智能汽車虛擬實訓仿真平臺開發與應用*

宮喚春

（燕京理工學院）

我國汽車中長期發展規劃[1-2]明確指出，汽車行業向著智能化、電動化、網聯化和共享化這新“四化”方向發展。隨著人工智能技術的不斷發展與應用，智能汽車成為研究的熱點和汽車產業重點發展的目標。智能汽車技術[3]涉及車輛、電學、計算機、自動化、通信及機械等多個學科交叉融合，目前關于智能汽車實訓測試的教學平臺還非常少，雖然實車實驗臺能夠滿足一段時間的實驗教學需求，但是隨著技術的不斷升級，實驗臺面臨設備更新與改造等問題，會造成資源的浪費，因此，開發智能汽車虛擬實訓仿真平臺用于智能汽車實訓教學是非常必要的。文章利用PanoSim軟件[4-5]開發了智能汽車虛擬實訓平臺用于智能汽車實訓教學。

1 智能汽車虛擬仿真實訓平臺開發

PanoSim軟件[6-7]包括各類車輛系統動力學模塊、三維行駛模塊、道路環境模塊、交通信息模塊、車載感應裝置模塊、導航通信模塊、MATLAB/Simulink可視化仿真模塊、數據圖像回放處理等模塊集成一體的實時仿真測試的車輛虛擬系統。該軟件基于車輛實驗數據和物理參數建立虛擬仿真模型，利用虛擬現實方法模擬各類道路交通環境和車輛運行工況，通過PanoSim中提供的各類高精度攝像頭、V2X無線通信系統和雷達裝置模型，加載完成車輛動力學性能測試與仿真、車輛電控系統集成開發、ADAS系統設計與研發及道路交通信息系統感知設計與測試等多項實驗項目。

根據智能汽車實訓項目以及每個項目需要設置的模塊，利用PanoSim創建實驗流程[8]。整個實驗流程為：創建實驗（新建實驗、選擇場景、天氣光照）→進入實驗主界面（Forward按鈕）→設置實驗參數（添加實驗車輛、設置駕駛信息、設置交通工況、配置傳感器、配置交通元素）→啟動實驗（Start按鈕、自動生成Simulink模型）→分析實驗結果（仿真數據報表、仿真動畫回放）。

1）創建實驗：利用軟件提供的模塊創建虛擬實訓項目，設置實訓車輛以及各類交通道路環境，并設置干擾車輛以及交通信號裝置；

2）進入實驗主界面：選取相關加載實驗項目，并進入參數設置界面；

3）設置實驗參數：選取虛擬實訓測試路面并加載車輛信息，添加橫向或縱向車輛駕駛信息模塊參數，加裝導航與無線通信以及高速攝像頭等感應裝置，獲取虛擬實訓中交通流變化及車輛行人等干擾信息，合理設置交通信號裝置及標識牌等裝置，精確呈現逼真的交通運行環境；

4）啟動實驗：對所選實驗車輛進行各項虛擬測試；

5）分析實驗結果：測試結束后，利用軟件提供的分析功能對仿真測試數據進行報表分析，并在分析數據過程中播放仿真測試動畫，掌握車輛實驗過程中動態變化過程。

圖1示出智能汽車虛擬實訓仿真平臺系統組成圖，該系統主要由攝像頭、計算機顯示系統、圖像處理器、中央控制系統組成。它通過高速攝像頭采集車輛運行時環境及道路情景等圖像信號，并將信號由中央控制系統生成虛擬場景畫面；在虛擬實訓仿真時拍攝虛擬場景圖像，實時采集各傳感器數據，將數據及圖像信息輸送到圖像處理器進行分析處理，并通過計算機顯示系統呈現出車輛仿真測試路徑及各種性能曲線，便于教師教學和學生分析實驗過程。圖1中設置的高速攝像頭可以在1 ms內將路面實時信息和圖像傳輸到中央控制系統，有效解決了信息傳輸延遲的問題[9]。

圖1 智能汽車虛擬實訓系統原理圖

利用MATLAB/Simulink軟件[10]，教師在上課以及學生在虛擬實訓過程中可以任意調取不同類型的智能車輛加載到PanoSim軟件中進行虛擬測試和開發，獲取實驗數據和虛擬測試實時圖像；通過回放功能可以了解車輛在實驗過程中的運行姿態和軌跡，對改進智能車輛技術提供參考依據。圖2示出智能汽車虛擬仿真平臺車輛選取界面圖，教師和學生可以通過雙擊各模塊獲取車輛參數信息以及算法，在線完成參數的修改和控制算法的更新，便于智能汽車技術的優化改進設計。該平臺中參數設置與算法編制直觀、操作簡便，有利于學生了解智能汽車各系統的基本參數和算法，提高學習效率。

