（教育技术学专业论文）基于virtools的汽车模拟驾训系统的设计与开发.pdf

基于v i r t o o l s 的汽车部件虚拟故障研究与开发 教育技术学专业 研究生黄科进( 四川师范大学)指导教师何建 摘要在我国，驾驶员培训已由十多年前面向培训职业驾驶员为主要对象转变 为服务于普通社会大众的行业。驾驶员非职业化的趋势，继而引发了一系列相 关的社会问题。由于传统的驾驶培训方法及培训硬件、场地单一，很多车友对 汽车部件及性能知之甚少，在驾驶过程中难免造成不必要的经济损失甚至安全 隐患。因此，研究一种经济有效的虚拟汽车部件故障系统具有重大的社会和经 济意义。 本文研究目前比较流行的“极品飞车 和“q q 卡丁车等赛车游戏，并 对其特点进行对比分析，使用三维建模软件3 d s m a x 和虚拟现实开发平台 v i r t o o l s ，开发一种基于桌面的汽车虚拟故障教学系统，拟帮助学习者在模拟 开车场景中建构对汽车相关硬件的了解及掌握常见部件故障诊断和处理办法。 作者在本系统开发过程中，主要作了以下几个方面工作：( 1 ) 使用3 d s m a x 对游戏场景四川师范大学成龙校区和汽车部件进行三维建模。( 2 ) 对复杂三维 模型使用贴图、l o d 等技术的优化方法。( 3 ) 用v i r t o o l s 进行数据处理、模 型属性设定、物理碰撞、驾驶操作等交互控制。( 4 ) 提出了事件随机原则，并 详细阐述了其中的功能模块及实现途径。 关键词：三维建模教育游戏虚拟现实汽车故障 四川师范大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fv i r t u a lp r o b l e m so f a u t o m o b i l ec o m p o n e n t sb a s e do nv i r t o o l s m a j o r * e d u c a t i o n a lt e c h n o l o g y g r a d u a t es t u d e n t ：h u a n gk e j i na d v i s e r ：h ej i a n a b s t r a c t ：i nc h i n a , w i t ht h ep a c eo fl i f es p e e d su p ，m o r ea n dm o r ep e o p l eo w n c a r s t h ed r i v e rt r a i n i n gw h i c ht r a i n e dp r o f e s s i o n a ld r i v e r st e ny e a r sa g ob u t n o ws e r v i n gt h eg e n e r a lb u s i n e s sc o m m u n i t y m o s to ft h es t u d e n t sl e a r nt h e p u r p o s eo fd r i v i n gn o tf o rj o bs k i l l sa n ym o r e ，t h et r e n do fn o n - p r o f e s s i o n a ld r i v e r s m a k eas e r i e so fr e l a t e ds o c i a lp r o b l e m s b e c a u s et h ed r i v e rt r a i n i n gm e t h o d si s t r a d i t i o n a l ，t h eh a r d w a r ei so l d ，t h ev e n u ei ss i n g l e ，s om a n ys t u d e n t sj u s tk n o wa l i t t l ea b o u tt h ec a rp a r t sa n dp e r f o r m a n c e t h e ym a y b ee n c o u n t e rt h i so rt h a t p r o b l e mw h i l et h e yd r i v ea ta n yt i m e ，a n dc a u s eu n n e c e s s a r ye c o n o m i cl o s s e s ，e v e n s e c u r i t yr i s k s t h e r e f o r e ，i th a ss i g n i f i c a n ts o c i a la n de c o n o m i cs i g n i f i c a n c et h a t r e s e a r c ho n ec o s t - e f f e c t i v ev i r t u a la u t op a r t sf a u l ts y s t e m i nt h i sa r t i c l eia n a l y z et h er e l a t i v e l yp o p u l a r ”n e e df