汽车虚拟现实技术在汽车开发中的应用ppt课件

汽车数字化开发技术第七章 汽车虚拟现实技术在汽车开发中的应用汽车数字化开发技术0数字开发有哪些技术，具体应用、与传统开发相比有哪些优势？例如：CFD技术（计算流体动力学），是研究流体在基本控制方程下运动的数值模拟方法。用于计算分析汽车外流场，与传统的风洞试验相比，CFD方法不需要实车模型，具有周期短、成本低、可反复计算等优点。1数字开发有哪些技术，具体应用、与传统开发相比有哪些优势？思考1 1）仿真的三个基本要素是：）仿真的三个基本要素是：物理系统计算机数学模型系统、模型、计算机系统、模型、计算机21）仿真的三个基本要素是：复习：物理系统计算机数学模型系统、2 2）汽车虚拟样车仿真技术的内容：）汽车虚拟样车仿真技术的内容：(1)几何仿真，整车结构的几何特性与装配关系的仿真；(2)性能仿真，动力学性能和动力学特性的仿真。32）汽车虚拟样车仿真技术的内容：33 3）虚拟试验的优点：）虚拟试验的优点：(1)可以大幅度减少样机制造试验次数，缩短新产品试验周期，降低实际试验的费用。(2)可以实现设计者、产品用户在设计阶段信息的互反馈。(3)可对试验过程进行回放、再现和重复。43）虚拟试验的优点：44 4）汽车碰撞安全仿真试验从哪几个方面进行？要）汽车碰撞安全仿真试验从哪几个方面进行？要研究的内容包括哪几个？研究的内容包括哪几个？试验从哪五个方面进行：（1）正面碰撞（2）后部碰撞（3）侧面碰撞（4）顶部压垮（5）侧门强度。研究的内容包括：（1）车身结构的耐撞性研究（2）碰撞生物力学研究（3）乘员约束系统研究（4）安全内部饰件研究。54）汽车碰撞安全仿真试验从哪几个方面进行？要研究的内容包括哪5)5)汽车碰撞安全仿真的发展趋势：汽车碰撞安全仿真的发展趋势：(1)提高仿真运算速度，它是汽车碰撞仿真技术发展的核心；(2)发展新的人体模型模拟技术；(3)寻求接触搜寻新算法；(4)研究降解积分新技术；(5)子循环技术。65)汽车碰撞安全仿真的发展趋势：6汽车数字化开发技术第七章 汽车虚拟现实技术在汽车开发中的应用汽车数字化开发技术73.13.1虚拟现实技术的概述虚拟现实技术的概述3.23.2虚拟虚拟环境的建立环境的建立3.33.3产品的虚拟原型产品的虚拟原型3.43.4数字制造数字制造3.53.5数字工厂数字工厂83.1虚拟现实技术的概述83.1.13.1.1虚拟现实的定义虚拟现实的定义3.1.23.1.2虚拟环境开发的目的虚拟环境开发的目的3.1.33.1.3虚拟现实在各个领域的应用虚拟现实在各个领域的应用93.1.1虚拟现实的定义3.1虚拟现实技术的概述9是一种为改善人与计算机的交互方式、提是一种为改善人与计算机的交互方式、提高计算机可操作性的人机界面综合技术高计算机可操作性的人机界面综合技术。它通过它通过高速图形计算机高速图形计算机、头盔显示器头盔显示器或其或其他他三维视觉通道三维视觉通道、三维位置跟踪器三维位置跟踪器和和立体立体声音响声音响，使计算机用户能够沉浸到计算机，使计算机用户能够沉浸到计算机屏幕所显示的场景中去，从而产生一种类屏幕所显示的场景中去，从而产生一种类似似“幻觉幻觉”的人工三维环境的人工三维环境“虚拟环虚拟环境或灵境境或灵境”。10是一种为改善人与计算机的交互方式、提高计算机可操作性的人机界虚拟现实的组成包括虚拟现实的组成包括用户（操作者）用户（操作者）、机机器器及及人机接口人机接口三个基本组成部分。三个基本组成部分。借助虚拟显示技术，可以对现实世界的事借助虚拟显示技术，可以对现实世界的事物进行动态仿真。物进行动态仿真。