虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢

曹競瑋　金瑋　邢亞鋼

[摘要]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在上世紀(jì)下半葉發(fā)展起來的新型信息技術(shù)，許多國家將其運(yùn)用于制造工業(yè)中，體現(xiàn)出傳統(tǒng)制造業(yè)技術(shù)無法比擬的先進(jìn)性和優(yōu)越性。本文詳述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，并討論其在汽車工業(yè)中設(shè)計(jì)、裝配、實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域的運(yùn)用，簡要分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展前景。結(jié)合我國實(shí)際情況，得出該技術(shù)能促進(jìn)我國汽車制造業(yè)的蓬勃發(fā)辰的結(jié)論。

[關(guān)鍵詞]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 發(fā)展前景 汽車工業(yè)

[中圖分類號]TP391

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1672-5158（2013）05-0230-01 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述 虛擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是信息技術(shù)最關(guān)鍵的三個(gè)組成部分，是21世紀(jì)科技的三大核心技術(shù)。自1962年美國Morton Heilig研制了街道虛擬器這樣的早期VR技術(shù)產(chǎn)品以來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Realty Technology，VRT）作為虛擬技術(shù)的重要分支，具有非凡的先進(jìn)性和創(chuàng)造性，在近幾十年內(nèi)蓬勃發(fā)展，體現(xiàn)出了未來良好的發(fā)展前景。

VRT是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真、人機(jī)接口、多媒體以及傳感器等技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門交叉學(xué)科.VRT利用計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)來產(chǎn)生逼真的視、聽、觸、力等三維感覺環(huán)境，通過多通道用戶界面，綜合運(yùn)用視覺、語音、手勢等新的交互通道、設(shè)備和交互技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境中的對象的自然、并行、協(xié)作的人機(jī)交互。VRT產(chǎn)生的身臨其境的交互式仿真充分體現(xiàn)了其“3I”特征，即沉浸感、交互性、想象性。這些優(yōu)勢都說明了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造工業(yè)中具有巨大的應(yīng)用潛力。近年來許多國家在虛擬制造領(lǐng)域開展了研究與應(yīng)用，主要包括產(chǎn)品外形虛擬設(shè)計(jì)、產(chǎn)品布局的虛擬設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真、熱加工工藝模擬、加工過程仿真、產(chǎn)品裝配仿真、虛擬樣機(jī)與產(chǎn)品工作性能評測、企業(yè)生產(chǎn)過程仿真與優(yōu)化和虛擬企業(yè)的可合作性仿真與優(yōu)化等方面。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、性能測試的過程中，克服了傳統(tǒng)的文本和二維工程圖紙單一且臨場感較差等缺點(diǎn)，極大地提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次性成功率，節(jié)約了時(shí)間，提高了產(chǎn)品競爭力，避免了開發(fā)實(shí)際產(chǎn)品以及實(shí)地性能檢測帶來的高昂的費(fèi)用。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用

汽車工業(yè)相當(dāng)發(fā)達(dá)的國家，尤其以美日德為代表，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于汽車的設(shè)計(jì)、制造、性能測試中，獲得性能成本質(zhì)量的最佳組合，保證了在汽車行業(yè)的絕對競爭力。與此同時(shí)降低了汽車設(shè)計(jì)的成本，提高了效率。

1.1虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)

目前所采用的虛擬技術(shù)引入CAD環(huán)境，將便于模擬新產(chǎn)品開發(fā)過程中的一些性能，便于設(shè)計(jì)人員對產(chǎn)品的修改。設(shè)計(jì)人員也可以利用VRCAD系統(tǒng)，直接在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)與修改。在對汽車的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員在交互環(huán)境的設(shè)計(jì)環(huán)境中，利用頭盔顯示器、具有反饋功能的數(shù)據(jù)手套、操縱桿、立體鼠標(biāo)燈裝置，將視覺、聽覺、觸覺與虛擬概念概念產(chǎn)品模型相連。在此過程中，不僅進(jìn)行虛擬的合作，產(chǎn)生身臨其境的感覺，而且可以實(shí)時(shí)地對虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程進(jìn)行檢查、評估、實(shí)地解決設(shè)計(jì)中的決策問題，使得設(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)人員對虛擬設(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。

1.2虛擬裝配技術(shù)

