汽车驾驶模拟器技术研究

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智能汽车驾驶模拟器在汽车驾驶教学中的应用意义

作者：郭文晓

来源：《河南教育·职成教》2014年第10期

随着人民生活水平的日益提高，汽车已成为人们日常出行的代步工具，我国机动车保有量和交通流大幅增长，交通管理压力和安全风险也不断加大。根据专家分析，当前和今后一段时期，我国的汽车数量仍会保持较快的增长，但人们的交通安全意识、交通规则意识和文明意识与社会发展的要求存在着较大的差距，安全隐患大量存在，预防和减少道路交通事故势在必行。

我国道路交通安全法明确指出，推进驾驶员的素质教育是加强道路交通安全管理的基础工作，是预防交通事故、保障交通安全的最有效途径。2013年1月1日，我国新修订的《中华人民共和国机动车驾驶员培训教学大纲》开始正式实施。与旧版大纲最大的不同之处在于：新大纲积极推行智能汽车驾驶模拟器在汽车驾驶教学中的应用。智能汽车驾驶模拟器教学，是指通过仿真模拟汽车驾驶室，运用微机仿真技术，逼真地模拟出各种路况场景，严格按照道路交通法的规定，让学员置身于虚拟环境中进行汽车驾驶操作练习的教学辅助方式。智能汽车驾驶模拟器教学在驾驶培训教学中的推广应用具有重要的社会意义和实用价值。

一、理论知识丰富全面，可以弥补教练员理论水平的不足

传统的汽车驾驶教学模式主要依靠教练员的言传身教，学员的素质最终取决于教练员的教学水平。虽然汽车驾驶培训教练从业人员准入标准日渐严格规范，使教练员素质水平有所提升，但就目前而言，教练员整体素质还处于较低水平，远远不能满足学员对学习汽车理论、交通法律法规和交通事故处理知识的需求。采用智能汽车驾驶模拟器辅助教学可以借助先进的科技手段，整合安全驾驶所需求的各种知识，借助动画和视频，全面地、多层次地满足驾驶学员的理论学习需求，提高了学员对理论知识理解和掌握的程度，为他们成为合格的驾驶员打下坚实的理论基础。

应用科学　虚拟现实技术的汽车驾驶模拟器研究　阴建春　（河南工业贸易职业学院河南郑州４５００１２）　【摘要】本文介绍了虚拟现实技术和分布式虚拟现实技术，提出了基于分布式虚拟现实技术的汽车驾驶模拟器的系统模型和系统构成，探讨了汽　车驾驶模拟器研究的关键技术。　【关键词】虚拟现实技术汽车驾驶模拟器　１．引言　汽车驾驶模拟器是一种能准确模拟汽车的驾驶把持动作，获得实车驾　驶感到的仿真系统。目前的汽车驾驶模拟器聚集了传感器、计算机三维实　时动画、计算机接口、人工智能、数据通讯、网络、多媒体等多种先进技术，　重要用于驾驶员的培训，也可以对微观交通进行仿真，对汽车的节制特征　进行研讨［１］。汽车驾驶模拟用具有安全性高、再现性好的特色。应用驾驶　模拟器来进行研讨和训练，可便利地模拟各种途径环境、气象状态，剖析汽　车的技术性能指标，从而可以节俭大批的自然资源，具有很高的经济价值　［２］。　在国内，在驾驶模拟器方面的研究起步较晚，经历了一个从引进国外　产品到自行研制的较漫长的发展过程。一些公司开发了汽车驾驶训练模拟　器，但与国际先进水平相比，有一定的差距。总的说来，还存在汽车视景与　操纵动作脱节、迟后、沉浸感”、“交互性”与“实时性”不强、价格偏高的不足　等问题。　２．虚拟现实技术　２．１虚拟现实技术　虚拟现实技术是用高科技手段如高速图形计算机、头盔显示器或其他　三维视觉通道、三维位置跟踪器和立体声音响等构造出一种人工环境，它　具有模仿人的视觉、听觉、触觉等感知功能的能力，具有使人可以亲身体验　沉浸在这种虚拟环境中并与之相互作用的能力。　虚拟现实技术具有以下四个重要特征：　第一、多感知性。所谓多感知性就是指除了一般计算机所具有的视觉　感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知等，理想的虚拟现实　就是应该具有人所具有的感知功能。　第二、存在感。又称临场感。它是指用户感到作为主角存在于模拟环境　中的真实程度。理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。　第三、交互性。交互性是指用户对虚拟环境内物体的可操作程度和从　环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取　环境中的物体，这时手有握住东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中　的物体也随手的移动而移动。　第四、自主性。是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，　用户使用驾驶模拟器驾驶虚拟汽车时，用脚踩刹车时，这时就有汽车停住　并肯～一定惯性的感觉，视场中的物体也随着汽车的行驶而向后移动。　２．２分布式虚拟现实技术　分布式虚拟现实技术（ＤＶＲ）是基于网络的虚拟环境，在这个环境中，位　于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相联结，每个用　厂｜在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其他用户进行交互，并共享信息。　设计和实现ＤＶＲ系统时，必须考虑以下网络通信因素：①网络带宽，它　是虚拟世界大小和复杂度的一个决定因素。当参加者增加时，带宽需求也　随着增加。②分布机制，它直接影响系统的可扩充性。其中多播机制能为驾　驶模拟器系统提供一对多和多对多的消息发布服务。③延迟响应，虚拟环　境交互和动态特性的因素是延迟。如果要使分布式环境仿真真实世界，则　必须实时操作，从而增加真实感。对于ＤＶＲ系统中的网络延迟可以通过使　用专用联结、对路由器和交换技术进行改进、快速交换接口和计算机等来　缩减。④可靠性，在增加通信带宽和减少通信延迟这两方面进行折中时，这　要考虑通信的可靠性问题。可靠性由具体的应用需求来决定。有些协议有　较高的可靠性，则传输速度慢，反之亦然。　分布式虚拟现实系统应用于汽车驾驶模拟器，可以根据汽车驾驶专家　系统中汽车驾驶操作知识库和交通规则知识库提供的逼真数据，由视景系　统提供的逼真的虚拟环境，使汽车驾驶员身临其境，学习和掌握汽车驾驶　技术。　３．汽车驾驶模拟器的研究　３．１汽车驾驶模拟器的系统模型　汽车驾驶模拟器研究：人机界面、三维图形学理论、立体显示技术、人　机界面、图形超级计算机体系结构、应用系统、视觉三维场景、操作触感模　拟驾驶员座舱、中央控制系统、三维图形实时照片、立体几何等内容。　

