特種車輛模擬駕駛系統的研究與開發

羅昔柳，鄭小剛，杜 浩，賈 麗，劉俊濤，周 桃

（北京宇航系統工程研究所，北京100076）

汽車駕駛模擬器 (Vehicle Driving Simulator，VDS)是一種能正確模擬汽車駕駛動作，并獲得實車駕駛感受的仿真設備[1]。駕駛模擬器可以完成駕駛訓練中的所有科目和內容，有利于駕駛培訓的正規化、科學化和規范化，并具有節能、安全、經濟、全天候和培訓效率高等優點[2]。

傳統的特種車輛訓練都是采用真實車輛對學員進行訓練。然而由于配備車輛數量有限，難以滿足大量學員的訓練需求。同時，由于特種車輛的駕駛難度高，利用真車對新學員進行訓練，無論人身安全還是車輛安全都存在較大的隱患。此外，真車的日常訓練還存在難以覆蓋實戰狀態的復雜工況，反復訓練還會引起裝備壽命損耗等問題。因此通過專用的駕駛模擬訓練器對駕駛員進行駕駛訓練，可以降低實車訓練安全風險、節約培訓經費、提高培訓效益[3]。

此型特種車輛應用于軍事領域，其車輛結構以及操作均與市面上的現有車輛不同，這給本模擬訓練系統的車輛動力學仿真和視景仿真帶來了挑戰。在車輛動力學方面，由于車輛重量大且結構復雜，其車輛動力學模型無法直接借鑒現有的任何模型。視景仿真方面，此型車輛駕駛位與副駕駛位中間隔斷，駕駛員無法直接看到右前方向、右后視鏡及車后視景，需要通過駕駛面板的顯示屏觀看相應位置攝像頭采集的視頻信息。因此，在傳統車輛模擬系統一般僅模擬前視的基礎上，本系統還需模擬出右前視景、右后視鏡視景、左后視鏡、后置攝像頭（倒車）視景。

本文針對某型特種車輛的駕駛訓練需求，解決了設計中的難點，開發了該型車輛的模擬駕駛訓練系統，解決了傳統實車訓練的困難，提高了訓練的效率，降低了訓練的成本與風險，取得了良好的效果。

1 總體設計

1.1 功能

本模擬駕駛訓練系統除了完成車輛動力學建模實現車輛起步、加/減速、換擋、轉向、倒車和停車入位等常規車輛模擬器的駕駛操作，還能使駕駛員體驗到不同氣象條件（晴天、夜晚、雨、雪、霧等）及不同路面條件（平坦路面、搓板路面、凹凸路面、盤山公路等）下的視覺效果、車輛震感效果以及路面平滑度效果。同時，實現前視、左后、右前、右后、倒車共計5個視景渲染，并實現與車輛操作的聯動。此外，系統可對訓練過程中的錯誤操作路段進行回放，以第三人視角觀察錯誤操作，并對錯誤路段進行重復練習。系統可記錄駕駛人員的操作數據，對訓練進行評分，并將關鍵數據上傳至教員管理系統。

1.2 系統組成

模擬駕駛系統由虛擬駕駛艙、車輛仿真分系統、視景仿真分系統、體驗分系統、試驗管理分系統組成，系統架構如圖1所示。虛擬駕駛艙是受訓人員的操作載體，將受訓人員的操作轉化為電信號輸出給車輛仿真系統。車輛仿真分系統與視景仿真分系統協同工作，實現車輛動力學、道路視景的實時仿真，并將仿真結果輸出給體驗分系統，由體驗分系統給予受訓人員包含震感、聲音、視覺在內的逼真駕駛反饋，從而實現整個模擬駕駛從操作到反饋的實時動態閉環，為駕駛者提供最真實的駕駛感覺，達到足夠的沉浸感和互動感。此外，教員客戶端可通過車輛仿真系統實時監控學員的訓練進程，記錄學員訓練成果，對學員的訓練進行綜合考評。系統實施效果如圖2所示。視景仿真系統自動調用相關的場景、環境和交通配置，開始進行駕駛和車載設備的使用訓練。此過程中，教員可以通過教員客戶端進行故障仿真的設置，模擬車輛的各類故障，使駕駛員能夠熟練掌握車輛的各類故障并具備故障排除的能力。駕駛員訓練完成后，仿真系統自動上傳訓練中的相關數據至教員客戶端，由教員客戶端自動生成訓練報告，從而可以實現訓練效果的綜合評估。

圖1 系統架構

圖2 系統效果圖

1.3 系統操作流程

本系統駕駛員訓練分為三個階段：準備階段，訓練階段和后處理階段，如圖3所示。準備階段：此階段的工作主要由教員完成。教員在系統開啟后，通過教員客戶端完成場景配置、環境配置和交通場景的配置，通過試驗管理軟件完成車輛模型的配置和下載，完成訓練的準備工作。訓練階段駕駛員上車后，

