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[摘 要]采用3D 技术构建测试对象模型及测试场景；利用虚拟现实工具Virtools 的building blocks（BB）脚本语言进行逻辑编程，实现对象物理化、碰撞检测、动态跟踪、测试数据实时处理等系统关键技术；并结合数据库技术使试验数据管理更加方便安全；利用测试平台对东风标致307 进行了车辆动力性能仿真测试，测试结果与实际情况相近，初步验证了测试平台的可行性。
[关键词]虚拟测试系统；3D技术；数据实时处理
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0358-02
1 引言
虚拟现实仿真技术的迅速发展为可视化提供了新方法，为分析大量的科学实验数据提供了新工具，具有较好的沉浸感和交互性。将它应用在汽车性能实验的研究中，可以交互地改变车辆参数、行驶路况等试验条件，模拟真实汽车试验，研究分析理论和假设的正确与否[1]。汽车虚拟试验的应用刚刚起步，还不能完全替代传统道路试验，但它具有安全可靠、节省资金、缩短研发周期等优点，引起了大家的重视[2]。目前相关的研究多数基于ADAMS软件平台，研究方向集中在车辆的平顺性、操纵稳定性等方面[3]，而采用基于虚拟现实技术的汽车性能试验方法进行产品设计和测试的研究较少。
本设计将虚拟现实仿真技术应用于汽车性能试验，提出一种基于3D建模方法联合Virtools 技术的汽车虚拟测试系统解决方案，阐述了其开发流程，重点对系统设计中关键技术的实现设计了可行的解决方案。采用此试验平台进行东风标致307动力性能仿真试验，场景逼真，可较好的节约成本。
2 虚拟测试系统的设计流程
Virtools 是功能最强大的虚拟现实制作软件，交互性强大，采用模块化编程技术，又支持VSL、SDK编程方法，方便灵活，擅于将3D的模型等资源整合，但不方便建立3D模型，需要3D建模技术辅助建立准确的数字模型。SolidWorks 等工程建模软件，便于处理大型装配体，除拉伸、切除、3D草图等基本命令外，还支持自顶向下的设计方法，可以按照需要调整零件大小，而装配体仍能满足设计意图。3ds Max等场景渲染软件建立数字模型，灵活自由、数据量小、导出模型方便被Virools等交互软件使用，其突出的的渲染能力，可使场景更具沉浸性。
采用三维工程软件SolidWorks建立装配关系较复杂的车辆数字模型，采用场景渲染工具3dsMAX制作并渲染更加逼真的测试场景，在虚拟现实制作工具Virtools中搭建汽车性能测试仿真系统，利用BB脚本编程实现对象物理化方法、碰撞检测技术动态跟踪、测试数据实时处理等关键技术，并利用Virtools设计人机交互测试界面，针对成熟车型东风标致307进行了动力性能虚拟测试。该虚拟测试系统的主要设计流程如图1所示。
3 3D技术建立测试模型及场景
测试车辆及场景模型的建立采用工程建模软件与场景渲染工具相结合的方法，充分利用两者的优势，提高开发效率。首先，在SolidWorks中采用自顶向下的设计方法建立整车数字模型（包括车身、动力、传动、行走等系统），用格式转换工具Deep Exploration将整车模型转为max格式，导入3ds Max中；然后，采用场景渲染软件3ds Max建立不涉及装配关系的测试场景，并对车辆模型及场景进行材质处理，整体导出为.nmo格式文件，以便在Virtools中应用。
在SolidWorks 2010中采用自顶向下的设计方法建立整车简化数字模型。首先建立1个新装配体，命名为整车；然后选择菜单中的插入新零件按鈕，插入名为前轴的零部件，双击即可进入零件设计模式设计前轴；之后即可以前轴为关联零部件完成其他零部件的设计。需要注意的是数字模型采用Solidworks等三维工程软件建立，无法直接被3ds Max打开，需用模型格式转换软件Deep Exploration6.3（版本应尽量高一些）转为max或3ds的格式，方可导入3ds Max 中进行后期处理。