民营科技　２０１０年第１２期　汽车驾驶模拟器浅析　苏杰韩文涛潘晓娟　（陕西省西安市武警工程学院研究生管理大队３６队，陕西西安７１００８６）　摘要：从定义、构成、原理、分类和用途五个方面对汽车驾驶模拟器进行简要论述。　关键词：汽车驾驶模拟器；分类；用途　汽车驾驶模拟器作为一种实用的研究设备，在２Ｏ世纪兴起之后，　逐渐得到了广泛的应用。从最早单纯应用于汽车驾驶训练，到现在真　车仿真模拟的发展，驾驶模拟器的结构逐渐完善，其应用也延伸到了　汽车工程、道路交通的科研实践中。　１　汽车驾驶模拟器的定义　汽车驾驶模拟器是一种驾驶洲练的教学设备　它利用虚拟现实仿　真技术营造一个虚拟的驾驶训练环境，人们通过模拟器的操作部件与　虚拟的环境进行交互，从而进行驾驶训练。　２汽车驾驶模拟器构成及其原理　汽车驾驶模拟器系统包括机械部分、控制系统和模拟软件三大部　分。机械部分的点火装置、方向盘、离合装置、脚刹装置、手刹装置、　油门装置、档位装置、仪表装置均采用文物仿真；控制系统定时检测　点火情况、方向盘转过的角度、旋转方向、离合器、脚刹、手刹、油　门、档位的状态，并将检测的结果传送给计算机，通过模拟软件来变　换驾驶的场景，同时，将当前的水温、时速、发动机转速和油量传送　给控制系统，以改变仪表盘的指示控制系统。　２．１模拟器的总体结构。　从硬件组成的角度来看，模拟器包括驾驶舱、操作部件、仪表盘、　传感器、计算机及大屏幕电视机　其一ｆ，操作部件和仪表盘采用实车配　件，并参照实车的操作部件及仪表盘的位置关系进行安装，尽可能模　拟真实的操作环境。　２．２模拟器的工作原理。　模拟器的工作原理为：驾驶员操纵操作部件，使得与操作部件直接相　连的传感器发生变化，从而引起电信号的变化。信号采集及处理子系　统按照一定的精度定期采集传感器上的电信号，并进行滤波等处理。　处理后的信号作为车辆动力学模型子系统的输入，经过车辆动力学模　型模拟运算，计算出车辆的当前状态，例如发动机转速、发动机输出　扭矩、车速、车辆当前的位置等信息。车辆动力学模型计算出的结果　送人显示系统进行图形显示、送入音响系统进行声音模拟以及送入仪　表系统进行仪表显示。　３汽车驾驶模拟器分类　３．１简易汽车驾驶模拟器。安装了方向盘、离合器、油门、脚刹、手　刹、档位、转向灯操作部件，但是没有配置电脑，也没有显示器，学　员可以利用这种模拟器熟悉档位等部件的操作，是属于最简单的模拟　器。　３．２被动式汽车驾驶模拟器。采用前面介绍的简易型驾驶模拟器，所　不同的是在学员前方放置了录像播放装置，例如ＤＶＤ等。训练的时　候，ＤＶＤ中播放已经录制好了教学录像，并播放操作提示语音，学员　根据提示语音进行操作。但是播放的是录像，学员的操作不会对播放　影像产生影响，故名被动。　３．３单屏幕主动式汽车驾驶模拟器。在这种模拟器　，安装了方向　盘、离合器、档位等操作部件，操作部件上还安装了传感器，传感器　中的数据是通过传感器采集系统进行采集获取，然后输人计算机系统：　在模拟器的内部安装有一台计算机，一个屏幕，学员在操作方向盘等　部件的时候，屏幕上的图像会实时的跟着变化，并且会对学员的错误　操作进行提示，例如换挡未踩下离合器。由于用户的操作会对屏幕中　示的图像产生影响，故名主动式，又名互动式。这种模拟器不同厂　家的硬件配置都差不多，主要区别在于软件的功能　３．４三屏幕主动式汽车驾驶模拟器　这种模拟器是在单屏幕主动式模　拟器的基础上增加了２个屏幕，这样就使得显示的视角大于１５０度，　视野更加宽广，沉浸感更强。　