用于車輛開發(fā)研究的駕駛模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

【摘 要】開發(fā)車輛駕駛模擬器主要通過虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，將汽車模型導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中。根據(jù)用戶的輸入控制命令，對(duì)汽車模型進(jìn)行虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用在虛擬場(chǎng)景中“虛擬再現(xiàn)汽車試驗(yàn)過程” 的數(shù)據(jù)來分析，用戶通過各種傳感器感受并體驗(yàn)該車的性能，得出性能的評(píng)價(jià)。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；虛擬環(huán)境；駕駛模擬器；模型仿真

用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)法駕駛模擬器（Driving Simulator）是一種能正確模擬汽車駕駛動(dòng)作，獲得實(shí)車駕駛感覺的仿真設(shè)備。本文研究的駕駛模擬器用模擬駕駛的效果，建立實(shí)現(xiàn)汽車模擬駕駛的汽車動(dòng)力學(xué)模型和操作穩(wěn)定性試驗(yàn)、控制和碰撞分析等功能，能全面反映模擬汽車的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等特性。

1.汽車的碰撞計(jì)算

重點(diǎn)對(duì)兩車的碰撞問題進(jìn)行分析，建立汽車事故的力學(xué)模型，進(jìn)而推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型。汽車間的碰撞按其碰撞形式可分為：正面碰撞、追尾碰撞及斜碰撞，其中正面碰撞和追尾碰撞是一維碰撞，斜碰撞是二維碰撞。

1.1一維碰撞

假如己知兩車碰撞前速度v10、v20及彈性恢復(fù)系數(shù)k，碰撞后的速度v1、v2可直接應(yīng)用公式：

如果追尾碰撞時(shí)車速不大，彈性變形不能忽略不計(jì)，那么仍然可以按正面碰撞中的式（6）求解碰撞后速度。

1.2二維碰撞

汽車二維碰撞是指汽車在碰撞后作非一維的平面運(yùn)動(dòng)的碰撞類型。汽車在二維碰撞的過程中，車體有縱向、橫向平動(dòng)和饒z軸橫擺運(yùn)動(dòng)等三個(gè)自由度，采用狀態(tài)空間表達(dá)方式將其數(shù)學(xué)公式描述為：

2.汽車虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽車虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)遵循先進(jìn)性、開放性、可靠性等基本原則，基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，采取層次化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方法，使系統(tǒng)在保持功能實(shí)現(xiàn)的前提下，達(dá)到結(jié)構(gòu)的合理化。汽車虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要由輸入模塊、虛擬試驗(yàn)?zāi)K以及輸出模塊三部分組成，如圖3所示。把汽車模型導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中，根據(jù)用戶的輸入控制命令，對(duì)汽車模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，利用分析數(shù)據(jù)在虛擬場(chǎng)景中“虛擬再現(xiàn)汽車試驗(yàn)過程”，用戶通過各種傳感器感受并體驗(yàn)該車的性能，得出性能的評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)進(jìn)行修改模型參數(shù)，該過程可不斷重復(fù)，進(jìn)行汽車參數(shù)的修改，直至汽車獲得最優(yōu)性能。下面對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單描述。

2.1輸入模塊

主要是提供車輛、地面參數(shù)化模型等信息的輸入，在該模塊中，也可輸入實(shí)車試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，用于與虛擬試驗(yàn)比較。

2.2虛擬試驗(yàn)?zāi)K

主要由動(dòng)力學(xué)分析模塊，接口模塊以及虛擬試驗(yàn)運(yùn)行模塊，動(dòng)力學(xué)分析模塊主要是根據(jù)車輛的參數(shù)化模型、駕駛員的行為實(shí)時(shí)計(jì)算車輛的性能參數(shù)，為虛擬試驗(yàn)?zāi)K提供仿真數(shù)據(jù)，虛擬試驗(yàn)運(yùn)行模塊主要是為用戶提供逼真的虛擬試驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)虛擬車輛在試驗(yàn)過程中的各種狀態(tài)變化并將該信息反饋給用戶。接口模塊將車輛實(shí)時(shí)仿真運(yùn)算部分、虛擬運(yùn)行環(huán)境部分、傳感器等接口設(shè)備以及用戶有機(jī)連接成一體。

2.3性能評(píng)價(jià)模塊

該方法突破了以往評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以建立、指標(biāo)很難確定、可視化差等不足。在該模塊中，也可對(duì)虛擬試驗(yàn)與實(shí)車試驗(yàn)的進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)差別對(duì)車輛模型進(jìn)行修正。

（a）側(cè)偏位移變化

（b）方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)向加速度變化

3.虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)例

以操縱穩(wěn)定性的虛擬試驗(yàn)為例進(jìn)行了開發(fā)。首先利用ADAMS/Car軟件建立汽車的數(shù)字化虛擬樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了操縱穩(wěn)定性仿真分析，虛擬試驗(yàn)環(huán)境采用WTK（World Tool Kit）以及Visual C++實(shí)現(xiàn)，虛擬儀表部分采用NI公司的Component Works組件實(shí)現(xiàn)。把動(dòng)力學(xué)分析的仿真數(shù)據(jù)傳送到虛擬環(huán)境中來形象、逼真的實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)，通過虛擬儀表來準(zhǔn)確的顯示數(shù)據(jù)的變化情況。

下面利用ADAMS/Car，建立了某汽車的數(shù)字化模型，并根據(jù)單移線試驗(yàn)方法（如軌跡、速度等）設(shè)計(jì)了控制文件，在車輛動(dòng)力學(xué)仿真過程中，

該文件控制車輛使其沿著規(guī)定的路線行駛，然后從仿真分析結(jié)果中提取操縱穩(wěn)定性的主要特征參數(shù)的數(shù)據(jù)，配合單移線試驗(yàn)的場(chǎng)景來動(dòng)態(tài)觀察車輛本身以及參數(shù)的變化。為使用戶精確的知道汽車運(yùn)動(dòng)過程中的具體參數(shù)變化，增加了虛擬儀表的功能，利用虛擬儀表來配合虛擬場(chǎng)景，動(dòng)態(tài)顯示汽車在仿真過程中各個(gè)參數(shù)的變化。為更加逼真的實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的沉浸感，開發(fā)了雙視口的立體場(chǎng)景顯示效果，通過AGC——ViewerG立體觀測(cè)系統(tǒng)，可沉浸在虛擬的試驗(yàn)場(chǎng)景中，感覺、體驗(yàn)試驗(yàn)過程。圖4為動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果（速度為100km/h），圖5為虛擬單移線試驗(yàn)過程中的仿真場(chǎng)景與虛擬儀表變化。

4.總結(jié)

在模擬駕駛系統(tǒng)中利用基于力學(xué)分析的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真，采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件獲取車輛性能參數(shù)，虛擬實(shí)現(xiàn)車輛性能的試驗(yàn)系統(tǒng)，可完全實(shí)現(xiàn) “室內(nèi)虛擬試驗(yàn)”，是未來虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展，通過連接一些控制設(shè)備，與虛擬場(chǎng)景相結(jié)合，可使用戶感覺到汽車的振動(dòng)、側(cè)偏、側(cè)傾等運(yùn)動(dòng)，可以把人的主觀感受加入到評(píng)價(jià)車輛性能中來，具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

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