汽車駕駛模擬器主客觀評價方法的應用研究*

徐 亮，石 娟，鄭英東，郭魁元，秦孔建

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

前言

汽車駕駛模擬器一般由車輛實時仿真系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、聲音模擬系統(tǒng)、運行監(jiān)控系統(tǒng)、集成信息管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成［1］。它將真實的駕駛員與虛擬車輛、虛擬場景組成駕駛員在環(huán)測試系統(tǒng)，通過逼真地模擬車輛在各種工況下的車輛狀態(tài)，并通過視覺、體感、觸感反饋和聲效等方式讓駕駛員對被測目標進行主客觀性能評估。其特點在于避免了對真實駕駛員行為和駕駛員主觀評價的建模，而當前這兩方面很難有效建模。通過這種方式，能夠讓整套測試系統(tǒng)與實車測試結果更為一致，從而實現(xiàn)更有效的測試。相比實車測試，除減小測試成本和周期外，同時測試可控性和可觀性更強，能設置各種測試場景，可以實現(xiàn)危險極限測試，能存儲更為豐富的數(shù)據(jù)類型。

通過調(diào)研國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀表明，目前有關駕駛模擬器的評價研究較少，給駕駛模擬器的選型帶來了困難。通過實地考察多臺駕駛模擬器，以及調(diào)研國內(nèi)外文獻，總結并提出了一套汽車駕駛模擬器的主客觀評價方法。

1 駕駛模擬器發(fā)展現(xiàn)狀

汽車駕駛模擬器的研究最早是從20世紀60年代開始。第1個階段是靜態(tài)駕駛模擬器階段。1965年，美國機械工程師協(xié)會出版一篇報告［2］，報告中提到駕駛員坐在一個靜止的駕駛艙內(nèi)，艙前是投影儀系統(tǒng)，放映真實場景的彩色電影。一年后，美國人力資源研究組織開發(fā)了一套類似的系統(tǒng)［3］。

第2個階段是動態(tài)駕駛模擬器階段。這個階段，駕駛艙可以具備較小行程的運動。20世紀70年代早期，德國大眾汽車有限公司開發(fā)的駕駛模擬器，是采用一塊屏幕安裝在駕駛員座椅前，沒有駕駛艙，駕駛員座椅放置在一個運動機構上，具備俯仰、側傾和橫擺3個自由度。1980年，美國交通和聯(lián)邦公路管理局決定通過資助基于計算機網(wǎng)絡組建完全交互式駕駛模擬器的可行性研究。1985年，戴姆勒-奔馳公司在柏林-馬林費爾德研究中心［4］建設了第一次以六足并聯(lián)機構為運動基礎的駕駛模擬器。從此，馬自達［5］、通用［6］、福特［7］、雷諾［8］和寶馬等車企都開始建設具備全運動系統(tǒng)的交互式仿真駕駛模擬器。同時期，多家國家研究機構，如日本汽車研究所［9］、英國交通研究實驗室［10］等，也開始紛紛建設自己的駕駛模擬器。另外，許多大學也開始建設駕駛模擬器，較有代表性的是美國愛荷華大學駕駛模擬器［11］，它采用的是波音737飛行模擬器所使用的六足運動系統(tǒng)。吉林大學于1996年建成了包含6個自由度的駕駛模擬器［12］，用于車輛性能設計和車載控制系統(tǒng)開發(fā)。

第3個階段是帶導軌大行程動態(tài)駕駛模擬器，即大幅增加了駕駛艙水平運動的行程（包含前向、側向、橫擺3個方向）。在愛荷華大學開發(fā)的駕駛模擬器基礎上，TRW公司對此進行了改進，并將改進后的駕駛模擬器命名為“國家高級汽車駕駛模擬器（NADS）［13］”。如圖1所示，它將駕駛艙放置在一個直徑為7.3 m的圓形艙內(nèi)，圓形艙則安裝在六足運動機構上，六足運動機構下是雙軸滑軌，具備19 m的水平縱向和側向行程，以及330°的橫擺角行程。豐田駕駛模擬器受NADS駕駛模擬器影響，在東富士技術中心的駕駛模擬器采用類似方案，不同的是在側向運動行程上增至25 m，縱向行程上增至35 m。

