虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽車設(shè)計中的應(yīng)用

趙奕瑋 付冬偉

【摘 要】概述了汽車設(shè)計方法的發(fā)展歷程，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行了介紹，并進一步論述了虛擬現(xiàn) 實技術(shù)在汽車總體設(shè)計中的廣泛應(yīng)用，指出了利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行汽車設(shè)計的廣闊前景。

【關(guān)鍵詞】汽車；總體設(shè)計；虛擬現(xiàn)實

一、前言

汽車是 CAD技術(shù)應(yīng)用最早的行業(yè)領(lǐng)域之一。現(xiàn)今已在一定程度上廣泛使用的 CAD技術(shù)相對于 傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計已引起了汽車設(shè)計方法的深刻變 革，使其設(shè)計進程加快，設(shè)計質(zhì)量也得到了提高。然 而，在汽車設(shè)計中，尤其是在設(shè)計的早期階段，設(shè)計 者往往要對大量的設(shè)計方案進行篩選和評估，而現(xiàn) 行的 CAD系統(tǒng)大部分采用標準的鍵盤和鼠標作為 輸入設(shè)備，對使用者提出了很高的專業(yè)技能要求，很 難實現(xiàn)流暢的人機交互，從而限制了設(shè)計者的創(chuàng)造 性思維。同時其操作的復(fù)雜性也使設(shè)計師無法在短 時間內(nèi)對眾多的設(shè)計方案進行考察。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（V R）是一門涉及計算機、傳感與 測量、仿真、微電子等技術(shù)的綜合集成技術(shù)，近年來 逐漸興起并迅速發(fā)展。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供的語 音識別和手勢等輸入設(shè)備，以及立體視覺、聲音、觸 覺等反饋系統(tǒng)，可以實現(xiàn)設(shè)計者和設(shè)計對象的多感 知交互，極大地節(jié)省了用于形狀描述和尺寸精確定 義的時間，為各類工程的大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化提供了 新的描述方法，從而縮短了產(chǎn)品開發(fā)時間，降低了開 發(fā)費用，有利于實現(xiàn)汽車車型的快速設(shè)計與開發(fā)，這 必將引起汽車設(shè)計方法上的又一次深刻變革。

二、虛擬現(xiàn)實系技術(shù)汽車工業(yè)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，縮寫為 VR）是通過計算機來構(gòu) 建一個虛擬的三維空間，用戶可以在這個三維的虛擬空間中 進行一定的體驗與感知，進而獲得一種與外界真實空間相類 似的“沉浸感”。虛擬現(xiàn)實技術(shù)與很多技術(shù)之間都有著緊密的 聯(lián)系，如：三維建模技術(shù)、圖形顯示技術(shù)、傳感技術(shù)以及人工智 能技術(shù)等。與傳統(tǒng)的人機交互系統(tǒng)不同，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是通過 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建逼真的三維場景模型，并對虛擬場景中的對象添 加一定的模塊進行處理，進而使用戶可以“身臨其境”的感知 這個逼真的三維世界，并獲得真實的人機交互體驗的技術(shù)。虛 擬現(xiàn)實技術(shù)使人們對人機交互技術(shù)有了嶄新的定義，對人機 交互技術(shù)的發(fā)展具有里程碑式的意義。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的 不斷發(fā)展，人們不斷拓展著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用范圍。虛擬現(xiàn) 實技術(shù)已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，

2.1整車虛擬裝配。

虛擬裝配技術(shù)主要是在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立汽車三維模型，能夠非常準確的反 映汽車各個部件的安裝關(guān)系，以及整車設(shè)計情況。并可以將各 個部件的數(shù)據(jù)直接保存進入數(shù)據(jù)庫，方便新車型的設(shè)計與開 發(fā)。通過應(yīng)用 3D 技術(shù)對零部件以及汽車其他部分進行虛擬 裝配分析，進而尋找設(shè)計裝配時的缺陷以及設(shè)計問題。在虛擬 裝配的過程中，首先需要對整個裝配的流程進行總體的規(guī)劃，并對裝配方案以及夾具等裝配件進行設(shè)計與工藝流程分析。最初階段，由于技術(shù)條件的限制，汽車產(chǎn)品以及零部件在裝配 過程中只能通過一些小的幾何模型來模擬評估，這樣就不能 充分體現(xiàn)產(chǎn)品的裝配效果，使裝配過程產(chǎn)生一定的誤差。進而 導(dǎo)致新車型汽車的研發(fā)周期變長，大大提高了開發(fā)成本。虛擬 現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)很好的解決了汽車零部件的裝配設(shè)計問題。通過建立“沉浸式”的虛擬操作空間，設(shè)計者可以在虛擬環(huán)境 中對零件進行虛擬裝配操作。運用虛擬現(xiàn)實的技術(shù)平臺，工作 人員可以完全真實的對各個零部件進行仿真裝配操作。通過 這種方法來發(fā)現(xiàn)裝配設(shè)計中的不足，進而設(shè)計出更加科學(xué)實 用的裝配方案，縮短裝配方案的設(shè)計周期。

