寶沃汽車基于物理臺架的汽車人機工程虛擬現實應用探索
2018-11-08 來源： 評論：0摘要：在先進制造業領域借助虛擬現實技術，可以實現虛擬產品設計、虛擬產品制造、虛擬生產過程、創建先進制造工廠、產品展示與維護等等。虛擬現實在完善產品設計、優化產品性能、提高產品質量和設計效率、降低開發成本方面具有重要作用。
當前，隨著計算機、傳感、網絡通信等技術的快速發展，虛擬現實逐漸向工業領域滲透應用，為制造業的研發、生產、管理和服務等各環節帶來了深刻變革，進一步推動了智能工廠的發展。在先進制造業領域借助虛擬現實技術，可以實現虛擬產品設計、虛擬產品制造、虛擬生產過程、創建先進制造工廠、產品展示與維護等等。虛擬現實在完善產品設計、優化產品性能、提高產品質量和設計效率、降低開發成本方面具有重要作用。
一、應用需求介紹
德國寶沃汽車集團是一家致力于為全球中堅階層提供智能產品及生態服務的德國汽車公司。其以革命性的技術、引領風潮的設計，全面的產品譜系、超過當時德國60%的出口份額，一度成為德國第三大汽車生產制造商。一直以來，寶沃汽車都以“增強創新研發能力、構建自主研發體系”為己任，在設計能力和創新方式上始終不斷升級。
經過多年的應用實踐和探索，寶沃汽車在智能制造、面向工業4.0可持續發展的大戰略引領下，選擇以虛擬現實技術作為新的發展方向，對設計流程中的數字樣機評審、快速造型評審、人機工程分析、整車架構方案布置、虛擬維修保障等各類應用提出了全新的需求。這些新的應用需求就需要在傳統的CAD設計基礎上，有一個面向工業應用的虛擬現實系統來實現上述不同的應用。該系統需要在產品的研發過程中，能夠在以下方面更有效地幫助用戶：
●對產品CAD數據進行數字樣機評審，幫助用戶快速進行設計審查，發現問題，提高效率；
●支持高逼真度的實時渲染，并且將渲染效果進行立體展示，可以在設計前期進行快速的造型評審；
●支持實時物理引擎計算的虛擬拆裝，使得工藝流程評審具有更高的置信度，獲得更為真實可信的評審結果；
●能夠對整車人機工程進行模擬評價，能夠輸出人機工程評價結果，同時還能夠支持以不同視角（第一人稱/第三人稱）進行人機工程仿真。
●對總體設計方案進行協同仿真評審，能夠讓用戶在同一個仿真環境下，從造型評審、人機工程、裝配工藝等不同維度進行協同評審。
但是截止目前，還沒有一個系統平臺能夠同時滿足以上所有需求，實現“造型評審”+“人機校核”+“數字樣機評審”的協同并行。經過多方調研和評審，寶沃汽車最終選擇與Longtek MakeReal3D平臺來共同開發“基于物理臺架的虛擬人機工程仿真系統”，該系統在傳統的CAD設計基礎上，引入了“物理臺架+虛擬現實”這樣創新的系統設計。
圖1 系統組成
二、為什么要用物理臺架？
為什么要在虛擬現實仿真系統的基礎之上，引入物理臺架這樣的硬件設備呢？這是因為，傳統的虛擬現實仿真系統是借助立體顯示系統（如CAVE）或者虛擬現實頭盔（如HTC VIVE）給用戶創建一個沉浸感十足的虛擬仿真環境，讓用戶有身臨其境的感覺。這樣的系統在游戲、展覽、房地產等領域取得了良好的應用，因為該系統滿足了用戶對于沉浸式展示的需要。
但同樣的系統在工業制造業領域的應用就顯得有一些不足，這是因為：一方面，純虛擬的仿真環境對于具體的作業任務而言，沒有實際的操作反饋，這會很大程度上影響用戶的操作體驗；另一方面，用戶在物理臺架上的操作可以認為是與仿真場景交互的輸入，這是實現真正“人在回路”仿真不可或缺的一環。有了用戶輸入，仿真場景才會給用戶反饋相應的輸出。