采用动画建模软件3ds Max2009建立不涉及装配关系的试验场景模型，试验场景参考国内专业汽车试验场。在3ds Max中适当进行模型优化，主要解决大型装配模型数据量过多的问题，主要方法有模型面数优化、在3ds Max中重建模型；然后在3ds Max中进行模型材质处理，主要利用了现有材质库贴图及UV展开等方法；最后将模型及场景存储为Virtools识别的.nmo格式，以便在Virtools中处理。注意在模型导出之前应重置所有模型的轴线，以防在Virtools 中出现模型位置变动、比例失调等问题。打开Virtools 5.0软件，将从3ds Max中导出的试验场景及汽车模型文件拖动到Virtools场景，即可将场景及模型导入虚拟现实工具中。
4 汽车性能测试在Virtools 中的实现
4.1 虚拟测试系统的关键技术
4.1.1 测试对象物理化
赋予车辆模型物理属性主要通过VT中“PhysicsCar”BB脚本实现。“Physics Car”不但可以对测试对象进行物理化，使得测试车辆具有一定的物理属性，而且可使车辆模型具有车辆独具的物理行驶反应和操控方式，其关键在于整车各个部分的命名规则及4个车辆参数矩阵的属性设置。
Virtools 中的“Physics Car”要求相应的试验车辆必须由1个车身及4个车轮组成。所以在3dsMax中处理试验车辆时，应该将除去4个车轮外的部件附加为1个物体。而且4个车轮严格按照命名规则进行命名，分别为左前、右前、左后和右后取名
为“*_FL、”“*_FR”、“*_BL”、“*_BR”（*号表示可以使用的英文字母等字符），这样Virtools 便可以自动将试验车轮结合到车体上。“Physics Car”赋予车辆模型关键物理属性集中体现于4个车辆参数矩阵：“BODYParameters”（包括汽车质量、转动惯量等）、“ENGINE-STEERING Parameters”（包括发动机转速、各档传动比等）、“SKIDDING INFO”（包括地面摩擦系数等）、“WHEEL-SUSPENSION Parameters”（包括悬架系统的刚度、阻尼等）。 4.1.2 测试系统碰撞检测
测试系统中存在多个对象，必须进行碰撞检测才能更加真实再现测试情景。Virtools5.0中已经含有1套完整的碰撞检测体系，其中包括基于物体自身网格面的“Face Face Interaction”、基于立方体式包围盒的“Box Box Interaction”以及基于球形包围盒的“Collision Detection”等BB 脚本模块，用于检测虚拟环境下物体之间的碰撞。
采用基于球形包围盒的碰撞检测方法，通过创建障碍物组、设置障碍物属性、BB脚本编程来实现。以车辆模型与测试跑道碰撞为例，首先在Level Manager中创建障碍物群组group，该组中的模型均被视为障碍物；然后为车辆模型添加“Object Slider”BB脚本模块并进行参数设置，控制碰撞与滑动的虚拟包围盒尺寸，使车辆无法穿过
障碍物并且会沿着障碍物表面滑行，通过“Physicallize”BB 模块可进行地面碰撞属性设置。
4.1.3 测试对象动态跟踪
为在汽车性能测试时跟踪观测车辆运动状态，需采用合理的动态跟踪方法。首先在测试对象前端建立1个“3D Frame”三维帧，调整三维帧坐标可以改变相应位置；然后以它为参考位置，为测试车辆添加1台虚拟摄像机（类型为“Free Camera”自由摄像机），测试过程中利用“Set Position”BB脚本控制三维帧的位置随车辆位置变化而变化，并采用“Look At”BB脚本使摄像机动态跟踪测试车辆，实时呈现测试过程。
4.1.4 测试数据实时处理
