1、第4章 汽車駕駛仿真器 4.1.概況概況4.2.汽車駕駛仿真器的原理汽車駕駛仿真器的原理4.3. 汽車駕駛仿真器的關鍵技術4.4. 汽車駕駛仿真器的開發與發展趨勢汽車駕駛仿真器的開發與發展趨勢4.1.概況概況 駕駛仿真系統是基于駕駛仿真系統是基于vr技術的一個新的研究熱點。技術的一個新的研究熱點。 虛虛擬現實技術應用于汽車駕駛仿真系統中，就是通過計算機產擬現實技術應用于汽車駕駛仿真系統中，就是通過計算機產生汽車行駛過程中的虛擬視景、音響效果和運動仿真，使駕生汽車行駛過程中的虛擬視景、音響效果和運動仿真，使駕駛員沉浸到虛擬駕駛環境中，并有實車駕駛的感覺，駕駛員駛員沉浸到虛擬駕駛環境中，并有實車駕

2、駛的感覺，駕駛員根據虛擬駕駛環境提供的視覺、聽覺、觸覺感受，構想其駕根據虛擬駕駛環境提供的視覺、聽覺、觸覺感受，構想其駕駛動作，操縱模擬駕駛艙中的操縱機構，計算機根據駕駛員駛動作，操縱模擬駕駛艙中的操縱機構，計算機根據駕駛員的操作狀態，實時地改變汽車在虛擬環境中的狀態，其過程的操作狀態，實時地改變汽車在虛擬環境中的狀態，其過程的不斷循環，構成駕駛員的不斷循環，構成駕駛員虛擬駕駛環境之間的交互作用，虛擬駕駛環境之間的交互作用，實現了汽車的虛擬駕駛，從而體驗、認識和學習現實世界中實現了汽車的虛擬駕駛，從而體驗、認識和學習現實世界中的汽車駕駛。的汽車駕駛。第4章 汽車駕駛仿真器4.1.概況概況 汽車

3、駕駛仿真系統具有駕駛模擬效果逼真、節汽車駕駛仿真系統具有駕駛模擬效果逼真、節能、安全、經濟，不受時間、氣候、場地的限制，能、安全、經濟，不受時間、氣候、場地的限制，駕駛訓練效率高、培訓周期短等優勢，在新車型開駕駛訓練效率高、培訓周期短等優勢，在新車型開發和駕駛培訓方面應用十分廣泛。發和駕駛培訓方面應用十分廣泛。virtools作為作為虛擬現實技術的開發工具之一，以其友好的圖形開虛擬現實技術的開發工具之一，以其友好的圖形開發界面和強大的三維引擎功能，越來越受到人們的發界面和強大的三維引擎功能，越來越受到人們的信賴，是研究與實現汽車駕駛仿真系統的理想工具。信賴，是研究與實現汽車駕駛仿真系統的理想工

4、具。 第4章 汽車駕駛仿真器4.1.1 國內外研究動態國內外研究動態 從從20世紀世紀80年代以來，國外的各大汽車集團和汽車技術年代以來，國外的各大汽車集團和汽車技術研研究機構就開始投入大量的人力、物力甚至應用國防及空間領究機構就開始投入大量的人力、物力甚至應用國防及空間領域的高精技術來開發各類駕駛仿真系統。域的高精技術來開發各類駕駛仿真系統。 1985年，德國戴姆勒年，德國戴姆勒奔馳公司在柏林研制成功了六自奔馳公司在柏林研制成功了六自由由度開發型駕駛模擬器，該系統已成功地用于系列化高速轎車度開發型駕駛模擬器，該系統已成功地用于系列化高速轎車的產品開發中，其性能代表著當時汽車駕駛仿真技術的最高

5、的產品開發中，其性能代表著當時汽車駕駛仿真技術的最高水平。與此同時，瑞典的水平。與此同時，瑞典的vdi公司也建成了規模較小的汽車公司也建成了規模較小的汽車駕駛模擬器，用于瑞典車輛和交通系統的研究與開發。駕駛模擬器，用于瑞典車輛和交通系統的研究與開發。第4章 汽車駕駛仿真器4.1.1 國內外研究動態國內外研究動態1989年，德國大眾汽車公司改建了其原有的駕駛模擬器，更新年，德國大眾汽車公司改建了其原有的駕駛模擬器，更新了計算機運算系統和視景生成系統，并用于新產品的研制中。了計算機運算系統和視景生成系統，并用于新產品的研制中。1991年，日本馬自達汽車公司興建了跑車開發型汽車駕駛模擬年，日本馬自達

6、汽車公司興建了跑車開發型汽車駕駛模擬器。器。1993年，美國依阿華車輛中心啟用年，美國依阿華車輛中心啟用1300萬美元來開發汽車駕駛萬美元來開發汽車駕駛模擬系統。模擬系統。1995年，日本汽車研究所（年，日本汽車研究所（jari）也建成了帶有立體感模擬）也建成了帶有立體感模擬系統的駕駛模擬器。系統的駕駛模擬器。 目前，德國、瑞典、日本、美國的各大汽車廠家和研究室都相目前，德國、瑞典、日本、美國的各大汽車廠家和研究室都相應更新了自己的開發型汽車駕駛仿真系統，不斷完善車輛的動應更新了自己的開發型汽車駕駛仿真系統，不斷完善車輛的動力學模型，運動系統都可以模擬六個自由度的運動情況，視景力學模型，運動系

7、統都可以模擬六個自由度的運動情況，視景系統采用計算機成像系統系統采用計算機成像系統(cgi)，可以提供逼真的車輛環境。，可以提供逼真的車輛環境。第4章 汽車駕駛仿真器4.1.1 國內外研究動態國內外研究動態1989年，德國大眾汽車公司改建了其原有的駕駛模擬器，更新年，德國大眾汽車公司改建了其原有的駕駛模擬器，更新了計算機運算系統和視景生成系統，并用于新產品的研制中。了計算機運算系統和視景生成系統，并用于新產品的研制中。1991年，日本馬自達汽車公司興建了跑車開發型汽車駕駛模擬年，日本馬自達汽車公司興建了跑車開發型汽車駕駛模擬器。器。1993年，美國依阿華車輛中心啟用年，美國依阿華車輛中心啟用1

