虚拟现实技术在汽车设计中的应用

张昊

北京现代汽车有限公司技术中心 北京市 101300

1 引言

在我国科技水平不断提高的背景下，市场在不断地发生着变化，给汽车行业带来巨大机遇的同时也带来了极大的挑战。为了在激烈的市场竞争中能够取得一席之地，汽车制造企业必须从设计开发上进行创新，生产出性能好、质量高、成本低的汽车。在汽车设计中利用虚拟现实技术可以改进传统设计方法中的不足，有效增强企业的研发水平，减少新车型的研发成本，并且减少研发周期，大大提高工作效率和质量。

2 虚拟现实技术的主要特征

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是在20世纪80年代由美国VPL公司的创始人拉尼尔提出。虚拟现实与主张虚拟和现实连接的增强现实不一样，属于可创建与体验虚拟世界的计算机仿真系统。利用计算机生成的三维立体图像可以创建虚拟环境，用户采用适当的传感设备进行交互，会产生身临其境的感觉。虚拟现实技术主要包括以下几个特征：

2.1 沉浸感

让客户可以沉浸于虚拟的环境里，并有在真实环境里相同的体验。最佳的模拟环境能够让客户分不出真假，在计算机创建的三维虚拟环境里可以从视觉、听觉以及触觉等方面感受到里面所有的东西。

2.2 交互性

客户在虚拟环境里可以主动感受，能够利用个人的动作获得不同的感受内容。比如客户用手抓住模拟环境里的虚拟物体，能感受到手拿东西的感觉，并感受到物体的重量，而且被抓的物体可以跟随手的动作做出相应的反应。

2.3 构想性

客户可以构想出虚拟环境，不但能把真实存在的环境再现出来，还能任意构想不可能发生或者客观不存在的环境。

2.4 实时性

客户发出指令之后虚拟环境会马上进行反应，具有很强的实时性。实时性不但在显示层面，还涉及设计层面，工作人员修改一些设计指标，能够马上看到相应的变化。同时，输入各种参数可以得出很多类方案，方便工作人员进行对比、分析与改进，最终可以设计出最优方案。

随着虚拟现实技术和虚拟样机技术的兴起，使传统汽车的设计方法和试验方法都发生了很大的变化。将虚拟样机技术设计的数字化汽车和虚拟试验环境有效结合在一起，通过让真实驾驶员实行仿真操作，可以将视觉、听觉以及触觉等作用于客户，让他们有身临其境之感，通过让客户、环境和车融为一体，能直接体会到汽车的振动、噪声和倾斜等效果，还可以安全地进行翻倾和碰撞等极限试验，这种方法解决了传统方法不能用数学模型表达驾驶员反应和感受等问题，工作人员能够在设计初期及时发现存在的问题，进行改进和完善，从而提高准确性，安全性，也可以为企业节约大量的成本。

3 虚拟现实技术的分类

虚拟现实技术根据硬件形态的不同可以分为三类，即PC端VR、一体机VR、移动端头显即手机VR。人们可以结合实际需求来选择，三类设备的具体特征为：

PC端VR，属于和电脑连接使用的专业设备，最常见的有HTCVIVE、Oculuc.，这种设备的游戏感很强，适应于游乐场等地。但对于可活动的互动体验，会受到数据线影响。

一体机VR有独立的CPU、输出显示和输入显示功能，而且不受数据线的影响，但是性价比较低。

移动端头显即手机VR可以放到手机里面直接观看，在虚拟现实设备中属于入门级的。若手机的分辨率大于1080P，就会有一体机VR的观感。

4 汽车虚拟试验系统

汽车虚拟试验系统包括输进模块、虚拟试验模块与性能评价模块等。在虚拟环境里加入汽车模型，能够按照客户的输进控制命令，分析汽车模型的动力学和运动学，通过分析数据在虚拟场景里“虚拟再现汽车试验过程”，让客户利用传感器感受并且体验到汽车的性能，并进行评价，结合评价结果可多次改进模型的各个参数，通过修改参数让汽车的性能达到最佳状态。

