簡(jiǎn)便汽車駕駛教練仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 欣，方 東

(蚌埠汽車士官學(xué)校司訓(xùn)勤務(wù)系，安徽蚌埠233011)

當(dāng)前，針對(duì)汽車駕駛員訓(xùn)練的虛擬仿真系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于軍內(nèi)外汽車駕駛員培養(yǎng)工作中，利用虛擬仿真技術(shù)提高訓(xùn)練效益已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，相關(guān)研究成果豐碩。朱忠祥等［1］對(duì)于將Direct3D技術(shù)在汽車駕駛視景仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索，陳?。?］、劉宏［3］利用 Vega Prime 軟件工具對(duì)三維汽車駕駛視景系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，張俊友等［4］利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種汽車駕駛模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，吳初娜等［5］利用OSG圖像渲染技術(shù)提高了視景仿真系統(tǒng)的仿真度，劉天祥等［6］對(duì)汽車駕駛模擬訓(xùn)練中的問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，提出了相應(yīng)的對(duì)策建議。然而，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)汽車駕駛訓(xùn)練工作所使用的虛擬仿真系統(tǒng)多是針對(duì)駕駛員技能形成而言的，對(duì)于汽車駕駛教練員能力素質(zhì)培養(yǎng)的虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)仍然處于空白狀態(tài)。本文基于虛擬仿真技術(shù)提出了一種基于功能更強(qiáng)大的Unity3D軟件的汽車駕駛教練虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，用于規(guī)范汽車駕駛教練員的教練過(guò)程，訓(xùn)煉教練員處置突發(fā)情況的能力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成(如圖1所示)。硬件模塊為駕駛教練輸入設(shè)備和顯示設(shè)備，與以往的駕駛模擬器相比，本系統(tǒng)在原有駕駛輸入設(shè)備的基礎(chǔ)上添加了輔助副制動(dòng)踏板，用以模擬真實(shí)教練車輛的駕駛室，因此在進(jìn)行道路課目教練仿真時(shí)需要兩名用戶共同使用，一人模擬駕駛學(xué)員(以下簡(jiǎn)稱學(xué)員)操作車輛，另一人模擬教練員。軟件部分為視景仿真模塊，為本系統(tǒng)的核心，包括以下6個(gè)部分。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

(1)三維模型庫(kù)。包含涉及汽車駕駛教練的多種教練車型，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。

(2)視覺(jué)設(shè)計(jì)模塊。包含兩部分:一是駕駛室視角，其中包括左右后視鏡視角;二是外部視角，用戶觀察位置位于駕駛室上方，由后向前觀察車輛，或是在場(chǎng)地課目教練中，以外部視角的形式進(jìn)行場(chǎng)地漫游。

(3)物理系統(tǒng)模塊。主要包括車輛模型物理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和其他模型物理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，仿真出與真實(shí)世界一致的物理特性。

(4)文本、音視頻模塊。文本部分主要用于文本顯示與輸入，音視頻模塊主要配合場(chǎng)景運(yùn)行中發(fā)生的“事件”展示效果。

(5)粒子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。用于展示雨、雪、霧等天氣效果。

(6)場(chǎng)景生成模塊。將上述各個(gè)部分集成到場(chǎng)景中，控制場(chǎng)景的選擇、運(yùn)行、重置和退出等操作。

1.2 系統(tǒng)的主要功能

(1)用戶界面良好。用戶登錄后可自行選擇課目，對(duì)場(chǎng)地、人員、車輛和教練器材進(jìn)行貼近真實(shí)的準(zhǔn)確建模，支持場(chǎng)地的第一視角漫游功能，支持多視角切換和觀看。

(2)物理系統(tǒng)建模準(zhǔn)確真實(shí)。能夠建立類似真實(shí)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生與真實(shí)世界一致的碰撞、形變等效果，可對(duì)場(chǎng)景中的車輛模型進(jìn)行類似真實(shí)車輛駕駛的操作，能夠展示不當(dāng)操作帶來(lái)的后果，例如倒車移位時(shí)的碰桿效果等。

