三維模擬駕駛仿真系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

吳初娜，于鵬程，孫 純，任德錕

（長安大學 汽車學院，陜西 西安710061）

0 引 言

采用模擬駕駛仿真系統(tǒng)來記錄并分析駕駛員的駕駛行為，是駕駛安全領(lǐng)域研究的熱點之一。三維模擬駕駛仿真系統(tǒng)是一種融合多種傳感器設(shè)備，集機械、電子、計算機、三維仿真等多種技術(shù)于一體的交通仿真設(shè)備。該仿真系統(tǒng)可以根據(jù)駕駛員在模擬駕駛過程中對車輛所進行的轉(zhuǎn)向、制動、加速等操作，在計算機上實時生成并顯示相應(yīng)的動態(tài)三維模擬駕駛場景［1］。模擬駕駛仿真系統(tǒng)所具有的真實的人—車交互操作界面、重復(fù)可控的試驗工況、安全可靠的極限工況等特點，為研究駕駛行為提供了一個良好的試驗平臺。目前國內(nèi)所開發(fā)的類似駕駛模擬仿真系統(tǒng)中，開發(fā)平臺大多數(shù)基于Direct3D、OpenGL、OGRE等引擎［2－3］。由于這些都是基于圖形渲染的底層引擎，因此所開發(fā)的三維模擬駕駛場景的逼真度都不甚理想，很難使駕駛員在模擬駕駛時產(chǎn)生沉浸感和真實感。另外一些公司采用Vega、Creator等商業(yè)視景軟件進行駕駛場景的開發(fā)［4］，雖然場景的逼真度得到大幅度的提升，但是同時也使得開發(fā)成本變得相當?shù)陌嘿F，且缺乏二次開發(fā)等特性。

本文提出一種基于Newton物理引擎和OSG（open scene graph）圖像渲染引擎的三維模擬駕駛仿真系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)方法。Newton和OSG都是開放源代碼的物理和圖像渲染引擎，且都具有良好的平臺移植性。實踐證明該方法具有開發(fā)成本低，開發(fā)效率高，逼真度高，動態(tài)效果好，適合廣泛應(yīng)用等優(yōu)點。

1 三維模擬駕駛仿真系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

三維模擬駕駛仿真系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)主要是采用各種傳感器設(shè)備，負責對駕駛員在模擬駕駛時的轉(zhuǎn)向、制動、加速、換擋等各種駕駛操作數(shù)據(jù)進行采集，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理后與上位機通過串行通訊協(xié)議USB 2.0相連接，將處理后到的數(shù)據(jù)傳送給圖像仿真系統(tǒng)；圖像仿真系統(tǒng)經(jīng)過計算處理后在顯示平臺上向駕駛員實時的顯示三維動態(tài)駕駛交通場景。

1.1 硬件組成

仿真系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)主要包括駕駛艙、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，圖像仿真系統(tǒng)、交通場景顯示平臺和音響設(shè)備。所有的裝置均采用實車部件，并根據(jù)信息采集系統(tǒng)的要求，進行相應(yīng)的改進和設(shè)計，從而使駕駛員在模擬駕駛時能產(chǎn)生沉浸感，獲得與真實駕駛時相同的操縱感。硬件系統(tǒng)組成的示意圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)組成

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)主要是通過采用傳感器對駕駛艙中關(guān)鍵的操縱部件的變化量進行采集。需要采集的操縱部件分別為方向盤、加速踏板、制動踏板、離合踏板、檔位裝置和駐車制動裝置。

