智能汽車虛擬實訓仿真平臺開發與應用

宮喚春 Gong Huanchun

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智能汽車虛擬實訓仿真平臺開發與應用

宮喚春 Gong Huanchun

（燕京理工學院，河北 廊坊 065201）

智能汽車涉及車輛、機械、通信、自動化等多個學科交叉融合，尚未有成熟的實驗教學平臺。利用PanoSim軟件開發智能汽車虛擬實訓仿真平臺，該平臺將智能汽車系統可視化顯現，能夠在線選取車輛模型及設置運行環境狀態，實現實時虛擬仿真，仿真結束后可以調取車輛測試曲線和數據，并回放實驗視頻便于分析車輛運行狀態，操作簡便、精度可靠，能夠滿足教學和科研的需要。

智能汽車；虛擬實訓；仿真平臺；PanoSim軟件

0 引 言

我國汽車中長期發展規劃明確指出汽車行業向著智能化、電動化、網聯化和共享化新“四化”方向發展[1]。隨著人工智能技術的不斷發展與應用，智能汽車的研發與應用成為研究的熱點，智能汽車也成為汽車產業重點發展的目標。智能汽車技術涉及車輛、電學、計算機、自動化、通信、機械等多個學科交叉融合，需要合理設計開發智能汽車實訓平臺，通過有效實訓才能對智能汽車結構及核心技術更加了解[2]。目前智能汽車實訓測試教學平臺非常少，實車實驗臺雖然能夠滿足一段時間的實驗教學需求，但是隨著技術不斷升級，實驗臺面臨設備更新與改造等問題，會造成資源浪費；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非常必要[3]。利用PanoSim軟件[4]開發智能汽車虛擬實訓仿真平臺，用于智能汽車實訓教學，該平臺具有可視化、在線修改參數以及實時測取車輛運行數據等功能，便于學生直觀學習掌握智能汽車結構與組成原理，且實驗平臺可以在線升級改造用于開發創新實驗項目及添加最新應用技術，使得實驗平臺能夠可持續性使用，節約實驗臺開發成本。

1 智能汽車虛擬實訓仿真平臺開發

PanoSim軟件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車輛虛擬平臺[5]。該平臺基于車輛實驗數據和物理參數建立虛擬仿真模型[6]，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平臺[7]中提供的各類高精度的攝像頭、V2X（Vehicle To X，車與外界的信息交換，X為任何可能的人或物）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（Advanced Driver Assistance Systems，高級駕駛輔助系統）系統設計與研發、道路交通信息系統感知設計與測試等多項實驗項目的車輛虛擬實訓仿真平臺[8]。

智能汽車虛擬實訓仿真平臺具體實驗流程如圖1所示。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[9]，分為創建實驗、進入實驗主界面、設置實驗參數、啟動實驗、分析實驗結果5個階段。

圖1 PanoSim軟件實驗流程圖

（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。

智能汽車虛擬實訓仿真平臺系統組成如圖2所示，該系統主要由攝像頭、計算機顯示系統、圖像處理器和中央控制系統組成。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。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，有效克服信息傳輸延遲的問題。

圖2 智能汽車虛擬實訓系統組成圖

利用Matlab/Simulink軟件在虛擬實訓過程中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，通過回放功能了解車輛在實驗過程中的運行姿態和軌跡，為改進智能車輛技術提供參考。智能汽車虛擬實訓仿真平臺車輛選取界面如圖3所示，可以通過雙擊各模塊獲取車輛參數信息以及算法，并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。

圖3 智能汽車虛擬實訓仿真平臺車輛選取界面

智能汽車虛擬仿真平臺主要由車輛模型（包含皮卡、小轎車、SUV等常見車型）、雷達模型和車輛自適應控制模塊組成。自適應控制模塊通過設置巡航車速輸入信號，得到制動輪缸壓力和節氣門開度輸出信號。雷達模型主要根據相對距離和相對角度判斷，確保行車安全。雷達模塊通過毫米波雷達、激光雷達、超聲波雷達，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。

智能汽車虛擬實訓仿真平臺中還包括V2X通信系統，該系統能夠實現車與外界的信息交互，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，降低交通擁堵率，提高駕駛舒適性以及完善車載導航信息等。V2X工作示意如圖4所示，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4 V2X無線通信系統

2 智能汽車虛擬實訓仿真平臺應用

利用智能汽車虛擬實訓仿真平臺在一段長度為500 m、寬度為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測試車和干擾車各一輛，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10 s，測試車距離干擾車15 m時開始減速直至停止狀態，測試車在AEB（Autonomous Emergency Braking，自動制動系統）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、道路環境等信息，并為測試車和干擾車添加相關車速信息，具體仿真實驗界面創建過程如圖5所示。啟動實驗時，Matlab/Simulink會主動創建目標測試車輛信息，設置車輛初始車速為50 km/h，和車道線以及相關道路參數設置信息與采集算法。

相關實訓車輛參數、道路環境標識選取完成后，利用工具欄添加干擾車信息并設置干擾車車速、相關傳感器參數以及控制算法以完成虛擬實驗場景的布置，為虛擬測試奠定基礎。添加干擾車輛參數及運行環境示意圖如圖6所示。

圖5 虛擬實訓仿真創建過程