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寶沃汽車基于物理臺(tái)架的汽車人機(jī)工程虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用探索

2018-11-08   來(lái)源：   評(píng)論：0
摘要：在先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)、虛擬產(chǎn)品制造、虛擬生產(chǎn)過(guò)程、創(chuàng)建先進(jìn)制造工廠、產(chǎn)品展示與維護(hù)等等。虛擬現(xiàn)實(shí)在完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率、降低開(kāi)發(fā)成本方面具有重要作用。
　　當(dāng)前，隨著計(jì)算機(jī)、傳感、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)逐漸向工業(yè)領(lǐng)域滲透應(yīng)用，為制造業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等各環(huán)節(jié)帶來(lái)了深刻變革，進(jìn)一步推動(dòng)了智能工廠的發(fā)展。在先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)、虛擬產(chǎn)品制造、虛擬生產(chǎn)過(guò)程、創(chuàng)建先進(jìn)制造工廠、產(chǎn)品展示與維護(hù)等等。虛擬現(xiàn)實(shí)在完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率、降低開(kāi)發(fā)成本方面具有重要作用。
　　一、應(yīng)用需求介紹
　　德國(guó)寶沃汽車集團(tuán)是一家致力于為全球中堅(jiān)階層提供智能產(chǎn)品及生態(tài)服務(wù)的德國(guó)汽車公司。其以革命性的技術(shù)、引領(lǐng)風(fēng)潮的設(shè)計(jì)，全面的產(chǎn)品譜系、超過(guò)當(dāng)時(shí)德國(guó)60%的出口份額，一度成為德國(guó)第三大汽車生產(chǎn)制造商。一直以來(lái)，寶沃汽車都以“增強(qiáng)創(chuàng)新研發(fā)能力、構(gòu)建自主研發(fā)體系”為己任，在設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新方式上始終不斷升級(jí)。
　　經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用實(shí)踐和探索，寶沃汽車在智能制造、面向工業(yè)4.0可持續(xù)發(fā)展的大戰(zhàn)略引領(lǐng)下，選擇以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為新的發(fā)展方向，對(duì)設(shè)計(jì)流程中的數(shù)字樣機(jī)評(píng)審、快速造型評(píng)審、人機(jī)工程分析、整車架構(gòu)方案布置、虛擬維修保障等各類應(yīng)用提出了全新的需求。這些新的應(yīng)用需求就需要在傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，有一個(gè)面向工業(yè)應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述不同的應(yīng)用。該系統(tǒng)需要在產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，能夠在以下方面更有效地幫助用戶：
　　●對(duì)產(chǎn)品CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字樣機(jī)評(píng)審，幫助用戶快速進(jìn)行設(shè)計(jì)審查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提高效率；
　　●支持高逼真度的實(shí)時(shí)渲染，并且將渲染效果進(jìn)行立體展示，可以在設(shè)計(jì)前期進(jìn)行快速的造型評(píng)審；
　　●支持實(shí)時(shí)物理引擎計(jì)算的虛擬拆裝，使得工藝流程評(píng)審具有更高的置信度，獲得更為真實(shí)可信的評(píng)審結(jié)果；
　　●能夠?qū)φ嚾藱C(jī)工程進(jìn)行模擬評(píng)價(jià)，能夠輸出人機(jī)工程評(píng)價(jià)結(jié)果，同時(shí)還能夠支持以不同視角（第一人稱/第三人稱）進(jìn)行人機(jī)工程仿真。
　　●對(duì)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行協(xié)同仿真評(píng)審，能夠讓用戶在同一個(gè)仿真環(huán)境下，從造型評(píng)審、人機(jī)工程、裝配工藝等不同維度進(jìn)行協(xié)同評(píng)審。
