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工具箱的汽车动力学实时仿真研究

Vol. 17 增刊 系 统 仿 真 学 报

Dec. 2005

JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION

工具箱的汽车动力学实时仿真研究

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5

基于MATLAB/xPCTarget Virtual Reality 工具箱的

汽车动力学实时仿真研究

殷承良, 张 勇, 张建武

(

上海交通大学 汽车工程研究所

上海 200240)

要介绍了一种基于MA

TLAB/xPCTarget Virtual Reality 技术的汽车动力学实时虚拟现实仿真系统该汽车动力学仿真系统可以实现人对虚拟环境下运行的汽车进行实时操纵为汽车稳定控制

系统以及人车路环境闭环控制仿真研究提供了一种简单廉价的解决方案

关键词

实时仿真

虚拟现实

xPCTarget

汽车动力学

文章编号1004-731X

(2005) S0-0005-03 中图分类号TP391.9 文献标识码

A

Study on Vehicle Dynamic Real-time Simulation Based on MATLAB/xPCTargetand Virtual Reality Toolboxs

YIN Cheng-liang ZHANG Yong ZHANG Jian-wu

(Institute of Automobile Engineering, Shanghai JiaoTong University, Shanghai 200240, China)

Abstract Automobile dynamics realtime virtual reality simulation system based on MATLAB/xPCTarget was introduced in the paper. The driver can manoeuvre the vehicle which dynamic model running on the xPCTarget in realtime. It is a low-cost method for the research in the close-loop control of human being, road and environment and vehicle stability control. Key words realtime simulation virtual reality xPCTarget vehicle dynamics

随着经济飞速发展道路交通条件的改善以及汽车技术的进步现代汽车的行驶速度得到极大提高但是恶性交通事故越来越多恶性交通事故通常是因车辆在高速行驶时侧向失稳所造成的[10]因此对汽车操纵稳定性的研究分析在汽车设计整车性能分析以及车辆稳定性控制研究中发挥出日渐重要的作用

由于车辆侧向失稳通常是在车辆处于极限工况下发生的因此对车辆稳定性控制研究需要在特定的危险工况如冰雪路面高速连续弯道等

下进行反复试验才能找出车辆失稳的特征然后制定相应的控制策略并开发电子控制系统进行控制另外在极限工况下驾驶员的驾驶行为对汽车运行状态以及车辆稳定性控制起着至关重要的作用尽管随着

计算机技术的飞速发展很多动力学仿真软件在汽车稳定性研究领域得到广泛的应用

但是有一个难题始终无法解决

即仿真过程中驾驶员只能用驾驶员模型不能将人的驾驶行为实时介入仿真系统随着虚拟现实技术的发展通过人体视觉将人的动作行为介入的仿真系统软件应运而生

尽管国内外出现了一些用于汽车专业实时虚拟现实仿真软件或仿真系统但所采用的开发方案非常复杂而且开发成本及其昂贵如吉林工业大学的汽车动态模拟试验台耗资千万

如果购买一套汽车专业实时虚拟现实仿真系统如

收稿日期2005-08-31 修回日期2005-10-21

作者简介殷承良 (1965-), 男, 湖北石堰人, 博导, 研究方向为车辆动力学控制张勇 (1977-),

男, 安徽宿松人

, 博士生, 研究方向为车辆动力学控制

dSPACE Simulator

系统也需要耗资几百万[8]因此无论

采用传统的研究开发方案还是现有的实时虚拟现实仿真系统方案或者购买专业实时虚拟现实仿真开发软件车辆稳定性的研究成本非一般科研单位是所能承受的因此探讨一种廉价的可以实现人机交互的实时虚拟现实系统对汽车动力学控制以及人车路环境闭环仿真研究是很有意义的

目前用于虚拟现实开发的软件系统很多

如multigen,

3Dmax,但是可以支持实时虚拟现实系统开发的软件很少特别是将虚拟现实系统与其他数学仿真模块相结合的应用软件更是屈指可数

但是Mathworks

公司的MATLAB/

Simulink

成功地做到了这一点

目前MATLAB Realtime

Windows Target 工具箱支持实时虚拟现实在一台PC 机上运行MATLAB 和windows 操作系统以及其它软件通常复杂虚拟现实效果不是很理想为了避免在一台PC 机上同时进行

MATLAB/simulink

实时仿真和实时虚拟场景现示MATLAB 的虚拟现实模块支持远程控制模式

既将虚拟现

实的场景转到另一台

PC 机上显示这样便部分解决了在一台PC 机上运行MATLAB/Simulink 实时模型和实时虚拟场

景显示资源不足的问题尽管如此对于复杂的动力学模型Real time Windows Target 还是很难满足实时性要求而且可支持实时数控卡非常有限[8-9]因此

