汽車(chē)裝配線三維仿真中的動(dòng)力學(xué)模擬關(guān)鍵技術(shù)研究

謝江甜　巫濱　張思琪

摘? 要：三維虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，不僅在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域刷新實(shí)時(shí)渲染的逼真度，對(duì)于真實(shí)世界物理特性的仿真度也在不斷提升;在新能源汽車(chē)裝配線的方案規(guī)劃階段，綜合運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)引擎提供的物理模擬技術(shù)，部署三維場(chǎng)景對(duì)象相應(yīng)的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)屬性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝配線運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的物理特性模擬仿真。動(dòng)力學(xué)模擬參數(shù)的設(shè)置，需要在仿真過(guò)程中檢測(cè)并逐步優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)階段對(duì)規(guī)劃方案的高度可感知和可驗(yàn)證性。

關(guān)鍵詞：三維虛擬現(xiàn)實(shí);物理屬性;動(dòng)力學(xué)仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9;U467.1+3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）05-0141-04

Research on Key Technology of Dynamic 3D Simulation of Automobile Assembly Line

XIE Jiangtian，WU Bin，ZHANG Siqi

（School of Art & Design，Henan University of Science & Technology，Luoyang? 471000，China）

Abstract：The rapid development of 3D virtual simulation technology not only refreshes the fidelity of real-time rendering in the field of computer vision，but also improves the simulation of real-world physical characteristics. In the scheme planning stage of new energy vehicle assembly line，the physical simulation technology provided by virtual reality is combined to deploy the corresponding dynamic attributes of 3D scene objects The physical characteristics of the whole assembly line are simulated. The setting of dynamic simulation parameters needs to be detected and optimized in the process of simulation，so as to realize the highly perceptible and verifiable planning scheme in the early design stage.

Keywords：3D virtual reality;physical properties;dynamic simulation

0? 引? 言

在國(guó)務(wù)院“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略和全面發(fā)展新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)及配套市場(chǎng)的大背景下，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的制造研發(fā)銷(xiāo)售各環(huán)節(jié)都處于井噴式發(fā)展階段。人工智能、物聯(lián)網(wǎng)以及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的革新發(fā)展為新能源汽車(chē)的普及開(kāi)辟了巨大的市場(chǎng)空間，尤其是三維虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)的汽車(chē)設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)帶來(lái)了革命性的進(jìn)步。

在汽車(chē)裝配制造環(huán)節(jié)運(yùn)用虛擬仿真，可以更高效地模擬出裝配線設(shè)計(jì)方案的運(yùn)行狀態(tài)、幫助設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)方案的快速迭代。本研究基于新能源汽車(chē)個(gè)性化定制裝配線的設(shè)計(jì)需求，在方案論證階段運(yùn)用基于物理引擎的三維虛擬仿真手段，開(kāi)發(fā)了汽車(chē)裝配線三維虛擬仿真系統(tǒng)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)模塊的綜合調(diào)適，對(duì)三維裝配場(chǎng)景的各項(xiàng)物理學(xué)屬性進(jìn)行了模擬測(cè)試，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在裝配線方案設(shè)計(jì)初期實(shí)現(xiàn)了可驗(yàn)證性的最大化。

1? 新能源汽車(chē)裝配線虛擬仿真分析

汽車(chē)裝配方案的設(shè)計(jì)仿真，需要綜合考慮車(chē)型、市場(chǎng)、客戶(hù)需求等多方面因素，才能確保仿真測(cè)試的有效性。新能源汽車(chē)市場(chǎng)相對(duì)于傳統(tǒng)而言，除了在動(dòng)力等方面的技術(shù)變革以外，用戶(hù)的個(gè)性化定制、車(chē)型的多樣化需求，也成為了當(dāng)前車(chē)市的發(fā)展方向。島式裝配方案相比于傳統(tǒng)的流水線式裝配，具有裝配方案彈性大，方案調(diào)整成本低、效率高的優(yōu)勢(shì)。島式裝配模式中，調(diào)整AGV短途物流輸送車(chē)的運(yùn)行路線，穿過(guò)不同的裝配島，可實(shí)現(xiàn)不同配置的車(chē)型組裝。具體到裝配系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)中，涉及以下具體要素。

1.1? 主從驅(qū)動(dòng)關(guān)系

在三維虛擬仿真場(chǎng)景中，要真實(shí)地還原上述關(guān)系，需要解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：

