模塊化遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)模擬駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

胡陽光　譚鑫　宋金濤　楊明欽　張照　方濤

摘 要：隨著人們生活水平的日益提高，人民對(duì)生活有了更加精致的要求，人們傾向于追求安全又刺激的娛樂項(xiàng)目，比如賽車競(jìng)技。但傳統(tǒng)的賽車競(jìng)技在滿足刺激感的同時(shí)，無法保證百分百的安全，所以能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控的駕車方式就顯得尤為重要。微縮現(xiàn)實(shí)、模擬場(chǎng)景，會(huì)將駕駛者與車剝離開來，在不影響駕駛的同時(shí)，帶給駕駛者刺激、快樂，還能保證駕駛者絕對(duì)的安全性。

關(guān)鍵詞：賽車競(jìng)技 遠(yuǎn)程操控 微縮現(xiàn)實(shí) 模擬場(chǎng)景

Design and Research of Modular Remote Real-time Simulation Driving System

Hu Yangguang Tan Xin Song Jintao Yang Mingqin Zhang Zhao Fang Tao

Abstract：With the improvement of people's living standards， people have more refined requirements for life， and people tend to pursue safe and exciting entertainment projects， such as racing. However， the traditional racing competition cannot guarantee 100% safety while satisfying the excitement. Therefore， the driving method that can be remotely controlled in real time is particularly important. Miniature reality and simulated scenes will separate the driver from the car， without affecting the driving.

Key words：racing competition， remote control， miniature reality， simulation scene

1 前言

智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，機(jī)械、電子信息和先進(jìn)數(shù)字制造結(jié)合的產(chǎn)品越來越普遍，已經(jīng)成為了國際上發(fā)展的必然趨勢(shì)。每一個(gè)創(chuàng)新產(chǎn)品的出現(xiàn)都提高了人們的生活質(zhì)量，促進(jìn)了社會(huì)的進(jìn)步。模塊化遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)駕駛模擬系統(tǒng)結(jié)合了機(jī)電數(shù)等方面的知識(shí)。實(shí)現(xiàn)了在屏幕前遠(yuǎn)程模擬駕駛的體驗(yàn)快感。勢(shì)必豐富人們?cè)诰裥枨?3D打印技術(shù)又稱三維打印技術(shù)，是一種累積制造技術(shù)，用于快速成型領(lǐng)域。開放性的可塑性，可根據(jù)用戶不同的需求定制出個(gè)性化的產(chǎn)品外形，與市面上各大建模軟件如CATIA、UG、SolidWorks、proe等無縫對(duì)接，體現(xiàn)了3D打印技術(shù)的通用性優(yōu)勢(shì)。3D打印技術(shù)與機(jī)械制造技術(shù)、先進(jìn)數(shù)字材料制造技術(shù)，數(shù)字遠(yuǎn)程控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，深度融合出模塊化遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)駕駛系統(tǒng)，方便了車體內(nèi)部構(gòu)造，減少了材料的選擇和成本，為我國十四五規(guī)劃建設(shè)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)域做出一份貢獻(xiàn)。

2 項(xiàng)目背景

隨著人們生活水平的日益提高，人們?cè)絹碓皆谝饩裆睿S多追求賽車刺激的年輕人喜歡參加賽車競(jìng)技，但是這種賽車競(jìng)技具有一定的危險(xiǎn)性，在高速行駛的情況下，賽車很容易發(fā)生危險(xiǎn)。所以我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)了模塊化遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)模擬駕駛系統(tǒng)，模擬真車駕駛的環(huán)境，遠(yuǎn)程的操控一臺(tái)等比例縮小的小車，既能帶給駕駛者操控汽車的快樂，又能保證駕駛的安全性。

3 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

模塊化遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)模擬駕駛系統(tǒng)是利用3D技術(shù)打印模塊化的車身，駕駛者通過操控汽車的駕駛系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)賽車，由模擬駕駛操縱平臺(tái)和競(jìng)技賽車兩個(gè)主體組成。模擬駕駛操縱平臺(tái)安裝有方向盤、踏板、檔位和圖像屏幕，如圖1所示。競(jìng)技賽車除電控部分、輪子和減震系統(tǒng)皆是3D打印的零件拼裝而成，具有破損零部件可以隨時(shí)替換和車身個(gè)性化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，如圖2所示。

4 系統(tǒng)工作原理

4.1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

模塊化遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)模擬駕駛程序運(yùn)行流程圖如圖3：駕駛端的單片機(jī)ARDUINO NANO負(fù)責(zé)讀取方向盤旋轉(zhuǎn)角度、踏板下壓角度、檔位開關(guān)、調(diào)速數(shù)據(jù)、喇叭數(shù)據(jù)等各個(gè)模擬器的信息，單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過程序集中處理，轉(zhuǎn)換格式，打包經(jīng)外部雙向全雙工通信模塊，定向傳輸信息至被駕駛端;被駕駛端車載單片機(jī)接受信息，將信息集中處理、轉(zhuǎn)換格式，再將各個(gè)信息值賦值給各個(gè)功能模塊，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)模擬駕駛的作用。被駕駛端車載裝有防撞保護(hù)模塊，當(dāng)車前方或者后方即將碰撞時(shí)，會(huì)執(zhí)行制動(dòng)保護(hù)的工能，以此保證車處于安全狀態(tài)。

