高速公路汽車(chē)駕駛控制的分布式虛擬實(shí)驗(yàn)研究*

尹念東 夏 萍 何 彬

(黃石理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北黃石435003)

0 引言

由于我國(guó)高速公路交通的快速發(fā)展，高速公路事故率也不斷上升，對(duì)高速公路上的汽車(chē)駕駛控制過(guò)程進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)汽車(chē)安全駕駛圖像和語(yǔ)音輔助系統(tǒng)，減少因駕駛員控制操縱不當(dāng)而造成的交通事故具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

汽車(chē)駕駛操縱的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，駕駛員的駕駛行為會(huì)受到來(lái)自于汽車(chē)-駕駛員-道路系統(tǒng)中的人、車(chē)和道路的影響，以單車(chē)和單一駕駛行為的汽車(chē)駕駛速度控制、避撞控制和轉(zhuǎn)向控制模型研究不能夠完全的描述高速公路上的汽車(chē)駕駛行為，又由于高速公路上汽車(chē)運(yùn)動(dòng)高速和危險(xiǎn)的特點(diǎn)，對(duì)高速公路汽車(chē)駕駛控制過(guò)程的研究采用虛擬實(shí)驗(yàn)是一種先進(jìn)的方法[1]。

本文構(gòu)建了汽車(chē)-駕駛員-環(huán)境(高速公路、交通標(biāo)志、其他車(chē)輛等)的閉環(huán)半實(shí)物高速公路汽車(chē)駕駛控制分布式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要研究分布式的“人-車(chē)-路”高速公路汽車(chē)駕駛控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體構(gòu)建，滿(mǎn)足汽車(chē)駕駛狀態(tài)的實(shí)時(shí)分布式虛擬駕駛視景，汽車(chē)駕駛控制中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和交換，與汽車(chē)駕駛控制一致的高速公路環(huán)境場(chǎng)景的控制等分布式虛擬實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)。

1 高速公路汽車(chē)駕駛虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

高速公路汽車(chē)駕駛虛擬實(shí)驗(yàn)是基于汽車(chē)-駕駛員-環(huán)境(高速公路、行人等)閉環(huán)的半實(shí)物仿真平臺(tái)，駕駛員作為系統(tǒng)中的一部分，參與虛擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，由于有分布性的特點(diǎn)，可構(gòu)成多駕駛員在同一駕駛環(huán)境中的交互，該平臺(tái)能夠逼真的再現(xiàn)高速公路駕駛場(chǎng)景，能夠虛擬多車(chē)交通場(chǎng)景，對(duì)不同駕駛員的駕駛特性能夠描述。該平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)地采集、處理汽車(chē)駕駛操作和汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足高速公路汽車(chē)駕駛控制的研究。

高速公路汽車(chē)駕駛虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要功能如下:

1)虛擬高速公路系統(tǒng)，建立分布式的虛擬高速公路場(chǎng)景，包括行駛的道路、交通標(biāo)線(xiàn)和標(biāo)志、其他智能車(chē)輛、各種天氣氣候(雨、雪、風(fēng))等等 。駕駛員的“沉浸感”、“交互感”越強(qiáng)，就越能夠反映來(lái)往車(chē)輛、行人、交通標(biāo)志、路面狀況以及汽車(chē)本身的行駛方向和速度等外界信息對(duì)駕駛員及駕駛過(guò)程的影響，汽車(chē)控制模型的研究就更加具有實(shí)用的價(jià)值[2]。

2)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)駕駛操縱及數(shù)據(jù)采集，建立分布式(LAN局域網(wǎng)絡(luò))的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)成多個(gè)駕駛者參與的交互駕駛環(huán)境，建立起汽車(chē)駕駛控制和車(chē)群行為的聯(lián)系，在多車(chē)、復(fù)雜交通環(huán)境下研究汽車(chē)駕駛控制，使之與實(shí)際情況更加一致。

3)由于分布式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有交互性、實(shí)時(shí)性、分布性的特點(diǎn)，能夠完全虛擬高速公路上的車(chē)流、車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息、道路信息，可以及時(shí)的改變道路條件，完成分布式駕駛過(guò)程中其他車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信。

4)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的其他智能車(chē)輛隨機(jī)產(chǎn)生。道路信息可以通過(guò)設(shè)計(jì)的虛擬高速公路提供，也可以通過(guò)真實(shí)的高速公路 GPS、GRS提供。

根據(jù)以上要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖1所示的高速公路汽車(chē)駕駛分布式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

分布式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由分布式虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，汽車(chē)-駕駛員 -環(huán)境(高速公路、智能車(chē)輛、交通標(biāo)識(shí)等)閉環(huán)系統(tǒng)，虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、處理和通信系統(tǒng)3大系統(tǒng)組成。