本测试系统采用采用Access 数据库技术建立测试车辆参数数据库，灵活安全地进行数据管理[14]。这样可以有效地保证试验系统的数据安全访问及管理，试验结果可以实时地进行传递与通信，方便统计与查询。车辆性能虚拟测试系统相应测试数据主要通过Virtools 中“Connect ToSever”BB模块编程控制，只需调整相关的属性参数即可设置数据管理的模式，这样可以方便地将测试对象参数传递到“Physics Car BB”脚本的4个车辆参数矩阵“BODY Parameters”（包括汽车质量、转动惯量等参数）、“ENGINE-STEERINGParameters”（包括发动机转速、各档传动比等参数）、“SKIDDING INFO”（包括地面摩擦系數等参数）、“WHEEL-SUSPENSION Parameters”（包括悬架系统的刚度、阻尼等参数）中。尤其当测试对象较多、数据复杂时，该方法可使数据通讯与管理更加方便灵活。车辆虚拟测试系统数据管理的主要控制程序如图6所示。
测试观测部分主要包括测试结果的实时显示，方便采集记录最高车速、最大爬坡度等测试结果，可通过不断读取“Physics Car”BB模块中的车辆实时车速数据，并通过脚本逻辑控制，由“2D TextBB”模块动态显示在系统测试界面上。
5 结论
对虚拟现实仿真技术在汽车性能测试上的应用进行了深入研究，基于虚拟现实工具Virtools，结合3D 建模技术，搭建了汽车性能虚拟测试系统，场景逼真，沉浸性较强；并进行了东风标致307 动力性仿真测试，结果比较接近此款车型的性能参数，而且测试界面方便灵活，交互性较强。然而，目前Virtools 技术在汽车测试中的应用范围还不够广泛，除了动力性能外，还有操纵稳定性能、制动性能和安全性能等内容，而且需要深入研究驾驶员的决策行为和闭环响应特性，使基于虚拟现实仿真技术的汽车性能虚拟测试系统更具实用价值。
参考文献
[1] 尹念东.汽车-驾驶员-环境闭环系统操纵稳定性虚拟试验技术的研究[D].北京：中国农业大学，2001.
[2] 陈明.基于MultiGen Creator的汽车试验场虚拟仿真研究[D].西安：长安大学，2007.
[3] 字建香，严红平，叶军涛.一个沉浸式场景漫游系统的构建[J].计算机工程与应用，2013，49（4）：192-196.
[关键词]虚拟测试系统；3D技术；数据实时处理
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0358-02
1 引言
虚拟现实仿真技术的迅速发展为可视化提供了新方法，为分析大量的科学实验数据提供了新工具，具有较好的沉浸感和交互性。将它应用在汽车性能实验的研究中，可以交互地改变车辆参数、行驶路况等试验条件，模拟真实汽车试验，研究分析理论和假设的正确与否[1]。汽车虚拟试验的应用刚刚起步，还不能完全替代传统道路试验，但它具有安全可靠、节省资金、缩短研发周期等优点，引起了大家的重视[2]。目前相关的研究多数基于ADAMS软件平台，研究方向集中在车辆的平顺性、操纵稳定性等方面[3]，而采用基于虚拟现实技术的汽车性能试验方法进行产品设计和测试的研究较少。
本设计将虚拟现实仿真技术应用于汽车性能试验，提出一种基于3D建模方法联合Virtools 技术的汽车虚拟测试系统解决方案，阐述了其开发流程，重点对系统设计中关键技术的实现设计了可行的解决方案。采用此试验平台进行东风标致307动力性能仿真试验，场景逼真，可较好的节约成本。
2 虚拟测试系统的设计流程
Virtools 是功能最强大的虚拟现实制作软件，交互性强大，采用模块化编程技术，又支持VSL、SDK编程方法，方便灵活，擅于将3D的模型等资源整合，但不方便建立3D模型，需要3D建模技术辅助建立准确的数字模型。SolidWorks 等工程建模软件，便于处理大型装配体，除拉伸、切除、3D草图等基本命令外，还支持自顶向下的设计方法，可以按照需要调整零件大小，而装配体仍能满足设计意图。3ds Max等场景渲染软件建立数字模型，灵活自由、数据量小、导出模型方便被Virools等交互软件使用，其突出的的渲染能力，可使场景更具沉浸性。