8、300萬美元來開發汽車駕駛萬美元來開發汽車駕駛模擬系統。模擬系統。1995年，日本汽車研究所（年，日本汽車研究所（jari）也建成了帶有立體感模擬）也建成了帶有立體感模擬系統的駕駛模擬器。系統的駕駛模擬器。 目前，德國、瑞典、日本、美國的各大汽車廠家和研究室都相目前，德國、瑞典、日本、美國的各大汽車廠家和研究室都相應更新了自己的開發型汽車駕駛仿真系統，不斷完善車輛的動應更新了自己的開發型汽車駕駛仿真系統，不斷完善車輛的動力學模型，運動系統都可以模擬六個自由度的運動情況，視景力學模型，運動系統都可以模擬六個自由度的運動情況，視景系統采用計算機成像系統系統采用計算機成像系統(cgi)，可以提供逼真

9、的車輛環境。，可以提供逼真的車輛環境。第4章 汽車駕駛仿真器4.1.2 國內研究現狀國內研究現狀 我國在駕駛仿真系統方面的研究起步較晚，經歷了一個從我國在駕駛仿真系統方面的研究起步較晚，經歷了一個從引進國外產品到自行研制的較漫長的發展過程。開始是引引進國外產品到自行研制的較漫長的發展過程。開始是引進捷克的點光源平板投影式仿真器，道路盤上的道路是用進捷克的點光源平板投影式仿真器，道路盤上的道路是用筆描繪而成的平面景象，無坡道；接著引進了美國的放電筆描繪而成的平面景象，無坡道；接著引進了美國的放電影、被動式汽車仿真器，一個控制臺控制影、被動式汽車仿真器，一個控制臺控制20個座艙。個座艙。 20世紀

10、世紀70年代，中國已經有自己研制的點光源、轉盤機年代，中國已經有自己研制的點光源、轉盤機電式汽車模擬器電式汽車模擬器14了。了。 90年代，隨著計算機技術和圖形、圖像技術的發展，汽車年代，隨著計算機技術和圖形、圖像技術的發展，汽車駕駛仿真系統走進國內，多所知名大學都在這方面作了大駕駛仿真系統走進國內，多所知名大學都在這方面作了大量貢獻。量貢獻。第4章 汽車駕駛仿真器4.1.2 國內研究現狀國內研究現狀 裝甲兵工程學院開發的裝甲兵工程學院開發的mul-qjm汽車駕駛模擬器采用了汽車駕駛模擬器采用了實時車輛動力學、運動學仿真模型和實時實時車輛動力學、運動學仿真模型和實時cgi技術，不僅技術，不僅可

11、以完成汽車駕駛培訓，還可以進行車輛安全性、人機工可以完成汽車駕駛培訓，還可以進行車輛安全性、人機工程、道路工程等的研究。程、道路工程等的研究。 南京大學軟件新技術國家重點實驗室應用三維場景人工智南京大學軟件新技術國家重點實驗室應用三維場景人工智能技術，采用通用的軟硬件平臺，開發出了主動式三維汽能技術，采用通用的軟硬件平臺，開發出了主動式三維汽車駕駛訓練模擬器車駕駛訓練模擬器15。 昆明理工大學交通綜合模擬實驗室也于昆明理工大學交通綜合模擬實驗室也于1999年開發出了年開發出了基于網絡的基于網絡的wm汽車駕駛模擬器，除了其先進的車輛模型、汽車駕駛模擬器，除了其先進的車輛模型、逼真的視景系統外，它

12、的聯網功能可允許多臺駕駛模擬器逼真的視景系統外，它的聯網功能可允許多臺駕駛模擬器同時操作，并具有可選擇的對車輛的監視功能。同時操作，并具有可選擇的對車輛的監視功能。 第4章 汽車駕駛仿真器4.1.2 國內研究現狀國內研究現狀 北京航空航天大學研制的北京航空航天大學研制的mcgi-9410t計算機成像系計算機成像系統、航空精密機械研究所研制的統、航空精密機械研究所研制的qmcgi汽車駕駛汽車駕駛訓練模擬系統也相當有代表性。訓練模擬系統也相當有代表性。 2004年年2月中旬，由北京科技大學信息學院研制的月中旬，由北京科技大學信息學院研制的vr-4駕駛模擬器的問世首先重點解決了駕駛模擬器的問世首先重

13、點解決了“學員駕車學員駕車的人造環境問題的人造環境問題”。這種。這種vr-4型駕駛模擬器可以讓型駕駛模擬器可以讓學習者在視覺感受，操縱感受和運動感受三方面都能學習者在視覺感受，操縱感受和運動感受三方面都能找到真實駕駛的感覺。這項技術已通過了專家鑒定，找到真實駕駛的感覺。這項技術已通過了專家鑒定，并取得了國家專利。并取得了國家專利。 吉林大學汽車動態模擬國家重點實驗室建設完成的開吉林大學汽車動態模擬國家重點實驗室建設完成的開發型發型adsl16,17駕駛模擬器，按其建設規模和性能駕駛模擬器，按其建設規模和性能設計指標，現居世界第二位。該設計指標，現居世界第二位。該adsl駕駛模擬器具駕駛模擬器具

14、有：真實的人有：真實的人車操作界面、重復可控的試驗場景、車操作界面、重復可控的試驗場景、可任意嵌入實物試驗、高速的仿真運算能力、無風險可任意嵌入實物試驗、高速的仿真運算能力、無風險的極限場景試驗等功能。的極限場景試驗等功能。 哈爾濱工程大學虛擬現實與醫學圖像處理實驗室于哈爾濱工程大學虛擬現實與醫學圖像處理實驗室于2007年開發了汽車駕駛模擬器，用于駕駛學校倒樁測試于練習年開發了汽車駕駛模擬器，用于駕駛學校倒樁測試于練習時使用。該模擬器采用真實的方向盤和制動系統，模擬器時使用。該模擬器采用真實的方向盤和制動系統，模擬器安裝在真實的汽車中，前后左右用四個顯示器分別模擬汽安裝在真實的汽車中，前后左右

