虛擬現實技術在汽車設計中的應用

趙奕瑋 付冬偉

【摘 要】概述了汽車設計方法的發展歷程，對虛擬現實技術進行了介紹，并進一步論述了虛擬現 實技術在汽車總體設計中的廣泛應用，指出了利用虛擬現實技術進行汽車設計的廣闊前景。

【關鍵詞】汽車；總體設計；虛擬現實

一、前言

汽車是 CAD技術應用最早的行業領域之一。現今已在一定程度上廣泛使用的 CAD技術相對于 傳統的經驗設計已引起了汽車設計方法的深刻變 革，使其設計進程加快，設計質量也得到了提高。然 而，在汽車設計中，尤其是在設計的早期階段，設計 者往往要對大量的設計方案進行篩選和評估，而現 行的 CAD系統大部分采用標準的鍵盤和鼠標作為 輸入設備，對使用者提出了很高的專業技能要求，很 難實現流暢的人機交互，從而限制了設計者的創造 性思維。同時其操作的復雜性也使設計師無法在短 時間內對眾多的設計方案進行考察。虛擬現實技術（V R）是一門涉及計算機、傳感與 測量、仿真、微電子等技術的綜合集成技術，近年來 逐漸興起并迅速發展。利用虛擬現實技術提供的語 音識別和手勢等輸入設備，以及立體視覺、聲音、觸 覺等反饋系統，可以實現設計者和設計對象的多感 知交互，極大地節省了用于形狀描述和尺寸精確定 義的時間，為各類工程的大規模數據可視化提供了 新的描述方法，從而縮短了產品開發時間，降低了開 發費用，有利于實現汽車車型的快速設計與開發，這 必將引起汽車設計方法上的又一次深刻變革。

二、虛擬現實系技術汽車工業中的應用

虛擬現實（Virtual Reality，縮寫為 VR）是通過計算機來構 建一個虛擬的三維空間，用戶可以在這個三維的虛擬空間中 進行一定的體驗與感知，進而獲得一種與外界真實空間相類 似的“沉浸感”。虛擬現實技術與很多技術之間都有著緊密的 聯系，如：三維建模技術、圖形顯示技術、傳感技術以及人工智 能技術等。與傳統的人機交互系統不同，虛擬現實技術是通過 數據庫構建逼真的三維場景模型，并對虛擬場景中的對象添 加一定的模塊進行處理，進而使用戶可以“身臨其境”的感知 這個逼真的三維世界，并獲得真實的人機交互體驗的技術。虛 擬現實技術使人們對人機交互技術有了嶄新的定義，對人機 交互技術的發展具有里程碑式的意義。隨著虛擬現實技術的 不斷發展，人們不斷拓展著虛擬現實技術的應用范圍。虛擬現 實技術已經在越來越多的領域得到了應用，

2.1整車虛擬裝配。

虛擬裝配技術主要是在產品生產過程中，通過虛擬現實技術建立汽車三維模型，能夠非常準確的反 映汽車各個部件的安裝關系，以及整車設計情況。并可以將各 個部件的數據直接保存進入數據庫，方便新車型的設計與開 發。通過應用 3D 技術對零部件以及汽車其他部分進行虛擬 裝配分析，進而尋找設計裝配時的缺陷以及設計問題。在虛擬 裝配的過程中，首先需要對整個裝配的流程進行總體的規劃，并對裝配方案以及夾具等裝配件進行設計與工藝流程分析。最初階段，由于技術條件的限制，汽車產品以及零部件在裝配 過程中只能通過一些小的幾何模型來模擬評估，這樣就不能 充分體現產品的裝配效果，使裝配過程產生一定的誤差。進而 導致新車型汽車的研發周期變長，大大提高了開發成本。虛擬 現實技術的出現很好的解決了汽車零部件的裝配設計問題。通過建立“沉浸式”的虛擬操作空間，設計者可以在虛擬環境 中對零件進行虛擬裝配操作。運用虛擬現實的技術平臺，工作 人員可以完全真實的對各個零部件進行仿真裝配操作。通過 這種方法來發現裝配設計中的不足，進而設計出更加科學實 用的裝配方案，縮短裝配方案的設計周期。

