一種基于實車的實景虛擬駕駛教學平臺

王鋒　潘夢鷂　李佳威

摘 要：針對高校大學生群體“學車熱”現象，設計了一種基于實車的實景虛擬駕駛平臺，用于校內安全駕駛教學。通過對二手車或臨近報廢車進行改裝，加裝相關連接機構及傳感器，并配以虛擬教學系統，搭建基于實車的虛擬駕駛教學平臺，設置理論、虛擬及實景教學模塊，學生可在實車環境中進行駕駛理論及駕駛技能學習，既保證了學生在實車環境中的安全駕駛學習需求，又避開了無證駕駛的安全隱患，可有效避免新手實車演練的帶來的各種意外事故。采用基于實車的實景虛擬駕駛平臺加強對學生汽車安全駕駛的教育教學，全面提升學生的交通安全意識及駕駛技能，可在一定程度上降低交通事故的發生率，并提升學生的綜合職業競爭能力。

關鍵詞：實車環境 虛擬駕駛 教學平臺 實景引導教學

A Real-scene Virtual Driving Teaching Platform Based on Real Vehicle

Wang Feng Pan Mengyao Li Jiawei

Abstract：Aiming at the phenomenon of "learning to drive" among college students，designed a real-scene virtual driving platform based on real vehicle， for teaching safe driving in school.By retrofitting used or near Scrap vehicles，add related connection mechanism and sensor，and add virtual teaching system，build a virtual driving teaching platform based on real vehicles，set up theoretical， virtual and real-scene teaching modules，students can learn driving theory and driving skills in the real vehicle environment，It not only ensure the safe driving learning needs of students in the real vehicle environment，but also avoid the safety hazards of unlicensed driving，It can effectively avoid various accidents caused by novice real vehicle drills.Adopting the real-scene virtual driving platform based on real vehicle to strengthen the education of safety driving for students，comprehensively enhance students' traffic safety awareness and driving skills，It can reduce the incidence of traffic accidents to a certain extent， and improve the comprehensive professional competitiveness of students.

Key words：real vehicle environment，virtual driving，teaching platform，real-scene guided teaching

1 引言

汽車作為現代文明的重要標志之一，已經成為當今社會不可或缺的重要組成部分，汽車產業也是推動一國或地區經濟發展的重要引擎。近年來，伴隨我國經濟和產業技術的不斷發展，我國汽車產業已步入高速發展階段。據公安部統計，截至2022年3月底，全國機動車保有量達4.02億輛，其中汽車3.07億輛；機動車駕駛人4.87億人，其中汽車駕駛人4.50億人。2022年一季度全國新注冊登記機動車934萬輛，新領證駕駛人775.8萬人[1]。然而伴隨著機動車保有量和駕駛人員數量的持續增加，交通安全形勢也愈發嚴峻。據中國統計年鑒相關統計數據[2]，最近5年，我國每年發生交通事故超過20萬起，每年因交通事故導致的死亡人數超過6萬人、受傷人數超過20萬人，每年因交通事故造成的直接財產損失超過12億元。通過交通事故案例分析，諸多交通事故是因駕駛人員駕駛行為不文明、駕駛理論或駕駛技能缺乏所致。

近年來，隨著汽車的日益普及，高校大學生群體也掀起了“學車熱”。針對汽車安全駕駛的學習需求，部分本科或高職院校的汽車專業也開設了汽車安全駕駛相關的課程，但由于絕大部分學生入學前未考具駕照，致使相關課程教學僅停留在多媒體理論教學或由具備資質的教師進行實車演練的境況，基于安全因素，學生個人無法進行實車演練學習。學生只能在具備資質的駕校報名繳費后，在駕校教練的陪護下進行實車練習。然而，駕校基于營利目的，只能對考生進行短期的應試性培訓，理論及實操教學面窄，諸多考生獲取駕照后或面臨不敢駕車的窘境，或由于理論及實操技能欠缺，導致諸多交通事故，有的甚至為此付出了寶貴的生命。因此，在校內加強對大學生關于汽車安全駕駛相關的教育教學顯得尤有必要。

