虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

趙奕瑋 付冬偉

【摘 要】概述了汽車設(shè)計(jì)方法的發(fā)展歷程，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行了介紹，并進(jìn)一步論述了虛擬現(xiàn) 實(shí)技術(shù)在汽車總體設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，指出了利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)的廣闊前景。

【關(guān)鍵詞】汽車；總體設(shè)計(jì)；虛擬現(xiàn)實(shí)

一、前言

汽車是 CAD技術(shù)應(yīng)用最早的行業(yè)領(lǐng)域之一?，F(xiàn)今已在一定程度上廣泛使用的 CAD技術(shù)相對(duì)于 傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)已引起了汽車設(shè)計(jì)方法的深刻變 革，使其設(shè)計(jì)進(jìn)程加快，設(shè)計(jì)質(zhì)量也得到了提高。然 而，在汽車設(shè)計(jì)中，尤其是在設(shè)計(jì)的早期階段，設(shè)計(jì) 者往往要對(duì)大量的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行篩選和評(píng)估，而現(xiàn) 行的 CAD系統(tǒng)大部分采用標(biāo)準(zhǔn)的鍵盤和鼠標(biāo)作為 輸入設(shè)備，對(duì)使用者提出了很高的專業(yè)技能要求，很 難實(shí)現(xiàn)流暢的人機(jī)交互，從而限制了設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造 性思維。同時(shí)其操作的復(fù)雜性也使設(shè)計(jì)師無法在短 時(shí)間內(nèi)對(duì)眾多的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行考察。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（V R）是一門涉及計(jì)算機(jī)、傳感與 測(cè)量、仿真、微電子等技術(shù)的綜合集成技術(shù)，近年來 逐漸興起并迅速發(fā)展。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供的語 音識(shí)別和手勢(shì)等輸入設(shè)備，以及立體視覺、聲音、觸 覺等反饋系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者和設(shè)計(jì)對(duì)象的多感 知交互，極大地節(jié)省了用于形狀描述和尺寸精確定 義的時(shí)間，為各類工程的大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化提供了 新的描述方法，從而縮短了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，降低了開 發(fā)費(fèi)用，有利于實(shí)現(xiàn)汽車車型的快速設(shè)計(jì)與開發(fā)，這 必將引起汽車設(shè)計(jì)方法上的又一次深刻變革。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)系技術(shù)汽車工業(yè)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，縮寫為 VR）是通過計(jì)算機(jī)來構(gòu) 建一個(gè)虛擬的三維空間，用戶可以在這個(gè)三維的虛擬空間中 進(jìn)行一定的體驗(yàn)與感知，進(jìn)而獲得一種與外界真實(shí)空間相類 似的“沉浸感”。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與很多技術(shù)之間都有著緊密的 聯(lián)系，如：三維建模技術(shù)、圖形顯示技術(shù)、傳感技術(shù)以及人工智 能技術(shù)等。與傳統(tǒng)的人機(jī)交互系統(tǒng)不同，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建逼真的三維場(chǎng)景模型，并對(duì)虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象添 加一定的模塊進(jìn)行處理，進(jìn)而使用戶可以“身臨其境”的感知 這個(gè)逼真的三維世界，并獲得真實(shí)的人機(jī)交互體驗(yàn)的技術(shù)。虛 擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使人們對(duì)人機(jī)交互技術(shù)有了嶄新的定義，對(duì)人機(jī) 交互技術(shù)的發(fā)展具有里程碑式的意義。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的 不斷發(fā)展，人們不斷拓展著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用范圍。虛擬現(xiàn) 實(shí)技術(shù)已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，

2.1整車虛擬裝配。

虛擬裝配技術(shù)主要是在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立汽車三維模型，能夠非常準(zhǔn)確的反 映汽車各個(gè)部件的安裝關(guān)系，以及整車設(shè)計(jì)情況。并可以將各 個(gè)部件的數(shù)據(jù)直接保存進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，方便新車型的設(shè)計(jì)與開 發(fā)。通過應(yīng)用 3D 技術(shù)對(duì)零部件以及汽車其他部分進(jìn)行虛擬 裝配分析，進(jìn)而尋找設(shè)計(jì)裝配時(shí)的缺陷以及設(shè)計(jì)問題。在虛擬 裝配的過程中，首先需要對(duì)整個(gè)裝配的流程進(jìn)行總體的規(guī)劃，并對(duì)裝配方案以及夾具等裝配件進(jìn)行設(shè)計(jì)與工藝流程分析。最初階段，由于技術(shù)條件的限制，汽車產(chǎn)品以及零部件在裝配 過程中只能通過一些小的幾何模型來模擬評(píng)估，這樣就不能 充分體現(xiàn)產(chǎn)品的裝配效果，使裝配過程產(chǎn)生一定的誤差。進(jìn)而 導(dǎo)致新車型汽車的研發(fā)周期變長，大大提高了開發(fā)成本。虛擬 現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)很好的解決了汽車零部件的裝配設(shè)計(jì)問題。通過建立“沉浸式”的虛擬操作空間，設(shè)計(jì)者可以在虛擬環(huán)境 中對(duì)零件進(jìn)行虛擬裝配操作。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)平臺(tái)，工作 人員可以完全真實(shí)的對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行仿真裝配操作。通過 這種方法來發(fā)現(xiàn)裝配設(shè)計(jì)中的不足，進(jìn)而設(shè)計(jì)出更加科學(xué)實(shí) 用的裝配方案，縮短裝配方案的設(shè)計(jì)周期。