15、用四個顯示器分別模擬汽車的前后窗，和左右兩個反光鏡。是人在模擬器中駕駛能車的前后窗，和左右兩個反光鏡。是人在模擬器中駕駛能達到沉浸、逼真的駕駛體驗。達到沉浸、逼真的駕駛體驗。第4章 汽車駕駛仿真器4.1.3 存在問題存在問題 縱觀國內外的相關研究，不難發現，目前在汽車縱觀國內外的相關研究，不難發現，目前在汽車駕駛仿真領域，已經取得了一些很好的成果，但駕駛仿真領域，已經取得了一些很好的成果，但是仍然存在許多問題：是仍然存在許多問題： 國外重視硬件開發，生成的視景數據太大，導致國外重視硬件開發，生成的視景數據太大，導致對硬件要求提高，模擬器的價格昂貴對硬件要求提高，模擬器的價格昂貴18；國內；國內

16、開發技術含量相對較低，已經研制出來的汽車駕開發技術含量相對較低，已經研制出來的汽車駕駛模擬系統大都沒有擺脫賽車游戲模式的束縛駛模擬系統大都沒有擺脫賽車游戲模式的束縛19，或多或少地存在著汽車視景與操縱動作脫，或多或少地存在著汽車視景與操縱動作脫節、遲后，節、遲后，“沉浸感沉浸感”、“交互性交互性”與與“實時性實時性”不強等缺點。不強等缺點。第4章 汽車駕駛仿真器4.1.3 存在問題存在問題 此外，隨著對汽車駕駛仿真系統需求的不斷增加，學員需此外，隨著對汽車駕駛仿真系統需求的不斷增加，學員需要的培訓方式不僅僅是對汽車上操縱機構的熟悉和應用過要的培訓方式不僅僅是對汽車上操縱機構的熟悉和應用過程，而

17、是一種程，而是一種“自助式自助式”的教學過程。這就要求駕駛模擬的教學過程。這就要求駕駛模擬裝置不僅能夠提供仿真的駕駛環境，而且還要求在駕駛訓裝置不僅能夠提供仿真的駕駛環境，而且還要求在駕駛訓練的過程中起到一種人類教練所具有指導功能練的過程中起到一種人類教練所具有指導功能20-23，能夠對訓練者的操作過程進行監督，指出其在操作上的錯能夠對訓練者的操作過程進行監督，指出其在操作上的錯誤并予以糾正，以及在操作完成時對訓練者所完成的操作誤并予以糾正，以及在操作完成時對訓練者所完成的操作進行合理的評價。進行合理的評價。 可見，自主研究與開發一個在普通微機上實現的，大眾化、可見，自主研究與開發一個在普通微

18、機上實現的，大眾化、易于普及的，針對人易于普及的，針對人車車環境閉環系統開發、適合我國環境閉環系統開發、適合我國道路狀況和交通法規的汽車駕駛仿真系統任重而道遠。道路狀況和交通法規的汽車駕駛仿真系統任重而道遠。第4章 汽車駕駛仿真器4.2.汽車駕駛仿真器的原理汽車駕駛仿真器的原理 汽車駕駛模擬器是用于汽車產品開發、汽車駕駛模擬器是用于汽車產品開發、“人一車一環境人一車一環境”交通特性研究或駕駛培訓的一種重要工具。根據其用途、交通特性研究或駕駛培訓的一種重要工具。根據其用途、性能、要求等方面的不同，基本上可以分為兩類性能、要求等方面的不同，基本上可以分為兩類:一類是一類是用于產品開發和用于產品開發

19、和“人人車車環境環境”系統等基礎研究的系統等基礎研究的模擬裝置模擬裝置(開發型駕駛模擬器或駕駛仿真器開發型駕駛模擬器或駕駛仿真器);另一類是用于另一類是用于安全教育、交通規則教育和駕駛訓練的模擬裝置。它們都安全教育、交通規則教育和駕駛訓練的模擬裝置。它們都被用來模擬真實的車輛駕駛和運行過程，系統的基本組成被用來模擬真實的車輛駕駛和運行過程，系統的基本組成原理也大致相同，但它們的應用領域、技術水平、成本以原理也大致相同，但它們的應用領域、技術水平、成本以及由此產生的效果卻有較大差別。開發型駕駛模擬器是利及由此產生的效果卻有較大差別。開發型駕駛模擬器是利用計算機，在電子、液壓、控制等技術支持下，從

20、人一車用計算機，在電子、液壓、控制等技術支持下，從人一車一環境閉環系統的整體性能出發，對汽車的主動安全性、一環境閉環系統的整體性能出發，對汽車的主動安全性、操縱性能等進行仿真研究和開發的大型實驗裝備。操縱性能等進行仿真研究和開發的大型實驗裝備。第4章 汽車駕駛仿真器4.2.汽車駕駛仿真器的原理汽車駕駛仿真器的原理 典型的開發型駕駛模擬器投資巨大，但功能非常全面。它典型的開發型駕駛模擬器投資巨大，但功能非常全面。它一般由運動模擬系統、視景模擬系統、控制操縱系統、音一般由運動模擬系統、視景模擬系統、控制操縱系統、音響模擬系統、觸感模擬系統及性能評價系統組成。響模擬系統、觸感模擬系統及性能評價系統組

21、成。 同造價昂貴、仿真性能全面的開發型駕駛模擬器相比，汽同造價昂貴、仿真性能全面的開發型駕駛模擬器相比，汽車駕駛訓練模擬器的應用主要是為了安全教育和駕駛訓練，車駕駛訓練模擬器的應用主要是為了安全教育和駕駛訓練，不同的應用決定了汽車駕駛訓練模擬器的功能相對比較單不同的應用決定了汽車駕駛訓練模擬器的功能相對比較單一一;經濟成本決定了駕駛訓練模擬器的結構比較簡單，無經濟成本決定了駕駛訓練模擬器的結構比較簡單，無法實現復雜的動力學和車輛控制系統的仿真。這類模擬器法實現復雜的動力學和車輛控制系統的仿真。這類模擬器有的采用了固定的駕駛艙，極大地降低了成本，在歐洲和有的采用了固定的駕駛艙，極大地降低了成本，

22、在歐洲和日本應用比較多。日本應用比較多。 研究開發這類模擬器的關鍵技術是系統軟件，包括計算機研究開發這類模擬器的關鍵技術是系統軟件，包括計算機的實時三維圖像生成、視景模型、汽車模型、交通模型、的實時三維圖像生成、視景模型、汽車模型、交通模型、網絡控制、聲響模擬等。網絡控制、聲響模擬等。第4章 汽車駕駛仿真器4.2.汽車駕駛仿真器的原理汽車駕駛仿真器的原理 目前國內生產和國外進口的汽車駕駛模擬器，基本屬于機目前國內生產和國外進口的汽車駕駛模擬器，基本屬于機電型點光源產品，主要缺點是不能真實模擬汽車的運動特電型點光源產品，主要缺點是不能真實模擬汽車的運動特性和轉向操縱特性性和轉向操縱特性.其點光源

