汽車總布置開發過程中的虛擬現實技術應用探究

張學明 支希帆

東風柳州汽車有限公司 廣西 柳州 545005

引言

虛擬現實技術在當前階段有著廣泛的應用,將其應用于汽車總布置開發,能夠使得汽車整車前業務開發具備較為有效、方便、快速的開發以及評估工具,并且在一定程度上協助汽車工程師進行相關建設方案以及評估方案等的完善工作,這對于總布置開發的長遠發展有著積極的意義。要實現虛擬現實技術在布置開發中的合理應用,需相關專業人員根據自身的需求制定出對應的應用方案以及應用流程,以此來發揮出虛擬現實技術最大的功效,使其以最恰當的方式代替傳統形式的3D技術。

1 關于虛擬現實技術的相關概述

汽車總布置指的是汽車總體配置方案在得到確認后,對汽車的零部件以及總成進行合理空間布置,并對各項零部件的安裝位置以及結構尺寸進行校核,明確其是否能夠最大程度的滿足汽車整體的空間要求,在拆裝便利性、安全質量性以及與人體結構合理性等方面進行協調,使其達到最優程度。虛擬現實技術在汽車布置開發中的應用,為車輛布置以及整車開發提供了多元化的發展路徑。在當前階段,虛擬現實技術在模擬車型、虛擬內容建模、軟件技術相關平平臺、軟硬件設備等方面都有著較大的發展。此外在虛擬現實技術營造的環境中,在人機交互方面有著較大的進步,因此實現虛擬現實技術在汽車布置開發中的廣泛應用有著寬廣的發展途徑。

2 汽車總布置評估的虛擬可視化展示

虛擬可視化展示可從以下兩個方面展開論述:

2.1 汽車總布置痛點以及主要業務 汽車進行總布置設計突出的主要作用表現在以下五個方面:其一,整車系統裝配以及各個零部件的繼承,確保汽車的功能安全、空間間隙以及裝配性;其二,保證整車各項功能參數能夠實現空間的最佳利用,比如相關的法律法規、裝配、制造性、功能、人機界面、回收、售后以及碰撞等;其三,通過標準家人實現空間、視野、出行、內部適應性的布置,并進行對應的內部舒適性分析;其四,保證汽車制造、工程以及造型的可行性;其五,汽車布置結果的高質量完成,為汽車制造以及性能開發奠定堅實的基礎[1]。

在上述布置進行時會涉及到較多的零件種類以及數量,要保證零件的匹配性能以及布置特點,還要考慮車輛整體性能,但是在布置前期無法提供總成以及實物零件的狀況下,如何通過一定的方式發現前期布置中存在的舒適性、視野、干涉問題、裝配中存在的問題是所有所有車型布置開發中都會面臨的問題。

前期開發時,很多的三維設計缺乏好的評估工具以及驗證工具,傳統形式的做法仍然是通過CATIA、UG等3D建模軟件進行各項測量數據的比照。根據以往工作中的經驗將各項分值計算出來,然后參考對比各項競品車型,由此規劃出一個較為優質可行的方案,一般狀況下在大街店前會通過實物模型進行驗證,但是能夠據此進行驗證的內容相當有限,且驗證模型在構建過程中還存在著一些誤差,這使得實物評估時缺乏足夠的參考價值。此外實物模型一般有著較長的加工期與加工費用,零件與車型更新方案效率以及迭代效果極為有限,很多工程問題以及設計問題難以及時被發現,這就造成了造車過程中出現較多的問題,再進行返修就會耗費更多的資源。

2.2 虛擬現實技術的合理應用較大程度的助力汽車總布置評估 虛擬現實技術能夠給予汽車開發愈加真實與全面的評估感受,被越來越多的廠家用于工程領域以及汽車設計領域。當前工業領域應用較多的VR設備主要包括:虛實疊加AR眼鏡、頭戴VR設備、多屏POWERWALL系統以及沉浸式高清CAVA 系統等。根據使用需求以及使用場景的狀況的不同,各種類型的虛擬現實設備有著較為不同的使用模式,但是都會給予使用者1:1的真實體驗,讓使用者能夠從各個角度、各個位置在虛擬環境中觀察車輛的具體狀態,比如整體布置、車內各個空間感受、前方視野等,從而進行多種布置方案的科學對比[2]。

以下圖1四通道高清虛擬現實可視化系統為例,其結構組成為四塊大屏幕以及高清立體攝影儀,形成地面、左右以及中間全覆蓋的CAVA 沉浸式系統,同時為保證使用者能夠有準備的視點,借助光學攝像頭對評估者的位置進行實時追蹤,將使用者的實際環境與虛擬狀態下的環境進行坐標準換后,實現虛擬位置與現實位置信息較高程度的匹配,當使用者在虛擬環境中移動時,虛擬環境可實時更新自身狀態,從而有效保證使用者始終具備較好的視點。

