虚拟实境技术与电动汽车设计及开发

同济汽车设计研究院性能开发中心副主任丁巨岳

藉由3D投影的虚拟实境技术，汽车开发业者可以在最终图面决定制造工程雏型之前，以3D投影的虚拟技术，将工程图面数据以3D方式虚拟实体化的投影、呈现出来，并且在眼中有如真实物件一样的进行移动、组件拆解、组合与装配，如此可以节省频繁修改图面、模具与工程汽车产品的开发时间与成本，加速汽车上市的时间；对于新车量产的装配线安排、装配与维修人员的培训也有很大的帮助。

交互式虚拟实境技术

同济汽车设计研究院性能开发中心副主任丁巨岳，介绍同济汽车设计研究院致力于汽车车身的设计与开发，而他个人曾在奥迪(Audi)与宝马(BMW)做了7年的产品设计开发，现在藉由分享虚拟实境互动技术的现实开发这领域，带给现场业界人士新的思维。

他先展示一个日前帮Audi设计虚拟工程的应用影片，透过软件模拟的方式，不仅图面设计可以非常真实的反馈，透过软件方式，还能呈现行进车头撞击实验的结果，并且实际投影出来的视觉是先进的3D立体成像效果，只要戴上先进的3D眼镜，更可以身历其境的感受到。

他进一步解释何谓虚拟建筑技术。也就是客户产品、配件与生产线附近的图面座标数据被3D图面化，透过一个大尺寸的3D投影设备投影出来，当设计人员戴上一个3D眼镜之后，看到一个被完全虚拟出来、1:1与真实环境一致的虚拟开发环境，人物可以跟这个虚拟实境的任何物件互动。

使用这套虚拟开发环境的好处，首先可以在汽车初期设计的研发阶段，大幅降低成本并且缩减整部汽车的开发周期。在美国有个应用实例，有一部A级的改款车，通过使用这套系统，研发周期从之前12个月降低到仅2个月，开发总成本降低到只有原先的1/5。他也展示另外一个帮波音(Boeing)公司制作的，一个虚拟实境的引擎拆装互动展示实例影片。

这套称为视讯定案系统(Visual Decision Platform；VDP)，是一套先进的虚拟实境的前期开发展示系统，由一家德国IC.IDO的工作室？公司所开发，现在隶属于ESI集团；IC.IDO对于工业设计的虚拟展示经验累积达20年，而同济汽车研究公司跟IC.IDO合作了长达7年的时间，双方并合资在上海成立了一个同济虚拟设计研究所，一同致力于汽车虚拟设计研发这领域。目前在大陆有上海大众(VW)、上海汽车集团(Saac Motor)接洽一些前期研发的工作。

IC.IDO虚拟实境 展示系统与相关软硬件

丁巨岳进一步解释，IC.IDO VDP虚拟实境互动技术，结合客户提供的3D物件、零件的模型数据，以及生产线数据，配合3D背投影机、3D眼镜呈现出栩栩如生的立体画面，作为客户在该产品即将进入工程雏型之前的最终图面修改、补强，进而缩减整个产品研发周期，改善产品设计品质。

在硬件组成部份，首先需要一个大尺寸的背投影式投影机，或者投影在中小尺寸的投影墙(Projection Wall)，接下来是3D眼镜，以及可以控制物件方向的控制手臂？遥控器。

投影屏幕四个角落有红外线摄影机，3D眼镜与控制手臂？遥控器也有红外线定位接受器，藉由红外线摄影机不断的追踪你的3D眼镜与遥控手臂的定位点，做精确计算与定位，并把人物座标位置跟虚拟实境的画面进行融合。当用户带上3D眼镜之后，启动VDP的软件系统，并透过控制手臂？遥控器，就可以对模型物件进行操控、移动、旋转、拆解与组装，这样就能浏览初期设计，开发出更好的产品，同时缩短开发时间。

虚拟互动实境系统在汽车工程上的应用

丁巨岳指出，这套IC.IDO VDP系统可以达成人因工学的实践3D可视化、浸润于物件内部的检视、人机行为互动、配件装配与拆解，还有产品图面修改时实时反馈回应到投射画面上，同时让跨部门甚至合作业主协同检视、讨论。

它偏重于工程设计的应用，像整车模型的拆解、撞击之后的状况与事后拆解分析。以往碰撞实验需要花巨资实际做一部工程车辆，然后跟碰撞实验中心去联系、排时间安排碰撞。但透过这套IC.IDO VDP，只要图面模拟分析的可靠性够高的话，直接在VDP系统就可以实践整车碰撞。

