汽車總布置開發(fā)過程中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用探究

張學(xué)明 支希帆

東風(fēng)柳州汽車有限公司 廣西 柳州 545005

引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在當(dāng)前階段有著廣泛的應(yīng)用,將其應(yīng)用于汽車總布置開發(fā),能夠使得汽車整車前業(yè)務(wù)開發(fā)具備較為有效、方便、快速的開發(fā)以及評估工具,并且在一定程度上協(xié)助汽車工程師進(jìn)行相關(guān)建設(shè)方案以及評估方案等的完善工作,這對于總布置開發(fā)的長遠(yuǎn)發(fā)展有著積極的意義。要實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在布置開發(fā)中的合理應(yīng)用,需相關(guān)專業(yè)人員根據(jù)自身的需求制定出對應(yīng)的應(yīng)用方案以及應(yīng)用流程,以此來發(fā)揮出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最大的功效,使其以最恰當(dāng)?shù)姆绞酱鎮(zhèn)鹘y(tǒng)形式的3D技術(shù)。

1 關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的相關(guān)概述

汽車總布置指的是汽車總體配置方案在得到確認(rèn)后,對汽車的零部件以及總成進(jìn)行合理空間布置,并對各項零部件的安裝位置以及結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行校核,明確其是否能夠最大程度的滿足汽車整體的空間要求,在拆裝便利性、安全質(zhì)量性以及與人體結(jié)構(gòu)合理性等方面進(jìn)行協(xié)調(diào),使其達(dá)到最優(yōu)程度。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車布置開發(fā)中的應(yīng)用,為車輛布置以及整車開發(fā)提供了多元化的發(fā)展路徑。在當(dāng)前階段,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在模擬車型、虛擬內(nèi)容建模、軟件技術(shù)相關(guān)平平臺、軟硬件設(shè)備等方面都有著較大的發(fā)展。此外在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)營造的環(huán)境中,在人機(jī)交互方面有著較大的進(jìn)步,因此實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車布置開發(fā)中的廣泛應(yīng)用有著寬廣的發(fā)展途徑。

2 汽車總布置評估的虛擬可視化展示

虛擬可視化展示可從以下兩個方面展開論述:

2.1 汽車總布置痛點(diǎn)以及主要業(yè)務(wù) 汽車進(jìn)行總布置設(shè)計突出的主要作用表現(xiàn)在以下五個方面:其一,整車系統(tǒng)裝配以及各個零部件的繼承,確保汽車的功能安全、空間間隙以及裝配性;其二,保證整車各項功能參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空間的最佳利用,比如相關(guān)的法律法規(guī)、裝配、制造性、功能、人機(jī)界面、回收、售后以及碰撞等;其三,通過標(biāo)準(zhǔn)家人實(shí)現(xiàn)空間、視野、出行、內(nèi)部適應(yīng)性的布置,并進(jìn)行對應(yīng)的內(nèi)部舒適性分析;其四,保證汽車制造、工程以及造型的可行性;其五,汽車布置結(jié)果的高質(zhì)量完成,為汽車制造以及性能開發(fā)奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)[1]。

在上述布置進(jìn)行時會涉及到較多的零件種類以及數(shù)量,要保證零件的匹配性能以及布置特點(diǎn),還要考慮車輛整體性能,但是在布置前期無法提供總成以及實(shí)物零件的狀況下,如何通過一定的方式發(fā)現(xiàn)前期布置中存在的舒適性、視野、干涉問題、裝配中存在的問題是所有所有車型布置開發(fā)中都會面臨的問題。