(3)實(shí)現(xiàn)汽車駕駛教練中場(chǎng)地課目的操作演示和教練過(guò)程的模擬仿真。能夠全景多角度展示場(chǎng)地課目教練過(guò)程、具體課目教練方法與內(nèi)容。

（2）課題種類繁多，涉及的學(xué)科領(lǐng)域廣闊，管理部門(mén)不能了解所有的科研項(xiàng)目，這就需要科研人員和科研管理部門(mén)加強(qiáng)溝通，協(xié)調(diào)好科研事項(xiàng)，完善預(yù)算評(píng)審機(jī)制。

(4)針對(duì)道路課目設(shè)計(jì)一般道路駕駛的交通環(huán)境，包含交通信號(hào)燈、會(huì)車、超車、讓車等情況，能夠隨機(jī)實(shí)時(shí)仿真可能出現(xiàn)的交通情況。

(5)可實(shí)現(xiàn)軟、硬件部分的良好交互。通過(guò)使用駕駛教練輸入設(shè)備能夠流暢地操作車輛模型，進(jìn)行實(shí)時(shí)清晰顯示，在道路課目中可實(shí)時(shí)攝錄用戶操作并進(jìn)行場(chǎng)景錄屏與回放。

(6)能夠?qū)Ψ抡孢^(guò)程實(shí)現(xiàn)有效的管理和控制。可以根據(jù)需要進(jìn)行場(chǎng)景調(diào)用、重置、回放等操作，確保實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程的靈活性和可控性。

2 主要模塊功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件部分包括駕駛教練輸入設(shè)備和顯示設(shè)備。顯示設(shè)備為投影儀、投影幕和筆記本電腦顯示屏，筆記本電腦生成場(chǎng)景并實(shí)時(shí)傳遞到計(jì)算機(jī)屏幕和投影幕上，完成顯示輸出。駕駛教練輸入設(shè)備分為駕駛輸入設(shè)備和副制動(dòng)踏板。駕駛輸入設(shè)備采用羅技G27模擬輸入設(shè)備，主要分為方向盤(pán)模塊、變速桿模塊和腳踏板模塊:變速桿模塊和腳踏板模塊通過(guò)RS232接口與方向盤(pán)模塊連接集成，電源從方向盤(pán)獲取;方向盤(pán)與計(jì)算機(jī)之間通過(guò)USB接口連接，方向盤(pán)帶力反饋功能，能夠?qū)?chǎng)景中車輛模型的顛簸等效果通過(guò)機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)換反饋給方向盤(pán)。該設(shè)備簡(jiǎn)單輕便，其方向盤(pán)部件、變速桿部件均帶有卡槽，可固定在任意的桌子上，配合兩把普通座椅即可完成模擬駕駛室構(gòu)建。副制動(dòng)踏板為定制的USB腳踏板，由腳踏板、彈簧桿和防滑底座組成，通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)相連。系統(tǒng)的教練輸入設(shè)備不需要額外的支架或座艙，可根據(jù)需要拆卸組裝，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件部分結(jié)構(gòu)

2.2 視景模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

場(chǎng)景生成模塊主要完成場(chǎng)景的生成、運(yùn)行和控制。文本、音視頻模塊，粒子系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)在道路課目場(chǎng)景中利用代碼進(jìn)行場(chǎng)景錄屏，通過(guò)筆記本電腦上的攝像頭攝錄模擬教練員對(duì)于學(xué)員方向盤(pán)的干預(yù)動(dòng)作。用戶踏下副制動(dòng)踏板時(shí)，在場(chǎng)景中出現(xiàn)提示，并實(shí)時(shí)顯示副制動(dòng)踏板的使用次數(shù)，硬件系統(tǒng)的按鍵定義見(jiàn)文獻(xiàn)［7］。

2.2.1 三維模型庫(kù)

