汽车总布置开发过程中的虚拟现实技术应用

毛婷婷

摘要：本文阐述了汽车总布置工作在整车开发流程中的主要内容及业务痛点，基于总布置开发业务需求及痛点，提出了虚拟现实技术辅助汽车工程总布置评估的解决方案，研究虚拟现实软硬件环境设计与搭建，虚拟模型渲染数据制作，以及基于评估需求的功能和应用定制化开发，为整车前期业务开发提供快速、方便、有效的评估和开发工具。

关键词：虚拟评估;CAVE 系统;总布置开发;H点视点追踪

1  概述

汽车总布置是指在汽车的总体配置方案确认后，要对总成和零部件进行空间的合理布置，并校核初步选定的各个部件的结构尺寸与安装位置能否满足整车空间尺寸的要求，使其在安全性、拆装便利性以及与人体的关系合理性等多个方面协调可靠，达到最优结果。

近年来，虚拟现实技术为整车企业工程开发和车辆布置提供了多样化的解决方案。虚拟现实技术从硬件设备、软件技术平台、虚拟现实内容的建模，及虚拟车型展示的真实性都有了较大的发展。同时在虚拟环境中的人机交互上也有了更大的进步，因此让虚拟现实技术真正高效的辅助汽车工程开发，缩短研发周期，降低研发成本是一项非常重要的研究课题。

2 ; 汽车总布置评估的虚拟可视化展示

2.1 汽车总布置主要业务特点及痛点

汽车总布置设计的主要作用有如下：①整车零部件、系统装配的继承，确保其装配性，空间间隙和功能安全;②实现功能参数的最佳空间利用，如法律法规、碰撞、人机界面、功能、制造性、装配、售后和回收等;③采用标准假人来布置内部适应性及进出行、视野，空间以及舒适性分析等;④确保造型，工程及制造的可行性;⑤完成汽车布置结果，为产品性能开发和制造提供基础。

以上的总布置主要过程中，涉及到的零件种类和数量都非常庞大，既要保证零件布置和匹配性能好，又要保证整体车辆性能满足要求，而在前期无法提供实物零件和总成的情况下，如何发现前期布置的装配问题，干涉问题，视野以及人机舒适性等问题，是所有开发车型项目中都会面临的问题。

在汽车前期开发过程中，大部分的三维设计往往都没有较好的验证和评估工具，传统的做法仍然只是基于3D 建模软件如UG，CATIA中进行各组测量数据的对比，如图1所示，基于以往经验计算各项分值，以及竞品车型的参考比对，从而综合得出一个较优方案，虽然在几个大节点前也会加工实物模型来验证，但验证的内容非常有限，再加上验证模型制造误差等，使得我们在实物评估时常常比较被动;同时实物模型的加工时间较长，加工费用也较高，车型及零件更新方案迭代效果和效率都有限，使得很多设计及工程问题很难在早期被发现，往往到造车时再发现这些问题时，有些更改时间上已不允许，而有些更改则需耗费巨大的人力物力。

2.2 虚拟现实技术助力总布置评估

由于虚拟现实技术能为汽车工程开发提供趋于真实的评估感受，被越来越多地运用在汽车设计及工程领域。目前工业上主要投入使用的VR设备主要有沉浸式高清CAVE系统（多通道高清可视化系统），多屏POWERWALL系统，头戴式VR设备，虚实叠加的AR眼镜等，基于使用场景的不同，各类虚拟现实设备使用模式也不同[2]。但他们都无一例外的为工程师提供1：1尺寸的基于真实场景和真实车型材质方案的虚拟车辆模型，让评审者可以走进虚拟现实环境中，从各个不同的角度和位置查看车辆状态，如前方视野，反射，車内空间感受，整体布置状态，以及进行多个方案的对比评估。本文主要提供一套4通道高清虚拟现实可视化系统，以及头戴式VR眼镜，为汽车总布置评估提供一套完整的可视化评估方案。

4通道高清虚拟现实可视化系统如图2 所示，采用4K高清立体投影仪，配备4块大尺寸屏幕，形成左、中、右、地面的沉浸式CAVE 系统，同时，为保证评估者的视点准确，利用光学摄像头，追踪评估者位置，将实际评估者环境与虚拟环境的坐标准换后，进行虚实位置信息匹配，在评估者位置移动后，场景根据人体位置实时更新，保证评估者视点准确无误，从而除了保证真实客观的观感之外，还保证了评估位置的精度需求。同时CAVE系统中人眼佩戴的眼镜轻便，并未与真实环境隔离，既能观看虚拟环境中的车辆，又能感知到现实环境，从而给评估者提供了非常舒适轻松的评估体验。

传统的汽车工程开发流程[3]如图3（a）所示，其工程节点评估主要依靠在3D软件中的测量数据比对，以及各种BUCK实物模型来验证，3D软件中的模型真实感不够，设计者和评估人员无法切身感受真实的零件状态，而BUCK实体模型的制作周期长并且投入成本相对较大，更重要的，如若方案不通过，零件或者总成的局部更新，又将耗费更高的研发成本及更长的制作周期，而引入虚拟现实技术进行工程开发评审，能在各个评审节点上减少对实体模型的依赖，通过部分虚拟模型对比评估，优化评审模式，能有效减少实体模型的制作，缩短研发周期，使得汽车工程研发流程更加灵活、快速、高效。