３．５液压伺服体感模拟器。这种模拟器在主动式模拟器的基础．｝＝增加　了液压伺服装置，可以产生运动振动，能够更加逼真地模拟驾驶的感　受。　４汽车驾驶模拟器的用途　．　科技论坛　４．１代替真车训练时间。使用主动型汽车驾驶模拟器可以代替真车　２０％～３０％的训练时间，而使用被动型驾驶模拟可以代替真车５％左右　的训练时间。如果在不减少真车训练时间的情况下，那么将极大地提　高学习效率，使得学员很快进入状态（教练少生气，学员少挨骂）。　４．２消除新学员的恐惧心理。新学员（尤其是女生），刚上真车时，　由于手脚配合不协调，动作慌乱，因而有不同程度的恐惧心理。使用　模拟器后，学员可以很好地掌握离合器、刹车、油门、档位、方向盘　等的协调。　４．３可以设置真车训练中不能实现的内容。例如危险情况（行人突然　跌倒，刹车失效等），其他天气（如雨天、霉天、雾天、黑夜等）。　４－４减少真车损耗。由于新学员已经在驾驶模拟器Ｅ能够熟练驾驶，　因此可以减少由于学员误操作而带来的真车损耗。　４．５节能环保。一般来说，模拟器的功率大概为５００Ｗ，一个小时半　度电，很节能啊，也不产生废气。　驾驶模拟器的发展是先进科技的体现，它的发展完善为开展多方　面的研究工作创造了平台。随着模拟器本身技术的发展，驾驶模拟器　的研究及应用还有很大的空问。　参考文献　［１］张艳，战守义．基于Ｐｃ的廉价主被动驾驶模拟器的设计与实现『Ｊ１．系　统仿真学报，２００５，１７（５）：１０９２—１０９６．　［２］朱忠祥．汽车驾驶训练模拟器视景建模技术的研究［Ｄ］．北京：中国农业　大学，２００２．　【３］韦有双，杨湘龙，王飞．虚拟现实与系统仿真［Ｍ］．北京：国防工业出版　社，２００４．　ｆ４１朱忠祥，毛恩荣．汽车驾驶训练模拟器中的三维建模技术『Ｊ１．农业机械　学报，２００４．　ｆ５１尹念东．汽车驾驶模拟器研究现状与技术关键『Ｊ１．湖北汽车工业学院　学报，２００２．　『６１孙显营，熊坚．车辆驾驶模拟器的发展综述『Ｊｌ＿交通科技，２００１（６）：４８—　５０．　『７１王力军，荆旭，滕贻健．汽车驾驶模拟系统的研究与进展『Ｊ】．农业装备　与车辆工程．２００９．　［８］王晶，刘小明，李德慧．驾驶模拟器现状及应用研究『Ｊ１．汽车与船舶，　２００８．　（上接８页）　１０．３运用正确的检查方法。一般继电保护事故往往经过　简单的检查就能够被查出，如果绎过一些常规的检查仍未发现故障元件，说　明该故障较为隐蔽，应当引起充分重视，对此可采用逐级逆向检查法，即从故　障现象的暴露＿点人手去分析原因，由故障原因判断故障范围。如果仍不能确　定故障原因，就采用顺序检查法，对装置进行全面检查。　１０．４掌握微机保护事故处理技巧，在微机保护的事故处理中，以往的经验　是非常宝贵的，它能帮助工作人员快速消除重复发生的故障，但技能更为重　要。　结束语　这里从微机保护自身特点和现场实际经验出发，结合长期处理继电保　护事故的故障的经验和方法，对微机保护发生事故或故障的共陛原因进行了　一般性分类，并在一定范围内总结了处理事故的思路及方法，介绍了提高处　理事故和故障能力的基本途径。　参考文献　『１］赵自刚．继电保护运行与故障信息自动化管理系铡Ｊ１吨力系统自动化，　１９９９，２３（１９）．　１　２ｌ章坚明．杭州国电信息技术有限公司ｌ　Ｊ１．电力故障信息系统功能设计，２００２．　１　３ｌ林俐，等．继电保护网络管理系统的开发和设计［Ｄ】．北京：华北电力大学，　Ｉ９９８．