1.2.1 方向盤轉(zhuǎn)角采集

系統(tǒng)中采用同軸套接在方向盤轉(zhuǎn)向柱上的BI公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)角力矩復(fù)合傳感器SX4300A實時的采集方向盤的轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動方向。BI傳感器是一種電位計式傳感器，主要通過隨著方向盤的轉(zhuǎn)動而隨之變化阻值的多個滑動變阻器來控制輸出信號。該傳感器采用雙路冗余輸出［5］，有5路模擬電壓輸出信號，分別為2路力矩信號T1、T2和3路轉(zhuǎn)角信號P1、P2、P3。在該系統(tǒng)中由于不采集方向盤的轉(zhuǎn)矩大小，因此只使用轉(zhuǎn)角信號。轉(zhuǎn)角信號P1、P2所輸出的特性曲線的相位角相差90°，如圖2所示。結(jié)合P1、P2曲線可以計算出方向盤轉(zhuǎn)角在±360°范圍內(nèi)變化時的轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動方向；P3信號表示方向盤轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，方向盤轉(zhuǎn)角每變化180°，P3與輸入電壓的百分比變化10%，其特性曲線如圖3所示。以5V輸入電壓為例，當方向盤轉(zhuǎn)角從－450°增加到－360°時，P3的輸出電壓從1V增加到1.5V。結(jié)合轉(zhuǎn)角信號P1、P2和P3就可以計算出方向盤轉(zhuǎn)角在±720°范圍內(nèi)變化時的轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動方向。

1.2.2 踏板行程與檔位及駐車制動位置采集

系統(tǒng)中采用Allegro MicroSystems公司生產(chǎn)的A3144霍爾傳感器實時的采集加速踏板、制動踏板和離合踏板的行程，以及檔位裝置和駐車制動裝置的位置。霍爾傳感器一般分為輸出模擬量的線性型霍爾傳感器和輸出數(shù)字量的開關(guān)型霍爾傳感器兩種［6］。線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，主要用于檢測電壓、電流等物理量。開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓電路、霍爾元件、差分放大器，施密特觸發(fā)器和OC門輸出級組成，主要用于檢測轉(zhuǎn)速、位移、角度等物理量。A3144霍爾傳感器是一種寬溫、開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器，工作溫度范圍為－40℃～150℃，具有尺寸小、穩(wěn)定性好、靈敏度高等特點［7］。

開關(guān)型霍爾傳感器的工作特性如圖4所示。當傳感器感應(yīng)到的磁感應(yīng)強度B低于釋放點BRP時，傳感器持續(xù)輸出5V高電平；當磁感應(yīng)強度超過工作點BOP，傳感器由5V高電平躍至0V低電平，并保持低電平不變；當磁感應(yīng)強度低于釋放點BRP時，傳感器再次從0V低電平躍至5V高電平。

圖4 開關(guān)型霍爾傳感器工作特性

A3144霍爾傳感器安裝在上述各個操縱部件的附近，同時在這些部件上固定有若干個圓柱形磁塊。當駕駛員操縱上述部件時，磁塊會間斷性的靠近或遠離霍爾傳感器。當磁塊靠近時，傳感器因檢測到磁場而輸出0V電壓信號；當磁塊遠離時，傳感器因檢測不到磁場而輸出5V電壓信號。根據(jù)各個A3144霍爾傳感器所輸出的電壓波形，可以得出加速踏板、制動踏板或離合踏板的行程，以及檔位裝置或駐車制動裝置所處的位置。

1.2.3 數(shù)據(jù)采集卡

上述傳感器需要將采集到的駕駛員操縱數(shù)據(jù)，統(tǒng)一發(fā)送給數(shù)據(jù)采集卡進行處理后，才能經(jīng)USB2.0將駕駛員的操縱數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以做進一步的運算處理。

本仿真系統(tǒng)采用研華的USB－4716數(shù)據(jù)采集卡對駕駛員的所有操縱數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一采集與處理。USB－4716是一種即插即用型數(shù)據(jù)采集設(shè)備，不需要提供外部的電源。該數(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)參數(shù)如下：采集速率可達100ks/s；16位AI分辨率；16路模擬量輸入；16路I/O輸入輸出；2路模擬量輸出；2路用戶計數(shù)器/定時器。轉(zhuǎn)角力矩復(fù)合傳感器SX4300A將采集到的方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端口，以進行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換；A3144霍爾傳感器將采集到的踏板行程與檔位及駐車制動位置送入數(shù)據(jù)采集卡的I/O端口。

1.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

由于通過USB－4716數(shù)據(jù)采集卡所傳送過來的駕駛員操縱數(shù)據(jù)仍然是高低變化的數(shù)字電壓信號，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)需要實時對這些電壓信號進行運算處理，以得到方向盤轉(zhuǎn)角、踏板行程、檔位位置以及駐車制動位置等的具體數(shù)值，并將計算結(jié)果發(fā)送給圖像仿真系統(tǒng)，以用作車輛動力學模型的參數(shù)輸入。另外，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)需要實時的接收圖像仿真系統(tǒng)所輸出的車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油壓等車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，并經(jīng)過相應(yīng)轉(zhuǎn)換后，根據(jù)控制量驅(qū)動相應(yīng)的指針，將車輛狀態(tài)信息顯示在儀表盤上。