本文介绍一种基于能

够满足复杂动力学实时仿真要求的MATLAB/xPCTarget 技

术的实时虚拟现实仿真系统

1 虚拟现实系统

虚拟现实是一种由计算机技术创造的虚拟世界是一个

Vol. 17 增刊

系 统 仿 真 学 报 Dec. 2005

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看似真实的模拟环境用户根据自身的视觉听觉以及触觉等通过多种传感设备利用人的自然技能与虚拟世界中的物体进行交互参与其中的事件使参与者沉浸于模拟环境中

[1-2]

本虚拟现实系统示意框图如图

1

图1 虚拟现实系统示意框图

2 基于xPCTarget 技术的实时仿真

美国Mathworks 公司推出的MATLAB Simulink 仿真软件是现在国际上比较流行的仿真软件之一它在航空汽车工业控制等有着广泛的应用随着超大规模集成的高速通用PC 的出现使得采用通用PC 机进行实时仿真成为可能为了达到用户操作界面简单友好以及系统仿真的实时性要求一般采用主副机操作仿真结构主机用于用户操作控制仿真过程副机用于实时运行仿真程序并可通过I/O 接口与外部实物进行数据交换最终实现半实物实时仿真[3-9]xPC Target , Real time Windows Target 工具箱便是为了达到上述应用目标而设计的

xPC Target 工具箱可以利用标准PC 设备进行实时仿真计算

用户通过调用RTW(Real Time Workshop)模块xPC Target TLC 工具将MATLAB Simulink 图块程序转化成实

时运行模式的C 语言程序

经过编译链接

下载到目标机

中此后主机通过xPC Target API 接口发送相应的控制指令控制目标机实时仿真计算的开始和终止用户不仅可以通过监视器实时观测各种变量的变化过程而且可以在线修改控制参数修改后的参数将自动下载到实时运行环境中用户可以立即观察到修改参数后的控制效果实时仿真示意框图如图2

图2 xPCTarget 实时仿真示意框图

3 基于xPCTarget 技术可人机交互的汽车动

力学实时仿真系统

系统实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件作出响应的能力实时性的强弱是以完成规定功能和作出响应时间的长短来衡量的因此实时系统仅有正确的输出结果是不够的输出结果还必须在一个特定

的时间间隔内到来

另外

不同实时系统要求也不相同的

如控制一个汽车的ABS 刹车系统或动力实时仿真系统与控制一个视景视觉效果要求大不相同前者执行时间的一个小小20ms 的延迟就可以导致系统失效

而后者只会引起系统

质量的退化图像可能会停住或可能丢失一些帧这是因

为人体视觉响应在25Hz 左右因此视景系统显示停滞或延

迟小于40ms 人类基本觉察不到

而实时仿真系统是用于

模拟汽车动力学实时状态的20ms 的延迟完全可以导致整

个仿真系统和接口控制逻辑失效通常前者的实时通过硬件

来实现即所谓的硬实时后者通过软件系统实现我们称之为软实时

具有视景动画显示的实时仿真系统与混合实时仿真系统存在较大不同其实时性要求也不相同该仿真系统实时性要求分析如表1

表1 混合仿真系统实时性要求

系统组成部件

计算或采样

频率要求

实时性 实现方式 制动踏板压力 100Hz 硬件 油门踏板行程 100Hz 硬件 轮缸压力 1kHz 硬件

原车方向盘转角

或替代方向盘 100Hz 50Hz

硬件 硬件+软件 虚拟现实模型驱动 50Hz 软件 虚拟现实模型显示 40Hz 软件 汽车动力学模型 200Hz 硬件

为了充分保证复杂汽车动力学模型仿真实时性动力学模型实时计算仿真平台采用xPC Target 系统

通过xPC

Target 的实时硬件接口将驾驶员制动踏板油门踏板驾驶员方向盘等传感器的数据接入动力学模型进行实时仿真上位机

Host PC

通过xPC API 接口将汽车动力学模型的运

行状态数据写入控制虚拟现实系统Simulink 模型中

同时

也将虚拟现实系统的数据如地理信息数据通过xPC API 传到下位机进行计算虚拟场景显示利用MATLAB 的虚拟现实远程控制技术在另外一台PC VR PC 机上显示本仿真系统结构框图如图3

