汽车驾驶区的虚拟设计

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 2.18MB 77 页 15积分

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第一章引论

§1.1 课题研究的背景、目的和意义

随着科学技术和经济的发展，汽车作为一种交通工具，其使用越来越普及，

汽车设计也越来越受到人们的关注，人们对汽车的要求不仅是代步工具，还希望

它美观、操纵方便、驾驶和乘坐舒适、长期使用不会对驾驶员和乘客产生身心伤

害。

汽车驾驶室是车辆的一个重要总成，是造型和结构功能的有机结合体，是驾

驶员与汽车之间进行信息传递的通道。驾驶室设计的优劣，直接影响到整个汽车

系统的效能、安全、舒适和健康。

驾驶室传统设计方法由于设计周期过长而越来越不符合现代工业发展的要

求。当今发达国家的汽车开发过程已完全是计算机化，采用一系列先进的虚拟设

计技术和工程设计技术并与并行工程的设计理念相结合，必然提高设计质量、缩

短设计周期。虚拟现实技术（VR-Virtual Reality）作为一项先进设计制造试验仿真

技术而正在被广大汽车设计者采用。它目前是国际上各大汽车厂商及设计公司展

示自身实力及进行辅助造型设计的一种手段，同时为方案评审提供了准确的依据。

虚拟现实技术除应用在造型设计中，还在汽车设计及其他领域中有广泛应用。

虚拟现实是采用计算机生成一个逼真的、具有视、听、触、嗅、味等多种感

知的虚拟环境，置身于该环境中的人可以通过各种传感设备与这一虚构的环境进

行交互作用，达到彼此交替更迭、融为一体的程度。

虚拟现实技术意在提供人与计算机交融的环境。它强调将用户和计算机视为

一体，通过多媒体的方法将信息进行可视化，展现在用户面前。用户通过专用的

设备进入虚拟的环境中，以各种习惯的方式与计算机进行人机交互。在一个计算

机构造的能模拟现实世界的数字化的多维空间中，人们可获得人与环境互相作用

的各种信息，从而可以不必在一个必需耗费时间和巨大资源的实际环境中模拟进

行各种创造性的活动。虚拟现实技术使得人类可以模拟更为广阔范围、更为精细

程度的科学研究和工程活动。采用虚拟现实技术，设计师不再局限于固定的油泥

模型，突破了传统的功能决定形式的束缚，能充分发挥人的创造性，使得设计中

渗入了更多实用性、更多艺术性和更多综合的因素，将车身的形式和功能在更高

层次上实现有机结合和统一。

本课题紧跟国际研究的方向，着重从驾驶员视野范围方面对虚拟现实技术应

用在汽车驾驶室座椅位置确定方面进行了研究和探索。这一技术的应用和推广必

汽车驾驶区的虚拟设计

将减少设计周期和费用的投入，推动国内汽车设计水平的发展。

§1.2 国内外相关领域的发展现状

§1.2.1 虚拟现实技术国内外发展现状

虚拟现实技术有着巨大的应用前景，不论是在商业性，还是在实用性以及技

术创新上都有着巨大的潜力，同时也带来了巨大的社会效益和经济效益。当今世

界上许多发达国家都在大力研究开发应用这一技术，积极探索它在各个领域中的

应用。

在虚拟现实技术的研究方面国外起步较早，研究水平很高。特别是美国的 VR

技术水平基本上代表了国际 VR 发展的水平，其研究内容几乎涉及到从新概念发展

（比如虚拟现实的概念模型）、单项关键技术到虚拟现实系统的实现及应用等关

键虚拟现实技术的各个方面。著名的研究机构如美国宇航局(NASA)、北卡罗来那

大学(UNC)、麻省理工(MIT)等研究机构和实验室。德国、英国、日本也进行了卓

有成效的研究。虚拟现实技术的研究不仅局限于实验室，国外不少大公司争先在

它们的产品设计中采用这项先进的技术，广泛探索了虚拟设计技术在产品开发、

制造计划以及市场推销各个方面的可能性。一些具有代表性的应用实例如下。汽

车制造方面：Ford 和克莱斯勒公司与 IBM 合作开发虚拟制造环境用于其新型车的

研制；通用电动机车部建成第一个完全数字化的机车数字样机模型；日本日产汽

车公司开发整车虚拟仿真分析、数字样机及物理样机的生产；法国雷诺汽车公司

