虚拟现实技术在汽车工业中的应用现状与前景

作者：东风汽车研究院 张尚娇 吴咏

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 摘要：介绍了虚拟现实、虚拟设计、虚拟制造等的概念，阐述了虚拟现实技术在汽车工业中的应用现状与发展前景。 关键词：汽车 虚拟现实 虚拟设计 虚拟制造 虚拟试验 1 引言 虚拟现实技术，是近年发展起来的高级计算机技术，是建立在计算机图形学、仿真学、并行技术、人工智能、多媒体技术及高性能计算机系统等技术基础之上的。目前世界上对它还没有一个确切的定义，不同的人对其有不同的理解。那么，何谓虚拟现实呢？比较有代表性的解释有下列三种： (1) 虚拟现实有时也称灵镜和幻境，英文名称Virtual Reality，简称VR，是一种可以创造和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。这里所说的虚拟世界是全体虚拟环境（Virtual Environment）或给定仿真对象的全体。而“虚拟环境”一般是指用计算机生成的有立体感的图形，它可以是一特定现实环境的表现，也可以是纯粹构想的世界。 (2) 虚拟现实是使人可以通过计算机看见、操作极端复杂的数据并与之交互的一种方式。 (3) 虚拟现实是一种媒介，它具有三维合成环境，人们可以按自己的意愿，从任选视点实时地在其中连续而自由地探测、考察和体验。 Virtual Reality 一词最早是由美国VPL公司的创建人之一Jaron Lanier 于20 世纪80 年代初正式提出来的，他认为，与传统的“人—机界面”相比，虚拟现实技术具有质的飞跃。传统的“人—机界面”是将用户和计算机视为两个独立的实体，将界面视为信息交换的媒介，用户将要求或指令输入计算机内，计算机将信息或动作反馈出来。而虚拟现实技术则将用户和计算机视为一个整体，通过各种直观的工具将信息可视化，用户直接置身于这种三维信息空间中自由地操作和控制各种信息，由此成为信息的主人。 虚拟现实技术具有多感知性（Multi— Sensory）、交互性(Interaction)、沉浸感(Immersion)、自主性(Autonomy)4 个重要特征。沉浸感是指用户有“身临其境”的感觉，而交互感是指用户可以用日常使用的方法对环境内物体进行操作。 全球虚拟现实技术发展方兴未艾，美、日、欧等工业国家预备将该项技术作为竞争未来市场的关键手段。对汽车工业而言，虚拟现实既是一个最新的技术开发方法，更是一个复杂的仿真工具，它旨在建立一种人工环境，人们可以在这中环境中以一种“自然”的方式从事驾驶、操作和设计等实时活动。并且虚拟现实技术也可以广泛用于汽车设计、试验和培训等方面。 2 虚拟现实技术在汽车工业中的应用现状 2.1 在产品设计中的应用 借助虚拟现实技术建立的3 维汽车模型，可显示汽车的悬挂、底盘、内饰直至每一个焊接点，设计者可确定每个部件的质量，了解各个部件的运行性能。这种三维模型准确性很高，汽车制造商可按得到的计算机数据直接进行大规模生产。 美国通用公司是全球汽车界最早利用虚拟现实技术的公司之一。它采用的虚拟现实软件具有3 个图形流水线部件，可分别投影在设计师的左边、前面和地面上的大屏幕上，另外一台单独的桌面系统有时用做右面的第四面墙，设计师借助于该软件就能设计一辆惟妙惟肖的汽车。 在通用公司的技术中心，当工作人员进入正在进行虚拟现实工作的工作室时，戴上立体滤色眼镜或头盔式显示器、数据手套等显示设备，在大屏幕上就可以看到和真实的汽车一样大小的三维立体图像，它具有完全真实的立体空间，人们可以围绕汽车来回走动观察，提出各个部位的改进设想，也可以在另一个设计室中，坐在汽车的座椅上，让各种各样的仪表板、变速杆及各种附属装置都显示在他们的眼前，还可以和坐在驾驶室另一侧的工程师一起，对汽车的内装置进行评价、改进。这种活生生呈现在你眼前的虚拟现实的情景，使你感到完全是身临其境，在用自己的想象创造一辆汽车。 