（1）明確各部件裝配島在安裝序列中的層級(jí)關(guān)系。各裝配島的坐標(biāo)參數(shù)中，設(shè)置層級(jí)標(biāo)簽。當(dāng)對(duì)裝配序列進(jìn)行調(diào)整時(shí)，各裝配島在自身所處的層級(jí)內(nèi)移動(dòng)，不打亂整車(chē)中各個(gè)部件模組的總裝配次序。

（2）三維仿真場(chǎng)地中同時(shí)行駛著大量的AGV物流車(chē)，有些是單車(chē)運(yùn)行（裝配件在島內(nèi)存放），有些則是AGV列車(chē)（裝配件隨車(chē)底盤(pán)運(yùn)送至相應(yīng)裝配島）。對(duì)于后者，需要建立前后車(chē)的主從邏輯，保證入島/出島/島間的跟隨關(guān)系。

（3）虛擬仿真情境中，汽車(chē)底盤(pán)傳動(dòng)系統(tǒng)各組件之間的主/從驅(qū)動(dòng)關(guān)系要符合物理學(xué)規(guī)律。通過(guò)設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳遞的方向和路徑，在虛擬場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)主/從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系同步。

1.2? 時(shí)空運(yùn)動(dòng)關(guān)系

在虛擬仿真場(chǎng)景中，裝配線上各要素的空間位置關(guān)系，是仿真檢驗(yàn)的重要內(nèi)容。通過(guò)三維實(shí)景還原設(shè)計(jì)布局方案：裝配島、AGV物流車(chē)、新能源汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)和工位機(jī)器人等裝配線上的元素，都基于實(shí)物尺寸建立三維數(shù)字模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)各個(gè)裝配島的空間布局，規(guī)劃AGV物流車(chē)的穿行路徑。結(jié)合實(shí)際尺寸數(shù)據(jù)的三維仿真模擬，在裝配方案布局的可行性驗(yàn)證方面，可實(shí)現(xiàn)完全的仿真評(píng)估，驗(yàn)證并排除設(shè)計(jì)方案在空間布局中的問(wèn)題。

在虛擬三維裝配場(chǎng)景中，除了進(jìn)行靜態(tài)布局的論證，同時(shí)還模擬了整個(gè)島式裝配體系的工作運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行狀態(tài)由于加入時(shí)序變量，各個(gè)裝配島的單位工作時(shí)間、AGV物流車(chē)的入島/在島/出島/島間行駛時(shí)間、公共區(qū)域路徑軌道上不同AGV的行駛時(shí)段分配等因素都可以在實(shí)時(shí)運(yùn)行動(dòng)畫(huà)演示中進(jìn)行預(yù)覽和分析，如圖1所示，幫助用戶(hù)發(fā)現(xiàn)AGV物流網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的時(shí)空沖突區(qū)域，優(yōu)化整個(gè)物流網(wǎng)絡(luò)和各個(gè)裝配島節(jié)點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)路線圖。

1.3? 裝配邏輯

虛擬仿真裝配場(chǎng)景不僅用于測(cè)試裝配線的時(shí)空布局和視覺(jué)形態(tài)，更重要的是對(duì)整車(chē)裝配流程中各環(huán)節(jié)裝配邏輯進(jìn)行分析驗(yàn)證。在課題研究中，整車(chē)的裝配流程拆分為內(nèi)飾、底盤(pán)、最終線幾大模塊，在裝配島陣列中依次排布。在各個(gè)模塊中對(duì)裝配島的功能進(jìn)一步細(xì)分：內(nèi)飾模塊依次包括儀表板、座椅、前后風(fēng)擋、天窗等功能島;底盤(pán)模塊依次包括電動(dòng)機(jī)及電池組、傳動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)輪等功能島;最終線依次包括運(yùn)行測(cè)試、整車(chē)下線檢測(cè)等功能島。整車(chē)裝配邏輯自上而下涵蓋了車(chē)身、底盤(pán)、傳動(dòng)系統(tǒng)、內(nèi)外飾、電控系統(tǒng)、電池組等的安裝、檢測(cè)和運(yùn)轉(zhuǎn)次序。在虛擬仿真情境下，通過(guò)物理碰撞檢測(cè)，可以測(cè)試各部件安裝次序的合理性;通過(guò)對(duì)部件設(shè)置功能運(yùn)轉(zhuǎn)的輸入條件/輸出條件標(biāo)簽，可以測(cè)試各組件測(cè)試次序的合理性。