23、投影方式的視景系統只能顯其點光源投影方式的視景系統只能顯示有限范圍的簡單道路，因而這種模擬器只能用于駕駛員示有限范圍的簡單道路，因而這種模擬器只能用于駕駛員的初級培訓，并且效果也不理想的初級培訓，并且效果也不理想.為了改善汽車駕駛模擬為了改善汽車駕駛模擬器的仿真性能，提高駕駛員的培訓效果，并使模擬器在汽器的仿真性能，提高駕駛員的培訓效果，并使模擬器在汽車性能研究和交通安全研究方面發揮更大作用，我們研制車性能研究和交通安全研究方面發揮更大作用，我們研制了應用現代仿真技術的汽車駕駛模擬器，即綜合應用微機了應用現代仿真技術的汽車駕駛模擬器，即綜合應用微機控制和計算機成像等現代仿真技術，從本質上取代機

24、電型控制和計算機成像等現代仿真技術，從本質上取代機電型點光源汽車駕駛模擬器，為其更廣泛地應用打下研究和應點光源汽車駕駛模擬器，為其更廣泛地應用打下研究和應用基礎。用基礎。第4章 汽車駕駛仿真器4.2.1 仿真駕駛器原理仿真駕駛器原理 駕駛艙系統、計算機控制系統等硬件系統和支持駕駛艙系統、計算機控制系統等硬件系統和支持網絡的視景仿真、音效仿真軟件系統。網絡的視景仿真、音效仿真軟件系統。 駕駛艙系統提供實現學員與虛擬駕駛環境之間交駕駛艙系統提供實現學員與虛擬駕駛環境之間交互作用、提高駕駛模擬訓練系統逼真度的有效手互作用、提高駕駛模擬訓練系統逼真度的有效手段段; 視景仿真系統和音響仿真系統是為了強化

25、駕駛模視景仿真系統和音響仿真系統是為了強化駕駛模擬訓練系統沉浸感的重要因素擬訓練系統沉浸感的重要因素; 計算機控制系統是連接視景仿真系統和駕駛艙操計算機控制系統是連接視景仿真系統和駕駛艙操作系統的必要通道在汽車駕駛模擬訓練系統中，作系統的必要通道在汽車駕駛模擬訓練系統中，學員根據視景、聲音、儀表等虛擬駕駛環境決定學員根據視景、聲音、儀表等虛擬駕駛環境決定駕駛動作，操作模擬駕駛艙中的操縱機構駕駛動作，操作模擬駕駛艙中的操縱機構;第4章 汽車駕駛仿真器4.2.1 仿真駕駛器原理仿真駕駛器原理 數據采集系統實時采樣所有操縱機構的狀態，包括方向盤、數據采集系統實時采樣所有操縱機構的狀態，包括方向盤、油

26、門踏板、腳剎踏板、離合器踏板、檔位、手剎車、點火油門踏板、腳剎踏板、離合器踏板、檔位、手剎車、點火開關等的狀態，并作為其輸入傳遞給計算機控制系統開關等的狀態，并作為其輸入傳遞給計算機控制系統; 計算機控制系統根據這些操縱機構的狀態和圖形生成系統計算機控制系統根據這些操縱機構的狀態和圖形生成系統反饋的道路狀況等信息，通過計算機的仿真計算，確定汽反饋的道路狀況等信息，通過計算機的仿真計算，確定汽車行駛的世界坐標位置，控制視景仿真系統實時動態生成車行駛的世界坐標位置，控制視景仿真系統實時動態生成下一幀虛擬視景，同時，驅動聲音提示和儀表顯示，改變下一幀虛擬視景，同時，驅動聲音提示和儀表顯示，改變汽車在

27、虛擬環境中的狀態。其過程的不斷循環，實現學員汽車在虛擬環境中的狀態。其過程的不斷循環，實現學員與虛擬駕駛環境之間的交互作用，從而達到駕駛模擬訓練與虛擬駕駛環境之間的交互作用，從而達到駕駛模擬訓練的目的，系統的構成原理如圖：的目的，系統的構成原理如圖：第4章 汽車駕駛仿真器4.2.1 仿真駕駛器原理仿真駕駛器原理圖圖4.1 駕駛系統的構成駕駛系統的構成第4章 汽車駕駛仿真器4.2.1 仿真駕駛器原理仿真駕駛器原理 汽車駕駛模擬器是一種能正確模擬汽車駕駛動作，汽車駕駛模擬器是一種能正確模擬汽車駕駛動作，獲得實車駕駛感覺的仿真設備。汽車駕駛模擬器，獲得實車駕駛感覺的仿真設備。汽車駕駛模擬器，又稱為汽

28、車模擬駕駛仿真系統，它集成了傳感器又稱為汽車模擬駕駛仿真系統，它集成了傳感器技術、計算機技術、數據通信技術、多媒體技術技術、計算機技術、數據通信技術、多媒體技術等先進技術。借助于駕駛模擬器，能對汽車一駕等先進技術。借助于駕駛模擬器，能對汽車一駕駛員一道路駛員一道路(環境環境)相互作用關系進行研究，也能相互作用關系進行研究，也能對駕駛員進行訓練。按其視景系統的不同，可分對駕駛員進行訓練。按其視景系統的不同，可分為被動式與主動式駕駛模擬器為被動式與主動式駕駛模擬器;按用途不同，可分按用途不同，可分為訓練型和開發型為訓練型和開發型;按駕駛模擬器的運動機構的不按駕駛模擬器的運動機構的不同，可分為座位固

29、定式、整車轉鼓式和座位可轉同，可分為座位固定式、整車轉鼓式和座位可轉動式三種類型。動式三種類型。第4章 汽車駕駛仿真器4.2.1 仿真駕駛器原理仿真駕駛器原理 駕駛模擬器的工作原理是：駕駛模擬器的工作原理是：1. 由安裝在駕駛艙的傳感器將駕駛員的操縱信號傳遞到主由安裝在駕駛艙的傳感器將駕駛員的操縱信號傳遞到主控計算機，由主控計算機中的汽車模型軟件計算出車輛控計算機，由主控計算機中的汽車模型軟件計算出車輛瞬間的運動位置及姿態，瞬間的運動位置及姿態，2. 將車輛運動參數不斷地傳到計算機圖形工作站，由圖像將車輛運動參數不斷地傳到計算機圖形工作站，由圖像軟件生成對應的連續變化的道路視景圖，軟件生成對應

