scade

技术导向

虚拟现实技术在汽车人机工程幵发中的应用

#申明华艾维全张子良（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海2〇11〇4)

【摘要】在汽车研发项目中，人机工程相关的问题一般涉及系统比较多且更改成本很高，因此提早人机

工程性能的时间可缩短项目研发周期。了虚拟现实在人机工程开发中的具体应

用方法，通式虚拟现实设人机台架来对整境拟，学追踪软拟环境的真实性以及记录评价过程。

【

Abstract

】

In

automotive

development

projects

，

ergonomics登录时间

problem

are

always

involved

in

many

systems

and

have

a

high

cost

of

change，so

bring

forward

automotive

ergonomics

verification

can

effectively

shorten

the

project

cycle

.

In

this

paper，an

application

metliod

of

virtual

reality

technology

is

introduced

in

automotive

ergonomics

development，head

mounted

display

and

adjustable

automotive

model

is

ud

ot

simulating

automotive

environment

，

and

optical

tracking

equipment

are

ud

to

im

prove

the

n

of

reality

and

record

the

evaluat舌尖上的新年 ion

process.

【关键词】汽车人机工程虚拟现实柔性人机台架

doi

：10.3969/

j

.

issn

.1007-4554.2021.02.08

整的

A面数据后才能开启制

〇

引言

全新

人机工程是

产

常重要的性能之一，

。在

人机工程性能的好坏可以直接被顾客

着近年来

的项目开发周期

更短。因

缩至24个

。

的愈发激烈，一个

的36-48个月

发项目要。以往

和实物

目前的发项目中，人机工程性能的一

般通过

CAE

虚拟和实的方法。人

机性能的在

CAE

虚拟中一般通值

来衡量，而且人机性能涉及面比较广，

CAE

虚拟验

中很多细节的问题

虚拟爵士歌王

实整

的

的基础上，

。实

，可

发现，因此在

CAE

发目一般还会进行

局和

人机工程相关性能进设计

提供比较完

求在尽可能早的阶段对人机工程

人机工程开发流程中的

CAE

虚拟发要求。

着计算机性能的提

的发展，虚拟现实来

的办法越来越不能满足目前的开

及配套软在工业

的

i

件i

。因必要将虚拟现实人

人机工程开发程中，来解决CAE

充

及实

目前拟现实

时

在人机程

的

完整的，但是通常制作周期比较长，制成

拟

问题。

本比较高，而且需要在

本将

#本文为国家重点研发计划基金项目，编号为2018YFB0105805

收稿日期:2020-12-18

•36•

上海汽车2021.02

发中的一，重点对其

组成和相关软

及在项目中的

程与实

5行

说明。1

虚拟现实技术与应用综述

1.1虚拟现实技术原理与种类

拟现实（

Virtual

Reality

*是指计算机模

拟产生一个

空间的虚拟时间，提给用户关

%等

的模拟，让户可以即时且没制地观察

空间内的事物。

的

来说，虚拟现实

3个基本

特征：的沉浸感、即时的交互和空间内丰

的构想。这3个特调了在虚拟系统中人的

主

，而且

了人机工程

的需要。

虚拟现实的基础是3

D

成像。3

D成像是靠人

双眼的产生的，人的一般有0〇

mm

左右

的距离（通常称距*，要让人

3

D

像，必

让和

同的影像。目前

发目中

的虚拟现实系

据成像方式的不

同可两种:第一是

状自拟系统

(

CAVE

)，一般指由多个面的背

配

追

等组成的虚拟

境，因其成本高

昂、需要有独立的多

间

搭建，这系统在

汽车开发中的应用逐渐减少；

