CN101533571A - 一种人-车-路环境驾驶模拟实验*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开放的人－车－路环境驾驶模拟实验***。其特征在于通过分布式的网络结构，模块化的汽车动力学模型，道路交通场景模块化快速生成，动态交通模块化实时加载，驾驶员行为与驾驶效果的一体化监测，形成人、车、路的信息环闭，所有过程都实时发生，以产生连续变化的图像。本发明能够显著提高***功能的开放性和扩展性；提高***的实时性和图像运动的平滑性，使该***具备了处理大场景的能力；显著提高了***的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及驾驶模拟实验***，特别是研究人-车-路交通环境的驾驶模拟实验***。
背景技术
道路交通问题，其实质就是人、车、路(交通环境)的关系问题，三者之间有着深刻的内涵关系。这里的人指驾驶员，也指行人；车可指一辆车也可指多辆车。长期以来，在汽车或交通领域，主要的研究方式是″开环″式的，即研究车时较少考虑人和环境对车的影响；而在研究道路时又较少考虑车辆和人的因素。而人、车、路(环境)其实是一个整体的***，研究该***之间的协调关系才是解决交通问题的关键。
人、车、路(环境)***最大的一个特点在于其对象总是处于动态的过程中，变化多，情况复杂，用统计的研究方法，工作量大、费时费力，有时很难以掌握和处理好三者之间的关系。
利用驾驶模拟***对“人—车—路”交通安全、驾驶员行为特征、智能交通、汽车动力学等问题的研究，是近年来国际上的一个主要发展方向。国外在这方面进行过很多研究。八十年代以来，德国、瑞典、日本、美国和英国都先后分别投资建立了汽车驾驶模拟或交通模拟实验***。
交通驾驶模拟***有着广泛的应用前景。首先，它使车辆或交通***的设计从传统的开环设计走向闭环设计；其次是交通设计的观念从“使人适应交通”向“使交通适应人的能力范围”转变。同时，还推动了驾驶员控制行为规律研究的深入开展。
目前，市场上的驾驶模拟***，包括国外的驾驶模拟产品，以用于驾驶员培训的模拟器居多，有的用于研究的模拟器也是从培训型的模拟器改造而成的。许多用于研究的驾驶模拟器的使用范围非常有限，表现在：一是***提供的建模和运算能力较弱；另一个主要原因是***的开放程度较低，即用户建立自主模型的方法受限。例如，用于研究道路交通工程评价的驾驶模拟器必须具有极强的建模和动态场景的构建能力，而大多数驾驶模拟器的场景是事先给定的模式，有的虽然可以自建模型，但过程复杂、限制多、功能不全，不具备完全开放的功能，或开放程度极低，因此难以实现对道路交通评价对象的真实建模。
发明内容
本发明的目的是提供一种人-车-路交通环境的驾驶模拟实验***，极大地提高了***的实时性和图像运动的平滑性，使该***具备了处理大场景的能力，因而显著提高了***的应用范围。
本发明的***主要由驾驶舱、汽车动力学模型及声响、图像生成、动态交通模拟、图像投影、集成控制等六大子***组成。其中驾驶舱***采集驾驶员的各种操作信息并将其传送给汽车动力学模型***；汽车动力学模型***运算出汽车的瞬间位置及运动姿态参数，并将其传送给图像生成***。同时，汽车动力学模型***根据驾驶员的操作信息调用相应的音频文件通过声响***播放出来；图像生成***根据汽车动力学模型***和动态交通模拟***提供的相应参数生成与车辆运动相对应的、连续变化的动态道路交通场景。最后通过图像投影***将动态道路交通场景投射到驾驶舱正前方的屏幕上。而集成控制***则是控制驾驶舱、汽车动力学模型及声响、图像生成、动态交通模拟和图像投影等子***。
