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DTF 2012 China 電動車與智慧車用電子產業技術論壇 – 上海

虛擬實境技術與電動汽車設計及開發
2012/09/20-DIGITIMES企劃  


藉由3D投影的虛擬實境技術,汽車開發業者可以在最終圖面決定製造工程雛型之前,以3D投影的虛擬技術,將工程圖面資料以3D方式虛擬實體化的投影、呈現出來,並且在眼中有如真實物件一樣的進行移動、組件拆解、組合與裝配,如此可以節省頻繁修改圖面、模具與工程汽車產品的開發時間與成本,加速汽車上市的時間;對於新車量產的裝配線安排、裝配與維修人員的培訓也有很大的幫助。

互動式虛擬實境技術

同濟汽車設計研究院性能開發中心副主任丁巨岳,介紹同濟汽車設計研究院致力於汽車車身的設計與開發,而他個人曾在奧迪(Audi)與寶馬(BMW)做了7年的產品設計開發,現在藉由分享虛擬實境互動技術的現實開發這領域,帶給現場業界人士新的思維。

同濟汽車設計研究院性能開發中心副主任丁巨岳
他先展示一個日前幫Audi設計虛擬工程的應用影片,透過軟體模擬的方式,不僅圖面設計可以非常真實的反饋,透過軟體方式,還能呈現行進車頭撞擊實驗的結果,並且實際投影出來的視覺是先進的3D立體成像效果,只要戴上先進的3D眼鏡,更可以身歷其境的感受到。

他進一步解釋何謂虛擬建築技術。也就是客戶產品、配件與生產線附近的圖面座標資料被3D圖面化,透過一個大尺寸的3D投影設備投影出來,當設計人員戴上一個3D眼鏡之後,看到一個被完全虛擬出來、1:1與真實環境一致的虛擬開發環境,人物可以跟這個虛擬實境的任何物件互動。

使用這套虛擬開發環境的好處,首先可以在汽車初期設計的研發階段,大幅降低成本並且縮減整部汽車的開發週期。在美國有個應用實例,有一部A級的改款車,通過使用這套系統,研發週期從之前12個月降低到僅2個月,開發總成本降低到只有原先的1/5。他也展示另外一個幫波音(Boeing)公司製作的,一個虛擬實境的引擎拆裝互動展示實例影片。

這套稱為視訊定案系統(Visual Decision Platform;VDP),是一套先進的虛擬實境的前期開發展示系統,由一家德國IC.IDO的工作室/公司所開發,現在隸屬於ESI集團;IC.IDO對於工業設計的虛擬展示經驗累積達20年,而同濟汽車研究公司跟IC.IDO合作了長達7年的時間,雙方並合資在上海成立了一個同濟虛擬設計研究所,一同致力於汽車虛擬設計研發這領域。目前在大陸有上海大眾(VW)、上海汽車集團(Saac Motor)接洽一些前期研發的工作。

IC.IDO虛擬實境 展示系統與相關軟硬體

丁巨岳進一步解釋,IC.IDO VDP虛擬實境互動技術,結合客戶提供的3D物件、零件的模型資料,以及生產線資料,配合3D背投影機、3D眼鏡呈現出栩栩如生的立體畫面,作為客戶在該產品即將進入工程雛型之前的最終圖面修改、補強,進而縮減整個產品研發週期,改善產品設計品質。

在硬體組成部份,首先需要一個大尺寸的背投影式投影機,或者投影在中小尺寸的投影牆(Projection Wall),接下來是3D眼鏡,以及可以控制物件方向的控制手臂/遙控器。

投影螢幕四個角落有紅外線攝影機,3D眼鏡與控制手臂/遙控器也有紅外線定位接受器,藉由紅外線攝影機不斷的追蹤你的3D眼鏡與遙控手臂的定位點,做精確計算與定位,並把人物座標位置跟虛擬實境的畫面進行融合。當用戶帶上3D眼鏡之後,啟動VDP的軟體系統,並透過控制手臂/遙控器,就可以對模型物件進行操控、移動、旋轉、拆解與組裝,這樣就能瀏覽初期設計,開發出更好的產品,同時縮短開發時間。

虛擬互動實境系統在汽車工程上的應用

丁巨岳指出,這套IC.IDO VDP系統可以達成人因工學的實踐3D可視化、浸潤於物件內部的檢視、人機行為互動、配件裝配與拆解,還有產品圖面修改時即時反饋回應到投射畫面上,同時讓跨部門甚至合作業主協同檢視、討論。

