张 昉

（辽宁省交通高等专科学校，辽宁 沈阳 100122）

0 引言

随着社会经济发展，环境污染、能源紧缺等问题日趋严峻，新能源汽车得到迅猛发展。新能源汽车领域专业技术人才成为各类职业院校汽车专业培养的重点。而根据《制造业人才发展规划指南》的报道显示，2020年年底新能源汽车技术的相关技术人才有68万的人才需求量[1]。随着虚拟仿真技术的发展，该技术服务缺口较大的新能源汽车学科成为研究的重点。

利用虚拟仿真技术为新能源汽车领域开发最新具备普适性和传播性的数字资源是本项目的主要研究内容，具备重要理论及现实意义。

1 新能源汽车领域数字资源国内外研究现状

2016年辽宁工业大学汽车与交通工程学院张忠洋等[1]就虚拟仿真软件在新能源车辆工程专业实验教学中的应用进行探讨。2017年，江苏大学汽车与交通工程学院潘公宇等[2]就车辆工程专业虚拟仿真实验教学平台的设计进行研究，通过自主研发、科研成果转化和联合开发等模式，设计了“汽车构造原理与虚拟拆装”“汽车性能仿真”“汽车电子与测试技术”“新能源汽车”及“汽车制造技术”5个虚拟仿真实验教学平台。2018年广西机电工程学校陆展在“虚拟仿真软件在新能源汽车运用与维修专业教学中的应用探讨”中对虚拟仿真软件在新能源汽车运用与维修专业教学中的应用进行分析，强调了虚拟仿真技术在该方面的优势。2019年周赐恩在“基于虚拟现实技术的汽车类虚拟仿真实验项目构建与实施”一文中分析了VR技术在弥补实物实验不足方面的优势。2019年成都理工大学袁敏在“基于虚拟现实技术的新能源汽车实践教学研究”中分析了新能源汽车实践课程中遇到的问题，并就VR教学中心进行建设。

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4个方面[3]。比尔·盖茨表示投资VR内容及软件的研发是当前所需，并且看好虚拟现实教育发展潜力。麻省理工学院在1985年成立了虚拟环境研究实验室。华盛顿大学华盛顿技术中心成立了人机界面技术实验室。美国斯坦福大学虚拟交互实验室主任杰瑞米·白朗松正在把虚拟技术演变为一种教育工具。在VR+汽车方面，美国与最大的二手车交易市场VRoom平台推出VR汽车展厅，让乘客体验到交互内容丰富有趣的乘车体验，并运用到了汽车销售教学中。

日本在VR教育方面的研究主要致力于教学材料方面。《基于需求调查和实践课程开发多方面VR教学材料》中提出：从示范班估计的将来学习基本数据。首先对教师进行了“需求调查”，以检查可用于教育目的的VR课本。

2 传统实训教学存在的问题

在新能源汽车领域实践教学环节中，因此类汽车技术含量高，实物内部构造复杂、造价昂贵、不便于拆卸、存在一定高电压、高腐蚀危险等诸多问题，传统实训条件和现场教学方式方法已不适用于新型人才培养。同时又因设备数量限制，内部结构无法展示等客观因素，通过拆装和静态观看不能达到较好的教学效果。因此使用虚拟仿真技术这一技术手段动态模拟展示新能源汽车功能模块零部件及工作运转状态势在必行。

3 交流异步电动机数字资源建设过程

因新能源汽车技术含量高，实物内部构造复杂且难以展示，教学不便开展。本项目的研究采用虚拟现实技术，将新能源汽车内部结构数字模块化并生成高清动态动画演示视频。项目主要研究内容如下。

3.1 资源模块化分解

汽车数字资源的选择以新能源汽车为主，兼顾传统能源与其共用部分和传统能源经典内部结构部分。新能源汽车部分如：永磁减速起动机结构组、交流异步电动机结构；共用部分：电动车窗结构、制动系统结构、电动助力转向系统机构等；传统能源经典：四缸发动机结构等。资源选择具备覆盖范围广、涉及专业多、结构难度大等特点。此部分由汽车专业人员进行，根据实际工作过程，将零件结构性划分，满足教学及展示需求。本文以交流异步电动机结构为例进行介绍。

3.2 机械模块数字化过程

所选交流电异步电机资源模块首先要经过测量进行数字化建模。此部分需机械测量专业和计算机三维建模人员共同完成。对汽车零部件进行测量，根据测量数据和采集的二维信息，采用3D建模技术，将机械模块数字化。

交流异步电动机结构数字化模块如图1所示。

图1 交流异步电动机模块

3.3 虚拟仿真技术和动画视频制作技术实现数字资源

在三维数字模块基础上，采用虚拟现实技术，根据汽车结构工作原理，将模块实现动态化运转。结合动画制作技术将动画效果转换为高清视频。此部分涉及汽车专业和计算机虚拟现实专业人员。选用软件Unity3D，Premiere等。以电动发动机为例，该电动机是电能转化为机械能的电力拖动装置。它主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。当定子的对称绕组连接到电源上时，绕组内将通入电流，并在空间产生旋转磁场，磁场沿定子内圆周方向旋转，当磁场旋转时，转子绕组的导体切割磁通将产生感应电动势，由于电动势的存在，转子绕组中将产生转子电流。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用将产生电磁力，该力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩的作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩作用，便按旋转磁场的旋转方向旋转起来。受作用力影响及一系列转化，完成电能转化为机械能的过程。根据这一原理进行零件间的动画设置。结合帧动画技术，设置不同帧的动态效果，使用渲染技术，完成若干个完整周期，导出图片序列，格式为JPG结合Premiere软件进行高清动态视频的生成。

4 结语

新能源汽车数字资源开发和新能源汽车领域人才都是该领域紧缺的，就数字资源开发方面，受场地、设备、人员、技术等限制，采用传统测量模块中机械部件尺寸方法为模型数字化带来了很大困难。使用大型3D扫描设备可以较大程度的解决此项困难，为新能源数字汽车领域资源开发带来更大便利。