xPC Target Real-Time Run Mode

Non Real-Time

Run Mode

Non Real-Time

Run Mode

Real-Time

图3 实时虚拟仿真系统框图

由于驱动虚拟现实显示的Simulink 模型运行模式为非实时的如何保证由上位机通过xPC API 接口传给下位机实

Vol. 17 增刊 Dec. 2005 殷承良, 等基于Matlab/xPCTarget Virtual Reality 工具箱的汽车动力学实时仿真研究

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时模型所需数据和虚拟动画显示的实时性是本仿真系统的

关键为了仿真系统的实时性具有可分析性本系统采用一

种特殊在线冗余实时验证机制即上位机读取的信号中包括一个实时仿真时间信号上位机控制虚拟现实的Simulink 模型将这个时间信号加上其它的xPC target 实时系统所需的信号一起通过xPC API 传到下位机实时模型将传回的时间信号与系统当前的时间信号之差记录到Log 文件中用于仿真系统数据的实时性分析

各计算机系统软件配置要求如表

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2

表2 系统软件要求

软件

Host PC

Target

PC VR PC

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Windows

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操作 系统 RealTimeOS

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Matlab

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Simulink

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Real-Time Workshop

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C compiler

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XPC Target

VRML 插件

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Web 浏览器

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Virtual Reality Toolbox

为了进一分析验证非实时仿真模型仿真是否满足系统 要求特根据上述所提的在线实时性验证方法进行分析记录的结果中时间差最大为20ms 因此实时系统的数据传到上位机并驱动虚拟现实模型的延迟为10ms 左右此外

位机仿真模型主要用于数据简单处理没有积分微分环节

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因此主要是数据传输产生的延迟

由于人体相应频率比较

低因此10ms

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的延迟对人机界面不会导致仿真系统失效

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系统调试分析发现系统的延时主要在于主机与xPC

Target 目标机的数据通讯延迟本系统采用仿真结果数据直

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接存入目标机硬盘

等仿真结束后再传输到上位机通过

MATLAB

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进行数据分析

从而解决在仿真过程中因仿真结

果数据包从目标机传输到宿主机导致动力学模型状态数据传输延迟问题经过系统的整体测试得到下面的结果xPC Target 数据采集延时不超过0.003秒图像的刷新频率可

以达到50帧每秒图像显示延时不超过0.02秒网络传输

延时不超过0.01秒

上述结果表明系统基本上可以达到系

统仿真的实时性的要求

4 仿真测试结果分析

为了进一步验证系统可行性本文采用8自由度汽车动力学模型驾驶员在虚拟的场景通过真实的方向盘操纵虚拟

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车辆进行常规的操稳试验图4为在虚拟现实环境下进行80km/h 双移线的实验结果

仿真地面附着系数为0.8

图5

为在与仿真环境基本相同的实际环境下的实车试验数据

虚拟仿真试验结果与实车试验结果对比分析可以看出实车试验结果与虚拟仿真试验结果比较接近因此该方案可以用于操稳仿真分析研究由于xPC Target 目标机具有丰富数据采集与控制接口因此可以将此仿真方案用于电子稳定控制系统的硬件在环仿真研究或者与驾驶行为相关的研究

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分析

图4 交互式实时仿真双移线试验结果

图5 实车双移线试验结果

5 结论

本文探讨了利用MATLAB 系统的Simulink, xPC Target, VR

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等模块来实现人机交互的汽车动力学实时仿真

MATLAB 系统上实现可人机交互动力学实时仿真方面开展了尝试性研究工作为汽车动力学实时仿真以及人车路环

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境仿真研究提供了新思路

由于该方案是基于xPC Target

技术的因此可以利用其丰富的硬件接口来实现更加复杂的动力学混合仿真和硬件在环仿真分析与研究最后对仿真分析结果与实车试验结果进行了分析比较对比结果表明该

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仿真方案是可行的

参考文献:

[1] 胡圣武, 潘正风. 虚拟现实技术的应用及其需要解决的问题 [J]. 矿山测量. 2004, (1).

[2] 姜学智, 李忠华. 国内外虚拟现实技术的研究现状 [J]. 辽宁工程技术大学学报. 2004, (2).

[3] 李兴玮, 叶磊, 黄柯棣. 基于Matlab/xPCTarget 构建实时仿真系统 [J]. 计算机仿真. 2003, (8).

[4] 赵峰, 孙汉旭, 贾庆轩. 基于虚拟现实技术的交互式健身自行车的研究 [J]. 机电产品开发与创新, 2004, (6).