采用三维工程软件SolidWorks建立装配关系较复杂的车辆数字模型，采用场景渲染工具3dsMAX制作并渲染更加逼真的测试场景，在虚拟现实制作工具Virtools中搭建汽车性能测试仿真系统，利用BB脚本编程实现对象物理化方法、碰撞检测技术动态跟踪、测试数据实时处理等关键技术，并利用Virtools设计人机交互测试界面，针对成熟车型东风标致307进行了动力性能虚拟测试。该虚拟测试系统的主要设计流程如图1所示。
3 3D技术建立测试模型及场景
测试车辆及场景模型的建立采用工程建模软件与场景渲染工具相结合的方法，充分利用两者的优势，提高开发效率。首先，在SolidWorks中采用自顶向下的设计方法建立整车数字模型（包括车身、动力、传动、行走等系统），用格式转换工具Deep Exploration将整车模型转为max格式，导入3ds Max中；然后，采用场景渲染软件3ds Max建立不涉及装配关系的测试场景，并对车辆模型及场景进行材质处理，整体导出为.nmo格式文件，以便在Virtools中应用。
在SolidWorks 2010中采用自顶向下的设计方法建立整车简化数字模型。首先建立1个新装配体，命名为整车；然后选择菜单中的插入新零件按鈕，插入名为前轴的零部件，双击即可进入零件设计模式设计前轴；之后即可以前轴为关联零部件完成其他零部件的设计。需要注意的是数字模型采用Solidworks等三维工程软件建立，无法直接被3ds Max打开，需用模型格式转换软件Deep Exploration6.3（版本应尽量高一些）转为max或3ds的格式，方可导入3ds Max 中进行后期处理。
采用动画建模软件3ds Max2009建立不涉及装配关系的试验场景模型，试验场景参考国内专业汽车试验场。在3ds Max中适当进行模型优化，主要解决大型装配模型数据量过多的问题，主要方法有模型面数优化、在3ds Max中重建模型；然后在3ds Max中进行模型材质处理，主要利用了现有材质库贴图及UV展开等方法；最后将模型及场景存储为Virtools识别的.nmo格式，以便在Virtools中处理。注意在模型导出之前应重置所有模型的轴线，以防在Virtools 中出现模型位置变动、比例失调等问题。打开Virtools 5.0软件，将从3ds Max中导出的试验场景及汽车模型文件拖动到Virtools场景，即可将场景及模型导入虚拟现实工具中。
4 汽车性能测试在Virtools 中的实现
4.1 虚拟测试系统的关键技术
4.1.1 测试对象物理化
赋予车辆模型物理属性主要通过VT中“PhysicsCar”BB脚本实现。“Physics Car”不但可以对测试对象进行物理化，使得测试车辆具有一定的物理属性，而且可使车辆模型具有车辆独具的物理行驶反应和操控方式，其关键在于整车各个部分的命名规则及4个车辆参数矩阵的属性设置。
Virtools 中的“Physics Car”要求相应的试验车辆必须由1个车身及4个车轮组成。所以在3dsMax中处理试验车辆时，应该将除去4个车轮外的部件附加为1个物体。而且4个车轮严格按照命名规则进行命名，分别为左前、右前、左后和右后取名
为“*_FL、”“*_FR”、“*_BL”、“*_BR”（*号表示可以使用的英文字母等字符），这样Virtools 便可以自动将试验车轮结合到车体上。“Physics Car”赋予车辆模型关键物理属性集中体现于4个车辆参数矩阵：“BODYParameters”（包括汽车质量、转动惯量等）、“ENGINE-STEERING Parameters”（包括发动机转速、各档传动比等）、“SKIDDING INFO”（包括地面摩擦系数等）、“WHEEL-SUSPENSION Parameters”（包括悬架系统的刚度、阻尼等）。 4.1.2 测试系统碰撞检测