***的工作原理如下：(1)由驾驶员工作舱产生驾驶操纵信号，通过传感及电路***将采集的信号传递给汽车动力学模型***；(2)汽车动力学模型根据操纵信号进行仿真运算得到车辆运动参数输出至图像生成***，同时将模拟声音输出至音响***；(3)图像生成***根据车辆运动参数生成驾驶员的视景图像，输出至投影***；(4)以此同时，其它机动车流、非机动车、行人等由交通动态模拟***生成，并传入图像生成***与道路交通的静态视景图像融为一体；(5)投影***将视景图像投射到驾驶舱前面的屏幕上；(6)驾驶员根据屏幕上的道路交通虚拟图像驾驶车辆，产生新的操纵信息，使驾驶舱、电路***、汽车动力学模型***、图像生成***、音响***和投影***产生的信息形成闭环。所有这些过程都实时发生，以产生连续变化的图像，从而给驾驶员一个接近真实的驾车感觉。
本发明内容主要体现在分布式及模块化组合的建设方案，使得***的开放性、可开发性得到最大体现，具体表现在：
(1)分布式计算机网络结构；
(2)汽车动力学模型及模块化；
(3)道路交通虚拟场景模块化快速生成；
(4)动态交通模块化实时加载；
(5)驾驶员行为与驾驶效果的一体化监测。
本发明的有益效果是，采用分布式及模块化组合的道路交通仿真***建设方案最大的优点是开放性好，功能扩展性强。由于车辆动力学模型及仿真、道路交通静态模型、图像驱动引擎、交通动态模型和仿真等都是独立运行，使得***功能的开放性和扩展性显著提高；其次，由于数据采集、汽车动力学模型计算、图像生成、动态交通模型计算等具有实时性强、计算量大的工作是通过网络并行运算，极大地提高了***的实时性和图像运动的平滑性，使该***具备了处理大场景的能力，因而显著提高了***的应用范围。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本发明的模拟实验***结构框图。
图2是本发明的分布式计算机C/S网络结构框图。
图3是本发明的汽车模型结构图(汽车面向对象的模型结构)。
图4是本发明的动态交通实时加载结构框图。
图5是本发明的驾驶员视频监视示意图。
图6是本发明的驾驶员行为及驾驶效果的一体化监测***结构图。
具体实施方式
本发明的模拟实验***主要由驾驶舱、汽车动力学模型及声响、图像生成、动态交通模拟、图像投影、集成控制等六大子***组成；其中驾驶舱***采集驾驶员的各种操作信息并将其传送给汽车动力学模型***；汽车动力学模型***运算出汽车的瞬间位置及运动姿态参数，并将其传送给图像生成***。同时，汽车动力学模型***根据驾驶员的操作信息调用相应的音频文件通过声响***播放出来；图像生成***根据汽车动力学模型***和动态交通模拟***提供的相应参数生成与车辆运动相对应的、连续变化的动态道路交通场景。最后通过图像投影***将动态道路交通场景投射到驾驶舱正前方的屏幕上。而集成控制***则是控制驾驶舱、汽车动力学模型及声响、图像生成、动态交通模拟和图像投影等子***。***的软硬件组织网络结构如图1所示。
以下分别说明各部分的构成：
(1)分布式计算机网络结构：本仿真***的网络结构如图2，它由8台计算机组成。是一个小型的client/server结构网络***，其中的主控计算机作为服务器，其余作为客户端计算机，包括：数据采集计算机、交通模型计算机、汽车动力学模型计算机、4台图形计算机，信息通过100M/1000M高速局域网交换。所有计算机各自独立并行计算，网络通信均通过主控计算机(服务器端)进行收发：首先，服务器接收来自数据采集机的驾驶员驾驶操作参数，并发送驾驶操作参数到汽车动力学模型机；其次，服务器收到来自汽车动力学模型计算机的模型计算完成的车辆位置、姿态等参数；与此同时，服务器接收来自交通模型计算机的动态交通流等数据；然后，服务器发送模拟器位置、姿态以及动态交通环境参数等到4台图形计算机，同步实时更新，实现实时三维动态仿真。