　　但是截止目前，還沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)能夠同時(shí)滿足以上所有需求，實(shí)現(xiàn)“造型評(píng)審”+“人機(jī)校核”+“數(shù)字樣機(jī)評(píng)審”的協(xié)同并行。經(jīng)過(guò)多方調(diào)研和評(píng)審，寶沃汽車最終選擇與Longtek MakeReal3D平臺(tái)來(lái)共同開(kāi)發(fā)“基于物理臺(tái)架的虛擬人機(jī)工程仿真系統(tǒng)”，該系統(tǒng)在傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，引入了“物理臺(tái)架+虛擬現(xiàn)實(shí)”這樣創(chuàng)新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
　　圖1 系統(tǒng)組成
　　二、為什么要用物理臺(tái)架？
　　為什么要在虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，引入物理臺(tái)架這樣的硬件設(shè)備呢？這是因?yàn)?，傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)是借助立體顯示系統(tǒng)（如CAVE）或者虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔（如HTC VIVE）給用戶創(chuàng)建一個(gè)沉浸感十足的虛擬仿真環(huán)境，讓用戶有身臨其境的感覺(jué)。這樣的系統(tǒng)在游戲、展覽、房地產(chǎn)等領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用，因?yàn)樵撓到y(tǒng)滿足了用戶對(duì)于沉浸式展示的需要。
　　但同樣的系統(tǒng)在工業(yè)制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用就顯得有一些不足，這是因?yàn)椋阂环矫?，純虛擬的仿真環(huán)境對(duì)于具體的作業(yè)任務(wù)而言，沒(méi)有實(shí)際的操作反饋，這會(huì)很大程度上影響用戶的操作體驗(yàn)；另一方面，用戶在物理臺(tái)架上的操作可以認(rèn)為是與仿真場(chǎng)景交互的輸入，這是實(shí)現(xiàn)真正“人在回路”仿真不可或缺的一環(huán)。有了用戶輸入，仿真場(chǎng)景才會(huì)給用戶反饋相應(yīng)的輸出。
　　對(duì)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(yàn)的，而在仿真環(huán)境中做虛擬駕駛?cè)蝿?wù)的時(shí)候，如果沒(méi)有方向盤(pán)，用戶握不到，不但沒(méi)有物理的操作反饋，更缺乏了仿真環(huán)境的用戶輸入。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，體驗(yàn)感不佳的同時(shí)，也沒(méi)法很好地完成駕駛?cè)蝿?wù)。這就是為什么我們要引入物理臺(tái)架的原因，物理臺(tái)架的重要性不言而喻。
　　圖2 虛擬駕駛
　　因此，為了滿足工業(yè)用戶的應(yīng)用需要，我們特別提出了基于物理臺(tái)架的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)這樣的解決方案。一方面，該解決方案具有所有傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)，例如沉浸式立體顯示、實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)字人體等；另一方面，該解決方案還提供物理臺(tái)架，可以給用戶提供實(shí)際的操作反饋，從而使得“虛擬”與“現(xiàn)實(shí)”真正地交互起來(lái)，獲得更好的用戶體驗(yàn)，更高的操作仿真度，并且使分析評(píng)審的結(jié)果更為真實(shí)、可信。
　　圖3 半實(shí)物虛擬駕駛
　　三、解決方案：物理臺(tái)架+虛擬現(xiàn)實(shí)
　　為了滿足以上功能需求，我們?cè)诮鉀Q方案中設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的軟硬件組成。硬件方面主要包括：
　　●采用LED立體顯示技術(shù)及VR頭盔顯示技術(shù)，提供沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)立體展示環(huán)境；
　　●采用光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，將用戶的動(dòng)作與姿態(tài)與數(shù)字人進(jìn)行匹配，可以實(shí)時(shí)地驅(qū)動(dòng)數(shù)字人體；
　　●借助物理臺(tái)架，真正實(shí)現(xiàn)“虛擬-現(xiàn)實(shí)”交互，帶來(lái)更高逼真度的操作仿真效果，完成“人在回路”的閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
