智能汽車虛擬實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用

宮喚春 Gong Huanchun

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智能汽車虛擬實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用

宮喚春 Gong Huanchun

（燕京理工學(xué)院，河北 廊坊 065201）

智能汽車涉及車輛、機(jī)械、通信、自動(dòng)化等多個(gè)學(xué)科交叉融合，尚未有成熟的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。利用PanoSim軟件開發(fā)智能汽車虛擬實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)，該平臺(tái)將智能汽車系統(tǒng)可視化顯現(xiàn)，能夠在線選取車輛模型及設(shè)置運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)虛擬仿真，仿真結(jié)束后可以調(diào)取車輛測試曲線和數(shù)據(jù)，并回放實(shí)驗(yàn)視頻便于分析車輛運(yùn)行狀態(tài)，操作簡便、精度可靠，能夠滿足教學(xué)和科研的需要。

智能汽車；虛擬實(shí)訓(xùn)；仿真平臺(tái)；PanoSim軟件

0 引 言

我國汽車中長期發(fā)展規(guī)劃明確指出汽車行業(yè)向著智能化、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化新“四化”方向發(fā)展[1]。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，智能汽車的研發(fā)與應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)，智能汽車也成為汽車產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的目標(biāo)。智能汽車技術(shù)涉及車輛、電學(xué)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、通信、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉融合，需要合理設(shè)計(jì)開發(fā)智能汽車實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，通過有效實(shí)訓(xùn)才能對(duì)智能汽車結(jié)構(gòu)及核心技術(shù)更加了解[2]。目前智能汽車實(shí)訓(xùn)測試教學(xué)平臺(tái)非常少，實(shí)車實(shí)驗(yàn)臺(tái)雖然能夠滿足一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，但是隨著技術(shù)不斷升級(jí)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)面臨設(shè)備更新與改造等問題，會(huì)造成資源浪費(fèi)；因此，開發(fā)智能汽車虛擬實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)用于智能汽車實(shí)訓(xùn)教學(xué)非常必要[3]。利用PanoSim軟件[4]開發(fā)智能汽車虛擬實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)，用于智能汽車實(shí)訓(xùn)教學(xué)，該平臺(tái)具有可視化、在線修改參數(shù)以及實(shí)時(shí)測取車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)等功能，便于學(xué)生直觀學(xué)習(xí)掌握智能汽車結(jié)構(gòu)與組成原理，且實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以在線升級(jí)改造用于開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及添加最新應(yīng)用技術(shù)，使得實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠可持續(xù)性使用，節(jié)約實(shí)驗(yàn)臺(tái)開發(fā)成本。

1 智能汽車虛擬實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)開發(fā)

PanoSim軟件包括各類車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模塊、三維行駛模塊、道路環(huán)境模塊、交通信息模塊、車載感應(yīng)裝置模塊、導(dǎo)航通信模塊、Matlab/Simulink可視化仿真模塊、數(shù)據(jù)圖像回放處理等模塊集成一體的實(shí)時(shí)仿真測試車輛虛擬平臺(tái)[5]。該平臺(tái)基于車輛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和物理參數(shù)建立虛擬仿真模型[6]，利用虛擬現(xiàn)實(shí)方法模擬各類道路交通環(huán)境和車輛運(yùn)行工況，通過PanoSim平臺(tái)[7]中提供的各類高精度的攝像頭、V2X（Vehicle To X，車與外界的信息交換，X為任何可能的人或物）無線通信系統(tǒng)和雷達(dá)裝置模型，加載完成車輛動(dòng)力學(xué)性能測試與仿真、車輛電控系統(tǒng)集成開發(fā)、ADAS（Advanced Driver Assistance Systems，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)、道路交通信息系統(tǒng)感知設(shè)計(jì)與測試等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的車輛虛擬實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)[8]。

智能汽車虛擬實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)具體實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。根據(jù)智能汽車實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目以及每個(gè)項(xiàng)目需要設(shè)置的模塊，利用PanoSim創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)流程[9]，分為創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)、進(jìn)入實(shí)驗(yàn)主界面、設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)、啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果5個(gè)階段。

圖1 PanoSim軟件實(shí)驗(yàn)流程圖

（1）創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)：利用軟件提供的模塊創(chuàng)建虛擬實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，設(shè)置實(shí)訓(xùn)車輛以及各類交通道路環(huán)境，并設(shè)置干擾車輛以及交通信號(hào)裝置；

（2）進(jìn)入實(shí)驗(yàn)主界面：選取相關(guān)加載實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面；

（3）設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)：選取虛擬實(shí)訓(xùn)測試路面并加載車輛信息，添加橫向或縱向車輛駕駛信息模塊參數(shù)，加裝導(dǎo)航與無線通信以及高速攝像頭等感應(yīng)裝置獲取虛擬實(shí)訓(xùn)中交通流變化及車輛行人等干擾信息，合理設(shè)置交通信號(hào)裝置及標(biāo)識(shí)牌等裝置精確呈現(xiàn)逼真的交通運(yùn)行環(huán)境；

（4）啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)：對(duì)所選實(shí)驗(yàn)車輛進(jìn)行各項(xiàng)虛擬測試；