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，裝配邏輯的模擬需要對(duì)各車(chē)身組件的三維數(shù)字模型添加相應(yīng)屬性的標(biāo)簽，并根據(jù)組件之間的動(dòng)力、電力、空間定位鏈條的輸入/輸出關(guān)系，設(shè)置各環(huán)節(jié)的觸發(fā)條件和觸發(fā)標(biāo)記，從而實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)情境下對(duì)整車(chē)裝配邏輯的復(fù)現(xiàn)。

2? 裝配方案模擬的動(dòng)力學(xué)組合方案

在三維虛擬仿真引擎中，視覺(jué)空間的模擬是一方面，另一方面則是物理屬性的模擬測(cè)試。在虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)模塊，可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)裝配過(guò)程中運(yùn)動(dòng)約束、剛體碰撞、視野追蹤等物理屬性的仿真檢測(cè)。

2.1? 運(yùn)動(dòng)鏈接（父子關(guān)系）

島式裝配體系中，AGV物流車(chē)承擔(dān)了各個(gè)島之間的運(yùn)輸工作。其中，車(chē)門(mén)裝配島、底盤(pán)合裝島等環(huán)節(jié)，需要裝配的組件由物料AGV車(chē)運(yùn)載，跟隨車(chē)身主體AGV進(jìn)入相應(yīng)裝配島，兩者形成拖掛車(chē)組;此外，在各裝配島之間，物流車(chē)組常以拖掛序列方式輸送配件。

在裝配線的虛擬仿真場(chǎng)景中，AGV拖掛車(chē)組中各單元之間是以動(dòng)力學(xué)模塊MassFX中的hinge鉸鏈對(duì)象進(jìn)行綁定，如圖2所示，該對(duì)象限制了兩端對(duì)象X/Y/Z軸向的相對(duì)移動(dòng)以及X/Y軸向的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，在模擬過(guò)程中，相鄰兩節(jié)AGV可作Z軸向相對(duì)旋轉(zhuǎn)。

2.2? 路徑約束

在整車(chē)裝配場(chǎng)景中，AGV物流車(chē)均為無(wú)人駕駛車(chē)輛，基于機(jī)器視覺(jué)引導(dǎo)或者磁場(chǎng)信標(biāo)引導(dǎo)自動(dòng)行駛，其行駛嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)運(yùn)行圖中的軌跡和時(shí)序。

虛擬仿真場(chǎng)景中，采用了動(dòng)力學(xué)模塊MassFX中的Path Restraint路徑約束，來(lái)實(shí)現(xiàn)AGV物流車(chē)按軌跡運(yùn)行。在繪制運(yùn)行軌跡時(shí)，按照裝配島的分部，對(duì)路徑進(jìn)行分段標(biāo)記，再將各段的標(biāo)簽進(jìn)行組合，定義出各不同車(chē)型裝配方案中AGV車(chē)的行駛軌跡。

設(shè)置Path Restraint路徑約束時(shí)，起點(diǎn)-終點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)區(qū)間0～100%。在VR引擎中，可以設(shè)置路徑上各個(gè)區(qū)段的權(quán)重，并將權(quán)重屬性映射為AGV物流車(chē)行駛的實(shí)時(shí)速度，這樣在整個(gè)裝配體系實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程中，可以測(cè)試并調(diào)整AGV物流車(chē)運(yùn)行圖的有效性。

2.3? 剛體碰撞

對(duì)汽車(chē)裝配線進(jìn)行虛擬仿真時(shí)，為了測(cè)試物流系統(tǒng)是否存在布局沖突的情況，需要開(kāi)啟三維場(chǎng)景中對(duì)象的剛體碰撞檢測(cè)（rigid-body collide test）。通過(guò)實(shí)時(shí)運(yùn)行VR場(chǎng)景，查找出對(duì)象之間的碰撞錯(cuò)誤，并對(duì)裝配線布局進(jìn)行調(diào)整。

整個(gè)島式裝配線的三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)量巨大，約包含了30個(gè)獨(dú)立裝配島、4條不同車(chē)型的裝配流程、20輛待裝配白車(chē)身及近百輛沿運(yùn)行圖行駛的AGV物流車(chē)和各種裝配組件。三維場(chǎng)景的建模依據(jù)UG三維數(shù)字模型制作，細(xì)節(jié)精度較高，均采用基于物理的真實(shí)材質(zhì)，如圖3所示，整個(gè)裝配線場(chǎng)景約含2 450萬(wàn)多邊形面。場(chǎng)景按設(shè)定動(dòng)畫(huà)運(yùn)行時(shí)，若按照三維模型實(shí)際的多邊形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計(jì)算碰撞邊界，其瞬時(shí)運(yùn)算數(shù)據(jù)量會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)資源耗盡而崩潰。解決的辦法是為各參與碰撞計(jì)算的模型設(shè)置代理碰撞盒（collider agent），對(duì)原對(duì)象造型進(jìn)行簡(jiǎn)化概括，生成造型近似但多邊形面數(shù)大為下降的幾何體，作為碰撞盒代理。