圖1 NADS駕駛模擬器

近年來，涌現(xiàn)越來越多各種設計類型的駕駛模擬器，主要體現(xiàn)在運動平臺的設計越來越多樣化。德國航天航空局（DLR）設計的駕駛模擬器［14］如圖2所示。Ansible Motion公司的駕駛模擬器［15］如圖3所示。VI-grade駕駛模擬器［16］如圖4所示。Anthony Best Dynamics（ABD）駕駛模擬器［17］如圖5所示。其中DLR的設計是將作動器鉸接到駕駛艙頂部，使旋轉點盡可能接近駕駛員頭部。Ansible Motion模擬器將運動平臺分成了3層，從而將車輛六向運動由3層運動機構來實現(xiàn)。VI-grade的駕駛模擬器采用兩層，下部采用三足機構，進行低頻大行程運動，上部采用六足機構，進行高頻小行程運動。ABD駕駛模擬器沒有采用分層的運動系統(tǒng)，而是采用8個楔形機構進行驅(qū)動，運動系統(tǒng)放置在一個長導軌通過磁力驅(qū)動，可實現(xiàn)側向較大范圍的運動。

圖2 DLR駕駛模擬器

圖3 Ansible Motion駕駛模擬器

圖4 VI-grade駕駛模擬器

圖5 ABD駕駛模擬器

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Ansible Motion的工程師Kia認為駕駛模擬器可以從兩個方面來評價，一方面從駕駛模擬器各軟硬件組成部分評價，另一方面通過試駕進行評價。軟硬件系統(tǒng)可分為運動系統(tǒng)、應用工具、視景系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)等幾大類進行評價；其中，運動系統(tǒng)包含評價子類有運動平臺、駕駛艙內(nèi)輔助運動機構（座椅、主動安全帶），應用工具包含聯(lián)合仿真環(huán)境、圖像生成、數(shù)據(jù)存儲等。試駕主觀評價主要通過平順性、操控性、制動性等幾大類進行評價。

Anthony Best Dynamics的工程師Adrian博士重點提到了駕駛模擬器運動平臺的性能評價和一些試駕項目以進行駕駛模擬器性能評估。關于運動平臺的性能，提出通過行程、頻率響應特性、延遲時間、線性度、一致性、摩擦、噪聲、故障率等方面進行評價。行程方面，須結合評價車輛實際運動規(guī)律，即車輛在不同自由度上的行程范圍，同時須考慮復合行程，即運動平臺同時在進行多個方向的運動時的行程范圍。頻率響應特性也須結合車輛各個方向?qū)嶋H頻率分析需求。延遲時間須盡可能小，尤其是須小于人類所能感受的滯后時間。關于如何進行駕駛模擬器試駕，以便進行評估，Adrian博士提到首先須有經(jīng)驗的駕駛員進行足夠長時間的駕駛，這樣才能有效評估。質(zhì)量好的駕駛模擬器，當車輛參數(shù)改變幅度較小時，例如1%～2%，試駕時就能讓駕駛員感受到；質(zhì)量不好的駕駛模擬器，即使車輛參數(shù)改動幅度很大，駕駛員試駕時也不能感受到。

VI-grade運動平臺設計單位鷺宮制作所伊榮生認為，關于運動平臺的評價，低頻受行程限制，中頻受速度限制，高頻受加速度限制。各個數(shù)值越大，對運動體感的依賴就越小。同時提出平臺設計的行程，須分析汽車在各種道路駕駛時，3個自由度上（Z、Roll、Pitch）的行程范圍。另外，還分析了車輛在一般駕駛情況下和一般路面行駛時，各個方向的加速度范圍。因此須分析運動平臺的加速度范圍滿足車輛一般駕駛情況下的加速度要求。

