汽車總布置開發(fā)過程中的虛擬現實技術應用

毛婷婷

摘要：本文闡述了汽車總布置工作在整車開發(fā)流程中的主要內容及業(yè)務痛點，基于總布置開發(fā)業(yè)務需求及痛點，提出了虛擬現實技術輔助汽車工程總布置評估的解決方案，研究虛擬現實軟硬件環(huán)境設計與搭建，虛擬模型渲染數據制作，以及基于評估需求的功能和應用定制化開發(fā)，為整車前期業(yè)務開發(fā)提供快速、方便、有效的評估和開發(fā)工具。

關鍵詞：虛擬評估;CAVE 系統(tǒng);總布置開發(fā);H點視點追蹤

1? 概述

汽車總布置是指在汽車的總體配置方案確認后，要對總成和零部件進行空間的合理布置，并校核初步選定的各個部件的結構尺寸與安裝位置能否滿足整車空間尺寸的要求，使其在安全性、拆裝便利性以及與人體的關系合理性等多個方面協調可靠，達到最優(yōu)結果。

近年來，虛擬現實技術為整車企業(yè)工程開發(fā)和車輛布置提供了多樣化的解決方案。虛擬現實技術從硬件設備、軟件技術平臺、虛擬現實內容的建模，及虛擬車型展示的真實性都有了較大的發(fā)展。同時在虛擬環(huán)境中的人機交互上也有了更大的進步，因此讓虛擬現實技術真正高效的輔助汽車工程開發(fā)，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本是一項非常重要的研究課題。

2?; 汽車總布置評估的虛擬可視化展示

2.1 汽車總布置主要業(yè)務特點及痛點

汽車總布置設計的主要作用有如下：①整車零部件、系統(tǒng)裝配的繼承，確保其裝配性，空間間隙和功能安全;②實現功能參數的最佳空間利用，如法律法規(guī)、碰撞、人機界面、功能、制造性、裝配、售后和回收等;③采用標準假人來布置內部適應性及進出行、視野，空間以及舒適性分析等;④確保造型，工程及制造的可行性;⑤完成汽車布置結果，為產品性能開發(fā)和制造提供基礎。

以上的總布置主要過程中，涉及到的零件種類和數量都非常龐大，既要保證零件布置和匹配性能好，又要保證整體車輛性能滿足要求，而在前期無法提供實物零件和總成的情況下，如何發(fā)現前期布置的裝配問題，干涉問題，視野以及人機舒適性等問題，是所有開發(fā)車型項目中都會面臨的問題。

在汽車前期開發(fā)過程中，大部分的三維設計往往都沒有較好的驗證和評估工具，傳統(tǒng)的做法仍然只是基于3D 建模軟件如UG，CATIA中進行各組測量數據的對比，如圖1所示，基于以往經驗計算各項分值，以及競品車型的參考比對，從而綜合得出一個較優(yōu)方案，雖然在幾個大節(jié)點前也會加工實物模型來驗證，但驗證的內容非常有限，再加上驗證模型制造誤差等，使得我們在實物評估時常常比較被動;同時實物模型的加工時間較長，加工費用也較高，車型及零件更新方案迭代效果和效率都有限，使得很多設計及工程問題很難在早期被發(fā)現，往往到造車時再發(fā)現這些問題時，有些更改時間上已不允許，而有些更改則需耗費巨大的人力物力。

2.2 虛擬現實技術助力總布置評估

由于虛擬現實技術能為汽車工程開發(fā)提供趨于真實的評估感受，被越來越多地運用在汽車設計及工程領域。目前工業(yè)上主要投入使用的VR設備主要有沉浸式高清CAVE系統(tǒng)（多通道高清可視化系統(tǒng)），多屏POWERWALL系統(tǒng)，頭戴式VR設備，虛實疊加的AR眼鏡等，基于使用場景的不同，各類虛擬現實設備使用模式也不同[2]。但他們都無一例外的為工程師提供1：1尺寸的基于真實場景和真實車型材質方案的虛擬車輛模型，讓評審者可以走進虛擬現實環(huán)境中，從各個不同的角度和位置查看車輛狀態(tài)，如前方視野，反射，車內空間感受，整體布置狀態(tài)，以及進行多個方案的對比評估。本文主要提供一套4通道高清虛擬現實可視化系統(tǒng)，以及頭戴式VR眼鏡，為汽車總布置評估提供一套完整的可視化評估方案。