圖2 智能汽車虛擬實訓仿真平臺車輛選取界面圖

文章設計的智能汽車虛擬仿真平臺主要由車輛模型、雷達模型和車輛自適應控制模塊組成。車輛模型提供了皮卡、小轎車、SUV等常見車型，用戶可將CAD格式的車輛外形文件導入系統中使用；自適應控制模塊用于設置巡航車速輸入信號，并將制動輪缸壓力和節氣門開度作為自適應控制模塊的輸出信號；雷達模型主要根據相對距離和相對角度判斷要跟蹤的目標，確保車輛安全行駛，雷達模塊由毫米波雷達、激光雷達、超聲波雷達組成，利用反射波信息和雷達的物理模型聯合建模，高精度呈現雷達信號探測傳播的機理以及模擬環境對雷達探測的影響。

文章開發的智能汽車虛擬實訓仿真平臺中還包括V2X（Vehicle toX）無線通信系統[11]，該系統能夠實現車與外界之間的信息交互，準確獲取交通環境信息、路面車輛行人信息、交通信號等參數或圖像，為目標測試車輛提供高效安全的駕駛信息以及車載導航信息等，降低交通擁堵率，提高駕駛舒適性。圖3示出V2X無線通信系統工作原理圖，該系統采用協作式傳感器定義相關虛擬實訓測試和車載與外界信息交互建模的應用層協議，利用車聯網技術設置多個控制算法、車載交互信息的范圍和處理速度，并將多個通信性能指標組合，形成綜合優化仿真，確保車輛與外界信息交互的高精度與高效率。

圖3 V2X無線通信系統工作原理圖

2 智能汽車虛擬仿真實訓平臺應用

利用文章開發的智能汽車虛擬實訓仿真平臺在一段長500 m、寬8.5 m的單向雙車道上進行智能汽車實訓測試。道路交通環境中設置一輛測試車和一輛干擾車，測試車安裝有激光雷達，干擾車位于測試車前方30 m處，兩車初始速度為50 km/h，實驗時間為10 s，測試車距離干擾車50 m時開始減速直至停止狀態，測試車在AEB控制算法下完成緊急制動。啟動PanoSim軟件創建上述虛擬實驗場景，通常操控軟件控制面板設置各車輛信息、雷達模型、道路環境加載等信息，并為目標車輛和干擾車輛添加相關車速信息，具體仿真實驗界面創建過程，如圖4所示。啟動實驗時，MATLAB/Simulink會主動創建傳感器模塊，按照選取的傳感器類型對應產生相關控制算法。教師授課時可以通過顯示相關參數和算法對實訓內容進行講解，學生操作時可以在線完善算法，修改相關參數，尋找智能汽車最優設計方案，使得實訓過程簡單直觀，利于教學質量的提升。

圖4 智能汽車虛擬仿真實訓創建過程

相關實訓車輛參數、道路環境標志選取完成后，利用工具欄添加干擾車輛信息并設置干擾車輛車速、相關傳感器參數以及控制算法，完成虛擬實驗場景的布置，為后續虛擬測試奠定基礎。

圖5示出添加干擾車輛參數及運行環境示意圖。利用圖5中的工具欄可以設置道路長度、寬度、路面條件及車道等參數。對各車輛模型、雷達模型、通信系統等信息加載設置，滿足虛擬實驗條件后即可啟動虛擬仿真實驗。通過顯示系統分析智能車輛運行測試，仿真結束后可以調取相關性能曲線及參數，也可以通過回放虛擬實驗視頻，仔細分析被測車輛運行的軌跡及外界環境對車輛的影響，為改進完善智能汽車系統提供參考依據。整個虛擬仿真過程可視化強、操控簡便，易于教師授課；把智能汽車復雜的控制系統通過虛擬仿真系統準確呈現出來，有利于學生理解智能汽車的控制技術與測試方法。

圖5 干擾車輛設置及運行環境加載示意圖

實驗結束后，可以調取相關車輛測試曲線或數據等信息，便于分析整個實驗過程中車輛的運行情況。圖6示出虛擬實訓仿真車輛速度變化曲線，通過設置工具欄的選項獲取更多車輛測試過程的曲線。分析不同階段的性能曲線和數據有助于了解車輛在測試過程中性能和參數的變化，為優化設計智能汽車相關裝置提供依據。

圖6 智能汽車虛擬實訓仿真車速變化曲線

3 結論

針對智能汽車涉及多個學科且控制系統復雜，相關實驗設備和測試平臺匱乏的問題，文章利用PanoSim軟件建立了智能汽車虛擬實訓仿真平臺，用于智能汽車相關實驗課程的教學。該系統包括車輛系統模型、通信系統模型、顯示系統、雷達系統及道路環境模型，通過設置相關參數信息即可啟動相關實驗，實驗過程直觀、可視性強，還可以在線改變參數和算法，有利于智能汽車技術的測試和設計；創新了實踐教學模式，有利于學生提高實踐操作能力，為智能汽車領域的教學提供了堅實的平臺。