它偏重於工程設計的應用,像整車模型的拆解、撞擊之後的狀況與事後拆解分析。以往碰撞實驗需要花巨資實際做一部工程車輛,然後跟碰撞實驗中心去聯繫、排時間安排碰撞。但透過這套IC.IDO VDP,只要圖面模擬分析的可靠性夠高的話,直接在VDP系統就可以實踐整車碰撞。

在一個整車開發的過程中,從電腦輔助圖面設計(CAD)、電腦輔助圖面工程製作(CAE)、實際製造(Process)到後端組裝的整個流程安排,VDP主要協助在CAD這一塊。

而跟電動車關聯最大的就是電池的組裝、配重計算,以及相關管線、排線的佈設,甚至在圖面修改後也能即時反饋,這在車身前期工程設計階段就可以達成。同濟汽車研究所最近跟上海大眾(VW)合作,應用這套IC.IDO VDP系統設計電動車,不僅工程師工作量比過去輕鬆,整車開發週期也明顯縮短。

丁巨岳接下來介紹,先前幫BMW設計的一個裝配線虛擬工程投影。像是油管與其他管線的排列佈設,一般在汽車引擎的設計階段,無法得知它安裝於汽車內部後,與周遭油管與其他管線是否有干擾情況;這套系統可以以虛擬投影的方式,將引擎、油管與其他管線一起安置到汽車車身,藉由選轉視角與移動方式,來查看引擎與四周管線是否有相互干擾。

它也具備Compact限縮檢測,例如要將某個組件做抽拉過程,當系統計算出該組件兩端已經碰到車身產生干擾,此時就會限制住觀賞者無法繼續做抽拉移動的動作,有如真實世界中組件被卡住的情況。

在人機互動這部份,VDP內建了許多假人模型,例如佔5%空間、佔50%到佔95%位置的假人,可以安置在汽車座位上投影出來,從前期設計時期階段,就可以檢視汽車的內部乘坐空間的合理性;還有像是駕駛座儀表板的按鈕、旋鈕位置,在前期設計過程都可以被投影來驗證,對開發工程師來說,是非常有效的工具。

第三個在生產裝配這部份,在車身的裝配過程中,哪一個零組件拆卸時,需要用哪一種級數的扳手,其中哪一個螺栓位置設計不合理的話,有可能這個板手無法到達這個螺母位置;若沒有這套VDP系統,可能在2D圖面設計時不易察覺到這個問題,一旦模具製造出實際零件後才檢視出這個問題,就已經來不及了,對汽車業者來說是非常大的損失。還有像一般汽車工廠對員工的裝配培訓,即便用實車,一輛最多給4~5個人去裝配;若是透過VDP這套系統,可以讓很多人同時來虛擬裝配。

虛擬互動實境技術的應用範圍與實際案例

丁巨岳舉例波音公司研發某一款飛機的時候,便曾發生服務餐車無法通過飛機艙內側門的窘況。他指出,像波音這樣大的飛機設計製造公司,相關部門有200多個,每個單位都僅照圖面資料去負責他們負責的部份,等飛機實際製造成型後才發現這個問題,但已經來不及了。如果搭建一個1:1對應真實物品尺寸的虛擬實境,就可以在2D圖樣階段,將所有組件組裝之後的樣貌,投射出整架飛機內外部的情形,以避免這樣的問題產生。

目前在寶馬(BMW)以及Mercedes Benz就應用了這套VDP系統,在前期開發階段避免了非常多的零件安裝的干擾、不合理情況,也減省了許多反覆製造、修改模具、成品檢視驗證的時間與成本。

丁巨岳展示兩個國外實際應用案例。在一個寶馬(BMW)的組裝線,它模擬後車廂內後蓋組件的組裝。因為歐洲人平均身高較高,設計者依照平均身高50%去設計出來的後行李箱門把位置,對東方人尤其是兒童來說,有可能後把手搆不著而無法關閉後廂門;透過這套系統,可以在前期設計階段就被預先發現。

還有像是後掀設計的旅行車、三門車的後隔板,一般人其實不容易看到蓋上後車廂門之後,隔板與車廂內部其他組件之間的互動與干擾情況;透過IC. IDO VDP的互動展示,驗證人員可以從車輛內部的視角,去看到這個隔板在後廂門關上之後的扳動與干擾狀況。

最後丁巨岳播放一段約5分鐘的影片,來說明IC.IDO VDP這套虛擬互動實境在汽車廠的應用。從前期圖面設計、投射互動展示與即時修改反應,各組件安裝後相互的調整,組裝廠組裝線的安排,以及工廠員工組裝、維修步驟的設計與培訓應用。

他最後總結,透過這套虛擬實境互動展示系統,以及與海外BMW、Porsche、VW等大廠的實際參與合作經驗,將致力於把這種先進的虛擬互動實境技術帶回大陸,並推廣其在汽車設計的應用。

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