前期開發(fā)時,很多的三維設(shè)計缺乏好的評估工具以及驗證工具,傳統(tǒng)形式的做法仍然是通過CATIA、UG等3D建模軟件進(jìn)行各項測量數(shù)據(jù)的比照。根據(jù)以往工作中的經(jīng)驗將各項分值計算出來,然后參考對比各項競品車型,由此規(guī)劃出一個較為優(yōu)質(zhì)可行的方案,一般狀況下在大街店前會通過實(shí)物模型進(jìn)行驗證,但是能夠據(jù)此進(jìn)行驗證的內(nèi)容相當(dāng)有限,且驗證模型在構(gòu)建過程中還存在著一些誤差,這使得實(shí)物評估時缺乏足夠的參考價值。此外實(shí)物模型一般有著較長的加工期與加工費(fèi)用,零件與車型更新方案效率以及迭代效果極為有限,很多工程問題以及設(shè)計問題難以及時被發(fā)現(xiàn),這就造成了造車過程中出現(xiàn)較多的問題,再進(jìn)行返修就會耗費(fèi)更多的資源。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的合理應(yīng)用較大程度的助力汽車總布置評估 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠給予汽車開發(fā)愈加真實(shí)與全面的評估感受,被越來越多的廠家用于工程領(lǐng)域以及汽車設(shè)計領(lǐng)域。當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多的VR設(shè)備主要包括:虛實(shí)疊加AR眼鏡、頭戴VR設(shè)備、多屏POWERWALL系統(tǒng)以及沉浸式高清CAVA 系統(tǒng)等。根據(jù)使用需求以及使用場景的狀況的不同,各種類型的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備有著較為不同的使用模式,但是都會給予使用者1:1的真實(shí)體驗,讓使用者能夠從各個角度、各個位置在虛擬環(huán)境中觀察車輛的具體狀態(tài),比如整體布置、車內(nèi)各個空間感受、前方視野等,從而進(jìn)行多種布置方案的科學(xué)對比[2]。

以下圖1四通道高清虛擬現(xiàn)實(shí)可視化系統(tǒng)為例,其結(jié)構(gòu)組成為四塊大屏幕以及高清立體攝影儀,形成地面、左右以及中間全覆蓋的CAVA 沉浸式系統(tǒng),同時為保證使用者能夠有準(zhǔn)備的視點(diǎn),借助光學(xué)攝像頭對評估者的位置進(jìn)行實(shí)時追蹤,將使用者的實(shí)際環(huán)境與虛擬狀態(tài)下的環(huán)境進(jìn)行坐標(biāo)準(zhǔn)換后,實(shí)現(xiàn)虛擬位置與現(xiàn)實(shí)位置信息較高程度的匹配,當(dāng)使用者在虛擬環(huán)境中移動時,虛擬環(huán)境可實(shí)時更新自身狀態(tài),從而有效保證使用者始終具備較好的視點(diǎn)。

圖1 四通道高清虛擬現(xiàn)實(shí)可視化系統(tǒng)圖

3 汽車總布置開發(fā)過程中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

汽車總布置開發(fā)過程中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用可從以下三個方面進(jìn)行簡單論述:

3.1 在評估需求方面的應(yīng)用 汽車總布置在開發(fā)流程中有著至關(guān)重要的作用,總成以及零件質(zhì)量的高低很大程度上決定著整車的性能以及客戶的體驗感,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)形式有著較大的不同,其評估范圍并不局限于汽車的線條、材質(zhì)特征以及造型方案等,其還能夠在恰當(dāng)位置進(jìn)行準(zhǔn)備的斷面分析、零件尺寸測量、空間體驗以及視野核對等。對比與造型問題,布置虛擬評估有著以下要求:

其一,車輛模型必須保證真實(shí)性,包括反射、燈光、陰影、材質(zhì)等方面的真實(shí)性,還要對多種方案進(jìn)行切換對比以及1:1展示,務(wù)必保證試點(diǎn)的準(zhǔn)確性;其二,實(shí)物與虛擬場景的統(tǒng)一與結(jié)合,使用者可通過外部方向盤以及座椅等增強(qiáng)體驗感;其三,在標(biāo)準(zhǔn)假人H點(diǎn)位置進(jìn)行評估包括后下后上以及前下前上視野、空間比例、方向盤遮擋、A柱視野遮擋、側(cè)視野等;其四,虛擬模型評估具備一定的靈活性,車輛以及零部件可實(shí)現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)以及移動,包含空間爆炸圖的生成,方便對零部件以及總成進(jìn)行細(xì)致的核查;其五,在進(jìn)行各項細(xì)節(jié)的查看時,還需斷面剖切車輛,并進(jìn)行相關(guān)的角度測量、位置測量、所有g(shù)ap范圍的準(zhǔn)確測量等;其六,綜合評估分析汽車的儲物方案以及儲物狀態(tài),比如在不同工程方案以及不同設(shè)計條件下儲物的不同狀態(tài),以及物品在放置在儲物格中對應(yīng)的動態(tài)模擬;其七,以真實(shí)場景為基礎(chǔ)的外部環(huán)境各種變化形式對評估造成的影響,不同天氣、不同道路下的具體分析以及外部各種動態(tài)變化等。

