汽車駕駛室內道路交通信號仿真研究＊

陳鼎，張麗霞，潘福全，陳永康，胡瑩瑩，李曉霞，林佳佳

（青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東 青島 266520）

1 引言

目前交通信號燈已經成為城市道路指示車輛道路通行的主要交通設施，設置地點主要在道路交叉口。交叉口車流量大，車輛在此進行直行、左轉、右轉等交通行為，如果沒有交通信號來指示通行，不但容易導致交通擁堵與混亂，而且還會導致交通事故[1][2][3]。因此，按照交通信號燈指示行駛尤為重要。但如果前方有大型車輛遮擋或大霧等不良天氣遮擋等，后方車輛的駕駛員對信號燈的辨識受到嚴重影響。如圖1 所示。

圖1 前方車輛遮擋交通信號

目前研究車內道路交通信息顯示的很少。在中國知網數據庫中，選擇“文獻”中的“主題”，分別以“車內交通信號”、“駕駛室交通信號”進行檢索，結果顯示為0。說明這方便的研究幾乎處于空白[4]。

2 駕駛室內交通信號顯示設計方法

為了解決前方大型車輛遮擋或大霧等不良天氣遮擋后方駕駛員的視線，導致后車駕駛員無法觀測到前方交通信號問題，本研究設計了一種在汽車駕駛室內自動顯示道路交通信號系統的方法。

（1）開發具有4G 通訊功能的交通信號傳輸模塊。

（2）車輛配備交通信號傳輸模塊與導航系統。

（3）開發專門算法，并運用該算法判斷車輛所處的具體位置。

（4）通過算法計算車輛具體位置與前方交叉口紅綠燈的相對位置關系。

（5）車輛交通信號模塊接收來自于交通管理部門授權的該紅綠燈的交通信號信息。

（6）該信息在車輛交通信號模塊進行顯示。

（7）駕駛員根據與前方交叉口交通信號燈一致的信號進行交通行為的決策。

該方法的技術路線如圖2 所示。

圖2 技術路線

3 仿真方法與仿真結果

交通仿真技術能夠把尚未實現或難以實現的某種方法或技術，通過計算機技術實現并展現所期望的方法與技術實施后的運行效果。交通仿真是一個復雜的系統工程。它包括問題分析、模型建立、數據輸入、程序編制、仿真運行、輸出結果處理等過程。

本研究仿真車輛進入交叉口有效范圍，車內交通信號傳輸系統啟動，前方紅綠燈數據在車內顯示屏顯示，達到既使車輛前方有大型車遮擋，駕駛員看不到信號燈，但仍然可以在車內利用顯示裝置收到紅綠燈信號。

3.1 交通模型結構及組成

實現一個完整的交通仿真，往往運用多個仿真軟件，本研究主要運用了3Dmax[5]與SolidWorks[6]軟件。3Dmax 是Autodesk 公司在20 世紀90 年代推出的一款三維動畫創作工具，是目前應用最廣泛的三維建模、動畫、渲染軟件，其功能強大，可支持多種相關軟件不同類型文件的導入、導出，并且渲染速度快，畫面質量高，在三維仿真領域有廣泛應用。SolidWorks 是一款功能強大的三維建模軟件，可以很好的和三維仿真軟件進行聯合仿真。

一般而言，交通仿真涉及到車輛、車道、信號燈等為仿真建模單元。本仿真的整個模型由城市道路汽車模型和車內交通信號模型兩個模型構成。

（1）城市道路模型：城市道路模型模擬的是城市紅綠燈路口的模擬，主要部件有路面、路面標線、圍欄、交通信號燈、路邊綠植房屋等。道路建模時先在3Dmax 的頂視圖中建立相應長度的正交直線，然后利用SpeedRoad 插件在正交直線的基礎上建立一個雙向四車道的十字交叉路口（包括道路分隔欄、路面標線、交通信號燈等道路基礎設施）。為了形象模擬周圍環境還可以利用Ghost Town 插件在路邊建立對應的建筑物，在道路旁邊添加做好的綠植模型等，這樣可以建成更加形象的交通環境場景。

（2）車輛與車內交通信號系統：汽車模型信號系統的承載體由汽車外殼，車門、車輪、底盤、后視鏡、車燈等零件構成；車內交通信號系統是車內信號系統的模擬，由透明顯示屏、車內裝飾，顯示數字等零件構成。

汽車和車內交通信號系統模型由SolidWorks 建立。利用SolidWorks 進行建模時，要明確汽車的各部分零件，根據車輛各部分的零件尺寸創建零件圖。零件完成后，按照汽車設計要求組裝零部件，并根據不同的連接方式建立不同的約束。