o rs p e e d ”a n d ”q qk a r t r a c i n gg a m ee t c ，u s et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r e3 d s m a xa n dv i r t u a l r e a l i t yd e v e l o p m e n tp l a t f o r mv i r t o o l st om a k ead e s k t o p b a s e dv i r t u a l f a u l t a u t ot e a c h i n gs y s t e m l e a r n e r si nas i m u l a t e dd r i v i n gs c e n a r i o sc o n s t r u c t e do n c a r - r e l a t e dh a r d w a r ec o m p o n e n t st ou n d e r s t a n da n dg r a s pt h ec o m m o nf a u l t d i a g n o s i sa n da p p r o a c h d u r i n gt h es y s t e md e v e l o p m e n tp r o c e s s ，im a d et h ef o l l o w i n gk e ya s p e c t so f t h ew o r k ：( 1 ) u s et h es o f t w a r e3 d s m a xt om a k es c e n eo fs i c h u a nn o r m a l u n i v e r s i t ya n da u t o m o t i v ep a r t s ( 2 ) h o wt o u s et h em a p p i n go fc o m p l e x t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l ( 3 ) p r o c e s sd a t aw i t ht h ev i r t o o l s ，s e tm o d e lp r o p e r t y , i i 四川师范大学硕士学位论文 p h y s i c a lc o l l i s i o n s ，i n t e r a c t i v ec o n t r o lo fd r i v i n g ，e t c ( 4 ) p r o p o s e dt h ep r i n c i p l eo f r a n d o me v e n t sa n dd e s c r i b e di nd e t a i lt h ef u n c t i o no fm o d u l e sa n dc h a n n e l so f r e a l i z a t i o n k e yw o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g e d u c a t i o n a lg a m e sv r a u t o m o b i l ee r r o r 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师缸建指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在支中以明确方式标明。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权，即：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印 刷版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位 论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 学位论文作者签名：黄科进导师签名：怄乱 签字日期2 0 1 0 年4 月2 5 日 签字日期：己口l o 年歹月斗日 p l jj i i 师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 据报道，在中国目前已经有1 亿6 千万人考取了驾照，而全国的汽车保有 量只有6 0 0 0 万，这就意味着还有一亿已取得驾照的人们没有车开u j 。可见中 国的汽车市场还有很大的发展空间。由于在消费方面农村地区要远远落后于城 市，尤其是金融危机发生以后，政府为推动国内消费需求，对汽车也提出了消 费刺激计划。根据全国乘用车联席会的统计，将大巴与卡车包括在内的话，2 0 0 9 年中国汽车总销量是1 3 6 0 万辆。中国人正在逐渐变得富裕，拥有汽车的人数 在逐渐增加，私人汽车的拥有量与汽车销量在稳步上升。我国将会有越来越多 的城市进入汽车社会。 相应地，随着汽车的日益普及，继而引发了一些不容忽视的社会问题。