汽车虚拟装配系统设计与开发

摘要

　　虚拟装配技术在虚拟现实领域的研究已经非常广泛，在工业界，对虚拟装配的应用也很普遍，构建虚拟装配平台对于我国工业的快速发展很有必要。本文为了开发一套完整的汽车虚拟装配系统，主要研究了系统开发中用到的装配序列规划方法和碰撞检测技术，并利用这两个关键技术设计实现了一个汽车虚拟装配系统，完成了虚拟装配系统的开发和发布。

　　首先，阐述了传统虚拟装配系统的原理以及存在的问题，从软件和硬件方面分别对系统的开发环境构成进行了陈列，通过分析目前虚拟装配的问题从而得出本文系统的设计目标和系统框架，确定了汽车虚拟装配平台的总体设计方案。引出该系统中的关键技术和相关软件，选用 Unity3d 平台和 visual stdio 2015 进行系统软件的开发。

　　其次，对于汽车虚拟装配系统中的装配序列规划技术，本文使用并介绍了改进的自适应蚁群算法，生成汽车零部件虚拟装配序列。通过实例分析证明自适应蚁群算法满足装配序列评价指标，能够实现对汽车零部件最优装配序列的生成和规划。

　　再次，对于汽车虚拟装配系统中的碰撞检测问题，在分析传统包围盒算法优缺点的基础上提出了基于 Sphere 和 k-Dops 的混合包围盒算法，从混合盒树的建立和更新上进行了改进。并通过相关的碰撞检测实验，证明混合包围盒算法能够达到对刚性零件之间进行实时碰撞检测的效果，尤其在处理对复杂环境的检测时性能能够得到充分展现，对系统的合理准确装配起到了作用，大大提高了虚拟环境中的碰撞检测效率。

　　最后，综合需求分析和框架设计等信息，规划了本系统的开发流程，进行功能设计，通过 unity 3d 和 C#程序结合设计并开发出虚拟装配平台，并最终将实现的汽车虚拟装配系统通过 Unity3d 发布到 Windows 平台上。

　　关键词：汽车虚拟装配，装配序列规划，碰撞检测，蚁群算法，包围盒

Abstract

　　Virtual assembly technology has been widely used in the field of virtual reality. In the industrial field, the application of virtual assembly is also very common. It is necessary to build a virtual assembly platform for the rapid development of China's industry. In order to develop a complete set of vehicle virtual assembly system, this paper mainly studies the assembly sequence planning method and collision detection technology, and uses these two key technologies to design and implement a vehicle virtual assembly system, complete the virtual assembly system development and release.

　　Firstly, the principle and existing problems of the traditional virtual assembly system are expounded. The development environment of the system is displayed from the software and hardware respectively. By analyzing the current virtual assembly problem, the design goal and the system framework of the system are obtained. The overall design scheme of the vehicle virtual assembly platform is determined.The key technology and related software of the system are introduced, and the system software is developed by using Unity3d platform and visual stdio 2015.

　　Secondly, for the assembly sequence planning technology of automobile virtual assembly system, this paper uses the improved adaptive ant colony algorithm to generate the virtual assembly sequence.It is proved that the adaptive ant colony algorithm satisfies the evaluation index of the assembly sequence, and the generation and planning of the optimal assembly sequence of the auto parts can be realized.

　　Thirdly, for the collision detection problem in virtual assembly system of automobile, a hybrid bounding box algorithm based on Sphere and k-Dops is proposed based on the analysis of the advantages and disadvantages of the traditional bounding box algorithm, which is improved from the establishment and updating of the hybrid box.And through the relevant collision detection experiments, it is proved that the hybrid bounding box algorithm can achieve the effect of real-time collision detection between rigid parts, especially in dealing with the complex environment, the detection performance can be fully reflected and demonstrated .And it is usable for the reasonable and accurate assembly of the system, greatly improving the efficiency of collision detection in virtual environment.

　　Finally, integrated requirements analysis and framework design information, planning the development process and function design of the system.The virtual assembly platform is designed by combining unity 3d and C # program.And finally the virtual assembly system of the automobile will be released to the Windows platform through Unity3d.

