基于VEGA的車輛自動(dòng)駕駛仿真研究

肖寧博

（寶雞文理學(xué)院陜西寶雞721016）

視景仿真技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能在多維的信息環(huán)境中進(jìn)行自然的交互，實(shí)現(xiàn)從定性和定量的綜合集成環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識(shí)，從而幫助設(shè)計(jì)人員深化概念和萌發(fā)新意，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。近年來，隨著大視景仿真技術(shù)的發(fā)展，它的應(yīng)用也滲透到各個(gè)領(lǐng)域，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)，產(chǎn)品的展示都帶來了極大的便利。仿真技術(shù)直觀的特點(diǎn)也為專業(yè)人士和非專業(yè)人士，制造商和客戶之間提供了一個(gè)非常實(shí)用有效的交流平臺(tái)，比如飛行視景仿真是視景仿真技術(shù)在飛行模擬器中的應(yīng)用。視景系統(tǒng)為整個(gè)仿真系統(tǒng)提供了一個(gè)較真實(shí)的3D環(huán)境，廣泛應(yīng)用于軍事訓(xùn)練和演習(xí)中[1]，尤其是飛行器的仿真中[2-4]。同時(shí)，視景仿真也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最重要的表現(xiàn)形式，根據(jù)仿真的目的，構(gòu)造仿真對(duì)象的三維模型或再現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境，達(dá)到非常逼真的仿真效果。

Multigen Creator系列軟件是Multigen-Paradigm公司專門針對(duì)可視化仿真行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)而出的實(shí)時(shí)可視化三維建模軟件系統(tǒng)，它提供了分別運(yùn)行于高端SGI工作站和低端PC平臺(tái)不同版本，可以最大限度地滿足不同的應(yīng)用需求。在SGI工作站的SGI IRIX操作系統(tǒng)上運(yùn)行時(shí)，Multigen軟件包可以充分利用SGI工作站超強(qiáng)的圖形功能，最大限度地利用多個(gè)理器的強(qiáng)大計(jì)算功能，可以支持多線程和豐富的圖形音頻編程接口等。在PC平臺(tái)下，Multigen軟件也可以借助各種專業(yè)3D圖形加速卡，給用戶提供一個(gè)“所見即所得”的交互式可視建模軟件環(huán)境。

Multigen Vega是一套完整地用于開發(fā)交互式、實(shí)時(shí)可視化仿真應(yīng)用的軟件平臺(tái)，其最基本的功能是驅(qū)動(dòng)、控制、管理虛擬場景并支持快速復(fù)雜的視覺仿真程序，快速創(chuàng)建各種實(shí)時(shí)交互三維環(huán)境，快速建立大型沉浸式或非沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。從整體上而言，Vega具有以下特點(diǎn)：易用性、高效性、集成性、可擴(kuò)展性、跨平臺(tái)性。

1 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基于Vega的應(yīng)用程序框架

Vega是一種用于實(shí)時(shí)仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的高性能軟件環(huán)境和工具。它主要包括兩個(gè)部分:一個(gè)是被稱為LynX的圖形用戶界面的工具箱，另一個(gè)則是基于C語言的Vega函數(shù)調(diào)用庫。LynX的主要功能是通過可視化操作建立起三維場景模型，并將其存在一個(gè)應(yīng)用定義文件（.ADF）中，而后應(yīng)用程序就可以通過調(diào)用Vega的C語言函數(shù)庫來對(duì)已建好的三維場景進(jìn)行渲染驅(qū)動(dòng)。Vega API[5]函數(shù)庫為用戶提供了一整套方便實(shí)用的視景仿真應(yīng)用程序接口，典型的Vega應(yīng)用程序一般都遵循如圖1所示的基本框架。從流程圖以看出，Vega應(yīng)用程序一般可以分為兩個(gè)主要的階段，首先是Vega系統(tǒng)的靜態(tài)描述階段，然后進(jìn)入Vega系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)循環(huán)。