在虛擬仿真場(chǎng)景運(yùn)行時(shí)，首先設(shè)置代理碰撞盒與實(shí)體對(duì)象的父子連接關(guān)系，確保兩者的運(yùn)動(dòng)綁定關(guān)系;然后，將各物體的碰撞盒代理對(duì)象加入剛體碰撞檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)這樣的代理技術(shù)，保證了復(fù)雜三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)剛體碰撞檢測(cè)的流暢性和有效性。

2.4? 實(shí)現(xiàn)跟蹤

汽車(chē)裝配線中，存在著幾種運(yùn)動(dòng)跟蹤和捕捉關(guān)系：裝配島中固定工位的裝配機(jī)器人，在AGV入島/出島/駐停的時(shí)候，全程捕捉并朝向白車(chē)身操作方位;裝配島監(jiān)控屏操作臺(tái)的工程師，在AGV入島/出島的時(shí)候，視線跟隨AGV及白車(chē)身，在AGV駐停裝配階段，工程師則監(jiān)控懸掛監(jiān)視屏的動(dòng)態(tài)參數(shù)。

在虛擬裝配線場(chǎng)景中，上述視覺(jué)跟蹤關(guān)系，是通過(guò)look at解算器模塊實(shí)現(xiàn)的。以機(jī)械手為例：機(jī)械臂底座的運(yùn)動(dòng)約束設(shè)置為X/Y/Z軸向的移動(dòng)和X/Y軸向的旋轉(zhuǎn)鎖死，機(jī)械臂各段保留繞自身鉸鏈的旋轉(zhuǎn)自由度。對(duì)機(jī)械臂固定底座上的基座對(duì)象設(shè)置look at解算器，跟蹤的目標(biāo)設(shè)定為白車(chē)身。同理，對(duì)工程師的頭部骨骼設(shè)置look at解算器，跟蹤對(duì)象分別為白車(chē)身和懸掛監(jiān)控屏。當(dāng)虛擬場(chǎng)景運(yùn)行時(shí)，各部分會(huì)全程自動(dòng)對(duì)相應(yīng)的監(jiān)控目標(biāo)進(jìn)行視覺(jué)跟蹤，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)跟隨捕捉。

2.5? 反向動(dòng)力學(xué)（機(jī)械臂）

島式裝配線的各工位均由機(jī)械臂自動(dòng)完成各項(xiàng)組裝工作，如何實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的仿真是關(guān)鍵問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)島、車(chē)輪安裝、車(chē)門(mén)安裝、風(fēng)擋/天窗安裝等工位的機(jī)械臂前段的抓取部分依據(jù)裝配件構(gòu)造設(shè)計(jì)成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，但主體均采用三段式全自由度機(jī)械臂模式。

在VR引擎的動(dòng)力學(xué)模塊中，根據(jù)運(yùn)動(dòng)件之間的狀態(tài)繼承關(guān)系，主要分為正向動(dòng)力學(xué)（FK）/反向動(dòng)力學(xué)（IK）等模式。對(duì)機(jī)械臂而言，盡管動(dòng)力傳遞是從基座經(jīng)各段手臂最終到抓取端，但從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度而言，抓取端的定位是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)的輸入?yún)?shù)，由此驅(qū)動(dòng)并推演出機(jī)械臂各段的運(yùn)動(dòng)軌跡，所以要用IK模式進(jìn)行設(shè)置。

基于上述分析，在仿真場(chǎng)景中，打開(kāi)交互式IK解算器，對(duì)機(jī)械臂的各段進(jìn)行設(shè)置?；诰植孔鴺?biāo)系，設(shè)置各段機(jī)械臂受約束的自由度，保留可旋轉(zhuǎn)自由度;在交互式IK模塊中，設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的可動(dòng)角度范圍，并設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)跟隨自動(dòng)終結(jié)條件，然后拖曳抓取端，測(cè)試各段機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)。通過(guò)不斷調(diào)整參數(shù)，最終得到優(yōu)化的機(jī)械臂IK設(shè)置。