汽车驾驶模拟器的研究方法及步骤

汽车驾驶模拟器的研究方法及步骤

一、虚拟现实建模方法

1、几何建模

2、运动建模

（1）物体位置

物体位置包括物体的移动、旋转和缩放。在视景仿真中，不仅需要一个全局性的绝对坐标，每个三维对象都需要建立一个相对坐标。对每个对象都给予一个坐标系统，称之为对象坐标系统，这个坐标系统原点的位置随物体的移动而改变。在虚拟驾驶系统中就是通过控制一个汽车局部坐标系的运动和变化来模拟汽车的运动过程。

（2）碰撞检测

在视景仿真系统中，经常需要检查对象A是否与对象B碰撞。碰撞检测需要计算两个物体的相对位置。许多视景仿真系统在实时计算中都是采用OBB包围盒检测法，运用这种方法可以节省时间，但降低了精确性。

3、物理建模

虚拟对象物理建模包括定义对象的质量、重量、惯性、表面纹理、光滑或粗糙、硬度、形状改变模式（橡皮带或塑料）等，这些特性与几何建模和行为规则结合起来，形成了更真实的虚拟物理模型。

4、行为建模

在虚拟驾驶系统中，行为建模主要包括两个方面，一方面是对驾驶员所操纵的汽车的行为进行约束，建立汽车操纵模型，使其符合汽车自身的运动和驾驶人员的操作步骤；另一方面是对场景中非受控物体的行为进行建模，使其的运动符合自然规律，比如场景中自动运行的汽车、路旁的行人等。

5、模型分割

二、虚拟驾驶系统各模块功能分析和开发方案确定

1、汽车虚拟驾驶系统的构成

汽车虚拟驾驶系统主要由虚拟驾驶操作输入系统、汽车动力学模型、运动仿真模型、实时操纵模型、场景管理管理平台、视景和声音渲染输出以及汽车数据模型库、场景模型库和声音模型库等组成。其中汽车动力学模型、运动仿真模型、实时操纵模型和虚拟驾驶场景管理平台是汽车虚拟驾驶系统的核心子系统。

系统的工作过程如下：在系统初始化时，根据用户的需求从汽车数据模型库中将用于仿真的车辆数据模型调入到动力学模型中，同时选择运行的三维场景，通过模型解析模块把它从场景数据库中调入场景管理平台；在仿真过程中，驾驶人员通过虚拟驾驶操作输入系统进行模拟驾驶操作，人机交互接口将油门、制动、换档和转向等动力学操作信息以及发动机启动、喇叭鸣笛等按钮操作状态送入汽车动力学模型和实时操纵模型中；经过仿真计算后，汽车运动仿真数据被送入运动摄像机模块中控制场景内摄像机的运动，同时汽车的行驶姿态还受到地面因素的影响；然后，场景管理控制模块根据此时摄像机的运动状态，通过视景渲染模块将三维场景在投影屏幕上实时反映出来，模拟视景变化，形成行车体感，并且通过虚拟仪表输出此时的汽车运行参数。另外，为了增强虚拟驾驶的沉浸感，系统还安装有音响系统，汽车驾驶模拟器的研究方法及步骤