1)汽車(chē)駕駛虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)把系統(tǒng)中分布的各汽車(chē)駕駛模擬器聯(lián)系在一起，駕駛?cè)藛T可以通過(guò)模擬器與虛擬的高速公路駕駛場(chǎng)景進(jìn)行交互，系統(tǒng)中的各駕駛模擬器相互交換信息影響彼此的狀態(tài)。筆者設(shè)計(jì)的分布式網(wǎng)絡(luò)為基于C/S通信模式的10M以太網(wǎng)，可組成小于50臺(tái)駕駛模擬器(學(xué)員機(jī))的局域網(wǎng)，由交換機(jī)或集線(xiàn)器、網(wǎng)卡、RS485網(wǎng)絡(luò)接口、數(shù)據(jù)采集卡組成。

2)汽車(chē)-駕駛員-環(huán)境(高速公路、智能車(chē)輛、交通標(biāo)識(shí)等)閉環(huán)系統(tǒng)包括視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、操作規(guī)則和汽車(chē)運(yùn)動(dòng)模型6大部分，系統(tǒng)完成汽車(chē)的駕駛控制過(guò)程的仿真。駕駛環(huán)境由視景系統(tǒng)(虛擬高速公路、智能車(chē)輛、交通標(biāo)識(shí)等)、音響系統(tǒng)(虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)、行駛噪音等)、儀表系統(tǒng)(虛擬儀表和實(shí)物儀表)提供，駕駛員按照駕駛規(guī)則對(duì)操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作，產(chǎn)生的功能信號(hào)經(jīng)傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行快速實(shí)時(shí)運(yùn)算，從而模擬出汽車(chē)的行駛狀態(tài)。

3)虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、處理和通信系統(tǒng)，汽車(chē)駕駛操縱的數(shù)據(jù)包括方向盤(pán)、變速檔、離合器、剎車(chē)、油門(mén)和其他的操縱信號(hào)，經(jīng)過(guò)角度、位移、開(kāi)關(guān)等傳感器采集、處理后，實(shí)時(shí)地輸送給中央計(jì)算機(jī)處理器，由中央計(jì)算機(jī)根據(jù)汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)、駕駛操作規(guī)則等控制規(guī)則來(lái)操作視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

通信子系統(tǒng)完成駕駛操縱和汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、道路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信。采用基于TCP/IP協(xié)議的C/S模式組成通信網(wǎng)絡(luò)。分布式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的“分布”，體現(xiàn)在該系統(tǒng)中不設(shè)中央計(jì)算機(jī)，其計(jì)算能力是分布的，各模擬器(客戶(hù)機(jī)/駕駛員機(jī))在本計(jì)算機(jī)上完成駕駛視景系統(tǒng)、駕駛操作數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)、專(zhuān)家系統(tǒng)、音響系統(tǒng)給出的任務(wù)，而服務(wù)器(監(jiān)控與管理服務(wù)器)則完成各駕駛員在可視距離內(nèi)車(chē)輛位置數(shù)據(jù)的傳輸，其網(wǎng)絡(luò)是一種瘦服務(wù)器/肥客戶(hù)機(jī)形式[3]。

圖1 高速公路汽車(chē)駕駛分布式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 汽車(chē)駕駛虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

高速公路汽車(chē)駕駛虛擬實(shí)驗(yàn)中要解決包括增強(qiáng)視景仿真系統(tǒng)的“沉浸感”、“交互感”，實(shí)時(shí)交互駕駛操縱數(shù)據(jù)的采集、處理，分布式網(wǎng)絡(luò)通信等關(guān)鍵問(wèn)題。