2.2車身空氣動(dòng)力學(xué)分析。

車身造型是決定整車空氣動(dòng)力 學(xué)特征的重要因素。另外整車的操縱穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性也 與整車的空氣動(dòng)力學(xué)特征有著密切的聯(lián)系。汽車的空氣動(dòng)力 學(xué)特征主要是通過風(fēng)洞試驗(yàn)來測(cè)試完成的。通過觀察在風(fēng)洞 試驗(yàn)場(chǎng)中油泥模型表面的變化，或者空氣流場(chǎng)來確定樣車的 空氣動(dòng)力學(xué)特征。但是風(fēng)洞試驗(yàn)仍然存在一些問題，如：油泥 模型與樣車實(shí)物之間尺寸不同、等比例的油泥模型需要大尺 寸的風(fēng)洞以及車身的設(shè)計(jì)造型需要更改時(shí)，必須重新制作新 的油泥模型，重新進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)等。通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來模擬虛擬風(fēng)洞，工作人員可以通過 專用的虛擬現(xiàn)實(shí)三維顯示頭盔，真實(shí)的觀察到虛擬風(fēng)洞中的 空氣流場(chǎng)，并且自身并不會(huì)對(duì)流場(chǎng)情況產(chǎn)生干擾。將繪制完成 的整車三維模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)的風(fēng)洞中，工作人員就可以 全方位的觀察車身的空氣動(dòng)力學(xué)性能，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足。對(duì)其進(jìn)行更加科學(xué)的改進(jìn)，可以極大縮短車身設(shè)計(jì)周期，并且使其空氣動(dòng)力學(xué)性能更加良好。

2.3車輛運(yùn)動(dòng)仿真

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過立體的三維圖像形式將車輛的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果真實(shí)的展現(xiàn)出來。試驗(yàn)人員可 以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的交互功能更改某些車輛的具體參 數(shù)，使人們能夠?qū)Σ煌r下的車輛運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行多次仿真 分析，讓人們能夠更加準(zhǔn)確地了解車輛的運(yùn)動(dòng)行駛情況。車輛 的運(yùn)動(dòng)仿真一般用在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)以及汽車交通事故的動(dòng)態(tài) 模擬。在交通事故的模擬再現(xiàn)過程中，交通事故處理部門通過 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)三維模型的模擬仿真，來對(duì)分析事故 發(fā)生原因，判斷事故責(zé)任。由于現(xiàn)實(shí)中車輛的外形不同，需要 根據(jù)不同車型建立相應(yīng)的三維演示模型。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核 心就是建模與仿真，動(dòng)畫模擬系統(tǒng)的核心功能是對(duì)交通事故 中車輛、行人、道路、天氣等元素進(jìn)行三維建模，然后對(duì)模型的控制來對(duì)交通事故的場(chǎng)景進(jìn)行仿真。當(dāng)車輛在虛擬環(huán)境 中運(yùn)動(dòng)時(shí)，要產(chǎn)生真實(shí)的兩車碰撞場(chǎng)景，必須對(duì)參與碰撞的車 輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的碰撞檢測(cè)和響應(yīng)。

2.4車輛性能模擬評(píng)估。

車輛性能評(píng)估將成為虛擬現(xiàn)實(shí)技 術(shù)應(yīng)用的新方向。車輛操縱穩(wěn)定性的評(píng)定一般是通過對(duì)實(shí)車 參數(shù)進(jìn)行測(cè)試的方法來進(jìn)行評(píng)估，然后再通過一些理論的分 析與計(jì)算來加以調(diào)整。但是這種方法存在很多的弊端，首先 由于測(cè)量儀器，測(cè)試道路，天氣等原因?qū)е略囼?yàn)的重復(fù)性差，需要花費(fèi)很長的時(shí)間才能夠獲得較為準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，另一 方面測(cè)量數(shù)據(jù)中存在一些系統(tǒng)性的誤差，無法直接通過理論 分析計(jì)算的方法對(duì)整車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行提高。因此，車輛 性能評(píng)估需要花費(fèi)大量人力物力，而且增大研發(fā)周期。虛擬 現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠極大的促進(jìn)車輛性能評(píng)估技術(shù)的發(fā)展。工作人 員可以將車輛的基本參數(shù)模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)的試驗(yàn)環(huán)境 中，通過駕駛員沉浸式的模擬駕駛，來采集較為準(zhǔn)確的不同工 況下的汽車振動(dòng)、噪聲以及側(cè)向傾斜等基本數(shù)據(jù)。并且試驗(yàn)得 到的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確且試驗(yàn)本真的可重復(fù)性較好。這樣能夠較 早地發(fā)現(xiàn)汽車前期設(shè)計(jì)中的缺陷和不足，盡早做到優(yōu)化調(diào)整。

三、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將多種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行融合的一種嶄新技 術(shù)，它的應(yīng)用潛力非常巨大。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷成熟，汽車工業(yè)會(huì)不斷與這種新技術(shù)相融合，使其應(yīng)用面不斷拓展。如汽車的虛擬設(shè)計(jì)、汽車虛擬裝配以及汽車虛擬實(shí)驗(yàn)等。虛擬 現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車工業(yè)上的應(yīng)用將打破那些傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)思 維，為汽車工業(yè)整個(gè)流程帶來一場(chǎng)變革。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)使 虛擬現(xiàn)實(shí)中的汽車變得越來越真實(shí)。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：長城汽車股份有限公司）