l 、 在以前的驾驶员培训中，主要是针对掌握工作技能的职业培训，而如今只是作 为学习生活技能，汽车作为一种便利的交通工具面向普通社会大众。学习者的 增多导致了驾驶培训中，一些驾校在学员的培训时间上采取“缩水 的办法， 导致学员对车辆性能不熟悉、驾驶技能不熟练，给道路交通安全埋下了隐患。 很多驾校采取“应试教育”，办学理念上定位不明确，只求考试通过，在教学 方法上只是从应付考试的角度出发，教练员在传授学员驾驶技术的时候只重视 如何通过具体的考试项目，没有对学员进行系统的驾驶理念和驾驶技术的传授 使学员对驾驶的基本概念比较模糊，没有形成系统的驾驶理性认识l z 】。2 、据 相关资料显示，一辆新车从购入到汽车报废的全部花费中，购车费用只占到 3 5 左右，而后期维修保养占到4 5 左右，越来越多的汽车在修理上也都是“换 而不是“修 ，并以每年l o 以上的速度递增【3 j 。这个让人堪忧的数字多是因 为驾驶员不熟悉汽车部件性能所造成的。3 、在我国，很多地方汽车维修培训 和驾校培训是各自独立的。然而，这两方面的脱节，就会造成技修人员对驾驶 故障现象只是一个很抽象的认知，驾驶员只会驾驶而对汽车的结构全然不知， 忽视汽车的保养，造成不必要的机器损耗甚至人员伤害。4 、在学员进行培训 的时候，驾校或汽修学校为了安全，不会冒险拿有问题的车或是复杂危险的场 景给他们试验。但这些现象学员以后都会或多或少的遇到，没有临境的系统学 习，只是抽象的认知。在汽车专业的教学中有很多知识所涉及的实物及其内部 1 阴川师范大学硕士学位论文 结构虽是客观存在的，但无法一一呈现在学生面前，或者不能很好的展现其内 部结构【4 1 。 教学条件的限制，培训方法的滞后，对于在讲求时间和效率的当今社会， 如何适应大量非职业化驾驶员和有特殊驾驶要求的培训对教育机构提出了严 峻的考验。学生的需求促进了教育的发展，这就要求教育要与需求相致。教 学者需要对学生的学习需求进行分析，获取有效数据，在此基础上设定教学目 标、采取教学策略、实施教学活动，最终满足学生的需求，提高教学的效能。 近年来，随着v r ( 虚拟现实技术又称灵境技术) 的发展，由计算机生成 逼真的三维图像，让用户对虚拟环境中的物体进行交互操作，使之获得身临其 境的感受和体会，进而提高感性和理性认识。v r 已经渗透到科学、技术、工 程、医学、文化等多个领域。因此，结合虚拟现实技术，研制开发能够辅助汽 车驾驶培训机构和汽车维修技校的教学，融合汽车部件认知与虚拟驾驶场景中 处理随机故障于一体的虚拟汽车部件故障诊断检测系统，使培训方式更具安全 性、经济性、正规性和高效性，具有深远的实际意义。本文结合3 d 和v i r t o o l s 软件对此进行了较为深入的研究。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 国外研究现状 v r 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p j 。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、v r 虚拟现实教育娱乐等多个领域【6 j ，汽车领 域是其应用得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 1 。美国国防部的 d r r p a 研究的s i m n e t 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 ( c g i ) ，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 2 nj t l9 $ 范大学碗士学位论文 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( n a d s ) ，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3 6 0 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j 。 目前，法国p s ap e u g e o tc i t r o e n 研发中心利用v i r t o o l s 制作3 d v r 大型展示，在c a v e 系统中，提供融入式车体展示与模拟汽车驾驶操控，呈现 沈浸式虚拟实境的仿真体验。 图卜lp s ap e u g e o tc i t r o e n 汽车展示 122 国内研究现状 我国v r 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一j 。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v r 列入了研究项目。9 0 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 驶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 汽车虚拟驾驶、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 网川师范大学硕士学位论文 u 。