（5）分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果：測試結(jié)束后，利用軟件提供的分析功能對(duì)仿真測試數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表分析并在分析數(shù)據(jù)過程中播放仿真測試動(dòng)畫，掌握車輛實(shí)驗(yàn)過程中動(dòng)態(tài)變化過程。

智能汽車虛擬實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)系統(tǒng)組成如圖2所示，該系統(tǒng)主要由攝像頭、計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)、圖像處理器和中央控制系統(tǒng)組成。通過高速攝像頭采集車輛運(yùn)行時(shí)環(huán)境及道路情景等圖像信號(hào)，并將信號(hào)由中央控制系統(tǒng)生成虛擬場景畫面，在虛擬實(shí)訓(xùn)仿真時(shí)拍攝虛擬場景圖像，實(shí)時(shí)采集各傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)及圖像信息輸送到圖像處理器進(jìn)行分析處理，并通過計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)呈現(xiàn)出車輛仿真測試路徑及各種性能曲線，便于教師教學(xué)和學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)過程。高速攝像頭可以在1 ms內(nèi)將路面實(shí)時(shí)信息和圖像傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，有效克服信息傳輸延遲的問題。

圖2 智能汽車虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)組成圖

利用Matlab/Simulink軟件在虛擬實(shí)訓(xùn)過程中任意調(diào)取不同類型的智能車輛加載到PanoSim軟件中進(jìn)行虛擬測試和開發(fā)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和虛擬測試實(shí)時(shí)圖像，通過回放功能了解車輛在實(shí)驗(yàn)過程中的運(yùn)行姿態(tài)和軌跡，為改進(jìn)智能車輛技術(shù)提供參考。智能汽車虛擬實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)車輛選取界面如圖3所示，可以通過雙擊各模塊獲取車輛參數(shù)信息以及算法，并在線完成參數(shù)的修改和控制算法的更新，便于智能汽車技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn)。

圖3 智能汽車虛擬實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)車輛選取界面

智能汽車虛擬仿真平臺(tái)主要由車輛模型（包含皮卡、小轎車、SUV等常見車型）、雷達(dá)模型和車輛自適應(yīng)控制模塊組成。自適應(yīng)控制模塊通過設(shè)置巡航車速輸入信號(hào)，得到制動(dòng)輪缸壓力和節(jié)氣門開度輸出信號(hào)。雷達(dá)模型主要根據(jù)相對(duì)距離和相對(duì)角度判斷，確保行車安全。雷達(dá)模塊通過毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)，利用反射波信息和雷達(dá)的物理模型聯(lián)合建模，高精度呈現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)探測傳播的機(jī)理以及模擬環(huán)境對(duì)雷達(dá)探測的影響。

智能汽車虛擬實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)中還包括V2X通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車與外界的信息交互，準(zhǔn)確獲取交通環(huán)境信息、路面車輛行人信息、交通信號(hào)等參數(shù)或圖像，為目標(biāo)測試車輛提供高效安全的駕駛信息，降低交通擁堵率，提高駕駛舒適性以及完善車載導(dǎo)航信息等。V2X工作示意如圖4所示，該系統(tǒng)采用協(xié)作式傳感器定義相關(guān)虛擬實(shí)訓(xùn)測試和車載與外界信息交互建模的應(yīng)用層協(xié)議，利用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)置多個(gè)控制算法、車載交互信息的范圍和處理速度，并將多個(gè)通信性能指標(biāo)組合形成綜合優(yōu)化仿真，確保車輛與外界信息交互的高精度與高效率。

圖4 V2X無線通信系統(tǒng)

2 智能汽車虛擬實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)應(yīng)用

利用智能汽車虛擬實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)在一段長度為500 m、寬度為8.5 m的單向雙車道上進(jìn)行智能汽車實(shí)訓(xùn)測試，道路交通環(huán)境中設(shè)置測試車和干擾車各一輛，測試車安裝有激光雷達(dá)，干擾車位于測試車前方30 m處，兩車初始速度為50 km/h，實(shí)驗(yàn)時(shí)間10 s，測試車距離干擾車15 m時(shí)開始減速直至停止?fàn)顟B(tài)，測試車在AEB（Autonomous Emergency Braking，自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)）控制算法下完成緊急制動(dòng)。啟動(dòng)PanoSim軟件創(chuàng)建上述虛擬實(shí)驗(yàn)場景，通常操控軟件控制面板設(shè)置各車輛信息、雷達(dá)模型、道路環(huán)境等信息，并為測試車和干擾車添加相關(guān)車速信息，具體仿真實(shí)驗(yàn)界面創(chuàng)建過程如圖5所示。啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，Matlab/Simulink會(huì)主動(dòng)創(chuàng)建目標(biāo)測試車輛信息，設(shè)置車輛初始車速為50 km/h，和車道線以及相關(guān)道路參數(shù)設(shè)置信息與采集算法。

相關(guān)實(shí)訓(xùn)車輛參數(shù)、道路環(huán)境標(biāo)識(shí)選取完成后，利用工具欄添加干擾車信息并設(shè)置干擾車車速、相關(guān)傳感器參數(shù)以及控制算法以完成虛擬實(shí)驗(yàn)場景的布置，為虛擬測試奠定基礎(chǔ)。添加干擾車輛參數(shù)及運(yùn)行環(huán)境示意圖如圖6所示。

圖5 虛擬實(shí)訓(xùn)仿真創(chuàng)建過程