傳統的教育方式，通過印在書本上的圖文與課堂上多媒體的展示來獲取知識，這樣學習時間長了學生就會逐漸疲憊，從而使學習效果變差、學習效率降低。然而諸多網絡游戲為什么如此吸引人？其本質就是回到場景，讓玩家參與其過程，有的甚至利用虛擬現實技術讓玩家介入其中進行交互，進而獲得良好的參與體驗，致使諸多玩家流連忘返。虛擬現實技術具有三大特性：交互性、沉浸性、想象性。基于虛擬現實的巨大技術優勢，采用虛擬現實技術對學生進行汽車安全駕駛教育教學是一條增強學生安全駕駛技能及培養學生交通安全意識的切實可行途徑。近年來，虛擬駕駛技術得到了廣泛研究和應用[3-7]，但虛擬駕駛技術的研究主要集中于虛擬駕駛系統的開發，其應用主要集中于駕考和駕校培訓及進行駕駛行為分析等，而應用于廣泛培養、提升駕駛人員駕駛理論及駕駛技能的較少，應用于校內安全駕駛教學的更少；虛擬駕駛場景采用基于現實場景建模的較多，而采用真實場景的較少。

2 基于實車的實景虛擬駕駛教學平臺框架組成

為方便開展汽車安全駕駛教育教學，本文設計了一種基于實車的實景虛擬駕駛平臺，其原理框架如下圖1所示。該平臺通過對二手車或臨近報廢車進行改裝，斷開原車的動力系統，保留原車的其他附件，加裝相關連接機構及傳感器，并配以虛擬教學系統，從而搭建基于實車的虛擬駕駛操作平臺，學生可以在實車環境中進行駕駛理論和駕駛技能的學習，從而獲得更好的駕駛體驗。此外，教師可錄制真實的教學場景或將真實發生的交通事故場景置于該平臺的教學系統內，并在真實場景中設置理論或實操技能學習及考核要點，學生可以進行基于真實場景的、交互式的駕駛理論或駕駛技能學習，可以大大提升學生的學習興趣和學習效果。

3 基于實車的實景虛擬駕駛教學平臺硬件實現

實景虛擬駕駛平臺固定安裝在室內，利用便宜的二手車或臨近報廢車進行改裝，可大大節約平臺制作成本，具體如下：

（1）斷開原車的動力系統，保留原車的其他附件，如燈光、車窗、雨刮等系統。

（2）斷開原車方向盤連桿，增加方向盤轉角位置傳感器及萬向節連接機構、電動助力轉向電機，組成轉角控制信號采集系統，方向盤轉角位置信號送入虛擬駕駛控制器。

（3）在原車油門踏板加裝油門信號傳感器，用于采集油門信號，并送入虛擬駕駛控制器。

（4）在原車剎車踏板加裝剎車信號傳感器，用于采集剎車信號，并送入虛擬駕駛控制器。

（5）在原車離合器踏板加裝離合器信號傳感器，用于采集離合器信號，并送入虛擬駕駛控制器。若為自動檔汽車，需在原離合器踏板位置加裝離合器踏板及離合器信號傳感器。

（6）在原車檔位操作桿加裝檔位信號傳感器，用于采集檔位信號，并送入虛擬駕駛控制器。若為自動檔汽車，需拆除原自動檔位操作桿，并在原檔位操作桿區域加裝檔位操作桿及檔位信號傳感器。