而在福特汽车公司，产品设计师运用虚拟现实软件可以看到虚拟汽车车门及发动机罩的铰接，可以设想在驾驶室的座位上来解决人机工程和视野问题。也可以观察到汽车在乡村公路上奔跑的情景。同时，动力系统的工程师借助更换一个虚拟机油滤清器来模拟发动机的维护。 最近，位于美国威斯康星洲的一个名叫“M & L 汽车专家”的公司，用一种能产生汽车虚拟模型的计算机软件设计了一辆时速可达200 英里、取名为“扑食者”的轿车，该车是世界上第一辆不用图纸和黏土模型设计的汽车。这种软件不但能模拟显示汽车的外观形状，还可以模拟汽车的内部构造及运作情况。“扑食者”在设计时先把整车分成若干部分，设计者逐个部分进行修改，直到满意为止。然后进行组装，即使各设计好的部分组装成了一辆完整的汽车，仍可以对其进行整体修改。 在戴姆勒—克莱斯勒公司耗资巨大的梅赛德斯汽车设计中心里，设计人员可在该中心提供的“虚拟现实中心”的虚拟环境中进行工作，车身设计师可以在这里检查车体的线条和轮廓，检测车身表面的光洁度，分析汽车的空气动力学性能等。 据报道，通用和戴姆勒—克莱斯勒公司采用虚拟现实技术开发一种新车型的时间从1 年以上缩短到两个月左右，开发成本最多可降到原先的十分之一，而按常规，单单就车型开发时间看，新款汽车的设计，至少需12~18 个月。 在马自达汽车公司的汽车虚拟演示室，为了让顾客购买到理想型号的汽车，配有特制的头盔和手套。顾客可以通过头盔和手套，来改变汽车的颜色和构造。 2.2 在汽车制造中的应用 虚拟现实技术是虚拟制造系统的基础和灵魂，虚拟制造系统是由多学科知识形成的综合系统，是利用计算机支持技术对必须生产和制造的汽车进行全面建模和仿真，它能够仿真非实际生产的材料和产品，同时产生有关它们的信息。也可以制定零件生产的机加工方案、拟定产品检验和试验步骤等。 虚拟制造系统(Virtual manufacturing system)由虚拟信息系统(Virtual information system)和虚拟物理系统(Virtual physical system)组成。虚拟信息系统也叫虚拟逻辑系统，主要是用来模拟处理设计、管理、计划调度等制造活动中的信息；而虚拟物理系统是计算机对实际的加工车间、包括机床、材料、工人等进行建模，并在此模型的基础上进行仿真实际制造系统的制造过程。虚拟物理制造系统中的信息和实际的制造系统相一致，它是虚拟制造系统的关键。 虚拟制造技术的应用范围涉及到汽车的整个生命周期，它可以在汽车生产设备、工装和模具，甚至样车的设计之前，很容易地生产系统和工艺过程进行建模、修改、分析及优化。在汽车柔性生产系统（ FMS）、计算机集成制造系统（CMIS）的设计和应用中，就广泛运用了虚拟现实技术。 早在1997 年，福特汽车公司就宣称，它已成为第一个采用计算机虚拟设计装配工艺的汽车厂商。这些技术的采用可以极大地促进该公司更快地向市场推出新轿车、卡车。福特公司使用的是以色列Technomatix Technologies 公司所提供的软件。 据报道，在美国通用汽车公司，汽车设计师可以利用虚拟现实原型技术精心进行测试，工作人员可以驾驶虚拟汽车在虚拟公路上行驶，以便检查汽车的各种功能，或坐在驾驶室中检查视野情况等。此外，虚拟制造系统还被应用到齿轮的并行设计和装配以及机器人的训练等地方。 由于生产过程和设计过程都在使用同样的计算机虚拟模型和设备模型，因此，可以对设计、制造等生产过程进行建模，在产品设计阶段，实时地、并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造技术、产品的可制造性，从而更有效、更经济、柔性灵活地组织生产，使工厂和车间的设计与布局更合理、更有效，以达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计的最优化、生产效率的最高化。 日产利用虚拟现实技术，模拟生产线上的过程，它使用虚拟工具，虚拟机械手和虚拟雇员（穿着与日产汽车工人一样的蓝色制服），利用数据库中已经存在的CAD 信息模拟一种虚拟的生产线，使各生产过程中的不同问题呈现出来。 