基于增強現實技術的新能源汽車仿真產品開發＊

于志剛，譚 濤

（1.成都工業職業技術學院汽車工程學院，四川 成都610218；2.成都雅駿新能源汽車科技股份有限公司，四川 成都610100）

1 引言

發展新能源汽車對節能環保、改變依賴石油的能源結構、突破傳統汽車核心技術壁壘等方面起著決定性作用，新能源汽車勢在必行。2019-01—2019-12，新能源汽車產銷分別完成124.2萬輛和120.6萬輛[1]，與傳統汽車相比，新能源汽車尚處于新型初期發展階段，不被大眾所熟悉，實車展示出來的抽象復雜的汽車結構也不利于大眾形成對新能源汽車的認知，不利于新能源汽車的推廣與科學知識的普及。傳統教育方式認知工具匱乏，缺乏立體、動態化想象空間，缺乏趣味性、互動性不足；在線教育存在缺乏立體、動態化想象空間、缺乏趣味性；VR教輔在立體性、真實性方面存在不足且內容較窄。

2017-06 ，蘋果公司開源發布AR底層應用技術，標志著蘋果公司AR生態布局正式吹響號角[2]，AR教育具有虛實結合豐富教育方式場景復原時空再現、視聽結合、寓教于樂的特點，可實現科技炫酷、興趣培養、互動交流、用戶交互相結合。近年來，增強現實技術以其獨有的技術優勢，為解決科學教育的學科困境帶來新的愿景[3]。

綜上所述，將人工智能AR技術應用到新能源汽車的科普產品開發中具有重要的現實意義。

2 AR及AR Kit介紹

2.1 AR

AR全稱Augmented Reality（增強現實），是一種在攝像機捕捉到的真實世界中加入計算機程序創造的虛擬世界的技術[4]。

汽車是計算機程序創建的虛擬世界的物體，而背景則是攝像機捕捉到的真實世界，AR系統將兩者結合在一起。

2.2 AR Kit

AR Kit是蘋果WWDC2017中發布的用于開發iOS平臺AR功能的框架。AR Kit為上一節中提到的AR系統架構中各個部分都提供了實現方案，并且為開發者提供了簡單便捷的API，使得開發者更加快捷地開發AR功能[5]。

AR Kit的使用需要一定的軟硬件設施：①軟件。開發工具為Xcode9、iOS11、MacOS 10.12.4及以上版本（為了支持Xcode9）。②硬件。處理器為A9及以上的iPhone或iPad設備（iPhone 6s為A9處理器）。

3 總體設計

3.1 設計思路

仿真產品的主要用途為科普，非專業的教學軟件，所以展示的結構應突出重點，達成受眾對新能源汽車核心部件結構及基本工作原理的認知，且重點展示部位應逼真、視覺效果好。反之，受眾不關心或過于專業化的一些細節，可弱化、簡化甚至僅用外框輪廓面表達，與電動核心部件無關或不影響基本工作原理展示的部件數模不予體現。

3.2 軟件結構

利用逆向開發工具搭建某款新能源汽車核心部件的整車仿真模型，如圖1所示。涉及建模的主要核心部件為動力電池、驅動電機、高壓配電箱、電動壓縮機、車載充電機、電加熱、高壓線束等，這些部件組成了整車的高壓系統，其中動力電池、驅動電機、高壓控制系統為純電動汽車上的三大核心部件，外加整車車身（包括輪胎、傳動軸、變速器、方向盤），整車車身僅是外觀面，簡化或不體現內部結構，其存在的目的是為了更直觀地展示以上核心部件在整車上的位置關系。

圖1 新能源汽車結構仿真框架圖

利用動畫展示電池PACK的基本過程；利用動畫展示三電核心系統的邏輯關系；利用動畫展示整車基本工作原理。新能源汽車運行原理AR展示如圖2所示，展現了車輛在前行狀態、倒車狀態、制動狀態（能量回收）、充電狀態下的能量流動、傳遞，并通過傳動軸體現到車輪的轉動，以便生動展示整車的運動，動畫通過蘋果iPad手持筆記本投射到現實中的任意場景展示。

圖2 新能源汽車運行原理展示

3.3 硬件結構

該硬件組成簡單，容易操作。用戶在iOS設備上進行操作，通過視頻流接口，將iOS設備上的畫面同步顯示在投影機上，在方便用戶進行演示的同時，也方便觀眾觀看。

軟件運行于搭載A9及以上系列處理的iOS設備上。

4 系統實現的主要功能

4.1 超現實感官

新能源汽車仿真模型與現實世界融入如圖3所示。按實車1∶1尺寸對某型號的電動汽車進行建模，圖3（a）是保持實車尺寸把仿真模型投放到道路真實環境中，實現虛擬與現實的融合，仿佛一臺實車停放到路邊。圖3（b）是縮小尺寸仿真模型投放到學生書桌上，與學生學習環境融入到一起，同時可以自由地控制旋轉、放大、前進、后退、制動等功能，仿佛新能源汽車近在咫尺。

圖3 新能源汽車仿真模型與現實世界融入

4.2 自主式透視

新能源汽車仿真模型透視如圖4所示。在自由體驗環節，使用者可以根據自己的需要觀看任意角度、任意部位，通過手持iPad或者iPhone等簡易硬件設備靠近模型或者將屏幕放大拉近，穿透車身、外部部件逐層透視。圖4（a）能夠體現部件之間的結構關系，圖4（b）能夠細致入微地觀看內部結構。

圖4 新能源汽車仿真模型透視

4.3 引導式啟發

新能源汽車電動化系統如圖5所示。以點擊屏幕按鈕的形式，設置具有邏輯關系的流程及銜接，配置語音講解和動畫演示，引導啟發新能源汽車科普知識，其余不涉及邏輯關系的模塊，使用者可以自由體驗，選擇任意場景平面。如圖5（a）所示，先從一顆電芯開始，一步一步到整個動力電池PACK，然后再加載電機到其他高壓部件，再將部件之間用高壓線連接起來。如圖5（b）所示，形成電動化系統，最后展示整個能量傳遞的過程。

圖5 新能源汽車電動化系統

4.4 交互式體驗

交互式體驗如圖6所示。在重要、復雜部件結構原理展示時，設置互動體驗，使用者可以根據需要點擊部件。圖6（a）、圖6（b）分別是電池、電機的內部結構拆分，可由操作者自由實現部件的組裝和拆分，便于對復雜部件的結構和原理的學習，增強互動體驗趣味性，寓教于樂。

圖6 交互式體驗

5 結論

基于增強現實技術的新能源汽車仿真產品開發，實現了人工智能助力新能源汽車科普，通過四川省科普基地試用及線上初步推廣，將增強現實技術應用到新能源汽車科普，很好地解決了以往新能源汽車教育培訓、科學普及中普遍存在的虛擬與現實分離、互動體驗感差等問題，使抽象、晦澀難懂的知識更易于科普。由于產品開發剛剛完成，還需要進一步收集相關效果數據以使產品改進。