虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用與展望

摘要： 文章通過對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的介紹，分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一個(gè)最新的技術(shù)開發(fā)平臺(tái)和復(fù)雜的仿真工具，在當(dāng)前汽車工業(yè)中的設(shè)計(jì)、制造及實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)都得到廣泛應(yīng)用，并對(duì)該技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí) 汽車工業(yè) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是近年發(fā)展起來的高級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)，是建立在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真學(xué)、并行技術(shù)、人工智能、多媒體技術(shù)及高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等技術(shù)基礎(chǔ)之上的。目前世界上對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)還沒有一個(gè)確切的定義，不同的人對(duì)其有不同的理解，比較有代表性的定義有下列三種［１］：

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)，英文名稱Virtual Reality，簡稱VR，是一種可以創(chuàng)造和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這里所說的虛擬世界是指所有虛擬環(huán)境或給定仿真對(duì)象的全體。而“虛擬環(huán)境”一般是指用計(jì)算機(jī)生成的有立體感的圖形，它可以是一特定現(xiàn)實(shí)環(huán)境的表現(xiàn)，也可以是純粹虛構(gòu)的世界。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)是使人可以通過計(jì)算機(jī)看見、操作極端復(fù)雜的數(shù)據(jù)并與之交互的一種方式。

（3）虛擬現(xiàn)實(shí)是一種媒介，它具有三維合成環(huán)境，人們可以按自己的意愿，從任選視點(diǎn)實(shí)時(shí)地在其中連續(xù)而自由地探測(cè)、考察和體驗(yàn)。

Virtual Reality一詞最早是由美國VPL公司的創(chuàng)建人之一Jaron Lanier于20世紀(jì)80年代初正式提出來的。他認(rèn)為，與傳統(tǒng)的“人—機(jī)界面”相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有質(zhì)的飛躍。傳統(tǒng)的“人—機(jī)界面”是將用戶和計(jì)算機(jī)視為兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，將界面視為信息交換的媒介，用戶將要求或指令輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)，計(jì)算機(jī)將信息或動(dòng)作反饋出來。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則將用戶和計(jì)算機(jī)視為一個(gè)整體，通過各種直觀的工具將信息可視化，用戶直接置身于這種三維信息空間中自由地操作和控制各種信息，從而成為信息的主人。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

2.1在虛擬設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

基于虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的對(duì)象是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、模擬、評(píng)測(cè)出發(fā)，對(duì)客戶所需求的產(chǎn)品性能和成本進(jìn)行優(yōu)化，它的對(duì)象是產(chǎn)品本身［２］。

近幾年來，CAID技術(shù)為企業(yè)在新產(chǎn)品開發(fā)過程中提供了有力的支持，但目前在虛擬設(shè)計(jì)中通常使用軟件組合來完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程。例如復(fù)雜曲面的產(chǎn)品造型，多采用Rhino和Pro/Engineer，而產(chǎn)品的渲染則采用3DMAX或LightWAVE，其實(shí)質(zhì)并沒有把設(shè)計(jì)人員從二維鼠標(biāo)與鍵盤上解放出來，設(shè)計(jì)人員也并沒有真正參與到虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)中來，在某種角度上限制了設(shè)計(jì)人員的積極性與創(chuàng)造性的發(fā)揮。

現(xiàn)代生產(chǎn)中產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)和開發(fā)就是建立虛擬樣機(jī)。以借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的三維汽車為例，在對(duì)汽車進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員在具有全交互性的設(shè)計(jì)環(huán)境中，利用頭盔顯示器、具有觸覺反饋功能的數(shù)據(jù)手套、操縱桿、三維位置跟蹤器等裝置，將視覺、聽覺、觸覺與虛擬概念產(chǎn)品模型相連，不僅可以進(jìn)行虛擬的合作，產(chǎn)生一種身臨其境的感覺，還可以實(shí)時(shí)地對(duì)整個(gè)虛擬產(chǎn)品（Virtual Product）設(shè)計(jì)過程進(jìn)行檢查、評(píng)估，實(shí)地解決設(shè)計(jì)中的決策問題，使設(shè)計(jì)思想得到綜合。在交互性的虛擬環(huán)境快速成型設(shè)備上，設(shè)計(jì)人員對(duì)虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的直接設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)人員積極性與創(chuàng)造性的發(fā)揮。