例如：日产曾用虚拟现实软件“试线”，模拟从仪表板上拆除气囊组件，这时发现挡风玻璃碍事，总装线上的工人得窝着脖子干活，由于预先发现了这一问题，并得到了及时解决，避免了正式生产时的麻烦。 2.3 在汽车试验中的应用 虚拟试验技术作为虚拟制造技术的一个环节，在汽车空气动力学及汽车被动安全性研究中正得到越来越广泛的应用，汽车被动安全性研究包括车身抗撞性研究、碰撞生物力学研究以及乘员约束系统和内饰件的研究。 虚拟试验方法的核心是有限元法和多刚体动力学的数值方法，它通过一定的前后处理程序和数据转换模板，以CAD 文件为输入，在计算机中模拟出与实际试验一样的环境。通过计算，得到试验报告。 设计师设计出的新型汽车是否合理，往往需要经过碰撞、风洞等测试加以检验。 最初检验新型汽车性能的方法是：先在一辆样车上放置木偶，加速后让它与墙壁碰撞，然后，再检测车身与木偶的受损程度，由此断定碰撞过程中，车与人的受力情形。这种方法，不仅存在着严重的误差，而且需先把样车做出来，费事费力。 而采用虚拟试验方法，则只需先用木材、黏土或陶土做一辆汽车模型，在风洞中测定其空气动力学数据，再把模型扫描进虚拟环境系统，把它放大成与真车一样的大小。通过虚拟环境系统模拟撞车，可以精确地把木偶的手或脚的受力情况反映出来，采用这个系统，可以减少约一半的设计费用及时间。 虚拟试验方法在中、外汽车界获得了日益广泛的运用 在代表世界汽车工业最高科技水平的F1 赛车界，每年参赛的赛车都要进行一项虚拟测试。这项测试的环境与真实的赛场毫无二致，同样是马达轰鸣、风驰电掣，惟一不同指出是没有车手参赛。在这种虚拟环境中，计算机忠实地展现出了F1 赛事中各个赛道中可能出现的情况，重点是虚拟出发生车祸后赛车能够提供给车手的保护，通过它判断赛车能否有效地保护车手不受或少受伤害。近几年，F1 赛坛车祸频发，而几乎没有车手因此丧生，无疑，这套虚拟环境系统功不可没。 3 虚拟现实技术在汽车工业中的前景展望 从总体上看，汽车工业应用虚拟现实技术开发、制造产品尚处于摸索阶段，目前，该项技术主要应用于概念车和车身内外模型的开发，另外在汽车装配中亦有少量使用。但随着虚拟现实技术自身的不断发展完善，人们有理由相信，它必将引起汽车各个领域的革命性变化。 3.1 敏捷制造/虚拟工厂 事实上，虚拟现实技术将广泛应用于汽车工业，主要是以美国工业界提出的一个敏捷制造/虚拟企业为契机的。1991 年，美国里海大学受美国国防部委托，牵头组织编写了《21 世纪制造企业的战略》的报告。在该报告中，首次提出了敏捷制造(Agile manufacture)和虚拟企业(virtual enterprise)的概念。他们认为敏捷(agility)是一种能使企业在无法预测、持续变化的市场环境中保持并不断提高竞争力的能力。 该报告设想到2006 年建立美国汽车（USM）公司，即实现汽车工业的敏捷制造/虚拟工厂，若该设想能如期实现，则可达到下列目的： (1) 每辆USM公司的汽车都按用户要求制造，每辆USM 公司的汽车从定货起3 天内交货。USM汽车在整个生命周期内有责任使用户满意，并且这种汽车能重新改造，使用寿命长。 (2) 用户可以利用USM 公司的图表、虚拟设计软件设计自己所需的汽车，并了解其售价、运行费用等。 (3) 用户初步选定车型后，可进行模拟试验，通过模拟试验或重选或提出意见，满意后办理订货手续。 (4) USM 公司工厂按年产6 万辆设计，同一条生产线上可装配其所有型号的变型车，数量不限。 (5) 在世界各地建厂，6 个月内投产。 (6) 4 个月提出一种新车型。 (7) 设计与制造能力匹配，产品设计与工艺设计同时进行，对全车设计与制造工艺进行虚拟设计和仿真。 (8) 设计通过后，有计算机选择所有制造设备，并投入生产。 未来敏捷制造/虚拟企业的模式将表现为由计算机网络控制的多个柔性制造单元组成的分布式自动制造与虚拟制造系统。 3.2 对并行工程的促进 不断发展的CAD、CAM、CAS(计算机辅助造型)、CAT(计算机辅助试验)、CAE(计算机辅助工程分析)等各个领域渗入虚拟现实技术 ，并形成一个具有集成性、并行工程的网络。