基于Unity3D的虛擬駕駛系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

姜峰++陳艷++李濱城++李明坤

摘要： 近年來，汽車駕駛模擬器的研究迅速發(fā)展。借助于Unity3D專業(yè)的游戲引擎以及逼真的畫面效果，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)了車輛駕駛模擬器，提出了駕駛模擬器的各組成部分的功能及原理。設(shè)計了逼真的虛擬場景以及車輛動力學(xué)模型，使用戶通過轉(zhuǎn)向、離合、油門等操縱機構(gòu)駕駛控制車輛，通過場景中車輛模型的運動姿態(tài)控制四自由度的運動平臺，實現(xiàn)人機交互。經(jīng)多次試驗表明，該系統(tǒng)實時效果好，可以真實地模擬實際駕駛情況，該虛擬駕駛系統(tǒng)對于汽車虛擬駕駛具有重要的實際意義和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 駕駛模擬器； 虛擬現(xiàn)實； Unity3D； 視景系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-2163（2017）04-0039-03

0引言

研究可知，虛擬駕駛技術(shù)就是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)仿真模擬真實車輛的駕駛過程，使得學(xué)員沉浸其中，以便訓(xùn)練掌握正確的駕駛操作[1-2]。駕駛模擬器可取代實車訓(xùn)練中的部分科目和內(nèi)容，有利于駕駛培訓(xùn)正規(guī)化、科學(xué)化和規(guī)范化的目標(biāo)流程確立，并具有節(jié)能、安全、經(jīng)濟(jì)和不受時間、氣候、場地等培訓(xùn)限制，以及培訓(xùn)效率高等優(yōu)點。傳統(tǒng)的駕駛模擬器通常采用分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及Virtools引擎等方式來支持實現(xiàn)[3-5]，但卻由于其交互性不強以及場景畫面效果并不理想而難以達(dá)到預(yù)期設(shè)定?；诖耍疚难芯刻岢隽擞蓪I(yè)的游戲引擎Unity3D快速構(gòu)建虛擬駕駛視景仿真系統(tǒng)[6-8]，并通過運動控制卡直接控制四自由度平臺的運動，實現(xiàn)虛擬駕駛系統(tǒng)的人機交互。

1虛擬駕駛系統(tǒng)組成及功能

虛擬駕駛系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用主要分為虛擬駕駛視景系統(tǒng)和四自由度運動平臺的控制兩部分。其中虛擬駕駛視景系統(tǒng)部分利用Unity3D引擎開發(fā)具有人機交互功能的視景系統(tǒng)，通過輸入輸出設(shè)備，以有效的方式實現(xiàn)人與計算機相互傳遞信息；而四自由度運動平臺的控制部分則通過視景系統(tǒng)中的車輛的運動姿態(tài)解算得到電機的脈沖量，并通過運動控制卡控制四自由度的串并聯(lián)運動平臺。綜上可得，虛擬駕駛系統(tǒng)的功能組成框架設(shè)計則如圖1所示。

2視景系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1虛擬場景設(shè)計與實現(xiàn)

汽車駕駛所需的虛擬場景都是由三維和二維物體模型構(gòu)成的。將3DS Max處理后的車輛、建筑物、地形等三維模型導(dǎo)出為.FBX格式文件[9]，并配置到Unity3D的資源文件夾Assets中，Unity3D將自動導(dǎo)入對應(yīng)的三維模型及相應(yīng)的貼圖和動畫文件。構(gòu)建模型的過程中對模型的充分優(yōu)化可以縮減最終執(zhí)行文件的大小以及提高虛擬駕駛視景系統(tǒng)的流暢度，利于改善用戶體驗。

2.2虛擬交互設(shè)計及實現(xiàn)

虛擬交互系統(tǒng)接受駕駛員的輸入，并對輸入信號進(jìn)行處理，場景對這個信號產(chǎn)生響應(yīng)，使程序具有交互感。模擬駕駛的仿真機理是要能盡量真實地展現(xiàn)車輛模型對駕駛員操作信號的調(diào)控變化以及駕駛員對不同駕駛環(huán)境的認(rèn)識和適應(yīng)，所以程序?qū)恿W(xué)模型的準(zhǔn)確程度要求很高，要能準(zhǔn)確地再現(xiàn)生成車輛的各種駕駛情況，如起步、加速、減速、停車和轉(zhuǎn)彎等，而且虛擬場景也要讓駕駛員體驗特殊情況下的駕駛經(jīng)歷，因此仿真程序?qū)Ω鞣N場景的顯示效果也將拓展加入一定的特殊要求。

視覺是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與用戶之間交流的顯性渠道，為了使用戶可以直接觀察到車輛的運動狀況，本文采用對車輛設(shè)計提供第三人稱視角的虛擬展示。為主攝像機編寫CarCamera.cs腳本，使主攝像機的位置總是處在車輛模型的后上方，并使攝像機對著車輛模型的中部，實現(xiàn)攝像機相對于車輛的伴隨性移動，如圖2所示。