對于汽車用戶而言更是如此。我們都知道，汽車用戶是十分注重駕駛體驗的，而在仿真環境中做虛擬駕駛任務的時候，如果沒有方向盤，用戶握不到，不但沒有物理的操作反饋，更缺乏了仿真環境的用戶輸入。對于用戶來說，體驗感不佳的同時，也沒法很好地完成駕駛任務。這就是為什么我們要引入物理臺架的原因，物理臺架的重要性不言而喻。
圖2 虛擬駕駛
因此，為了滿足工業用戶的應用需要，我們特別提出了基于物理臺架的虛擬現實仿真系統這樣的解決方案。一方面，該解決方案具有所有傳統虛擬現實仿真系統的功能和特點，例如沉浸式立體顯示、實時驅動數字人體等；另一方面，該解決方案還提供物理臺架，可以給用戶提供實際的操作反饋，從而使得“虛擬”與“現實”真正地交互起來，獲得更好的用戶體驗，更高的操作仿真度，并且使分析評審的結果更為真實、可信。
圖3 半實物虛擬駕駛
三、解決方案：物理臺架+虛擬現實
為了滿足以上功能需求，我們在解決方案中設計了該系統的軟硬件組成。硬件方面主要包括：
●采用LED立體顯示技術及VR頭盔顯示技術，提供沉浸式的虛擬現實立體展示環境；
●采用光學動作捕捉系統，將用戶的動作與姿態與數字人進行匹配，可以實時地驅動數字人體；
●借助物理臺架，真正實現“虛擬-現實”交互，帶來更高逼真度的操作仿真效果，完成“人在回路”的閉環系統設計。
圖4 物理臺架
軟件方面主要包括：
●采用MakeReal3D虛擬現實仿真軟件平臺，可以快速地導入CAD數據、場景編輯、保留原始數據的完整結構樹以及特征屬性信息；
●可以進行漫游、標注、精確測量、剖切、爆炸圖等數字樣機評審，借助工業級別實時物理引擎可以進行虛擬裝配/維修評審以及工藝驗證；
●支持照片級的實時渲染，可以對不同造型方案進行虛擬評審；
●通過數字樣機模擬真實駕駛體驗，評審交通標識、車輛、行人等反饋的道路信息；
●對于虛擬現實環境下的人機工程分析，可以進行眩光、內飾、色彩搭配等主觀評審；也可以完成可視性、可達性、舒適性等人機工程分析；
●可進行多部門多人協同評審，支持局域網協同；
●進行制造環節中以人為中心的人機可操作性驗證；
●維修過程中人機工效分析與評估；
●支持柔性管線的創建及運動包絡分析，可進行柔性線纜和管路的布置、柔性裝配、柔性管路線纜的可維修可維護分析；
●錄制拆裝路徑與順序，輸出可交互式的電子文檔，以開展虛擬裝配、維修維護等培訓；
圖 5 基于物理臺架的虛擬人機工程仿真系統
我們希望通過引入物理臺架這樣的平臺，結合虛擬現實技術，提出一種更完備的解決方案，能夠給用戶帶來更逼真的仿真效果以及更好的操作反饋，從而提高交互體驗，幫助用戶大大的節約研發時間和研發成本，讓虛擬現實在工業制造業領域得到更好的應用和發展。
四、結論
通過虛擬現實技術的研究和引入，主要集中在以下幾個方面：
●彌補缺失的物理樣機，減少昂貴的物理模型和物理樣機，
●虛擬樣機促進并行工程的開展，更好的設計理解、評估和實驗；
●優化并促進工作協同，直觀可視的決策制定流程；
●真實的體驗交互式解決方案，建立對產品的準確理解，制定準確的產品策略。
技術發展越來越快，新的軟件和硬件的在快速迭代，VR/AR的想象空間是無窮無盡的，未來我們將嘗試在汽車產品設計、制造、營銷、使用、維護等生命周期各環節中引入VR/AR技術。
案例提供商
北京朗迪鋒科技有限公司是一家專注于虛擬現實技術工業應用的高科技企業，公司自創立以來一直致力于虛擬現實技術在工業應用場景的落地、深化及推廣。始終堅持發揚“協作、創新、恭敬、敬畏”的企業價值觀，以“虛擬成就現實，創新驅動制造”為公司使命，基于虛擬現實技術為客戶提供卓越的解決方案，并已形成一套完善的設計、開發、部署、培訓、維護整體服務體系。
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