基于增強現(xiàn)實技術(shù)的新能源汽車仿真產(chǎn)品開發(fā)＊

于志剛，譚 濤

（1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)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(fā)展新能源汽車對節(jié)能環(huán)保、改變依賴石油的能源結(jié)構(gòu)、突破傳統(tǒng)汽車核心技術(shù)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(chǎn)銷分別完成124.2萬輛和120.6萬輛[1]，與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車尚處于新型初期發(fā)展階段，不被大眾所熟悉，實車展示出來的抽象復(fù)雜的汽車結(jié)構(gòu)也不利于大眾形成對新能源汽車的認(rèn)知，不利于新能源汽車的推廣與科學(xué)知識的普及。傳統(tǒng)教育方式認(rèn)知工具匱乏，缺乏立體、動態(tài)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(tài)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(nèi)容較窄。

2017-06 ，蘋果公司開源發(fā)布AR底層應(yīng)用技術(shù)，標(biāo)志著蘋果公司AR生態(tài)布局正式吹響號角[2]，AR教育具有虛實結(jié)合豐富教育方式場景復(fù)原時空再現(xiàn)、視聽結(jié)合、寓教于樂的特點，可實現(xiàn)科技炫酷、興趣培養(yǎng)、互動交流、用戶交互相結(jié)合。近年來，增強現(xiàn)實技術(shù)以其獨有的技術(shù)優(yōu)勢，為解決科學(xué)教育的學(xué)科困境帶來新的愿景[3]。

綜上所述，將人工智能AR技術(shù)應(yīng)用到新能源汽車的科普產(chǎn)品開發(fā)中具有重要的現(xiàn)實意義。

2 AR及AR Kit介紹

2.1 AR

AR全稱Augmented Reality（增強現(xiàn)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(chuàng)造的虛擬世界的技術(shù)[4]。

汽車是計算機程序創(chuàng)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(tǒng)將兩者結(jié)合在一起。

2.2 AR Kit

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

AR Kit的使用需要一定的軟硬件設(shè)施：①軟件。開發(fā)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(shè)備（iPhone 6s為A9處理器）。

3 總體設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

仿真產(chǎn)品的主要用途為科普，非專業(yè)的教學(xué)軟件，所以展示的結(jié)構(gòu)應(yīng)突出重點，達成受眾對新能源汽車核心部件結(jié)構(gòu)及基本工作原理的認(rèn)知，且重點展示部位應(yīng)逼真、視覺效果好。反之，受眾不關(guān)心或過于專業(yè)化的一些細(xì)節(jié)，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(guān)或不影響基本工作原理展示的部件數(shù)模不予體現(xiàn)。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

利用逆向開發(fā)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(qū)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(tǒng)，其中動力電池、驅(qū)動電機、高壓控制系統(tǒng)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(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(guān)系。

圖1 新能源汽車結(jié)構(gòu)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(tǒng)的邏輯關(guān)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(xiàn)了車輛在前行狀態(tài)、倒車狀態(tài)、制動狀態(tài)（能量回收）、充電狀態(tài)下的能量流動、傳遞，并通過傳動軸體現(xiàn)到車輪的轉(zhuǎn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)

該硬件組成簡單，容易操作。用戶在iOS設(shè)備上進行操作，通過視頻流接口，將iOS設(shè)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(shè)備上。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能

4.1 超現(xiàn)實感官

新能源汽車仿真模型與現(xiàn)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(huán)境中，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)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(xué)生書桌上，與學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境融入到一起，同時可以自由地控制旋轉(zhuǎn)、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(xiàn)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(huán)節(jié)，使用者可以根據(jù)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(shè)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(xiàn)部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，圖4（b）能夠細(xì)致入微地觀看內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖4 新能源汽車仿真模型透視

4.3 引導(dǎo)式啟發(fā)

新能源汽車電動化系統(tǒng)如圖5所示。以點擊屏幕按鈕的形式，設(shè)置具有邏輯關(guān)系的流程及銜接，配置語音講解和動畫演示，引導(dǎo)啟發(fā)新能源汽車科普知識，其余不涉及邏輯關(guān)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(tǒng)，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(tǒng)

4.4 交互式體驗

交互式體驗如圖6所示。在重要、復(fù)雜部件結(jié)構(gòu)原理展示時，設(shè)置互動體驗，使用者可以根據(jù)需要點擊部件。圖6（a）、圖6（b）分別是電池、電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆分，可由操作者自由實現(xiàn)部件的組裝和拆分，便于對復(fù)雜部件的結(jié)構(gòu)和原理的學(xué)習(xí)，增強互動體驗趣味性，寓教于樂。

圖6 交互式體驗

5 結(jié)論

基于增強現(xiàn)實技術(shù)的新能源汽車仿真產(chǎn)品開發(fā)，實現(xiàn)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(xiàn)實技術(shù)應(yīng)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(xùn)、科學(xué)普及中普遍存在的虛擬與現(xiàn)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(chǎn)品開發(fā)剛剛完成，還需要進一步收集相關(guān)效果數(shù)據(jù)以使產(chǎn)品改進。