虛擬現(xiàn)實技術在汽車工業(yè)中的應用及其發(fā)展趨勢

曹競瑋　金瑋　邢亞鋼

[摘要]虛擬現(xiàn)實技術是在上世紀下半葉發(fā)展起來的新型信息技術，許多國家將其運用于制造工業(yè)中，體現(xiàn)出傳統(tǒng)制造業(yè)技術無法比擬的先進性和優(yōu)越性。本文詳述虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，并討論其在汽車工業(yè)中設計、裝配、實驗等領域的運用，簡要分析虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展前景。結合我國實際情況，得出該技術能促進我國汽車制造業(yè)的蓬勃發(fā)辰的結論。

[關鍵詞]虛擬現(xiàn)實技術 發(fā)展前景 汽車工業(yè)

[中圖分類號]TP391

[文獻標識碼]A

[文章編號]1672-5158（2013）05-0230-01 虛擬現(xiàn)實技術概述 虛擬技術、計算機通訊技術與網(wǎng)絡技術是信息技術最關鍵的三個組成部分，是21世紀科技的三大核心技術。自1962年美國Morton Heilig研制了街道虛擬器這樣的早期VR技術產(chǎn)品以來，虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Realty Technology，VRT）作為虛擬技術的重要分支，具有非凡的先進性和創(chuàng)造性，在近幾十年內蓬勃發(fā)展，體現(xiàn)出了未來良好的發(fā)展前景。

VRT是在計算機圖形學、計算機仿真、人機接口、多媒體以及傳感器等技術的基礎上發(fā)展起來的一門交叉學科.VRT利用計算機和電子技術來產(chǎn)生逼真的視、聽、觸、力等三維感覺環(huán)境，通過多通道用戶界面，綜合運用視覺、語音、手勢等新的交互通道、設備和交互技術，以實現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境中的對象的自然、并行、協(xié)作的人機交互。VRT產(chǎn)生的身臨其境的交互式仿真充分體現(xiàn)了其“3I”特征，即沉浸感、交互性、想象性。這些優(yōu)勢都說明了虛擬現(xiàn)實技術在制造工業(yè)中具有巨大的應用潛力。近年來許多國家在虛擬制造領域開展了研究與應用，主要包括產(chǎn)品外形虛擬設計、產(chǎn)品布局的虛擬設計、產(chǎn)品的運動和動力學仿真、熱加工工藝模擬、加工過程仿真、產(chǎn)品裝配仿真、虛擬樣機與產(chǎn)品工作性能評測、企業(yè)生產(chǎn)過程仿真與優(yōu)化和虛擬企業(yè)的可合作性仿真與優(yōu)化等方面。在產(chǎn)品的設計、制造、性能測試的過程中，克服了傳統(tǒng)的文本和二維工程圖紙單一且臨場感較差等缺點，極大地提高了產(chǎn)品設計的一次性成功率，節(jié)約了時間，提高了產(chǎn)品競爭力，避免了開發(fā)實際產(chǎn)品以及實地性能檢測帶來的高昂的費用。

1.虛擬現(xiàn)實技術在汽車行業(yè)的應用

汽車工業(yè)相當發(fā)達的國家，尤其以美日德為代表，將虛擬現(xiàn)實技術運用于汽車的設計、制造、性能測試中，獲得性能成本質量的最佳組合，保證了在汽車行業(yè)的絕對競爭力。與此同時降低了汽車設計的成本，提高了效率。

1.1虛擬設計技術

目前所采用的虛擬技術引入CAD環(huán)境，將便于模擬新產(chǎn)品開發(fā)過程中的一些性能，便于設計人員對產(chǎn)品的修改。設計人員也可以利用VRCAD系統(tǒng)，直接在虛擬環(huán)境中進行設計與修改。在對汽車的設計過程中，設計人員在交互環(huán)境的設計環(huán)境中，利用頭盔顯示器、具有反饋功能的數(shù)據(jù)手套、操縱桿、立體鼠標燈裝置，將視覺、聽覺、觸覺與虛擬概念概念產(chǎn)品模型相連。在此過程中，不僅進行虛擬的合作，產(chǎn)生身臨其境的感覺，而且可以實時地對虛擬產(chǎn)品設計過程進行檢查、評估、實地解決設計中的決策問題，使得設計思想得到綜合。在交互性的虛擬環(huán)境快速成型設備上，設計人員對虛擬設計模型的直接設計，提高了設計人員積極性與創(chuàng)造性。

