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VR虛擬現實與AR增強現實在汽車研發領域的創新應用

編輯:格非兒 文章來源:數字展示在線 發布日期:2020-1-10 7:14:24

  當今最前沿最熱門的VR和AR技術在持續的發展和變革中, 不斷給當今社會帶來各種影響。尤其是在汽車行業中,這兩種技術展現出了巨大的潛力:不光是品牌宣傳和產品展示的新潮體驗,更重要的是對研發,生產銷售全產業鏈的提高與促進。可以說這兩項技術將有望徹底變革傳統汽車行業,引領新的潮流。
  當然,VR(Virtual Reality)虛擬現實與AR(Augmented Reality)增強現實既有共同點,但也有明顯區別:
VR 通過設備實時渲染的畫面,模擬出一個全新的虛擬環境。
  AR 則是將虛擬的信息(一個畫面或實時空間信息)疊加到真實的環境,使得用戶可以同時看到真實世界和虛擬的信息。
  這篇文章中我們就來具體研究一下VR和AR在汽車行業有哪些具體的應用方式。

  VR技術在汽車領域的應用

  汽車設計研發過程中的應用

  造型——節約油泥模型的制作

  車造型之前,首先必須確定總體布置草圖設計。這個過程中根據總體方案及整車性能要求提出各部件的布置要求和特性參數的設計要求;協調各部門布置關系和參數匹配關系,使之滿足產品目標大綱要求。在總體布置草圖確定以后,我們就進入了汽車研發中至關重要的環節 – 汽車造型設計。該過程也分為設計和模型制作兩個階段。

  設計階段的傳統流程是設計師首先確定設計主題并在該主題下繪制設計草圖和效果圖,在此基礎上確定幾個好的創意,進行深入的設計,繪制被精細設計效果圖。然后數字模型師使用3D軟件將效果圖變為3維的電腦數據模型。模型制作完畢以后要進行一次評審,這次評審會決定讓其中的的幾個方案進行1:5的油泥模型制作。油泥模型的制作可以由油泥模型師直接人工雕刻模型,或者由由銑削機銑削出油泥模型后,再經油泥模型師進行細節調整。在完成小比例油泥模型制作之后,項目專家與公司高層對模型進行評審,綜合考慮美學、工藝、結構等影響到生產的的因素,然后進行全尺寸油泥模型制作用以進行各動力參數測試。在完成測試后會進行一次全尺寸模型的評審會,從中選出最終的設計方案,并對其提出一些修改意見。油泥模型師根據修改意見調整油泥模型,修改完畢后再次進行評審,并最終確定造型方案,凍結油泥模型。至此造型階段全部完成,項目進入工程設計階段。

  可以發現,首先整個設計過程的絕大部分時間都耗費在了油泥模型的制作與修改。傳統的人工雕刻至少要三個月,即使是銑削機銑削再局部精修也要耗時一個月。再加上反復評審修改的時間,整個概念設計階段至少三分之二的時間都花費在了模型制作階段。其次,由于空間限制 導致了參與評審的人數有限,無法涵蓋所有開發部門 — 這也會導致某些潛在問題無法及時發現。

  針對這些問題,VR技術已經給出了優秀的應對。借用VR平臺,設計師可以1:1放大3D模型,無需制作油模模型,就可以在虛擬空間以實物尺度評審設計。節省了制作油泥模型制作成本,大大縮短了項目周期,節省了項目成本。而且VR平臺無需導出模型數據且兼容多種3D軟件,這些都讓VR技術越來越受到汽車行業的青睞。

