葛宽

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

虚拟现实技术在汽车工业中的应用

葛宽

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

随着计算机技术的不断发展，虚拟现实技术得到越来越多的关注。文章主要介绍了一些虚拟现实系统的一些基本构架组件，并列举了一些虚拟现实系统在汽车工业中的现有应用。最后对虚拟现实系统的一些技术提出了一些观点，并对虚拟现实技术在汽车工业的发展前景和研究方向做出了展望。

虚拟现实；系统构架；汽车工业

随着汽车工业的不断发展，各大汽车公司竞争更加激烈。汽车生产制造商都在加速自己新车型的开发，缩短新车型的开发周期，尽早抢占有限的市场空间。另外，也要减少新车型的开发成本，提高自身产品的市场竞争力。因此许多新技术和新方法都逐渐的应用到汽车的研发当中，在保证汽车研发质量的前提下，缩短研发周期，降低研发成本。

虚拟现实（Virtual Reality,缩写为VR）是通过计算机来构建一个虚拟的三维空间，用户可以在这个三维的虚拟空间中进行一定的体验与感知，进而获得一种与外界真实空间相类似的“沉浸感”。虚拟现实技术与很多技术之间都有着紧密的联系，如：三维建模技术、图形显示技术、传感技术以及人工智能技术等。与传统的人机交互系统不同，虚拟现实技术是通过数据库构建逼真的三维场景模型，并对虚拟场景中的对象添加一定的模块进行处理，进而使用户可以“身临其境”的感知这个逼真的三维世界，并获得真实的人机交互体验的技术。虚拟现实技术使人们对人机交互技术有了崭新的定义，对人机交互技术的发展具有里程碑式的意义。随着虚拟现实技术的不断发展，人们不断拓展着虚拟现实技术的应用范围。虚拟现实技术已经在越来越多的领域得到了应用，如：航空航天培训、建筑设计、游戏开发以及工业设计等。

1 虚拟现实系统

虚拟现实系统主要由输入模块、输出模块、三维模型数据库和软件开发平台组成，如图1所示。将跟踪采集到的用户运动、行为，或者是由专门输入所得到的信号来作为系统的输入信号。

虚拟现实软件根据所接受到的输入信号，进行识别和计算分析，从三位数据库中选取所需要的场景元素，展现给用户。用户通过三维显示装置来获取反馈信息，进而决定自己下面的行为。

输入模块：虚拟现实的输入模块主要是通过多种方式来接收用户的输入信号，主要接受用户头部以及手部的位置以及姿态。其主要的信号输入设备包括：数据手套、三维鼠标、生物传感设备、头部跟踪设备以及语音输入装置等。

输出模块：通过虚拟现实技术以及各种设备将人类的各种感官信号进行模拟出来是虚拟现实系统的最终目标。用户把所接收到的这些感官信号进行吸收转化，从而融入到整个虚拟现实场景之中。虚拟现实系统的输出模块主要包含触觉传感器、三维图像视觉效果以及三维声音效果等。

三维模型数据库：三维模型数据库是根据现实世界而构建的三维模型集合，用来存储和管理系统的各个虚拟场景模块。它能够根据用户的输入信号，更改数据库的信息，并由此构建新的虚拟现实场景。

虚拟现实软件的软件开发平台：虚拟现实系统的软件开发平台主要是将用户的输入信号、三维模型数据库以及用户的所要接收的输出信号相连接在一起的一个模块。它根据用户的输入信号，不断更新用户虚拟现实场景的三维数据库，及时的调整用户所处的三维场景，同时控制输出设备的输出信号。