30、的連續變化的道路視景圖，3. 再由投影儀將視景投射到駕駛艙正前方的屏幕上，與此再由投影儀將視景投射到駕駛艙正前方的屏幕上，與此同時，由主控計算機控制液壓系統，使駕駛艙產生一定同時，由主控計算機控制液壓系統，使駕駛艙產生一定的運動，并模擬噪聲，給駕駛員一個接近真實的駕車感的運動，并模擬噪聲，給駕駛員一個接近真實的駕車感覺。覺。 第4章 汽車駕駛仿真器4.2.1 仿真駕駛器原理仿真駕駛器原理 汽車駕駛仿真系統由硬件和軟件兩部分組成。系統總體結構如圖4.2所示。 硬件設備由模擬駕駛艙、操縱控制系統、儀表系統、多媒體計算機及音響系統等構成。 軟件系統包括道路環境的計算機實時動畫生成，汽車行駛動態仿真，

31、聲響模擬，操作評價，數據管理，網絡控制，操作平臺等。第4章 汽車駕駛仿真器4.2.1 仿真駕駛器原理仿真駕駛器原理 。第4章 汽車駕駛仿真器4.2.2 硬件平臺硬件平臺 模擬駕駛艙模擬駕駛艙: 在模擬駕駛艙中裝配有與實車相同的各種可操縱機構，如在模擬駕駛艙中裝配有與實車相同的各種可操縱機構，如方向盤、離合器踏板、剎車踏板、油門踏板、變速器手柄、方向盤、離合器踏板、剎車踏板、油門踏板、變速器手柄、剎車手柄、轉向燈開關、點火開關、儀表盤等，以模擬實剎車手柄、轉向燈開關、點火開關、儀表盤等，以模擬實車駕駛環境。車駕駛環境。 操縱控制系統操縱控制系統: 駕駛者控制汽車運動的基本操縱部件是方向盤、油門、

32、離駕駛者控制汽車運動的基本操縱部件是方向盤、油門、離合、剎車和檔位，另外還有點火開關、轉向指示燈等輔助合、剎車和檔位，另外還有點火開關、轉向指示燈等輔助性操作部件。這些部件信號的實時采集與控制是汽車駕駛性操作部件。這些部件信號的實時采集與控制是汽車駕駛仿真系統能否真正逼真模擬駕駛環境的最基本前提，是整仿真系統能否真正逼真模擬駕駛環境的最基本前提，是整個汽車駕駛仿真系統的核心部分之一。個汽車駕駛仿真系統的核心部分之一。第4章 汽車駕駛仿真器4.2.2 硬件平臺硬件平臺 由于本系統可以放入實車進行實驗，因而在沒有由于本系統可以放入實車進行實驗，因而在沒有力和反饋裝置的條件下，對于汽車運動控制的模力

33、和反饋裝置的條件下，對于汽車運動控制的模擬主要由實車部件中的方向盤、油門、離合、剎擬主要由實車部件中的方向盤、油門、離合、剎車和檔位操作來完成。車和檔位操作來完成。 駕駛員對操縱部件的操作經過傳感器和接口，將駕駛員對操縱部件的操作經過傳感器和接口，將方向盤轉動的角度、油門的開度、離合器的狀態、方向盤轉動的角度、油門的開度、離合器的狀態、剎車的狀態等模擬量經過剎車的狀態等模擬量經過ad轉換發送給計算機系轉換發送給計算機系統進行處理，同時把系統處理的實時數據如檔位統進行處理，同時把系統處理的實時數據如檔位參數、速度等數字量經過參數、速度等數字量經過da轉換發送到車體部分轉換發送到車體部分顯示儀表系

34、統上，進而調整視景顯示，使駕駛員顯示儀表系統上，進而調整視景顯示，使駕駛員實時觀察駕駛車輛的運行情況。實時觀察駕駛車輛的運行情況。第4章 汽車駕駛仿真器4.2.2 硬件平臺硬件平臺儀表系統儀表系統 儀表系統采用實車的儀表，負責顯示車內儀表面板的實時儀表系統采用實車的儀表，負責顯示車內儀表面板的實時更新，如計程表、轉向燈、氣壓表以及油門、離合器狀態更新，如計程表、轉向燈、氣壓表以及油門、離合器狀態等。等。多媒體計算機多媒體計算機 在本汽車駕駛仿真系統中，由于要滿足實時交互與漫游，在本汽車駕駛仿真系統中，由于要滿足實時交互與漫游，主機對圖形加速卡的要求較高，因此需要采用主機對圖形加速卡的要求較高，

35、因此需要采用128m圖形圖形加速卡和加速卡和1g內存，主頻采用內存，主頻采用2.0g以上，以上， 對于這種配置，對于這種配置，目前的普通高檔微機基本都能達到或超過。接口微處理器目前的普通高檔微機基本都能達到或超過。接口微處理器部分的主控芯片采用部分的主控芯片采用16位的頂級單片機來實現控制信號的位的頂級單片機來實現控制信號的識別和數據采集，并通過識別和數據采集，并通過windows串口串口api函數，完成單函數，完成單片機與主機之間的數據通信。普通顯示器，音箱或耳機即片機與主機之間的數據通信。普通顯示器，音箱或耳機即可完成。可完成。第4章 汽車駕駛仿真器4.2.3軟件平臺軟件平臺 本文的視景仿

36、真系統是在本文的視景仿真系統是在 windows 操作系統環境下操作系統環境下,通過通過virtools 調用調用3ds max建立和處理的模型來完成的。建立和處理的模型來完成的。 3ds max 建模技術建模技術 (略）。略）。 開發工具開發工具virtools virtools是由法國全球交互三維開發解決方案公司是由法國全球交互三維開發解決方案公司virtools所開發，是虛擬現實的一種開發工具，透過直所開發，是虛擬現實的一種開發工具，透過直覺式圖形開發界面，開發人員只需要拖曳所需要的行為模覺式圖形開發界面，開發人員只需要拖曳所需要的行為模塊就可以建構復雜的互動應用程序，可同時滿足無程序背

