CN113962019A - 一种基于虚拟现实技术的智能驾驶汽车安全防护*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***，包括软件仿真模块、硬件设计及平台搭建模块、计算机控制模块和安全防护控制策略模块，软件仿真模块与硬件设计及平台搭建模块相连，软件仿真模块和硬件设计及平台搭建模块均连接计算机控制模块，计算机控制模块与安全防护控制策略模块相连。从安全防护的角度，采用软硬件结合的方式进行硬件在环试验，真实的监测车辆的状态信息，并将安全防护策略应用到实车，能够依靠试验平台复现危险场景，提高试验和验证安全防护策略的效率，较大地提高了智能驾驶的安全性。

Description

一种基于虚拟现实技术的智能驾驶汽车安全防护***

技术领域

本发明涉及智能汽车与虚拟现实技术领域，具体涉及一种基于虚拟现实技术的智能驾驶汽车安全防护***。

背景技术

随着智能驾驶汽车技术的不断发展，相应验证测试的复杂性也随之增加。目前，由设备故障、环境干扰、驾驶员误操作、驾驶疲劳和危险碰撞等导致的智能驾驶安全问题尤为突出，此时需要汽车驾驶***在此类问题出现时作出及时响应并执行主动安全操作，从而保证汽车的驾驶安全。在汽车智能驾驶相关技术中，智能汽车安全防护功能的研发尤为重要，但在实际道路环境与实车测试则存在安全性和成本等问题。

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)，也称虚拟环境，是一种应用计算机图形与仿真技术构建虚拟空间的技术。该技术集成了计算机图形学、计算机仿真、人工智能、感应、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的模拟***，具备沉浸性、交互性和构想性等特点。

随着全球虚拟现实技术的蓬勃发展，汽车行业的VR技术在研发中日益受到重视，基于虚拟现实技术的汽车驾驶模拟器是智能驾驶技术研发中的重要工具，在其研究与发展中发挥着重要的作用。智能驾驶相关技术在真正商业化应用前，需要经历大量的道路测试才能达到商用要求。作为新兴事物，智能驾驶汽车的开发仍面临着大量问题，如道路测试的时间成本、各国自动驾驶法律法规的要求、危险工况及极端工况场景测试的安全性、各国道路交通环境与设计要求存在差异等，都给智能驾驶相关技术的研发测试带来诸多困难。

根据相关研究，智能驾驶汽车算法要达到人类驾驶员水平，至少需累计177亿公里的驾驶数据。如果使用100辆测试车，每天24小时不间断进行路测，平均时速为40公里，则需要500多年的时间才能完成目标里程，期间所耗费的时间和人力物力是难以承受的。危险工况、极端工况场景是智能驾驶相关技术验证的关键部分，是测试验证智能驾驶相关技术有效性、可靠些、安全性的必要测试场景，但极端场景在现实中可遇不可求，实车测试危险性也较大。目前，智能驾驶汽车尚不能保证绝对安全，我国政府对开放智能驾驶汽车道路测试保持谨慎的态度。此外，我国在该领域相应的交通法律法规及保险理赔机制的缺失，也制约了智能驾驶汽车大范围开放道路试验的发展。仅依靠部分开放道路以及智能网联测试区进行路测，难以满足智能驾驶汽车不断增长的测试需求，智能驾驶汽车产业链的全球化发展和技术交流面临众多实际问题。

目前，已有将虚拟现实技术在智能驾驶的应用，是基于真实环境车辆具备的动力学属性、在虚拟环境下控制虚拟车辆进行加速、减速、换挡、刹车、超车或换道等，即通常是侧重于交通场景的模拟，也有一些技术是针对驾驶员的操作习惯进行仿真分析，或者进行视景***的搭建，但是均未考虑在恶劣环境、驾驶员疲劳、设备故障等安全威胁发生时的控制策略及解决方法，也并未从安全防护的角度解决智能驾驶所面临的问题。

利用基于虚拟现实技术的汽车驾驶模拟器进行智能驾驶相关技术的仿真测试是解决智能驾驶研发测试挑战的一条高效的路线。此外，中国是世界最大的汽车生产与消费国，基于虚拟现实的仿真测试作为智能驾驶汽车研发过程中关键的核心技术之一，必须实现自主研发，以在国际竞争中占据主导地位。

现有的关于虚拟现实技术在智能驾驶上的应用，存在局限性，并未***的从安全防护的角度研究虚拟现实技术在智能驾驶中的作用。智能驾驶技术发展在道路测试的时间成本、危险工况及极端工况场景测试的安全性、道路交通环境与设计要求差异等方面，都使其研发测试带来诸多困难。

