CN106981232A - 一种基于unity3D的虚拟驾驶模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于unity3D的虚拟驾驶模拟器，包括底平台、中间平台和动平台，所述底平台为正三角形板，中间平台也为三角形板，在底平台的三角形顶点处均通过连接板与中间平台连接，在连接板上安装有丝杠，丝杠通过轴承安装在连接板上，丝杠通过电机电动转动，在丝杠上安装有滑块，滑块上铰接有连接杆，连接杆与动平台铰接，动平台下方万向球接有定长支柱，定长支柱固定安装在中间平台上。本发明结构简单，采用电机丝杠模块代替液压缸、电动缸等部件实现运动，使得制造与装配更加简单，同时降低了加工成本；属于对称结构，中间连接杆起到支撑作用，大大减小了杆件和丝杠的承受力，增加了机构的稳定性。

Description

一种基于unity3D的虚拟驾驶模拟器

技术领域

本发明涉及基于unity3D的虚拟驾驶模拟器，属于模拟器领域。

背景技术

随着近几年汽车行业的快速发展，汽车已经成为中国最重要的交通工具。越来越多的购买车辆的人们需要考取机动车驾驶证，虽然大多数驾校负责学员学车和考取驾照，但是大多数日益繁忙的人们显然没有足够的时间去练习熟练驾驶汽车。

因此，汽车驾驶培训行业逐渐开始采用驾驶模拟器的培训方式来取代传统的师傅带徒弟的培训方式，提高培训的效率，合理分配学习资源。

然而传统的汽车培训模拟器结构简单、功能单一，只能让驾驶员熟悉方向盘、离合器、刹车等部件的操作，不能达到实车驾驶的体验效果。基于此，虚拟驾驶模拟器应运而生。

虚拟驾驶模拟器是一种先进的培训设备，结合多媒体技术、虚拟现实技术Unity3D，可以创造一个相对真实的驾驶训练环境。由于虚拟驾驶模拟器安全环保、培训效率高等特点，已经被广泛的应用于驾校培训。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于unity3D的虚拟驾驶模拟器，可以增强培训的沉浸感和动态真实性，以实现对驾驶员进行全面的驾驶培训。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于unity3D的虚拟驾驶模拟器，包括底平台、中间平台和动平台，所述底平台为正三角形板，中间平台也为三角形板，在底平台的三角形顶点处均通过连接板与中间平台连接，在连接板上安装有丝杠，丝杠通过轴承安装在连接板上，丝杠通过电机电动转动，在丝杠上安装有滑块，滑块上铰接有连接杆，连接杆与动平台铰接，动平台下方万向球接有定长支柱，定长支柱固定安装在中间平台上。

作为优选，所述滑块上安装有拉绳式位移传感器，拉绳式位移传感器另一端安装在底平台上，拉绳式位移传感器与丝杠平行。

作为优选，所述动平台上安装有姿态传感器。

作为优选，所述姿态传感器与控制***连接，控制***与电机连接。

作为优选，所述控制***包含控制硬件和控制软件，所述控制软件为unity3D虚拟仿真软件。

有益效果：本发明的基于unity3D的虚拟驾驶模拟器，具有以下优点：

(1)该模拟器结构简单，采用电机丝杠模块代替液压缸、电动缸等部件实现运动，使得制造与装配更加简单，同时降低了加工成本。属于对称结构，中间连接杆起到支撑作用，大大减小了杆件和丝杠的承受力，增加了机构的稳定性。

(2)该模拟器采用运动控制卡，支持多种开源语言编程，通过DSP和FPGA进行运动规划，可以保证控制的实时性，实现快速的I/O响应，实现高速数据采集与发送。支持点位和连续轨迹，多轴同步，直线、圆弧、螺旋线、空间直线插补等运动模式。

(3)该模拟器与虚拟现实技术相结合，使驾驶者在操作模拟器的时候能够更加真实的感受驾驶时的场景变换，提高驾驶培训的沉浸感。采用3dsMax软件搭建三维模型，使模型更加精确逼真，提高了***仿真的真实性。相比于传统的采用Opengl与VC++ 相结合构建视景***的技术，采用先进的虚拟仿真软件Unity3D构建视景***，能够更快更简便的搭建视景仿真***，降低编程难度。