的虚拟工厂；大众汽车公司研发的用于有限元计算结果虚拟动态处理的工具。机

床制造方面：GIDDING&LEWIS 机床制造公司的精密机床在线仿真控制研究及环

境。飞机制造方面：波音 777 虚拟设计以及发动机的虚拟装配设计；欧洲空中客

车采用虚拟制造及仿真技术开展空中客车试制[1~5]。

我国对于 VR 技术的研究起步相对较晚。不论是理论研究还是应用方面和发达

国家相比水平都有一定差距，多数研究是在 CAD/CAM、仿真技术的基础上进行的。

虚拟现实技术研究仅限于国外理论消化跟踪、国外软件引进试用、与国内环境的

结合上，还谈不上全面、系统的研究开发。不过近两年来，虚拟制造技术在我国

被重视的程度大有改观，发展势头比较强劲。例如：“九五”和“十五”计划、

国家自然科学基金会、国防科工委等都把 VR 技术列入了研究项目。在紧跟国际新

技术的同时，国内一些重点院校和研究所，已积极投入到了这一领域的研究工作，

并取得了积极有效的成果。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行 VR 技术研

究的单位之一，研究的重点侧重于基础性研究和航空仿真，并开发了用于飞行员

第一章引论

训练的虚拟现实系统，建立了虚拟现实技术研究和应用的分布式虚拟环境

DVENET（Distributed Virtual Environment NETwork）；浙江大学 CAD&CG 国家

重点试验室开发出桌面虚拟建筑环境漫游系统，该系统采用层面叠加绘制技术和

预消隐技术，实现了三维立体视觉，同时还提供了非常方便的人机交互工具，整

个系统的实时性和真实感都到了较高的水平；清华大学计算机系对虚拟现实和临

场感方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和

深度感试验等方面都具有不少独特的方法；哈尔滨工业大学计算机学院已经成功

的虚拟出了人的高级行为中人脸图形的合成、表情的合成和唇动的合成技术问题，

研究人说话时头的姿势和手势动作、语音和语调的同步等[6~10]。

§1.2.2 汽车驾驶室设计的国内外现状

在类似驾驶室设计领域的研究方面，国外进行的比较早，而且在很多领域如

控制面板布置等方面取得了很多成果。

最早致力于控制面板布置的是英国的一个研究小组，始于 1967 年，并分别于

1973 年、1974 年和 1977 年研制出了多个计算机辅助控制面板布置程序，如

SAMMIE、AUTOMAT、NULISP 和CAPABLE 等，最初的目的主要是面向飞机驾

驶舱和钢铁厂的控制室的布置。其中以 SAMMLE 最为著名，最初该系统只涉及人

体的物理属性，后来在英国国家科学和工程研究委员会的资助下，得到进一步发

展，补充了生理和心理特性，能进行工作范围测试、干涉检验、视域检查、姿态

评估和平衡计算等工效分析，可用于工作空间和工作进程的设计。它是一个通用

的交互式设计系统，已成为一个广泛使用的软件包。C.S.Porter 运用 SAMMLE 人

体进行汽车内部结构设计，使之适合不同体形的人体。J.M.Poter 用SAMMLE 对

Fiat Punto 汽车内部、Brussels Tam 2000 的驾驶室、Amsterdam tram 的驾驶室和

Hong Kong Express Train 的驾驶室进行设计。而 CAPABLE 主要用于控制器和显示

器安装位置的自动布置，在系统上为了防止不同的元件布置在同一个区域，对已

布置的元件附加一个标志，以说明该元件的重要性，解决布置过程的位置冲突[11]。

当今国内外汽车驾驶室，主流市场和制造商分布在三大地域：欧洲（BENZ，

VOLVO，RENAULT, SCANIA，MAN，IVECO，DAF）、北美（Freightliner，Kenworth，

Peterbilt, International, Mack, Sterling）和亚洲（ISUZU，MITSUBISHI，HINO，FAW，

DFMC）。由于地域环境和文化背景的差异，不同地区的驾驶室具有独特的地域烙