圖1 Vega應(yīng)用程序框架Fig.1 Vega application framework

1.2 目標(biāo)模型建立及觀察角度的設(shè)定

目標(biāo)模型可以在Creator中建立，也可以采用3DMAX等專業(yè)的軟件。本文中的模型采用Creator 3.0[6]建立。如圖2所示。

圖2 車輛模型的建立Fig.2 The vehicle model

觀察者是Vega實(shí)時(shí)視景仿真系統(tǒng)中最核心的模塊之一，一個(gè)觀察者就像虛擬場景中的一臺(tái)攝像機(jī)，如果想像自己置身于虛擬場景之中，那么觀察者實(shí)際上就是用戶的眼睛，觀察者的位置實(shí)際上就是視點(diǎn)位置。這樣就很容易理解為什么Vega應(yīng)用程序中必須至少定義一個(gè)觀察者，通過觀察者用戶才能把其他描述虛擬場景元素信息、狀態(tài)信息和控制信息等模塊類的實(shí)例聯(lián)系起來，從而將一幅幅連續(xù)的虛擬場景畫面展現(xiàn)在用戶面前。Vega中常用的觀察模式有：Tether-Follow，Tether-Spin，Tether-Fixed。當(dāng)我們使用不同的運(yùn)動(dòng)模式時(shí)就需要選擇不同的觀察模式。圖3所示即為Tether-Spin觀察模式。

1.3 車輛路徑生成

圖3 Tether-Spin運(yùn)動(dòng)模式Fig.3 Tether-Spin sports mode

車輛行駛時(shí)設(shè)置兩種行駛方法：車輛按照設(shè)定路徑自動(dòng)行駛和車輛在控制下行駛。車輛按照設(shè)定路徑行駛，就需要用pathtools設(shè)置車輛行駛路徑，如圖4所示。使用路徑工具的優(yōu)勢(shì)在于其界面友好且操作方便，可以在很短的時(shí)間里定義出復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)路徑，但是采用這種方式必須是預(yù)先定義，即在應(yīng)用程序執(zhí)行之前就要定義。如果使用第二種方式定義路徑，用戶就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的路徑控制，即在應(yīng)用程序的執(zhí)行過程中添加、設(shè)置或修改路徑控制點(diǎn)及導(dǎo)航器標(biāo)記，這給用戶帶來了極大的靈活性，并進(jìn)一步提高了應(yīng)用程序的交互性。添加路徑控制點(diǎn)可以使用vgPathAddCtrlPoint函數(shù)或者vgPathAddCtrlPointPos函數(shù)。車輛在控制下的行駛按鍵定義如表1所示。

1.4 相交及碰撞效果處理

在本系統(tǒng)中，需要進(jìn)行目標(biāo)與周圍環(huán)境的碰撞檢測(cè)，當(dāng)兩個(gè)角色一旦發(fā)生碰撞或者相交的話，需要及時(shí)改變狀態(tài)和更新相關(guān)特效。在Vega中，碰撞檢測(cè)和相交測(cè)試一般通過Vega相交矢量來實(shí)現(xiàn)，基本的相交測(cè)試計(jì)算結(jié)果可以通過vgGetIsectResult或vgGetIsectResultD這兩個(gè)函數(shù)獲得，它們都可以獲取相交測(cè)試計(jì)算結(jié)果，區(qū)別在于記錄的計(jì)算結(jié)果的精度不同，一般情況下使用前者即可。在實(shí)際視景仿真過程上，視點(diǎn)還會(huì)不時(shí)地穿過場景中的房屋，甚至“鉆進(jìn)”山體、地下。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生大大降低了模擬仿真的可信度。這是由觀察者使用的運(yùn)動(dòng)模式本身的局限性所決定的。這種情況下，人們所期望的效果是，視點(diǎn)應(yīng)該始終保持相對(duì)地面的一定高度上，同時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要根據(jù)地面的起伏有所變化。這時(shí)需要知道當(dāng)前視點(diǎn)離地面的距離，可以設(shè)想有一條通過視點(diǎn)并垂直于地面的直線隨著視點(diǎn)一起運(yùn)動(dòng)，直線與地面始終會(huì)有個(gè)交點(diǎn)，只要知道了這個(gè)交點(diǎn)的位置坐標(biāo)就可以確定當(dāng)前視點(diǎn)距離地面的距離了。對(duì)應(yīng)用程序而言，實(shí)時(shí)獲得諸如當(dāng)前位置的海拔高度、距地面的距離、是否與場景中的模型對(duì)象相交等等信息，可以對(duì)仿真運(yùn)行過程中的各種狀態(tài)或事件進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，并及時(shí)地做出響應(yīng)，從而有效解決碰撞檢測(cè)和相交測(cè)試問題。