37、塊就可以建構復雜的互動應用程序，可同時滿足無程序背景的設計人員以及高級程序設計師的需要，讓景的設計人員以及高級程序設計師的需要，讓3d美術設美術設計與程序設計人員進行良好的分工與合作，有效縮短開發計與程序設計人員進行良好的分工與合作，有效縮短開發流程、提升效益，其三維引擎已經成為微軟流程、提升效益，其三維引擎已經成為微軟xbox認可系認可系統。特點是方便易用，應用領域廣。統。特點是方便易用，應用領域廣。 第4章 汽車駕駛仿真器4.2.3軟件平臺軟件平臺 virtools讓原本深不可測的讓原本深不可測的3d數字產品的研發工作變數字產品的研發工作變得簡單許多，使一般對于程序望而卻步的藝術人才有更大

38、得簡單許多，使一般對于程序望而卻步的藝術人才有更大的發展空間，不再受限于程序語言的屏障，讓傳統與科技的發展空間，不再受限于程序語言的屏障，讓傳統與科技相互結合，活化數字電子產品生命能量，回歸到相互結合，活化數字電子產品生命能量，回歸到“創意創意”的原點。的原點。 隨著隨著virtools這樣的開發工具如雨后春筍般的陸續誕生，這樣的開發工具如雨后春筍般的陸續誕生，這也代表著新的程序語言的時代來臨，盡管所需效能比起這也代表著新的程序語言的時代來臨，盡管所需效能比起c, c+等傳統程序語言來的高，但模塊化的指令卻能極大等傳統程序語言來的高，但模塊化的指令卻能極大地降低學習的門檻，讓撰寫游戲程序不再是

39、程序人員的專地降低學習的門檻，讓撰寫游戲程序不再是程序人員的專利，程序人員可以更放心的去處理深層的建構與規劃，增利，程序人員可以更放心的去處理深層的建構與規劃，增進了效率，節省了成本。進了效率，節省了成本。第4章 汽車駕駛仿真器4.2.3軟件平臺軟件平臺virtools除了自身的除了自身的3d/vr開發平臺開發平臺virtools dev以外，還有五個可選模塊，分別是：以外，還有五個可選模塊，分別是： 物理屬性模塊物理屬性模塊virtools physics pack for dev 沉浸式平臺沉浸式平臺virtools vr pack for dev 人工智能模塊人工智能模塊virtools

40、 ai pack for dev xbox開發模塊開發模塊virtools xbox kit for dev 網絡服務器模塊網絡服務器模塊virtools server第4章 汽車駕駛仿真器4.2.3軟件平臺 virtools dev是是virtools最基本的開發平臺，在這最基本的開發平臺，在這個開發環境中，可以迅速容易地創建出擁有豐富個開發環境中，可以迅速容易地創建出擁有豐富3d內容內容的、交互的的、交互的virtools作品文件。常用的媒體如模型、動作品文件。常用的媒體如模型、動畫、圖像、聲音等都可以被整合進去。畫、圖像、聲音等都可以被整合進去。virtools dev不是建模程序，本身

41、不能夠建模，但是環境設計，包括背不是建模程序，本身不能夠建模，但是環境設計，包括背景景(ground)、燈光、燈光(light)、音效、音效(sound)、材質、材質(material)、紋理、紋理(texture)、粒子系統、粒子系統(particle system)、攝像機攝像機(camera)等可以加入進去。等可以加入進去。virtools dev可以可以導入導入3ds max以及以及maya建立的模型，利用建立的模型，利用virtools強強大的交互設計給模型世界增加生氣與靈魂。大的交互設計給模型世界增加生氣與靈魂。virtools dev還包括動作引擎、渲染引擎、網絡瀏覽器以及還包括

42、動作引擎、渲染引擎、網絡瀏覽器以及sdk。對于習慣編程的開發者，對于習慣編程的開發者，virtools還提供了還提供了vsl語言，語言，通過存取通過存取sdk，作為對圖形編輯器的補充。，作為對圖形編輯器的補充。 第4章 汽車駕駛仿真器4.3. 汽車駕駛仿真器的關鍵技術汽車駕駛仿真器的關鍵技術4.3.1網絡通信網絡通信幾乎各種不同的tcp膽實現都會提供下面這些通用的應用程序: 1.teinet遠程登錄。 2.ftp文件傳輸協議。 3.smtp用于電子郵件的簡單郵件傳輸協議。 4.snmp簡單網絡管理協議。 第4章 汽車駕駛仿真器4.3.1網絡通信網絡通信 仔細研究運輸層普遍存在的幾種網絡編程模型

43、，使用效率仔細研究運輸層普遍存在的幾種網絡編程模型，使用效率相對來說最高的完成端口模型設計出一個服務器，并在此相對來說最高的完成端口模型設計出一個服務器，并在此傳輸層設計基礎上在應用層設計了一個類傳輸層設計基礎上在應用層設計了一個類ftp協議，用來協議，用來提供文件傳輸功能以及測試運輸層設計的服務器的效率和提供文件傳輸功能以及測試運輸層設計的服務器的效率和穩定性，這樣的研究在理論和實際上都是具有一定意義的。穩定性，這樣的研究在理論和實際上都是具有一定意義的。1.客戶和服務器進程客戶和服務器進程:對于相互通信的兩個進程，通常稱一方對于相互通信的兩個進程，通常稱一方為客戶，一方為服務器。為客戶，一

44、方為服務器。2.套接字套接字:從一個進程發送到另一個進程的任何消息都必須經從一個進程發送到另一個進程的任何消息都必須經過下層網絡。過下層網絡。 進程從網絡中接收數據，向網絡中發送數據都是通過套接進程從網絡中接收數據，向網絡中發送數據都是通過套接字來進行的。套接字是應用層和傳輸層的接口，成為程序字來進行的。套接字是應用層和傳輸層的接口，成為程序和網絡間的和網絡間的api。3.winsock編程的幾個主要函數:(1)創建套接字:socketsoeket(iniaf，inttype，iniprotoeol);第一個參數用來指定套接字使用的地址格式，winsock中只支持af創et。第二個參數用來指定