印和鲜明的技术特征。欧洲驾驶室代表了当今世界最先进的技术，追求舒适性和

安全性，模块化和系列化设计程度高，以平头驾驶室为主，外部造型高大威猛、

内部空间宽敞、配置齐全；北美驾驶室多以长头车为主，造型和设计风格自由流

汽车驾驶区的虚拟设计

畅，先定制后装配的模式，使得驾驶室具有很强的个性和自我色彩；亚洲驾驶室

更多地侧重于经济性，配置和装备简单实用，对安全性、舒适性和使用寿命要求

不高。

目前顶级的欧洲驾驶室代表了当今世界最高的设计水平，如戴姆勒—克莱斯

勒公司 20 世纪 90 年代中期开发的全新重型卡车 ACTROS 系列、VOLVO 的FM/FH

系列、SCANIA 的第 5代（4系列 G级）代表着技术变革的前沿，MAN 的重型卡

车TG-A、五十铃 F系列等都代表着目前世界最高水平的商用卡车驾驶室的设计水

平[12]。

目前世界汽车工业发达国家的驾驶室设计大量的应用了各种新技术、新工艺、

新材料。有先进的造型设计技术如计算机辅助造型技术（CAS-Computer Aided

Styling）、虚拟现实技术、空气动力学模拟等，先进的工程设计技术如人机工程技

术、电子样车技术（DMU-Digital Mock-Up）、CAE 验证技术、模块化设计技术和

产品性能设计技术等并采用先进的设计理念—并行工程（CE-Concurrent

Engineering），在设计阶段贯彻开发流程的并行、设计方案的并行、项目团队的协

同工作。

我国汽车工业的驾驶室设计技术起步发展的比较晚。改革开放初期，中国汽

车工业总体技术水平比国际水平落后大约 20～25 年。20 世纪 90 年代开始在不断

加大设计研究投资、提高自身研发能力和技术水平的同时，中国汽车工业加快了

引进国外先进技术的步伐。到目前为止，中国汽车工业已基本具备除轿车外的多

种重要车型和零部件的自主开发能力。但与国际水平相比，中国汽车技术水平和

开发能力仍然很低。近年来，中国汽车工业的技术引进正在从单一全套产品引进

向以引进开发技术为主的方向转变。载货车开始实现自主开发，关键总成（包括

驾驶室）开始同国外厂家实行联合开发，以从中学习技术、积累经验，尽快向自

主开发过渡。

国内设计技术的发展趋势是技术水平和开发能力不断提高，正逐步缩短与世

界先进水平的差距；但是设计技术的综合实力受创新技术和方法、设计经验和数

据的积累、软硬件环境这三大因素制约和影响。其中，软硬件环境可通过出资购

买引进建立，创新技术和方法也可通过与国外先进设计公司进行联合设计、“走出

去、请进来”等方式部分获取和掌握，唯有设计经验和数据的积累是一个公司的

核心技术和知识库，只有通过项目的开发，不断摸索和积累，沉淀为企业自身的

财富和资本。按照目前国内车身设计现状，软硬件环境方面基本上与国外处于同

一水平，创新技术和方法方面还处于浅层次的掌握，在汽车工业全球性联合重组

的趋势下，这方面的差距会快速缩小，由于我国完全自主开发的车型不多，在设

第一章引论

计经验和数据的积累方面基础还相当薄弱，这方面直接影响技术方案的优化、导

致产品开发质量的低下。

§1.3 本课题研究的主要内容和关键技术

1）驾驶室的建模

由于虚拟现实软件都是基于逼真感和实时性的双重特征，两者的要求是互相

冲突的，成功的视景仿真系统其主要思想是在满足真实感的前提下尽量的减少数

据量，所以一般不提供建立复杂模型的工具，对于精确尺寸的建模也比较困难。

而且现今大多数机械行业所设计的零件和机构基本都是以 CAD 数据的形式存贮，

如果重新产生新的虚拟场景数据不仅延长开发周期，增加开发成本，更是对已有

的成熟的数据资源的巨大浪费。本着利用已有数据资源、缩短开发周期、减少开

发成本的原则，针对机械行业所设计的零件和机构都比较复杂、很多尺寸和装配

关系都需要精确定位的实际情况，本系统利用已存在的尺寸精确的 CAD 设计的驾

驶室模型，将其导入虚拟软件中进行利用。然后采用纹理贴图等方法增强其逼真

感，满足虚拟环境的要求。

2）虚拟环境的生成

