研发汽车的新工具—VR/AR技术

2020-01-09 10:53:01

当今最前沿最热门的VR和AR技术在持续的发展和变革中, 不断给当今社会带来各种影响。尤其是在汽车行业中,这两种技术展现出了巨大的潜力:不光是品牌宣传和产品展示的新潮体验,更重要的是对研发,生产销售全产业链的提高与促进。可以说这两项技术将有望彻底变革传统汽车行业,引领新的潮流。

当然,VR(Virtual Reality)虚拟现实与AR(Augmented Reality)增强现实既有共同点,但也有明显区别:


  • VR 通过设备实时渲染的画面,模拟出一个全新的虚拟环境。

  • AR 则是将虚拟的信息(一个画面或实时空间信息)叠加到真实的环境,使得用户可以同时看到真实世界和虚拟的信息。


    这篇文章中我们就来具体研究一下VR和AR在汽车行业有哪些具体的应用方式。

造型——节约油泥模型的制作

        车造型之前,首先必须确定总体布置草图设计。这个过程中根据总体方案及整车性能要求提出各部件的布置要求和特性参数的设计要求;协调各部门布置关系和参数匹配关系,使之满足产品目标大纲要求。在总体布置草图确定以后,我们就进入了汽车研发中至关重要的环节 – 汽车造型设计。该过程也分为设计模型制作两个阶段。

        设计阶段的传统流程是设计师首先确定设计主题并在该主题下绘制设计草图和效果图,在此基础上确定几个好的创意,进行深入的设计,绘制被精细设计效果图。然后数字模型师使用3D软件将效果图变为3维的电脑数据模型。模型制作完毕以后要进行一次评审,这次评审会决定让其中的的几个方案进行1:5的油泥模型制作。油泥模型的制作可以由油泥模型师直接人工雕刻模型,或者由由铣削机铣削出油泥模型后,再经油泥模型师进行细节调整。在完成小比例油泥模型制作之后,项目专家与公司高层对模型进行评审,综合考虑美学、工艺、结构等影响到生产的的因素,然后进行全尺寸油泥模型制作用以进行各动力参数测试。在完成测试后会进行一次全尺寸模型的评审会,从中选出最终的设计方案,并对其提出一些修改意见。油泥模型师根据修改意见调整油泥模型,修改完毕后再次进行评审,并最终确定造型方案,冻结油泥模型。至此造型阶段全部完成,项目进入工程设计阶段。

可以发现,首先整个设计过程的绝大部分时间都耗费在了油泥模型的制作与修改。传统的人工雕刻至少要三个月,即使是铣削机铣削再局部精修也要耗时一个月。再加上反复评审修改的时间,整个概念设计阶段至少三分之二的时间都花费在了模型制作阶段。其次,由于空间限制 导致了参与评审的人数有限,无法涵盖所有开发部门 — 这也会导致某些潜在问题无法及时发现。

        针对这些问题,VR技术已经给出了优秀的应对。借用VR平台,设计师可以1:1放大3D模型,无需制作油模模型,就可以在虚拟空间以实物尺度评审设计。节省了制作油泥模型制作成本,大大缩短了项目周期,节省了项目成本。而且VR平台无需导出模型数据且兼容多种3D软件,这些都让VR技术越来越受到汽车行业的青睐。

