开发智能机器从未像现在这样具有挑战性。向操作员辅助、自动移动和控制的发展意味着非公路设备已经变得更加复杂，包括机械、电气、流体和嵌入式系统的系统系统。这些系统——作为一个整体——对环境的行动、相互作用和反应是很难预测的。
这些在控制技术上的突破同样为设计工程师的工作流程的重大转变奠定了基调。支持模拟的设计和“数字双胞胎”已经从可选流程转变为必须拥有的工作流。
更复杂的是人与人之间的联系。随着越来越先进的智能系统和自动或远程控制，人机界面(HMI)设计变得越来越重要。新功能、系统配置和操作信息可能会迅速使操作人员超负荷，因此，在环中驾驶进行测试是当今必不可少的实践。
在“真正的”物理测试过程之前，有一段时间的计算机辅助工程(CAE)的日子，往好里说是不合时宜的。在操作环境下的完整系统的仿真和虚拟原型现在对机器设计工作流程至关重要。
仿真与数字工程
随着产品以及开发它们的过程和技术的不断发展，“仿真”——以多种形式——在从概念到部署的整个设计工作流程中扮演着越来越重要的角色。
因此，评估和验证尖端功能提供的可靠性和效率变得至关重要——既快速又安全。
特别是，交互式虚拟原型(通过系统级建模和仿真)已经成为使用和谈论集成最新前沿技术的关键上游使能器。
通过工作场所系统级模型的虚拟原型
尽管稳健的机械工程仿真应用程序的可用性，构建和分析单个组件的模型是非常脱节的工作。例如，当使用复杂的非公路机械系统(如挖掘机或起重机)时，组织需要雇用专门的模拟和工程专家小组。
通过超越组件并使用站点系统级模型来评估在预期环境中运行的完整的、有代表性的产品，工程师可以解释设计中的那些真正的未知因素——系统之间的交互。
这种高水平的评估也很好地与有限元分析(FEA)相结合，为那些进行组件级模拟的人提供了一个基础，集中他们的精力，避免浪费时间模拟正常操作范围之外的事件。
“工地系统级建模并不打算取代有限元方法(FEM /FEA)。这是一种工具，允许您在操作环境中测试机器概念和控制系统的行为，”CM实验室首席创新官Arnold Free博士解释道。“基于模型的系统工程可以让产品开发在虚拟环境中自信地进行，同时仍然允许与设计和人类操作员进行交互——直接从桌面获得真实的操作反馈。”
沉浸式虚拟原型使团队能够在桌面上交互式地设计、测试和改进他们的机械系统。
CM实验室模拟公司
虚拟站点
在工程工作流程中，模拟的好处是显而易见的。然而，其中大部分仅在子系统或组件级别实现。
对完整机器的真正测试是当第一个物理原型出现在试验场时。在物理测试期间发现系统级问题已经太迟了，而且对于当今快速发展的智能机器来说，成本尤其高昂。原始设备制造商面临着被创新更快的竞争对手甩在后面的风险。
新的设计概念、机器可用性和可操作性、人机界面和控制系统测试现在可以在虚拟世界中进行，而早在第一个原型机投入使用之前。对于智能机器系统测试来说，一个具有成本效益的验证虚拟试验场是必不可少的。
许多工程公司已经探索使用游戏产业技术来构建沉浸式虚拟环境。然而，他们很快就遇到了与非工程工作流程保持一致和较低的模拟保真度的挑战。结果往往是项目被放弃和努力被浪费。
直到最近，还没有一种快速、经济、强大的软件，可以将实时专业工程动力学建模与交互式虚拟工作场所的开发和可视化相结合，这使得设计工程师的选择有限:
- 在没有虚拟工地系统级原型阶段的情况下，进入物理原型，可能会导致无法恢复的时间和成本超支
- 通过使用简单的“游戏”物理引擎，牺牲了详细而有效的工程模型的预测能力
- 部署自定义的内部解决方案，需要不断调整和更新，断开的工作流和稀缺的专家资源。
因为这些选项都不是特别有利的，所以设计项目植根于组件级分析、经验和传统方法。不幸的是，仅仅依靠以前的设计经验在机器控制的新现实中是不够的。
交互设计桌面
在这方面，a软件套件，比如CM实验室的Vortex Studio是游戏规则的改变者。CM Labs为产品开发团队开发的模拟软件允许工程师实时模拟和可视化虚拟工作现场的设备操作。
从桌面pc这样的单屏系统到大型沉浸式模拟器，这个多功能工具支持产品开发，从概念验证和虚拟原型研究，到人在环(HIL)控制系统测试和人为因素/人体工程学评估。该平台甚至可以使用虚拟现实(VR)构建沉浸式模拟器，用于产品营销和售后客户培训应用。
“CM实验室正在通过模拟连接人员、操作和智能机器设计，帮助彻底改变工作场所，”Free博士说。“它正在从根本上改变智能机器的原型设计方式，并允许原始设备制造商建立一个更可预测的设计创新流程。”
有什么不同吗?