4.1 输进模块

输进模块通常用来输进车辆以及地面参数化模型等数据资料，在这个模块里，还能输进实车试验的各项数据，可以和虚拟试验做对比。

4.2 虚拟试验模块

虚拟试验模块通常包括动力学分析模块、虚拟试验运行模块与接口模块，动力学分析模块是结合汽车的参数化模型以及驾驶人员的行为对汽车的性能参数进行实时计算，给虚拟试验模块提供一些仿真数据。虚拟试验运行模块可以让客户感受到更真实的虚拟试验环境，在试验时能够实现虚拟车辆的各种状态变化，并把这些信息及时反馈给客户。接口模块可以把汽车的实时仿真运算部分、传感器以及虚拟运行环境部分和客户连接在一起。

4.3 性能评价模块

性能评价模块中，客户可以从虚拟试验中的体会到各类感觉，从而评价汽车的性能，结合评价结果对各参数进行优化修改。同时，还可以对虚拟试验和实车试验相比较，结合两者之间的差异及时修正汽车模型。

5 VR应用服务工具系统

针对汽车产品的需求，设计出的虚拟现实服务平台的各项应用工具层都是通过四个VR应用系统构成的。

5.1 汽车配置DIY体验系统

汽车配置DIY体验系统主要是利用VR技术实现的，相关设计人员能够结合客户的实际需求与偏爱对汽车进行个性化配置设计，主要从汽车的轮胎、座椅、轮毂、内饰、刹车片、仪表盘、外观等方面进行改进，通过沉浸式虚拟现实系统可以对设计方案进行展示评估，并验证设计的最终效果。同时，还可以身临其境地体验汽车改型之后的效果和整体性能，并对汽车配置设计DIY的效果进行验证。另外，汽车制造厂的设计人员与配套单位相关负责人之间可以利用这个系统直观地讨论分析汽车配置的各类更改问题。

5.2 汽车虚拟驾驶支持系统

汽车虚拟驾驶支持系统主要是利用VR技术实现的，可以通过半实物仿真对汽车进行模拟驾驶，而且适用于很多类型的汽车产品驾驶模拟对象与指定地方的景观环境与特殊路况。设计人员和驾驶人员能够在虚拟公路上驾驶虚拟的汽车，并以高度沉浸感的形式来对汽车驾驶的行为特征进行体验与评价，从而可以从操控性、视野、舒适性等方面来感受汽车的性能与各项功能，这样设计人员及可以通过数字样车的形式对汽车的可驾驶性进行准确的评估与验证，给设计汽车产品提供更多有价值的参考。

5.3 360°虚拟现实车展系统

360°虚拟现实车展系统主要是利用互联网技术与VR技术实现的。利用这种系统可以使汽车产品和各个配件以滚动的方式展现给客户，即把生动形象的车展放到网络中去，人们可以使用鼠标从360°全方位无死角的观看车展，展示对象主要有产品图片以及产品VR模型。这种方式能够作为正式销售汽车之前的有效辅助措施，可以大大减少汽车和配件等的销售成本，并扩大宣传面。

5.4 数字汽车产业园系统

数字汽车产业园系统主要是利用地理信息系统与VR技术实现的。利用这种系统可以对一些地方的二、三维地图、汽车制造厂以及相关配套单位的三维实体模型和景观模型等，建立数字化汽车产业园。将数字汽车产业园系统和汽车虚拟驾驶支持系统有效结合在一起，只要涉及出了一款新型的虚拟汽车，就可以让汽车产业园的相关工作人员和政府部门的相关人员驾驶这台虚拟汽车，在数字化园区里虚拟游览，然后利用地理信息系统分析数据并统计资料，同时能够可视化展现出来，从而感受园区现有人文景观和工业的实际情况，进而分析园区规划布局是否合理。

6 结语

随着我国社会经济的快速增长，人们的生活水平逐渐提高，对生活质量也有了更多的追求。很多人都愿意把自由时间放到出行活动上，而且在日常生活和工作中汽车也成了重要的交通工具。这些改变给了汽车行业更大的发展机遇，同时也面临更加激烈的市场竞争。为了给用户更好的驾驶体验，也为了进一步提高竞争力，汽车企业引进了虚拟现实技术，从思维习惯、开发形式、汽车推广等多方面进行了改革，让客户可以从虚拟环境中享受到真实的驾驶感受，促进了汽车行业更好的发展。