車輛的運動模型是視景系統(tǒng)的核心部分，Unity3D中的制作賽車類游戲的關(guān)鍵組件WheelCollider是一種專為車輛輪子設(shè)計的特殊碰撞體[10]，當(dāng)為車輪模型添加該組件之后，賽車就可以地面上運動。在現(xiàn)實生活中，車輛的前進(jìn)、后退、剎車、轉(zhuǎn)彎等運動都是由輪子與地面的摩擦力驅(qū)使車輛而綜合確定的。為研究得到在虛擬駕駛系統(tǒng)中更加方便地操縱車輛模型的運動，本文是通過對車輛對象剛體組件施加與車輛模型Z軸平行方向的力來實現(xiàn)車輛的前進(jìn)、后退的功能，施加與車輛運動速度相反的力實現(xiàn)車輛的剎車功能；車輛的轉(zhuǎn)彎是通過使車輛模型繞中心點（O）以轉(zhuǎn)彎半徑（R）旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的，如圖3a）所示?，F(xiàn)實生活中的車輛行進(jìn)時，車輪的運動由車輛的懸掛系統(tǒng)約束。為正確模擬車輪的轉(zhuǎn)動姿態(tài)，在視景系統(tǒng)中當(dāng)車輛行進(jìn)時，前后車輪都繞其自身坐標(biāo)系的X軸轉(zhuǎn)動；當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時，2個前車輪將繞其自身坐標(biāo)系的Z軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，如圖3b）所示。

在實際駕駛中，若車速非常快并且急轉(zhuǎn)彎或者與障礙物相撞時，車身將容易發(fā)生傾斜并翻車。在視景系統(tǒng)中，設(shè)定若車輛的傾斜角度大于80°并超過一定的時間之后，則判定車輛處于翻車失控狀態(tài)，將其速度、角速度、引擎牽引力均設(shè)置為0，模擬駕駛結(jié)束。

3輸入輸出設(shè)備通信功能實現(xiàn)

3.1虛擬駕駛系統(tǒng)的硬件連接

本文設(shè)計的汽車虛擬駕駛系統(tǒng)包括操控系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)與視景系統(tǒng)。其中，操控設(shè)備主要配置了方向盤、油門等汽車常用的部件，執(zhí)行機構(gòu)為四自由度的串并聯(lián)運動平臺，可以更準(zhǔn)確地還原虛擬環(huán)境中汽車的運動情況。方向盤、油門、剎車等輸入設(shè)備通過USB接口與計算機相連，運動控制卡一般都是以PCI插槽與計算機相連，運動控制卡通過端子板以及驅(qū)動器控制電機，電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動控制動平臺的運動，具體如圖4所示。

3.2操控系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

虛擬駕駛仿真模擬器的輸入設(shè)備一般都是仿照真實汽車駕駛界面定制設(shè)計的，比如方向盤、剎車、油門、檔位等。由于虛擬駕駛系統(tǒng)是基于PC的，使其并不具備真實汽車操縱設(shè)備的條件，研究中的輸入設(shè)備主要依靠方向盤、油門等輸入信號，并將信號通過轉(zhuǎn)換器發(fā)送給視景系統(tǒng)，操縱汽車模型在虛擬環(huán)境中行駛，并做出現(xiàn)實世界中汽車的一些駕駛動作。endprint

操控系統(tǒng)選用的是北通瞬風(fēng)189方向盤套裝設(shè)備，內(nèi)置硬件主要包括方向盤、檔位、油門、剎車和其他附屬按鍵。與通用的操縱手柄一樣，該方向盤套裝也需要安裝對應(yīng)驅(qū)動程序，此后則需要對硬件進(jìn)行調(diào)試與設(shè)置。Unity3D默認(rèn)為用戶創(chuàng)建了若干映射方向盤等標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)的虛擬按鍵，在輸入管理中配置構(gòu)建了虛擬按鍵，并且組織設(shè)定了方向盤各種屬性之后，外設(shè)的輸入消息就可以直接映射給虛擬按鍵，便可以在腳本里通過Input類中的GetAxis（）以及GetButtonDown（）方法對其直接加以使用，從而實現(xiàn)輸入設(shè)備控制汽車模型的功能。

3.3執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

[JP2]虛擬駕駛仿真系統(tǒng)可用于試驗研究，最重要的是需要其能夠輸出試驗所需要的結(jié)果，并能夠與現(xiàn)實的試驗設(shè)備建立通信連接。虛擬駕駛仿真模擬器是將視景系統(tǒng)與四自由度平臺借助通信連接，實現(xiàn)路況真實模擬，實時反映路況的試驗設(shè)備。[JP]

視景系統(tǒng)與四自由度平臺的通信連接主要是指視景系統(tǒng)與平臺的控制設(shè)備的連接。由視景系統(tǒng)中的車輛模型的z軸變化量z、繞自身x軸的旋轉(zhuǎn)角度α、繞自身y軸的旋轉(zhuǎn)角度β以及方向盤轉(zhuǎn)動角度γ通過逆解公式得到軸1的伸長量D1、軸2的伸長量D2、軸3的伸長量D3以及軸4的旋轉(zhuǎn)量R4。研究可得各關(guān)系量的數(shù)學(xué)表述如下：