3  基于虚拟现实技术的汽车总布置定制开发

3.1 汽车总布置虚拟评估需求分析

汽车工程总布置在整个汽车开发流程中起着关键性的作用，零件及各大总成布置匹配的好坏，将直接影响客户的体验和使用，也影响整车各项性能。虚拟现实技术手段辅助整车总布置评估工作，与造型评估还有很大的不同，它并不仅仅只是评估造型方案、材质特征、线条等，更重要的是要能在准确的位置上做相关的断面分析[1]，视野校核比对，空间大小体验，内部零件尺寸测量等。相比造型，工程总布置虚拟评估对精度的要求更高。

因此工程总布置评估对虚拟模型评估提出了以下要求：

①真实的车辆模型，包括真实的材质，阴影，灯光，反射表现，多方案切换对比， 1：1比例展示，并且视点准确。

②虚拟场景与实物结合，评估人员可依靠外部的座椅方向盘等，在虚实结合的环境中增强评估体验的可靠性。

③在正确的驾驶位H点（标准假人H点）处的评估，包括前上前下视野，后上后下视野，侧视野，A柱视野遮挡，方向盘遮挡，空间比例等。

④基于虚拟模型评估的灵活性，需对所有车辆及零部件进行自由移动和旋转，包括生成空间爆炸图，方便对车辆总成及零部件进行详细核查。

⑤查看各项细节的同时，需在环境内进行车辆断面剖切，各gap范围的测量，位置测量，角度测量等。

⑥评估储物状态及方案，不同设计及工程方案的不同储物状态对比，以及将物品放置在相应储物格内的动态模拟。

⑦基于真实场景的外部环境变化对评估的影响，不同道路及天气情况下的评估，外部动态变化等。

3.2 基于总布置评估需求分析下的虚拟平台定制化开发

基于上一段的总布置评估需求分析后，开展基于需求的定制开发，其中车辆模型的渲染，灯光阴影等通过unreal官方渲染软件UE4或VRED渲染软件来完成，而其中的视点位置计算与匹配则通过光学探头和定制的跟踪定位球来实现。追踪系统正确识别并矫正该定位球以后，则只要定位球对追踪系统可见，就可获得其在四通道高清可视化系统环境中的正确位置。

为增加评估的可靠性和真实性，配备对应的座椅，方向盘，和踏板等实物模型，尤其是进行车内各项评估时，可以让评估人员坐在座椅上进行方案评估（如图4所示），给评估人员带来更真实的体验感受的同时，也保证评估的准确性和有效性。

基于UNREAL引擎的二次开发，实现了相关的定制功能开发，并让这些定制开发功能与UI界面集成，让评估人员利用三维鼠标在虚拟场景中对车辆进行断面剖切，移动旋转，零件位置移动，爆炸视图，gap距离测量，角度测量，以及手电筒高亮目标区域，虚拟模型与总布置断面叠加等，具体功能应用如图5所示。

在早期的开发和评估中，常常是在总布置断面图[1]的指导下进行方案排布与分配，而在UG等三维软件中的总布置图，无法直观感受布置的体量感，因此，将总布置图及工程数模方案一起对应到虚拟场景中，可以实际感受总布置图的大小方案，检验后期数模与总布置断面图的差异。

不同场景下的评估效果不同，为配合以上评估，根据评估需求，专门定制搭建了一套场景工具，场景包括不同的道路路面（如图6所示），如城市，乡村，小区，高架，高速，隧道，以及专门进行高光测试的全亮灯光架场景;按照时间变化光照强度和大小变化，包括清晨、上午、正午、下午、夜晚等;不同天气情况设置，如晴天、雨天、雪天、大雾天等。

3.3 虚拟评估在总布置中的应用范畴

以上的定制化评估方案及场景的建立，为总布置方案评估带来了极大的提升空间，已全面应用于各开发业务中，尤其在视野对比，断面分析，储物状态，零件布置方案，设计质量，实物样机，人机舒适性等等。随着虚拟现实技术的深入应用，后续将不断开展更深入的应用研究，不断扩充总布置开发的更多应用场景。目前可开展的虚拟评估场景如图7所示。

4  结论

本文提出了一套汽车前期总布置工程方案的验证工具和方案，利用虚拟现实技术搭建软硬件环境，通过分析汽车总布置验证需求，进行功能和应用的定制化开发，快速并直观展现设计和结构方案，并精确工程要求，验证及对比不同方案，提供一个1：1直观可靠的虚拟模型和场景进行验证，及早发现设计和开发过程中的大量问题，为评估人员提供快速决策的依据，也为设计者和开发人员提供一套完整的快速验证工具，减少了评估人员对实物模型的依赖，极大地降低了开发成本，大大缩短开发周期。

参考文献：

[1]张英，张珍，段兴德.通过典型断面来实现汽车总布置设计目标[J].汽车工程师，2016（9）：37-39.

[2]徐青松.虛拟现实在汽车领域的应用现状[J].汽车与配件2017（29）：60-62.

[3]尹民鑫，高文杰.汽车总布置评审流程.机械工程与自动化 [J].2015（08）：207-208.