吉林大學管欣多年來一直從事駕駛模擬器的開發(fā)與研究，提出模擬器逼真度［12］的概念，用于描述模擬器駕駛感覺和實車駕駛感覺的一致情況。吉林大學段春光認為，改進車輛動力學模型，是提升模擬器逼真度的關鍵環(huán)節(jié)之一。通過將駕駛模擬器中的整車動力學模型仿真數(shù)據(jù)與實車場地試驗數(shù)據(jù)進行對比是評價駕駛模擬器逼真度的方法之一。他主要進行了滑行試驗、縱向加速試驗、制動試驗、操縱穩(wěn)定性試驗的對比。另外，分析了影響模擬器逼真度的幾個方面：車輛動力學模型、仿真路面環(huán)境、硬件工作能力和子系統(tǒng)匹配。

英國利茲大學的Andrew博士［18］研究了幾個駕駛模擬器關鍵子系統(tǒng)對駕駛模擬器有效性的影響，重點包含視景系統(tǒng)、前庭系統(tǒng)和聽覺系統(tǒng)。視景系統(tǒng)顯示質(zhì)量非常重要，包含畫面分辨率、更新頻率和視角。這對于駕駛員估計車速、物體之間距離、車輛朝向和側向控制有著重要意義。前庭系統(tǒng)主要與駕駛模擬器的運動系統(tǒng)相關，Harms［19］和Duncan［10］等研究表明，當運動平臺固定時，駕駛員在駕駛模擬器上相對真實道路駕駛，在車道上位置變化更大；Siegler［20］等研究表明，與僅提供視覺信息相比，當運動平臺存在橫向運動提示時，駕駛員會執(zhí)行更大的轉向。關于音頻對駕駛模擬器試駕時駕駛員行為的影響還不是很明顯。

3 駕駛模擬器主觀評價方法

主觀評價重點通過視覺、體感、觸感、聲覺等分項評價，同時包含通過試駕進行駕駛逼真度綜合評價。

3.1 視覺評價

駕駛模擬器多采用環(huán)幕投影顯示系統(tǒng)，環(huán)形屏幕角度通常有120°～360°不等。多通道虛擬三維投影顯示系統(tǒng)是目前非常流行的一種具有高度沉浸感的虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)以多通道視景同步技術、數(shù)字圖像邊緣融合技術、多通道亮度和色彩平衡技術為支撐。

3.1.1環(huán)境特征逼真度

環(huán)境特征包含兩個方面：靜態(tài)環(huán)境特征和動態(tài)環(huán)境特征。下面展示了不同軟件中渲染后的視景效果。評價時，根據(jù)環(huán)境特征逼真度，按照5分制分為非常差（0-1）、差（0-2）、中（2-3）、良（3-4）和優(yōu)（4-5）。其中，環(huán)境逼真度中如圖6所示，環(huán)境逼真度優(yōu)如圖7所示。

圖6 環(huán)境逼真度中

圖7 環(huán)境逼真度優(yōu)

3.1.2 視景流暢度

視景流暢度的評價主要是觀察視景的變化是否流暢，是否會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，幀與幀的圖像是否能夠平滑過渡。流暢度主要與視景計算工作站的計算性能相關。根據(jù)視景流暢度，按照5分制進行評分。

3.1.3 視景明亮度

視景明亮度主要觀察并比較視景系統(tǒng)在額定工作情況下，視景效果和真實環(huán)境的明亮程度，過于明亮和過于昏暗都是不合適的。按照5分制進行評分，越接近真實，評分越高。

3.1.4 視景拼接平滑度

數(shù)字圖像顯示在屏幕上，是由多塊數(shù)字圖像拼接而成，重點關注環(huán)形屏幕數(shù)字圖像之間拼接處是否平滑，有無相互覆蓋、重疊、有縫隙等現(xiàn)象，以及明亮程度是否一致等。同樣按照5分制進行評分。

3.1.5 視景同步程度

駕駛模擬器顯示時，常采用多通道投影技術，當出現(xiàn)不同步時，試駕會發(fā)現(xiàn)環(huán)幕有些區(qū)域的圖像幀已經(jīng)更新，而有些區(qū)域還未更新。這一項性能的主觀評分按照5分制評分。

3.1.6 視景距離和速度逼真度

視景距離和速度逼真度也是很重要的一項視景指標。在評價視景距離逼真度時，比較視景中的道路兩旁電線桿與實際道路兩旁相同距離的電線桿，判斷視覺感受上是否一致。在評價視景速度逼真度時，主要根據(jù)駕駛艙內(nèi)儀表盤上的速度信息和環(huán)幕中的圖像變化，主觀評價與實車相應速度下的感受是否一致。這一項性能評分采用5分制。