[5]

龚飘, 刘子建, 曾晓梅. 虚拟环境中基于多体动力学的实时仿真[J]. 2004, 21(6).

[6] AJ?nsson1, J Bathelt2 and G. Broman1. Interacting with real time

simulations –virtual reality in industry applications [Z]. The Eurographics Association 2003.

[7] Patrice L. Weiss, Adam S. Jesse. Virtual reality applications to work

[J]. A Journal of Prevention, Assessment & Rehabilitation. Work 11 1998, 277-293. [8] http://www.wendangku.net/doc/0cad1812767f5acfa0c7cd12.html.de [Z]. [9] http://www.wendangku.net/doc/0cad1812767f5acfa0c7cd12.html [EB/OL].

[10] A T van Zanten, Bosch ESP Systems: 5 Years of Experience [Z].

Society of Automotive Engineers, Inc 2000.

S t e e r i n g A n g l e (d e g )

L a t e r a l A c c (m .s -2)

Y a w R a t e (d e g .s -1)

工具箱的汽车动力学实时仿真研究

工具箱的汽车动力学实时仿真研究

基于MATLAB/xPCTarget、Virtual Reality工具箱的汽车动力学实时仿真

研究

作者:殷承良, 张勇, 张建武, YIN Cheng-liang, ZHANG Yong, ZHANG Jian-wu

作者单位:上海交通大学,汽车工程研究所,上海,200240

刊名:

工具箱的汽车动力学实时仿真研究

系统仿真学报

英文刊名:JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION

年,卷(期):2005,17(z2)

被引用次数:1次

参考文献(10条)

1.胡圣武.潘正风虚拟现实技术的应用及其需要解决的问题[期刊论文]-矿山测量 2004(01)

2.姜学智.李忠华国内外虚拟现实技术的研究现状[期刊论文]-辽宁工程技术大学学报(自然科学版) 2004(02)

3.李兴玮.叶磊.黄柯棣基于Matlab/xPCTarget 构建实时仿真系统[期刊论文]-计算机仿真 2003(08)

4.赵峰.孙汉旭.贾庆轩基于虚拟现实技术的交互式健身自行车的研究[期刊论文]-机电产品开发与创新 2004(06)

5.龚飘.刘子建.曾晓梅虚拟环境中基于多体动力学的实时仿真[期刊论文]- 2004(06)

6.AJonsson1.J Bathelt2.G Broman1Interacting with real time simulations -virtual reality in industry applications 2003

7.Patrice L Weiss.Adam S Jesse Virtual reality applications to work 1998

http://www.wendangku.net/doc/0cad1812767f5acfa0c7cd12.html.de

9.查看详情

10.A T van Zanten Bosch ESP Systems:5 Years of Experience 2000

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该文利用SGI Onyx 3200超级图形工作站结合OpenGL Performer API,以鄱阳湖地区作为研究区域,进行大规模虚拟场景实时仿真技术的研究.首先建立基于视点的LOD模型(包括地形和地物),然后采用活动表面定义(Active Surface Definition)这一实时架构来管理地形数据的调度,并结合剪切纹理(Clip Texture)技术对高分辨率纹理数据进行有效的管理,以及利用并行处理技术对场景数据库进行动态调度管理和实时仿真图形优化处理,从而建立真实感强、仿真效果佳的大规模虚拟场景,有效地解决了这一问题.最后进行相应的实时仿真应用程序Jennie的开发和性能测试分析,实现研究区自然虚拟环境的实时显示、交互和漫游等.研究结果表明整个虚拟场景数据库结构层次更加合理恰当,虚拟场景的实时显示效率以及实时仿真效果都有所提高,保持恒定的帧速,至少20帧/秒,通常可达50~60帧/秒.

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,降低了建模的复杂度;

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本文主要针对云的生成过程进行了实时的仿真。在系统仿真领域中,传统的仿真难以有效地对云这样形体无规则且动态变化的复杂体进行绘制,同时对于这种现象缺乏对其物理模型本身比较合适的描述。物理计算的复杂性往往带来性能的严重损失,满足不了许多对时间要求较高的应用领域的需求,因此如何在视觉误差范围内对其计算处理并且保持速度就显得尤为重要。本文以基于物理模型的系统仿真作为目标,并在真实感和速度上都有提高,达到了实时仿真的目的。

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论文针对用于人-车-路(环境)联合运行协调性评价的虚拟仿真技术体系,围绕虚拟仿真系统中人、车、路(环境)三要素的建模理论及实现技术,研究了人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真理论及实现技术,研究的主要内容有:

1.提出并论述了人-车-路(环境)系统联合运行的自行模式和互动模式仿真的概念。并在分析目前道路安全评价方法的基础上,提出了基于该虚拟仿真平台的道路安全评价模型。

2.在系统、定量地研究道路和交通环境对行车速度诱导特性的基础上,建立了自行仿真模式中驾驶人的车速控制计算模型。对公路典型路段进行了现场认知评价试验,研究了基于认知评语数据的汽车驾驶人对道路条件安全性认知因素的模糊评价方法,进而以实测的公路典型路段上的平均行车速度统计值和道路结构数据为样本,研究了描述驾驶人行车时基于安全性考量的车速模糊控制规则建模技术,最后,结合加/减速度控制模型,建立了车辆驾驶人的车速控制逻辑推理模型。

3.研究了人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真技术平台中的车辆动力学建模技术以及实现车辆动力学网络实时解算的关键技术,并论述了车辆三维模型数据库的实现技术和视景驱动技术。针对车辆动力学解算实时性的特点,研究了用于虚拟仿真的十一自由度车辆动力学三维模型,该模型主要包括整车操纵稳定性模型、轮胎模型、转向系模型、发动机模型、制动系模型等。在该模型基础上,利用Winsock网络通信技术建立了车辆动力学网络实时解算软件系统。通过对车辆三维几何建模技术的研究,建立了基于MultigenCreator的轿车、货车、越野车和客车的三维模型数据库。此外,还利用LOD模型简化技术研究了提高车辆三维模型运行实时性的技术手段,利用光照模型、纹理映射等真实感图形处理技术研究了提高车辆三维模型真实感的技术方法。

4.研究了人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真平台中地形、道路和环境的三维模型生成技术以及提高模型逼真度和运行实时性的技术手段。研究了基于分形理论和真实地形数据的三维地形生成技术,探讨了Choptexture(分割纹理)和Cliptexture(裁剪纹理)技术在地形的优化显示技术方面的应用,并研究了绘制优先级技术、外部引用和实例化技术在道路和环境模型数据库加速显示方面的应用。

5.研究了人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真平台中的硬件实现技术,成功设计并搭建了虚拟仿真试验系统的硬件平台,研究了互动模式中基于半实物模型的交互信号采集技术。硬件平台的实现主要包括三部分的工作:一是RC系统的方案设计;二是模拟驾驶操作台的几何设计;三是数据采集系统的开发,即利用单片机技术、计算机串行通信技术实现对模拟操作信号(加速踏板、制动踏板、离合器、变速器、方向盘等信号)的数据采集和标定。此外,为了实现系统平台的通用性,还利用DirectX8.0SDK研究了人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真系统中模拟器的数据采集接口技术。

6.系统地研究了人-车-路(环境)联合运行仿真系统的软件实现技术,开发了虚拟仿真软件系统,并在人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真平台上进行了包括驾驶人、车辆、一级公路和环境在内的虚拟仿真试验。利用MFC和VegaAPI实现了人-车-路(环境)联合运行系统中视景仿真模块的开发,在Multi-Agent理论的基础上实现了交通环境中自由行驶车辆的行为模拟;利用碰撞检测算法解决了车辆与道路或环境物体的碰撞问题,利用OpenGLperformer研究了仿真状态信息的动态显示技术,利用Winsock和DR算法研究了多通道视景同步显示技术,还研究了仿真过程的AVI录制和回放技术。

综上所述,本研究的创新点主要体现在以下几个方面:

1.首次提出以人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真技术的研究和应用作为在公路工程和安保工程中落实“以人为本、以车为本”理念的切入点这一崭新思路;

2.首次提出并论述了人-车-路(环境)系统联合运行的自行模式和互动模式仿真的概念;

3.首次系统和定量地研究了道路和交通环境对行车速度的诱导特性,建立了驾驶人的车速控制计算模型;

4.应用十一自由度车辆动力学模型开发了C/S结构的车辆动力学网络实时解算软件系统;

5.首次系统论述了基于Creator的三维道路模型的构造原理和实现技术;

6.首次系统研究了人-车-路(环境)联合运行仿真系统的实现技术,开发了人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真平台。

主题词:虚拟现实,人-车-路(环境),实时仿真,驾驶人车速控制模型,Vega,Multi-Agent论文类型:应用基础

引证文献(1条)

1.吴小役.王斌翊.李长红.翟晓军基于xPC的PMSM控制系统虚拟测试技术研究[期刊论文]-系统仿真学报 2007(7)

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下载时间:2010年9月4日