(2)汽车动力学模型及模块化：汽车动力学模型计算是驾驶模拟器“运动”的核心部分，在驾驶过程中，车辆(模拟器)的所有运动都是通过汽车动力学模型计算获得的。汽车动力学模型计算的输入信息来自上位的驾驶舱传感器***，输出信息(计算结果)输入到下位的道路交通视景生成***。考虑到模拟器能较全面地反映出汽车的操纵和运动状态，车辆模型采用12个自由度的动力学模型，包括发动机转动、离合器的工作过程、车辆的纵向位移、横向位移、车身的侧倾、纵倾、横摆、四个车轮的转动、方向盘的转角等运动；此外，还应确定模拟车辆的发动机的扭矩特性、轮胎的滑移特性和侧偏特性以保证摸拟器在加速、制动和转向时的真实性。在模型计算中，采用面向对象的方法，把与车辆运动模型相关的总成独立出来，如图3，建立了包括车身、发动机、底盘和操纵机构四个***。其中，操纵机构包括：制动踏板、变速器、离合器踏板、油门踏板、方向盘等5个子***；底盘部分包含：传动系、离合器、转向系、制动系、悬架系、车轮等6个子***。
(3)道路交通虚拟场景模块化快速生成：为快速生成道路交通虚拟场景，***设计了可开发的模型库、纹理库，并提供了开放接口的可视化数据标准。通过调用模型的索引号、纹理号及模型参数即可实现任何复杂模型的绘制，虚拟场景数据存储纹理号、模型号、模型参数等信息，是一系列模型的集合。开放的数据接口、简单明了的数据结构，使得用户可以自编软件快速生成符合可视化数据接口标准的道路交通虚拟场景。同时，***还提供丰富的场景模块库，场景模块库由一系列模型有机组合，具有通用性并实现完整功能的模型集合，如：高速公路场景模块，可由道路模型、护栏模型、交通标志模型等集合而成，道路交通虚拟场景模块化，就是为了快速生成虚拟场景，运用***观点，研究道路交通***的特点，用分解和组合的方法，建立场景模块库，并运用模块组合成全新虚拟场景的过程。建模方法：打开道路交通虚拟场景，选择适合组合在一起的模型系列，定义模块名称及模块接口参数，输出模块。组合方法(使用模块)：选择基础场景模块，加载需要的交通场景功能模块(一个或多个)，利用三维场景的平移、旋转、缩放的组合变换，使得加载的模块与基础场景无缝连接，完成道路交通虚拟场景建模。场景模块库是完全开放的，除了***提供的大量模块外，用户可自由增减场景模块，不断丰富场景模块库。丰富的场景模块库，模块化的建模思想，为快速生成道路交通虚拟场景提供了条件与方法。
(4)动态交通模块化实时加载：动态交通是交通模拟***的重要组成部分，本功能模块能够实时生成符合一定分布规律的交通流、以及满足特定情节的交通流。动态交通模块提供完全开放的接口，接口参数主要包括控制参数、运动规律参数。控制参数用于确定交通流的特性等，包括交通流三参数：流量、速度、密度，触发方式(主要有触发区触发、距离触发、时间触发三种方式，控制车辆是否启动)。运动规律参数用于指定车辆的运行轨迹及运行速度，也可以只指定初始位置，然后自动搜索路径，并根据交通模型加速、减速。开放的接口可实现对目前国内外著名仿真软件交通流的再现，如：由VISSIM仿真软件生成的交通流。动态交通模块根据预设的控制参数、运行规律参数以及模拟汽车的状态参数，实时计算动态交通各个个体(车辆或行人)的运动参数，实时更新交通流个体的位置等状态。交通动态模型与道路虚拟场景的关系如图4所示。道路虚拟场景由静态视景模型、动态视景模型、外部交通流仿真接口加载后驱动。其中静态视景模型由三维视景编辑器建立；动态视景模型由动态交通行为算法或轨迹数据提供数据；外部交通流仿真接口由相关微观仿真软件提供数据。