附图说明

图1模拟器机构简图。

图2控制***示意图。

图3模型层次结构图。

其中，1动平台；2连接杆；3旋转编码器；4连接杆；5中间平台；6滑块；7编码器；8拉绳式位移传感器；9滑块；10连接杆；11定长支柱；12编码器；13滑块；14 拉绳式位移传感器；15底平台；16拉绳式位移传感器。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明的基于unity3D的虚拟驾驶模拟器，包括动平台1、底平台15、定长支柱11以及三条驱动支链。三条驱动支链分别由结构相同的连接杆4、2、 10、丝杠、滑块6、9、13及执行电机形成的移动副构成，驱动支链中连接杆2、4、10 的末端通过球铰与动平台1相连，可以调整动平台1的运动姿态，驱动支链中滑块6、9、 13与连接杆4、2、10之间采用球铰连接，通过滑块6、9、13的移动带动连接杆4、2、 10运动，进而改变动平台1的运动姿态。定长支柱11连接动平台1与中间平台5，通过球面副和动平台1连接并固定在中间平台5的中央。底平台15为正三角形，三个顶点处分别焊接有一块连接板，连接板的另一端与中间平台5焊接在一起，确保中间平台 5和底平台15相互平行。连接板主要用于安装固定提供移动副的滚珠丝杠滑块和执行电机，丝杠的顶端通过联轴器与执行电机相接，末端通过联轴器与旋转编码器3、7、12 相接，拉绳式位移传感器8、14、16分别安装于三个连接板上，其拉绳顶端分别固定于滑块6、13、9上。动平台1的三个顶点分别通过连接杆4、2、10与三个滑块6、9、13 相连，具体连接方式为：动平台1的三个顶点通过安装三个精密球铰构成三个球面副，三个连接杆4、2、10与三个滑块6、9、13之间采用球铰连接。

如图2所示，将计算机、运动控制卡、驱动器、执行电机连接在一起，实现数据的相互传输。首先，将运动控制卡插到计算机的PCI插槽上，运动控制卡与端子板之间通过PCI总线连接，端子板与驱动器之间采用25针串口线束连接，驱动器与执行电机之间采用共阳极接法连接。

软件***由视景***、输入设备接入模块、软硬件通信模块、车辆位姿解算模块组成。

如图3所示，一种新型驾驶模拟器的虚拟场景结构包括静态模型、动态模型、特效模型。采用3DSMax软件建立虚拟驾驶***中的模型和动画，然后将模型和动画导出为 FBX格式到Unity中使用。使用3DSMax中的UVW贴图编辑器对模型进行贴图坐标修正。根据不同的模型外形表面，使用UVW贴图编辑器对不同的坐标轴位置进行修改。

在3DSMax中完成场景模型的建立，将处理好的车辆、地形、建筑物等FBX格式的三维模型放到Unity3D的资源文件夹Assets中，Unity3D将自动导入对应的三维模型及相应的贴图和动画文件。

为了方便管理场景里的各个模型文件，一个场景只设置有一个场景根节点，世界坐标值一般可视为(0,0,0)。在Unity3D中将根节点定义为一个3DEmpty，其没有体积也没有其他物理属性，是相对独立的一个三维点。其他的实体都是根节点的子节点，挂靠的子节点下可以继续添加子节点，这样可以形成了环境模型的层次结构树结构。同时，采用自上而下的方法搭建场景，使每个几何模型之间都存在着父子关系。

采用Unity3D中的方向光源(Directionallight)、点光源(Pointlight)、聚光灯(Spotlight) 和面光源(Arealight)来模拟自然界中的任意光源。通过菜单栏中的GameObject项下面的选项创建光源，通过程序修改光源的Transform属性，可从而控制光源的位置、旋转等特征，使光源不停地旋转，使得视景***更加丰富多彩。

在Unity3D中采用可以增强静态场景光照效果的Lightmapping技术，通过较少的性能消耗使得静态场景看上去更真实、丰富，以及更具有立体感；选择场景中的静态模型(如燃料箱、路灯、建筑群、油桶等模型)后在Inspector视图中勾选Static复选框，这样可以让这些元素参与Lightmapping烘焙。在Window菜单项中打开Lightmapping窗口，切换到Bake选项卡，设置参数。其中Quality决定烘焙的质量，High为最高，但计算时间会比较长；Bounces决定光子的计算级别，当其大于0时，可以通过设置 FinalGatherRay是等选项获得高质量的光能传递运算效果；AmbientOcclusion会使模型交界处产生阴影过渡效果；设置完成后，单击BakeScene按钮开始烘焙。烘焙时间会因机器性能的差异而有所不同，在配置不太高的机器上会持续数分钟至数十分钟。

采用主视点和副视点相结合的方法，使这两个视点相互辅助，给驾驶者提供完整的视角来观察车辆模型行驶状态，增强驾驶者的动态沉浸感。采用动态跟随的方法，使摄像机处于副视点时能够跟随车辆模型运动，增强视觉体验。车辆模型的速度越快，摄像机的视野也就越大；副视点在车辆模型行进方向的后上方。创建好视点后需要为视点添加视点转换函数，使虚拟驾驶***才可在不同的视点之间切换。