3.2 體感評價

體感是通過駕駛員耳朵內(nèi)前庭進行感受，前庭系統(tǒng)能夠感受線性加速度和角加速度。當駕駛員在駕駛模擬器中駕駛時，運動平臺會模擬在實車道路上駕駛時的車體運動。

在進行該項評價時，須在空間比較開闊的虛擬試驗場進行。下面所有的評價都按照5分制評分。

3.2.1 縱向和俯仰兩個方向的體感評價

縱向和俯仰兩個方向的體感評價主要通過直線加速和制動來進行評價。評價時，初始車速為40和80 km/h，然后進行緊急制動（1 s內(nèi)制動到底）和緩慢制動（10 s制動到底），進行加速（1 s內(nèi)加速到底）和緩慢加速（10 s內(nèi)加速到底）。在這些試驗中，評價縱向和俯仰兩個方向的體感與實車駕駛時的一致性。

3.2.2 側向、側傾、橫擺3個方向的體感評價

側向、側傾、橫擺3個方向的體感評價主要通過操縱轉向進行評價，在虛擬動態(tài)廣場上進行穩(wěn)態(tài)圓周試驗，固定轉向角度90°不變，逐漸增加車速。在虛擬試驗場上，保持車速在40 km/h左右，進行繞樁試驗（或稱蛇行試驗）。在此試驗中，評價側向、側傾、橫擺3個方向的體感與實車駕駛時的一致性。

3.2.3 垂向、俯仰、側傾3個方向的體感評價

垂向、俯仰、側傾3個方向的體感評價主要通過在虛擬試驗場上進行平順性試驗評價，如圖8所示。固定車速30 km/h，在平順性測試試驗場上進行試駕，評價垂向、俯仰、側傾3個方向的體感與實車駕駛時的一致性。

圖8 平順性虛擬試驗場

3.3 觸感評價

觸感反饋主要通過轉向盤力反饋、制動踏板力反饋、加速踏板力反饋、座椅和安全帶力反饋來實現(xiàn)。為讓駕駛員沉浸感更強，在駕駛艙內(nèi)所受的力也須盡量保持和實車駕駛時一致。而所有力反饋中，轉向盤力反饋最為重要，駕駛員在試駕時須判斷是否存在轉向盤的回正力矩和路感反饋力矩。

轉向盤力反饋，主要進行3種工況下試驗評價：（1）原地轉向；（2）蛇行試驗；（3）比利時路面試驗。

制動踏板力反饋、加速踏板力反饋、座椅縱向力反饋、安全帶力反饋，與縱向和俯仰兩個方向的體感評價試驗工況一樣，在此過程中進行制動踏板力反饋、加速踏板力反饋、座椅縱向力反饋和安全帶力反饋評價。

座椅側向力反饋，和側向、側傾、橫擺3個方向的體感評價試驗工況一樣，在此過程中進行座椅側向力反饋評價。

3.4 聲覺評價

聲覺評價最重要是評價發(fā)動機的聲音、胎噪和風聲等。

在評價發(fā)動機聲音時，將擋位置于空擋，然后逐漸加大加速踏板行程，判斷發(fā)動機聲音是否增加。

在評價胎噪和風聲時，將擋位置于D擋，然后逐漸加大加速踏板行程，在車速逐漸增加時，觀察胎噪和風聲是否隨之增大。

3.5 駕駛逼真度主觀評價

駕駛逼真度主觀評價是一種綜合評價，是對駕駛模擬器視覺評價、體感評價、觸感評價和聲覺評價的綜合。

在進行該項評價時，將選擇城市道路虛擬場景、高速公路虛擬場景、鄉(xiāng)村道路虛擬場景和山地道路虛擬場景。讓駕駛員在4種類型的虛擬場景中進行駕駛，最后比較與實際道路駕駛的主觀感受。與實際道路越接近，認為駕駛逼真度越高。此項評分也采用5分制。