发明内容

为解决现有智能驾驶中由设备故障、环境干扰、驾驶员误操作、驾驶疲劳和危险碰撞等导致的安全问题，本发明提供了一种基于虚拟现实技术的智能驾驶汽车安全防护***，依据制定的控制策略和优化算法，设计具有“人—车—环境”交互特性的运行精度高、稳定性和实时性好的安全防护***，复现多种安全威胁试验环境并采取主动安全措施，依据制定的控制策略和优化算法，提高智能驾驶的主动安全性，并能够降低测试成本、提高测试效率。

本发明的技术方案如下：

一种基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***，其特征在于，包括软件仿真模块、硬件设计及平台搭建模块、计算机控制模块和安全防护控制策略模块，所述软件仿真模块与硬件设计及平台搭建模块相连，所述软件仿真模块和硬件设计及平台搭建模块均连接计算机控制模块，所述计算机控制模块与安全防护控制策略模块相连；

所述软件仿真模块包括车辆动力学建模单元、地形建模及视景仿真渲染单元和驾驶仿真互动单元，所述车辆动力学建模单元根据面向对象理论对车辆动力学***进行分析，设定整车性能参数匹配数据，建立基于虚拟现实的车辆动力学模型，实现车辆在虚拟样机中的运动仿真；所述地形建模及视景仿真渲染单元针对智能驾驶中的安全威胁基于三维建模技术建立三维高清地形场景模型，并通过实时仿真程序、图像生成器和视觉效果数据库对所述三维高清地形场景模型进行处理以实现汽车虚拟驾驶视景仿真渲染；所述驾驶仿真互动单元利用虚拟现实技术设计汽车驾驶虚拟仿真实验，进行汽车行驶动态仿真、碰撞检测和多视角切换；

所述硬件设计及平台搭建模块包括硬件试验平台设计单元和实时数据采集单元，所述硬件试验平台设计单元用于设计多功能多自由度并具有“人—车—环境”交互特性的驾驶模拟试验平台，模拟出驾驶舱的运动部及操纵机构，实现在驾驶舱内模拟出实车行驶过程中的逼真触觉感受；所述实时数据采集单元用于实时采集驾驶员的操纵数据，以判断出驾驶员状态及车辆当前状态，实现在输出设备和仿真模拟之间有效的实时通信；

所述计算机控制模块接收地形建模及视景仿真渲染单元中传来的车辆姿态信号，经过计算转换成相应的模拟量控制驾驶模拟试验平台，实现驾驶舱中人机交互的模拟姿态，并验证和优化安全防护控制策略和算法，对车辆设置的危险预警阈值和行驶策略进行适应性调整；

所述安全防护控制策略模块针对智能驾驶中存在的安全威胁，制定安全防护控制策略及优化算法，设计车辆在相应的场景中采取对应的安全操作，实现智能驾驶的主动安全和辅助驾驶。

优选地，所述车辆动力学建模单元采用仿真平台和虚拟仿真软件建立基于虚拟现实的车辆动力学模型，所述仿真平台采用Simulink仿真平台，所述虚拟仿真软件采用Carsim多体动力学仿真软件。

优选地，所述地形建模及视景仿真渲染单元中的安全威胁包括设备故障、***功能局限、人员误操作、危险碰撞以及特殊环境干扰中的至少一种。

优选地，所述硬件试验平台设计单元中的驾驶模拟试验平台包括方向盘、油门、制动器、动感座椅、感应头盔以及仿真显示器，并具有三维立体显示、位置捕捉和头部追踪功能。

优选地，所述实时数据采集单元中的操纵数据包括油门的开度、方向盘转角、制动踏板角度和变速杆位置中的至少一种。

优选地，所述硬件设计及平台搭建模块还包括硬件平台功能验证单元，所述硬件平台功能验证单元与所述实时数据采集单元相结合，用于验证驾驶模拟试验平台与汽车虚拟驾驶视景仿真渲染的连贯性、一致性和准确性。

优选地，所述计算机控制模块还进行I/O通道设计、接口电路设计、抗干扰能力设计和人机交互界面设计。

优选地，所述安全防护控制策略模块包括指定驾驶员状态监控策略、驾驶员误操作防护策略、恶劣环境防护策略和障碍物避撞防护策略中的至少一种；在检测到驾驶员误操作或操作超过危险阈值后，通知车辆做出提示警告，并根据实时状态，控制车辆采取主动制动和主动转向操作；在恶劣环境干扰到正常驾驶时，通知车辆及时做出反应和提示警告，并根据实时状态，控制车辆采取主动制动和主动转向操作；在模拟车辆碰撞时设计控制算法，通知车辆根据危险状况安全避撞。