(5)驾驶员行为与驾驶效果的一体化监测：在驾驶员工作舱中安装驾驶员面部、手部及脚部的视频监测装置，全程记录汽车模拟驾驶试验过程中驾驶员的面部表情、手脚操纵情况；以此为研究驾驶员在各种驾驶条件下的操纵行为与驾驶效果提供依据。一体化监测由带红外光的工业用彩色CCD摄像机、视频转换装置、语音对讲器和硬盘录音录像机设备来实现。通过安装在驾驶员工作舱中的三台带红外光的工业用彩色CCD摄像机来记录驾驶员的驾驶行为，这三台摄像机分别安装于副驾驶座位前方的仪表台、副驾驶座位左后上方的车顶和档位拉杆旁，分别用来监视驾驶员的面部表情、驾驶员的手部操作和驾驶员的脚部动作。驾驶员工作舱内光线一般较暗，由于带有红外光，使得驾驶员的脚部、手部和面部均能看清。通过视频转换器将图像生成***的视频输出信号转换为BNC接口的视频信号与硬盘录音录像机相连。语音对讲器由两套分别安装在驾驶员工作舱中驾驶员座位的上前方的挡风玻璃处和中央控制台的音箱与麦克风组成，并将语音对讲器的输出音频连接到硬盘录音录像机的音频输入端进行录音。采用上述的监测方案，可以从多个角度对驾驶员在驾驶过程中的各种驾驶行为和驾驶效果进行实时监控，又可以对监控的视频和音频信息进行同步的长时间录像和录音，并为进一步研究驾驶员的驾驶行为提供必要的资料。同时，由于又将图像生成***生成的画面与驾驶员的相应驾驶行为同步录到一路视频图像中，为研究驾驶员在各种虚拟的道路交通场景中的驾驶行为提供了基础资料。一体化监测***结构如图5和图6所示。在驾驶员工作舱1中安装三台带红外光的彩色CCD摄像机。安装于副驾驶座位前方仪表台的摄像机2连接到硬盘录音录像机7的第一个回路对驾驶员的面部表情进行录像，安装在副驾驶座位左后上方车顶的摄像机3连接到硬盘录音录像机7的第二个回路对驾驶员的手部动作---方向盘6进行录像，安装在档位拉杆旁的摄像机4连接到硬盘录音录像机7的第三个回路对驾驶员的脚步动作进行录像，图像生成***计算机8的VGA接口的视频输出信号连接到视频转换器9后接入硬盘录音录像机7的第四个回路对驾驶员正前方的虚拟视景进行录像，硬盘录音录像机7的BNC视频输出信号连接到硬盘录音录像机的另外一个回路实现对上述四个通道在一个画面中进行录像，语音对讲器5的音频输出连接到硬盘录音录像机7第一路音频输入端实现语音录音。
Claims (10)
1.一种人-车-路环境驾驶模拟实验***，其特征在于主要由驾驶舱、汽车动力学模型及声响、图像生成、动态交通模拟、图像投影、集成控制六大子***组成；其中驾驶舱***采集驾驶员的各种操作信息并将其传送给汽车动力学模型***；汽车动力学模型***运算出汽车的瞬间位置及运动姿态参数，并将其传送给图像生成***，同时，汽车动力学模型***根据驾驶员的操作信息调用相应的音频文件通过声响***播放出来；图像生成***根据汽车动力学模型***和动态交通模拟***提供的相应参数生成与车辆运动相对应的、连续变化的动态道路交通场景，最后通过图像投影***将动态道路交通场景投射到驾驶舱正前方的屏幕上，而集成控制***则是控制驾驶舱、汽车动力学模型及声响、图像生成、动态交通模拟和图像投影子***；通过分布式的网络结构，模块化的汽车动力学模型，道路交通虚拟场景模块化快速生成，动态交通模块化实时加载，驾驶员行为与驾驶效果的一体化监测，形成人、车、路的信息环闭，所有过程都实时发生，以产生连续变化的图像。