公司自成立以来，已经为国内外多家院校和科博馆建设了大视场、高沉 浸感的数字汽车和虚拟驾驶方面的软硬件一体化项目。其核心技术包括三维图 像即时生成技术、六自由度运动平台、大视场显示技术、用户输入和座椅硬件 系统等。研发的产品主要用于汽车院校的科研教学、仿真体验和驾驶培训等。 中国数字科技馆积极探索通过虚拟现实、多媒体和3 d 等信息技术展现科技知 识和成果，他们所研发的虚拟汽车体验馆就是利用以静止的三维图像显示汽车 的结构，并以简单的三维动画显示部件的工作原理，用户可以对系统部件进行 简单的交互l l l j 。 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，开发技术含量相对较低，已经研制出来的 汽车模拟系统很多从单方面作研究，缺乏知识连贯性的呈现；驾驶员无法对自 己的驾驶以及硬件使用使用状况作出正确的评估，给实车培训纠错或以后的驾 驶生涯中造成一定的影响。 1 3 本文的研究内容 本文从节约成本的角度出发，对目前的汽车驾驶模拟器和“极品飞车 、 “q q 卡丁车 等游戏进行综合分析，开发一款基于桌面的汽车部件虚拟故障 系统，让学习者在模拟驾车的场景中随机遇到汽车动力部件故障，帮助学习者 建构对汽车部件的认知并提出应对方案。研究的重点有以下几个方面： 一、对虚拟现实系统的研究。( 1 ) 桌面虚拟现实系统概念及特性、虚拟现 实技术在模拟驾驶培训教学中的应用。 4 四川师范大学硕士学位论文 二、汽车部件和场景的仿真建模。如何实现汽车和建筑等复杂模型的建模 看起来更加逼真，增加学习者的临境感是本文研究的重点。( 1 ) 使用3 d s m a x 对游戏场景四川师范大学成龙校区和汽车部件进行三维建模。( 2 ) 对复杂三维 模型使用贴图、l o d 等技术的优化方法。( 3 ) p o l y g o nc r u n c h e r 对模型的优 化。 三、v i r t o o l s 平台的研究及交互的实现。由于此种技术是全球交互三维 开发解决方案公司v i r t o o l s 开发的一门新兴的技术，这方面可参考的资料还 很少，交互实现是一个较为复杂的难点问题。( 1 ) 用v i r t o o l s 进行数据处理、 模型属性设定、物理碰撞、驾驶操作等交互控制。( 2 ) 提出了事件随机原则， 并详细阐述了其中的功能模块及实现途径。 1 4 研究方法 在本课题中，主要用到了如下几种研究方法：1 、问卷调查和面谈调查法。 针对社会目前存在的问题，编制成客观性的调查问卷，然后交由成都市几家驾 驶培训机构和龙泉的北方汽车专修学校学生填写。发出问卷1 5 0 份，然后回收 整理、统计和研究了有效份数1 4 3 份。问卷调查根据调查内容的需要结合面谈 调查，以提高调查的有效性。问卷调查表详见附录。2 、文献研究法。作者对 国内外虚拟汽车应用与发展现状作了细致的分析，从网上、文献和国内外研究 论文中广泛搜集信息。3 、跨学科研究法。运用教育技术、汽车等相关学科的 理论、方法和成果从整体上对本课题进行综合研究，发挥教育技术在汽车领域 教学的辅助作用。 1 5 论文组织结构 第一章、系统阐述了中国目前相关驾驶的状态及本课题的研究背景、国内 外研究动态、教辅工具存在的问题并提出了研究基于桌面式的虚拟教学系统的 现实意义。 第二章、分析了当前比较流行的游戏、模拟驾驶器的特点和存在的问题， 传统教育方式的缺点，教育中游戏的渗入。分析虚拟现实在教育培训领域的具 体应用。介绍了桌面虚拟现实系统的概念，特点以及对应的虚拟软件开发平台。 着重介绍v i r t o o l s 的特点。 5 p n q 川师范大学硕士学位论文 第三章、讲述了汽车运动系统涉及的相关部件概念及功能，汽车常见故障 现象，提出故障树分析法。致使假象故障的原因分析。 第四章、具体讲述了三维模型的简化方法，包括贴图和l o d 技术等。 第五章、介绍了汽车模型的建模方法，v i r t o o l s 中汽车物理属性的设置。 第六章、本章具体讲述了v i r t o o l s 中的交互设计。实现模拟驾驶随机故 障的诊断与排除的设计。 第七章、总结了本课题的研究成果以及存在的尚待改进的不足点。 6 四川师范人学硕士学位论文 第二章游戏教育模式和实现方式 2 1 当前赛车游戏和汽车驾驶模拟器的特点 2 1 1 极品飞车 极品飞车经历了许多代，最初是由e a 公司与美国汽车杂志r o a d & ir a c k 联合制作的。当时e a 只不过是想造一个比较爽的赛车游戏，但想不 到会发展得如此迅速。游戏都是以驾驶超级名车像法拉力、保时捷等许多人存 了一辈子钱都买不起但却能在虚拟世界中体验的超级名车为主角，种类繁多、 样式齐全、组合接近无限的改装零件，从车子最外围的颜色、空气动力套件、 动力系统等应有尽有。玩家们可以自己动手组装完全个性化的赛车。极品飞 车包括直线加速赛、街道赛等特殊的竞赛事件，各种不同的市区夜景，完全 仿自精细、真实的都市景象。一百种以上的特殊随机事件，赛车手将有机会赢 得奖金，购买更多的升级配件；随着他们在街头逐渐打响名号，将可以解开隐 藏的车子与赛道。里面收集了各种独特的引擎声，让赛车效果更加逼真，玩家 更能融入游戏中。 