4通道高清虛擬現實可視化系統(tǒng)如圖2 所示，采用4K高清立體投影儀，配備4塊大尺寸屏幕，形成左、中、右、地面的沉浸式CAVE 系統(tǒng)，同時，為保證評估者的視點準確，利用光學攝像頭，追蹤評估者位置，將實際評估者環(huán)境與虛擬環(huán)境的坐標準換后，進行虛實位置信息匹配，在評估者位置移動后，場景根據人體位置實時更新，保證評估者視點準確無誤，從而除了保證真實客觀的觀感之外，還保證了評估位置的精度需求。同時CAVE系統(tǒng)中人眼佩戴的眼鏡輕便，并未與真實環(huán)境隔離，既能觀看虛擬環(huán)境中的車輛，又能感知到現實環(huán)境，從而給評估者提供了非常舒適輕松的評估體驗。

傳統(tǒng)的汽車工程開發(fā)流程[3]如圖3（a）所示，其工程節(jié)點評估主要依靠在3D軟件中的測量數據比對，以及各種BUCK實物模型來驗證，3D軟件中的模型真實感不夠，設計者和評估人員無法切身感受真實的零件狀態(tài)，而BUCK實體模型的制作周期長并且投入成本相對較大，更重要的，如若方案不通過，零件或者總成的局部更新，又將耗費更高的研發(fā)成本及更長的制作周期，而引入虛擬現實技術進行工程開發(fā)評審，能在各個評審節(jié)點上減少對實體模型的依賴，通過部分虛擬模型對比評估，優(yōu)化評審模式，能有效減少實體模型的制作，縮短研發(fā)周期，使得汽車工程研發(fā)流程更加靈活、快速、高效。

3? 基于虛擬現實技術的汽車總布置定制開發(fā)

3.1 汽車總布置虛擬評估需求分析

汽車工程總布置在整個汽車開發(fā)流程中起著關鍵性的作用，零件及各大總成布置匹配的好壞，將直接影響客戶的體驗和使用，也影響整車各項性能。虛擬現實技術手段輔助整車總布置評估工作，與造型評估還有很大的不同，它并不僅僅只是評估造型方案、材質特征、線條等，更重要的是要能在準確的位置上做相關的斷面分析[1]，視野校核比對，空間大小體驗，內部零件尺寸測量等。相比造型，工程總布置虛擬評估對精度的要求更高。

因此工程總布置評估對虛擬模型評估提出了以下要求：

①真實的車輛模型，包括真實的材質，陰影，燈光，反射表現，多方案切換對比， 1：1比例展示，并且視點準確。

②虛擬場景與實物結合，評估人員可依靠外部的座椅方向盤等，在虛實結合的環(huán)境中增強評估體驗的可靠性。

③在正確的駕駛位H點（標準假人H點）處的評估，包括前上前下視野，后上后下視野，側視野，A柱視野遮擋，方向盤遮擋，空間比例等。

④基于虛擬模型評估的靈活性，需對所有車輛及零部件進行自由移動和旋轉，包括生成空間爆炸圖，方便對車輛總成及零部件進行詳細核查。

⑤查看各項細節(jié)的同時，需在環(huán)境內進行車輛斷面剖切，各gap范圍的測量，位置測量，角度測量等。

⑥評估儲物狀態(tài)及方案，不同設計及工程方案的不同儲物狀態(tài)對比，以及將物品放置在相應儲物格內的動態(tài)模擬。

⑦基于真實場景的外部環(huán)境變化對評估的影響，不同道路及天氣情況下的評估，外部動態(tài)變化等。

3.2 基于總布置評估需求分析下的虛擬平臺定制化開發(fā)

