2017年底，北京朗迪锋科技有限公司以“基于物理台架的汽车人机工程虚拟仿真系统”的解决方案中标北汽福田虚拟人机工程仿真项目。该解决方案在传统的CAD设计基础之上，引入了“物理台架+虚拟现实”这样创新的系统设计，能够帮助用户实现“造型评审”+“人机工程分析”+“数字样机评审”的协同并行。 图 1 系统组成
为什么要用物理台架？ 为什么要引入物理台架这样的硬件设备呢？在回答这个问题之前，我们先从交互性、仿真置信度、“虚拟-现实”匹配度与人机工程分析结果这四个维度入手，对比一下“纯虚拟仿真环境”和“物理台架+虚拟仿真”这两种系统之间的异同。 表 1 纯虚拟仿真环境 vs “物理台架+虚拟仿真” 对比结果如下： 交互性。纯虚拟仿真环境是借助立体显示系统（如CAVE）或者虚拟现实头盔（如HTC VIVE）给用户创建一个沉浸感十足的虚拟仿真环境，以视觉交互为主，借助手柄可以实现简单交互；“物理台架+虚拟仿真”则是在视觉交互的基础之上，增加了触觉反馈，给交互体验带来了极大提升。 仿真置信度。纯虚拟仿真环境可以将三维模型以沉浸式立体的方式展示，让用户有身临其境的感觉，仿真置信度较高；“物理台架+虚拟仿真”则是再此基础之上，加入了物理反馈，用户看到什么就可以碰到什么，使得整个仿真的置信度上升了一个台阶，仿真效果更加接近真实。 “虚拟-现实”匹配度。纯虚拟仿真环境由于缺乏对显示环境的输入，因此在虚拟环境与现实环境二者之间只能模拟匹配；“物理台架+虚拟仿真”可以借助追踪系统，标定现实环境中与用户频繁交互的设备，从而实现对虚拟仿真设备的精准匹配。 人机工程分析结果。纯虚拟仿真环境中的人机工程分析以主观分析为主，例如可视性分析、可达性分析，可以直观地“看”到分析结果；“物理台架+虚拟仿真”由于可以做到精确标定、精确匹配，因此人的姿态和动作可以更加真实且稳定，除了主观分析之外，一些量化的人机工程分析结果也能够做到很精确。
因此，我们特别提出了“物理台架+虚拟仿真”这样的解决方案。一方面，该解决方案具有所有传统虚拟现实仿真系统的功能和特点，例如沉浸式立体显示、实时驱动数字人体等；另一方面，该解决方案还提供物理台架，可以给用户提供实际的操作反馈，从而使得“虚拟”与“现实”真正地交互起来，获得更好的用户体验，更高的操作仿真度，并且使分析评审的结果更为真实、可信。  图 2 虚拟驾驶（无触觉反馈）
物理台架给汽车用户带来的好处 对于汽车用户而言，引入物理台架到系统中不仅带来更好的用户体验，对人机工程分析的好处也是显而易见的。 我们都知道，汽车用户是十分注重驾驶交互体验的，有一个握在手里的方向盘，会给用户带来物理触觉反馈，使得仿真驾驶的置信度度更高； 我们可以标定物理台架上的关键部件，比如方向盘、后视镜、面板等，这样可以帮助用户更好地进行人机工程分析。比如，标定台架上的后视镜和仿真环境里的后视镜，用户可以直观地进行后视镜的视野分析，并且随时主动调节后视镜的位置；物理台架的面板也可以标定位置和角度，可以与仿真环境中的面板匹配，让可达性分析变得更为直接、直观；因为存在物理台架的触觉反馈，因此用户的驾驶姿态更为真实、稳定，舒适度分析的数据也就更为准确、可信； 通过标定人体、物理台架与仿真模型，这样可实现数字人体与人体的精确匹配，仿真模型会与物理台架的精确匹配，因此用户在物理台架上的动作就可以在仿真场景中完整复制下来。用户的操作可以看做是人机交互的输入，与仿真场景实现动态交互，真正实现“人在回路”的仿真效果； 此外，一台物理台架可以用来仿真多种不同的车型，在仿真的效率和灵活性上带来很大的便利，同时可以大大节约用户的开发时间和开发成本。
 图 3 基于物理台架的虚拟驾驶（有触觉反馈）
物理台架+虚拟现实
为了满足以上功能需求，我们在解决方案中设计了该系统的软硬件组成。硬件方面主要包括： 采用LED立体显示技术及VR头盔显示技术，提供沉浸式的虚拟现实立体展示环境； 采用光学动作捕捉系统，将用户的动作与姿态与数字人进行匹配，可以实时地驱动数字人体； 借助物理台架，真正实现“虚拟-现实”交互，带来更高逼真度的操作仿真效果，完成“人在回路”的闭环系统设计。
 图 4 物理台架
软件方面包括： 采用MakeReal3D虚拟现实仿真软件平台，可以快速地导入CAD数据、场景编辑、保留原始数据的结构树以及特征属性； 可以进行漫游、标注、测量、剖切等数字样机评审，借助物理引擎可以进行虚拟装配/维修评审以及工艺验证； 支持照片级的实时渲染，可以对不同造型方案进行虚拟评审； 对于虚拟现实环境下的人机工程分析，可以进行眩光、内饰、色彩搭配等主观评审；也可以完成可视性、可达性、舒适性等人机工程分析； 可进行多部门多人协同评审，支持局域网协同。
 图 5 基于物理台架的汽车人机工程虚拟仿真系统
我们希望通过引入物理台架这样的平台，结合虚拟现实技术，提出一种更完备的解决方案，能够给用户带来更逼真的仿真效果以及更好的操作反馈，从而提高交互体验，帮助用户大大的节约研发时间和研发成本，让虚拟现实在工业制造业领域得到更好的应用和发展。
|