优选地，所述地形建模及视景仿真渲染单元采用Multigen Creator建立三维高清地形场景模型。

优选地，所述计算机控制模块采用PC总线结构。

本发明的有益效果为：

本发明涉及一种基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***，设置了软件仿真模块、硬件设计及平台搭建模块、计算机控制模块、安全防护控制策略模块，通过软件仿真模块及硬件设计及平台搭建模块复现在智能驾驶中的安全危险场景，在出现危险状况后，安全防护控制策略模块根据控制策略将主动安全信号通过计算机控制模块发送到硬件设计及平台搭建模块，发送控制指令到方向盘、座椅等设备，保证驾驶员安全，车辆在此状况下，将真实的车辆状态变化反馈到计算机控制模块，形成闭环反馈控制，使车辆达到安全的状态，从而实现对提出的安全防护策略进行试验和验证。本***针对智能驾驶中的安全威胁，将虚拟现实技术应用于智能驾驶安全防护，研发具有“人—车—环境”交互特性的运行精度高、稳定性和实时性好的安全防护***，从安全防护的角度，采用软硬件结合的方式进行硬件在环试验，真实的监测车辆的状态信息，并将安全防护策略应用到实车，复现多种安全威胁试验环境并采取主动安全措施，依据制定的控制策略和优化算法，能够依靠试验平台复现危险场景，提高试验和验证安全防护策略的效率，大大提高了智能驾驶的安全性。

附图说明

图1为本发明基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***的结构示意图。

图2为本发明基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***的流程示意图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。

本发明针对智能驾驶中由设备故障、环境干扰、驾驶员误操作、驾驶疲劳和危险碰撞等导致的安全问题，基于虚拟现实技术研发智能驾驶安全防护***，依据制定的控制策略和优化算法，研发具有“人—车—环境”交互特性的运行精度高、稳定性和实时性好的安全防护***，复现多种安全威胁试验环境并采取主动安全措施，依据制定的控制策略和优化算法，提高智能驾驶的主动安全性，并能够降低测试成本提高测试效率。该***对虚拟现实技术应用于智能驾驶技术的研究和开发中具有重要意义。

基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***在汽车智能驾驶相关技术的测试方面，逐渐体现出重要优势，不仅测试效率更高，而且易于实现，具体如下：①危险工况、极端工况测试。智能驾驶某些技术需要在极端工况下进行测试，实车试验的安全性无法得到保证。虚拟现实技术能够无任何风险模拟危险工况、极端工况的场景，给予驾驶员提醒并进行主动安全操作，不仅可以便捷可靠的研发智能驾驶功能，还可以极大地提高了智能驾驶汽车测试的安全性和便捷性。②各类测试仿真工况、仿真场景可重复，若在实车环境下，难以连续获得可重复试验的仿真工况与仿真场景，包括极端工况与危险工况。③时间成本与实车试验成本，智能驾驶汽车的研制过程中需要大量的实验条件作为支持，全部测试工作都集中在实车上进行是一种试验周期长、成本异常高昂的测试方案。④不同于普通的仿真测试，搭载了运动平台的汽车驾驶模拟***，可以在安全、可重复的条件下测试智能驾驶各类算法的人的主观感受，因此对各类算法的改进有指导意义，也更有针对性。

本发明涉及了一种基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***，其结构如图1所示，包括软件仿真模块、硬件设计及平台搭建模块、计算机控制模块和安全防护控制策略模块，软件仿真模块与硬件设计及平台搭建模块通过通信数据进行软相连，软件仿真模块和硬件设计及平台搭建模块均连接计算机控制模块，计算机控制模块与安全防护控制策略模块相连。其中，软件仿真模块包括车辆动力学建模单元、地形建模及视景仿真渲染单元和驾驶仿真互动单元，硬件设计及平台搭建模块包括硬件试验平台设计单元、实时数据采集单元和硬件平台功能验证单元；计算机控制模块用于处理驾驶员行为数据、传输感知设备数据及软件仿真模块输入的道路环境数据；安全防护控制策略模块，用于解决在智能驾驶中出现的威胁安全的危险状况，根据控制策略发送信号至硬件设计及平台搭建模块，控制试验平台的硬件设备进行主动安全操作，保证驾驶员安全。

以下对各模块内的具体结构进一步详细说明。

一、软件仿真模块包括车辆动力学建模单元、地形建模及视景仿真渲染单元和驾驶仿真互动单元，分别建立基于虚拟现实车辆动力学模型、三维高清地形建模及视景仿真渲染、驾驶仿真互动。