1)構(gòu)建滿(mǎn)足汽車(chē)駕駛狀態(tài)實(shí)時(shí)的分布式虛擬駕駛視景系統(tǒng)。

分布式虛擬駕駛視景系統(tǒng)中需要實(shí)時(shí)地提供與地理位置對(duì)應(yīng)的連續(xù)的駕駛室外景，包括運(yùn)動(dòng)著的道路、路旁的建筑、交通車(chē)輛、山川、田野、天空等等，這些動(dòng)畫(huà)運(yùn)動(dòng)層次復(fù)雜、三維立體感強(qiáng)，是使汽車(chē)駕駛者產(chǎn)生“沉浸感”的關(guān)鍵。視景仿真系統(tǒng)綜合應(yīng)用大場(chǎng)景建模、分布式虛擬場(chǎng)景建模、視景模型區(qū)域分割、視點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制、多層次細(xì)節(jié)模型(Level of Detail)等先進(jìn)技術(shù)，根據(jù)高速公路汽車(chē)駕駛虛擬實(shí)驗(yàn)的要求，在Visual C++環(huán)境下，以Multi-Gen Creator[4]作 為 圖 形 建 模 工 具、以O(shè)penGVS[5]視景開(kāi)發(fā)軟件為平臺(tái)，構(gòu)造了真實(shí)的道路環(huán)境和交通狀況，達(dá)到了非常逼真的仿真效果。視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為仿真環(huán)境的制作和場(chǎng)景的仿真驅(qū)動(dòng)。仿真環(huán)境制作主要包括:模型設(shè)計(jì)、場(chǎng)景構(gòu)造、紋理的設(shè)計(jì)制作、特效設(shè)計(jì)等;仿真驅(qū)動(dòng)主要包括:場(chǎng)景管理、場(chǎng)景調(diào)度、分布交互、渲染輸出等;視景系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 汽車(chē)駕駛虛擬視景結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)通訊子模塊具有把運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳遞給場(chǎng)景調(diào)度模塊的功能。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)采集卡采集到的本地仿真車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)信息，以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)來(lái)的其他車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

三維建模子模塊運(yùn)用MultiGen Creator建模軟件，建立場(chǎng)景模型，并將生成的模型數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式組織，供場(chǎng)景調(diào)度模塊進(jìn)行調(diào)用。

場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)子模塊將場(chǎng)景的幾何數(shù)據(jù)和圖形屬性信息以一定的規(guī)律和方式進(jìn)行組織和管理，以生成適應(yīng)快速運(yùn)算和圖形管道流水線(xiàn)處理的數(shù)據(jù)。

場(chǎng)景調(diào)度子模塊根據(jù)模擬器中數(shù)據(jù)通訊子模塊傳遞的信息，對(duì)視景數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，得到駕駛員視野范圍內(nèi)的場(chǎng)景數(shù)據(jù)，并傳送給3D渲染模塊，燈光效果也在該模塊中加入，提高駕駛視景的“沉浸感”。

3D渲染子模塊實(shí)現(xiàn)虛擬汽車(chē)相對(duì)于周?chē)h(huán)境運(yùn)動(dòng)畫(huà)面的連續(xù)顯示，采用幀同步控制技術(shù)，使每幀時(shí)間為1/25 s;在這一幀時(shí)間內(nèi)，按數(shù)據(jù)通訊子模塊傳遞過(guò)來(lái)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息，調(diào)用動(dòng)畫(huà)命令，繪制該幀的圖像。如此循環(huán)，就可畫(huà)出連續(xù)的圖像，形成動(dòng)畫(huà)效果。

2)駕駛操縱和汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、道路數(shù)據(jù)的采集、處理與通信。

研究駕駛控制過(guò)程和建立汽車(chē)駕駛控制模型，除需要操縱本車(chē)數(shù)據(jù)、本車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)外，還需要道路前方的道路信息和車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及后方道路信息和車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，圖3為汽車(chē)駕駛過(guò)程的數(shù)據(jù)采集處理示意圖。

本車(chē)的駕駛操作數(shù)據(jù)(油門(mén)、離合器、變速器、方向盤(pán)等)通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操縱系統(tǒng)獲得，由此可以得到本車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)(車(chē)速、加速度、橫擺角速度等)，前方的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及后方車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由基于分布式虛擬駕駛虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通提供，在平臺(tái)上還可以隨機(jī)產(chǎn)生其他運(yùn)動(dòng)的車(chē)輛。道路信息可以通過(guò)設(shè)計(jì)的虛擬高速提供，也可以通過(guò)真實(shí)的高速公路GPS、GRS提供。

圖3 汽車(chē)駕駛過(guò)程的數(shù)據(jù)采集處理示意圖

3 結(jié)論

按照高速公路汽車(chē)駕駛虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能要求，構(gòu)建了滿(mǎn)足與汽車(chē)駕駛狀態(tài)一致的實(shí)時(shí)產(chǎn)生三維立體場(chǎng)景的分布式虛擬視景系統(tǒng)，能夠逼真的再現(xiàn)多車(chē)的高速公路交通環(huán)境(場(chǎng)景);設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了駕駛操縱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，建立分布式(LAN局域網(wǎng)絡(luò))的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，構(gòu)成多個(gè)駕駛者參與的交互的“人-車(chē)-路”閉環(huán)集成虛擬駕駛環(huán)境，能夠滿(mǎn)足高速公路汽車(chē)駕駛控制的分布式虛擬實(shí)驗(yàn)研究的要求，圖4、圖5分別為建立的高速公路汽車(chē)駕駛虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)的汽車(chē)駕駛虛擬交通視景。

圖4 汽車(chē)駕駛虛擬試驗(yàn)平臺(tái)

圖5 汽車(chē)駕駛虛擬交通視景

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