图1 虚拟现实系统的基本构架

2 虚拟现实系技术汽车工业中的应用

（1）整车虚拟装配。虚拟装配技术主要是在产品生产过程中，通过虚拟现实技术建立汽车三维模型，能够非常准确的反映汽车各个部件的安装关系，以及整车设计情况。并可以将各个部件的数据直接保存进入数据库，方便新车型的设计与开发。通过应用3D技术对零部件以及汽车其他部分进行虚拟装配分析，进而寻找设计装配时的缺陷以及设计问题。在虚拟装配的过程中，首先需要对整个装配的流程进行总体的规划，并对装配方案以及夹具等装配件进行设计与工艺流程分析。最初阶段，由于技术条件的限制，汽车产品以及零部件在装配过程中只能通过一些小的几何模型来模拟评估，这样就不能充分体现产品的装配效果，使装配过程产生一定的误差。进而导致新车型汽车的研发周期变长，大大提高了开发成本。虚拟现实技术的出现很好的解决了汽车零部件的装配设计问题。通过建立“沉浸式”的虚拟操作空间，设计者可以在虚拟环境中对零件进行虚拟装配操作。运用虚拟现实的技术平台，工作人员可以完全真实的对各个零部件进行仿真装配操作。通过这种方法来发现装配设计中的不足，进而设计出更加科学实用的装配方案，缩短装配方案的设计周期。

（2）车身空气动力学分析。车身造型是决定整车空气动力学特征的重要因素。另外整车的操纵稳定性和燃油经济性也与整车的空气动力学特征有着密切的联系。汽车的空气动力学特征主要是通过风洞试验来测试完成的。通过观察在风洞试验场中油泥模型表面的变化，或者空气流场来确定样车的空气动力学特征。但是风洞试验仍然存在一些问题，如：油泥模型与样车实物之间尺寸不同、等比例的油泥模型需要大尺寸的风洞以及车身的设计造型需要更改时，必须重新制作新的油泥模型，重新进行风洞试验等。

通过虚拟现实系统来模拟虚拟风洞，工作人员可以通过专用的虚拟现实三维显示头盔，真实的观察到虚拟风洞中的空气流场，并且自身并不会对流场情况产生干扰。将绘制完成的整车三维模型导入到虚拟现实的风洞中，工作人员就可以全方位的观察车身的空气动力学性能，进而发现设计中的不足。对其进行更加科学的改进，可以极大缩短车身设计周期，并且使其空气动力学性能更加良好。

（3）车辆运动仿真。虚拟现实技术可以通过立体的三维图像形式将车辆的运动仿真结果真实的展现出来。试验人员可以通过虚拟现实技术中的交互功能更改某些车辆的具体参数，使人们能够对不同工况下的车辆运动情况进行多次仿真分析，让人们能够更加准确地了解车辆的运动行驶情况。车辆的运动仿真一般用在汽车设计开发以及汽车交通事故的动态模拟。在交通事故的模拟再现过程中，交通事故处理部门通过虚拟现实环境下的动态三维模型的模拟仿真，来对分析事故发生原因，判断事故责任。由于现实中车辆的外形不同，需要根据不同车型建立相应的三维演示模型。虚拟现实技术的核心就是建模与仿真，动画模拟系统的核心功能是对交通事故中车辆、行人、道路、天气等元素进行三维建模，然后通过对模型的控制来对交通事故的场景进行仿真。当车辆在虚拟环境中运动时，要产生真实的两车碰撞场景，必须对参与碰撞的车辆进行实时的碰撞检测和响应。两车发生碰撞时，车辆应对碰撞发生响应。车辆碰撞模拟中的实时碰撞检测，主要用于对车辆之间的碰撞进行实时检测，并做出响应。根据上述模拟方法，将虚拟方法应用于两车碰撞事故上，交通事故三维动画模拟系统中的运动控制模块必须能实时检测出汽车三维模型的碰撞，并根据汽车的质量、碰撞后的速度等参数模拟出交通事故的发生过程，如果过程与真实现场不符，则需要检验输入参数、速度模型的计算、碰撞检测的结果以便重新进行仿真、模拟。

