特種車輛模擬駕駛系統(tǒng)的研究與開發(fā)

羅昔柳，鄭小剛，杜 浩，賈 麗，劉俊濤，周 桃

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076）

汽車駕駛模擬器 (Vehicle Driving Simulator，VDS)是一種能正確模擬汽車駕駛動(dòng)作，并獲得實(shí)車駕駛感受的仿真設(shè)備[1]。駕駛模擬器可以完成駕駛訓(xùn)練中的所有科目和內(nèi)容，有利于駕駛培訓(xùn)的正規(guī)化、科學(xué)化和規(guī)范化，并具有節(jié)能、安全、經(jīng)濟(jì)、全天候和培訓(xùn)效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]。

傳統(tǒng)的特種車輛訓(xùn)練都是采用真實(shí)車輛對(duì)學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練。然而由于配備車輛數(shù)量有限，難以滿足大量學(xué)員的訓(xùn)練需求。同時(shí)，由于特種車輛的駕駛難度高，利用真車對(duì)新學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練，無論人身安全還是車輛安全都存在較大的隱患。此外，真車的日常訓(xùn)練還存在難以覆蓋實(shí)戰(zhàn)狀態(tài)的復(fù)雜工況，反復(fù)訓(xùn)練還會(huì)引起裝備壽命損耗等問題。因此通過專用的駕駛模擬訓(xùn)練器對(duì)駕駛員進(jìn)行駕駛訓(xùn)練，可以降低實(shí)車訓(xùn)練安全風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約培訓(xùn)經(jīng)費(fèi)、提高培訓(xùn)效益[3]。

此型特種車輛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，其車輛結(jié)構(gòu)以及操作均與市面上的現(xiàn)有車輛不同，這給本模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的車輛動(dòng)力學(xué)仿真和視景仿真帶來了挑戰(zhàn)。在車輛動(dòng)力學(xué)方面，由于車輛重量大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其車輛動(dòng)力學(xué)模型無法直接借鑒現(xiàn)有的任何模型。視景仿真方面，此型車輛駕駛位與副駕駛位中間隔斷，駕駛員無法直接看到右前方向、右后視鏡及車后視景，需要通過駕駛面板的顯示屏觀看相應(yīng)位置攝像頭采集的視頻信息。因此，在傳統(tǒng)車輛模擬系統(tǒng)一般僅模擬前視的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)還需模擬出右前視景、右后視鏡視景、左后視鏡、后置攝像頭（倒車）視景。

本文針對(duì)某型特種車輛的駕駛訓(xùn)練需求，解決了設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，開發(fā)了該型車輛的模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)實(shí)車訓(xùn)練的困難，提高了訓(xùn)練的效率，降低了訓(xùn)練的成本與風(fēng)險(xiǎn)，取得了良好的效果。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 功能

本模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)除了完成車輛動(dòng)力學(xué)建模實(shí)現(xiàn)車輛起步、加/減速、換擋、轉(zhuǎn)向、倒車和停車入位等常規(guī)車輛模擬器的駕駛操作，還能使駕駛員體驗(yàn)到不同氣象條件（晴天、夜晚、雨、雪、霧等）及不同路面條件（平坦路面、搓板路面、凹凸路面、盤山公路等）下的視覺效果、車輛震感效果以及路面平滑度效果。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)前視、左后、右前、右后、倒車共計(jì)5個(gè)視景渲染，并實(shí)現(xiàn)與車輛操作的聯(lián)動(dòng)。此外，系統(tǒng)可對(duì)訓(xùn)練過程中的錯(cuò)誤操作路段進(jìn)行回放，以第三人視角觀察錯(cuò)誤操作，并對(duì)錯(cuò)誤路段進(jìn)行重復(fù)練習(xí)。系統(tǒng)可記錄駕駛?cè)藛T的操作數(shù)據(jù)，對(duì)訓(xùn)練進(jìn)行評(píng)分，并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳至教員管理系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)組成

