虛擬現實技術在汽車工業中的應用及其發展趨勢

曹競瑋　金瑋　邢亞鋼

[摘要]虛擬現實技術是在上世紀下半葉發展起來的新型信息技術，許多國家將其運用于制造工業中，體現出傳統制造業技術無法比擬的先進性和優越性。本文詳述虛擬現實技術的發展，并討論其在汽車工業中設計、裝配、實驗等領域的運用，簡要分析虛擬現實技術的發展前景。結合我國實際情況，得出該技術能促進我國汽車制造業的蓬勃發辰的結論。

[關鍵詞]虛擬現實技術 發展前景 汽車工業

[中圖分類號]TP391

[文獻標識碼]A

[文章編號]1672-5158（2013）05-0230-01 虛擬現實技術概述 虛擬技術、計算機通訊技術與網絡技術是信息技術最關鍵的三個組成部分，是21世紀科技的三大核心技術。自1962年美國Morton Heilig研制了街道虛擬器這樣的早期VR技術產品以來，虛擬現實技術（Virtual Realty Technology，VRT）作為虛擬技術的重要分支，具有非凡的先進性和創造性，在近幾十年內蓬勃發展，體現出了未來良好的發展前景。

VRT是在計算機圖形學、計算機仿真、人機接口、多媒體以及傳感器等技術的基礎上發展起來的一門交叉學科.VRT利用計算機和電子技術來產生逼真的視、聽、觸、力等三維感覺環境，通過多通道用戶界面，綜合運用視覺、語音、手勢等新的交互通道、設備和交互技術，以實現用戶與虛擬環境中的對象的自然、并行、協作的人機交互。VRT產生的身臨其境的交互式仿真充分體現了其“3I”特征，即沉浸感、交互性、想象性。這些優勢都說明了虛擬現實技術在制造工業中具有巨大的應用潛力。近年來許多國家在虛擬制造領域開展了研究與應用，主要包括產品外形虛擬設計、產品布局的虛擬設計、產品的運動和動力學仿真、熱加工工藝模擬、加工過程仿真、產品裝配仿真、虛擬樣機與產品工作性能評測、企業生產過程仿真與優化和虛擬企業的可合作性仿真與優化等方面。在產品的設計、制造、性能測試的過程中，克服了傳統的文本和二維工程圖紙單一且臨場感較差等缺點，極大地提高了產品設計的一次性成功率，節約了時間，提高了產品競爭力，避免了開發實際產品以及實地性能檢測帶來的高昂的費用。

1.虛擬現實技術在汽車行業的應用

汽車工業相當發達的國家，尤其以美日德為代表，將虛擬現實技術運用于汽車的設計、制造、性能測試中，獲得性能成本質量的最佳組合，保證了在汽車行業的絕對競爭力。與此同時降低了汽車設計的成本，提高了效率。

1.1虛擬設計技術

目前所采用的虛擬技術引入CAD環境，將便于模擬新產品開發過程中的一些性能，便于設計人員對產品的修改。設計人員也可以利用VRCAD系統，直接在虛擬環境中進行設計與修改。在對汽車的設計過程中，設計人員在交互環境的設計環境中，利用頭盔顯示器、具有反饋功能的數據手套、操縱桿、立體鼠標燈裝置，將視覺、聽覺、觸覺與虛擬概念概念產品模型相連。在此過程中，不僅進行虛擬的合作，產生身臨其境的感覺，而且可以實時地對虛擬產品設計過程進行檢查、評估、實地解決設計中的決策問題，使得設計思想得到綜合。在交互性的虛擬環境快速成型設備上，設計人員對虛擬設計模型的直接設計，提高了設計人員積極性與創造性。