（4）驾驶模拟。汽车驾驶模拟系统是虚拟现实技术在汽车中的一个重要的应用方向，它通过虚拟现实技术真实的模拟汽车驾驶动作,进而取得实车驾驶体验的模拟仿真设备。其中模拟驾驶系统的视觉感知系统又是其关键模块，因为它是决定操作者能否产生沉浸感、交互感和身临其境的感觉。在国外，汽车驾驶模拟系统的研究开发比较成熟，使用非常普遍。早在20世纪70年代，美国日本等国家已经将驾驶模拟系统作为汽车驾驶学校的必要装备。而与传统的汽车驾驶模拟系统相不同，与虚拟现实技术相结合的驾驶模型系统能够通过头盔式显示器使人们能够更加真实地沉浸到虚拟驾驶环境中，更加快速地适应真实的驾驶工况。

（5）车辆性能模拟评估。车辆性能评估将成为虚拟现实技术应用的新方向。车辆操纵稳定性的评定一般是通过对实车参数进行测试的方法来进行评估，然后再通过一些理论的分析与计算来加以调整。但是这种方法存在很多的弊端，首先由于测量仪器，测试道路，天气等原因导致试验的重复性差，需要花费很长的时间才能够获得较为准确的测量数据，另一方面测量数据中存在一些系统性的误差，无法直接通过理论分析计算的方法对整车的操纵稳定性进行提高。因此，车辆性能评估需要花费大量人力物力，而且增大研发周期。虚拟现实技术能够极大的促进车辆性能评估技术的发展。工作人员可以将车辆的基本参数模型导入到虚拟现实的试验环境中，通过驾驶员沉浸式的模拟驾驶，来采集较为准确的不同工况下的汽车振动、噪声以及侧向倾斜等基本数据。并且试验得到的数据较为准确且试验本真的可重复性较好。这样能够较早地发现汽车前期设计中的缺陷和不足，尽早做到优化调整。

3 结语

虚拟现实技术是将多种先进技术进行融合的一种崭新技术，它的应用潜力非常巨大。随着虚拟现实技术的不断成熟，汽车工业会不断与这种新技术相融合，使其应用面不断拓展。如汽车的虚拟设计、汽车虚拟装配以及汽车虚拟实验等。虚拟现实技术在汽车工业上的应用将打破那些传统的汽车设计思维，为汽车工业整个流程带来一场变革。虚拟现实技术将会使虚拟现实中的汽车变得越来越真实。

［1］赵沁平.虚拟现实综述［J］.中国科学（F辑：信息科学），2009，（1）：2-46.

［2］许微.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展［J］.现代商贸工业，2009，（2）：279-280.

［3］林梅彬.虚拟现实技术在汽车拆装实训中的应用［J］.教育教学论坛,2017，（8）：241-242.

［4］杨念祖，朱广泰，郜伟，等.虚拟现实技术在汽车造型中的运用［J］.河南科技，2014，（15）：38-39.

［5］冯锐.虚拟现实技术在汽车行业中的应用［J］.专用车与零部件，2016，（5）：40-42.

［6］陈浩磊，邹湘军，陈燕，等.虚拟现实技术的最新发展与展望［J］.中国科技论文在线，2011，（1）：1-5.

Application of Virtual Reality Technology in Automobile Industry

GE Kuan
（Automotive Engineering College，Wuhan University of Technology，Wuhan，Hubei 430070，China）

With thecontinuousdevelopmentofcomputer technology，virtualreality technologyhasbeen paidmoreandmoreattention.Thispaperintroducessomebasic architecture componentsofsomevirtualrealitysystemsand listssomeexistingapplications ofvirtual reality systemsin theautomotive industry.Attheend ofthispaper，some ideasareputforward forsome techniquesofvirtual realitysystem，and theprospectand research directionofvirtualreality technology inautomobileindustryareprospected.

virtual reality；system architecture；automobile industry

F416.471

A

2095-980X（2017）05-0017-02

2017-04-12

葛宽（1992-），男，河南周口人，硕士研究生，主要研究方向：汽车虚拟现实设计。