在Scene窗口中将摄像机设置为车辆模型的子物体并调整到驾驶员眼睛的位置，拷贝当前摄像机的Transform属性，然后在Hierarchy视图中创建一个Empty对象，并重新命名为firstView，将这个对象也设置为车辆模型的子物体，在Transform属性中单击PasteComponentValues。这样在需要切换到主视点时，直接将此Empty对象的Transform 属性复制到摄像机Transform属性中，就可以以驾驶员的视角观察场景了。

采用动态跟随的方法，使摄像机处于副视点时能够跟随车辆模型运动，增强视觉体验。车辆模型的速度越快，摄像机的视野也就越大；副视点在车辆模型行进方向的后上方。创建好视点后需要为视点添加视点转换函数，使虚拟驾驶***才可在不同的视点之间切换。

currentDistance向量为车辆模型在XZ平面前进方向的单位向量乘以设定好的系数， newTargetPosition向量为垂直向上的单位向量，则 Vector3newPosition＝newTargetPosition-currentDistance；在Hierarchy视图中创建一个 Empty对象，并重新命名为secondView，将这个对象设置为车辆模型的子物体，为 secondView附加一个脚本，在LateUpdate()函数中设置副视点的位置为newPosition，朝向为newTargetPosition，这样在每一帧都会更新副视点的Transf属性： transform.position＝newPosition；transform.LookAt(newTargetPosition)；

采用Unity3D内部集成的NVIDIAPhysX物理引擎来模拟刚体运动、布料等物理效果。根据不同的游戏对象选择不同的碰撞体。通过从局部坐标Y轴由向下投射一条射线来实现车轮的碰撞检测。车轮有一个通过悬挂距离向下延伸的半径,可通过脚本中不同的属性值来对车辆进行控制。选中场景中需要添加碰撞体的游戏对象，在Inspector视图中单击AddComponent按钮，选中Physics选项，可选择不同的碰撞体类型，这样就在该对象上添加了碰撞体组件。

以场景中的Car对象添加WheelCollider为例，在Hierarchy视图中选中Car对象，为其添加一个空的子对象，重命名为WheelColliderFL，表示赛车左前轮。为WheelColliderFL添加一个WheelCollider组件，设置参数如图所示，选中Car的子对象WheelFL，在Inspector视图中单击Transform组件右上角的齿轮安牛逼，在弹出的列表中单击CopyComponent，这样可以复制当前Transform组件的值。然后选中 WheelColliderFL对象，在Inspector视图中单击Transform组件右上角的齿轮按钮，在弹出的列表中单击PasteComponentValues选项，这样就将前面复制的值粘贴到了当前 Transform组件上。依照上述步骤为Car对象添加其它三个车轮的碰撞体。

在屏幕的显示通道上添加一个GUI资源，通过GUI来获得驾驶时的汽车运动信息，如车速、档位以及其它交互信息。采用Unity3D内置的一套完整的GUI***提供了从布局、控件到皮肤的一整套GUI解决方案。

在OnGUI函数中调用GUI代码绘制界面,当虚拟驾驶***运行时每帧自动调用OnGUI函数，执行函数中的语句。GUI的控件一般都需要传入Rectangle参数来时制定屏幕绘制区域。

使用函数GUI.Box(newRect(10,10,150,20),"steerSpeed:"+steerSpeed)显示定义好的转角系数steerSpeed，显示的坐标是(10,10)，背景边框的宽度150，高度为20；函数GUI.Box(newRect(Screen.width-150,10,80,20),"FPS:"+(int)(1f/Time.deltaTime))显示虚拟驾驶***的FPS，用来监视***的画面更新效果是否流畅，其中Screen.width为屏幕的宽度，Time.deltaTime为了完成最后一帧的时间；其中函数 GUI.Box(newRect(Screen.width-250,Screen.height-150,300,300),dashboardPic)显示速度仪表盘，dashboardPic为定义的图片Texture变量。

输入设备为方向盘、刹车、油门、档位等，输入控制接口模块采用Input类编写。

在Input类中，Key与物理按键(键盘、鼠标、摇杆上的按键)对应，设定其映射关系，然后通过按键名称或者按键编码KeyCode来获得其输入状态。根据需要创建和命名虚拟按键，通过名称来访问在输入管理器InputManager中定义的虚拟按键Button，设置与物理按键(及其组合)的消息映射。

采用输入轴Axis模拟摇杆的变化、方向盘的转动等输入动作，在输入管理器中对两个正负虚拟按键(PositiveButton和NegativeButton)进行配置。将一个输入轴设定成一个滑动条，左边取值为-1，右边取值为1。当正按键按下时，滑块向右边的正向移动；当按下负按键时，滑块向左边的负向移动。滑块的位置对应输入轴的当前取值。