是头盔显示

(

HMD

)，心成像元"配

套的透镜。通透镜产生的

，再通的差距产生3

D

成像，配

追踪系统（内、光学追踪系：

景像头）来产生交互。

HMD

—般不需要对

间

改造，成本

，配套软

来越成

，因近年来的发展更

，目前在

发

中的来多。

17

的应用

拟现实

的心是，因在人

机工程开发中和关的性能均可以通

拟

现实来

和评价。

实

设备、手势识别技术等，还可可触及、

操适度、车内幕

UI

/

UE

:评审。表

1

出了目前

可以实现的可评估项目。

上海汽车2021.02

技术导向

表1虚拟现实应用内容

评估类别

评估初二英语单词上册 内容

评估方式

可伸及性评估按键可伸及

VR_

实物模

可伸及性评估幕可伸及

VR+

实

可伸及性评估中控可伸及

VR_

实

可伸及性评估操作可伸及

VR_实

直接评估

前方

VR

直接评估方

VR

直接评估

方

VR

直接评估

A

：

VR

间接评估

后视镜视野

VR

评估

表

VR

评估

内屏幕视野

VR

评估

其他

VR

视野干扰

幕

VR

视野干扰

幕

VR

视野干扰

其他

VR

适度评估

表

UE/UI

评估

VR_

实物模

适度评估

幕

UE/UI

评估

VR_实

2虚拟现实人机工程开发平台构成据

目研发的需求，设计了一套，

虚拟现实的人机

发平台。平台主要由

3个组成（见图1*，其中柔性人机台架提

拟现实中“现实”

的基准点，同时

来

拟确的&虚拟现实中的“虚拟”

通及配套的追来实

现；

入了多

拟现实软件、光学记录系统

等来更好

人机

台

拟环境。

91开发平台构成

2.1

柔性近视眼的危害 人机座舱台架性人机

台

本开发平台的基

础，主要通过体现

的座椅

、踏板

和方

•37•

技术导向

向盘等其他和

关的

，来及其他和实际的[

状态相同，如图"6。台的各个区域均灵活

可调，通机对台

个

的位置

制。台可以满足舒适性、伸及性、进出性、空间

性和

性的评估要求。

图2柔性人机台架系统示意性人机

台架的主要调节

，例如

座椅、方向盘、踏板和地面均调

节，通上位机控制机调节，可

调整为目标的姿态。

了兼顾尽可能多

的

，本台架

前期收集了

的

总参数，在满足

丨

和空间的情况下

了运

程，来

可以满足

中

SUV等一系

型

的模拟。

2.2

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

HTCVIVE。HTCVIVE

高、

适、光学追

可靠等优

点。此设多个软件，例如中心正

在使用的

SPEOS

光学仿真软及3

DMAX

等。

方还提供了、

SDK供二次开发。

性人机

台架的3

D

数据、实和虚拟现

实环境数据、虚拟现实之间的

标本

平台的基础工作之一

。HTCVIVE

在软件环

境中提供了本身的6自据，但是坐标系和

整车坐标系匹配。因此，先在软件环境中将

台

据（也就是整

标系）和

据

(代表虚拟现实环境的坐标系鲁迅生平 ）匹配到一起，然后

再将现实中和台

一起，之在软件

•,1•

中将虚拟现实环境中的基

标系

重置，进

将虚拟和现实的坐标匹配到一起，如图36。

台架数据、虚拟现实环境位置匹配

台架实物、头盔实物位置匹配

虚拟环境中头盔位置重置

图3虚拟现实坐标标定万法

27控制

出软件、硬件

了本开发平台的范围，在平台里

了多软及设来制和出评价

，如表26。

表2

其他软件硬件说明

组會b

学系统

态记录人体位置，并且映射到VR系统之中

3学校生活英语 D:

台

及记录静态人体

CATIA

台架DMU、虚拟现实环境数据处理

SPEOS/VRXPERIENEC

学仿真VR软

UNITY3D

VR场景开发平台

2.3.1光学动作捕捉系统

了

拟现nesp 实环境的真实感，同时

*

评价的过程

记录，引入了光学

系统来对人体识别、追踪并且映射到虚

拟现实环境之中。学

系标点和多个红

外摄像头组成，可60

Hz的频率记录人体各个躯

的及其运，如图&6。

基于景

像头的手部追

fe设备可

手掌

和手追识别，并且可以将识别出的手臂手掌

射

拟现实环境之中，使得在虚

上海汽车"Q"%*"