45、套接字的類型。第三個參數用來配合第二個參數使用，指定使用的協議類型。第4章 汽車駕駛仿真器4.3.1 網絡通信網絡通信(2)關閉套接字:inielosesoeket(sockets):唯一的參數就是要關閉的套接字的句柄。(3)綁定套接:illtbind(sockets，eonstslruetsoekaddr*na幻ne，inina們nelen);第一個參數指定套接字句柄。第二個參數指定要關聯本地地址。第三個參數指定要關聯的地址的長度。(4)監聽套接字:intlisten(sockets，intbaeklog);第一個參數指定套接字句柄。第二個參數指定監聽隊列中允許保持的尚未處理的最大連接數量。

46、(5)接受套接字請求:socketaceept(sockets，struetsockaddr*addr，int*addrlen);第一個參數指定套接字句柄。第4章 汽車駕駛仿真器4.3.2 人工智能人工智能 人工智能（artificial intelligence，簡稱ai）是計算機學科的一個分支，二十世紀七十年代以來被稱為世界三大尖端技術之一（空間技術、能源技術、人工智能）。也被認為是二十一世紀（基因工程、納米科學、人工智能）三大尖端技術之一。這是因為近三十年來它獲得了迅速的發展，在很多學科領域都獲得了廣泛應用，并取得了豐碩的成果，人工智能已逐步成為一個獨立的分支，無論在理論和實踐上都已自成

47、一個系統。 從實用觀點來看，人工智能是一門知識工程學：以知識為對象，研究知識的獲取、知識的表示方法和知識的使用。 第4章 汽車駕駛仿真器 4.3.2 優化的關鍵技術優化的關鍵技術 雖然在建模初期己經對單個模型在場景中的層次和顯示問雖然在建模初期己經對單個模型在場景中的層次和顯示問題作了一些考慮和處理，但由于這些模型基本上都是彼此題作了一些考慮和處理，但由于這些模型基本上都是彼此獨立的，還沒有集成到一個整體的系統模型中，因而仍需獨立的，還沒有集成到一個整體的系統模型中，因而仍需采用先進的建模技術，從集成后系統的整體角度出發，兼采用先進的建模技術，從集成后系統的整體角度出發，兼顧系統沉浸感與實時性

48、的要求，對其中某些不合理部分再顧系統沉浸感與實時性的要求，對其中某些不合理部分再加以處理。下面就針對本汽車駕駛仿真系統，分別說明在加以處理。下面就針對本汽車駕駛仿真系統，分別說明在模型優化過程中所用到的幾種關鍵技術。模型優化過程中所用到的幾種關鍵技術。 mip紋理映射技術紋理映射技術 集成后的系統整體模型實際上是各種幾何形狀的集合體，集成后的系統整體模型實際上是各種幾何形狀的集合體，而各個幾何體的表面又都是單色的，所以不能達到顯示真而各個幾何體的表面又都是單色的，所以不能達到顯示真實感的效果和要求。因此，我們需要使用紋理映射技術對實感的效果和要求。因此，我們需要使用紋理映射技術對模型進行處理。

49、在使用紋理映射時有多種方案。模型進行處理。在使用紋理映射時有多種方案。 第4章 汽車駕駛仿真器 4.3.2優化的關鍵技術優化的關鍵技術 例如：可以把紋理映射到由一組多邊形近似的表例如：可以把紋理映射到由一組多邊形近似的表面或是彎曲的表面上，也可以在一個方向或兩個面或是彎曲的表面上，也可以在一個方向或兩個方向上重復使用一種紋理來覆蓋表面，而紋理可方向上重復使用一種紋理來覆蓋表面，而紋理可以是一維的。以是一維的。 此外還可以自動將紋理映射到物體上，利用紋理此外還可以自動將紋理映射到物體上，利用紋理來表示觀察到的物體的輪廓或其他屬性。可以給來表示觀察到的物體的輪廓或其他屬性。可以給發亮的物體貼上紋理

50、，使其看起來就好像是處在發亮的物體貼上紋理，使其看起來就好像是處在房間或其他環境的正中央，其表面反射的是周圍房間或其他環境的正中央，其表面反射的是周圍環境的景色。環境的景色。 最后，紋理還可以用不同的方式粘貼到物體表面最后，紋理還可以用不同的方式粘貼到物體表面上。既可以直接畫上。既可以直接畫(類似于往物體表面貼花類似于往物體表面貼花)，也，也可以調整物體表面的顏色，或者將紋理顏色和物可以調整物體表面的顏色，或者將紋理顏色和物體表面顏色進行混合。體表面顏色進行混合。 第4章 汽車駕駛仿真器 4.3.2優化的關鍵技術優化的關鍵技術 mip紋理映射技術如圖紋理映射技術如圖4.11所示，是對同一紋理所

51、示，是對同一紋理構造若干個不同細致等級的圖像，上層圖像只含構造若干個不同細致等級的圖像，上層圖像只含有下一層圖像分辨率的一半，也就是下一級圖像有下一層圖像分辨率的一半，也就是下一級圖像象素的平均值構成上層圖像的一個象素的色彩值。象素的平均值構成上層圖像的一個象素的色彩值。依次類推，從最底層分辨率為依次類推，從最底層分辨率為512512的圖像開的圖像開始，依次減少一半的分辨率直到頂層的始，依次減少一半的分辨率直到頂層的11的最的最低分辨率。這種紋理映射技術，使得在系統的實低分辨率。這種紋理映射技術，使得在系統的實時顯示中根據視點距物體的遠近或者視線與多邊時顯示中根據視點距物體的遠近或者視線與多邊

52、形法向量之間夾角的不同而選擇合適的紋理細致形法向量之間夾角的不同而選擇合適的紋理細致等級，在同一時刻只把目前所需的細致等級的圖等級，在同一時刻只把目前所需的細致等級的圖像調入內存，這樣就可以顯著地節省內存空間，像調入內存，這樣就可以顯著地節省內存空間，從而提高系統顯示實時性。本系統中，路的模型從而提高系統顯示實時性。本系統中，路的模型就是采用了就是采用了mip紋理映射技術。紋理映射技術。 第4章 汽車駕駛仿真器4.3.2優化的關鍵技術優化的關鍵技術第4章 汽車駕駛仿真器 4.3.2優化的關鍵技術優化的關鍵技術 lod模型簡化技術模型簡化技術 lod（levels of detail）技術是當前