在一个整车开发的过程中，从电脑辅助图面设计(CAD)、电脑辅助图面工程制作(CAE)、实际制造(Process)到后端组装的整个流程安排，VDP主要协助在CAD这一块。

而跟电动车关联最大的就是电池的组装、配重计算，以及相关管线、排线的布设，甚至在图面修改后也能实时反馈，这在车身前期工程设计阶段就可以达成。同济汽车研究所最近跟上海大众(VW)合作，应用这套IC.IDO VDP系统设计电动车，不仅工程师工作量比过去轻松，整车开发周期也明显缩短。

丁巨岳接下来介绍，先前帮BMW设计的一个装配线虚拟工程投影。像是油管与其他管线的排列布设，一般在汽车引擎的设计阶段，无法得知它安装于汽车内部后，与周遭油管与其他管线是否有干扰情况；这套系统可以以虚拟投影的方式，将引擎、油管与其他管线一起安置到汽车车身，藉由选转视角与移动方式，来查看引擎与四周管线是否有相互干扰。

它也具备Compact限缩检测，例如要将某个组件做抽拉过程，当系统计算出该组件两端已经碰到车身产生干扰，此时就会限制住观赏者无法继续做抽拉移动的动作，有如真实世界中组件被卡住的情况。

在人机互动这部份，VDP内建了许多假人模型，例如占5%空间、占50%到占95%位置的假人，可以安置在汽车座位上投影出来，从前期设计时期阶段，就可以检视汽车的内部乘坐空间的合理性；还有像是驾驶座仪表板的按钮、旋钮位置，在前期设计过程都可以被投影来验证，对开发工程师来说，是非常有效的工具。

第三个在生产装配这部份，在车身的装配过程中，哪一个零组件拆卸时，需要用哪一种级数的扳手，其中哪一个螺栓位置设计不合理的话，有可能这个板手无法到达这个螺母位置；若没有这套VDP系统，可能在2D图面设计时不易察觉到这个问题，一旦模具制造出实际零件后才检视出这个问题，就已经来不及了，对汽车业者来说是非常大的损失。还有像一般汽车工厂对员工的装配培训，即便用实车，一辆最多给4~5个人去装配；若是透过VDP这套系统，可以让很多人同时来虚拟装配。

虚拟互动实境技术的应用范围与实际案例

丁巨岳举例波音公司研发某一款飞机的时候，便曾发生服务餐车无法通过飞机舱内侧门的窘况。他指出，像波音这样大的飞机设计制造公司，相关部门有200多个，每个单位都仅照图面数据去负责他们负责的部份，等飞机实际制造成型后才发现这个问题，但已经来不及了。如果搭建一个1:1对应真实物品尺寸的虚拟实境，就可以在2D图样阶段，将所有组件组装之后的样貌，投射出整架飞机内外部的情形，以避免这样的问题产生。

目前在宝马(BMW)以及Mercedes Benz就应用了这套VDP系统，在前期开发阶段避免了非常多的零件安装的干扰、不合理情况，也减省了许多反覆制造、修改模具、成品检视验证的时间与成本。

丁巨岳展示两个国外实际应用案例。在一个宝马(BMW)的组装线，它模拟后车厢内后盖组件的组装。因为欧洲人平均身高较高，设计者依照平均身高50%去设计出来的后行李箱门把位置，对东方人尤其是儿童来说，有可能后把手构不着而无法关闭后厢门；透过这套系统，可以在前期设计阶段就被预先发现。

还有像是后掀设计的旅行车、三门车的后隔板，一般人其实不容易看到盖上后车厢门之后，隔板与车厢内部其他组件之间的互动与干扰情况；透过IC. IDO VDP的互动展示，验证人员可以从车辆内部的视角，去看到这个隔板在后厢门关上之后的扳动与干扰状况。

最后丁巨岳播放一段约5分钟的影片，来说明IC.IDO VDP这套虚拟互动实境在汽车厂的应用。从前期图面设计、投射互动展示与实时修改反应，各组件安装后相互的调整，组装厂组装线的安排，以及工厂员工组装、维修步骤的设计与培训应用。

他最后总结，透过这套虚拟实境互动展示系统，以及与海外BMW、Porsche、VW等大厂的实际参与合作经验，将致力于把这种先进的虚拟互动实境技术带回大陆，并推广其在汽车设计的应用。