　　圖4 物理臺(tái)架
　　軟件方面主要包括：
　　●采用MakeReal3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件平臺(tái)，可以快速地導(dǎo)入CAD數(shù)據(jù)、場(chǎng)景編輯、保留原始數(shù)據(jù)的完整結(jié)構(gòu)樹(shù)以及特征屬性信息；
　　●可以進(jìn)行漫游、標(biāo)注、精確測(cè)量、剖切、爆炸圖等數(shù)字樣機(jī)評(píng)審，借助工業(yè)級(jí)別實(shí)時(shí)物理引擎可以進(jìn)行虛擬裝配/維修評(píng)審以及工藝驗(yàn)證；
　　●支持照片級(jí)的實(shí)時(shí)渲染，可以對(duì)不同造型方案進(jìn)行虛擬評(píng)審；
　　●通過(guò)數(shù)字樣機(jī)模擬真實(shí)駕駛體驗(yàn)，評(píng)審交通標(biāo)識(shí)、車輛、行人等反饋的道路信息；
　　●對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的人機(jī)工程分析，可以進(jìn)行眩光、內(nèi)飾、色彩搭配等主觀評(píng)審；也可以完成可視性、可達(dá)性、舒適性等人機(jī)工程分析；
　　●可進(jìn)行多部門(mén)多人協(xié)同評(píng)審，支持局域網(wǎng)協(xié)同；
　　●進(jìn)行制造環(huán)節(jié)中以人為中心的人機(jī)可操作性驗(yàn)證；
　　●維修過(guò)程中人機(jī)工效分析與評(píng)估；
　　●支持柔性管線的創(chuàng)建及運(yùn)動(dòng)包絡(luò)分析，可進(jìn)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(hù)分析；
　　●錄制拆裝路徑與順序，輸出可交互式的電子文檔，以開(kāi)展虛擬裝配、維修維護(hù)等培訓(xùn)；
　　圖 5 基于物理臺(tái)架的虛擬人機(jī)工程仿真系統(tǒng)
　　我們希望通過(guò)引入物理臺(tái)架這樣的平臺(tái)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提出一種更完備的解決方案，能夠給用戶帶來(lái)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(yàn)，幫助用戶大大的節(jié)約研發(fā)時(shí)間和研發(fā)成本，讓虛擬現(xiàn)實(shí)在工業(yè)制造業(yè)領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用和發(fā)展。
　　四、結(jié)論
　　通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究和引入，主要集中在以下幾個(gè)方面：
　　●彌補(bǔ)缺失的物理樣機(jī)，減少昂貴的物理模型和物理樣機(jī)，
　　●虛擬樣機(jī)促進(jìn)并行工程的開(kāi)展，更好的設(shè)計(jì)理解、評(píng)估和實(shí)驗(yàn)；
　　●優(yōu)化并促進(jìn)工作協(xié)同，直觀可視的決策制定流程；
　　●真實(shí)的體驗(yàn)交互式解決方案，建立對(duì)產(chǎn)品的準(zhǔn)確理解，制定準(zhǔn)確的產(chǎn)品策略。
　　技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快，新的軟件和硬件的在快速迭代，VR/AR的想象空間是無(wú)窮無(wú)盡的，未來(lái)我們將嘗試在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、營(yíng)銷、使用、維護(hù)等生命周期各環(huán)節(jié)中引入VR/AR技術(shù)。
　　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(xiàn)實(shí)技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的高科技企業(yè)，公司自創(chuàng)立以來(lái)一直致力于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的落地、深化及推廣。始終堅(jiān)持發(fā)揚(yáng)“協(xié)作、創(chuàng)新、恭敬、敬畏”的企業(yè)價(jià)值觀，以“虛擬成就現(xiàn)實(shí)，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)制造”為公司使命，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為客戶提供卓越的解決方案，并已形成一套完善的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、部署、培訓(xùn)、維護(hù)整體服務(wù)體系。
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