2 1 2 跑跑卡丁车 在2 0 0 6 年，中国大陆地区代理商是世纪天成引进了一款叫跑跑卡丁车的 休闲类赛车竞速游戏，这一款由韩国n e x o n 公司出品的游戏，是一款泡泡 堂角色们登场的卡丁车竞速游戏，你可以在竞速模式中体验到刺激的漂移感 觉，也可以在道具模式中体会到使用多样道具的乐趣。它的游戏模式如下图所 不： 图2 - 1 跑跑卡丁车游戏模式 跑跑卡丁车自国内运营以来，一直保持着良好的发展势头，同时在线人数 7 网川师范大学硕士学位论文 不断攀升，据报道2 0 0 7 年2 月2 5 日当天最高同时在线人数超过了8 0 0 ，0 0 0 。 同时，在台湾、香港、北美地区，而且在中亚一些国家，德国等都有专门的服 务器，韩国服务器中约有1 5 ，0 0 万名注册玩家，这可算是一种全球性的游戏 了。 2 1 3 汽车驾驶模拟器 游戏模拟来源于生活又超脱于生活现实。传统的汽车驾驶培训方法已不再 适合面向大量非职业化司机的初期培训，因为它的成本高并且风险也大。在 2 0 世纪7 0 年代，美国和西欧相继出现汽车模拟驾驶器并投入到驾驶员的辅 助培训当中。9 0 年代后期，这种系统走进国内，作为生动、节能、安全、经 济、高效的辅助培训工具，使驾驶培训正规化、科学化和规范化，有利于减少 交通事故的发生率，使学员在这种初期架训中能够更快、更全面地掌握行车知 识和技能。有利于他们高效和高质量的完成以后的实车驾驶训练，为以后日常 的驾驶打下良好的基础。 2 2 问题和启发 2 2 1 游戏带来的问题 游戏可以让我们进入虚拟世界，尽情扮演着属于自己的角色。但一旦沉迷 于游戏而无法自拔，则会对自己造成很大的影响。极品飞车和跑跑卡丁车都是 飚车族们钟情的游戏，但他们都注重于竞速，即使在场景中与其他车辆赛得热 火朝天，与障碍物撞得天翻地覆，过足了瘾。但在现实生活中，这种竞技是不 合法况且危险性极大。游戏的潜意识会给玩家日后的生活带来或多或少的不利 影响。 2 2 2 汽车模拟器存在的问题 汽车模拟器原理与极品飞车和跑跑卡丁车游戏相仿，但其加入了许多驾驶 规则，比如错误起动，未打转向灯，未松手制动等都会提示。汽车模拟器的功 能仍存在许多缺陷：( 1 ) 由于模拟器是固定的，即使操纵错误也不会有车辆 抖动、摇摆的感觉。无法体验离合器踏板操作实际中的分离、半联动、结合等 状态，油门踩得深或浅也无法感知，踩制动踏板时，无论力度轻、重，方向是否 偏离轨道，车都能平稳慢下来，这就让学员养成很多不良驾驶习惯。学员要求 8 网川i 师范大学硕士学位论文 死记包含的道路交通安全法的相关理论，却未在更容易让人体会的模拟驾 驶场景中展现出来l l 引。 2 2 3 传统教育方式存在的弊端 一、灌输式教育方式 传统的汽修学校和驾校教育方式是一种灌输式教育【1 3 1 ，这种教育方式的 特点是过分注重知识传授，学生学习过于强调接受式学习，死记硬背，机械训 练，以教师讲授为中心、以课堂为中心、以课本为中心，教育内容”繁、难、 偏、旧”脱离真实的生活情景。这种教育方式在讲求效率和速度的今天，已显 然不适应了。其弊端表现在：一是教学方式陈旧，很多学校没有昂贵的教学和 实验设备，只是教师或书本的抽象讲解，学员缺少感观刺激，难以培养观察能 力、形象思维能力。汽车系统是一个庞大而又极其复杂的系统，加之学生知识 结构的限制，教师按部就班地解释各种零部件的关系和工作原理，这种“填鸭 式”的教学方式必然造成了很多学员被动学习的心理。既浪费了有限的课堂教 学时间，也使学员听得枯燥乏味，难以达到教学效果。 二、教育方式的脱节 汽修学校和驾驶培训本是一体，但在实际教学中却是各自为家。这就造成 了驾驶人员只知驾驶，却对自己的爱车一无所知，加之一些驾校培训“缩水”， 在教学方法上只是从应付考试的角度出发，教练员在传授学员驾驶技术的时候 只重视如何通过具体的考试项目，没有对学员进行系统的驾驶理念和驾驶技术 的传授，采取“应试教育，学员对车辆性能不熟悉、驾驶技能不熟练尤为明 显。造成爱车出故障无法自己解决，到维修店被宰的尴尬局面。 2 2 4 教学思维与模式的转变 一、教育中游戏元素的渗入 加涅指出：“我们第一要指出教师如何改进自己的教学，第二要指出学生 如何改进自己的学习。m j 李伯黍、燕国材的教育心理学中提出所谓发现 的教学策略，就是让学生自己去观察、操作、比较有关的学习材料，自己去发 现知识，获得概念、公式和原理。【1 5 j 目前在教育技术界，提出了一些新的比较使用的教学模式如建构主义模式 【1 6 】【1 7 1 、人格发展的个人模式、社会互动模式、行为修正模式、信息加工模式 【1 8 1 。 9 四川师范大学硕士学位论文 这些教学模式都强调了学生的角色转变，均在强调学生的主体地位。游戏 就是玩家主动感知的过程，游戏式教育的特点是：它从根本上颠覆了灌输式教 育，它有着自由、开放、流动的规则、愉悦、创造等特质，通过角色扮演，极 大的发挥了学生的主观能动性。游戏与教学的整合实现路径包括游戏教学化与 教学游戏化，不是简单相加。游戏和学习，在大多数人看来，是互相冲突的两 个领域，游戏式教育还面临很多包括教育观念的滞后，开发模式的困难性，教 育目的的特殊性等尴尬问题。要把这两个客观事物融合到一起，得处理好“教 与“乐的平衡，“疏与“堵”的辨析。