CM实验室提供了一种商业可用的解决方案，结合了工程级仿真与高级在环(驱动程序/硬件/软件)测试，以及游戏质量的高级沉浸式视觉- vortex Studio。
产品开发套件提供了游戏引擎所期望的交互性和视觉效果，同时仍然通过经过验证的物理求解器和熟悉的工程工作流程与现实联系在一起。这使得团队能够在虚拟工作场所(或矿场、农场、森林、战场等)的桌面上以交互方式设计、测试和改进他们的机械系统。
由业界最复杂的物理求解器提供支持，该软件套件是设计工程师的游戏规则改变者，为非公路设计行业的车辆和地面交互的高保真实时模拟设置了标准。
工程师可以模拟机器与运行环境的直接交互。这包括轮胎和软土上的轨道模拟，桶和其他工具挖掘和推土以及接触物理-这是一个虚拟的沙箱。
对于自主和智能机器，该软件可以模拟传感器，并支持机器学习应用程序的感知和运动规划。这意味着经验教训是在研发阶段虚拟学习的，而不是在一台活生生的机器上。
CM实验室的Vortex Studio为产品设计师提供了一个高保真的平台，用于快节奏、以用户为中心的机械原型设计和精简的产品设计。
CM实验室模拟公司
案例研究
Oceaneering International, Inc.总部位于德克萨斯州休斯顿，是一家为海上能源行业提供工程服务和产品的全球公司。虽然Oceaneering的名字暗示着海洋专业，但它为自己能够在任何地方“解决无法解决的问题”而自豪。
为了降低项目的物理风险，同时加快上市时间，最大限度地减少开发资源和成本，Oceaneering的数字创新设计团队选择了在工具设计项目中试用Vortex Studio．
第一个项目立竿见影。
Oceaneering公司数字创新运营总监Mark Stevens表示:“通过遵循Vortex Studio的教程，我们的团队在不到两周的时间内就制作出了令人印象深刻的新型ROV抓取工具的3D原型。“我们现在计划用Vortex Studio中创建的模拟来训练新的ROV飞行员。”
由于Vortex Studio管理了从开始到结束支持模拟过程所需的所有功能，Oceaneering不必在每个点集成和维护单独的解决方案。
“我们可以承接更多的客户项目，为公司的发展做出贡献，同时为未来日益复杂的项目做好准备。”
底线
数字产品开发在相对较短的时间内取得了长足的进步。以前需要几个月的流程现在可以在工程师的桌面上用很短的时间完成。
但是产品和流程在不断发展，为了跟上步伐，必须尽早做出关键的工程决策，最好是实时的，并基于详细的数据。虚拟原型/概念验证模拟允许组织充分利用先进的工具、技术和流程来满足产品、生产和安全目标，同时满足客户需求。
如今，原始设备制造商必须更快地创新，设计团队必须参与到系统层面，并在虚拟工作现场与司机进行测试，甚至让客户参与其中。Vortex Studio将机械车辆动力学、土壤模拟、电缆模拟和高级3D图形与工程师需要的桌面工具相结合，以增强非公路车辆设计并在虚拟现场验证原型。
虚拟原型/仿真的分支深入到组织中，远远超出了产品级别，直接延伸到资产负债表。“如果能有效实施，模拟不仅能改善产品，还能改善公司本身，”弗里博士说。“从一开始就做出明智、准确的工程决策的能力，可以使产品更快地推向市场，提高产品的质量、耐久性和安全性。这对客户体验和品牌本身都有直接影响。”
