虚拟现实技术在汽车设计中的应用

周军　李瑞方

摘 要：介绍了基于虚拟现实技术搭建的虚拟现实系统，并从外观设计评审、人机交互部件设计评审、虚拟性能评审与异地协同、虚拟展示这四个方面介绍了该系统在汽车设计中的应用情况。

关键词：虚拟现实技术 VR 汽车设计

国内汽车企业仍以物理试验为主，仿真为辅的开发模式，导致了产品研发周期长、开发费用巨大、生产与研发脱节等问题。物理样机的局限性使汽车开发中的很多方案无法充分验证，使用虚拟仿真替代物理样车是制造发展的必然趋势。面对虚拟现实VR（Virtual Reality）掀起的信息技术创新革命，VR技术已在国防军事、航空、航天、轨道交通等领域广泛运用[1-4]，在汽车行业的应用相对较少。虚拟现实仿真技术即将成为未来工业生产最大的驱动力。

吉利依托于整车研发流程为契机，充分识别与VR相结合的业务需求，如图1所示，搭建了一种基于投影的虚拟现实系统——CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）沉浸式交互系统，它是由围绕观察者的五个投影面组成，如下图所示。五个投影面组成一个立方体结构，其中四个墙面采用背投方式，地面采用正投方式，如图2所示。

通过使用三维交互式系统进行设计评审，为企业决策者提供不同于以往的决策环境，对准确了解设计意图、状态、问题，加速决策流程提供更快捷的方式，在汽车行业制造设计方面主要体现在以下几个方面：

1 外观设计评审

通过对车身数据分层处理，根据不同的部位和需要达到的不同感受选用材质，设置不同的光照效果，高度还原真实仿真场景，利用VR技术可以实现1：1的仿真感受。

1.1 造型评审

通过实验室的沉浸式可视化设备如立体眼镜和六自由度的头部跟踪装置，通过手柄对模型进行动态实时交互，改变配色、轴距、背景以及查看细节特征结构，快速实现对造型CAS数据着色和渲染，形成立体三维虚拟造型，从多个角度全面观察，并实时进行调整，从而使整个评审过程简单、明了，使抽象的概念具象化、模糊的印象清晰化。采用VR环境评审代替传统油泥模型制造与评审，提高造型评审效率。

1.2 材质和颜色评审

依据光影和环境反射可以真实展示实车纹理，通过材质设定，实时将纹理应用到零件上，并评估可能出现的工艺瑕疵等设计问题。在这个过程中我们可以直观判断设计纹理样板是否与整体效果协调一致，设计师可以第一时间看到效果，在同一环境下，实现多个方案的评审和对比，详见图4，图5。

2 人机交互部件设计评审

涉及到人机交互的部件，主要包括座椅、转向盘、变速杆、指示灯、后视镜、刮水器、车门手柄、多媒体娱乐以及空调等，产品设计师可以借助于VR数据手套和全身动捕系统来进行设计开发，虚拟现实系统通过第一人称视角为设计者、决策者提供产品体验的环境，以评审产品设计是否满足驾、乘人员的体验要求。如：开闭件的合理性、上下车的便利性，以及人机界面操作的合理性、便捷性，都可以有效地在虚拟现实中获得直观真实的感受。

1）中控人机交互评审

通过虚拟工具，产品开发工程师可以坐在汽车的座椅上，看到真实的驾驶室布置情况，观察各式各样的仪表板、变速杆及附属装置，检查座椅的高低是否合适、仪表的按键是否在手可触及的范围之内、手指操作是否方便，以及车内采光效果如何等，从而进行更细致专业的调整（见图6）。

2）驾/乘人机工程

对于车辆的使用，需要考虑到车辆使用者（驾驶员和乘客）的人机工程要求。诸如行李箱的开启与关闭等过程对人机工程的要求。过高的行李箱张开角度能够解决大行李的装卸问题，但对于身材较小的女性用户而言，可能会带来使用过程中的不良用户体验。使用软件的人机工程仿真，通过虚拟人体模型的操作体验，可为决策者和设计者提供产品修改的依据。

3）制造/维修人机工程

在车型正式上线装配前，对涉及到的虚拟装配任务进行研究[5]，利用全身动作捕捉技术跟踪每个员工手臂、背部、腿和躯干的平衡和受力，保证装配的动作满足人机工程要求，评估装配过程中的视野、肢体可触范围和物体拿放高度等，制定合理的装配方案，确保复杂、精密部件的装配过程符合基本人机工程学要求，避免由此导致的错装、漏装等质量问题，实现产品的操控性、可视性、可达性、舒适性、安全性。同时，使用虚拟现实系统对维修过程的人机工程学检查，确保车辆可维修性和便捷性，提高产品质量和效率。也就是说，沉浸式虚拟现实技术提供了额外的一次零件装卸可行性评估。

在已量产的汽车生产线上，将虚拟现实技术与人体工程学设计相结合，收集相关的操作数据，使用计算机模型来预测装配工作中可能存在的身體碰撞或者其他的不安全因素，提前制定相关防错或预防措施。通过测量生产线上工人的装配安装操作动作和流程，识别可能会导致的过度疲劳、劳损或受伤的操作流程和工作内容，制定整改措施，降低劳动强度，提升员工满意度。