1.2虛擬裝配技術

對于汽車的零部件的設計可以通過CAD等軟件得以實現(xiàn)，但是在現(xiàn)今大多數(shù)的汽車制造廠中，裝配環(huán)節(jié)絕大部分都是靠實際的經(jīng)驗去實現(xiàn)，很多設計問題只有在裝配的過程中才得以發(fā)現(xiàn)，而這往往會付出慘重的代價和昂貴的學費，也勢必會使得汽車制造廠的利潤下降和阻礙企業(yè)的發(fā)展。虛擬裝配技術在此種『青況下應運而生。在虛擬的裝配環(huán)境中，設計人員可以檢查各零件之間的裝配間隙和干涉，通過程序自動檢測裝配狀態(tài)。通過相關設備輔助，實現(xiàn)對虛擬場景中零件的抓取、移動、裝配等動作，大大地提高了設計人員的主動性、創(chuàng)造性。在虛擬環(huán)境中出現(xiàn)了裝配問題，可以在計算機中更改模型并重新生成，自動更新裝配圖，切實有效地提高了實地的裝配成功率，縮短了周期，降低了生產(chǎn)成本。

1.3虛擬實驗技術

汽車虛擬實驗就是把虛擬現(xiàn)實技術用于對汽車的實驗研究中，通過交互改變車輛參數(shù)、道路狀況、駕駛控制等實驗條件和參數(shù)，虛擬真實實驗，通過現(xiàn)代計算機分析得出運動數(shù)據(jù)，方便研究人員了解實驗全過程，以及假設、驗證理論的正確性。

汽車操縱穩(wěn)定性是一個典型虛擬現(xiàn)實實驗的例子。在建立虛擬系統(tǒng)的基礎上，可以獲得方向盤轉角、橫擺角速度、側傾角和側向加速度等能體現(xiàn)操縱穩(wěn)定性的要特征參數(shù)。同時配合單移線實驗的場景來動態(tài)觀察車輛本身以及參數(shù)的變化。虛擬儀表的設置，讓實驗者更加精確的知道汽車運行中的參數(shù)的變化。在加強場景的沉浸感方面，開發(fā)了雙視口的立體場景顯示效果。在此實驗中，綜合不同工況對車輛性能進行了虛擬檢驗。

國內在汽車方面虛擬實驗較為成功的有吉林大學的對汽車防抱制動系統(tǒng)（ABS）混合仿真實驗。建立了用于硬件在環(huán)仿真的車輛模型、ABS液壓系統(tǒng)模型等，并進行了硬件在環(huán)仿真實驗。將ABS實際部件嵌入到軟件環(huán)境中進行混合仿真，大大地擴展了軟件仿真的功能。為ABS的開發(fā)和實驗提供了平臺。

2.虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展趨勢

虛擬現(xiàn)實技術是上世紀80年代才興起的一門綜合性信息技術，遠沒有達到成熟的階段，但是其驚人的生命力，讓人們毋庸置疑在不久的將來，虛擬現(xiàn)實技術將滲透到信息系統(tǒng)的各個領域，改變人機交互方式。虛擬現(xiàn)實技術也大大滿足了以用戶為主體的要求。21世紀儼然是一個信息時代，網(wǎng)絡與計算機已經(jīng)十分普及，都已經(jīng)融人了人們的生活、工作和學習中。這都必將促進虛擬現(xiàn)實技術的蓬勃發(fā)展。

與此同時，計算機圖像壓縮技術與現(xiàn)實技術的不斷進步以及相應現(xiàn)實硬件的日趨完善，我們可以預測未來虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展動向，這種動向可以分為兩個方向。一方面是朝著桌面級虛擬現(xiàn)實發(fā)展，尤其以商業(yè)領域。許多大型公司開發(fā)桌面級虛擬現(xiàn)實來展示教育培訓以及仿真實驗等。另一方面是朝著高性能沉浸式虛擬現(xiàn)實發(fā)展。可以用于很多高科技領域，例如航空軍事訓練，模擬實驗等，由于某種特殊性以及追求方便和利潤，擇優(yōu)進行仿真實驗。目前國內外已經(jīng)建成了許多商性能的沉浸式虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)。

3.結束語

虛擬現(xiàn)實技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了長足的進步，其優(yōu)越性及其頑強的適應能力都使得人們不斷地發(fā)展新技術，促進虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展。21世紀是一個信息時代，知識就是力量這個真理得到了十足的驗證。我國已經(jīng)改革開放三十多年，整個社會正處于轉型和發(fā)展的新時期，汽車行業(yè)作為我國制造業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，其面臨著諸多挑戰(zhàn)和機遇。國際汽車市場的風雨變幻讓人捉摸不透，要在競爭激烈的市場中立于不敗之地，必須要依靠先進的設計、制造、實驗技術，縮短設計和生產(chǎn)周期，降低實驗成本，提高汽車產(chǎn)業(yè)的競爭能力和綜合經(jīng)濟效益。虛擬現(xiàn)實技術就是這樣一種能促使我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一項技術，其發(fā)展?jié)摿Σ豢晒懒俊?/p>

參考文獻

[1]縣小平.虛擬現(xiàn)實概述與發(fā)展趨勢.福建電腦，2008.3

[2]熊堅，曾紀國，宋健，汽車操縱穩(wěn)定性虛擬仿真的研究.汽車工程，2002