2.根据权利要求1所述的人-车-路环境驾驶模拟实验***，其特征在于分布式的网络结构包含数据采集计算机、交通模型计算机、汽车动力学模型计算机、4台图形计算机，信息通过100M/1000M高速局域网交换，所有计算机各自独立并行计算，网络通信均通过主控计算机的服务器端进行收发。
3.根据权利要求2所述的人-车-路环境驾驶模拟实验***，其特征在于网络通信均通过主控计算机进行收发的过程是：首先，服务器接收来自数据采集机的驾驶员驾驶操作参数，并发送驾驶操作参数到汽车动力学模型机；其次，服务器收到来自汽车动力学模型计算机的模型计算完成的车辆位置、姿态参数；与此同时，服务器接收来自交通模型计算机的动态交通流数据；然后，服务器发送模拟器位置、姿态以及动态交通环境参数等到4台图形计算机，同步实时更新，实现实时三维动态仿真。
4.根据权利要求1所述的人-车-路环境驾驶模拟实验***，其特征在于模块化的汽车动力学模型包含建立了包括车身、发动机、底盘和操纵机构四个***；其中，操纵机构包括：制动踏板、变速器、离合器踏板、油门踏板、方向盘5个子***；底盘部分包含：传动系、离合器、转向系、制动系、悬架系、车轮6个子***。
5.根据权利要求4所述的人-车-路环境驾驶模拟实验***，其特征在于模块化的汽车动力学模型采用12个自由度的动力学模型，包括发动机转动、离合器的工作过程、车辆的纵向位移、横向位移、车身的侧倾、纵倾、横摆、四个车轮的转动、方向盘的转角运动；并确定模拟车辆的发动机的扭矩特性、轮胎的滑移特性和侧偏特性以保证摸拟器在加速、制动和转向时的真实性。
6.根据权利要求1所述的人-车-路环境驾驶模拟实验***，其特征在于***提供可开发的模型库、纹理库，和开放接口方法；包括调用模型的索引号、纹理号、模型参数；所提供的场景模块库由一系列模型有机组合，且是完全开放的，用分解和组合的方法，建立场景模块库。
7.根据权利要求1所述的人-车-路环境驾驶模拟实验***，其特征在于动态交通模块提供完全开放的接口，接口参数主要包括控制参数、运动规律参数；开放的接口可接受外部交通流仿真软件的数据，实现的交通流的仿真。
8.根据权利要求1所述的人-车-路环境驾驶模拟实验***，其特征在于道路交通虚拟场景由静态视景模型、动态视景模型、外部交通流仿真接口加载后驱动；其中静态视景模型由三维视景编辑器建立；动态视景模型由动态交通行为算法或轨迹数据提供数据；外部交通流仿真接口由相关微观仿真软件提供数据。
9.根据权利要求1所述的人-车-路环境驾驶模拟实验***，其特征在于驾驶员行为与驾驶效果的一体化监测***，包含在驾驶舱中安装的对驾驶员面部、手部及脚部的视频监测装置、驾驶效果图像生成***、视频转换器、硬盘录音录像、语音对讲器。
10、根据权利要求9所述的人-车-路环境驾驶模拟实验***，其特征在于在驾驶舱中安装三台带红外光的彩色CCD摄像机，安装于副驾驶座位前方仪表台的摄像机连接到硬盘录音录像机的第一个回路，安装在副驾驶座位左后上方车顶的摄像机连接到硬盘录音录像机的第二个回路，安装在档位拉杆旁的摄像机连接到硬盘录音录像机的第三个回路，图像生成***计算机的VGA接口的视频输出信号连接到视频转换器后接入硬盘录音录像机的第四个回路，硬盘录音录像机的BNC视频输出信号连接到硬盘录音录像机的另外一个回路实现对上述四个通道在一个画面中进行录像，语音对讲器的音频输出连接到硬盘录音录像机第一路音频输入端实现语音录音。
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| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090916 |