图4光学追踪设备

拟环境中可自己的手掌和手臂，增加评价

的真实感，如图5所。

图5手部追踪设备

2.3.2光学动作捕捉系统

了台架调节后的，以及记录静态

评价，引入了手持3

D

。可将调节后

的台

，并且和

CATIA

DMU数据进行对

比、微调。可评价人员的身体，导入到

CATIA

环境中建模之后，可出人体关键

参数、硬点等多种重要参数。

2.3.3

CATIA

DMU

为了节约在

CATIA

环境中匹配台架装配数据

和虚拟现实环境数据的时间，在

DMU

环境中建立

了所有台架可调节参数的约束并且束

定义和追踪。可将需要

的总

据可调节参数的坐标数据，输入

性人

机

台架控制系统中，台快速调节，

拟现实环境数据进行标定，如图6所示。

2.3.4

SPEOS/VRXPERIENCE目前整

内光学仿真一般都是使用

ANSYS

的

SPEOS软

，

ANSYS

公司提供了可以和

SPEOS

无缝衔接的

VRXPERIENCE

软件，如图7所示。

SPEOS基

理的光学

式可

将

CATIA

数据转化为光学分析文件，然后导入到

上海汽车2021.02

技术导向

图6人机座舱台架

DMU

VRXPERIENCE

中的

VR

场景中。针对只涉及光

学的

VR

仿真需求是需要快的需求，可

使用

VRXPERIENCE进行快速搭建场景。

原

0MS2

n

t人机

SCADE

AS

DS

ANSYSSPEOS

Drivingsimulator

图7

SPEOS

与VRXPERIENCE

2.3.5

UNITY

3D

UNITY

3

D

为目前市场上应用最广的3

D场景

发平台之一，几所有的

VR

及追踪

设备，也可

景

的定制和开发。

CATIA

数据需要之后才能更实

地体现到

VR

环境之中，目前为了提高效率减少软

，直接在

UNITY

3

D

环境中内饰

。

需求，在

UNITY

3

D中开发了多种驾

驶场景，城道路场景、高

路道路场景和

下景等，场景中包含建、道路、、

指和红绿灯等多种元素，可在

VR环境

中

同场景对人机

体验，如图1所示。

图8基于

UNITY

3

D

的驾驶场景

Leapmotion

手部追踪摄像头和

ART光学动作

捕捉系统均可以在

UNITY

3

D

境中整合。基

•39•

技术导向

Leapmotion

手追卩示摄像头开发了手部/

，

可以在

VR环境中

HMI

逻辑、手伸及情况

评审，如图+所

。

图9虚拟现实环境中的

UI

/

UE

评审

基于

UNTIY

3

D

强大的生态，针对人机工程的

需求开发了多能，间接评审、直接视

评审、

HMI

评审、

VR

环境中的

CAD

功能、灯光评审及装配维修

等（见图1〇)，更扩展了融

拟现实的柔性人机发平台的

境。

图10

UNITY

3

D环境中的场景功能开发

3

虚拟现实人机工程验证的工作流程

目论文提纲模板 前虚拟现实人机工程验证的工作流程如图

11所。

4

应用实例

在

设计阶段提出了一

新的车

内屏幕式，需要对其

情。

按照

的

程，实需要48

天以上，决时间，影响

发进

。是采拟现实，只需要1"天就

可

幕

挡、屏幕

和屏幕光学

等情，

缩短了

发

的时间，如表3所示。

•40•

图11!拟现实

程

表3

虚拟现实验证时间

实物模型验证时间

拟现实验证时间

据处理15天

整车内据

7天

30天

拟现实环境搭建3天

运输、调3天人机

台标定2天

48天

12天

5

结语

本文提出了一种将虚拟现实

人机工程开发工作中的方法，解决了以往人机工程

中

CAE

:完善与实物模

时

的缺点，可缩短

发周期和项目决策时间。

着计算机图

的进一步

发展，虚拟现实技术将在

人机工程开发乃至整个

目开发周期内

来越重要的作用。

参考文南犬

[1]邵景峰，刘优中，喻志强.基于汽车造型评审的虚拟现

实环境设计[J].上海汽车，2017(4):3-9.

[2]

.基于虚拟现实的汽车驾驶模拟系统的设计与

实现[D].南京:东南大学，2015.

[3]

毛婷婷.汽车总布置开发过程中的虚拟现实技术

用[J].内燃机与配件，2020(16):34-36.

上海汽车2021*2

应