1.4 圖像仿真系統(tǒng)

圖像仿真系統(tǒng)主要用于產(chǎn)生隨著模擬駕駛而動態(tài)變化的交通場景。動態(tài)交通場景對實時性和逼真度有很高的要求，且車輛動力學模型的精度越高，運算所占用的時間越長；交通場景中的物體越多，渲染的速度越慢。為了使系統(tǒng)中的硬件有高速的運算能力和強大的圖形處理能力，對圖像仿真系統(tǒng)中的計算機采用見表1配置。

表1 計算機配置

圖像仿真系統(tǒng)接收信息處理系統(tǒng)發(fā)送過來的駕駛員操縱數(shù)據(jù)后，結(jié)合車輛性能參數(shù)和上一時刻的車輛運動姿態(tài)，計算得出虛擬車輛的當前新運動狀態(tài)。然后系統(tǒng)通過顯示屏予以顯示新的交通場景，并通過音響設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的車輛運動聲響。同時，系統(tǒng)將虛擬車輛的新發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、油壓等數(shù)值發(fā)送給信息處理系統(tǒng)。

1.5 交通場景顯示平臺

交通場景顯示平臺主要用于顯示動態(tài)的交通場景，并結(jié)合音響設(shè)備發(fā)出發(fā)動機、路面摩擦等汽車運動聲響。交通場景顯示平臺由3個37寸液晶顯示屏組成。屏與屏之間采用無縫拼接技術(shù)，兩者之間的夾角為120°。由于3個液晶顯示屏可以完整的模擬汽車的前擋風玻璃和左右視鏡，因此相對于單屏駕駛模擬器，其能使駕駛?cè)烁菀桩a(chǎn)生真實感和沉浸感。

2 三維模擬駕駛仿真系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)

仿真系統(tǒng)中的軟件系統(tǒng)主要根據(jù)傳感器信號進行駕駛環(huán)境建模、視景仿真和音效仿真，其所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括基于3DMAX的三維駕駛環(huán)境以及車輛模型建模；基于Newton物理引擎的車輛多剛體動力學建模以及基于OSG引擎的圖形渲染。

2.1 3DMAX建模

3DMAX是一款被廣泛應(yīng)用于二維圖形造型和三維動畫制作的圖形圖像制作軟件，運用它，可以對車輛模型和駕駛環(huán)境進行圖形建模。在3DMAX中建立的駕駛環(huán)境和車體的模型如圖5所示。圖形模型建好后，需要把模型讀入VC＋＋的可視窗口中。3DMAX模型有多種讀取方法，通常是用格式轉(zhuǎn)換軟件將3D格式的模型轉(zhuǎn)換為OSG引擎所需要的 “ive”格式的圖形文件后輸入到圖形渲染引擎進行處理。

圖5 駕駛環(huán)境和車體模型

2.2 Newton物理引擎和OSG三維圖像渲染引擎

2.2.1 Newton物理引擎

Newton物理引擎是一個對物理環(huán)境進行實時模擬的集成解決方案，它以剛體力學為基礎(chǔ)，通過為剛性物體賦予真實的物理屬性的方式來計算運動、旋轉(zhuǎn)和碰撞反應(yīng)。

一般情況下，我們將車輛在道路環(huán)境中的行駛簡化為多剛體的運動。根據(jù)多剛體系統(tǒng)理論，將車輛劃分為車體、懸架和車輪，如圖6所示。車輪與車體通過旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接，懸架簡化為阻尼和彈簧，因此，車輪相對于車體只有轉(zhuǎn)動和垂直運動。

圖6 車輛的簡化模型

將車輛進行簡化并對其進行受力分析后，就可以在Newton物理引擎中建立車輛模型。在引擎中，組成一個仿真場景的基本元素是Entity（實體），其中車輛模型就是一個實體。一個完整的車輛模型又是由車體、懸架和車輪等實體組合而成，其中車體和車輪之間通過Joint來連接。