在程序中利用四輪差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的功能，控制端方向盤每旋轉(zhuǎn)一定角度在程序中對(duì)應(yīng)四輪差速配比，以此實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向角度的大小。在實(shí)際運(yùn)行中，控制端方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可以很快的反映到車的車輪，程序中延遲設(shè)置的很低。

4.2 通訊信息傳輸

我們采用了通訊頻段為2.4G，1000Mw，具有高穩(wěn)定性的工業(yè)級(jí)別的無線傳輸模塊。開闊地帶傳輸距離可達(dá)8公里，信號(hào)傳輸穩(wěn)定，全雙工雙向傳輸，既可傳輸信息，也可接受信息。內(nèi)置三種傳輸功能，具有LDO穩(wěn)定供電，中斷組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無死角，不會(huì)與圖像傳輸信息發(fā)生干擾。

4.3 圖像信息傳輸

圖像傳輸有兩種方式：一種在車身前端安裝5.8G圖像傳輸模塊，這種傳輸方式簡(jiǎn)單直接，但是弊端是不可忽視的，傳輸距離短，穿墻能力弱，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的需要。另一種是車身前端安裝有360°全景攝像頭，攝像信息經(jīng)5G圖像傳輸模塊傳輸至網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)，經(jīng)平臺(tái)再傳輸至手機(jī)軟件端，駕駛者只需要戴VR眼鏡即可實(shí)時(shí)360°觀看車周圍景象，給予駕駛者親臨現(xiàn)場(chǎng)的感覺，又滿足駕車極大的安全性。

4.4 供電系統(tǒng)

模塊化駕駛儀的電源分為兩種，一種是家用220V電源，這種電源是在控制駕駛端使用，通過降壓模塊降至12V供電圖像接收裝置，再降壓至5V供電單片機(jī)。另一種為航模電池24V，5000毫安電源，我們將電池放置車身中，供電車各個(gè)電路模塊。

5 模塊化遠(yuǎn)程模擬駕駛的優(yōu)勢(shì)

（1）與單純的熒幕駕駛相比，模塊化遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)模擬駕駛系統(tǒng)具有真實(shí)的小汽車，更容易產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)的互動(dòng)，給人于真實(shí)刺激的駕車體驗(yàn)。

（2）結(jié)合虛擬駕駛和現(xiàn)實(shí)駕駛，具有安全性和高效性配合特殊的跑道，視覺沖擊強(qiáng)烈，在家就能有絕佳的駕駛體驗(yàn)。

（3）低成本，低花銷，拉近與普通消費(fèi)者的距離，更容易被大眾所接受。

（4）駕駛體驗(yàn)真實(shí)，安全又刺激，占地面積小，節(jié)約地皮的費(fèi)用。

（5）3D打印模塊化的車身能降低車的加工成本和經(jīng)濟(jì)成本，可根據(jù)用戶需求定制個(gè)性化的車身外觀。

6 市場(chǎng)應(yīng)用前景

①面向賽車市場(chǎng)和汽車制造商展開合作，重新制作升級(jí)小汽車，增強(qiáng)車的性能，豐富駕駛者在遠(yuǎn)程駕駛中的刺激感。視覺系統(tǒng)升級(jí)為VR實(shí)時(shí)模擬駕駛系統(tǒng)。

②投放在校園內(nèi)，作為校園速遞小車，幫助同學(xué)們?cè)谛@內(nèi)取快遞，取外賣，節(jié)省同學(xué)們的時(shí)間和精力。

③面向中小學(xué)教育行業(yè)，模塊化的遠(yuǎn)程模擬駕駛小車，各模塊相互分離又緊密結(jié)合，優(yōu)越的可視化，提高學(xué)生課外動(dòng)手時(shí)間能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，促進(jìn)創(chuàng)新在中小學(xué)教育行業(yè)的發(fā)展。

7 結(jié)論

總而言之，在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)，人工智能等新興產(chǎn)業(yè)迅速崛起。模塊化遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)模擬駕駛系統(tǒng)與當(dāng)今科技興國的背景相貼合，豐富人們的精神需求，為當(dāng)代年輕人提供了更加刺激的娛樂項(xiàng)目，讓更多的人即使沒有駕照也可以體驗(yàn)到開車的樂趣。駕駛系統(tǒng)具有很廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，在駕校，商場(chǎng)，下線體驗(yàn)店等都可以投放。本文主要根據(jù)系統(tǒng)工作原理以及發(fā)展前景對(duì)駕駛系統(tǒng)進(jìn)行介紹，希望對(duì)今后模擬駕駛領(lǐng)域提供一些參考價(jià)值，也希望通過團(tuán)隊(duì)的努力可以推進(jìn)社會(huì)的發(fā)展。

項(xiàng)目來源：吉林省省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（2019SJ015）。

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