如何寓教于乐，将乏味的知识更顺 利快捷地为学习者所接受是如今教育界面临的问题。 j _ “视频游戏之父 世界首款视频游戏的制作者n o l a nb u s h n e l l 先生 在一次汇报中讲道：“以计算机游戏的方式进行教学，能够更有趣更直观地阐 释那些原本抽象的教学内容，在游戏环境中学生掌握知识的速度是传统教育方 式的4 倍。 u 圳他认为游戏与教育的结合将是教育界的一次革命! 游戏式教育，目前在我国的研究和实践还处在萌芽阶段，这一行动也符合 我国教育改革创新的要求，2 0 0 5 年3 月在浙江大学召开的首届 e l e a r n i n g ( 电子学习和游戏) 国际会议上也提出 “e d u c a t i o n + e n t e r t a i n m e n t = e d u t a i n m e n t 的新理念。我们只要挖掘它 的正面作用，开发它的潜力，寓教于乐，就可以使我们的学习更加轻松快乐， 事半功倍。 二、虚拟现实在教育培训领域的具体应用l z u j 目前，虚拟现实已广泛应用到教育培训领域，虚拟现实对传统教学，远程 教学，网络教学等教学方式都产生了深远的影响。在本汽车教学系统中，其特 点具体表现在：( 1 ) 构造的真实的虚拟教学环境可以让学生在任何地方、任 何时间参与学习。( 2 ) 学生扮演驾驶员的角色，临场感受驾驶乐趣，体验故 障状态。这样既学习了知识，又规避了实车操作故障车的危险。( 3 ) 节约了 教学成本和教学时间，改变了学生无实验设备或多人一台设备的状态，学生可 以通过虚拟环境全方位观看汽车内部构造。( 4 ) 让二维的抽象世界以三维空 间呈现给学习者，增强了学生感知。 1 0 网川师范大学硕士学位论文 2 3 桌面虚拟现实系统 2 3 1 桌面虚拟现实硬件系统 虚拟现实系统( v r ) 是人与虚拟环境和外界环境之间通过控制装置来进行 “信息沟通”，操作者发出指令给虚拟环境并能得到及时反馈。当控制过程结 束时，就给外界环境一个结果性的反馈。 虚拟现实系统分为：沉浸的虚拟现实系统、增强现实性的虚拟现实系统、 分布式虚拟现实系统和桌面虚拟现实系统【z 1 。，桌面虚拟现实系统简称p c v r 系统，是一套基于普通p c 平台的小型桌面虚拟现实系统幢z 。普通的图形系统， 一般都是静态的，使用户无法参与其中，而桌面虚拟现实系统给人一种身临其 境的临场感。虚拟现实中的三维场景，数据建模源于现实世界，其图形的绘制 速度、逼真度、分辨率都很高。我们通过一些辅助设备观看这些虚拟物体，可 以得到物体的”深度”( 距离) 信息，并通过两只眼睛观察不同的图像，产生观 察视差，这种物体的深度和观察视差便产生了真实的立体三维观察效果，从而 达到身临其境的效果。与一般图形系统不同的是，我们能与虚拟世界中的物体 进行动态的人机交互。 p c v r 让参与者戴上专业立体眼镜，使用位置跟踪器和另外的如数据手套 和六个自由度的三维空间鼠标器，在一些专业软件的帮助下，在仿真过程中设 计各种环境。参与者可以通过计算机屏幕观察并驾驭3 6 0 度范围内的虚拟境 界。它所带来的立体视觉能使参与者产生一定程度的投入感，符合虚拟现实的 三大特性：临境性，交互性，想象性。桌面虚拟现实系统相对于其他虚拟现实7 系统来说，只需要提供v r 环境的p c 和一些附属设备，因此成本相对较低。 p c v r 技术软件部分可分为v r 环境开发平台有建模平台如3 dm a x 、m a y a 等交互软件平台如v i r t o o l s 、v r p 和行业应用程序实例( 源代码及s d k 开发包) 。 同时也是大型虚拟现实系统的最基础、最核心的v r 子系统。其主要特点为全 面、小型、经济、适用，非常适合于v r 工作者的教学、研发和实际应用。在 本系统中，使用的是目前比较主流的软件v i r t o o l s 和3 d s m a x 的综合搭配。 2 3 2 桌面虚拟现实软件系统 目前国内外用于虚拟交互的软件比较多。主要有：( 1 ) w i r e f u s i o n 。集成 了不同的媒体类型的多媒体平台，它支持二维的如f l a s h 、视频，也支持三维 四川师范大学硕士学位论文 图景，可以制作高效快速互动的w e b 3 d 网页，可应用于在线销售、电子学习、 数字广告、游戏、展览会，教学等用途。( 2 ) c u l t 3 d 。由瑞典的c y c o r e 公司开 发，可以做到档案小、3 d 真实互动、跨平台运用，只要用鼠标在3 d 物件上直 接拖动，可以移动、旋转、放大缩小，还可以在c u l t 3 d 物件中加入音效和操 作指引，对硬件要求相对较低，在电子商务领域已经得到了广泛的推广运用。 ( 3 ) v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 。它是一种文本描述、远 程传输、本地计算生成的在i n t e r n e t 上营造虚拟环境的技术。最近v r m l 被广 泛应用于虚拟考场、虚拟校园等方面。( 4 ) v r - p l a t f o r m 。是一款三维互动仿 真平台，由中视典数字科技独立开发，它拥有友好的图形编辑界面，高效快捷 的工作流程和高效高精度物理碰撞模拟等强大功能为越来越多的国内用户所 青睐。