對于汽車的零部件的設(shè)計(jì)可以通過CAD等軟件得以實(shí)現(xiàn)，但是在現(xiàn)今大多數(shù)的汽車制造廠中，裝配環(huán)節(jié)絕大部分都是靠實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)去實(shí)現(xiàn)，很多設(shè)計(jì)問題只有在裝配的過程中才得以發(fā)現(xiàn)，而這往往會付出慘重的代價(jià)和昂貴的學(xué)費(fèi)，也勢必會使得汽車制造廠的利潤下降和阻礙企業(yè)的發(fā)展。虛擬裝配技術(shù)在此種『青況下應(yīng)運(yùn)而生。在虛擬的裝配環(huán)境中，設(shè)計(jì)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(dòng)檢測裝配狀態(tài)。通過相關(guān)設(shè)備輔助，實(shí)現(xiàn)對虛擬場景中零件的抓取、移動(dòng)、裝配等動(dòng)作，大大地提高了設(shè)計(jì)人員的主動(dòng)性、創(chuàng)造性。在虛擬環(huán)境中出現(xiàn)了裝配問題，可以在計(jì)算機(jī)中更改模型并重新生成，自動(dòng)更新裝配圖，切實(shí)有效地提高了實(shí)地的裝配成功率，縮短了周期，降低了生產(chǎn)成本。

1.3虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)

汽車虛擬實(shí)驗(yàn)就是把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于對汽車的實(shí)驗(yàn)研究中，通過交互改變車輛參數(shù)、道路狀況、駕駛控制等實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)，虛擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)，通過現(xiàn)代計(jì)算機(jī)分析得出運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，方便研究人員了解實(shí)驗(yàn)全過程，以及假設(shè)、驗(yàn)證理論的正確性。

汽車操縱穩(wěn)定性是一個(gè)典型虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的例子。在建立虛擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以獲得方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)傾角和側(cè)向加速度等能體現(xiàn)操縱穩(wěn)定性的要特征參數(shù)。同時(shí)配合單移線實(shí)驗(yàn)的場景來動(dòng)態(tài)觀察車輛本身以及參數(shù)的變化。虛擬儀表的設(shè)置，讓實(shí)驗(yàn)者更加精確的知道汽車運(yùn)行中的參數(shù)的變化。在加強(qiáng)場景的沉浸感方面，開發(fā)了雙視口的立體場景顯示效果。在此實(shí)驗(yàn)中，綜合不同工況對車輛性能進(jìn)行了虛擬檢驗(yàn)。

國內(nèi)在汽車方面虛擬實(shí)驗(yàn)較為成功的有吉林大學(xué)的對汽車防抱制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）混合仿真實(shí)驗(yàn)。建立了用于硬件在環(huán)仿真的車輛模型、ABS液壓系統(tǒng)模型等，并進(jìn)行了硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)。將ABS實(shí)際部件嵌入到軟件環(huán)境中進(jìn)行混合仿真，大大地?cái)U(kuò)展了軟件仿真的功能。為ABS的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)提供了平臺。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是上世紀(jì)80年代才興起的一門綜合性信息技術(shù)，遠(yuǎn)沒有達(dá)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(xiàn)實(shí)技術(shù)將滲透到信息系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域，改變?nèi)藱C(jī)交互方式。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也大大滿足了以用戶為主體的要求。21世紀(jì)儼然是一個(gè)信息時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)已經(jīng)十分普及，都已經(jīng)融人了人們的生活、工作和學(xué)習(xí)中。這都必將促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的蓬勃發(fā)展。

與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)圖像壓縮技術(shù)與現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及相應(yīng)現(xiàn)實(shí)硬件的日趨完善，我們可以預(yù)測未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，這種動(dòng)向可以分為兩個(gè)方向。一方面是朝著桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展，尤其以商業(yè)領(lǐng)域。許多大型公司開發(fā)桌面級虛擬現(xiàn)實(shí)來展示教育培訓(xùn)以及仿真實(shí)驗(yàn)等。另一方面是朝著高性能沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展。可以用于很多高科技領(lǐng)域，例如航空軍事訓(xùn)練，模擬實(shí)驗(yàn)等，由于某種特殊性以及追求方便和利潤，擇優(yōu)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。目前國內(nèi)外已經(jīng)建成了許多商性能的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)。

3.結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，其優(yōu)越性及其頑強(qiáng)的適應(yīng)能力都使得人們不斷地發(fā)展新技術(shù)，促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展。21世紀(jì)是一個(gè)信息時(shí)代，知識就是力量這個(gè)真理得到了十足的驗(yàn)證。我國已經(jīng)改革開放三十多年，整個(gè)社會正處于轉(zhuǎn)型和發(fā)展的新時(shí)期，汽車行業(yè)作為我國制造業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，其面臨著諸多挑戰(zhàn)和機(jī)遇。國際汽車市場的風(fēng)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(jìn)的設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)技術(shù)，縮短設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，降低實(shí)驗(yàn)成本，提高汽車產(chǎn)業(yè)的競爭能力和綜合經(jīng)濟(jì)效益。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是這樣一種能促使我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，其發(fā)展?jié)摿Σ豢晒懒俊?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]縣小平.虛擬現(xiàn)實(shí)概述與發(fā)展趨勢.福建電腦，2008.3

[2]熊堅(jiān)，曾紀(jì)國，宋健，汽車操縱穩(wěn)定性虛擬仿真的研究.汽車工程，2002