS)，可以为驾驶员提供 9 个自由度的空间位置或触觉方面的汽车运动体验。也给驾驶员 360度的视景感受和声音感受，并且，在驾驶员模拟操作过程中随时可以得到汽车在虚拟的公路环境中行驶的各种性能参数以及驾驶员自身的各种生理参数。目前，法国 PSA Peugeot Citroen 研发中心利用 Virtools 制作 3D / VR 大型展示，在 CAVE 系统中，提供融入式车体展示与模
14、拟汽车驾驶操控，呈现沉浸式虚拟实境的仿真体验。国内研究现状我国 VR 技术起步较晚，在驾驶仿真系统方面的研究经历了一个从引进国外产品到自行研制的较漫长的发展过程9。近年来，国家高技术研究发展计划、国家自学科学基金会等都把 VR 列入了研究项目。90 年代，随着计算机技术和图形、图像技术的发展，汽车驾驶仿真系统走进国内，主要用于附合我国驾使员培训教学和通用技术课程的现代化教学设备，目前多所知名大学都在这方面作了大量贡献。中视典数字科技是中国较早从事数字汽车三维可视化、数字气车虚拟驾驶、以及六自由度运动平台整合的软硬件一体化的专业研发公司。虚拟现实技术在实际应用中分为增强现实又称混合现实系统、分布
15、式虚拟现实系统、沉浸虚拟现实系统和桌面虚拟现实系统。从上面可以看出国外比较重视前三个方面及硬件的研发，随着生成的视景数据越多越复杂，对硬件性能的要求也就越高，市场上汽车驾驶模拟器的价格一般都很高，低端的用户无法承担这高昂的费用。作者到成都几家比较正规的培训中心的虚拟驾驶室亲自体验了一下，除了像极品飞车一样体验驾驶感觉外，大都没有摆脱赛车游戏模式的束缚，计算机实时生成三维图像或多或少地存在着汽车视景与操纵动作脱节、滞后，虚拟与仿真的矛盾造成“沉浸感” 、 “交互性”与“实时性”不强等缺点。国内在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的研究成果。但与发达国家相比还有很大的一段距离，开发技术含量相
16、对较低，己经研制出来的汽车模拟系统很多从单方面作研究，缺乏知识连贯性,驾驶员无法对自己的驾驶以及硬件使用状况作出正确的评估，给实车培训纠错或以后的驾驶生涯造成一定的影响。北京航空航天大学是我国最早进行虚拟现实研究的单位之一，在虚拟环境中物体物理特性的表示与处理、虚拟现实中的视觉接口方面等方面取得了很好的进展，实现了分布式虚拟环境的网络设计，不仅可以提供实时的二维动态数据库、虚拟现实的演示环境、用于飞行员培训的虚拟现实系统，还可以提供虚拟现实应用系统的开发平台等;哈尔滨工业大学的研究人员成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术;浙江大学的国家重点实验室开发出了
17、一套桌面型虚拟建筑环境的实时漫游系统，研制出了一种在虚拟环境中新的快速漫游算法以及一种递进网格的快速生成算法;清华大学在虚拟现实和临场感方面进行了研究;西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中立体显示技术进行了研究，提出了一种基于 JPEG 标准压缩编码的新方案，获得了较高的压缩比、信噪比和解压速度;对于虚拟现实的研究，我国已经完成了两个“863”项目，完成了体视动画的自动生成部分算法和合成软件处理，完成了虚拟现实图像处理与演示系统的多媒体平台及有关的音频资料库，并且制作了一些相关的体视动画光盘。当前，国内专注于虚拟现实与仿真技术的软硬件开发与推广，已经具备了国际上比较先进的虚拟现实技术解决方案
18、及相关服务，具体的产品有:虚拟现实编辑器 VRP-Builder、数字城市仿真平台 fvRP-Digieity、二维网络平台VRPIE、工业仿真平台 WRP-Indusim、二维仿真系统开发包 VRP-SDK，能满足不同领域、不同层次的用户对虚拟现实的需求，在 2002 年和 2007 年国家级重点项目数字奥运仿真中发挥了重要的作用，为 2008 年奥运虚拟现实提供了重要的技术支持。1.2 本课题研究内容在虚拟现实环境中，用户应该能够以一种自然的方式与虚拟环境实现交互，包括感知环境并且干预环境，从而使用户有置身于真实环境中的真实感和沉浸感。近些年来，虚拟现实技术己经成为信息领域研究及开发应用的
19、热点方向，在航空汽车中同样能体现出虚拟现实技术的重要作用，尤其是在虚拟模拟、车辆制造等方面有着非常广泛的应用。本文重点研究基于 CATIA、3VIA Compser、3D Max 和 Virtools 的汽车自动变速器仿真系统的基本实现方法，创建了具有交互性的虚拟现实模拟。首先利用 CATIA 建立自动变速器的简化模型并导出格式为 3DXML 模型文件。再导入3VIA Compser 里将格式转换为 3dmas。在导入 3D Max 里，做渲染、分坐标 。以 NMO 格式输出文件，最后将模型导入 virtools 中进行交互模块设计。1.3 本课题研究的意义当前，无论是在中学，还是高校，均设置了大量的实验课程;在广大企业，员工上岗前也需要进行培训。对学生和员工来说，实验课程和培训非常重要，因为这样可以培养学生和员工的观察能力、动手能力、形象思维能力，以及现场实际操作能力。但是，由于部分实验和培训设备昂贵，占地面积大，操作复杂，笨重，给学校和企业带来很大负担。同时，在操作过程中，可能发生危险，这样给学生和员工的生命带来危险。尤其是在学校，由于经费和场地的限制，