圖1 四通道高清虛擬現實可視化系統圖

3 汽車總布置開發過程中的虛擬現實技術應用

汽車總布置開發過程中的虛擬現實技術應用可從以下三個方面進行簡單論述:

3.1 在評估需求方面的應用 汽車總布置在開發流程中有著至關重要的作用,總成以及零件質量的高低很大程度上決定著整車的性能以及客戶的體驗感,虛擬現實技術與傳統形式有著較大的不同,其評估范圍并不局限于汽車的線條、材質特征以及造型方案等,其還能夠在恰當位置進行準備的斷面分析、零件尺寸測量、空間體驗以及視野核對等。對比與造型問題,布置虛擬評估有著以下要求:

其一,車輛模型必須保證真實性,包括反射、燈光、陰影、材質等方面的真實性,還要對多種方案進行切換對比以及1:1展示,務必保證試點的準確性;其二,實物與虛擬場景的統一與結合,使用者可通過外部方向盤以及座椅等增強體驗感;其三,在標準假人H點位置進行評估包括后下后上以及前下前上視野、空間比例、方向盤遮擋、A柱視野遮擋、側視野等;其四,虛擬模型評估具備一定的靈活性,車輛以及零部件可實現自由旋轉以及移動,包含空間爆炸圖的生成,方便對零部件以及總成進行細致的核查;其五,在進行各項細節的查看時,還需斷面剖切車輛,并進行相關的角度測量、位置測量、所有gap范圍的準確測量等;其六,綜合評估分析汽車的儲物方案以及儲物狀態,比如在不同工程方案以及不同設計條件下儲物的不同狀態,以及物品在放置在儲物格中對應的動態模擬;其七,以真實場景為基礎的外部環境各種變化形式對評估造成的影響,不同天氣、不同道路下的具體分析以及外部各種動態變化等。

3.2 基于評估需求下的平臺定制化開發 在基于評估需求下的平臺定制化開發中,燈光陰影以及車輛模型渲染等可通過VRED或者UEC等官方渲染軟件來完成,視點位置的系列計算工作以及匹配工作可通過跟蹤定位球以及光學探頭實現。追蹤系統對定位球進行識別以及矯正后,即可實時獲取定位球位置。為提升評估真實性以及可靠性,配備對應的踏板、方向盤以及座椅等實物模型,如此可讓使用者在座椅上進行相關的評估工作,如下圖2所示,以此來提升使用者的體驗感,增加評估的真實有效性[3]。

圖2 配套實物

以UNREAL引擎進行的二次開發為基礎,開發一系列的定制功能,并讓這些功能實現與UI界面的合理集成,讓負責人員通過三維鼠標剖切車輛斷面,并進行角度測量、爆炸視圖、零件位置移動以及移動旋轉等操作,具體功能如下圖3所示:

圖3 功能應用

在車輛布置的早期開發以及評估過程中,通常會基于總布置端截面進行方案分配與排布的指導,但是在UG這些三維軟件中構建的布置圖,難以對布置體量感有一個直觀的感受,因此將數模方案以及總布置圖同步對應到構建的虛擬場景中,能夠最大程度的感受布置圖的合理性以及大小適宜性等,并有效檢驗總布置斷面圖與后期數模之間存在的差異性[4]。

不同場景下有著較為不同的評估效果,為配合上述過程中的評估結論,根據評估的整體需求以及實際狀況,進行對應場景的構建,包括各種形式的道路路面,如下圖4所示,包括隧道、高速、小區、城市、山區等,還包括專門用于高光測試的燈光架場景,根據時間推移造成的光照大小與強度變化,包括夜晚、上午、下午、正午以及清晨,不同天氣包括霧天、雪天、雨天以及晴天等[5]。

圖4 場景搭建圖

3.3 虛擬評估的應用范疇 上述的場景構建以及定制化方案,給了總布置方案評估以可靠的數據支撐以及較大的提升空間,并且已經廣泛應用于車輛開發各項業務中,尤其是人及舒適性、實物樣機、設計質量、零件布置方案、儲物狀態、斷面分析等。隨著虛擬現實技術的不斷探究與開發應用,其將會實現在更多場景中的應用?，F階段應用較多的場景如下圖5所示:

圖5 總布置各工況下的虛擬評估應用場景圖表

結語

綜述,通過虛擬現實技術的合理應用,制定出適應汽車前期總布置開發的相關方案,并得到相關的驗證工具,在進行軟硬件環境的構建之后,通過對于汽車總布置進行分析與驗證得出其具體的需求,然后在應用以及功能方面進行定制化開發,直觀且快速展示結構方案以及設計方案,對工程要求進行驗證與對比后,提供1:1可靠直觀的虛擬場景以及對應模型,較早的發現設計開發中存在的問題,并為相關人員提供較為可靠的決策依據,并為開發人員以及設計者提供較為完整的驗證工具,這在一定程度上降低了評估過程中對實物模型的依賴,在節省成本的同時縮減開發周期,這對于汽車行業的長遠發展來說有著積極的意義。