计算机屏幕显示的场景能够跟踪用户的输计算机屏幕显示的场景能够跟踪用户的输入，及时按照输入信息修改场景，使用户入，及时按照输入信息修改场景，使用户和虚拟环境之间建立起实时交互性关系，和虚拟环境之间建立起实时交互性关系，进而使用户产生身临其境的沉浸感觉。进而使用户产生身临其境的沉浸感觉。11虚拟现实的组成包括用户（操作者）、机器及人机接口三个基本组成12虚拟环境的特征121 1）为了）为了方便设计师方便设计师对产品各方面包括外观、零部对产品各方面包括外观、零部件间的关系、性能等方面做出评价，以减少设计上件间的关系、性能等方面做出评价，以减少设计上的错误和最大限度地满足客户需求。的错误和最大限度地满足客户需求。2 2）为了）为了缩短缩短产品的产品的设计周期设计周期和和节省节省试制试制费用费用，避避免多次制造样机免多次制造样机。3 3）为了使数字化产品模型具有）为了使数字化产品模型具有更强更强的的人机交互人机交互功功能，使用户能在虚拟环境中感觉到产品的存在。能，使用户能在虚拟环境中感觉到产品的存在。4 4）为了）为了方便方便产品设计开发人员、生产管理人员、产品设计开发人员、生产管理人员、营销人员组成的团队可以从不同角度对产品的设计营销人员组成的团队可以从不同角度对产品的设计方案进行方案进行讨论讨论。131）为了方便设计师对产品各方面包括外观、零部件间的关系、性能虚拟现实在工程中的应用虚拟现实在工程中的应用虚拟现实在医学中的应用虚拟现实在医学中的应用虚拟现实在航天和军事中的应用虚拟现实在航天和军事中的应用虚拟现实在商业中的应用虚拟现实在商业中的应用在娱乐、艺术和教育中应用在娱乐、艺术和教育中应用虚拟现实在车辆工程方面的应用虚拟现实在车辆工程方面的应用14虚拟现实在工程中的应用3.1.3虚拟现实在各个领域的应用143.2.13.2.1人机交互方式发展历程人机交互方式发展历程3.2.23.2.2具有沉浸感虚拟环境的特点具有沉浸感虚拟环境的特点3.2.33.2.3虚拟环境硬件配置虚拟环境硬件配置3.2.43.2.4虚拟环境软件配置虚拟环境软件配置153.2.1人机交互方式发展历程3.2虚拟环境的建立155 5个阶段：个阶段：1 1）传统的屏幕显示、键盘和鼠标）传统的屏幕显示、键盘和鼠标2 2）从三维图形到观看）从三维图形到观看“桌面虚拟现实桌面虚拟现实”3 3）头盔显示器和双筒全景显示器（具有沉浸感）头盔显示器和双筒全景显示器（具有沉浸感）4 4）数据手套和触觉反馈装置）数据手套和触觉反馈装置5 5）超大屏幕或全景虚拟环境（多用户深度沉浸感）超大屏幕或全景虚拟环境（多用户深度沉浸感）165个阶段：3.2.1人机交互方式发展历程161 1）采用与人体位置有关的观察方法，从而提供了）采用与人体位置有关的观察方法，从而提供了在在三维三维空间中运动的空间中运动的视觉界面视觉界面，为用户在虚拟环境，为用户在虚拟环境中东张西望、走进走出或飞越创造了基本条件。中东张西望、走进走出或飞越创造了基本条件。2 2）超大）超大 屏幕的立体景观加强了空间的深度和广度，屏幕的立体景观加强了空间的深度和广度，全景虚拟环境将与人的身材大小相适应全景虚拟环境将与人的身材大小相适应。3 3）通过数据手套、操纵杆、遥控器空间球和立体）通过数据手套、操纵杆、遥控器空间球和立体鼠标等装置鼠标等装置可以操纵和控制虚拟对象可以操纵和控制虚拟对象。4 4）立体声场、触觉以及其他非视觉技术立体声场、触觉以及其他非视觉技术的应用大的应用大大加深了虚拟环境的沉浸感。大加深了虚拟环境的沉浸感。5 5）在不同地点的人通过网络可以分享虚拟环境，）在不同地点的人通过网络可以分享虚拟环境，在虚拟空间中相会、交谈和动作交互。在虚拟空间中相会、交谈和动作交互。