(1)车辆动力学建模单元：根据面向对象理论对车辆动力学***进行分析，将车辆***分解为若干子***，依据子***特性，在抽象、简化的基础上建立符合实际又适用于实时仿真计算的数学模型。并依不同需求设定整车性能参数匹配数据，将车辆几何模型及数学模型相结合，满足现实车辆的特征和运动特点，实现车辆在虚拟样机中良好的运动仿真效果。可分别采用MATLAB/Simulink仿真平台和Carsim多体动力学仿真软件建立基于虚拟现实的车辆动力学模型。车辆动力学模型的准确程度是关系到模拟驾驶仿真逼真程度的一个重要因素，建立一个合适有效的车辆动力学模型是实现整个模拟驾驶***的关键技术之一，由于图形实时生成过程占据了大部分CPU时间，因此需要在模型的逼真度与复杂性做一折中，即在保证模拟精度的前提下简化运算过程和模型结构。

需要说明的是，采用MATLAB/Simulink仿真平台和Carsim等多体动力学仿真软件建立基于虚拟现实的车辆动力学模型为优选实施例，而并非唯一实施方式，可采用能够实现建立基于虚拟现实的车辆动力学模型的其他仿真平台和仿真软件，例如，还可采用SCILAB、Octave、AMEsim等仿真平台，以及采用Prescan、Carmaker、ADAMS、Cruise、ASM等仿真软件建立基于虚拟现实的车辆动力学模型。

具体地，先根据面向对象理论，对研究对象为汽车模拟驾驶***的车辆动力学***进行分析，将车辆动力学***分解为若干子***，再根据具体的对象和研究目标确定模型的规模和与之相关的边界条件，最后确立车辆动力学***的车身、悬架、车轮、动力系、传动系、转向系和制动系等对象，并且分析上述各子***的对象模型、功能模型和动态模型，各部分之间进行藕合和相互关联，对各子***进行抽象、简化的基础上建立符合实际又适用于实时仿真计算的数学模型。再进行运动方程的积分，根据时间变化量推算物体的新状态，研究MATLAB/Simulink下使用的函数调用机制，并利用S-函数实现对求解器的封装，在Simulink中搭建求解器和计算模型，实现车辆动力学模型在Simulink中的仿真。

可以理解的是，由于车辆动力学模型包含的部件较多，且有些参数无法测量，导致建立的动力学模型不能从整体上保证***的准确性，同时，复杂的模型在仿真计算时运行速度较慢，不能满足实时仿真的要求。因此，选用能够实现实时交互的多体动力学仿真软件Carsim进行车辆动力学建模，推导和求解复杂的多体***动力学方程，将车辆***的每一个部件都看作是刚性体或弹性体，采用运动约束来连接各部，在兼顾计算精度时保证实时性，对外输出包括位置、速度、加速度和各类角度、角速度、角加速度等运动参数，并采用开发的标准API接口函数编程方式，对典型运行工况的仿真计算、道路试验结果以及软件仿真结果进行对比分析，得到较高精度的车辆动力学模型，能够将车辆动力学模型应用于模拟驾驶***，进行安全仿真研究。

(2)地形建模及视景仿真渲染单元：针对智能驾驶中存在的安全威胁问题进行视景建模，主要包括车辆行驶中电子设备故障、***功能局限、人员误操作、行人避撞、特殊环境干扰等造成的安全威胁。采用三维建模软件建立三维高清地形场景模型，基于图形开发包和编程语言设计虚拟驾驶场景的层次结构、模型解析等基础类库以供场景调用。通过实时仿真程序、图像生成器、视觉效果数据库等模块，对场景模型进行优化处理，构建汽车虚拟驾驶视景仿真***进行仿真渲染，以营造逼真虚拟驾驶环境。

地形建模及视景仿真渲染单元是智能驾驶安全防护***的重要组成部分，利用计算机实时图像生成***产生智能汽车行驶过程中驾驶员所看到的虚拟环境，如交通标志、树、建筑物、人行道以及车辆、行人等，并随着驾驶员输入的操作信号在视景仿真子模块实时生成具有一定逼真度的图像。采用Multigen Creator/Vega产品作为虚拟视景仿真***的开发工具。将其开发分为三个主要步骤：建立三维模型、配置虚拟场景以及创建Vega实时应用。在Creator中创建汽车三维模型和虚拟场景，在Vega中实现虚拟场景的实时驱动，最终完成虚拟视景仿真***的开发。

具体地，如图2所示的流程示意图，针对智能驾驶中存在的安全威胁(主要包括车辆行驶中电子设备故障、***功能局限、人员误操作、行人避撞、特殊环境干扰等造成的安全威胁)问题，采用Multigen Creator建立三维高清地形场景模型，基于图形开发包和Visual C++编程语言设计虚拟驾驶场景的层次结构、模型解析、碰撞检测技术、运动相机的控制等基础类库，配置虚拟场景以供场景调用，并通过面向对象的图形渲染技术，采用OpenGVS 3D视景管理软件，建立包括场景管理、图像渲染、消息管理等机制的三维图形渲染库和三维模型库，在Vega中实现虚拟场景的实时驱动，通过高性能的计算机图像生成***和多类型图形加速卡，实现图像处理的实时和逼真，再通过采用诸如开发并行性、研究虚拟场景的管理、视景数据库快速存取以及利用三维建模技术中的模型分段、细节层次划分、内存管理等技术，达到实时性要求的帧速率，且通过光学显示设备产生沉浸感的大范围视觉效果，对三维高清地形场景模型进行优化处理，最终构建出汽车虚拟驾驶视景仿真子模块，以营造实时、逼真的虚拟驾驶环境。