虚拟环境生成是虚拟现实系统中的核心部分，它的功能是根据任务的性质和

用户的要求，在工具软件和数据库的支持下产生任务所需要的、三维的情景和实

例。本课题中的虚拟环境是驾驶区视景。视景中的景物模型如车辆模型、建筑物、

道路及树木等在虚拟现实软件 Multigen 采用纹理贴图、公告牌技术、实例模型等

关键技术建立，然后将其作为外部模型引入地面场景模型中生成视景场景。最后

利用实时仿真软件 Vega 实现视景的模拟和场景的描述，并实现运动的驱动。视景

场景在 Vega 的图形界面 Lynx 中进行配置。Lynx 图形界面可以大幅度减少源代码，

大大提高工作效率，迅速创建各种实时交互的三维环境。

3）仿真系统的实现

驾驶区实时视景仿真系统的控制程序是在 VC++平台下用 Vega 的应用程序接

口API 函数基于 MFC 类库开发的，这样可以简洁灵活地实现在虚拟场景中的动态

驱动，实现人机交互操作。本系统为桌面虚拟仿真系统，主要通过鼠标和键盘进

行交换。

4）驾驶室虚拟设计与实时视景仿真系统的验证

驾驶区外部视野要符合人机工程学的对视野的要求。车辆人机工程学主要通

过H点人体模型和驾驶员眼椭圆及 A点和 V点视点基准来评估驾驶员视野。本文

主要评估校核了驾驶员前方视野及后方外部视野。根据驾驶员视野性要求在系统

汽车驾驶区的虚拟设计

中找到合适的符合人机工程学的座椅 H点的位置。实验验证本系统的准确可行性。

§1.4 本文组织结构

第一章 (即本章)介绍了虚拟现实技术及汽车驾驶室设计在国内外相关领域的

发展状况，以及本课题研究的背景、目的、意义和主要研究内容与关键技术。

第二章主要介绍了虚拟现实技术的概念、特征、分类以及虚拟现实系统的基

本组成、硬件、软件等，最后简单的描述了虚拟现实技术在机械领域与其他领域

的应用以及最新的发展动态。

第三章详细的阐述了汽车驾驶区实时视景仿真系统的构成和模块结构，并介

绍了本仿真系统的特点。

第四章主要介绍了虚拟现实建模技术和实时视景生成和显示技术，给出了在

Creator 中本系统的一些建模技术和视景显示技术，并介绍了在 Lynx 图形界面中对

本系统视景场景的配置过程。

第五章详细的介绍了汽车驾驶区实时视景仿真系统的程序实现，介绍了 Vega

API 函数和基于 MFC 的程序应用，并介绍了本系统的程序和仿真操作。

第六章介绍了驾驶室人机工程学及驾驶员前后方外部视野的校核方法，并介

绍了用所开发的虚拟仿真系统确定符合人机工程学的最佳座椅位置的过程。最后

实验验证本设计方法的准确性。

第七章对本主要工作和创新点的总结和对进一步研究工作的展望。

第二章虚拟现实技术概述

§2.1 虚拟现实技术的概念和基本组成

虚拟现实是利用计算机技术来生成一个逼真的、包括了视觉、听觉、触觉以

及嗅觉等多种感觉的三维虚拟世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的

技能和某些交互设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。其中，虚

拟世界是全体虚拟环境（VE-Virtual Environment）或给定仿真对象的全体。虚拟

环境是由计算机生成的交互式仿真视景，它通过多感官作用于用户，使用户产生

身临其境的感觉。

虚拟现实涉及多种技术及交叉学科，包括计算机图形学、图象处理与模式识

别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音响技术、网络

技术、并行处理技术和高性能计算机系统等等。虚拟现实技术归根结底就是要把

计算机从善于处理数字化的单维信息改变为善于处理人所能感受到的、在思维过

程中所接触到的、除了数字化信息之外的其他各种表现形式的多维信息。

虚拟现实技术是基于现实需要和技术可能这两个方面应运而生的。计算机的

应用是现代技术的核心，虽然计算机有极强的信息处理能力，但它的理解推理能

力比较差。目前计算机处理知识的能力还很有限，而人类则具有很强的在三维空