（多用户）（多用户）171）采用与人体位置有关的观察方法，从而提供了在三维空间中运动具有沉浸感的虚拟环境硬件系统包括：具有沉浸感的虚拟环境硬件系统包括：一、可视化视觉通道一、可视化视觉通道二、虚拟幕墙二、虚拟幕墙三、全景空间三、全景空间四、立体声场的听觉通道四、立体声场的听觉通道五、语言、位置和姿态输入装置五、语言、位置和姿态输入装置18具有沉浸感的虚拟环境硬件系统包括：3.2.3虚拟环境硬件配置1 1）头盔显示器）头盔显示器2 2）双筒全方位显示器）双筒全方位显示器3 3）虚拟桌面和虚拟幕墙）虚拟桌面和虚拟幕墙4 4）全景虚拟环境）全景虚拟环境191）头盔显示器一、可视化视觉通道19头盔前方的小盒有两个小液晶显示屏，利用光学头盔前方的小盒有两个小液晶显示屏，利用光学原理让左右眼看到的图像略有差别以达到立体效原理让左右眼看到的图像略有差别以达到立体效果。果。位置追踪器能够不断测量用户头部的位置和方向，位置追踪器能够不断测量用户头部的位置和方向，并将计算机生成的场景调整到与头部位置和姿态并将计算机生成的场景调整到与头部位置和姿态相适应的场景，使用户可以在各个角度观看生成相适应的场景，使用户可以在各个角度观看生成的虚拟产品。的虚拟产品。可以提供立体场可以提供立体场景显示、立体声景显示、立体声音输出以及头部音输出以及头部位置跟踪的功能。位置跟踪的功能。20头盔显示器头盔前方的小盒有两个小液晶显示屏，利用光学原理让左针对头盔显示器针对头盔显示器戴上不舒适感进戴上不舒适感进行了改进，同时行了改进，同时分辨率上有所提分辨率上有所提高。高。通过多连杆机构通过多连杆机构在操作范围的任在操作范围的任意移动，达到位意移动，达到位置跟踪的效果。置跟踪的效果。21双筒全方位显示器针对头盔显示器戴上不舒适感进行了改进，同时分与头盔显示器和双筒全方位显示器相比可供与头盔显示器和双筒全方位显示器相比可供多用户同时使用。多用户同时使用。在操作者可以通过数据手套、位置跟踪器等在操作者可以通过数据手套、位置跟踪器等实现人机交互。实现人机交互。22虚拟桌面与头盔显示器和双筒全方位显示器相比可供多用户同时使用可供用户可供用户1010人左右人左右23虚拟幕墙可供用户10人左右23建立全景虚拟环境（建立全景虚拟环境（CAVE)CAVE)的目的：的目的：1 1）生成高清晰度全彩色的逼真影像，改善周边视）生成高清晰度全彩色的逼真影像，改善周边视野效果；野效果；2 2）减少用户负重的硬件，消除头部转动的误差；）减少用户负重的硬件，消除头部转动的误差；3 3）开发能够同时看到现实世界和虚拟世界的显示）开发能够同时看到现实世界和虚拟世界的显示装置；装置；4 4）开发能够与超级计算机联网的可视化的工具和）开发能够与超级计算机联网的可视化的工具和数据源。数据源。24建立全景虚拟环境（CAVE)的目的：全景虚拟环境（CAVE）利用利用CAVE开发奔驰新车型开发奔驰新车型25利用CAVE开发奔驰新车型25数据手套数据手套操纵杆操纵杆操纵手轮操纵手轮三维控制装置三维控制装置 26数据手套五、语言、位置和姿态输入装置26数据手套数据手套(DataGlove)(DataGlove)是是一种把手势输入计算机的一种把手势输入计算机的工具。戴上数据手套后，工具。戴上数据手套后，当手活动时手套检测这些当手活动时手套检测这些活动，并向计算机送出相活动，并向计算机送出相应数据，计算机将这些数应数据，计算机将这些数据转化为虚拟手的动作，据转化为虚拟手的动作，如握拳、手平直、伸出食如握拳、手平直、伸出食指等。根据系统的规定，指等。根据系统的规定，不同的手势可以表示不同不同的手势可以表示不同的控制指令，例如用手平的控制指令，例如用手平直指出飞行的方向，用握直指出飞行的方向，用握拳表示返回等。