模型建立完成后即可將其導入3Dmax 中。將SolidWorks模型導入到3Dmax 中時將SolidWorks 文件另存為.wrl 文件。需要注意在另存為文件時，修改輸出版本與單位，并在單一文件中保存裝配體所有零件，從而可將裝配體中的多個零件同時導入3Dmax 中。雖然裝配體在3Dmax 中的位置與SolidWorks 中保持一致，裝配關系卻不再存在，即零件之間可以任意移動或旋轉。因此，需要將零件之間設立父子關系，父零件在進行移動、旋轉、縮放時可帶動子零件作相應變化，而子零件在進行移動、旋轉、縮放時不會影響父零件。本仿真將設計零件的所有零件的最終父零件都建立在汽車的外殼上，方便在移動整個汽車時的動作。

3.2 仿真動畫設計

對于外部車輛運動模型，建立物理相機在車輛上方合適位置，將相機頭部與車輛建立父子關系，使鏡頭隨著車輛運動。車內交通動畫是將相機放在車中合適位置，將車輛和相機、信號顯示裝置分別建立父子關系，讓鏡頭和車輛同時移動，更好更清楚的提供系統的工作動畫。動畫設計中使用了3Dmax 的“曲線編輯器”，通過給汽車車輪和整體添加關鍵幀實現車輛在道路上的運動。

為了簡明扼要的仿真車內交通信號的運行效果，并降低電腦資源的耗用。本仿真動畫設置了500 幀，動畫持續約23秒。實現了動畫中汽車運動的連貫性。隨后調整3DMAX 渲染設置，在“渲染幀窗口”中把要“要渲染的區域”選擇為攝影機視圖，保持整個輔助器在運動過程中全部零部件始終處于畫面之內。接著在“渲染設置”窗口選擇“時間輸出”為整個活動時間段，然后調整光線等元素，使畫面看起來更加自然。為了更真實的實現仿真，可以用“材質編輯器”給汽車、道路等添加合適的材質貼圖，使道路有粗糙顆粒感，汽車表面有光滑感。

仿真動作完成后，開始進行動畫渲染，此時可以直接渲染成仿真動畫，但為了保證動畫的質量，用V-Ray 渲染器插件將每幀動畫渲染成帶有序列號的圖片。為了找到合適的光源和影像可以先將渲染的畫質調低，進行實驗渲染，找到合適的渲染參數后再將參數調高，進行整體的圖片序列輸出。最后將渲染出來的序列圖用剪輯軟件Adobe Premiere 將圖片生成avi.或者mp4.格式的動畫。

3.3 仿真結果

仿真結果是以動畫視頻的方式展現的，由于論文難于用視頻方式進行表達，進行了截圖。如圖3 所示，在一個交叉口的左側車道，一輛大貨車在前方行駛，跟馳的小汽車駕駛員無法直接觀察到前面路口的信號燈。此時的駕駛員心理應該比較復雜，因為他不清楚前方路口的交通信號情況。如果小轎車駕駛員繼續跟馳前方大貨車，恰好此時是綠燈的最后幾秒鐘，這樣很可能導致小汽車闖紅燈，如果是闖紅燈，又很可能導致這輛小汽車與對向放行的汽車發生交通事故。

但是本研究的汽車駕駛室內道路交通信號實現后，就杜絕了這種危險境況。如圖4 所示。即使前方大型車遮擋了前方的信號燈，但駕駛員通過室內交通信號顯示系統，清晰的了解了前方交叉口交通信號燈的指示情況，從而能夠從容不迫的進行正確的交通決策。不但不會增加駕駛員的心理生理負擔，而且還提高了道路交叉口的安全性。

圖3 小汽車被前方大貨車遮擋視線

圖4 前方交通信號在駕駛室內顯示

4 結論

本研究提出了一種道路交通信號在汽車駕駛室內顯示的方法，通過3Dmax 和SolidWorks 仿真軟件建立了車內交通信號系統模型，并實現了車內交通信號的傳輸與顯示。仿真結果表明，該方法可以使駕駛員從駕駛室內的顯示屏看到前方交叉口的交通信號，解決了因前方大型車輛遮擋或不良天氣遮擋而無法觀測前方交叉口信號燈的實際問題，從而能夠減少駕駛員的心理負荷，提高道路交叉口的交通安全性。今后進一步研究交通信號傳輸模塊與相關算法，并進行實車實驗。