（7）在原車手剎操控桿加裝手剎信號傳感器，用于采集手剎信號，并送入虛擬駕駛控制器。

（8）增加安全帶卡扣傳感器，用于采集安全帶佩戴信號，并送入虛擬駕駛控制器。

（9）在原車鑰匙開關采集汽車點火啟動信號，并送入虛擬駕駛控制器。

（10）采集原車的燈光、雨刮等控制信號，并送入虛擬駕駛控制器。

（11）虛擬駕駛控制器通過USB接口與虛擬駕駛主機相連。

（12）虛擬駕駛主機通過HDMI接口連接臺架式75寸4K高清顯示屏，顯示屏置于車輛正前方，用于虛擬駕駛操作界面顯示。

（13）虛擬駕駛主機通過國標3.5mm音頻接口連接音響提示系統，音響置于車內，用于給駕駛人員提供駕駛音響提示。

實景虛擬駕駛平臺其外觀如圖2所示，該平臺整車采用卡羅拉2014款，顯示屏采用小米75寸4K高清顯示屏。

實景虛擬駕駛平臺采用的虛擬駕駛控制器及各類傳感模塊如下圖3所示。

4 基于實車的實景虛擬駕駛教學平臺軟件實現

基于實車的實景虛擬駕駛平臺操作軟件以Unity 3D為開發平臺，輔助3D MAX軟件共同實現。Unity 3D是由Unity Technologies 公司研發的虛擬現實引擎，由于其具有可視化編程界面、支持Open GL和Direct11、集成了Phys X3.3物理系統等眾多功能特點，所以在虛擬模擬仿真領域中有較廣泛應用[8]。基于實車的實景虛擬駕駛平臺操作軟件主要包括兩個部分：一是虛擬駕駛仿真軟件Simulator，二是實景虛擬駕駛制作軟件VideoEditor。虛擬駕駛仿真軟件Simulator內置三個功能模塊：駕駛理論教學模塊、虛擬仿真教學模塊及實景引導教學模塊。

4.1 駕駛理論教學模塊

駕駛理論教學模塊設置三個功能：一是交規及駕駛理論學習，可以學習《道路交通安全法》、《道路交通安全違法行為記分管理辦法》等交通法規及駕駛技術理論知識；二是駕駛視頻學習，主要是通過視頻學習汽車檔位、汽車操作部件、汽車方向盤、汽車油門踏板、汽車離合器踏板、剎車踏板及汽車燈光等基礎知識及其操作要領；三是駕考題目訓練，通過導入駕考理論考核模擬題庫，可以進行駕考模擬題目測試練習。駕駛理論教學模塊操作界面如下圖4所示。

4.2 虛擬仿真教學模塊

虛擬仿真教學模塊設置兩個功能：一是基礎車感教學，主要是在虛擬場景中，在視頻及語音的提示下，進行掛檔訓練、方向盤操作訓練、油門踏板控制訓練、剎車踏板控制訓練、離合器踏板控制訓練、燈光操作訓練、起停車訓練等；二是駕考科目訓練，主要是在虛擬場景中，在視頻及語音的提示下，進行側方停車訓練、倒車入庫訓練、直角轉彎訓練、曲線行駛訓練、及坡道定點停車和起步訓練。虛擬仿真教學模塊操作界面如下圖5所示。

4.3 實景引導教學模塊

實景引導教學模塊設置四個功能：一是基礎車感教學，主要是在錄制好的真實場景中，在視頻及語音的提示下，進行掛檔訓練、方向盤操作訓練、油門踏板控制訓練、剎車踏板控制訓練、離合器踏板控制訓練、燈光操作訓練、起停車訓練等，系統將根據設置好的操作要領給出操作正確或操作錯誤的操作警示；二是駕考科目訓練，主要是在錄制好的真實場景中，在視頻及語音的提示下，進行側方停車訓練、倒車入庫訓練、直角轉彎訓練、曲線行駛訓練、及坡道定點停車和起步訓練，系統將根據設置好的操作要領給出操作正確或操作錯誤的操作警示；三是實景案例教學，教師選用現有典型路況視頻或選取市區典型路況進行視頻錄制，然后將典型路況視頻通過實景虛擬駕駛制作軟件VideoEditor進行編輯制作，將制作好的文件導入虛擬駕駛仿真軟件Simulator后，駕駛人員在駕駛練習過程中，系統會自動根據設置好的操作要領給出操作正確或操作錯誤的操作警示；四是實景自由駕駛，駕駛人員可以在事先錄制好的實景路段內進行自由駕駛練習，駕駛過程中無語音和操作提示，完全由駕駛人員根據路況自由駕駛，從而進一步訓練提高駕駛人員的操作技能，達到實車演練的效果。實景引導教學模塊操作界面如下圖6所示。