在Unity程序中使用GetAxis()方法自动捕捉方向盘的左右转动、油门的踩踏程度以及刹车等运动。此方法返回的值是-1到1之间的一个值，将得到的数值乘以合理的参数便可以实现车辆模型的控制。

软硬件通信控制模块的开发是以Unity3D的脚本编程为基础，在MicrosoftVisualStudio2012软件上编辑生成的。其主要的开发步骤如下：

1)首先在Unity3D中的Hierarchy视图中创建一个新的游戏物体，并重命名为GTSController，为此物体添加一个新的脚本GTSController.cs；

2)其次调入程序所需的函数动态链接库：在Unity3D中创建一个Plugins文件夹，将固高提供的外部dll组件放在这个文件夹中，所有的外部引用的dll组件必须要放到这个文件夹中才能被引用，然后在脚本GTSController.cs中使用using的方式引用；

3)初始化运动控制卡，其内容主要包括开启运动控制卡(GT_Open)、配置运动控制器(GT_LoadConfig)、AXIS运动轴规划位置清零(GT_SetPrfPos)、将AXIS轴设为点位模式(GT_PrfTrap)；

4)调试运行程序，运动控制器在接收到主机发送的指令时，将执行结果反馈到主机，指示当前指令是否正确执行。5)在脚本GTSController.cs中，检测每条指令的返回值，以判断指令的执行状态，并建立起必要的错误处理机制，保证程序安全可靠的运行。

上述GTSController.cs脚本程序主要是通过调用运动控制卡动态链接库中的函数控制电机的运动，以该脚本程序为主要运动单元，根据视景仿真***中采集的车辆运动位姿状态信息计算出合适的控制参数，控制四自由度平台按照指定规律运动还原路况的。

车辆位姿解算模块是指将汽车模型因地面的不平整而产生的振动、倾斜数据，通过程序解算为电机运动所需的各个参数，然后再通过脚本程序转化为四自由度平台的顶平台运动位姿参数。

为了不断读取车辆模型的Transform属性得到车辆在场景中的坐标(Position)以及旋转(Rotation)信息。具体步骤如下：

(1)在GTSController.cs脚本程序中声明一个public属性的GameObject，命名为CarGo，表示车辆对象；

(2)在Hierarchy视图中选中GTSController物体之后将Car对象赋值给公用变量CarG；

(3)在脚本中通过carGo.transform.position得到车辆的坐标信息(x，y，z)，通过carGo.transform.eulerAngles得到车辆的旋转欧拉角度(α，β，γ)。

其中，通过carGo.transform.rotation得到的是物体在世界空间坐标变换的旋转角度，此旋转角度是通过Quaternion(四元数)储存的；为了得到虚拟驾驶***所需的车辆模型实时位姿信息，并使视景仿真***的流畅，将这些语句写在FixedUpdate()函数中。

本发明上述实施软硬件配置如下，软件：Windows7操作***，Unity3D软件；硬件：PC机，GTS-400-PV(G)-PCI固高四轴高速运动控制卡，珩源HY57DJ114型步进电机，HYQD30-H0057型两相步进电机驱动器，E6B2-CWZ6C型旋转编码器， WXY31-0404-S2型拉绳式位移传感器，输入设备选用北通方向盘、油门、刹车等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于unity3D的虚拟驾驶模拟器，其特征在于：包括底平台、中间平台和动平台，所述底平台为正三角形板，中间平台也为三角形板，在底平台的三角形顶点处均通过连接板与中间平台连接，在连接板上安装有丝杠，丝杠通过轴承安装在连接板上，丝杠通过电机电动转动，在丝杠上安装有滑块，滑块上铰接有连接杆，连接杆与动平台铰接，动平台下方万向球接有定长支柱，定长支柱固定安装在中间平台上。

2.根据权利要求1所述的基于unity3D的虚拟驾驶模拟器，其特征在于：所述滑块上安装有拉绳式位移传感器，拉绳式位移传感器另一端安装在底平台上，拉绳式位移传感器与丝杠平行。

3.根据权利要求1所述的基于unity3D的虚拟驾驶模拟器，其特征在于：所述动平台上安装有姿态传感器。

4.根据权利要求1所述的基于unity3D的虚拟驾驶模拟器，其特征在于：所述姿态传感器与控制***连接，控制***与电机连接。

5.根据权利要求4所述的基于unity3D的虚拟驾驶模拟器，其特征在于：所述控制***包含控制硬件和控制软件，所述控制软件为unity3D虚拟仿真软件。