　　Keywords: virtual assembly,assembly sequence planning, collision detection, ant colony algorithm, bounding box

　　“庄周梦蝶”的故事已不再虚幻飘渺，在现代科技飞速发展的步伐下，这种“虚”与“实”得到了科学的诠释。虚拟现实就是利用计算机技术模仿制作现实生活中的发生的事情和物体，通过计算机对复杂数据进行可视化处理和交互的一种全新的方式，给人以真实感。人们通过身临其境地操作计算机控制系统和外部硬件设备，达到学习、训练、观看、评估的目的。虚拟现实不光可以模仿事物的流程，就连声音、气味、思想这些看不见摸不着的东西都可以模拟。在生活中的方方面面都可以用到虚拟现实技术，虚拟现实技术在日常生活中也越来越普及，与此同时，人们越来越追求高效率的产品，面对人们的要求不断提高和市场的竞争日渐激烈，相关技术的研发必须努力顺应社会的发展，满足人们的要求，投入新的研发理念和新的制造手段，研发制造各种新兴高科技产品。

　　在工业领域，虚拟现实技术已经应用颇深，在工业上，传统的笨重又昂贵的机器已经不能满足人们的需求，一方面，操作起来很不方便，维修起来也不方便，不利于灵活操作和学习；另一方面，更新换代太过于浪费，一旦一个器件需要更换，相关的一系列都得更换，操作系统的更新也不方便，满足不了时代的进步。各方面的要求都促使了虚拟技术的发展和使用，装配阶段是产品制造的末枝阶段，装配的质量好坏和效率直接影响产品的好坏。虚拟装配技术不但可以让装配过程重现，及时发现装配中出现的错误，还能够提高装配效率。对于产品重复的装配过程，有了虚拟装配，省去了很多劳动力的无限重复，对于产品的开发起着很重要的作用，对于虚拟制造效率和质量的提高至关重要，为产品的制造奠定了扎实的基础。

　　传统的装配训练只能在实际车辆上进行，每次都要对车辆进行检查、维修、清洗，还要有专业人员指导。模拟器占用空间大，不易携带，花费大，实际操作有时空局限。如果每次都实际操作演练，无疑增加了不少不必要的开销，浪费了很多时间和成本。际装配训练对各方面要求都很高，是一项复杂而严苛的工程。这是因为前期的测试装配是成功装配的前提，因此对参训人员有着严格要求，他们必须认真学习一些系统关键技术和操作原理，并要反复训练设备操作能力，以保证实际装配时做到万无一失，否则任何一点细微的失误都可能带来整个任务的失败[1]。装配序列也是通过专业人员的记忆来传授，一步错了只能拆了重新装，不会及时给出提示。所以，为了实现准确装配，避免出现失误，必须要有相当成熟可靠的理论背景作支持。

　　虚拟装配技术的提出是为了提高产品开发效率和质量，构建一个具有真实感的虚拟系统，用户可以在虚拟系统中进行真实的装配操作和规划，对产品的装配性能进行测试和评估，并制定合理的装配程序[2]。对于产品模型的复杂部件，使用虚拟装配技术可以优化产品设计，减少甚至避免物理模型的重复，可视化装配过程的交互式形式，以及时发现装配问题和缺点，从而使零件模型或组装方式跟进，实现并行开发，不但加快了产品的开发，还能保证产品的组装质量[3]。

　　虚拟装配技术从 20 世纪 90 年代中期演变到现在，前后已经经历了三个阶段：第一阶段是提出理论和改进阶段；第二阶段是自主研发阶段；第三阶段是在行业中投入使用阶段。有人参与或者主导开发的虚拟装配系统已经投入使用，小到小零件的装配，大到通信卫星的装配，一次次成功证明了虚拟装配的重要性和重要意义和价值。装配技术也体现了一个公司乃至国家的产品研发综合实力，在重要产品中，一个很小的微不足道的问题，甚至肉眼观察根本发现不了的问题都可能成为产品失败的重要原因，酿成严重的错误和后果。

　　国外的虚拟现实研究比国内要起步早很多，主要以美国为代表，德国、日本等国家也在虚拟技术上取得了一些成果。国外的虚拟现实研究也大部分集中在高校，研究比较出色的大学以麻省理工学院和华盛顿大学为首，已经取得了举世的成果。在各个领域都有着不可超越性的研究成果，对虚拟建模、虚拟手、虚拟交互等不同方面都进行了研究，领域包括虚拟手术、卫星虚拟训练、虚拟建筑、虚拟工业系统、虚拟厨房等等，涵盖了生活的所有方面。福特公司开发了虚拟研制车辆的虚拟环境系统，通过在虚拟环境中装配零部件，发现问题，总结经验，得出结论，这种研发手段大大缩短了研发周期，并且装配精准、高效。

