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虚拟现实技术在汽车人机工程开发中的应用

发表时间：2021/8/9 来源：《探索科学》2021年7月13期作者：栾吉哲，梁莎莎，邱伟，魏洋

[导读] 在当今汽车领域的不断发展中，越来越多的先进技术也开始被应用到汽车人机工程开发中。其中，虚拟现实技术就是目前汽车人机工程开发领域中所应用到的一种先进科学技术。该技术的应用对于汽车人机工程开发质量的提升与汽车领域的发展都有着十分积极的促进作用。

吉利汽车研究院栾吉哲，梁莎莎，邱伟，魏洋浙江省宁波市 315336

摘要: 在当今汽车领域的不断发展中，越来越多的先进技术也开始被应用到汽车人机工程开发中。其中，虚拟现实技术就是目前汽车人机工程开发领域中所应用到的一种先进科学技术。该技术的应用对于汽车人机工程开发质量的提升与汽车领域的发展都有着十分积极的促进作用。因此，为实现虚拟现实技术在汽车人机工程开发领域中的良好应用，发挥出该技术的充分优势，本文对其具体的应用策略进行分析，以此来为其应用提供指导与帮助。
关键词：虚拟现实技术；汽车；人机工程；开发
        引言
        在当今的数字化、信息化时代中，汽车领域的发展十分迅速。尤其是自虚拟现实技术在汽车人机工程开发中的应用以来，汽车领域更是实现了突破性的发展。通过该技术的应用，不仅进一步提升了汽车人机工程开发的现代化与智能化，同时也为汽车人机工程开发过程中各个部门的良好沟通交流提供了更多便利。因此在汽车人机工程开发中，技术人员与设计人员应充分注重虚拟现实技术的合理应用，以此来提升设计质量，满足汽车领域发展需求。
        1虚拟现实技术阐述
        虚拟现实技术是以计算机信息技术为基础所发展的一种新兴技术，该技术和信息技术的联系十分紧密。就实际应用来看，虚拟现实技术就是借助于计算机信息技术来进行三维空间形式虚拟世界的模拟，并将其和应用者的感官建立起密切联系，以此来为使用者营造一种置身于虚拟环境的应用体验，使其可以对这个虚拟化三维空间中的各种事物进行近距离、全方位观察。同时，这种观察也不会受到时间和空间所限制，让人机交互的魅力发挥到极致。通过这样的方式，就可以让使用者的体验感得到大幅度提升。因此，在汽车人机工程开发中，虚拟现实技术的应用可以实现产品的二次创新，以此来实现企业竞争力的进一步提升。
        2虚拟现实技术在汽车人机工程开发中的应用意义分析
        就传统的汽车人机工程开发而言，设计师通常都借助于平面操作的形式，在设计图纸上呈现出自己想象的汽车产品轮廓，但是这种二维空间的设计难免存在一定的局限性，进而导致设计师的很多想法都难以得到充分体现。而随着虚拟现实技术的应用，可以让设计师将所有的设计细节都以三维模型的形式展现在这个虚拟的三维空间里。首先，因为通过虚拟现实技术所创设的三维空间具有可拓展性，所以在具体的汽车人机工程开发中，产品的所有细节都可以得到全面丰富，以此来实现设计者意图的系统性传达。同时也可以让汽车产品的质量和功能等的各项信息实现更加便捷的输出，通过这个虚拟化三维立体模型，用户可以对产品进行相应的数据测试，以此来实现对产品应用程度的真实感知。其次，因为虚拟现实技术本质是对汽车人机工程开发的理念加以革新，通过该技术的应用，可以让用户实现产品真实信息的全面获取，使其更加详细地了解汽车产品的实际情况，以此来实现其质量的准确评价与判断。通过此类的设计方式，可以让传统汽车人机工程开发中设计师与用户之间的猜疑被彻底打破，以此来实现用户信任度的进一步提升。最后，在汽车人机工程开发中，通过虚拟现实技术的应用，可以让设计者将所有的精力都投入到提升产品质量中，以更加科学的方式来实现汽车人机工程开发的进一步创新。通过这样的方式，便可全面提升汽车产品质量，促进汽车领域发展。
        3虚拟现实技术在汽车人机工程开发中的应用
        根据汽车项目研发的需求，设计了一套融合虚拟现实技术的人机座舱开发平台。平台主要由3 个部分组成，其中柔性人机座舱台架提供虚拟现实中“现实”部分的基准点，同时也用来模拟车型正确的驾驶坐姿; 虚拟现实中的“虚拟”通过头盔显示器以及配套的定位追踪装置来实现; 此外引入了多种虚拟现实软件、光学记录系统等来更好地融合人机座舱台架与虚拟环境。