需要说明的是，采用Multigen Creator建立三维高清地形场景模型为优选实施例，而并非唯一实施方式，可采用能够实现建立建立三维高清地形场景模型的其他仿真工具，例如，还可采用3DMax、MAYA、CARLA、Autodesk、Rhino、Udacity、Sketch up、DeepExploration等仿真工具建立三维高清地形场景模型。

(3)驾驶仿真互动单元：利用虚拟现实技术设计汽车驾驶虚拟仿真实验，进行汽车行驶动态仿真、碰撞检测和多视角切换。也就是说，利用虚拟现实技术创建的汽车虚拟驾驶环境，能够模拟在多种天气条件(如雨天、雾天、雪天等天气)、多种道路条件(如城市街道、高速公路、山区道路、凹凸路面等道路)、以及多种时间段(如白天和夜间)下进行驾驶训练，开发基于虚拟现实技术的汽车驾驶虚拟仿真实验项目，研究智能驾驶下多种时间段、多种道路条件、多种天气等因素对行车安全的影响，实现全天候的汽车驾驶虚拟仿真实验。

在所述软件仿真模块完成后，由硬件设计及平台搭建模块进行硬件设计及平台搭建。

二、硬件设计及平台搭建模块包括硬件试验平台设计单元、实时数据采集单元和硬件平台功能验证单元，分别进行硬件试验平台设计、实时数据采集、硬件平台功能验证。

(1)硬件试验平台设计单元：用于设计一套具有“人-车-环境”交互特性的运行精度较高、稳定性和实时性较好的多功能多自由度的驾驶模拟试验平台，能够模拟出驾驶舱的运动部件及操纵机构，虚拟场景根据驾驶员动作进行动态响应，实现在有限的模拟驾驶舱内逼真模拟出实车行驶过程中的触觉感受。优选地，模拟驾驶试验平台包括方向盘、油门、制动器、动感座椅、感应头盔、仿真显示器等设备，具有三维立体显示、位置捕捉和头部追踪等功能。采用性能好，图形处理能力强的主控计算机来生成实时仿真视景，并与操作***和运动模拟控制***进行实时通讯。其中，运动模拟控制***采用多功能多自由度摇动装置，该摇动装置采用灵敏度高、零漂小、频带宽、抗污染能力强等特点的伺服电机，还采用具有高可靠性、高优点的且能够高效输出稳定的额定压力、流量以及电流的QDY电液伺服阀，以及采用位移传感器、振荡器、相敏解调器和差动变压器，其中，位移传感器选用直流差动变压器式位移传感器，直流差动变压器式位移传感器把振荡器、相敏解调器与差动变压器封装在一起，只需提供稳定的直流电源，就能获得与位移成线性关系的直流输出电压，而且电压输出信号较大。

(2)实时数据采集单元：用于实时采集驾驶员的操纵数据，以判断出驾驶员状态及车辆当前状态，实现在输出设备和仿真模拟之间有效的实时通信。可采用传输精度较高的定时器、数字量数据采集卡和模拟量数据采集卡进行信号采集。驾驶员根据所提供的交通视景，进行主观判断并做出操作决策，通过方向盘及各种操纵机构(换挡旋钮、制动踏板、加速踏板、变速手柄、启动开关及其它电路开关等机构)发出操纵指令，经具有操作触感模拟功能的传感器采集诸如油门的开度、方向盘转角、制动踏板角度、变速杆位置等操纵数据，经传输装置将操纵数据传送到中央控制计算机，同车辆参数一起作为车辆动力学***输入，计算出车辆当前的工况和姿态数据，实现在输出设备和仿真模拟之间进行高速有效的实时通信，获得更加真实的视觉体验，使***具有更强的主动性、沉浸感和交互性。

优选地，汽车模拟驾驶***的中央控制计算机采用Windows操作***，由于模拟驾驶***用于接收视景仿真子模块数据，对其进行计算处理后控制电液伺服***。故选用能够满足安装要求的PC硬件资源，并采用较高分辨率，画面比率为16:9的较大数字屏幕作为视景显示设备，将其安装在模拟驾驶试验平台上，获得更佳的视觉效果。