基于上一段的總布置評估需求分析后，開展基于需求的定制開發(fā)，其中車輛模型的渲染，燈光陰影等通過unreal官方渲染軟件UE4或VRED渲染軟件來完成，而其中的視點位置計算與匹配則通過光學探頭和定制的跟蹤定位球來實現。追蹤系統(tǒng)正確識別并矯正該定位球以后，則只要定位球對追蹤系統(tǒng)可見，就可獲得其在四通道高清可視化系統(tǒng)環(huán)境中的正確位置。

為增加評估的可靠性和真實性，配備對應的座椅，方向盤，和踏板等實物模型，尤其是進行車內各項評估時，可以讓評估人員坐在座椅上進行方案評估（如圖4所示），給評估人員帶來更真實的體驗感受的同時，也保證評估的準確性和有效性。

基于UNREAL引擎的二次開發(fā)，實現了相關的定制功能開發(fā)，并讓這些定制開發(fā)功能與UI界面集成，讓評估人員利用三維鼠標在虛擬場景中對車輛進行斷面剖切，移動旋轉，零件位置移動，爆炸視圖，gap距離測量，角度測量，以及手電筒高亮目標區(qū)域，虛擬模型與總布置斷面疊加等，具體功能應用如圖5所示。

在早期的開發(fā)和評估中，常常是在總布置斷面圖[1]的指導下進行方案排布與分配，而在UG等三維軟件中的總布置圖，無法直觀感受布置的體量感，因此，將總布置圖及工程數模方案一起對應到虛擬場景中，可以實際感受總布置圖的大小方案，檢驗后期數模與總布置斷面圖的差異。

不同場景下的評估效果不同，為配合以上評估，根據評估需求，專門定制搭建了一套場景工具，場景包括不同的道路路面（如圖6所示），如城市，鄉(xiāng)村，小區(qū)，高架，高速，隧道，以及專門進行高光測試的全亮燈光架場景;按照時間變化光照強度和大小變化，包括清晨、上午、正午、下午、夜晚等;不同天氣情況設置，如晴天、雨天、雪天、大霧天等。

3.3 虛擬評估在總布置中的應用范疇

以上的定制化評估方案及場景的建立，為總布置方案評估帶來了極大的提升空間，已全面應用于各開發(fā)業(yè)務中，尤其在視野對比，斷面分析，儲物狀態(tài)，零件布置方案，設計質量，實物樣機，人機舒適性等等。隨著虛擬現實技術的深入應用，后續(xù)將不斷開展更深入的應用研究，不斷擴充總布置開發(fā)的更多應用場景。目前可開展的虛擬評估場景如圖7所示。

4? 結論

本文提出了一套汽車前期總布置工程方案的驗證工具和方案，利用虛擬現實技術搭建軟硬件環(huán)境，通過分析汽車總布置驗證需求，進行功能和應用的定制化開發(fā)，快速并直觀展現設計和結構方案，并精確工程要求，驗證及對比不同方案，提供一個1：1直觀可靠的虛擬模型和場景進行驗證，及早發(fā)現設計和開發(fā)過程中的大量問題，為評估人員提供快速決策的依據，也為設計者和開發(fā)人員提供一套完整的快速驗證工具，減少了評估人員對實物模型的依賴，極大地降低了開發(fā)成本，大大縮短開發(fā)周期。

參考文獻：

[1]張英，張珍，段興德.通過典型斷面來實現汽車總布置設計目標[J].汽車工程師，2016（9）：37-39.

[2]徐青松.虛擬現實在汽車領域的應用現狀[J].汽車與配件2017（29）：60-62.

[3]尹民鑫，高文杰.汽車總布置評審流程.機械工程與自動化 [J].2015（08）：207-208.