2.2在虛擬制造中的應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)和靈魂，虛擬制造系統(tǒng)是由多學(xué)科知識(shí)形成的綜合系統(tǒng)，是利用計(jì)算機(jī)支持技術(shù)對(duì)需要進(jìn)行生產(chǎn)和制造的產(chǎn)品進(jìn)行全面建模和仿真，它能夠仿真非實(shí)際生產(chǎn)的材料或產(chǎn)品，同時(shí)得出有關(guān)它們的信息。

虛擬制造系統(tǒng)（Virtual manufacturing system）由虛擬信息系統(tǒng)（Virtual information system）和虛擬物理系統(tǒng)（Virtual physical system）組成。虛擬信息系統(tǒng)也叫虛擬邏輯系統(tǒng)，主要是用來模擬處理設(shè)計(jì)、管理、計(jì)劃調(diào)度等制造活動(dòng)中的信息；而虛擬物理系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際的加工車間，包括機(jī)床、材料、工人等進(jìn)行建模，并在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真實(shí)際制造系統(tǒng)的制造過程。

虛擬物理制造系統(tǒng)中的信息和實(shí)際的制造系統(tǒng)相一致，它是虛擬制造系統(tǒng)的關(guān)鍵。虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用范圍涉及產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，它可以在生產(chǎn)設(shè)備、工裝和模具，甚至樣車的設(shè)計(jì)之前，很容易地對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝過程進(jìn)行建模、修改、分析及優(yōu)化。在汽車柔性生產(chǎn)系統(tǒng)（FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CMIS）的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，就廣泛運(yùn)用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

虛擬設(shè)計(jì)與虛擬制造都是圍繞著產(chǎn)品而展開的活動(dòng)，是一個(gè)彼此相互聯(lián)系有機(jī)整體。虛擬模型相互關(guān)系如圖1所示。

2.3在虛擬試驗(yàn)中的應(yīng)用。

虛擬試驗(yàn)技術(shù)作為汽車虛擬制造技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在汽車空氣動(dòng)力學(xué)及汽車被動(dòng)安全性研究中正得到越來越廣泛的應(yīng)用，汽車被動(dòng)安全性研究包括車身抗撞性研究、碰撞生物力學(xué)研究以及乘員約束系統(tǒng)和內(nèi)飾件的研究。

虛擬試驗(yàn)方法的核心是有限元法和多剛體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值方法，它通過一定的前后處理程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模板，以CAD文件為輸入，在計(jì)算機(jī)中模擬出與實(shí)際試驗(yàn)一樣的環(huán)境。通過計(jì)算，得到試驗(yàn)報(bào)告。

設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出的新型汽車是否合理，往往需要經(jīng)過碰撞、風(fēng)洞等測(cè)試加以檢驗(yàn)。最初檢驗(yàn)新型汽車性能的方法是：先在一輛樣車上放置木偶，加速后讓它與墻壁碰撞，然后，再檢測(cè)車身與木偶的受損程度，由此斷定碰撞過程中車與人的受力情形。這種方法，不僅存在著嚴(yán)重的誤差，而且需先把樣車做出來，費(fèi)事費(fèi)力。而采用虛擬試驗(yàn)方法，則只需先用木材、黏土或陶土做一輛汽車模型，在風(fēng)洞中測(cè)定其空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，再把模型掃描進(jìn)虛擬環(huán)境系統(tǒng)，把它放大成與真車一樣的大小。通過虛擬環(huán)境系統(tǒng)模擬撞車，可以精確地把木偶的手或腳的受力情況反映出來，采用這個(gè)系統(tǒng)，可以減少約一半的設(shè)計(jì)費(fèi)用及時(shí)間。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車工業(yè)中的前景展望

多媒體技術(shù)軟硬件飛速發(fā)展，特別是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與多媒體技術(shù)有機(jī)結(jié)合，加快了設(shè)計(jì)人員從鍵盤和鼠標(biāo)上解脫下來的速度，使虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用方面也得到提升。雖然目前汽車工業(yè)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)、制造、試驗(yàn)?zāi)壳疤幱谄鸩诫A段，主要應(yīng)用于概念車和車身內(nèi)外模型的開發(fā)，另外在汽車裝配中亦有少量使用，但我們相信，隨著傳感器與信息環(huán)境的交互技術(shù)等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷發(fā)展和完善，它必將引起汽車行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域的革命性變化。

3.1敏捷制造/虛擬工廠。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)，主要是以美國工業(yè)界提出的一個(gè)敏捷制造/虛擬企業(yè)為契機(jī)的。1991年，美國里海大學(xué)受美國國防部委托，組織編寫了《21世紀(jì)制造企業(yè)的戰(zhàn)略》的報(bào)告。在報(bào)告中，首次提出了敏捷制造（Agile manufacture）和虛擬企業(yè)（virtual enterprise）的概念。他們認(rèn)為敏捷（agility）是一種能使企業(yè)在無法預(yù)測(cè)、持續(xù)變化的市場環(huán)境中保持并不斷提高競爭力的能力。