拳表示返回等。27数据手套数据手套(DataGlove)是一种把手势输入计算机为了实现在虚拟现实中的漫游，必须知道浏览者在为了实现在虚拟现实中的漫游，必须知道浏览者在三维空间中的位置和方向，尤其是必须知道头部的三维空间中的位置和方向，尤其是必须知道头部的位置与方向，以相应地改变场景。这就需要位置跟位置与方向，以相应地改变场景。这就需要位置跟踪器跟踪头部的位置与方向，也就是需要位置跟踪踪器跟踪头部的位置与方向，也就是需要位置跟踪器描述物体的器描述物体的3D3D位置。位置。目前采用的位置跟踪器有磁场式、超声波式、红外目前采用的位置跟踪器有磁场式、超声波式、红外线式及发光二极管式等，但使用较多的是磁场式及线式及发光二极管式等，但使用较多的是磁场式及超声波式。超声波式。28为了实现在虚拟现实中的漫游，必须知道浏览者在三维空间中的位置虚拟现实应用工具箱虚拟现实应用工具箱MRTKMRTK软件包软件包虚拟现实系统应用工具箱虚拟现实系统应用工具箱WTKWTK程序包程序包CDKCDK（Cyber space Developer Kit)Cyber space Developer Kit)软件包软件包虚拟现实建模语言虚拟现实建模语言VRMLVRML29虚拟现实应用工具箱MRTK软件包3.2.4虚拟环境软件配3.3.13.3.1虚拟原型的概念虚拟原型的概念3.3.23.3.2建立虚拟原型的主要步骤建立虚拟原型的主要步骤3.3.33.3.3虚拟原型的应用虚拟原型的应用303.3.1虚拟原型的概念3.3产品的虚拟原型30虚拟原型虚拟原型(Virtual Prototypling)(Virtual Prototypling)是利用虚拟环境是利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互地探索虚拟物体的在可视化方面的优势以及可交互地探索虚拟物体的功能，功能，对产品进行几何、功能、制造等方面交互的对产品进行几何、功能、制造等方面交互的建模与分析建模与分析。它是在它是在CADCAD模型的基础上，使虚拟技术与仿真方法模型的基础上，使虚拟技术与仿真方法相结合，为原型的建立提供的新的方法。相结合，为原型的建立提供的新的方法。虚拟原型技术可用来快速评价不同的设计方案，与虚拟原型技术可用来快速评价不同的设计方案，与物理原型相比较，物理原型相比较，虚拟原型生成的速度快，生成的虚拟原型生成的速度快，生成的原型可被人们直接感触、操纵和修改，且数据可被原型可被人们直接感触、操纵和修改，且数据可被重新利用。运用虚拟原型技术，可以减少且甚至取重新利用。运用虚拟原型技术，可以减少且甚至取消物理原型的制作，从而加速新产品的开发进程。消物理原型的制作，从而加速新产品的开发进程。31虚拟原型(Virtual Prototypling)是利用虚为使用现有的软件，并将虚拟原型集成到产品开发过为使用现有的软件，并将虚拟原型集成到产品开发过程中，还需要下列两个接口：程中，还需要下列两个接口：1 1）虚拟环境和）虚拟环境和外部工具外部工具之间的之间的接口接口。2 2）与）与产品数据模型库产品数据模型库的接口。的接口。虚拟原型不是要代替现有的虚拟原型不是要代替现有的CADCAD技术，而是在技术，而是在CADCAD数据数据的基础上进行工作，虚拟原型给所设计的物体提供的基础上进行工作，虚拟原型给所设计的物体提供了附加的功能信息。产品数据模型库将包含完整的、了附加的功能信息。产品数据模型库将包含完整的、集成的产品模型数据及管理，从而为产品开发过程集成的产品模型数据及管理，从而为产品开发过程各阶段提供共享的信息。各阶段提供共享的信息。