圖3 駕駛員訓練模式

2 虛擬駕駛艙

虛擬駕駛艙是模擬訓練系統中的人機互動平臺，是在真實樣車基礎上進行改造，為駕駛者提供逼真的操作界面。虛擬駕駛艙改造工作是實現駕駛員方向盤、油門、制動、檔位、離合、儀表盤、功能按鈕等操作的信息采集，使駕駛員操作的所有狀態信息均通過電信號或者CAN通信的方式發送至車輛仿真分系統，同時接收車輛仿真分系統的控制指令，做出各種期望反應。其中方向盤、踏板機構（包括油門、制動、離合）、換擋機構是虛擬駕駛艙的重點，其逼真程度直接影響到模擬系統的訓練效果。

2.1 模擬方向盤設計

模擬方向盤設計重點在于需要將方向盤的物理操作轉化為電信號，同時又保證方向盤的操縱感與實車一致，即具備真實的阻力感及自動回正功能。

模擬方向盤系統工作原理如圖4所示，車輛模型中的輪胎模型采集當前的方向盤位置和當前車速換算成驅動轉向齒條的力矩，并通過當前的扭矩傳感器得到實際的手力矩，從而得到實際的模擬力矩，實現方向盤阻力的模擬。當駕駛員松開方向盤后，控制器會根據當前的方向盤位置和實際車速，計算出合適的回正力矩，實現方向盤的自動回正。為保證模擬反饋力矩的準確性，力矩模擬系統采用電機作為動力源，對方向盤形成阻力矩。電機通過實時系統進行控制，采用轉矩、位置雙閉環控制模式，保證了良好的體驗效果。此外，為模擬實車方向盤的旋轉范圍（-1080°，+1080°），模擬方向盤在方向盤的連接桿處增加了機械限位裝置，有效提升了體驗的感受和系統的可靠性。

圖4 方向盤力反饋系統工作原理圖

2.2 模擬踏板機構設計

本車踏板機構包括油門踏板、制動踏板、離合踏板。由于實車的油門踏板為電子踏板，因此本系統通過仿真設備的模擬量采集通道直接采集電子加速踏板開度的輸出信號。實車的制動/離合器踏板均為機械踏板，本系統通過配置踏板位置傳感器，實現踏板開度物理信號到電信號的轉換，同時通過安裝彈簧來模擬實車踏板的阻力。踏板位置傳感器如圖5所示，采用差分式霍爾測量原理，實現對開合角度的非接觸式、高精度的測量。

圖5 踏板位置傳感器外觀

2.3 模擬換檔機構設計

實車的檔位共有9個檔位包含8個前進檔和1個倒擋，通過換擋手柄進行檔位的切換。模擬換檔機構如圖6所示，分別對應于軸1和軸2的換擋拉線安裝直線位移傳感器。當駕駛員操作換擋手柄時，軸1和軸2連接的換擋拉線會根據檔位的變化發生長度和狀態的改變，從而拉動變速箱內的換擋裝置實現檔位的切換。直線位移傳感器將換擋拉線的位置變化轉化為不同電壓值的電信號，供實時仿真系統進行檔位狀態的采集。

圖6 直線位移傳感器方案示意圖

3 車輛仿真分系統設計

車輛仿真分系統用以準確模擬車輛運行的軌跡、發動機怠速、啟停、加減速、換擋、轉向等操作，通過系統中配置的各種IO板卡以及通訊板卡，實現對駕駛員操作的采集，將駕駛員的加速踏板、制動踏板、換擋、轉向等操作指令采集到系統中，用于對車輛運行控制以及動畫場景的交互。此外，通過CAN信號實現與車輛顯控系統的交互，通過網絡實現與教員系統的交互。

車輛仿真分系統核心是實現車輛動力學仿真。車輛是一種由很多運動的部件有機結合在一起，滿足剛體、柔體、多體運動規律的復雜系統。車輛動力學仿真主要是實現車輛行進過程中車輛動力傳動系統的工況動態變化、控制策略生成、實時計算的虛擬仿真，用于計算車輛的姿態、轉向、加減速、怠速、換擋等過程，根據采集的駕駛員操作動作和指令，實現對車輛的運算，讓駕駛員可以真實的體驗車輛操作的反應。車體動力學模型的工作原理如圖7所示。

圖7 車輛動力學模型工作原理圖

本系統建模是在ModelBase建模工具基礎上利用Matlab/Simulink進行開發，輸入整車外形、質量、各軸輪距、質心高度、質心到后軸距離、制動氣源壓力、輪胎規格、驅動軸、轉向軸、擋位標準、整車最高時速等參數，通過建模仿真，得到與實車試驗結果逼近的模態數據。最終仿真得到的模態數據如表1所示。