該報(bào)告設(shè)想到2010年建立美國汽車（USM）公司，實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)的敏捷制造/虛擬工廠，主要達(dá)到以下目的標(biāo)：

（1）每輛USM公司的汽車都按用戶要求制造，每輛USM公司的汽車從定貨起3天內(nèi)交貨。USM汽車在整個(gè)生命周期內(nèi)有責(zé)任使用戶滿意，并且這種汽車能重新改造，使用壽命長。

（2）用戶可以利用USM公司的圖表、虛擬設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)自己所需的汽車，并了解其售價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用等。

（3）用戶初步選定車型后，可進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過模擬試驗(yàn)或重選或提出意見，滿意后辦理訂貨手續(xù)。

（4）USM公司工廠按年產(chǎn)6萬輛設(shè)計(jì)，同一條生產(chǎn)線上可裝配其所有型號(hào)的變型車，數(shù)量不限。

（5）在世界各地建廠，6個(gè)月內(nèi)投產(chǎn)。

（6）4個(gè)月提出一種新車型。

（7）設(shè)計(jì)與制造能力匹配，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，對(duì)全車設(shè)計(jì)與制造工藝進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和仿真。

（8）設(shè)計(jì)通過后，有計(jì)算機(jī)選擇所有制造設(shè)備，并投入生產(chǎn)。

未來敏捷制造/虛擬企業(yè)的模式將表現(xiàn)為由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制的多個(gè)柔性制造單元組成的分布式自動(dòng)制造與虛擬制造系統(tǒng)。

3.2對(duì)并行工程的促進(jìn)。

不斷發(fā)展的CAD、CAM、CAS（計(jì)算機(jī)輔助造型）、CAT（計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)）、CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程分析）等各個(gè)領(lǐng)域滲入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并形成一個(gè)具有集成性、并行工程的網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)工作室工作人員，可以在不同的地點(diǎn)、不同時(shí)間、不同場合進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)話，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有能力提供大量的數(shù)字化三維模型，對(duì)分析、研究、建立生產(chǎn)裝配線、工藝流程、原材料品種和消耗、工廠費(fèi)用和成本等，通過檢測(cè)，最終選定一套最佳的工廠設(shè)計(jì)方案［３］。

同時(shí)，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)、工程技術(shù)人員、經(jīng)銷商、供應(yīng)商等，還可在該虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，共同探討各種產(chǎn)品的性能與市場前景，以便生產(chǎn)出用戶滿意的汽車產(chǎn)品，并且有關(guān)產(chǎn)品的供貨合同、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、儲(chǔ)運(yùn)等問題，都可以一并解決。

3.3供、銷商介入汽車生產(chǎn)。

以前，每當(dāng)設(shè)計(jì)新車型時(shí)，經(jīng)常會(huì)因一些技術(shù)參數(shù)的更改而與零部件供應(yīng)商進(jìn)行反復(fù)溝通與協(xié)商，而這些溝通與協(xié)商幾乎都是以郵件、傳真等方式進(jìn)行的，很不方便。但在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境中，主機(jī)廠工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)新車型時(shí)，可要求主要零部件供應(yīng)商將擬采用的零部件數(shù)據(jù)以CAD及CAS的方式輸入主機(jī)廠的數(shù)據(jù)庫，并讓它們進(jìn)入主機(jī)廠的開發(fā)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)主機(jī)廠修改設(shè)計(jì)方案時(shí)，與之配套的零部件也將實(shí)時(shí)進(jìn)行修改，不必與供應(yīng)商反復(fù)溝通與協(xié)商。

4.結(jié)語

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正滲入到汽車工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，它不僅為汽車設(shè)計(jì)開發(fā)人員創(chuàng)造了更為寬松自由的工作環(huán)境，而且從根本上動(dòng)搖了一些曾被視為經(jīng)典的汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)理論和指導(dǎo)原則。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)被普遍認(rèn)為是下一代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要技術(shù)，它的推廣和應(yīng)用將使汽車工業(yè)的思維模式、開發(fā)方式、部件供應(yīng)、組織形式、市場競爭等方面產(chǎn)生全方位的創(chuàng)新和變革。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的未來發(fā)展中，虛擬汽車和真實(shí)汽車之間的界線將會(huì)變得越來越模糊。

參考文獻(xiàn)：

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