32为使用现有的软件，并将虚拟原型集成到产品开发过程中，还需要下1)1)从从CADCADCAMCAM模型中取出几何模型。模型中取出几何模型。2)2)镶嵌：用多面体和多边形逼近几何模型。镶嵌：用多面体和多边形逼近几何模型。3)3)简化：根据不同要求删去不必要的细节。简化：根据不同要求删去不必要的细节。4)4)虚拟原型编辑：着色、材料特性渲染、光照渲染虚拟原型编辑：着色、材料特性渲染、光照渲染等。等。5)5)特征轮廓的粘贴，以更好地表达某些细节。特征轮廓的粘贴，以更好地表达某些细节。6)6)增加周围环境和其他要素的几何模型。增加周围环境和其他要素的几何模型。7)7)添加操纵功能和性能。添加操纵功能和性能。331)从CADCAM模型中取出几何模型。3.3.2建立虚拟原34汽车转向盘的嵌砌和简化模型3435边界缝补示意3536驾驶仪表盘照片的粘贴361 1）汽车虚拟原型）汽车虚拟原型371）汽车虚拟原型3.3.3虚拟原型的应用37John DeereJohn Deere公司的装载机虚拟原型公司的装载机虚拟原型382）工程机械虚拟原型John Deere公司的装载机虚拟原型3 3）虚拟维修）虚拟维修4 4）虚拟风洞）虚拟风洞393）虚拟维修393.4.13.4.1数字制造的定义数字制造的定义一、定义：一、定义：数字制造又称虚拟制造，可以定义为数字制造又称虚拟制造，可以定义为“借助建模和借助建模和仿真技术提高制造企业各层面决策和控制水平的、仿真技术提高制造企业各层面决策和控制水平的、集成化的、在计算机上人工合成的制造环境集成化的、在计算机上人工合成的制造环境”。是数字化开发的重要组成部分，可以检验关键零件是数字化开发的重要组成部分，可以检验关键零件的可制造性以及整机的易装配程度。的可制造性以及整机的易装配程度。403.4.1数字制造的定义3.4数字制造40二、数字制造虚拟环境的组成：二、数字制造虚拟环境的组成：1 1）虚拟机器建模环境）虚拟机器建模环境2 2）虚拟产品设计环境）虚拟产品设计环境3 3）虚拟产品制造环境）虚拟产品制造环境4 4）虚拟产品装配环境）虚拟产品装配环境41二、数字制造虚拟环境的组成：41三、虚拟制造的特点三、虚拟制造的特点(1)(1)集成性：集成性：虚拟制造包含了虚拟设计、虚拟加工、虚拟制造包含了虚拟设计、虚拟加工、虚拟装配等过程。其次，各子过程并不是独立运行虚拟装配等过程。其次，各子过程并不是独立运行的，而是彼此之间相互影响、相互支持，共同完成的，而是彼此之间相互影响、相互支持，共同完成对实际制造过程的分析与仿真。对实际制造过程的分析与仿真。(2)(2)反复性：反复性：虚拟制造大多数环节都遵循虚拟制造大多数环节都遵循“方案拟定方案拟定仿真评价仿真评价方案修改方案修改”的一个多次反复的工的一个多次反复的工作流程。作流程。(3)(3)并行性：并行性：指的是分布在不同节点的工程技术人员、指的是分布在不同节点的工程技术人员、计算仿真资源和数据知识资源，在计算机网络和分计算仿真资源和数据知识资源，在计算机网络和分布式虚拟现实环境下，针对生产中的某一任务，群布式虚拟现实环境下，针对生产中的某一任务，群组协调工作。组协调工作。(4)(4)人机交互性：人机交互性：虚拟制造通过虚拟现实环境将计算虚拟制造通过虚拟现实环境将计算机的计算和仿真的过程与人的分析、综合和决策的机的计算和仿真的过程与人的分析、综合和决策的过程有机地结合起来。过程有机地结合起来。42三、虚拟制造的特点42虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以装配，可以验证验证装配装配设计和操作设计和操作的正确性，及早的正确性，及早发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。