4.4 實景教學案例制作

實景教學案例制作功能，方便教師錄制真實的教學場景或將真實發生的交通事故場景置于該平臺的教學系統內，并在真實場景中設置理論或實操技能學習及考核要點，學生可以進行基于真實場景的、交互式的駕駛理論或駕駛技能學習。實景虛擬駕駛制作軟件VideoEditor用于實景虛擬駕駛視頻編輯制作，其視頻編輯界面如下圖7所示。

視頻編輯界面中，主要有三個功能區：題目數據功能區用于設置整個視頻中的考核操作點，編輯時可根據實際需要增、減操作點個數；分段數據功能區用于編輯各小段視頻的提示信息；錯誤修正功能區用于在駕駛人員操作錯誤時給出修正信息提示。點擊選中某一功能區，可在界面右側進行相應的設置或編輯相應的提示信息。

視頻編輯操作流程如下：

（1）將錄制好的待編輯視頻放入指定文件夾，打開VideoEditor軟件，并選中待編輯視頻。

（2）點擊錄制題目按鈕進入視頻編輯界面，點擊播放按鈕播放視頻至操作點處暫停，點擊題目數據功能區，再點擊右側增刪數據點的“+”按鈕，生成操作點1。

（3）在操作點1的步驟1選擇其中一個或多操作部件，如油門踏板、剎車踏板、離合器踏板、方向盤、各類車燈、雙閃燈、檔位、手剎、喇叭、安全帶、雨刮等，并設置所選部件對應的操作，如剎車、油門或離合器的輕踩、踩一半、踩到底、全松等，如方向盤的回正、左或右打半圈、左或右打一圈、左或右打滿等，如檔位的空檔、1檔、2檔、倒檔等；如遠光的打開、關閉等。

（4）在操作點1若有多個部件需先后進行操作，可點增刪步驟的“+”按鈕，增加若干操作步驟，各步驟設置如（3）所述。

（5）若有需要，還可設置運行至操作點1處時按秒倒計時提示，未設置倒計時默認為連續操作。

（6）點擊分段數據功能區，可編輯操作點1分段名稱及分段描述，當運行至該段時將出現分段信息提示。

（7）點擊錯誤修正功能區，可設置操作點1所選部件在駕駛人員操作錯誤時給出信息提示，如“操作錯誤！離合器未處于半聯動狀態！”、“操作錯誤！雙閃燈未開！”、“操作錯誤！檔位設置不當，應設置空檔！”等。

（8）操作點1設置完畢，點擊播放按鈕播放視頻至下一操作點處暫停，點擊題目數據功能區，再點擊右側增刪數據點的“+”按鈕，生成操作點2，并按前述步驟設置操作點2。后續操作點設置如前所述，如圖6已設置8個操作點。

（9）視頻所有操作點設置完畢，保存本地文件，生成縮略圖，并將VideoEditor生成的DownloadCaches文件夾整體復制到虛擬駕駛仿真軟件Simulator的Simulator_Data目錄下，即可使用該視頻資源進行實景教學。

5 結語

基于實車的實景虛擬駕駛平臺既保證了學生對駕駛理論和駕駛技能的學習需求，又避開了學生無證駕駛的安全隱患，可有效避免新手實車演練的帶來的各種意外事故。基于實車的實景虛擬駕駛平臺引入基于真實場景的教學案例，教師可錄制真實的教學場景或將真實發生的交通事故場景置于虛擬教學系統，并在其中設置理論或實操技能學習及考核要點，使教學更加貼近實際，學生在實車環境中進行實景駕駛理論和駕駛技能的學習，可以獲得更好的駕駛體驗，可大大提升教學效果。基于實車的實景虛擬駕駛平臺不受天氣、環境等影響，可在任意時間開展教學，且不消耗燃油，不會產生污染，可以大大節約培訓成本。基于實車的實景虛擬駕駛平臺將虛擬駕駛技術應用于“三教”改革，可提高教學質量，用現代化的手段推動教學工作的發展。采用基于實車的實景虛擬駕駛平臺加強對學生汽車安全駕駛的教育教學，全面提升學生的交通安全意識及駕駛技能，可在一定程度上降低交通事故的發生率，并提升學生的綜合職業競爭能力。

基金項目：培育引進專業群帶頭人，打造高水平“雙師型”教師隊伍（12000002040100）。

參考文獻：

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