各个虚拟现实工作室工作人员，可以在不同的地点、不同时间、不同场合进行虚拟现实对话，在进行产品设计的同时，虚拟现实技术有能力提供大量的数字化三维模型，对分析、研究、建立生产装配线、工艺流程、原材料品种和消耗、工厂费用和成本等，通过检测，最终选定一套最佳的工厂设计方案。 同时，企业领导、工程技术人员、经销商、供应商等，还可在该虚拟现实环境中，共同探讨各种产品的性能与市场前景，以便生产出用户满意的汽车产品，并且有关产品的供货合同、设计、生产、试验、储运等问题，都可以一并解决。 3.3 在产品试验中的应用 按传统的工作方式，汽车从产品设计到最后投产，期间不仅要经过几轮实车试装，以检验设计和工艺的合理性，而且要进行大量艰苦又费时耗力的野外试验，若利用虚拟现实技术，则可在计算机上虚拟各种试验条件，进行车辆的动力性、经济性等试验。 如虚拟风洞可以让汽车工程师看到模拟的空气流场，使人感到好像真的站在风洞里一样。试验人员把虚拟发动机放入这种“风洞”中，可考察发动机进气、燃烧、排气时气体流动的状况，观察热量在其零部件上的散发过程，以改善制动、排气系统的冷却性能。 3.4 供、销商介入汽车生产 以前，每当主机厂设计新车型时，经常因一些技术参数的更改而与零部件供应商进行反复沟通与协商，而这些沟通与协商几乎都是以邮件、传真等方式进行的，很不方便。 但在虚拟现实技术的环境中，主机厂工程技术人员设计新车型时，可要求主要零部件供应商将拟采用的零部件数据以CAD 及CAS 的方式输入主机厂的数据库，并让它们进入主机厂的开发网络，当主机厂修改设计方案时，与之配套的零部件也将实时进行修改，不必与供应商反复沟通与协商。 据悉，IBM 公司已开发了一种“汽车模拟开发系统”，该系统已不仅仅局限于车型开发，还可以提供给汽车生产商以下方面的模拟数据：市场调查、工程研究、数字化制造及产品模拟、测试、制造、产品支持、数据管理及使用、商业推广计划等。 3.5 人员培训 利用虚拟现实技术建立虚拟培训基地，对有关从业人员进行继续工程教育，关于这一点，可以借鉴航空界利用虚拟现实技术模拟飞行器的经验，设计模拟驾驶室，训练驾驶员。英国皇家装甲公司曾用虚拟现实技术对一种新的14.5 吨车辆进行了试验，创建立一种专用车辆训练软件。 4 小结 目前，我国汽车界对该项技术得实际运用尚处于起步阶段，仅在清华大学、天津中国汽车技术中心等单位的试验室有所利用。 其实，我国汽车生产企业运用虚拟现实技术，已经具备了不少有利条件，首先，一汽、二汽、上汽等大公司已有多年运用三维计算机软件（如UG、CATIA、PRO-E 等）进行产品设计的经验，且他们的产品大多已形成了CAD、CAE 等数据，可以很方便地将这些电子数据输入到虚拟现实环境中。 虚拟现实技术正渗入汽车工业的各个领域，如汽车的虚拟造型、虚拟设计、虚拟工艺制造、虚拟试验、虚拟装配等，它不仅为汽车开发人员创造了更为自由得工作环境，而且，从根本上动摇了一系列被视为经典的汽车产品开发理论和原则。虚拟现实技术的推广和应用将使汽车工业的思想概念、开发方式、部件供应、组织形式、市场竞争及人才培训方面产生全方位的创新和变革。在虚拟现实技术的未来发展中，虚拟汽车和真实汽车之间的界线会变得越来越模糊。 我国汽车界在推广和引进虚拟现实技术的时候，要从我国的实际出发，通过认真地研究外国先进技术和经验，努力探索出中国汽车工业迈向该技术的道路。 参考文献 1 汪成为等. 灵镜（虚拟现实）技术的理论、实践及应用. 清华大学出版社、广西科学技术出版社，1996 2 苏汉元等. CAX 技术与汽车工程. 上海汽车，1999（2） 3 周杰韩等. 虚拟制造系统与结构框架. 华中理工大学学报，1996（9） 4 袁清珂等. 虚拟制造系统. 中国机械工程，1995（4） 5 熊文等. 虚拟试验技术在汽车被动安全研究上的应用. 99 汽车安全技术会议，1999(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/12/2005)