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总布置到工程设计

        工程设计阶段的主要任务就是完成整车各个总成以及零部件的设计,协调总成与整车和总成与总成之间出现的各种矛盾,保证整车性能满足目标大纲要求。它是一个对整车进行细化设计的过程,各个总成分发到相关部门分别进行设计开发,各部门按照开发计划规定的时间节点分批提交零部件的设计方案。这个阶段的设计主要包括以下几个方面:
总布置设计
        在前面总布置草图的基础上,细化总布置设计,精确的描述各部件的尺寸和位置,为各总成和部件分配准确的布置空间,确定各个部件的结构形式、特征参数、质量要求等条件。
车身造型数据生成
        工程师根据油泥模型的外形和内饰的测量数据,使用软件构建汽车的外形和内室模型。在车身造型数据完成以后,通常要使用这些数据来使用代木或者高密度塑料重新制作铣削一个模型,来验证车身数据是否有错误。
发动机工程设计
        新车型的开发都会选用现有成熟的发动机动力总成,发动机部门的主要工作是针对新车型的特点以及要求,对发动机及附件等进行布置,并进行发动机匹配,这一过程一直持续到样车试验阶段,与底盘工程设计同步进行。
白车身工程设计
        该阶段的主要工作任务就是确定车身结构方案,对各个组成部分进行详细设计,并完成3维数模构建,并进行工艺性分析完成装配关系图及车身焊点图。
底盘工程设计
        底盘工程设计的内容就是对底盘的4大系统进行详细的设计,包括:传动系统设计、行驶系统设计、转向系统设计以及制动系统设计。
内、外饰工程设计
        内饰件主要设计包括仪表板、方向盘、座椅、安全带、安全气囊、地毯、侧壁内饰件、遮阳板、扶手、车内后视镜等。外装件的主要设计包括前后保险杠、玻璃、车门防撞装饰条、进气格栅、行李架、天窗、后视镜、车门机构及附件以及密封条。
电器工程设计
        电器工程负责全车的所有电器设计,包括雨刮系统、空调系统、各种仪表、整车开关、前后灯光以及车内照明系统。
        可以看到,这工程设计阶段的七大步骤涉及到方方面面的学科,不同的部门,不同的总成系统。互相的设计之间有紧密的影响,严重的会影响整车性能, 导致其他总成系统方案推翻。因而,协调总成与整车,总成与总成之间出现的各种矛盾,保证整车性能,促进相关部门联系,并使各部门按照开发计划规定的时间节点推进方案就显得越来越重要。

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        很多时候,缺的就是VR这样一个工具性的交流平台。依靠VR技术,我们可以搭建一个远程VR协作平台。在这个平台上,各个项目研发,生产部门的工程师都可以共同参与项目设计。在平台上,可以看到其他部门的设计参数,以此为基础进行自己的系统设计。如果发现其他部门的设计修改对自己产生了影响,两个部门完全可以在虚拟VR平台进行实时语音图像互动。即使身处异地的项目成员也能“面对面”讨论项目,大大提高了交流效率,将可能存在的设计与生产误差降到了最小。作为一个工具性的平台,VR技术无疑会使得工程设计阶段的工作更加顺畅。


仿真和试制

        样车的试制由试制部门负责,根据工程设计的数据制作各种试验样车进行性能试验和可靠性试验。主要有试验场测试、道路测试、风洞试验、碰撞试验等。试验场测试是为了测定在不同气候条件下车辆的行驶性能以及可靠性,为了获得不同气候条件下的数据需要花费大量的时间成本。道路测试的目的是在于测试不同道路样车的性能,但是建造不同。风洞试验主要是为了测试空气动力学性能,获取风阻系数。但是风洞造价昂贵,国内尚没有专门的汽车风洞试验室。碰撞试验当然是为了测试汽车结构的强度,通过各种传感器获得各个部分发生碰撞时的数据,考察碰撞发生时对车内假人造成的伤害情况。所有的测试的时间成本与资金成本都是一笔是一笔不菲的开销,也因而才有了模拟过程的存在的必要。
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        VR技术与模拟数据的结合将会使得分析模拟结果更加直观与便捷。比如通过VR系统,我们可以直接把风洞实验的流场数据显示出来,让工程师更加直观地进行分析。VR技术的应用无疑会使得工程师的工作更加方便,效率显著提高。


        除了研发阶段, VR技术在汽车制造工艺中的应用也很广泛。例如,福特汽车的人体工程学专家就利用全身运动捕捉、3D打印和沉浸式VR技术,对车辆进行虚拟装配作业评估。这不光是为用户保证了车辆的高品质,还提供了用于评估工人装配流程整体安全性的关键数据。

