周軍　李瑞方

摘 要：介紹了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，并從外觀設(shè)計評審、人機交互部件設(shè)計評審、虛擬性能評審與異地協(xié)同、虛擬展示這四個方面介紹了該系統(tǒng)在汽車設(shè)計中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù) VR 汽車設(shè)計

國內(nèi)汽車企業(yè)仍以物理試驗為主，仿真為輔的開發(fā)模式，導(dǎo)致了產(chǎn)品研發(fā)周期長、開發(fā)費用巨大、生產(chǎn)與研發(fā)脫節(jié)等問題。物理樣機的局限性使汽車開發(fā)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(fā)展的必然趨勢。面對虛擬現(xiàn)實VR（Virtual Reality）掀起的信息技術(shù)創(chuàng)新革命，VR技術(shù)已在國防軍事、航空、航天、軌道交通等領(lǐng)域廣泛運用[1-4]，在汽車行業(yè)的應(yīng)用相對較少。虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)即將成為未來工業(yè)生產(chǎn)最大的驅(qū)動力。

吉利依托于整車研發(fā)流程為契機，充分識別與VR相結(jié)合的業(yè)務(wù)需求，如圖1所示，搭建了一種基于投影的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)——CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）沉浸式交互系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)，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(tǒng)進行設(shè)計評審，為企業(yè)決策者提供不同于以往的決策環(huán)境，對準(zhǔn)確了解設(shè)計意圖、狀態(tài)、問題，加速決策流程提供更快捷的方式，在汽車行業(yè)制造設(shè)計方面主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1 外觀設(shè)計評審

通過對車身數(shù)據(jù)分層處理，根據(jù)不同的部位和需要達到的不同感受選用材質(zhì)，設(shè)置不同的光照效果，高度還原真實仿真場景，利用VR技術(shù)可以實現(xiàn)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(shè)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(tài)實時交互，改變配色、軸距、背景以及查看細節(jié)特征結(jié)構(gòu)，快速實現(xiàn)對造型CAS數(shù)據(jù)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(diào)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(huán)境評審代替?zhèn)鹘y(tǒng)油泥模型制造與評審，提高造型評審效率。

1.2 材質(zhì)和顏色評審

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

2 人機交互部件設(shè)計評審

涉及到人機交互的部件，主要包括座椅、轉(zhuǎn)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(diào)等，產(chǎn)品設(shè)計師可以借助于VR數(shù)據(jù)手套和全身動捕系統(tǒng)來進行設(shè)計開發(fā)，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過第一人稱視角為設(shè)計者、決策者提供產(chǎn)品體驗的環(huán)境，以評審產(chǎn)品設(shè)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(xiàn)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(chǎn)品開發(fā)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(nèi)、手指操作是否方便，以及車內(nèi)采光效果如何等，從而進行更細致專業(yè)的調(diào)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(guān)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(shè)計者提供產(chǎn)品修改的依據(jù)。

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(wù)進行研究[5]，利用全身動作捕捉技術(shù)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(fù)雜、精密部件的裝配過程符合基本人機工程學(xué)要求，避免由此導(dǎo)致的錯裝、漏裝等質(zhì)量問題，實現(xiàn)產(chǎn)品的操控性、可視性、可達性、舒適性、安全性。同時，使用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對維修過程的人機工程學(xué)檢查，確保車輛可維修性和便捷性，提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率。也就是說，沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了額外的一次零件裝卸可行性評估。

在已量產(chǎn)的汽車生產(chǎn)線上，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與人體工程學(xué)設(shè)計相結(jié)合，收集相關(guān)的操作數(shù)據(jù)，使用計算機模型來預(yù)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(guān)防錯或預(yù)防措施。通過測量生產(chǎn)線上工人的裝配安裝操作動作和流程，識別可能會導(dǎo)致的過度疲勞、勞損或受傷的操作流程和工作內(nèi)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(xié)同