( 5 ) v i r t o o l s 。它是一款整合软件，在软件的r e s o u r c e 中整合了 3 d e n t i t y 、3 d s p r i t e s2 0s p r i t e s 等格式的档案文件，并且也集成了近5 0 0 个可以按需组合的行为脚本模块b u il d i n gb l o c k s ( 简称b b ) ，v i r t o o l s 架构 开放，比较灵活，允许非技术性的设计人员和高端的程序员直接拖用已集成的 模块脚本b b 或b g ( b e h a v i o rg r a p h ) ，方便有效地对对象进行交互设计和管 理，可视化流程图式脚本设计及重复利用等特性，大大的节约了开发时间。在 v i r t o o l s 中可以整合整合多种3 d 软件，使软件之间有更深度的结合，直觉式 的3 d 对象定位工具，可以使开发者很容易的在虚拟的环境里面去控制并调整 对象。用户可以使用p h y s i c s ( 物理学) 、a i ( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，人工 智能) 和m u l t i - u s e r s ( 多用户) 等高级互动模块结合r e n d e re n g i n e 渲染引 擎，制作出令人震撼的虚拟视觉效果。如果作为高端需求，用户还可以利用 s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ，软件开发工具包)和 v s l ( v i r t o o l ss c r i p t i n gl a n g u a g e ，v i r t o o l s 专用脚本语言) ，通过相应的 a p i 接口，可以创建自定义的交互行为脚本和应用程序。 v i r t o o l s 特点是方便易用、界面直观、应用领域广等，受到了开发者的一致 好评。越来越多的多媒体技术公司开始应用v i r t o o l s 开发其产品。更直观的 图形化程序接口和更为真实的多样化虚拟体验被用到高等教育教学、工业协同 设计、3 d 医学研院、3 d v r 电子商务、3 d 动画多媒体、数字博物馆。v i r t o o l s 自2 0 0 4 年推出v i r t o o l sd e v2 1 后，随即就被引进中国台湾地区，并在台湾 1 2 网川师范大学硕士学位论文 地区得到迅速发展，并引进到中国大陆。据报道目前全世界有超过2 7 0 所大学 使用v i r t o o l s 。现在在网络上出现次数最频繁的工具就是业界标准以及常用 的工具v i r t o o l s ，用v i r t o o l s 结合其他3 d 建模软件开发虚拟现实作品是一 个不错的选择。 1 3 i x l 1 1g q i 范大学硕士学位论文 第三章系统的结构设计 3 1 开发思想与设计原则 本系统使用3 d sm a x 进行汽车部件包括发动机、传动系、转向系、制动系 以及模拟驾驶场景师大校园的建模，结合p h o t o s h o p 软件对贴图进行加工。然 后在虚拟现实软件v i r t o o l s 中进行交互集成操作。结合汽车物理引擎p h y s i c s p a c k ，对汽车运动系统进行研究。 ( 1 ) 、部件虚拟展示，使之了解汽车主体的大概结构及其功能，为后面的 诊断与排除作准备。( 2 ) 、虚拟驾驶场景，让学生在沉浸驾驶过程中，随机遇 到故障。模拟故障状态，要求学生提出解决方案。如果得以解决，汽车恢复模 拟正常驾驶状态。如果没有解决，则汽车可以驾驶，但已不是正常的驾驶状态。 3 2 汽车运动系统结构相关部件及其常规故障理论 汽车是由成千上万个复杂的机械部件组成，里面包含发动机系统、传动系 统、转向系统、制动系统、车身等组成【2 3 】【2 4 1 。 3 2 1 发动机的总体构造与功能 在本系统中，以汽油发动机系统为例，它由两大机构和五大系统组成，即 曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组 成比圳。这些系统组合共同完成进气、压缩、做功和排气四个过程。 1 曲柄连杆机构：由气缸体曲轴箱组、曲轴飞轮组和活塞连杆组组成。气 缸体是气缸体和曲轴箱铸成的整体，也包括气缸盖和气缸垫。曲轴飞轮组主要 由曲轴、飞轮、扭转减震器和正时同步齿轮等组成。曲柄连杆机构是发动机实 现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。 2 配气机构：四行程的发动机多数采用气门顶置式配气机构。它的进气门 和排气门都安装在气缸盖上。主要分气门组和气门传动组两个部分。气门是在 凸轮和气门弹簧的作用下开启和关闭进排气道，为了提高发动机的充其量，进 气门头部直径往往比排气门大。气门传动组的作用是开启和关闭气门，为了防 止点火错乱，装配时必须要与装配标记对齐【2 6 】。 1 4 网川师范人学硕士学位论文 3 燃料供给系统：其核心部件由汽油供给装置、化油器进气和排气装置组 成。