模擬駕駛系統(tǒng)由虛擬駕駛艙、車輛仿真分系統(tǒng)、視景仿真分系統(tǒng)、體驗(yàn)分系統(tǒng)、試驗(yàn)管理分系統(tǒng)組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。虛擬駕駛艙是受訓(xùn)人員的操作載體，將受訓(xùn)人員的操作轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出給車輛仿真系統(tǒng)。車輛仿真分系統(tǒng)與視景仿真分系統(tǒng)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)力學(xué)、道路視景的實(shí)時(shí)仿真，并將仿真結(jié)果輸出給體驗(yàn)分系統(tǒng)，由體驗(yàn)分系統(tǒng)給予受訓(xùn)人員包含震感、聲音、視覺在內(nèi)的逼真駕駛反饋，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)模擬駕駛從操作到反饋的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)閉環(huán)，為駕駛者提供最真實(shí)的駕駛感覺，達(dá)到足夠的沉浸感和互動(dòng)感。此外，教員客戶端可通過車輛仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)員的訓(xùn)練進(jìn)程，記錄學(xué)員訓(xùn)練成果，對(duì)學(xué)員的訓(xùn)練進(jìn)行綜合考評(píng)。系統(tǒng)實(shí)施效果如圖2所示。視景仿真系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用相關(guān)的場(chǎng)景、環(huán)境和交通配置，開始進(jìn)行駕駛和車載設(shè)備的使用訓(xùn)練。此過程中，教員可以通過教員客戶端進(jìn)行故障仿真的設(shè)置，模擬車輛的各類故障，使駕駛員能夠熟練掌握車輛的各類故障并具備故障排除的能力。駕駛員訓(xùn)練完成后，仿真系統(tǒng)自動(dòng)上傳訓(xùn)練中的相關(guān)數(shù)據(jù)至教員客戶端，由教員客戶端自動(dòng)生成訓(xùn)練報(bào)告，從而可以實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練效果的綜合評(píng)估。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)效果圖

1.3 系統(tǒng)操作流程

本系統(tǒng)駕駛員訓(xùn)練分為三個(gè)階段：準(zhǔn)備階段，訓(xùn)練階段和后處理階段，如圖3所示。準(zhǔn)備階段：此階段的工作主要由教員完成。教員在系統(tǒng)開啟后，通過教員客戶端完成場(chǎng)景配置、環(huán)境配置和交通場(chǎng)景的配置，通過試驗(yàn)管理軟件完成車輛模型的配置和下載，完成訓(xùn)練的準(zhǔn)備工作。訓(xùn)練階段駕駛員上車后，

圖3 駕駛員訓(xùn)練模式

2 虛擬駕駛艙

虛擬駕駛艙是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的人機(jī)互動(dòng)平臺(tái)，是在真實(shí)樣車基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，為駕駛者提供逼真的操作界面。虛擬駕駛艙改造工作是實(shí)現(xiàn)駕駛員方向盤、油門、制動(dòng)、檔位、離合、儀表盤、功能按鈕等操作的信息采集，使駕駛員操作的所有狀態(tài)信息均通過電信號(hào)或者CAN通信的方式發(fā)送至車輛仿真分系統(tǒng)，同時(shí)接收車輛仿真分系統(tǒng)的控制指令，做出各種期望反應(yīng)。其中方向盤、踏板機(jī)構(gòu)（包括油門、制動(dòng)、離合）、換擋機(jī)構(gòu)是虛擬駕駛艙的重點(diǎn)，其逼真程度直接影響到模擬系統(tǒng)的訓(xùn)練效果。

2.1 模擬方向盤設(shè)計(jì)

模擬方向盤設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于需要將方向盤的物理操作轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，同時(shí)又保證方向盤的操縱感與實(shí)車一致，即具備真實(shí)的阻力感及自動(dòng)回正功能。

模擬方向盤系統(tǒng)工作原理如圖4所示，車輛模型中的輪胎模型采集當(dāng)前的方向盤位置和當(dāng)前車速換算成驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向齒條的力矩，并通過當(dāng)前的扭矩傳感器得到實(shí)際的手力矩，從而得到實(shí)際的模擬力矩，實(shí)現(xiàn)方向盤阻力的模擬。當(dāng)駕駛員松開方向盤后，控制器會(huì)根據(jù)當(dāng)前的方向盤位置和實(shí)際車速，計(jì)算出合適的回正力矩，實(shí)現(xiàn)方向盤的自動(dòng)回正。為保證模擬反饋力矩的準(zhǔn)確性，力矩模擬系統(tǒng)采用電機(jī)作為動(dòng)力源，對(duì)方向盤形成阻力矩。電機(jī)通過實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用轉(zhuǎn)矩、位置雙閉環(huán)控制模式，保證了良好的體驗(yàn)效果。此外，為模擬實(shí)車方向盤的旋轉(zhuǎn)范圍（-1080°，+1080°），模擬方向盤在方向盤的連接桿處增加了機(jī)械限位裝置，有效提升了體驗(yàn)的感受和系統(tǒng)的可靠性。

圖4 方向盤力反饋系統(tǒng)工作原理圖

2.2 模擬踏板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本車踏板機(jī)構(gòu)包括油門踏板、制動(dòng)踏板、離合踏板。由于實(shí)車的油門踏板為電子踏板，因此本系統(tǒng)通過仿真設(shè)備的模擬量采集通道直接采集電子加速踏板開度的輸出信號(hào)。實(shí)車的制動(dòng)/離合器踏板均為機(jī)械踏板，本系統(tǒng)通過配置踏板位置傳感器，實(shí)現(xiàn)踏板開度物理信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)通過安裝彈簧來模擬實(shí)車踏板的阻力。踏板位置傳感器如圖5所示，采用差分式霍爾測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)開合角度的非接觸式、高精度的測(cè)量。

