虛擬現實技術在汽車設計中的應用

周軍　李瑞方

摘 要：介紹了基于虛擬現實技術搭建的虛擬現實系統，并從外觀設計評審、人機交互部件設計評審、虛擬性能評審與異地協同、虛擬展示這四個方面介紹了該系統在汽車設計中的應用情況。

關鍵詞：虛擬現實技術 VR 汽車設計

國內汽車企業仍以物理試驗為主，仿真為輔的開發模式，導致了產品研發周期長、開發費用巨大、生產與研發脫節等問題。物理樣機的局限性使汽車開發中的很多方案無法充分驗證，使用虛擬仿真替代物理樣車是制造發展的必然趨勢。面對虛擬現實VR（Virtual Reality）掀起的信息技術創新革命，VR技術已在國防軍事、航空、航天、軌道交通等領域廣泛運用[1-4]，在汽車行業的應用相對較少。虛擬現實仿真技術即將成為未來工業生產最大的驅動力。

吉利依托于整車研發流程為契機，充分識別與VR相結合的業務需求，如圖1所示，搭建了一種基于投影的虛擬現實系統——CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）沉浸式交互系統，它是由圍繞觀察者的五個投影面組成，如下圖所示。五個投影面組成一個立方體結構，其中四個墻面采用背投方式，地面采用正投方式，如圖2所示。

通過使用三維交互式系統進行設計評審，為企業決策者提供不同于以往的決策環境，對準確了解設計意圖、狀態、問題，加速決策流程提供更快捷的方式，在汽車行業制造設計方面主要體現在以下幾個方面：

1 外觀設計評審

通過對車身數據分層處理，根據不同的部位和需要達到的不同感受選用材質，設置不同的光照效果，高度還原真實仿真場景，利用VR技術可以實現1：1的仿真感受。

1.1 造型評審

通過實驗室的沉浸式可視化設備如立體眼鏡和六自由度的頭部跟蹤裝置，通過手柄對模型進行動態實時交互，改變配色、軸距、背景以及查看細節特征結構，快速實現對造型CAS數據著色和渲染，形成立體三維虛擬造型，從多個角度全面觀察，并實時進行調整，從而使整個評審過程簡單、明了，使抽象的概念具象化、模糊的印象清晰化。采用VR環境評審代替傳統油泥模型制造與評審，提高造型評審效率。

1.2 材質和顏色評審

依據光影和環境反射可以真實展示實車紋理，通過材質設定，實時將紋理應用到零件上，并評估可能出現的工藝瑕疵等設計問題。在這個過程中我們可以直觀判斷設計紋理樣板是否與整體效果協調一致，設計師可以第一時間看到效果，在同一環境下，實現多個方案的評審和對比，詳見圖4，圖5。

2 人機交互部件設計評審

涉及到人機交互的部件，主要包括座椅、轉向盤、變速桿、指示燈、后視鏡、刮水器、車門手柄、多媒體娛樂以及空調等，產品設計師可以借助于VR數據手套和全身動捕系統來進行設計開發，虛擬現實系統通過第一人稱視角為設計者、決策者提供產品體驗的環境，以評審產品設計是否滿足駕、乘人員的體驗要求。如：開閉件的合理性、上下車的便利性，以及人機界面操作的合理性、便捷性，都可以有效地在虛擬現實中獲得直觀真實的感受。

1）中控人機交互評審

通過虛擬工具，產品開發工程師可以坐在汽車的座椅上，看到真實的駕駛室布置情況，觀察各式各樣的儀表板、變速桿及附屬裝置，檢查座椅的高低是否合適、儀表的按鍵是否在手可觸及的范圍之內、手指操作是否方便，以及車內采光效果如何等，從而進行更細致專業的調整（見圖6）。

2）駕/乘人機工程

對于車輛的使用，需要考慮到車輛使用者（駕駛員和乘客）的人機工程要求。諸如行李箱的開啟與關閉等過程對人機工程的要求。過高的行李箱張開角度能夠解決大行李的裝卸問題，但對于身材較小的女性用戶而言，可能會帶來使用過程中的不良用戶體驗。使用軟件的人機工程仿真，通過虛擬人體模型的操作體驗，可為決策者和設計者提供產品修改的依據。

3）制造/維修人機工程

在車型正式上線裝配前，對涉及到的虛擬裝配任務進行研究[5]，利用全身動作捕捉技術跟蹤每個員工手臂、背部、腿和軀干的平衡和受力，保證裝配的動作滿足人機工程要求，評估裝配過程中的視野、肢體可觸范圍和物體拿放高度等，制定合理的裝配方案，確保復雜、精密部件的裝配過程符合基本人機工程學要求，避免由此導致的錯裝、漏裝等質量問題，實現產品的操控性、可視性、可達性、舒適性、安全性。同時，使用虛擬現實系統對維修過程的人機工程學檢查，確保車輛可維修性和便捷性，提高產品質量和效率。也就是說，沉浸式虛擬現實技術提供了額外的一次零件裝卸可行性評估。

在已量產的汽車生產線上，將虛擬現實技術與人體工程學設計相結合，收集相關的操作數據，使用計算機模型來預測裝配工作中可能存在的身體碰撞或者其他的不安全因素，提前制定相關防錯或預防措施。通過測量生產線上工人的裝配安裝操作動作和流程，識別可能會導致的過度疲勞、勞損或受傷的操作流程和工作內容，制定整改措施，降低勞動強度，提升員工滿意度。