設(shè)置完成后，在裝配虛擬仿真過(guò)程中，用戶(hù)只需指定零件（比如汽車(chē)風(fēng)擋玻璃、車(chē)輪等）的運(yùn)動(dòng)軌跡，機(jī)械手可按照真實(shí)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系作出動(dòng)態(tài)模擬。

2.6? 其他動(dòng)力學(xué)組件

由于在整個(gè)裝配線場(chǎng)景中，大量運(yùn)動(dòng)對(duì)象之間存在著驅(qū)動(dòng)/被動(dòng)，跟隨/牽引、跟蹤、碰撞、力場(chǎng)等物理要素的作用，在創(chuàng)建虛擬裝配場(chǎng)景過(guò)程中，結(jié)合具體情況，綜合運(yùn)用了VR引擎中的滑塊約束、轉(zhuǎn)樞約束、HI/HD解算器等多種動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行物理屬性的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)裝配線按照真實(shí)物理規(guī)律運(yùn)行的目標(biāo)。

3? 案例創(chuàng)作實(shí)踐及測(cè)試

結(jié)合上述的設(shè)計(jì)方案，本研究基于3DS Max三維數(shù)字建模+Unity3D虛擬仿真平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了新能源汽車(chē)AGV島式裝配線的虛擬仿真系統(tǒng)。仿真平臺(tái)模擬的定位是對(duì)某型新能源汽車(chē)的整車(chē)裝配線進(jìn)行全面的模擬。裝配線采用島式裝配方案，整體規(guī)模為并行標(biāo)準(zhǔn)裝配流程線4條，可擴(kuò)充并行裝配流程線2條。通過(guò)調(diào)整裝配島配置，具備同時(shí)為同一車(chē)系的6種不同型號(hào)車(chē)型整車(chē)裝配的能力。

本研究的虛擬仿真系統(tǒng)從3個(gè)方面進(jìn)行方案驗(yàn)證：裝配線空間布局方案、AGV物流體系運(yùn)行圖、視覺(jué)仿真。其中空間布局在靜態(tài)場(chǎng)景模式下即可進(jìn)行測(cè)試，場(chǎng)景運(yùn)行時(shí)需要開(kāi)啟剛體碰撞檢測(cè);AGV物流體系運(yùn)行圖是在仿真場(chǎng)景動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中完成測(cè)試和問(wèn)題排查。經(jīng)上述動(dòng)力學(xué)模塊的設(shè)置和檢測(cè)，測(cè)試中排查了5處運(yùn)行圖時(shí)空序列中的沖突點(diǎn)，重新調(diào)整AGV運(yùn)行圖后，再次測(cè)試裝配線整體運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了正常運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到了預(yù)期的仿真測(cè)試目標(biāo)。

4? 結(jié)? 論

三維圖形技術(shù)運(yùn)用于實(shí)時(shí)虛擬仿真，可以在工程設(shè)計(jì)的前期方案論證階段完成多方面的測(cè)試工作。首先，基于三維數(shù)字模型的仿真場(chǎng)景，能協(xié)助設(shè)計(jì)師從視覺(jué)層面審視設(shè)計(jì)方案的布局效果和運(yùn)行狀態(tài);其次，通過(guò)利用VR引擎中的動(dòng)力學(xué)模擬模塊，可以對(duì)虛擬場(chǎng)景中對(duì)象的運(yùn)動(dòng)關(guān)系、空間占位關(guān)系、碰撞結(jié)果、運(yùn)行路線、時(shí)序安排、運(yùn)動(dòng)跟蹤等要素進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，實(shí)現(xiàn)真實(shí)汽車(chē)整車(chē)裝配線高度還原的情境再現(xiàn)，在前期設(shè)計(jì)階段達(dá)到最大限度的方案可感知性。

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作者簡(jiǎn)介：謝江甜（1998-），女，漢族，河南洛陽(yáng)人，本科，研究方向：計(jì)算機(jī)三維高級(jí)圖形設(shè)計(jì);巫濱（1978-），男，漢族，江蘇常州人，博士，副教授，研究方向：真實(shí)感計(jì)算機(jī)圖形繪制、可視化虛擬仿真設(shè)計(jì);張思琪（1997-），女，漢族，河南洛陽(yáng)人，本科，研究方向：交互式三維仿真設(shè)計(jì)。