虚拟装配系统允许设计人员视化显示装配过程。虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划。考虑可行的装配序列，自动生成装配规划。虚拟装配系统包括数值计算、装配工艺规划、工虚拟装配系统包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作模拟等。作面布局、装配操作模拟等。43虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配虚拟装配场景示意虚拟装配场景示意44虚拟装配场景示意443.5.13.5.1数字工厂的定义数字工厂的定义数字工厂是一个集成化的虚拟仿真环境，它将数字工厂是一个集成化的虚拟仿真环境，它将制制造企业信息管理系统造企业信息管理系统与与虚拟制造虚拟制造的各种应用结合的各种应用结合到一起，提供了一个从产品设计到产品废弃的全到一起，提供了一个从产品设计到产品废弃的全生命周期数据管理平台。生命周期数据管理平台。453.5.1数字工厂的定义3.5数字工厂4546UGS公司提供的数字工厂基本框架46原型车的构建的步骤：原型车的构建的步骤：(1)(1)计算察看方向；计算察看方向；(2)(2)分析用户接触；分析用户接触；(3)(3)渲染。渲染。47原型车的构建的步骤：3.5.2数字工厂的应用474848汽车数字化开发技术第八章 产品开发的组织和管理汽车数字化开发技术49CIMDataCIMData公司总裁公司总裁EdMillerEdMiller认为：认为：PDMPDM是一门用来是一门用来管理所有与产品相关信息和所有与产品相关过程管理所有与产品相关信息和所有与产品相关过程的技术。的技术。在计算机网络中，对产品数据进行安全的在计算机网络中，对产品数据进行安全的存储、存储、分配、追踪、监测、更新分配、追踪、监测、更新以及以及控制控制。50CIMData公司总裁EdMiller认为：PDM是一门用来51511 1）产品增值链的核心环节）产品增值链的核心环节2 2）应用系统的集成平台）应用系统的集成平台3 3）数据安全性的重要保证）数据安全性的重要保证4 4）虚拟（数字化）产品的管理工具）虚拟（数字化）产品的管理工具5 5）知识管理系统的重要组成部分）知识管理系统的重要组成部分6 6）电子商务的核心技术）电子商务的核心技术7 7）产品全生命周期管理的基础）产品全生命周期管理的基础521）产品增值链的核心环节产品数据管理系统的作用521.1.电子数据仓库和文档管理电子数据仓库和文档管理2.2.工作流程和过程管理工作流程和过程管理3.3.产品结构和配置管理产品结构和配置管理4.4.分类和检索分类和检索5.5.过程和项目管理过程和项目管理531.电子数据仓库和文档管理产品数据管理系统的基本功能531）简述有限元分析的基本步骤。2）逆向工程的主要过程可分为（）、（）和（）。3）结构离散就是将求解区域分割成具有某种几何形状的单元，也称为()。A.几何建模 B.划分网格 C.划分边界 D.单元分析4）CAE技术应用非常广泛，可用于以下()A.虚拟实验 B.VPG C.VR D.CFDE.有限元分析习题：习题：541）简述有限元分析的基本步骤。习题：545）FOA使用（）来进行拓扑优化，为新结构的设计、优化提供启示，并提出一些结构修改的建议。6）以()、()为基础的数字化设计技术和以()为基础的数字化制造技术，是产品数字化开发技术的核心555）FOA使用（）来进行拓扑优化，为新结构的设计