53、可視化仿真領域中）技術是當前可視化仿真領域中處理圖形顯示實時性方面十分流行的技術之一處理圖形顯示實時性方面十分流行的技術之一44。細節。細節層次層次(lod)模型就是在不影響畫面視覺效果的條件下，對模型就是在不影響畫面視覺效果的條件下，對同一物體建立幾個不同逼近精度的幾何模型。根據物體與同一物體建立幾個不同逼近精度的幾何模型。根據物體與視點的距離來選擇顯示不同細節層次的模型，從而加快系視點的距離來選擇顯示不同細節層次的模型，從而加快系統圖形處理和渲染的速度。對于一個多級的統圖形處理和渲染的速度。對于一個多級的lod模型，當模型，當視點逐漸接近物體時，物體將根據模型建立時的視點逐漸接近物體時，物

54、體將根據模型建立時的lod距離距離設置，由低到高，顯示不同的細節層次。這樣可以保證在設置，由低到高，顯示不同的細節層次。這樣可以保證在視點靠近物體時對物體進行精細繪制，在遠離物體時對物視點靠近物體時對物體進行精細繪制，在遠離物體時對物體進行粗略繪制，在總量上控制多邊形的數量，不會出現體進行粗略繪制，在總量上控制多邊形的數量，不會出現由于顯示的物體增多而使處理多邊形的數量過度增加的情由于顯示的物體增多而使處理多邊形的數量過度增加的情況，把多邊形個數控制在系統的處理能力之內，這樣就可況，把多邊形個數控制在系統的處理能力之內，這樣就可以保證在不降低用戶觀察效果的情況下，大大減少渲染負以保證在不降低用

55、戶觀察效果的情況下，大大減少渲染負載。載。 第4章 汽車駕駛仿真器 4.3.2優化的關鍵技術優化的關鍵技術 bsp消隱處理技術消隱處理技術 在模型建造與集成的過程中，常常會遇到物體在模型建造與集成的過程中，常常會遇到物體的遮擋問題，正確處理遮擋關系，使三維物體的的遮擋問題，正確處理遮擋關系，使三維物體的對應位置關系在二維顯示器上得到正確的反映，對應位置關系在二維顯示器上得到正確的反映，就涉及到圖形的消隱處理技術。就涉及到圖形的消隱處理技術。 消隱處理的技術很多，比如在象素級上以近物取消隱處理的技術很多，比如在象素級上以近物取代遠物的代遠物的z_buffer算法，這種取代方法實現起來算法，這種取

56、代方法實現起來遠比總體排序來的靈活簡單，也利于計算機實現；遠比總體排序來的靈活簡單，也利于計算機實現；利用圖形的區域連貫性，在連續的區域上確定可利用圖形的區域連貫性，在連續的區域上確定可見面及其顏色、亮度的區域采樣算法；以及畫家見面及其顏色、亮度的區域采樣算法；以及畫家算法等。但對于實時圖形的消隱處理，大都采用算法等。但對于實時圖形的消隱處理，大都采用bsp算法來解決物體之間的遮擋問題，本論文正算法來解決物體之間的遮擋問題，本論文正是采用了這種方法是采用了這種方法 第4章 汽車駕駛仿真器 4.3.2優化的關鍵技術優化的關鍵技術 bsp消隱處理技術消隱處理技術 bsp(binary space

57、partitioning)技術的基本思想是將技術的基本思想是將三維空間用三維空間用bsp平面分割成兩部分，平面分割成兩部分，bsp樹為一個二叉樹，樹為一個二叉樹，被分割的兩部分構成被分割的兩部分構成bsp樹的左枝及右枝，左枝代表前部，樹的左枝及右枝，左枝代表前部，右枝則代表后部。這樣便可以根據物體相對于右枝則代表后部。這樣便可以根據物體相對于bsp平面的平面的位置關系來確定出前面物體與被遮擋的后面物體。顯示順位置關系來確定出前面物體與被遮擋的后面物體。顯示順序為先顯示后面的物體后顯示前面的物體。如圖序為先顯示后面的物體后顯示前面的物體。如圖4.12所示，所示，物體物體a, b, c，被兩個，被

58、兩個bsp平面平面pl和和p2分割后得出的相互分割后得出的相互之間的前后關系。本系統多處應用了此技術及其原理，比之間的前后關系。本系統多處應用了此技術及其原理，比如在處理樹木的顯示問題時，為了使其從任何方向和任何如在處理樹木的顯示問題時，為了使其從任何方向和任何通道中都是可見的，就要考慮到模型背面紋理的處理，即通道中都是可見的，就要考慮到模型背面紋理的處理，即需要對樹木的材質進行雙面處理。需要對樹木的材質進行雙面處理。 第4章 汽車駕駛仿真器4.3.2優化的關鍵技術優化的關鍵技術第4章 汽車駕駛仿真器 4.3.2優化的關鍵技術優化的關鍵技術instance實例建模技術實例建模技術 實例技術實例

59、技術(instance)就是將多個外觀一致的物體以同一個就是將多個外觀一致的物體以同一個樣例存入內存，使用時從同一塊內存區域提取數據，以達樣例存入內存，使用時從同一塊內存區域提取數據，以達到節省內存開銷的目的。場景模型對象的表示一般分為兩到節省內存開銷的目的。場景模型對象的表示一般分為兩種：種： (1) 具體地表示對象中基元的輪廓和形狀，這可以節省生具體地表示對象中基元的輪廓和形狀，這可以節省生成時的計算時間，但存儲和訪問所需要的時間比較多，空成時的計算時間，但存儲和訪問所需要的時間比較多，空間也比較大；間也比較大； (2) 抽象地表示，它有利于存儲，但使用時需要重新計算。抽象地表示，它有利于

60、存儲，但使用時需要重新計算。 采用哪一種方法表示模型對象取決于對存儲空間和計算開采用哪一種方法表示模型對象取決于對存儲空間和計算開銷的綜合考慮，一般情況下都采用具體的表示方法，但是銷的綜合考慮，一般情況下都采用具體的表示方法，但是有時抽象表示會大大提高系統的性能。有時抽象表示會大大提高系統的性能。 實例技術就是抽象表示對象的一個典型應用，其基本的處實例技術就是抽象表示對象的一個典型應用，其基本的處理方法為矩陣變換理方法為矩陣變換46,47，即通過平移、旋轉、縮放工具，即通過平移、旋轉、縮放工具調整三維空間中物體的幾何變換矩陣來產生物體的實例，調整三維空間中物體的幾何變換矩陣來產生物體的實例，而