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        3.1柔性人机座舱台架
        柔性人机座舱台架作为本开发平台的硬件基础，主要通过体现车型的座椅位置、踏板位置和方向盘位置等其他和驾驶员坐姿相关的零部件位置，来保证坐姿以及其他触觉感官和实际的驾驶状态相同。台架的各个区域均灵活可调，通过电机对台架各个零部件的位置进行控制。台架可以满足舒适性、伸及性、进出性、空间性和视野性的评估要求。
        柔性人机座舱台架的主要调节零部件，例如座椅、方向盘、踏板位置和地面位置均为电动调节，通过上位机控制驱动电机进行调节，可以迅速调整为目标车型的姿态。为了兼顾尽可能多车型的验证工作，本台架前期收集了大量的车型总布置参数，在满足结构强度和结构空间的情况下加大了运动件行程，来保证可以满足从跑车到中大型SUV 等一系列车型的模拟验证工作。
        3.2虚拟现实环境
        虚拟现实环境通过HMD 头盔进行搭建。目前选取了技术比较成熟的HTC VIVE。HTC VIVE具有清晰度高、佩戴舒适、光学追踪稳定可靠等优点。此设备支持多个渲染软件，例如技术中心正在使用的SPEOS 光学仿真软件以及3D MAX 等。此外官方还提供了大量文档、SDK 供二次开发。柔性人机座舱台架的3D 数据、实物和虚拟现实环境数据、虚拟现实头盔之间的位置标定为本平台的基础工作之一。HTC VIVE 头盔在软件环境中提供了本身的6 自由度数据，但是坐标系和整车坐标系并不匹配。因此，先在软件环境中将台架数据( 也就是整车坐标系) 和头盔位置数据( 代表虚拟现实环境的坐标系) 匹配到一起，然后再将现实中头盔和台架放置到一起，之后在软件中将虚拟现实环境中的基准坐标系位置重置，进而将虚拟和现实的坐标匹配到一起。
        3.3控制及输出软件、硬件
        为了拓宽本开发平台的应用范围，在平台里增加了多种软件及硬件设备来进行控制和输出评价结果。
        为了增加虚拟现实环境的真实感，同时也对验证评价的过程进行记录，引入了光学动作捕捉系统来对人体躯干进行识别、追踪并且映射到虚拟现实环境之中。红外光学动作捕捉系统由定位标点和多个红外摄像头组成，可以60 Hz 的频率记录人体各个躯干的位置及其运动轨迹，如图4 所示。基于景深摄像头的手部追踪设备可以对手掌和手臂进行追踪与识别，并且可以将识别出的手臂手掌位置映射到虚拟现实环境之中，使得在虚拟环境中可以看到自己的手掌和手臂，增加评价的真实感。
为了验证台架调节后的精度，以及记录静态评价结果，引入了手持3D 扫描仪。可以将调节后的台架进行扫描，并且和CATIA DMU 数据进行对比、微调。此外可以扫描评价人员的身体，导入到CATIA 环境中逆向建模之后，可以得出人体关键参数、硬点位置等多种重要参数。
        结束语
        综上所述，虚拟现实技术是当今信息化时代中的一项重要科技产物，将该技术应用到工程设计领域中，借助于真实场景的虚拟仿真，不仅可以让整个汽车设计流程得到进一步的优化，同时也可以为后续的汽车产品制造创造出更多的有利条件，并进一步提升用户的信任度。因此，在具体的汽车生产制造中，企业和设计人员都应该充分注重虚拟现实技术的合理应用，通过各种汽车产品的虚拟仿真来提升设计精度，保障设计质量，以此来全面满足当今社会对于汽车产品的实际需求，实现虚拟现实技术和汽车设计领域的协同发展。
参考文献：
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