本系統(tǒng)中的三維模型在3DMAX下進(jìn)行創(chuàng)建、渲染，包括三維模型的形態(tài)結(jié)構(gòu)、表面紋理、材質(zhì)、顏色、透明度和三維模型的坐標(biāo)系等，需將其轉(zhuǎn)換為FBX模型格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，通過(guò)該軟件的屬性面板設(shè)置模型的位置、角度和大小。

2.2.2 視覺(jué)設(shè)計(jì)模塊

對(duì)于駕駛室視角，涉及Unity3D場(chǎng)景中多個(gè)Camera畫(huà)面共存的問(wèn)題，其解決方法是利用其屬性中的深度選項(xiàng)(Depth)的數(shù)值和Camera的畫(huà)面大小位置選項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同Camera中的Depth數(shù)值較高的Camera畫(huà)面優(yōu)先顯示，在車輛模型的相應(yīng)位置綁定Camera。例如在駕駛位置放置一個(gè)Camera(其名稱為MCamera)，在左右后視鏡位置各綁定一個(gè)Camera將其作為MCamera的子對(duì)象，設(shè)置左右后視鏡處的Camera上的Depth值高于MCamera，并合理設(shè)置畫(huà)面大小，即可完成駕駛室視角設(shè)計(jì)(如圖3所示)。

圖3 視角、車輛物理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

外部視角的實(shí)現(xiàn)方法是導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中自帶的Camera(其名稱為Camera3)，合理設(shè)置其位置角度，將其附加為車輛模型的子對(duì)象即可。外部視角的漫游功能設(shè)計(jì)方法為在導(dǎo)入的Camera(其名稱為Camera1)上綁定代碼，即可通過(guò)鍵盤(pán)鼠標(biāo)進(jìn)行控制。可利用Unity3D自帶的GUI功能生成界面按鈕(Gui Button)，通過(guò)代碼控制相應(yīng)的Button進(jìn)行視角切換。

2.2.3 物理系統(tǒng)模塊

物理系統(tǒng)模塊包括車輛物理模型和其他對(duì)象的物理特性。Unity3D提供的物理引擎以剛體力學(xué)為基礎(chǔ)，包含盒裝碰撞體、膠囊碰撞體、網(wǎng)格碰撞體等多種碰撞體并具備碰撞檢測(cè)功能［7］。用戶可以將其直接添加給仿真對(duì)象，結(jié)合代碼對(duì)其屬性面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，完成仿真對(duì)象物理特性設(shè)置。

(1)車輛物理模型設(shè)置。車輛物理模型設(shè)置是物理系統(tǒng)建模的重點(diǎn)，一般情況下可將車輛在道路環(huán)境下的行駛簡(jiǎn)化為多剛體(Rigidbody)運(yùn)動(dòng)，其物理模型主要分為兩部分車體、懸架和車輪，車輪與車體通過(guò)旋轉(zhuǎn)鉸鏈相連，這樣懸架可以簡(jiǎn)化為阻尼和彈簧，車輪相對(duì)于車體的運(yùn)動(dòng)只包括圍繞車輪中心的旋轉(zhuǎn)和相對(duì)于車體的垂直運(yùn)動(dòng)。

a.車體物理系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)受力分析，在Unity3D中為使車體表面能夠較為精確地展示其物理特性，一般添加網(wǎng)格碰撞體，同時(shí)添加剛體屬性并選擇使用重力，根據(jù)不同車型設(shè)置其質(zhì)量大小。

b.車輪物理系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。Unity3D中提供車輪碰撞體(WheelCollider)來(lái)模擬車輛動(dòng)力特性，車輪物理特性設(shè)置步驟為:

首先，為車輪模型分別添加WheelCollider，調(diào)整WheelCollider的中心使其與車輪中心重合，在WheelCollider屬性面板中合理設(shè)置其半徑使其與車輪邊緣相吻合，并設(shè)置車輪質(zhì)量;