2.2車身空氣動力學分析。

車身造型是決定整車空氣動力 學特征的重要因素。另外整車的操縱穩定性和燃油經濟性也 與整車的空氣動力學特征有著密切的聯系。汽車的空氣動力 學特征主要是通過風洞試驗來測試完成的。通過觀察在風洞 試驗場中油泥模型表面的變化，或者空氣流場來確定樣車的 空氣動力學特征。但是風洞試驗仍然存在一些問題，如：油泥 模型與樣車實物之間尺寸不同、等比例的油泥模型需要大尺 寸的風洞以及車身的設計造型需要更改時，必須重新制作新 的油泥模型，重新進行風洞試驗等。通過虛擬現實系統來模擬虛擬風洞，工作人員可以通過 專用的虛擬現實三維顯示頭盔，真實的觀察到虛擬風洞中的 空氣流場，并且自身并不會對流場情況產生干擾。將繪制完成 的整車三維模型導入到虛擬現實的風洞中，工作人員就可以 全方位的觀察車身的空氣動力學性能，進而發現設計中的不足。對其進行更加科學的改進，可以極大縮短車身設計周期，并且使其空氣動力學性能更加良好。

2.3車輛運動仿真

虛擬現實技術可以通過立體的三維圖像形式將車輛的運動仿真結果真實的展現出來。試驗人員可 以通過虛擬現實技術中的交互功能更改某些車輛的具體參 數，使人們能夠對不同工況下的車輛運動情況進行多次仿真 分析，讓人們能夠更加準確地了解車輛的運動行駛情況。車輛 的運動仿真一般用在汽車設計開發以及汽車交通事故的動態 模擬。在交通事故的模擬再現過程中，交通事故處理部門通過 虛擬現實環境下的動態三維模型的模擬仿真，來對分析事故 發生原因，判斷事故責任。由于現實中車輛的外形不同，需要 根據不同車型建立相應的三維演示模型。虛擬現實技術的核 心就是建模與仿真，動畫模擬系統的核心功能是對交通事故 中車輛、行人、道路、天氣等元素進行三維建模，然后對模型的控制來對交通事故的場景進行仿真。當車輛在虛擬環境 中運動時，要產生真實的兩車碰撞場景，必須對參與碰撞的車 輛進行實時的碰撞檢測和響應。

2.4車輛性能模擬評估。

車輛性能評估將成為虛擬現實技 術應用的新方向。車輛操縱穩定性的評定一般是通過對實車 參數進行測試的方法來進行評估，然后再通過一些理論的分 析與計算來加以調整。但是這種方法存在很多的弊端，首先 由于測量儀器，測試道路，天氣等原因導致試驗的重復性差，需要花費很長的時間才能夠獲得較為準確的測量數據，另一 方面測量數據中存在一些系統性的誤差，無法直接通過理論 分析計算的方法對整車的操縱穩定性進行提高。因此，車輛 性能評估需要花費大量人力物力，而且增大研發周期。虛擬 現實技術能夠極大的促進車輛性能評估技術的發展。工作人 員可以將車輛的基本參數模型導入到虛擬現實的試驗環境 中，通過駕駛員沉浸式的模擬駕駛，來采集較為準確的不同工 況下的汽車振動、噪聲以及側向傾斜等基本數據。并且試驗得 到的數據較為準確且試驗本真的可重復性較好。這樣能夠較 早地發現汽車前期設計中的缺陷和不足，盡早做到優化調整。

三、結語

虛擬現實技術是將多種先進技術進行融合的一種嶄新技 術，它的應用潛力非常巨大。隨著虛擬現實技術的不斷成熟，汽車工業會不斷與這種新技術相融合，使其應用面不斷拓展。如汽車的虛擬設計、汽車虛擬裝配以及汽車虛擬實驗等。虛擬 現實技術在汽車工業上的應用將打破那些傳統的汽車設計思 維，為汽車工業整個流程帶來一場變革。虛擬現實技術將會使 虛擬現實中的汽車變得越來越真實。

參考文獻：

[1]趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學（F 輯：信息科學），2016.

[2]許微.虛擬現實技術的國內外研究現狀與發展[J].現代商貿工業，2016.

（作者單位：長城汽車股份有限公司）