汽油通过汽油泵压缩汽油至汽油滤清器，滤去油中的杂质后经过化油器， 化油器将汽油雾化，与空气混合成适当浓度的可燃气体。可燃混和气在发动机 不同的工作状态下有不同要求：启动时需要极浓的混和气以便于启动发动机， 怠速时只需要少量的浓混和气等等。进气和排气装置是将欲进入气缸的空气净 化和排除燃烧后的废气l z 川。 4 冷却系统：是用水泵强制冷却水在系统内循环流动以提高冷却效能，冷 却液吸收热量后流经散热器，最后通过风扇将热量散发出去。里面还有节温器 用以控制冷却液的循环路线，包括小循环和大循环，小循环关闭主阀，不散热 而使发动机温度升高，大循环则相反，这样保证了发动机的恒温工作，提高发 动机的功率，减少发动机的磨损和燃油消耗，温度过高或过低都会对发动机造 成不利影响引。 5 起动系统：起动机推动发动机曲轴使之由静止到怠速运转的全过程。 6 润滑系统：通常由机油泵、机油滤清器和机油限压阀门等机件组成。机 油泵将油压送到发动机的各主要摩擦表面，并保证在润滑系统中循环流动。有 了润滑油的液体摩擦，运动的零件就会减少摩擦阻力，减轻了机件的磨损。 7 点火系统：是蓄电池或发电机将低压变为高压电，按照发动机的气缸工 作顺序，实时的将电火花送入汽缸点燃混和气，使发动机工作。若要停止发动 机工作，则只需要断开点火开关，切断一次侧电流即可瞄引。 3 2 2 传动系统的组成与功能 机械式传动系统主要由离合器、变速器、万向传动装置和驱动桥组成。其 中万向传动装置由万向节和传动轴组成，驱动桥由主减速器和差速器组成。 离合器主要有膜片弹簧离合器和螺旋弹簧离合器，本系统中只讲述螺旋弹 簧离合器的组成：( 1 ) 主动部分：飞轮、压盘、离合器盖等；( 2 ) 从动部分： 从动盘、从动轴( 即变速器第一轴) ；( 3 ) 压紧部分：压紧弹簧；( 4 ) 操纵机 构：分离杠杆、分离杠杆支承柱、摆动销、分离套筒、分离轴承、离合器踏板 虚盘 号手0 变速传动机构的组成：变速传动机构主要由齿轮、轴及变速器壳体等零部 件组成。前进档时，动力由第一轴直接传给第二轴，只经过一对齿轮传动，两 1 5 四川师范大学硕士学位论文 轴转动方向相反。倒档时，动力由第一轴传给倒档轴、再由倒档轴传给第二轴， 经过两对齿轮传动，第一轴与第二轴转动方向相同。三轴是指汽车前进时，传 递动力的轴有第一轴、中间轴和第二轴，直接档除外。 3 2 3 汽车转向系统的组成与功能 汽车转向系统是用来改变汽车行驶方向的专设机构的总称。汽车转向系统 的功用是保证汽车能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶。 汽车转向系统的类型和组成 1 机械转向系统：机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，所有传 递力的构件都是机械的，主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部 分组成。2 动力转向系统：动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机( 或电 动机) 的动力作为转向能源的转向系统。动力转向系统是在机械转向系统的基 础上加设一套转向加力装置而形成的。 3 2 4 制动系的组成与功能 驾驶员能根据道路和交通情况，利用装在汽车上的一系列专门装置，迫使 路面在汽车车轮上施加一定的与汽车行驶方向相反的外力，对汽车进行一定程 度的强制制动。这种可控制的对汽车进行制动的外力称为制动力，用于产生制 动力的一系列专门装置称为制动系统。 制动系统的功用是减速停车、驻车制动。制动系统的组成：( 1 ) 供能装置 包括供给、调节制动所需能量以及改善传能介质状态的各种部件。其中产 生制动能量的部分称为制动能源。人的肌体也可作为制动能源。( 2 ) 控制装置 包括产生制动动作和控制制动效果的各种部件，如制动踏板、制动阀等。 ( 3 ) 传动装置包括将制动能量传输到制动器的各个部件，如制动主缸和 制动轮缸等。( 4 ) 制动器产生制动摩擦力矩的部件。 较为完善的制动系统还具有制动力调节装置、报警装置、压力保护装置等 附加装置。 3 3 故障诊断与排除设计 ( 1 ) 故障原因收集 3 0 1 。故障症状原因对照表将故障症状( 顶端事件) 与 故障原因( 故障部件) 以表格的形式列出，它将顶端事件和对应的全部底端事 1 6 网j i l 师范大学硕士学位论文 件用表格的形式表现出来，表格中的一个故障症状与多种可能的故障原因直接 对应。这里以离合器打滑为例 故障症状 可能原因 ( 1 ) 起步困难( 1 ) 踏板自由行程过小或无自由行程。 ( 2 )行驶加速时，车速 ( 2 ) 离合器盖与飞轮连接螺栓松动 不能随发动机的 转速提高而加快 ( 3 ) 压盘弹簧过软或折断 ( 3 )汽车满载上坡，发 动机转速高但车 速不高，甚至降 ( 4 ) 从动盘摩擦片磨损过多及硬化，铆钉外露或沾有油污。 低，严重时冒黑烟 表3 - 1 故障分析表 ( 2 ) 学习者进入分系统中，将相应部件放置到合适的位置。主要让学习 者了解硬件的相关属性及其功能，为后面的故障诊断与排除作准备。具体操作 步骤如下： 选组 认属退 择 +装 知性 出 系 部 及 系 统件 功 统 能 否