2.2車身空氣動力學(xué)分析。

車身造型是決定整車空氣動力 學(xué)特征的重要因素。另外整車的操縱穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟性也 與整車的空氣動力學(xué)特征有著密切的聯(lián)系。汽車的空氣動力 學(xué)特征主要是通過風洞試驗來測試完成的。通過觀察在風洞 試驗場中油泥模型表面的變化，或者空氣流場來確定樣車的 空氣動力學(xué)特征。但是風洞試驗仍然存在一些問題，如：油泥 模型與樣車實物之間尺寸不同、等比例的油泥模型需要大尺 寸的風洞以及車身的設(shè)計造型需要更改時，必須重新制作新 的油泥模型，重新進行風洞試驗等。通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)來模擬虛擬風洞，工作人員可以通過 專用的虛擬現(xiàn)實三維顯示頭盔，真實的觀察到虛擬風洞中的 空氣流場，并且自身并不會對流場情況產(chǎn)生干擾。將繪制完成 的整車三維模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實的風洞中，工作人員就可以 全方位的觀察車身的空氣動力學(xué)性能，進而發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足。對其進行更加科學(xué)的改進，可以極大縮短車身設(shè)計周期，并且使其空氣動力學(xué)性能更加良好。

2.3車輛運動仿真

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以通過立體的三維圖像形式將車輛的運動仿真結(jié)果真實的展現(xiàn)出來。試驗人員可 以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的交互功能更改某些車輛的具體參 數(shù)，使人們能夠?qū)Σ煌r下的車輛運動情況進行多次仿真 分析，讓人們能夠更加準確地了解車輛的運動行駛情況。車輛 的運動仿真一般用在汽車設(shè)計開發(fā)以及汽車交通事故的動態(tài) 模擬。在交通事故的模擬再現(xiàn)過程中，交通事故處理部門通過 虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的動態(tài)三維模型的模擬仿真，來對分析事故 發(fā)生原因，判斷事故責任。由于現(xiàn)實中車輛的外形不同，需要 根據(jù)不同車型建立相應(yīng)的三維演示模型。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核 心就是建模與仿真，動畫模擬系統(tǒng)的核心功能是對交通事故 中車輛、行人、道路、天氣等元素進行三維建模，然后對模型的控制來對交通事故的場景進行仿真。當車輛在虛擬環(huán)境 中運動時，要產(chǎn)生真實的兩車碰撞場景，必須對參與碰撞的車 輛進行實時的碰撞檢測和響應(yīng)。

2.4車輛性能模擬評估。

車輛性能評估將成為虛擬現(xiàn)實技 術(shù)應(yīng)用的新方向。車輛操縱穩(wěn)定性的評定一般是通過對實車 參數(shù)進行測試的方法來進行評估，然后再通過一些理論的分 析與計算來加以調(diào)整。但是這種方法存在很多的弊端，首先 由于測量儀器，測試道路，天氣等原因?qū)е略囼灥闹貜?fù)性差，需要花費很長的時間才能夠獲得較為準確的測量數(shù)據(jù)，另一 方面測量數(shù)據(jù)中存在一些系統(tǒng)性的誤差，無法直接通過理論 分析計算的方法對整車的操縱穩(wěn)定性進行提高。因此，車輛 性能評估需要花費大量人力物力，而且增大研發(fā)周期。虛擬 現(xiàn)實技術(shù)能夠極大的促進車輛性能評估技術(shù)的發(fā)展。工作人 員可以將車輛的基本參數(shù)模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實的試驗環(huán)境 中，通過駕駛員沉浸式的模擬駕駛，來采集較為準確的不同工 況下的汽車振動、噪聲以及側(cè)向傾斜等基本數(shù)據(jù)。并且試驗得 到的數(shù)據(jù)較為準確且試驗本真的可重復(fù)性較好。這樣能夠較 早地發(fā)現(xiàn)汽車前期設(shè)計中的缺陷和不足，盡早做到優(yōu)化調(diào)整。

三、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是將多種先進技術(shù)進行融合的一種嶄新技 術(shù)，它的應(yīng)用潛力非常巨大。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷成熟，汽車工業(yè)會不斷與這種新技術(shù)相融合，使其應(yīng)用面不斷拓展。如汽車的虛擬設(shè)計、汽車虛擬裝配以及汽車虛擬實驗等。虛擬 現(xiàn)實技術(shù)在汽車工業(yè)上的應(yīng)用將打破那些傳統(tǒng)的汽車設(shè)計思 維，為汽車工業(yè)整個流程帶來一場變革。虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會使 虛擬現(xiàn)實中的汽車變得越來越真實。

參考文獻：

[1]趙沁平.虛擬現(xiàn)實綜述[J].中國科學(xué)（F 輯：信息科學(xué)），2016.

[2]許微.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2016.

（作者單位：長城汽車股份有限公司）