Vega通過Isector（分扇區(qū)）模塊和Volume（卷標(biāo)）模塊提供了這樣一種機(jī)制，它可以在Isector實(shí)例所指定目標(biāo)（Target）和該Isector實(shí)例設(shè)定的方法（Method）所對(duì)應(yīng)的Volume之間進(jìn)行相交測(cè)試，從而使應(yīng)用程序方便地獲得許多有用的相交測(cè)試結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

在設(shè)定路徑的情況下，車輛的行駛仿真圖如圖5所示，觀察者的角度設(shè)定為Tether-Spin運(yùn)動(dòng)模式，可以360度旋轉(zhuǎn)的觀察車輛行駛狀態(tài)。

圖4 車輛行駛路徑的設(shè)置Fig.4 The settings of the vehicle driving path

表1 車輛行駛時(shí)的按鍵定義Tab.1 The key definition of the vehicle driving

圖5 The vehicle driving under the control of the mouseFig.5 The vehicle driving in the setting path

車輛在鼠標(biāo)控制下行駛仿真圖如圖6所示，觀測(cè)者以Tether-Follow運(yùn)動(dòng)模式，與車輛保持一定的可變視角距離觀測(cè)車輛行駛狀態(tài)。鼠標(biāo)向左轉(zhuǎn)，車輛向左行駛，鼠標(biāo)向右轉(zhuǎn)，車輛向右行駛，鼠標(biāo)滑輪向前滑動(dòng)，車輛加速行駛，鼠標(biāo)滑輪向后滑動(dòng)，車輛減速行駛。

3 結(jié)論

圖6 車輛在鼠標(biāo)控制下的行駛Fig.6 The vehicle driving under the control of the mouse

本文以車輛行駛的仿真模擬為例，分析了在VC的開發(fā)環(huán)境下利用Vega API函數(shù)進(jìn)行視景仿真程序設(shè)計(jì)的重要步驟和程序流程，并重點(diǎn)討論了開發(fā)過程中幾個(gè)關(guān)鍵的問題和相應(yīng)的解決方案。本仿真系統(tǒng)的開發(fā)用到了碰撞檢測(cè)[7]、圖形繪制、路徑生成及特效使用等多方面的知識(shí)，對(duì)接下來的仿真評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用，對(duì)同類視景仿真系統(tǒng)的研究也極具參考價(jià)值。同時(shí)，憑借其具有的有效性、可重復(fù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和保密性等優(yōu)點(diǎn)，視景仿真技術(shù)己成為軍事領(lǐng)域中不可或缺的研究手段，將它用于構(gòu)建虛擬仿真作戰(zhàn)環(huán)境平臺(tái)，有利于縮短試驗(yàn)和研制周期，提高設(shè)備研制質(zhì)量，節(jié)省研制經(jīng)費(fèi)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 戚澤華，杜小菁，廖炎平.基于VEGA PRIME的集束火箭仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22（2）:366-368.QI Ze-huang，DU Xiao-qing，LIAO Yan-ping.Based on the cluster rockets VEGA PRIME training simulation system research[J].Journal of System Simulation，2010，22（2）:366-368.

[2] 趙銀玲，吳成富，陳懷民.基于Vega的無人機(jī)視景仿真應(yīng)用研究[J].測(cè)控技術(shù)，2008，27（1）:96-99.ZHAO Yin-ling，WU Cheng-fu，CHEN Huai-min.UAV visual simulation applications based on Vega[J].Measurement and Control Technology，2008，27（1）:96-99.

[3] 王琳，孟曉風(fēng)，鐘波.交互式飛行視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（1）:73-75.WANG Lin，MENG Xiao-feng，ZHONG Bo.The design and Implementation of an interactive flight visual simulation system[J].Journal of System Simulation，2008，20（1）:73-75.

[4] 楊大光，常波，孫國慶.GL Studio在飛機(jī)儀表板仿真中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（24）:158-160.YANG Da-guang，CHANG Bo，KONG Guo-qing.GL Studio in the application of the instrument panel simulation[J].Modern Electronic Technology，2010（24）:158-160.

[5] 王乘，李利軍，周均清.Vega實(shí)時(shí)三維視景仿真技術(shù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2004.

[6] 王乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術(shù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2005.

[7] 陳海峰，張少博，劉英元.振動(dòng)測(cè)量誤差影響因素分析[J].火箭推進(jìn)，2011（1）：61-64.CHEN Hai-feng，ZHANG Shao-bo，LIU Ying-yuan.Analysis of error factor in vibration measurement[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（1）：61-64.