  總布置到工程設計

  工程設計階段的主要任務就是完成整車各個總成以及零部件的設計,協調總成與整車和總成與總成之間出現的各種矛盾,保證整車性能滿足目標大綱要求。它是一個對整車進行細化設計的過程,各個總成分發到相關部門分別進行設計開發,各部門按照開發計劃規定的時間節點分批提交零部件的設計方案。這個階段的設計主要包括以下幾個方面:
  總布置設計
  在前面總布置草圖的基礎上,細化總布置設計,精確的描述各部件的尺寸和位置,為各總成和部件分配準確的布置空間,確定各個部件的結構形式、特征參數、質量要求等條件。
  車身造型數據生成
  工程師根據油泥模型的外形和內飾的測量數據,使用軟件構建汽車的外形和內室模型。在車身造型數據完成以后,通常要使用這些數據來使用代木或者高密度塑料重新制作銑削一個模型,來驗證車身數據是否有錯誤。
  發動機工程設計
  新車型的開發都會選用現有成熟的發動機動力總成,發動機部門的主要工作是針對新車型的特點以及要求,對發動機及附件等進行布置,并進行發動機匹配,這一過程一直持續到樣車試驗階段,與底盤工程設計同步進行。
  白車身工程設計
  該階段的主要工作任務就是確定車身結構方案,對各個組成部分進行詳細設計,并完成3維數模構建,并進行工藝性分析完成裝配關系圖及車身焊點圖。
  底盤工程設計
  底盤工程設計的內容就是對底盤的4大系統進行詳細的設計,包括:傳動系統設計、行駛系統設計、轉向系統設計以及制動系統設計。
  內、外飾工程設計
  內飾件主要設計包括儀表板、方向盤、座椅、安全帶、安全氣囊、地毯、側壁內飾件、遮陽板、扶手、車內后視鏡等。外裝件的主要設計包括前后保險杠、玻璃、車門防撞裝飾條、進氣格柵、行李架、天窗、后視鏡、車門機構及附件以及密封條。
  電器工程設計
  電器工程負責全車的所有電器設計,包括雨刮系統、空調系統、各種儀表、整車開關、前后燈光以及車內照明系統。
  可以看到,這工程設計階段的七大步驟涉及到方方面面的學科,不同的部門,不同的總成系統。互相的設計之間有緊密的影響,嚴重的會影響整車性能, 導致其他總成系統方案推翻。因而,協調總成與整車,總成與總成之間出現的各種矛盾,保證整車性能,促進相關部門聯系,并使各部門按照開發計劃規定的時間節點推進方案就顯得越來越重要。

VR虛擬現實與AR增強現實在汽車研發領域的創新應用

  很多時候,缺的就是VR這樣一個工具性的交流平臺。依靠VR技術,我們可以搭建一個遠程VR協作平臺。在這個平臺上,各個項目研發,生產部門的工程師都可以共同參與項目設計。在平臺上,可以看到其他部門的設計參數,以此為基礎進行自己的系統設計。如果發現其他部門的設計修改對自己產生了影響,兩個部門完全可以在虛擬VR平臺進行實時語音圖像互動。即使身處異地的項目成員也能“面對面”討論項目,大大提高了交流效率,將可能存在的設計與生產誤差降到了最小。作為一個工具性的平臺,VR技術無疑會使得工程設計階段的工作更加順暢。

  仿真和試制

  樣車的試制由試制部門負責,根據工程設計的數據制作各種試驗樣車進行性能試驗和可靠性試驗。主要有試驗場測試、道路測試、風洞試驗、碰撞試驗等。試驗場測試是為了測定在不同氣候條件下車輛的行駛性能以及可靠性,為了獲得不同氣候條件下的數據需要花費大量的時間成本。道路測試的目的是在于測試不同道路樣車的性能,但是建造不同。風洞試驗主要是為了測試空氣動力學性能,獲取風阻系數。但是風洞造價昂貴,國內尚沒有專門的汽車風洞試驗室。碰撞試驗當然是為了測試汽車結構的強度,通過各種傳感器獲得各個部分發生碰撞時的數據,考察碰撞發生時對車內假人造成的傷害情況。所有的測試的時間成本與資金成本都是一筆是一筆不菲的開銷,也因而才有了模擬過程的存在的必要。

  VR技術與模擬數據的結合將會使得分析模擬結果更加直觀與便捷。比如通過VR系統,我們可以直接把風洞實驗的流場數據顯示出來,讓工程師更加直觀地進行分析。VR技術的應用無疑會使得工程師的工作更加方便,效率顯著提高。

  汽車制造工藝中的應用

  除了研發階段, VR技術在汽車制造工藝中的應用也很廣泛。例如,福特汽車的人體工程學專家就利用全身運動捕捉、3D打印和沉浸式VR技術,對車輛進行虛擬裝配作業評估。這不光是為用戶保證了車輛的高品質,還提供了用于評估工人裝配流程整體安全性的關鍵數據。
  人體工程學專家借助工人手臂、背部、腿部和軀干上安裝的52個運動捕捉標記,記錄了捕捉提供了工人在進行作業時的肢體動作數據。從而很好地評估了肌肉的強度和弱點、關節扭傷和身體失衡情況。
  而3D打印技術幫助人體工程學專家在模擬情境下,確定工人手臂在裝配流程中的伸展空間。由于每個人的手臂大小不一,員工可借助3D打印出的模具來測試汽車裝配中的空間大小,從而更好地優化生產方案。
  沉浸式VR技術采用了配備23個攝像頭的運動捕捉系統和頭戴顯示器,通過虛擬工作臺評估員工作業可行性和熟練度。
  迄今為止,福特人體工程學專家已在超過100個新車發布項目上應用了虛擬制造技術——通過對該項目的大量投資,福特不但降低了工傷率,還解決了生產過程中90%的人體工程學問題——包括工人走動過度、手臂空間和涉及高難度零件安裝的操作。