圖5 踏板位置傳感器外觀

2.3 模擬換檔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)車的檔位共有9個(gè)檔位包含8個(gè)前進(jìn)檔和1個(gè)倒擋，通過換擋手柄進(jìn)行檔位的切換。模擬換檔機(jī)構(gòu)如圖6所示，分別對(duì)應(yīng)于軸1和軸2的換擋拉線安裝直線位移傳感器。當(dāng)駕駛員操作換擋手柄時(shí)，軸1和軸2連接的換擋拉線會(huì)根據(jù)檔位的變化發(fā)生長(zhǎng)度和狀態(tài)的改變，從而拉動(dòng)變速箱內(nèi)的換擋裝置實(shí)現(xiàn)檔位的切換。直線位移傳感器將換擋拉線的位置變化轉(zhuǎn)化為不同電壓值的電信號(hào)，供實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行檔位狀態(tài)的采集。

圖6 直線位移傳感器方案示意圖

3 車輛仿真分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車輛仿真分系統(tǒng)用以準(zhǔn)確模擬車輛運(yùn)行的軌跡、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、啟停、加減速、換擋、轉(zhuǎn)向等操作，通過系統(tǒng)中配置的各種IO板卡以及通訊板卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員操作的采集，將駕駛員的加速踏板、制動(dòng)踏板、換擋、轉(zhuǎn)向等操作指令采集到系統(tǒng)中，用于對(duì)車輛運(yùn)行控制以及動(dòng)畫場(chǎng)景的交互。此外，通過CAN信號(hào)實(shí)現(xiàn)與車輛顯控系統(tǒng)的交互，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與教員系統(tǒng)的交互。

車輛仿真分系統(tǒng)核心是實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)力學(xué)仿真。車輛是一種由很多運(yùn)動(dòng)的部件有機(jī)結(jié)合在一起，滿足剛體、柔體、多體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的復(fù)雜系統(tǒng)。車輛動(dòng)力學(xué)仿真主要是實(shí)現(xiàn)車輛行進(jìn)過程中車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的工況動(dòng)態(tài)變化、控制策略生成、實(shí)時(shí)計(jì)算的虛擬仿真，用于計(jì)算車輛的姿態(tài)、轉(zhuǎn)向、加減速、怠速、換擋等過程，根據(jù)采集的駕駛員操作動(dòng)作和指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的運(yùn)算，讓駕駛員可以真實(shí)的體驗(yàn)車輛操作的反應(yīng)。車體動(dòng)力學(xué)模型的工作原理如圖7所示。

圖7 車輛動(dòng)力學(xué)模型工作原理圖

本系統(tǒng)建模是在ModelBase建模工具基礎(chǔ)上利用Matlab/Simulink進(jìn)行開發(fā)，輸入整車外形、質(zhì)量、各軸輪距、質(zhì)心高度、質(zhì)心到后軸距離、制動(dòng)氣源壓力、輪胎規(guī)格、驅(qū)動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向軸、擋位標(biāo)準(zhǔn)、整車最高時(shí)速等參數(shù)，通過建模仿真，得到與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果逼近的模態(tài)數(shù)據(jù)。最終仿真得到的模態(tài)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 車輛模態(tài)數(shù)據(jù)

4 視景仿真分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視景仿真分系統(tǒng)由圖形工作站和3D實(shí)時(shí)動(dòng)畫軟件組成。視景仿真分系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接收實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)運(yùn)算得到的車輛狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)多通道的高品質(zhì)圖像渲染輸出、多機(jī)同步工作、聲效模擬以及交通環(huán)境的仿真。本系統(tǒng)3D實(shí)時(shí)動(dòng)畫軟件采用的是德國(guó)VTD，本軟件通過基于UDP通訊方式的RDB接口實(shí)現(xiàn)與車輛動(dòng)力學(xué)模型的閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)交互式的道路網(wǎng)建模仿真、交通場(chǎng)景建模仿真、實(shí)時(shí)動(dòng)畫視景生成、仿真任務(wù)管理模塊、車輛三維音效模擬。3D實(shí)時(shí)動(dòng)畫軟件通過RDB與車輛動(dòng)力學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)通訊閉環(huán)，將車輛動(dòng)力學(xué)模型與交通場(chǎng)景很好的融合起來，彌補(bǔ)了車輛動(dòng)力學(xué)軟件在真實(shí)交通場(chǎng)景建模、路網(wǎng)系統(tǒng)建模及交通狀況控制方面的不足，完成整個(gè)復(fù)雜交通環(huán)境的構(gòu)建。本系統(tǒng)3D實(shí)時(shí)動(dòng)畫軟件功能模塊組成以及實(shí)現(xiàn)功能如表2所示。