(3)硬件平台功能验证单元与实时数据采集单元相结合，在虚拟环境中，依据动态行驶车辆动力学模型，设计包括多角度切换功能、声效模拟功能和数据管理功能，实时生成动态动画，使驾驶员沉浸到虚拟驾驶环境中。将车辆动力学模型放置在地形建模及视景仿真渲染单元场景中，所述场景即指设备故障、环境干扰、驾驶员误操作、驾驶疲劳和危险碰撞导致的智能驾驶安全威胁场景，并基于虚拟现实技术，能够多角度切换车辆视角，包括前视，后视、侧视和俯视，从多个角度观察车辆状态的变化。且驾驶员可通过操作方形盘、油门、制动踏板将实时动作信号传输到地形建模及视景仿真模块中，并将车辆动力学模型的变化反馈给实际驾驶员，通过多自由度摇动装置反馈车辆的车身状态变化，并可通过声效模拟功能模拟环境和车辆所特有的声音，以达到逼真的模拟环境，使驾驶员沉浸在虚拟驾驶环境中，实现安全威胁场景下-驾驶员操作-车辆模型变化-环境反馈-车辆状态的反馈过程，从而验证驾驶模拟试验平台与汽车虚拟驾驶视景仿真渲染的连贯性、一致性和准确性。

三、计算机控制模块，作为连接地形建模及视景仿真渲染单元和硬件试验平台设计单元的“神经中枢”，首先接收地形建模及视景仿真渲染单元中传来的车辆姿态信号，经过一定的计算转换成相应的模拟量控制驾驶模拟试验平台，实现驾驶舱中人机交互的模拟姿态，并验证和优化安全防护控制策略和算法，对车辆设置的危险预警阈值和行驶策略进行适应性调整。

利用虚拟现实技术创设汽车驾驶环境，模拟多种天气条件如雨天、雾天、雪天等；多种道路条件条件下如城市街道、高速公路、山区道路、凹凸路面等；多时间段如白天、夜间的驾驶训练等；开发基于虚拟现实技术的汽车驾驶仿真实验场景，研究智能驾驶下多种时间段、多种道路条件、多种天气等因素对行车安全的影响，实现全天候的汽车驾驶虚拟仿真实验。并将人机交互中的实时数据进行监控和可视化，计算机控制模块将获得的一系列包括感知设备数据、道路状况数据、驾驶行为数据、交通和地图信息数据等数据进行处理、分析和挖掘，不仅能实时的观测，基于该大数据进行算法验证和优化等，对普遍存在的车辆突发状况如电子电器故障、人员误操作、行人避撞、特殊环境干扰等安全问题进行研究和结果分析。验证和优化安全防护***的控制策略和算法，能够对车辆设置危险预警阈值、行驶策略进行适应性调整，为车辆行驶和道路交通提供了较大的数据基础和来源。计算机控制模块将各个分散的子***连接在一起，包括车辆运行状态、安全威胁场景、人机交互操作等进行试验，验证试验台与设计***的连贯性、一致性和准确性。

由于机构要求的控制精度比较高，控制单元比较复杂，故采用计算机进行控制。驾驶模拟试验平台包括若干个液压装置，各液压装置各由一个伺服控制***来控制，伺服控制***采用分散式控制，包括伺服缸和阀控液压缸，由一台微型计算机完成各伺服缸的位移指令计算，并对机构的位置进行监控，一个单片机控制一个阀控液压缸，采用软伺服方式使得控制器的改变比较灵活，只需重新编程，就可更换一种算法，因此，可以根据需要在计算机上实现比较复杂的补偿和控制算法。

(1)总线选择：计算机控制模块采用监督控制***，其上位机采用高性能的工控机，并采用PC总线结构，简化硬件设计，用户可根据需要直接选用符合总线标准的功能模板，不必考虑模板插件的匹配问题，使***硬件设计大大简化。

(2)I/O通道设计：用于设计多种输入输出模板，由于过程参数一般是非电量的，须经传感器变换为等效的电信号，这就需要采用输入输出通道进行转换，一般包括模拟输入通道、模拟输出通道、数字输入通道和数字输出通道。

(3)接口电路设计：即指微型机通用接口电路的设计，由于外部设备和过程通道不能直接由主机控制，通过微型机接口电路来传送相应的信息和命令，实际采用的接口由串行接口、并行接口和管理接口(包括中断管理，直接存取DMA管理，计数/定时)构成。

(4)计算机抗干扰能力设计：在计算机控制模块运行中，由于高电压、强电流、大型电动设备频繁启停时的触点火花等造成高低频电磁干扰及大幅度的瞬时电压波动，都直接影响计算机的正常运行，因此针对计算机控制模块的高抗干扰能力进行有效设计。

(5)人机交互界面设计：将人机交互中的实时数据进行监控和可视化，智能汽车将获得的一系列数据进行处理、分析和挖掘，不仅能够进行实时观测，还能够对普遍存在的如电子电器故障、人员误操作、行人避撞、特殊环境干扰等安全问题进行研究和结果分析。