  VR汽車展示與選車

  在汽車展示銷售階段,VR技術有更加廣闊的空間。奧迪聯合Oculus推出了一項基于線下PC端的虛擬現實選車服務。這項服務使得客戶可以在任意經銷店內使用VR頭顯瀏覽奧迪旗下所有車型,為用戶帶來逼真的模擬體驗,較以往銷售電腦里的3D選車界面更加真實。
  菲亞特-克萊斯勒也發布了一項PC端看車的新技術,該技術設備設備裝有多個攝像頭,外加內置一系列裝置使之能在每秒進行1500萬次3D測量,結合它實時監測的位置和方向,能夠最終結合大量數據繪制出周圍世界的3D模型。通過該技術,在設備中看到一輛和現實中一樣大的虛擬汽車,并且可以和現實中一樣打開關閉車門,觀看內部細節。
國內某汽車VR銷售解決方案提供商自主研發的一套基于移動+PC雙平臺的汽車行業VR數字銷售平臺VR AUTO,則能夠通過移動VR實現銷售場景的無限擴大,讓在家看車、試車,甚至購車成為可能。

  VR試駕

  最后,VR還可以幫助汽車試駕。在虛擬駕駛的探索上,豐田和Oculus聯手推出了的虛擬現實駕駛模擬器“TeenDrive 365”。使用者只需要坐在駕駛艙內,戴上VR頭盔,即可進入“真實駕駛時刻”。通過對復雜現實路況的模擬,這套系統可以幫助初學者安全地鍛煉出一些必要的駕駛技能。為了讓模擬更加逼真,系統甚至還加入了類似的短信和無線電噪聲干擾,以便考驗他們專注駕駛而不分心。在音頻方面,RealSpace 3D音頻可以讓使用者感受到“真實”的聲音方向以及深度。

  AR技術在汽車領域的應用

  在談完VR技術以后我們來看看AR技術。相比VR技術,AR技術的使用場景更加大眾化,所使用硬件的可觸及性也更高。

  AR裝配和維修手冊

  首先,我們來看看AR技術如何在維修與裝配方面的應用。眾所周知,大型制造業生產現場,需要有大量高專業技能的工人協同作業。由于工程操作繁雜,步驟多,很容易出現遺漏或重復,造成安全隱患。
  AR眼鏡給出的畫面的指導,可以讓工人看到接下來的工作步驟,看到面前設備或物品的信息,看到工作行動路線。這樣工人可以進行標準化的操作,不僅避免出錯,還提高效率,更能縮短工人培訓周期。如果遇到技術難題,通過AR眼鏡工人可以與專家遠程連線,專家就能以工人的第一視角觀察情況,進而了解問題所在,指導工人如何處理。問題可即時處理,不用專家到現場,節省時間和花費, 而且讓專家在單位時間內可以處理更多問題工作效率可以極大提高。

  AR汽車說明書

  在面向購車用戶端的AR應用也很廣泛。以AR版汽車說明書為例,用AR技術可以取代紙質說明書,通過智能手機屏幕將用戶指南以三維的方式展示出來,不僅能提高用戶的閱讀興趣,更能幫助用戶快速了解和解決問題。
  AR版的汽車說明書,可為用戶提供更加直觀的指導與建議,新手們再也不用翻看說明書去查找中控臺某個按鍵的功能了。

  AR汽車展示

  與VR技術類似,AR技術可以更加方便的用于汽車展示。例如,Visionaries 777 通過增強現實技術創建的 Lykan Live Paint 應用程序,使得經銷商可以僅使用一輛實車展示多種外觀,相比展示多輛汽車或大量圖片的方式,AR技術以經濟高效的方式展示定制效果。
  其次, 該應用程序還可以幫助潛在買家查看汽車在無限設計可能性下的視覺效果。用戶在移動設備以數字化的形式在車身周圍使用顏料繪制賽車條紋、圖形和徽標,創建各種視覺效果,獲以獲得更深入和更難忘的定制體驗。

  總結

  在上面我們對比了VR與AR兩種技術在汽車產業鏈中的應用。我們發現了汽車行業與它們結合可以說是天作之合。汽車制造業為新技術提供了應用與改進的平臺,而新技術反過來促進了汽車制造業智能化,精細化,高效化的發展。當然目前而言,這兩種技術由于成熟度不同,它們的應用的范圍與深度也遠遠不同。但是從整個汽車行業來觀察,VR與AR的應用前景是十分令人期待的,它們對產業的優化與升級是貫穿上下游的,從設計研發到生產銷售,它們將重塑汽車產業的格局。我們相信在不遠的將來,在VR與AR技術的推動下汽車制造業也將迎來新一輪發展契機。

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