        人体工程学专家借助工人手臂、背部、腿部和躯干上安装的52个运动捕捉标记,记录了捕捉提供了工人在进行作业时的肢体动作数据。从而很好地评估了肌肉的强度和弱点、关节扭伤和身体失衡情况。
        而3D打印技术帮助人体工程学专家在模拟情境下,确定工人手臂在装配流程中的伸展空间。由于每个人的手臂大小不一,员工可借助3D打印出的模具来测试汽车装配中的空间大小,从而更好地优化生产方案。
        沉浸式VR技术采用了配备23个摄像头的运动捕捉系统和头戴显示器,通过虚拟工作台评估员工作业可行性和熟练度。
        迄今为止,福特人体工程学专家已在超过100个新车发布项目上应用了虚拟制造技术——通过对该项目的大量投资,福特不但降低了工伤率,还解决了生产过程中90%的人体工程学问题——包括工人走动过度、手臂空间和涉及高难度零件安装的操作。
        在汽车展示销售阶段,VR技术有更加广阔的空间。奥迪联合Oculus推出了一项基于线下PC端的虚拟现实选车服务。这项服务使得客户可以在任意经销店内使用VR头显浏览奥迪旗下所有车型,为用户带来逼真的模拟体验,较以往销售电脑里的3D选车界面更加真实。
      最后,VR还可以帮助汽车试驾。在虚拟驾驶的探索上,丰田和Oculus联手推出了的虚拟现实驾驶模拟器“TeenDrive 365”。使用者只需要坐在驾驶舱内,戴上VR头盔,即可进入“真实驾驶时刻”。通过对复杂现实路况的模拟,这套系统可以帮助初学者安全地锻炼出一些必要的驾驶技能。为了让模拟更加逼真,系统甚至还加入了类似的短信和无线电噪声干扰,以便考验他们专注驾驶而不分心。在音频方面,RealSpace 3D音频可以让使用者感受到“真实”的声音方向以及深度。

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AR技术在汽车领域的应用


        在谈完VR技术以后我们来看看AR技术。相比VR技术,AR技术的使用场景更加大众化,所使用硬件的可触及性也更高。

        首先,我们来看看AR技术如何在维修与装配方面的应用。众所周知,大型制造业生产现场,需要有大量高专业技能的工人协同作业。由于工程操作繁杂,步骤多,很容易出现遗漏或重复,造成安全隐患。

        AR眼镜给出的画面的指导,可以让工人看到接下来的工作步骤,看到面前设备或物品的信息,看到工作行动路线。这样工人可以进行标准化的操作,不仅避免出错,还提高效率,更能缩短工人培训周期。如果遇到技术难题,通过AR眼镜工人可以与专家远程连线,专家就能以工人的第一视角观察情况,进而了解问题所在,指导工人如何处理。问题可即时处理,不用专家到现场,节省时间和花费, 而且让专家在单位时间内可以处理更多问题工作效率可以极大提高。
        在面向购车用户端的AR应用也很广泛。以AR版汽车说明书为例,用AR技术可以取代纸质说明书,通过智能手机屏幕将用户指南以三维的方式展示出来,不仅能提高用户的阅读兴趣,更能帮助用户快速了解和解决问题。

        AR版的汽车说明书,可为用户提供更加直观的指导与建议,新手们再也不用翻看说明书去查找中控台某个按键的功能了。

        与VR技术类似,AR技术可以更加方便的用于汽车展示。例如,Visionaries 777 通过增强现实技术创建的 Lykan Live Paint 应用程序,使得经销商可以仅使用一辆实车展示多种外观,相比展示多辆汽车或大量图片的方式,AR技术以经济高效的方式展示定制效果。

        其次, 该应用程序还可以帮助潜在买家查看汽车在无限设计可能性下的视觉效果。用户在移动设备以数字化的形式在车身周围使用颜料绘制赛车条纹、图形和徽标,创建各种视觉效果,获以获得更深入和更难忘的定制体验。

        在上面我们对比了VR与AR两种技术在汽车产业链中的应用。我们发现了汽车行业与它们结合可以说是天作之合。汽车制造业为新技术提供了应用与改进的平台,而新技术反过来促进了汽车制造业智能化,精细化,高效化的发展。当然目前而言,这两种技术由于成熟度不同,它们的应用的范围与深度也远远不同。但是从整个汽车行业来观察,VR与AR的应用前景是十分令人期待的,它们对产业的优化与升级是贯穿上下游的,从设计研发到生产销售,它们将重塑汽车产业的格局。我们相信在不远的将来,在VR与AR技术的推动下汽车制造业也将迎来新一轮发展契机。

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