四、安全防护控制策略模块，是针对智能驾驶中存在的因电子设备故障、环境干扰、驾驶员误操作、驾驶疲劳和危险碰撞等导致的安全问题，制定安全防护控制策略并选择合适的优化算法，设计车辆在相应的场景中采取安全操作，实现智能驾驶主动安全和驾驶辅助。通过感知驾驶员的疲劳和分心状态，车辆做出提示警告，并根据车辆行驶状态，控制车辆采取主动制动和主动转向操作。判断驾驶员的行驶操作，设置危险阈值，当检测到驾驶员误操作和操作超过危险阈值后，车辆做出提示警告，并根据实时状态，控制车辆采取主动制动和主动转向操作。通过视景仿真渲染模拟自然环境，当环境干扰到正常驾驶时，车辆及时做出反应，提示警告驾驶员，并根据实时车况，控制车辆采取主动制动和主动转向操作。在仿真模拟行人和车辆碰撞时，设计控制算法，车辆根据危险状况实现安全避撞。依据环境感知，判断车辆当视野盲区影响正常驾驶时，及时做出危险提示警告，并利用汽车稳定***，适当干预驾驶员的制动、加速和转向操作，保证车辆行驶安全。

具体防护过程如下：

驾驶员状态监控功能：将摄像机、驾驶员行动感应设备、主动预警设备等装置安装在模拟驾驶试验平台上，通过虚拟驾驶视景仿真子模块计算前方车辆与本车之间的距离和侧方车道车辆与本车之间的距离，即可检测驾驶员是否存在疲劳及注意力转移等状态，一旦检测到车辆处于不安全状态或驾驶人处于意识较差状态时，则提供声音与视觉报警，并根据车辆当时的行驶状态，控制车辆采取主动制动和主动转向操作。

驾驶员误操作防护功能：利用摄像头和各执行器来操作传感器进行监测和判断驾驶员的驾驶操作，通过根据车辆的行驶状态设定相应的危险阈值，当检测到驾驶员误操作和操作超过危险阈值后，车辆会做出相应的提示警告，然后根据实时状态，并经过算法优化以控制车辆采取主动制动和主动转向操作。

复杂恶劣环境下主动防护功能：利用视景仿真渲染模拟自然环境，包括雨雪、台风、炫目、大雾等恶劣天气环境，当干扰到正常驾驶时，如出现视线模糊、遭遇视野盲区、车辆横向不稳定、方向盘无法保持等问题，车辆可以根据模拟环境及时做出相应反应，提示警告驾驶员，依据实时车况，通过车身稳定***控制车辆采取主动制动和主动转向操作。

障碍物避撞防护功能：利用视景仿真渲染模拟行人和车辆碰撞，设计控制策略和合适的优化算法，基于行人和车辆的运动预测和风险评估，车辆会根据危险状况，进行方向盘抖震提醒和安全提示警告，还可以设计危险等级，当触发危险等级级别信号后，将依次采取提示警告、方向盘抖震、主动转向和主动制动、紧急制动等行动来保证驾驶安全。

本发明通过融合交互式、动态视景和实体行为，将虚拟现实技术应用到智能驾驶安全防护研究，实现计算机控制、数据实时监测和可视化；复现了不同安全防护问题试验场景，包括电子设备故障、环境干扰、驾驶员误操作、驾驶疲劳和危险碰撞等场景，并提出安全防护控制策略和优化算法，提高智能驾驶主动安全和辅助驾驶智能化；利用智能驾驶安全防护***对相关技术进行主客观评价、验证算法有效性和***的实际功效；将软硬件结合，该智能驾驶安全防护***硬件平台能够高精度高效的还原真实车辆的驾驶状态，并将驾驶员考虑在内，能够结合虚拟现实下的危险场景，试验和验证安全防护策略，大大提高了智能驾驶车辆开发中的安全性，是一套功能完整的试验***。

针对典型智能驾驶中的安全防护问题，通过视景仿真***的模拟场景以及所设计的硬件平台，复现在智能驾驶中的安全危险场景，提出了有效且安全的防护策略，在出现如电子设备故障、环境干扰、驾驶员误操作、驾驶疲劳和危险碰撞的危险状况后，能够及时得采取安全措施，并将主动安全信号通过计算机控制模块发送到驾驶模拟试验平台，发送控制指令到真实制动***、方向盘、座椅等设备，车辆在此状况下，将真实的车辆状态变化反馈到计算机控制***，形成闭环反馈控制，使车辆达到安全的状态，从而实现对提出的安全防护策略进行试验和验证。