Newton物理引擎還具有碰撞檢測功能［8］，通過碰撞網(wǎng)格Collision來實現(xiàn)。當兩個實體之間相互碰撞時，Collision就會進行碰撞檢測，判斷兩物體碰撞后的運動狀態(tài)，從而不會出現(xiàn)物體之間碰撞后相互穿過的現(xiàn)象。車體的碰撞網(wǎng)格的形態(tài)如圖7所示。

圖7 車體的碰撞網(wǎng)格

2.2.2 OSG三維圖像渲染引擎

OSG引擎是一個基于工業(yè)標準OpenGL的高層次圖形開發(fā)API接口，在圖形渲染、顯示和場景控制等方面有著強大的功能，因此被廣泛的應(yīng)用于可視化仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實、高端技術(shù)研發(fā)以及建模等領(lǐng)域［9］。

所有的場景圖形及模型都是由引擎中的節(jié)點 （Node）來控制的，當對導(dǎo)入OSG引擎中的圖形文件和模型的所有對象都定義了其相對應(yīng)的節(jié)點后，程序通過對節(jié)點的操作來控制圖形圖像的顯示［10－11］。

2.3 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及流程

三維模擬駕駛仿真系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的基本實現(xiàn)過程如圖8所示：

（1）仔細分析軟件系統(tǒng)中對車輛動力學模型的基本要求及受力特點，在此基礎(chǔ)上簡化并建立車輛的多剛體動力學模型；

（2）結(jié)合Newton物理引擎給出車輛動力學模型的具體實現(xiàn)。

（3）應(yīng)用3DMax建模軟件建立軟件系統(tǒng)中所需要的各種道路三維模型，車輛三維模型以及駕駛環(huán)境的三維模型。

（4）基于OSG圖像渲染引擎并結(jié)合Newton物理引擎給出軟件系統(tǒng)的具體實現(xiàn)。

圖8 軟件系統(tǒng)的基本實現(xiàn)流程

3 仿真系統(tǒng)的總體框架及運行效果

仿真系統(tǒng)是在windows平臺上基于VS2005集成開發(fā)環(huán)境、采用C＋＋編程語言實現(xiàn)的，系統(tǒng)的總體框架如圖9所示。

將在3DMAX建模軟件中建立的車輛、道路以及其它駕駛環(huán)境模型導(dǎo)入以Newton和OSG引擎為平臺的軟件系統(tǒng)中，同時將多個傳感器采集到的駕駛員的模擬駕駛操縱數(shù)據(jù)經(jīng)USB－4716數(shù)據(jù)采集卡采集并經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理后通過串口通訊協(xié)議USB2.0發(fā)送給軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的操縱數(shù)據(jù)，車輛動力學參數(shù)和前一時刻車輛的運動姿態(tài)依據(jù)動力學模型計算出車輛當前的工況和運動姿態(tài)，然后實時的渲染更新相應(yīng)的駕駛場景，同時發(fā)出行車過程中的發(fā)動機噪聲、風聲、路面摩擦聲等環(huán)境聲音。

圖9 仿真系統(tǒng)的總體框架

在仿真系統(tǒng)開發(fā)過程中使用了Newton多體動力學開發(fā)庫，3DMAX建模軟件以及基于OpenGL的圖形渲染開發(fā)庫OSG。三維模擬駕駛仿真系統(tǒng)的運行效果如圖10所示。

圖10 仿真系統(tǒng)運行效果

4 結(jié)束語

本文采用角度力矩復(fù)合傳感器SX4300A和霍爾傳感器A3144采集駕駛員在模擬駕駛時的操縱數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理后，傳送給以3DMAX建模軟件、Newton物理引擎以及OSG圖像渲染引擎相結(jié)合為平臺的軟件系統(tǒng)，從而構(gòu)建了一個具有良好平臺移植性的三維模擬駕駛仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法。仿真系統(tǒng)中所用到的各種SDK均是開放源代碼的，且具有良好的平臺移植性，支持在多個平臺上進行開發(fā)。實踐證明，本文闡述的方法可以實現(xiàn)逼真的駕駛場景渲染，并且能夠生動形象的模擬汽車行駛過程中轉(zhuǎn)彎，碰撞等各種狀態(tài)。

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