3 虛擬性能評審與異地協同

3.1 虛擬性能評審

虛擬現實系統在重視視覺的效果真實的基礎上，也專注于工程需求，通過多來源數據的集成，不僅可以查看產品結構數據，還可以隨時查看有關性能的仿真數據。將研發階段中采用傳統的、分散的圖表、曲線等各虛擬性能表達方式集成為逼真的真實感受進行感知評審，提高性能評審效果與質量（例如NVH噪聲分析，將原來的曲線表達方式轉換為空間立體聲音呈現出來，更直觀和有效）。于此同時，通過軟件功能開發，對CAE不同學科計算結果數據的再處理，還能夠提供一般后處理工具無法實現的實時機構運動仿真、管線路仿真和人體模型仿真，進行性能的深層次研究與提升。

例如：在進行整車碰撞仿真后，后處理工具可對碰撞變形進行顯示，還能夠將假人模型放置在變形后的車身內，以評估碰撞變形后乘員的逃生空間;還能夠將電池作為仿真對象，研究碰撞變形后，汽車電池能否拆除等裝配問題（圖9）。

3.2 異地協同

通過動作捕捉系統，操作者可以身臨其境地在虛擬產品中漫游，并切換為第一人稱視角，對產品進行真實視覺尺寸的交互式體驗，指導產品設計通過手柄可以便捷的對產品零部件進行實時的拖拽、移動、隱藏等動作，增加了評審的效率與手段的多樣性。

數字化設計可以打破時間和空間的距離，數字化信息的傳輸速度非常可觀，不受訪問人員數量和地域的限制，使異地協同設計成為可能。可將不同地域的用戶同時納入一個評審系統中同時進行設計的評審，例如在一個評審中心打開需要評審的模型，進行移動、裝配、交互等動作時，在其它地域參與評審的用戶也可以實時的得到反饋，他們可以獲得跟上述操作者一樣的視覺效果，同步的移動、裝配、交互等動作的可行性及評審。

3.3 虛擬駕駛評審

基于六自由度虛擬駕駛平臺，建立“人在環”仿真開發平臺，開展動態評審，包括虛擬調教、模擬復雜和危險道路的車輛行為、主動安全與駕駛等。基于虛擬現實技術，利用汽車駕駛模擬器能正確模擬汽車駕駛動作，以視、聽、觸覺等作用于操作者，使操作者能產生沉浸感交互感和，獲得實車駕駛感覺。

如車輛操縱穩定性評審，傳統條件下，一般采用實車試驗方法以及理論分析與數值仿真方法進行研究，實車試驗方法受約束條件很多，如測量儀器、道路、駕駛員、天氣等，而且周期長，需要花費大量的人力、物力和財力。虛擬樣機以及虛擬現實技術的出現，使車輛性能的研究方法有了很大飛躍。將車輛的參數化模型與復雜的虛擬試驗環境相結合，用真實駕駛員進行仿真駕駛，以視、聽、觸覺等作用于操作者，使之產生身臨其境的感覺[6]，體驗汽車的振動、傾斜、噪聲等效果，在設計早期可及時發現問題，進行調整優化，具有節省資金、可重復性強等優點。

4 虛擬展示

依托虛擬現實系統提供對外宣傳平臺，向來訪貴賓展示吉利具備國際水平的沉浸式可視化的虛擬產品開發能力與技術，親身體驗吉利在研發設計階段先進的虛擬性能開發、生產制造階段先進的數字化工廠，從虛擬概念設計到產品生產全生命周期的開發過程，為吉利自主品牌勇于創新、精品開發與制造的形象提供了很好的宣傳平臺。

4.1 制造工藝和流程展示

通過虛擬現實系統和虛擬生產系統相結合，可以讓參觀者戴上設備在虛擬環境中參觀工廠，縮短汽車制造商與客戶之間的距離，增強與客戶的互動，更好地了解客戶的需求，并將需求轉化到產品設計中。

4.2 產品和功能展示

在品牌與銷售市場端[7]，通過虛擬現實系統平臺打造專門為年輕消費者設計的游戲或者體驗項目，讓汽車品牌觸達消費者，與消費者建立新的溝通路徑。消費者可以通過虛擬現實設備進行懸著和虛擬駕駛，為其提供個性化的車型配置和內外飾的選擇，真正實現個性化的定制和生產。通過VR帶來的有趣體驗，建立起汽車品牌與消費者的情感鏈接，刺激消費者的行動欲望，從而帶動銷售轉化率。

數字化虛擬設計與驗證是汽車產業發展的趨勢，在車型設計開發過程中，集成數字化設計和虛擬開發技術即可實現設計方案優化、性能仿真、驗證和評價的全過程，省去實物樣車制作和試驗驗證，做到零試制。與傳統制造相比，節約人力成本的同時也降低了設計過程中對人工操作能力的依賴性，極大地減少材料浪費，真正實現柔性化、個性化設計。

參考文獻：

[1]帥朝林，陳雪梅，邱世廣.虛擬現實技術在航空智能制造中的應用思考與展望[J]. 航空制造技術.2016（16）.

[2]許松林，朱志勝.虛擬現實技術在客艙選型中的應用研究[J].航空計算技術. 2020 （04）.

[3]田濤，孫忠云，蘇鋒.基于虛擬現實技術的某型飛機幾何建模方法研究[J]. 國防制造技術.2017（01）.

[4]于海濱.基于虛擬現實技術的航空發動機機務訓練系統[J]. 科技信息（科學教研）. 2007（17）.

[5]馮帆，杜江，喬虎，白瑀.機械產品裝配信息在虛擬現實環境中的表達[J]. 機械. 2018（11）.

[6]張昊.虛擬現實技術在汽車設計中的應用[J]. 時代汽車.2018（10）

[7]田巖，李任君，賈鐘書，周鈺斌，宋雅詩. 虛擬現實技術在汽車領域的應用及發展[J]. 汽車科技.2019（05）.