其次，根據(jù)仿真車輛類型確定其驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪，結(jié)合實(shí)際車輛參數(shù)在驅(qū)動(dòng)輪模型中利用代碼設(shè)置車輪動(dòng)力參數(shù)(WheelCollider.Motor-Torque)，在轉(zhuǎn)向輪模型中選擇轉(zhuǎn)向角參數(shù)(Wheel-Collider.SteerAngle)，利用代碼進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)需要編寫(xiě)代碼設(shè)置車輪的最大和最小轉(zhuǎn)向角、最大功率轉(zhuǎn)速、懸掛彈簧、阻尼器等參數(shù);

再次，在仿真中為確保車輪始終處于地面之上轉(zhuǎn)動(dòng)，隨地面起伏運(yùn)動(dòng)，需要實(shí)時(shí)計(jì)算車輪位置，其方法是從WheelCollider中心實(shí)時(shí)向地面發(fā)射一條射線，調(diào)用Physics.Raycast來(lái)獲取一個(gè)射線與地面的碰撞點(diǎn)，從而實(shí)時(shí)調(diào)整車輪位置;

最后，可根據(jù)WheelCollider中的前向摩擦力(Forward Friction)和側(cè)向摩擦力(Sideways Friction)參數(shù)，來(lái)模擬不同路面的駕駛效果。

c.車輛重心設(shè)置。在仿真中，車輛重心位置的設(shè)置方法是:先運(yùn)行場(chǎng)景，利用Unity3D自帶的物理引擎計(jì)算出車輛模型的重心坐標(biāo)，然后修改XYZ坐標(biāo)中的Y坐標(biāo)值即可。一般Y坐標(biāo)值越小，車輛重心越低，其穩(wěn)定性越高。

(2)其他物體物理特性。其他物體物理特性利用Unity3D自帶的碰撞體和剛體屬性進(jìn)行設(shè)置。以倒車移位課目中的撞桿為例，導(dǎo)入設(shè)置好位置與大小的模型后，添加貼圖和網(wǎng)格碰撞體，同時(shí)添加剛體屬性，選擇使用重力并設(shè)置好質(zhì)量。仿真中當(dāng)車輛模型與其發(fā)生碰撞時(shí)，場(chǎng)景中豎立在地面上的樁桿會(huì)“真實(shí)的”向一側(cè)傾倒。

(3)其他車輛駕駛行為設(shè)計(jì)。在道路課目中，設(shè)置了會(huì)車、超車、讓車等交通情況，要求其他車輛模型具備自主智能自主行駛行為的AI(Automate Intelligence)設(shè)計(jì)，主要包括自動(dòng)避讓、沿預(yù)定路線行駛、交通信號(hào)燈設(shè)置3個(gè)方面內(nèi)容。

a.自動(dòng)避讓。在車輛模型周圍添加盒碰撞體和網(wǎng)格碰撞體(統(tǒng)稱為AIcollider)，忽略AIcollider的碰撞效果，設(shè)置好閾值，通過(guò)AIcollider的檢測(cè)功能計(jì)算與其接觸的其他剛體或碰撞體距離車輛模型的位置，如超過(guò)設(shè)定閾值，車輛模型會(huì)根據(jù)代碼自動(dòng)做出減速、剎車和向左右車道變道等行為。

b.沿預(yù)定路線行駛。利用Unity3D自帶的導(dǎo)航組件(Navigation)在場(chǎng)景中設(shè)置其行駛軌跡參考點(diǎn)，將其連成線即可，在轉(zhuǎn)彎處需設(shè)置盒碰撞體，編寫(xiě)代碼忽略該碰撞體與車輛模型的碰撞，當(dāng)車輛模型進(jìn)入該碰撞體，通過(guò)代碼的設(shè)定進(jìn)行自動(dòng)減速，場(chǎng)地課目中自主運(yùn)行部分按照此步驟設(shè)置車輛自動(dòng)運(yùn)行軌跡。

c.交通信號(hào)燈設(shè)置。在道路課目場(chǎng)景中，首先利用狀態(tài)機(jī)設(shè)置紅綠燈的顯示與切換，然后為模型添加盒碰撞體(命名為L(zhǎng)ightCollider)，忽略其碰撞屬性，當(dāng)車輛模型的AIcollider與LightCollider接觸時(shí)，判斷信號(hào)燈狀態(tài)，如為紅燈則車輛停止行駛。