表1 車輛模態數據

4 視景仿真分系統設計

視景仿真分系統由圖形工作站和3D實時動畫軟件組成。視景仿真分系統通過以太網接收實時仿真系統運算得到的車輛狀態信息，實現多通道的高品質圖像渲染輸出、多機同步工作、聲效模擬以及交通環境的仿真。本系統3D實時動畫軟件采用的是德國VTD，本軟件通過基于UDP通訊方式的RDB接口實現與車輛動力學模型的閉環，實現交互式的道路網建模仿真、交通場景建模仿真、實時動畫視景生成、仿真任務管理模塊、車輛三維音效模擬。3D實時動畫軟件通過RDB與車輛動力學軟件實現通訊閉環，將車輛動力學模型與交通場景很好的融合起來，彌補了車輛動力學軟件在真實交通場景建模、路網系統建模及交通狀況控制方面的不足，完成整個復雜交通環境的構建。本系統3D實時動畫軟件功能模塊組成以及實現功能如表2所示。

表2 視景仿真分系統實時動畫軟件組成及功能

為了滿足多通道渲染的需要（前視3通道，右前1通道，右后1通道，左后1通道，倒車1通道，共計7通道），訓練系統配置2臺圖形工作站，VTD配置的模塊為1個TC模塊和2個IG模塊，2個IG模塊分別運行于獨立的圖形工作站上，接受1個TC模塊的控制。圖形工作站配置信息如表3所示。

表3 圖形工作站的配置信息

實現的場景效果模擬圖如圖8所示。

圖8 場景效果圖

5 體驗分系統設計

體驗分系統包括音響、顯示系統、多自由度運動平臺，分別實現對聲音、視覺、震感的模擬。

多自由度運動平臺安裝于駕駛艙底部，用來模擬車輛行駛過程中的動態感受和車輛行駛過程中的路感，提升體驗的效果。運動平臺由實時仿真計算機控制，采用多自由度全電動運動平臺作為執行機構，具有結構簡單、維護方便和可靠性高的特點。其控制原理如圖9所示。

圖9 運動平臺控制原理

6 試驗管理分系統

試驗管理分系統由試驗管理軟件和綜合訓練管理模塊組成。試驗管理軟件是實時仿真計算機的控制組件，可以通過遠程實現對實時仿真計算機的配置管理和數據管理。綜合訓練管理模塊為定制開發模塊，將試驗管理軟件組件進行封裝，并增加遠程通訊功能，用于與教員端進行數據交互，實現教員端對訓練系統的遠程配置管理和訓練數據的采集，并對實時仿真計算機和圖形工作站進行配置管理。訓練管理軟件的工作流程如圖10所示。

圖10 試驗管理平臺原理

駕駛員在訓練過程中，可能會遇到事故、誤操作、危險狀況等情況。為了提高訓練的效果，駕駛訓練系統需要具備誤操作回放能力，加深駕駛員的認識。誤操作的回放包含兩種功能：故障回放和重復練習。兩種模式均需要對駕駛全程的數據進行保存和后處理。

本實時仿真系統采用NI仿真平臺，實時車輛模型的運行數據可以保存在NI RT-PC的硬盤上。由于圖形工作站的刷新頻率為60 Hz，為了保證回放的流暢性和減少數據的保存量，RT-PC的數據保存周期為17 ms.實時數據被保存到一個文件中，供后處理調用。

在實時車輛模型中，需要新增誤操作時刻、誤操作數量和誤操作序號變量，用于回放數據的后處理。當發生誤操作時，例如追尾、側翻等事故時，車輛模型檢測到誤操作的發生，記錄當前的誤操作類型和時間，統計誤操作數量，確認當前誤操作序號。誤操作相關數據被保存為一個獨立的文件，存儲于RT-PC的硬盤上。為了實現誤操作的回放，基于NI平臺開發一獨立的程序，其作用是識別誤操作信息，獲取誤操作時刻的車輛狀態，并以此為依據，獲取誤操組前10 s和后10 s的車輛實時數據，保存供程序調用。

7 結束語

目前特種車輛模擬駕駛系統已經調試完成，并交付用戶進行使用。通過用戶使用的實踐證明，特種車輛模擬駕駛系統能夠真實地模擬某型特種車輛駕駛的全過程，不僅為受訓人員提供一個與實際車輛基本一致的駕駛體驗，同時解決了傳統實車訓練中存在的訓練場景單一、訓練時間有限、訓練安全無法保證、車輛易受損等問題，取得了較好的效果，具備在特種車輛駕駛訓練中進行推廣的價值。