3.2 基于評估需求下的平臺定制化開發(fā) 在基于評估需求下的平臺定制化開發(fā)中,燈光陰影以及車輛模型渲染等可通過VRED或者UEC等官方渲染軟件來完成,視點(diǎn)位置的系列計算工作以及匹配工作可通過跟蹤定位球以及光學(xué)探頭實(shí)現(xiàn)。追蹤系統(tǒng)對定位球進(jìn)行識別以及矯正后,即可實(shí)時獲取定位球位置。為提升評估真實(shí)性以及可靠性,配備對應(yīng)的踏板、方向盤以及座椅等實(shí)物模型,如此可讓使用者在座椅上進(jìn)行相關(guān)的評估工作,如下圖2所示,以此來提升使用者的體驗感,增加評估的真實(shí)有效性[3]。

圖2 配套實(shí)物

以UNREAL引擎進(jìn)行的二次開發(fā)為基礎(chǔ),開發(fā)一系列的定制功能,并讓這些功能實(shí)現(xiàn)與UI界面的合理集成,讓負(fù)責(zé)人員通過三維鼠標(biāo)剖切車輛斷面,并進(jìn)行角度測量、爆炸視圖、零件位置移動以及移動旋轉(zhuǎn)等操作,具體功能如下圖3所示:

圖3 功能應(yīng)用

在車輛布置的早期開發(fā)以及評估過程中,通常會基于總布置端截面進(jìn)行方案分配與排布的指導(dǎo),但是在UG這些三維軟件中構(gòu)建的布置圖,難以對布置體量感有一個直觀的感受,因此將數(shù)模方案以及總布置圖同步對應(yīng)到構(gòu)建的虛擬場景中,能夠最大程度的感受布置圖的合理性以及大小適宜性等,并有效檢驗總布置斷面圖與后期數(shù)模之間存在的差異性[4]。

不同場景下有著較為不同的評估效果,為配合上述過程中的評估結(jié)論,根據(jù)評估的整體需求以及實(shí)際狀況,進(jìn)行對應(yīng)場景的構(gòu)建,包括各種形式的道路路面,如下圖4所示,包括隧道、高速、小區(qū)、城市、山區(qū)等,還包括專門用于高光測試的燈光架場景,根據(jù)時間推移造成的光照大小與強(qiáng)度變化,包括夜晚、上午、下午、正午以及清晨,不同天氣包括霧天、雪天、雨天以及晴天等[5]。

圖4 場景搭建圖

3.3 虛擬評估的應(yīng)用范疇 上述的場景構(gòu)建以及定制化方案,給了總布置方案評估以可靠的數(shù)據(jù)支撐以及較大的提升空間,并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于車輛開發(fā)各項業(yè)務(wù)中,尤其是人及舒適性、實(shí)物樣機(jī)、設(shè)計質(zhì)量、零件布置方案、儲物狀態(tài)、斷面分析等。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷探究與開發(fā)應(yīng)用,其將會實(shí)現(xiàn)在更多場景中的應(yīng)用?，F(xiàn)階段應(yīng)用較多的場景如下圖5所示:

圖5 總布置各工況下的虛擬評估應(yīng)用場景圖表

結(jié)語

綜述,通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的合理應(yīng)用,制定出適應(yīng)汽車前期總布置開發(fā)的相關(guān)方案,并得到相關(guān)的驗證工具,在進(jìn)行軟硬件環(huán)境的構(gòu)建之后,通過對于汽車總布置進(jìn)行分析與驗證得出其具體的需求,然后在應(yīng)用以及功能方面進(jìn)行定制化開發(fā),直觀且快速展示結(jié)構(gòu)方案以及設(shè)計方案,對工程要求進(jìn)行驗證與對比后,提供1:1可靠直觀的虛擬場景以及對應(yīng)模型,較早的發(fā)現(xiàn)設(shè)計開發(fā)中存在的問題,并為相關(guān)人員提供較為可靠的決策依據(jù),并為開發(fā)人員以及設(shè)計者提供較為完整的驗證工具,這在一定程度上降低了評估過程中對實(shí)物模型的依賴,在節(jié)省成本的同時縮減開發(fā)周期,這對于汽車行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展來說有著積極的意義。