3 虚拟性能评审与异地协同

3.1 虚拟性能评审

虚拟现实系统在重视视觉的效果真实的基础上，也专注于工程需求，通过多来源数据的集成，不仅可以查看产品结构数据，还可以随时查看有关性能的仿真数据。将研发阶段中采用传统的、分散的图表、曲线等各虚拟性能表达方式集成为逼真的真实感受进行感知评审，提高性能评审效果与质量（例如NVH噪声分析，将原来的曲线表达方式转换为空间立体声音呈现出来，更直观和有效）。于此同时，通过软件功能开发，对CAE不同学科计算结果数据的再处理，还能够提供一般后处理工具无法实现的实时机构运动仿真、管线路仿真和人体模型仿真，进行性能的深层次研究与提升。

例如：在进行整车碰撞仿真后，后处理工具可对碰撞变形进行显示，还能够将假人模型放置在变形后的车身内，以评估碰撞变形后乘员的逃生空间;还能够将电池作为仿真对象，研究碰撞变形后，汽车电池能否拆除等装配问题（图9）。

3.2 异地协同

通过动作捕捉系统，操作者可以身临其境地在虚拟产品中漫游，并切换为第一人称视角，对产品进行真实视觉尺寸的交互式体验，指导产品设计通过手柄可以便捷的对产品零部件进行实时的拖拽、移动、隐藏等动作，增加了评审的效率与手段的多样性。

数字化设计可以打破时间和空间的距离，数字化信息的传输速度非常可观，不受访问人员数量和地域的限制，使异地协同设计成为可能。可将不同地域的用户同时纳入一个评审系统中同时进行设计的评审，例如在一个评审中心打开需要评审的模型，进行移动、装配、交互等动作时，在其它地域参与评审的用户也可以实时的得到反馈，他们可以获得跟上述操作者一样的视觉效果，同步的移动、装配、交互等动作的可行性及评审。

3.3 虚拟驾驶评审

基于六自由度虚拟驾驶平台，建立“人在环”仿真开发平台，开展动态评审，包括虚拟调教、模拟复杂和危险道路的车辆行为、主动安全与驾驶等。基于虚拟现实技术，利用汽车驾驶模拟器能正确模拟汽车驾驶动作，以视、听、触觉等作用于操作者，使操作者能产生沉浸感交互感和，获得实车驾驶感觉。

如车辆操纵稳定性评审，传统条件下，一般采用实车试验方法以及理论分析与数值仿真方法进行研究，实车试验方法受约束条件很多，如测量仪器、道路、驾驶员、天气等，而且周期长，需要花费大量的人力、物力和财力。虚拟样机以及虚拟现实技术的出现，使车辆性能的研究方法有了很大飞跃。将车辆的参数化模型与复杂的虚拟试验环境相结合，用真实驾驶员进行仿真驾驶，以视、听、触觉等作用于操作者，使之产生身临其境的感觉[6]，体验汽车的振动、倾斜、噪声等效果，在设计早期可及时发现问题，进行调整优化，具有节省资金、可重复性强等优点。

4 虚拟展示

依托虚拟现实系统提供对外宣传平台，向来访贵宾展示吉利具备国际水平的沉浸式可视化的虚拟产品开发能力与技术，亲身体验吉利在研发设计阶段先进的虚拟性能开发、生产制造阶段先进的数字化工厂，从虚拟概念设计到产品生产全生命周期的开发过程，为吉利自主品牌勇于创新、精品开发与制造的形象提供了很好的宣传平台。

4.1 制造工艺和流程展示

通过虚拟现实系统和虚拟生产系统相结合，可以让参观者戴上设备在虚拟环境中参观工厂，缩短汽车制造商与客户之间的距离，增强与客户的互动，更好地了解客户的需求，并将需求转化到产品设计中。

4.2 产品和功能展示

在品牌与销售市场端[7]，通过虚拟现实系统平台打造专门为年轻消费者设计的游戏或者体验项目，让汽车品牌触达消费者，与消费者建立新的沟通路径。消费者可以通过虚拟现实设备进行悬着和虚拟驾驶，为其提供个性化的车型配置和内外饰的选择，真正实现个性化的定制和生产。通过VR带来的有趣体验，建立起汽车品牌与消费者的情感链接，刺激消费者的行动欲望，从而带动销售转化率。

数字化虚拟设计与验证是汽车产业发展的趋势，在车型设计开发过程中，集成数字化设计和虚拟开发技术即可实现设计方案优化、性能仿真、验证和评价的全过程，省去实物样车制作和试验验证，做到零试制。与传统制造相比，节约人力成本的同时也降低了设计过程中对人工操作能力的依赖性，极大地减少材料浪费，真正实现柔性化、个性化设计。

参考文献：

[1]帅朝林，陈雪梅，邱世广.虚拟现实技术在航空智能制造中的应用思考與展望[J]. 航空制造技术.2016（16）.

[2]许松林，朱志胜.虚拟现实技术在客舱选型中的应用研究[J].航空计算技术. 2020 （04）.

[3]田涛，孙忠云，苏锋.基于虚拟现实技术的某型飞机几何建模方法研究[J]. 国防制造技术.2017（01）.

[4]于海滨.基于虚拟现实技术的航空发动机机务训练系统[J]. 科技信息（科学教研）. 2007（17）.

[5]冯帆，杜江，乔虎，白瑀.机械产品装配信息在虚拟现实环境中的表达[J]. 机械. 2018（11）.

[6]张昊.虚拟现实技术在汽车设计中的应用[J]. 时代汽车.2018（10）

[7]田岩，李任君，贾钟书，周钰斌，宋雅诗. 虚拟现实技术在汽车领域的应用及发展[J]. 汽车科技.2019（05）.