间中进行形象思维的能力。如果把计算机收集或者产生的数据转换成可视化的直

观对象，就可借助于人的智能来快速地理解这些数据，以便进行有效地理解和决

策。所以，在很多计算机应用场合仍然需要人的参与。也就是说，我们需要利用

人机交互来弥补计算机的智能不足。另外，由于计算机和用户之间还存在着较大

隔阂，尚未建立一种和谐的人机环境。因此为了能更快捷和全面地进行信息交流，

有必要创建一种基于人与周围真实世界交互方式的交互手段。计算机技术及其相

关技术的迅速发展，已经为虚拟现实的研究提供了物质和技术基础。

在虚拟现实系统中，用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实

时三维显示和其他反馈信息（如触觉、力觉反馈等）。当系统与外部世界通过传

感装置构成反馈闭环时，在用户控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世

界产生作用。

在目前实际应用中的虚拟现实系统一般由五个部分构成：虚拟世界、虚拟现

实软件、计算机、输入和输出设备。

虚拟世界是可交互的虚拟环境，可以从任意角度连续的观看和考察，它是一

个包含三维模型或环境的定义的数据库；虚拟现实软件提供实时观察和参与虚拟

世界的能力；输入设备用于观察和构造世界，包括鼠标、游戏杆和定位跟踪器等；

汽车驾驶区的虚拟设计

输出设备显示当前虚拟世界视图，包括显示器和头盔等[1~3]。

§2.2 虚拟现实系统的特征

虚拟现实系统一般应使用户在虚拟空间中对所研究的系统进行看、听、触、

闻、嗅等感知活动，并将所得到的感受反馈给系统，以达到控制系统运行的效果。

Burdea G.在Electro' 93 International Conference 上所发表的“Virtual Reality Systems

and Applications”一文中，提出了一个“虚拟现实技术的三角形”，简捷的概括了

虚拟现实技术的基本特征，即：三个“I”,如图 2-1 所示。

图2-1 虚拟现实系统的三个基本特征

这三个“I”充分的反映了虚拟现实系统的关键特征。

沉浸性(Immersion )—使用户感觉到已融合到虚拟现实环境中去，能在逼真的

三维的虚拟空间中有目的地漫游、观看、触摸、听取和闻嗅各种虚拟对象的特征，

而且似乎离开了自身所处的外部环境，沉浸在所研究的虚拟世界之中，成为系统

的组成部分。

交互性(Interaction)—虚拟现实系统要能提供方便的、丰富的、主要是基于自

然技能的人机交互手段。这些手段使得参与者能够对虚拟环境进行实时的操纵，

能从虚拟环境中得到反馈的信息，也能使系统了解参与者关键部位的位置、状态、

变形等各种系统必需的数据。

这里，系统的“实时性”是需要强调的。

想象性(Imagination)—用户在虚拟世界中所获取的多种信息和自身在系统中

的行为，通过联想、推理和逻辑判断等思维过程，随着系统的运行状态变化对系

统运行的未来进展进行想象，以获取更多的知识，认识复杂系统深层次的运动机

理和规律性。

交互性和沉浸性是任何虚拟现实系统最重要的两个本质的特性。

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第一章引论1第一章引论§1.1课题研究的背景、目的和意义随着科学技术和经济的发展，汽车作为一种交通工具，其使用越来越普及，汽车设计也越来越受到人们的关注，人们对汽车的要求不仅是代步工具，还希望它美观、操纵方便、驾驶和乘坐舒适、长期使用不会对驾驶员和乘客产生身心伤害。汽车驾驶室是车辆的一个重要总成，是造型和结构功能的有机结合体，是驾驶员与汽车之间进行信息传递的通道。驾驶室设计的优劣，直接影响到整个汽车系统的效能、安全、舒适和健康。驾驶室传统设计方法由于设计周期过长而越来越不符合现代工业发展的要求。当今发达国家的汽车开发过程已完全是计算机化，采用一系列先进的虚拟设计技术和工程设计技术并与并行工程的...

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