D1 = z+100sin β-（74 100-（100cos β-170））1/2 [JY]（1）

[JP3]D2 =[ZK（]z-50 sin β+88.6 sin α cos β-（74 100-（85-

50 cos α+86.6 sin α sin β）2-（86.6 cos α-

150.62）2）1/2[ZK）][JP][JY] （2）

[JP3]D3 = [ZK（]z-50 sin β-88.6 sin α cos β-（74 100-（85-

50 cos α-86.6 sin α sin β）2-（86.6 cos α-

150.62）2）1/2[ZK）][JP][JY]（3）

R4 = γ[JY]（4）

本文的四自由度平臺選用固高科技公司的GTS-400-PG-PCI-G運動控制卡實施控制處理。計算機以編程軟件引用運動控制卡的動態(tài)鏈接庫，向控制卡發(fā)送指令，并通過脈沖控制電機運動，驅(qū)動電機按指定的規(guī)律來生成狀態(tài)演變，電機帶動絲杠滑塊，通過定長桿驅(qū)動動平臺，還原汽車模型在視景系統(tǒng)中的路面情況。同時，控制卡上的I/O口也反饋電機運動的實際位置和其他運動狀態(tài)。

4虛擬實驗

為驗證虛擬駕駛系統(tǒng)的實用性、穩(wěn)定性以及執(zhí)行功能，本文以Unity軟件設(shè)計開發(fā)一個基于Windows系統(tǒng)的應(yīng)用實例展開研究分析。

進(jìn)入虛擬駕駛系統(tǒng)后，視野中首先可見的就是主界面，用戶選按Enter鍵將正式開啟游戲。此時，程序完成打開運動控制卡、配置運動控制卡成功、運動控制卡初始化等功能，并在顯示器左上角給出提示，如圖5a）所示，動平臺也將從現(xiàn)時最頂端的初始位置運動到設(shè)定的位置。用戶操縱方向盤以及油門、剎車控制車輛模型行進(jìn)，可以觀察到，動平臺也會跟隨車輛的姿態(tài)做出相應(yīng)的動作。當(dāng)車輛翻車后，模擬駕駛結(jié)束，給出提示，如圖5b）所示。當(dāng)用戶按下Esc鍵退出系統(tǒng)時，動平臺恢復(fù)到初始狀態(tài)。

5結(jié)束語

通過反復(fù)的編程試驗，本次研究開發(fā)的基于Unity3D的虛擬駕駛系統(tǒng)已經(jīng)獲得了成功的應(yīng)用，并且呈現(xiàn)出良好的人機交互效果，同時也設(shè)計提供了軟件與硬件之間的完善通訊功能，在此基礎(chǔ)上采用四自由度運動平臺為駕駛學(xué)員提供運動臨場感，實現(xiàn)了圖像與運動的有機統(tǒng)一。該虛擬仿真實驗則對后續(xù)研究與開發(fā)虛擬駕駛模擬器具有重要的指導(dǎo)及一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[WTBZ][ST6BZ][HT6SS][1] [ZK（#〗

姜顯揚，唐向宏. 虛擬仿真無人駕駛汽車跨學(xué)科實驗平臺的構(gòu)建[J]. 實驗技術(shù)與管理，2016，33（11）：117-120.

[2] 丁金華，劉暢，李明穎，等. 三維虛擬現(xiàn)實機電設(shè)備控制仿真系統(tǒng)[J]. 實驗技術(shù)與管理，2016，33（9）：106-110.

[3] 李勛祥，陳定方. 分布式汽車駕駛交互仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)[J]. 計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2008，20（1）：129-135.

[4] 羅竹輝，周曉軍，魏燕定. 基于Vortex與Vega Prime的車輛模擬器動力學(xué)與視景仿真[J]. 振動、測試與診斷，2014，34（4）：709-713.

[5] 傅招國. 虛擬駕駛系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究[D]. 上海：華東理工大學(xué)，2012.

[6] 林德江，秦國偉，王國德，等. 基于Unity3D技術(shù)的某裝備便攜式虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究[J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2014，35（4）：91-95.

[7] 吳景，趙運生，黃海峰，等. 基于Unity3D的多模塊虛擬系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 機械工程與自動化，2015（6）：59-61.

[8] 楊雪松. 基于Unity3D的發(fā)動機虛擬拆裝系統(tǒng)研究[J]. 機械，2016，43（1）：32-35，73.

[9] 楊亞聯(lián)，王磊，楊果，等. 人在環(huán)路模擬駕駛仿真實驗系統(tǒng)研發(fā)[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報，2015，38（4）：38-44.

[10]劉剛，孫文濤. unity 官方案例精講[M]. 北京：中國鐵道出版社，2015.endprint