表2 視景仿真分系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)畫軟件組成及功能

為了滿足多通道渲染的需要（前視3通道，右前1通道，右后1通道，左后1通道，倒車1通道，共計(jì)7通道），訓(xùn)練系統(tǒng)配置2臺(tái)圖形工作站，VTD配置的模塊為1個(gè)TC模塊和2個(gè)IG模塊，2個(gè)IG模塊分別運(yùn)行于獨(dú)立的圖形工作站上，接受1個(gè)TC模塊的控制。圖形工作站配置信息如表3所示。

表3 圖形工作站的配置信息

實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景效果模擬圖如圖8所示。

圖8 場(chǎng)景效果圖

5 體驗(yàn)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

體驗(yàn)分系統(tǒng)包括音響、顯示系統(tǒng)、多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音、視覺、震感的模擬。

多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)安裝于駕駛艙底部，用來模擬車輛行駛過程中的動(dòng)態(tài)感受和車輛行駛過程中的路感，提升體驗(yàn)的效果。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)控制，采用多自由度全電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便和可靠性高的特點(diǎn)。其控制原理如圖9所示。

圖9 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制原理

6 試驗(yàn)管理分系統(tǒng)

試驗(yàn)管理分系統(tǒng)由試驗(yàn)管理軟件和綜合訓(xùn)練管理模塊組成。試驗(yàn)管理軟件是實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)的控制組件，可以通過遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)的配置管理和數(shù)據(jù)管理。綜合訓(xùn)練管理模塊為定制開發(fā)模塊，將試驗(yàn)管理軟件組件進(jìn)行封裝，并增加遠(yuǎn)程通訊功能，用于與教員端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)教員端對(duì)訓(xùn)練系統(tǒng)的遠(yuǎn)程配置管理和訓(xùn)練數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)和圖形工作站進(jìn)行配置管理。訓(xùn)練管理軟件的工作流程如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)管理平臺(tái)原理

駕駛員在訓(xùn)練過程中，可能會(huì)遇到事故、誤操作、危險(xiǎn)狀況等情況。為了提高訓(xùn)練的效果，駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)需要具備誤操作回放能力，加深駕駛員的認(rèn)識(shí)。誤操作的回放包含兩種功能：故障回放和重復(fù)練習(xí)。兩種模式均需要對(duì)駕駛?cè)痰臄?shù)據(jù)進(jìn)行保存和后處理。

本實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)采用NI仿真平臺(tái)，實(shí)時(shí)車輛模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以保存在NI RT-PC的硬盤上。由于圖形工作站的刷新頻率為60 Hz，為了保證回放的流暢性和減少數(shù)據(jù)的保存量，RT-PC的數(shù)據(jù)保存周期為17 ms.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被保存到一個(gè)文件中，供后處理調(diào)用。

在實(shí)時(shí)車輛模型中，需要新增誤操作時(shí)刻、誤操作數(shù)量和誤操作序號(hào)變量，用于回放數(shù)據(jù)的后處理。當(dāng)發(fā)生誤操作時(shí)，例如追尾、側(cè)翻等事故時(shí)，車輛模型檢測(cè)到誤操作的發(fā)生，記錄當(dāng)前的誤操作類型和時(shí)間，統(tǒng)計(jì)誤操作數(shù)量，確認(rèn)當(dāng)前誤操作序號(hào)。誤操作相關(guān)數(shù)據(jù)被保存為一個(gè)獨(dú)立的文件，存儲(chǔ)于RT-PC的硬盤上。為了實(shí)現(xiàn)誤操作的回放，基于NI平臺(tái)開發(fā)一獨(dú)立的程序，其作用是識(shí)別誤操作信息，獲取誤操作時(shí)刻的車輛狀態(tài)，并以此為依據(jù)，獲取誤操組前10 s和后10 s的車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，保存供程序調(diào)用。

7 結(jié)束語

目前特種車輛模擬駕駛系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試完成，并交付用戶進(jìn)行使用。通過用戶使用的實(shí)踐證明，特種車輛模擬駕駛系統(tǒng)能夠真實(shí)地模擬某型特種車輛駕駛的全過程，不僅為受訓(xùn)人員提供一個(gè)與實(shí)際車輛基本一致的駕駛體驗(yàn)，同時(shí)解決了傳統(tǒng)實(shí)車訓(xùn)練中存在的訓(xùn)練場(chǎng)景單一、訓(xùn)練時(shí)間有限、訓(xùn)練安全無法保證、車輛易受損等問題，取得了較好的效果，具備在特種車輛駕駛訓(xùn)練中進(jìn)行推廣的價(jià)值。