　　参考文献[4]的作者 Jayaram 等人研究开发了虚拟装配系统 VADE，系统主要研究了装配系统的交互，提供了两种交互方式：“虚拟手—装配工具—零件”以及“虚拟手—零件”[4]。参考文献[5]的作者 Yong Wang 等人研究开发的虚拟装配系统完成了实际装配过程仿真，充分考虑到了其它装配条件对装配操作的影响[5]。

　　美国亚利桑那州立大学的Ye[6]等人和英国伯明翰大学的Bound等人进行的试验结果表明，通过在虚拟环境下操作，能提高用户的注意力，加快装配过程的学习和完成。Bonnevil、Sebaaly F 和 Lazzerini[7]等提出使用遗传算法以及改进的基于分段编码的遗传算法求解装配序列规划问题中的组合爆炸问题。Cem、Chen[7，8]等人提出一种具有复杂结构的三层神经网络结构来解决虚拟装配序列。Ong[9]等人提出了一种具有较强局部搜索能力的模拟退火算法，但该算法对于复杂产品的装配序列规划，其全局搜索能力和整体装配效率不高。Lazzerini、Marcelloni、Guan[10，11]等人用遗传算法（GA）确定最佳的装配顺序。Moore 和 Wilhelems 提出了一种凸多面体间的碰撞检测算法。

　　Hubbard 为了确保交互提出了一种碰撞检测算法，他使用“时空定义（时空界限）”四维结构，使测试程序可以根据实时交互的需要动态调整碰撞检测精度，计算所需的实时交互时间。日本在虚拟现实技术方面，在一些领域上也是有比较突出的成果的，他们研究的虚拟模型以及虚拟环境下对模型的处理很出色。日本的 N.Abe 等人研究开发了基于CATIA 平台的汽车可视化装配系统。德国研究建立了一套虚拟装配规划体系，利用虚拟技术很好的进行了汽车装配，并对汽车装配作了评价。

　　汽车虚拟装配系统模块设计：

基于 3d Max 创建的汽车模型

Unity3d 中的零件模型

Unity3d 中的零件材质

系统登录界面

提示输入错误的用户名或密码

系统主界面

装配主界面

三维零部件模块

发动机展示

零件列表高亮显示

目 录

　　1 绪 论
　　　　1.1 研究背景与意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 国外研究状况
　　　　　　1.2.2 国内研究状况
　　　　1.3 本文的主要研究内容
　　　　1.4 本文章节安排
　　2 汽车虚拟装配系统总体设计
　　　　2.1 系统开发环境
　　　　2.2 系统设计目标
　　　　2.3 系统框架结构
　　　　2.4 系统关键技术
　　　　　　2.4.1 装配序列规划方法
　　　　　　2.4.2 碰撞检测技术
　　　　2.5 本章小结
　　3 基于改进蚁群算法的装配序列规划
　　　　3.1 蚁群算法的基本原理
　　　　3.2 蚁群算法的特点
　　　　3.3 改进的蚁群算法在 ASP 中的应用
　　　　　　3.3.1 装配转移概率的设置
　　　　　　3.3.2 自适应信息素更新策略
　　　　3.4 装配序列的评价及优化
　　　　　　3.4.1 影响装配的主要因素
　　　　　　3.4.2 装配序列评价指标
　　　　　　3.4.3 装配序列解的优化
　　　　3.5 实验结果及分析
　　　　3.6 本章小结
　　4 基于 Sphere 和 K-Dops 的碰撞检测算法
　　　　4.1 碰撞检测的基本算法
　　　　4.2 基于 Sphere 和 K-Dops 的混合层次包围盒算法
　　　　　　4.2.1 混合包围盒树的构造
　　　　　　4.2.2 混合包围盒树的更新
　　　　4.3 混合包围盒的算法流程
　　　　4.4 实验结果及结论分析
　　　　4.5 本章小结
　　5 汽车虚拟装配系统的设计与实现
　　　　5.1 系统开发流程
　　　　5.2 系统功能模块设计
　　　　5.3 系统的实现过程
　　　　　　5.3.1 场景模型的制作
　　　　　　5.3.2 用户界面的制作
　　　　　　5.3.3 三维零部件的设计
　　　　　　5.3.4 虚拟装配过程的实现
　　　　　　5.3.5 碰撞检测的实现
　　　　　　5.3.6 考核的设计
　　　　　　5.3.7 虚拟装配系统软件的发布
　　　　5.4 本章小结
　　6 总结与展望
　　　　6.1 全文总结
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　致 谢

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