3 系統(tǒng)工作使用流程

本系統(tǒng)的工作使用流程如圖4所示，具體步驟如下。

圖4 系統(tǒng)工作流程

(1)用戶登錄，進(jìn)行課目選擇。主要分為道路課目和場(chǎng)地課目，其生成場(chǎng)景如圖5所示。

(2)選擇場(chǎng)地課目。只需一名用戶即可，每一課目包含該課目的自主運(yùn)行場(chǎng)景、技能操作場(chǎng)景和教練演示場(chǎng)景，按照熟悉操作要領(lǐng)、自主體驗(yàn)思考到教練演示過(guò)程進(jìn)行使用，使用戶實(shí)現(xiàn)由技能回顧鞏固到技能教授的初步轉(zhuǎn)變。

第一，自主運(yùn)行場(chǎng)景向用戶展示課目的操作完成過(guò)程，理解具體課目如何完成，有哪些要求;

第二，技能操作場(chǎng)景讓用戶駕駛模擬車輛模型，思考如何進(jìn)行教練，例如選擇選位停車點(diǎn)，輸入講解內(nèi)容及需要引導(dǎo)學(xué)員觀察的參考點(diǎn)等，系統(tǒng)進(jìn)行位置和文本記錄;

圖5 系統(tǒng)生成場(chǎng)景

第三，教練演示場(chǎng)景用于規(guī)范教練程序和內(nèi)容，例如具體課目中，展示具體教練程序、停車講解點(diǎn)位、講解內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)員觀察的參考點(diǎn)和注意事項(xiàng)等，通過(guò)文本配合音頻解說(shuō)展現(xiàn)給用戶，用戶輸入進(jìn)行對(duì)比，使其形成初步的直觀印象，從而規(guī)范程序方法。

(3)選擇道路課目。需要兩名用戶配合，訓(xùn)練教練員交通情況處置能力。例如對(duì)學(xué)員方向盤(pán)的干預(yù)以及副制動(dòng)的使用，首先需要通過(guò)軟件演示，規(guī)范教練員對(duì)學(xué)員方向盤(pán)的干預(yù)動(dòng)作與方法，然后運(yùn)行場(chǎng)景實(shí)時(shí)錄像和場(chǎng)景的回放，檢驗(yàn)教練員對(duì)學(xué)員駕駛行為干預(yù)時(shí)機(jī)的判斷和干預(yù)效果的有效性，可由組訓(xùn)者進(jìn)行實(shí)時(shí)點(diǎn)評(píng)和動(dòng)作糾正。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)利用Unity3D軟件建立貼近駕駛教練實(shí)際工作的虛擬仿真教練環(huán)境，與傳統(tǒng)的用于駕駛員培訓(xùn)的駕駛模擬器相比:從外形上看，在以往駕駛模擬器的基礎(chǔ)上添加了模擬副制動(dòng)踏板，更加貼近教練車輛駕駛的實(shí)際;構(gòu)成簡(jiǎn)單，拆卸安裝方便體現(xiàn)了簡(jiǎn)便性;通過(guò)對(duì)教練過(guò)程進(jìn)行全面展示，可以規(guī)范教練員具體課目的教練程序，還可有效鍛煉教練員處置突發(fā)情況確保訓(xùn)練安全的能力，從而有效克服場(chǎng)地、人員、車輛和安全性等方面因素的限制，對(duì)于教練員教學(xué)能力和交通情況的處置能力的形成具有重要的意義。

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