1.2虛擬裝配技術

對于汽車的零部件的設計可以通過CAD等軟件得以實現，但是在現今大多數的汽車制造廠中，裝配環節絕大部分都是靠實際的經驗去實現，很多設計問題只有在裝配的過程中才得以發現，而這往往會付出慘重的代價和昂貴的學費，也勢必會使得汽車制造廠的利潤下降和阻礙企業的發展。虛擬裝配技術在此種『青況下應運而生。在虛擬的裝配環境中，設計人員可以檢查各零件之間的裝配間隙和干涉，通過程序自動檢測裝配狀態。通過相關設備輔助，實現對虛擬場景中零件的抓取、移動、裝配等動作，大大地提高了設計人員的主動性、創造性。在虛擬環境中出現了裝配問題，可以在計算機中更改模型并重新生成，自動更新裝配圖，切實有效地提高了實地的裝配成功率，縮短了周期，降低了生產成本。

1.3虛擬實驗技術

汽車虛擬實驗就是把虛擬現實技術用于對汽車的實驗研究中，通過交互改變車輛參數、道路狀況、駕駛控制等實驗條件和參數，虛擬真實實驗，通過現代計算機分析得出運動數據，方便研究人員了解實驗全過程，以及假設、驗證理論的正確性。

汽車操縱穩定性是一個典型虛擬現實實驗的例子。在建立虛擬系統的基礎上，可以獲得方向盤轉角、橫擺角速度、側傾角和側向加速度等能體現操縱穩定性的要特征參數。同時配合單移線實驗的場景來動態觀察車輛本身以及參數的變化。虛擬儀表的設置，讓實驗者更加精確的知道汽車運行中的參數的變化。在加強場景的沉浸感方面，開發了雙視口的立體場景顯示效果。在此實驗中，綜合不同工況對車輛性能進行了虛擬檢驗。

國內在汽車方面虛擬實驗較為成功的有吉林大學的對汽車防抱制動系統（ABS）混合仿真實驗。建立了用于硬件在環仿真的車輛模型、ABS液壓系統模型等，并進行了硬件在環仿真實驗。將ABS實際部件嵌入到軟件環境中進行混合仿真，大大地擴展了軟件仿真的功能。為ABS的開發和實驗提供了平臺。

2.虛擬現實技術的發展趨勢

虛擬現實技術是上世紀80年代才興起的一門綜合性信息技術，遠沒有達到成熟的階段，但是其驚人的生命力，讓人們毋庸置疑在不久的將來，虛擬現實技術將滲透到信息系統的各個領域，改變人機交互方式。虛擬現實技術也大大滿足了以用戶為主體的要求。21世紀儼然是一個信息時代，網絡與計算機已經十分普及，都已經融人了人們的生活、工作和學習中。這都必將促進虛擬現實技術的蓬勃發展。

與此同時，計算機圖像壓縮技術與現實技術的不斷進步以及相應現實硬件的日趨完善，我們可以預測未來虛擬現實技術的發展動向，這種動向可以分為兩個方向。一方面是朝著桌面級虛擬現實發展，尤其以商業領域。許多大型公司開發桌面級虛擬現實來展示教育培訓以及仿真實驗等。另一方面是朝著高性能沉浸式虛擬現實發展。可以用于很多高科技領域，例如航空軍事訓練，模擬實驗等，由于某種特殊性以及追求方便和利潤，擇優進行仿真實驗。目前國內外已經建成了許多商性能的沉浸式虛擬現實仿真系統。

3.結束語

虛擬現實技術經過幾十年的發展，已經取得了長足的進步，其優越性及其頑強的適應能力都使得人們不斷地發展新技術，促進虛擬現實技術的發展。21世紀是一個信息時代，知識就是力量這個真理得到了十足的驗證。我國已經改革開放三十多年，整個社會正處于轉型和發展的新時期，汽車行業作為我國制造業的支柱產業，其面臨著諸多挑戰和機遇。國際汽車市場的風雨變幻讓人捉摸不透，要在競爭激烈的市場中立于不敗之地，必須要依靠先進的設計、制造、實驗技術，縮短設計和生產周期，降低實驗成本，提高汽車產業的競爭能力和綜合經濟效益。虛擬現實技術就是這樣一種能促使我國汽車產業發展的一項技術，其發展潛力不可估量。

參考文獻

[1]縣小平.虛擬現實概述與發展趨勢.福建電腦，2008.3

[2]熊堅，曾紀國，宋健，汽車操縱穩定性虛擬仿真的研究.汽車工程，2002