本发明所述***从安全防护的角度，采用软硬件结合的方式进行硬件在环试验，真实的监测车辆的状态信息，并将安全防护策略应用到实车，能够依靠试验平台复现危险场景，提高试验和验证安全防护策略的效率，较大地提高了智能驾驶的安全性。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***，其特征在于，包括软件仿真模块、硬件设计及平台搭建模块、计算机控制模块和安全防护控制策略模块，所述软件仿真模块与硬件设计及平台搭建模块相连，所述软件仿真模块和硬件设计及平台搭建模块均连接计算机控制模块，所述计算机控制模块与安全防护控制策略模块相连；

所述软件仿真模块包括车辆动力学建模单元、地形建模及视景仿真渲染单元和驾驶仿真互动单元，所述车辆动力学建模单元根据面向对象理论对车辆动力学***进行分析，设定整车性能参数匹配数据，建立基于虚拟现实的车辆动力学模型，实现车辆在虚拟样机中的运动仿真；所述地形建模及视景仿真渲染单元针对智能驾驶中的安全威胁基于三维建模技术建立三维高清地形场景模型，并通过实时仿真程序、图像生成器和视觉效果数据库对所述三维高清地形场景模型进行处理以实现汽车虚拟驾驶视景仿真渲染；所述驾驶仿真互动单元利用虚拟现实技术设计汽车驾驶虚拟仿真实验，进行汽车行驶动态仿真、碰撞检测和多视角切换；

所述硬件设计及平台搭建模块包括硬件试验平台设计单元和实时数据采集单元，所述硬件试验平台设计单元用于设计多功能多自由度并具有“人—车—环境”交互特性的驾驶模拟试验平台，模拟出驾驶舱的运动部及操纵机构，实现在驾驶舱内模拟出实车行驶过程中的逼真触觉感受；所述实时数据采集单元用于实时采集驾驶员的操纵数据，以判断出驾驶员状态及车辆当前状态，实现在输出设备和仿真模拟之间有效的实时通信；

所述计算机控制模块接收地形建模及视景仿真渲染单元中传来的车辆姿态信号，经过计算转换成相应的模拟量控制驾驶模拟试验平台，实现驾驶舱中人机交互的模拟姿态，并验证和优化安全防护控制策略和算法，对车辆设置的危险预警阈值和行驶策略进行适应性调整；

所述安全防护控制策略模块针对智能驾驶中存在的安全威胁，制定安全防护控制策略及优化算法，设计车辆在相应的场景中采取对应的安全操作，实现智能驾驶的主动安全和辅助驾驶。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***，其特征在于，所述车辆动力学建模单元采用仿真平台和虚拟仿真软件建立基于虚拟现实的车辆动力学模型，所述仿真平台采用Simulink仿真平台，所述虚拟仿真软件采用Carsim多体动力学仿真软件。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***，其特征在于，所述地形建模及视景仿真渲染单元中的安全威胁包括设备故障、***功能局限、人员误操作、危险碰撞以及特殊环境干扰中的至少一种。

4.根据权利要求1至3之一所述的基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***，其特征在于，所述硬件试验平台设计单元中的驾驶模拟试验平台包括方向盘、油门、制动器、动感座椅、感应头盔以及仿真显示器，并具有三维立体显示、位置捕捉和头部追踪功能。

5.根据权利要求4所述的基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***，其特征在于，所述实时数据采集单元中的操纵数据包括油门的开度、方向盘转角、制动踏板角度和变速杆位置中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***，其特征在于，所述硬件设计及平台搭建模块还包括硬件平台功能验证单元，所述硬件平台功能验证单元与所述实时数据采集单元相结合，用于验证驾驶模拟试验平台与汽车虚拟驾驶视景仿真渲染的连贯性、一致性和准确性。

7.根据权利要求1至3之一所述的基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***，其特征在于，所述计算机控制模块还进行I/O通道设计、接口电路设计、抗干扰能力设计和人机交互界面设计。

8.根据权利要求4所述的基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***，其特征在于，所述安全防护控制策略模块包括指定驾驶员状态监控策略、驾驶员误操作防护策略、恶劣环境防护策略和障碍物避撞防护策略中的至少一种；在检测到驾驶员误操作或操作超过危险阈值后，通知车辆做出提示警告，并根据实时状态，控制车辆采取主动制动和主动转向操作；在恶劣环境干扰到正常驾驶时，通知车辆及时做出反应和提示警告，并根据实时状态，控制车辆采取主动制动和主动转向操作；在模拟车辆碰撞时设计控制算法，通知车辆根据危险状况安全避撞。

9.根据权利要求3所述的基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***，其特征在于，所述地形建模及视景仿真渲染单元采用Multigen Creator建立三维高清地形场景模型。

10.根据权利要求7所述的基于虚拟现实的智能驾驶安全防护***，其特征在于，所述计算机控制模块采用PC总线结构。

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