基于模型汽車的汽車模擬駕駛系統的方案研究

天津工業大學 馬瑞宇 鄭興浪 趙 欣

基于模型汽車的汽車模擬駕駛系統的方案研究

天津工業大學 馬瑞宇 鄭興浪 趙 欣

根據傳統的汽車模擬駕駛系統的缺點，提出一種使用模型汽車實現模擬駕駛的方案。該系統無需建立復雜的動力學與視覺模型，效果真實，結構簡單，為汽車模擬駕駛系統的設計與研發提供了新的思路。

模擬駕駛；汽車

引言

隨著我國人民生活水平的提高，車輛已經成為人們出行的重要方式，駕駛技能也逐漸成為生活中的重要技能。然而傳統的汽車駕駛培訓方法面對日益增多的駕考人員漸漸顯得力不從心。反觀汽車模擬駕駛，它具有節約時間、減少環境污染、減少汽車損耗、不受天氣、時間等影響、減少教練的教學強度等優點。面對這一情況，人們意識到，應用模擬加實車的組訓模式取代全部實車的組訓模式，是汽車駕駛教學改革的必然趨勢。

1.汽車模擬駕駛系統的概況

汽車模擬駕駛也被稱為汽車駕駛仿真，是指利用計算機圖像、機械、嵌入式系統、儀器儀表、數據處理、音效、自動控制、車輛工程等技術實現與駕駛真實汽車相似的駕駛環境，讓使用者感受到接近真實效果的視覺、聽覺和體感的汽車駕駛體驗。當前的模擬駕駛系統分為主動式與被動式兩大類，主動式模擬駕駛系統是對車輛、環境、物理效果進行全面的仿真。它雖然較為真實，但其成本高昂，不利于廣泛應用。被動式模擬駕駛系統是利用放映錄制好的訓練場景，以及同時錄制的指導人員的命令，指導學員掌握基礎的駕駛技能，但是它不能使人與車輛進行交互，缺乏真實體驗。考慮到這兩種模擬駕駛系統的優缺點，本文探究利用結構與真實汽車非常類似但是重量僅有2KG的模型汽車來實現一種成本低廉、效果真實的模擬汽車駕駛系統。

2.方案介紹

本方案設計的模擬駕駛系統計劃使用一輛與真實汽車有相同結構的縮小模型作為受控制部分，在模型上搭載一個高清相機，通過無線模塊將實時圖像、速度等數據傳輸給電腦上的上位機軟件，上位機軟件將圖像、速度等數據顯示出來。駕駛者根據反饋的圖像操作與電腦相連的方向盤、剎車離合器、換擋桿，電腦上位機讀取這些設備的數值，處理后將數據通過串口通信的方式發送給無線傳輸設備并顯示，再利用無線傳輸設備將操作指令發送給模型汽車，完成遙控操作。

3.駕駛系統的技術路線

3.1 系統結構

根據上述思路，系統結構如圖1所示；

圖1 系統結構

從系統的結構來看，它主要由四部分組成。分別是：

1)模型車體：包含模型車、車載攝像機部分；

2)信號傳輸：包含模型車端無線模塊、電腦端無線模塊；

3)人員操作設備：包含方向盤、剎車、離合、換擋桿部分；

4)上位機部分：顯示車載攝像機發送的圖像、車速信息、人員操作信息，處理數據后發出與車輛運行狀況對應的聲音。

3.2 系統的工作原理

在系統運行時，模型汽車上搭載的攝像機采集車輛前方的高清視頻，通過無線發送模塊將模擬的視頻信號傳輸到無線接收模塊，無線接收模塊再將接收到的模擬視頻信號通過AV端子連接到EasyCap 視頻采集卡，該視頻采集卡使用USB接口連接到電腦。電腦上使用C#編寫的上位機軟件獲取視頻流并在電腦屏幕上顯示出來，操作人員在屏幕前看到車輛前方的路況信息操縱方向盤等設備，上位機軟件再利用DirectXInput接口獲取這些設備的操作數據，并將這些數據顯示在上位機上的儀表控件上。同時處理操作數據，根據數據判斷車輛所處的狀況然后通過音響設備發出相應的聲音，再將數據組包通過無線設備發送給模型汽車，完成操作。

4.駕駛系統各部分技術介紹

4.1 上位機軟件

該上位機是基于VS2015 .NET集成開發環境，使用C#語言開發。它的主要功能有顯示車輛前方視頻，顯示車輛速度、油門等數據、獲取方向盤、換擋桿等外部設備讀取的數據、處理數據產生汽車運行音效、將操作數據組包并通過UART接口發送給無線通信模塊。

4.2 視頻系統

上位機中顯示處理視頻使用AForge類庫，AForge是基于.net框架使用C#高級面向對象語言設計開發的專門為開發者和研究者學習和使用的開源圖像處理庫，在上位機軟件中主要使用AForge.Video類庫來完成視頻流的獲取，播放工作。

4.3 外部設備

上位機軟件通過DirectXInput接口獲取方向盤、換擋桿、 剎車油門等外部設備的數據。DirectX是由微軟公司創建的多媒體編程接口。由C++編程語言實現。其輸入部分DirectXInput可以支持很多的輸入設備，它能夠讓這些設備充分發揮最佳狀態和全部功能。

4.4 聲音系統

聲音部分同樣由屬于DirectX的DirectXSound API實現音效的產生、處理和播放。其主要作用是模擬真實汽車運行時的音效。

4.5 無線通信系統

無線通信系統主要包括兩部分，分別是發送高清視頻圖像的2.4GHz Tx6729和Rx5786模塊、傳輸汽車狀態和操作數據的NRF24L01模塊。這樣能夠有效防止視頻和操作數據的混合導致的錯誤。

5.結論

采用模型汽車作為模擬駕駛的實體部分，大大的減少了汽車模擬駕駛中物理模型建立的工作，同時使用攝像頭拍攝模型汽車前方的道路實景，減少了很多視覺系統的開發工作，極大的降低了成本。這種方式也能夠通過方向盤等外部設備進行操作，讓駕駛人員與汽車進行交互，獲得真實的體驗與操縱感，同時兼具主動式與被動式模擬駕駛系統的優點。

[1]沃森,K．),內格爾．C#入門經典(第5版)[M]．清華大學出版社,2010．

[2]陳定方,李勛祥,李文鋒,等．基于分布式虛擬現實技術的汽車駕駛模擬器的研究[J]．系統仿真學報,2005,17(2):347-350．

[3]楊方廷．半主動式汽車訓練模擬駕駛器[J]．系統仿真學報,2000, 12(6):695-697．

[4]朱瑞瑾,鞏秀鋼,楊梁．基于DirectX的模擬駕駛系統的設計與實現[J]．山東理工大學學報(自然科學版),2010,24(6):88-91．

項目支持：由國家科技基礎性工作專項（創新方法工作），科技部創新方法工作專項“我國創新實驗室構建模式研究與示范”（項目編號：2013IM030100）支持。