测试系统中存在多个对象，必须进行碰撞检测才能更加真实再现测试情景。Virtools5.0中已经含有1套完整的碰撞检测体系，其中包括基于物体自身网格面的“Face Face Interaction”、基于立方体式包围盒的“Box Box Interaction”以及基于球形包围盒的“Collision Detection”等BB 脚本模块，用于检测虚拟环境下物体之间的碰撞。
采用基于球形包围盒的碰撞检测方法，通过创建障碍物组、设置障碍物属性、BB脚本编程来实现。以车辆模型与测试跑道碰撞为例，首先在Level Manager中创建障碍物群组group，该组中的模型均被视为障碍物；然后为车辆模型添加“Object Slider”BB脚本模块并进行参数设置，控制碰撞与滑动的虚拟包围盒尺寸，使车辆无法穿过
障碍物并且会沿着障碍物表面滑行，通过“Physicallize”BB 模块可进行地面碰撞属性设置。
4.1.3 测试对象动态跟踪
为在汽车性能测试时跟踪观测车辆运动状态，需采用合理的动态跟踪方法。首先在测试对象前端建立1个“3D Frame”三维帧，调整三维帧坐标可以改变相应位置；然后以它为参考位置，为测试车辆添加1台虚拟摄像机（类型为“Free Camera”自由摄像机），测试过程中利用“Set Position”BB脚本控制三维帧的位置随车辆位置变化而变化，并采用“Look At”BB脚本使摄像机动态跟踪测试车辆，实时呈现测试过程。
4.1.4 测试数据实时处理
本测试系统采用采用Access 数据库技术建立测试车辆参数数据库，灵活安全地进行数据管理[14]。这样可以有效地保证试验系统的数据安全访问及管理，试验结果可以实时地进行传递与通信，方便统计与查询。车辆性能虚拟测试系统相应测试数据主要通过Virtools 中“Connect ToSever”BB模块编程控制，只需调整相关的属性参数即可设置数据管理的模式，这样可以方便地将测试对象参数传递到“Physics Car BB”脚本的4个车辆参数矩阵“BODY Parameters”（包括汽车质量、转动惯量等参数）、“ENGINE-STEERINGParameters”（包括发动机转速、各档传动比等参数）、“SKIDDING INFO”（包括地面摩擦系數等参数）、“WHEEL-SUSPENSION Parameters”（包括悬架系统的刚度、阻尼等参数）中。尤其当测试对象较多、数据复杂时，该方法可使数据通讯与管理更加方便灵活。车辆虚拟测试系统数据管理的主要控制程序如图6所示。
测试观测部分主要包括测试结果的实时显示，方便采集记录最高车速、最大爬坡度等测试结果，可通过不断读取“Physics Car”BB模块中的车辆实时车速数据，并通过脚本逻辑控制，由“2D TextBB”模块动态显示在系统测试界面上。
5 结论
对虚拟现实仿真技术在汽车性能测试上的应用进行了深入研究，基于虚拟现实工具Virtools，结合3D 建模技术，搭建了汽车性能虚拟测试系统，场景逼真，沉浸性较强；并进行了东风标致307 动力性仿真测试，结果比较接近此款车型的性能参数，而且测试界面方便灵活，交互性较强。然而，目前Virtools 技术在汽车测试中的应用范围还不够广泛，除了动力性能外，还有操纵稳定性能、制动性能和安全性能等内容，而且需要深入研究驾驶员的决策行为和闭环响应特性，使基于虚拟现实仿真技术的汽车性能虚拟测试系统更具实用价值。
参考文献
[1] 尹念东.汽车-驾驶员-环境闭环系统操纵稳定性虚拟试验技术的研究[D].北京：中国农业大学，2001.
[2] 陈明.基于MultiGen Creator的汽车试验场虚拟仿真研究[D].西安：长安大学，2007.
[3] 字建香，严红平，叶军涛.一个沉浸式场景漫游系统的构建[J].计算机工程与应用，2013，49（4）：192-196.