3.1 虛擬性能評審

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在重視視覺的效果真實的基礎(chǔ)上，也專注于工程需求，通過多來源數(shù)據(jù)的集成，不僅可以查看產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，還可以隨時查看有關(guān)性能的仿真數(shù)據(jù)。將研發(fā)階段中采用傳統(tǒng)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(zhì)量（例如NVH噪聲分析，將原來的曲線表達方式轉(zhuǎn)換為空間立體聲音呈現(xiàn)出來，更直觀和有效）。于此同時，通過軟件功能開發(fā)，對CAE不同學(xué)科計算結(jié)果數(shù)據(jù)的再處理，還能夠提供一般后處理工具無法實現(xiàn)的實時機構(gòu)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?qū)⒓偃四Ｐ头胖迷谧冃魏蟮能嚿韮?nèi)，以評估碰撞變形后乘員的逃生空間;還能夠?qū)㈦姵刈鳛榉抡鎸ο?，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(xié)同

通過動作捕捉系統(tǒng)，操作者可以身臨其境地在虛擬產(chǎn)品中漫游，并切換為第一人稱視角，對產(chǎn)品進行真實視覺尺寸的交互式體驗，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計通過手柄可以便捷的對產(chǎn)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(shù)字化設(shè)計可以打破時間和空間的距離，數(shù)字化信息的傳輸速度非常可觀，不受訪問人員數(shù)量和地域的限制，使異地協(xié)同設(shè)計成為可能?？蓪⒉煌赜虻挠脩敉瑫r納入一個評審系統(tǒng)中同時進行設(shè)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(huán)”仿真開發(fā)平臺，開展動態(tài)評審，包括虛擬調(diào)教、模擬復(fù)雜和危險道路的車輛行為、主動安全與駕駛等?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)，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(chǎn)生沉浸感交互感和，獲得實車駕駛感覺。

如車輛操縱穩(wěn)定性評審，傳統(tǒng)條件下，一般采用實車試驗方法以及理論分析與數(shù)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(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，使車輛性能的研究方法有了很大飛躍。將車輛的參數(shù)化模型與復(fù)雜的虛擬試驗環(huán)境相結(jié)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(chǎn)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(shè)計早期可及時發(fā)現(xiàn)問題，進行調(diào)整優(yōu)化，具有節(jié)省資金、可重復(fù)性強等優(yōu)點。

4 虛擬展示

依托虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)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(chǎn)品開發(fā)能力與技術(shù)，親身體驗吉利在研發(fā)設(shè)計階段先進的虛擬性能開發(fā)、生產(chǎn)制造階段先進的數(shù)字化工廠，從虛擬概念設(shè)計到產(chǎn)品生產(chǎn)全生命周期的開發(fā)過程，為吉利自主品牌勇于創(chuàng)新、精品開發(fā)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(xiàn)實系統(tǒng)和虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)合，可以讓參觀者戴上設(shè)備在虛擬環(huán)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(zhuǎn)化到產(chǎn)品設(shè)計中。

4.2 產(chǎn)品和功能展示

在品牌與銷售市場端[7]，通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺打造專門為年輕消費者設(shè)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(xiàn)實設(shè)備進行懸著和虛擬駕駛，為其提供個性化的車型配置和內(nèi)外飾的選擇，真正實現(xiàn)個性化的定制和生產(chǎn)。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(zhuǎn)化率。

數(shù)字化虛擬設(shè)計與驗證是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢，在車型設(shè)計開發(fā)過程中，集成數(shù)字化設(shè)計和虛擬開發(fā)技術(shù)即可實現(xiàn)設(shè)計方案優(yōu)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(tǒng)制造相比，節(jié)約人力成本的同時也降低了設(shè)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(xiàn)柔性化、個性化設(shè)計。

參考文獻：

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

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

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

[4]于海濱.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的航空發(fā)動機機務(wù)訓(xùn)練系統(tǒng)[J]. 科技信息（科學(xué)教研）. 2007（17）.

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

[6]張昊.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽車設(shè)計中的應(yīng)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(xiàn)實技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展[J]. 汽車科技.2019（05）.