4 駕駛模擬器客觀評價方法

對駕駛模擬器的客觀評價，主要是基于駕駛模擬器相關子系統(tǒng)的性能參數(shù)進行評價。駕駛模擬器的客觀評價分為兩類，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

4.1 硬件系統(tǒng)

4.1.1 運動平臺

關于運動平臺，須根據(jù)實際的平臺性能參數(shù)和相關測試報告進行評價，主要評價以下關鍵方面。（1）行程范圍：主要判斷駕駛模擬器運動平臺的各自由度方向行程是否大于乘用車一般駕駛時行程，其中乘用車在駕駛時，垂向上的行程大多在±100 mm范圍內(nèi)，側傾方向上的行程大多小于5°，俯仰方向的行程大多小于5°，考慮體感運動算法的影響，側傾和俯仰方向的行程大于6°即可滿足要求。（2）復合運動行程范圍：主要判斷運動平臺在進行幾個方向復合運動時（急加速、制動、轉向等行駛工況下）的行程范圍。（3）加速度范圍：主要判斷駕駛模擬器的運動平臺各個方向加速度是否大于乘用車駕駛時的車體加速度，研究表明：乘用車在行駛時，前后加速度一般小于10 m/s2；左右加速度一般小于5 m/s2；垂向加速度一般小于10 m/s2。（4）頻率響應帶寬：主要判斷駕駛模擬器的運動平臺在各個方向上的頻率帶寬是否滿足要求。（5）頻響一致性：主要判斷駕駛模擬器的運動平臺在不同行程上，頻率響應曲線是否較一致。（6）延遲性能：主要判斷駕駛模擬器的運動平臺在不同方向上的延遲響應時間。（7）平臺負載能力：在不影響平臺運動響應性能時，負載能力越大越好，意味著駕駛艙里面可安裝更多設備。（8）噪聲：主要判斷運動平臺運動時噪聲強度大小。（9）平臺故障率：主要判斷運動平臺在10年內(nèi)的故障發(fā)生情況。

4.1.2 駕駛艙

駕駛艙是關系到駕駛模擬器沉浸感的關鍵部件之一。主要通過如下幾方面進行評價：（1）駕駛員操縱機構（制動踏板、加速踏板、換擋機構、轉向盤）是否與實車一致；（2）駕駛艙內(nèi)儀表盤顯示的功能是否與實車儀表盤一致；（3）是否安裝后視鏡；（4）是否有駕駛員狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；（5）是否安裝轉向燈操作桿。

4.1.3 視景硬件系統(tǒng)

視景硬件系統(tǒng)主要包含環(huán)屏和投影儀、圖像渲染工作站。在進行視景系統(tǒng)客觀評價時，主要評價如下方面：（1）投影儀的刷新頻率；（2）環(huán)形屏幕上的畫面分辨率；（3）投影儀最大亮度。

4.1.4 實時仿真計算機

實時計算機的計算性能決定了仿真模型和圖像渲染的計算時間。計算性能出眾的實時計算機，將會有效縮短延遲時間。實時仿真計算機的評價主要通過CPU核數(shù)、CPU主頻和I/O接口類型與數(shù)量進行。

4.2 軟件系統(tǒng)

4.2.1 中控系統(tǒng)

關于中控系統(tǒng)，主要評價功能是否齊全，是否包含如下功能：（1）仿真監(jiān)控與管理功能；（2）數(shù)據(jù)記錄和管理功能；（3）配置各子系統(tǒng)的功能；（4）開啟各系統(tǒng)的功能；（5）系統(tǒng)故障診斷功能。

4.2.2 仿真建模軟件

關于仿真建模軟件，主要評價如下內(nèi)容：（1）仿真模型是否齊全，如車輛動力學模型、駕駛員模型、車輛傳感器模型、車輛控制器模型、交通環(huán)境模型和道路模型；（2）仿真模型能否實時仿真；（3）軟件兼容性；（4）軟件是否支持模塊化和用戶自定義。

4.2.3 運動平臺控制和體感運動算法軟件

運動平臺控制軟件對于實現(xiàn)運動平臺的準確快速控制非常重要。重點評價項目包含：（1）體感運動算法類型是否豐富，以便適應用戶不同的應用需求；（2）是否支持用戶配置體感運動算法參數(shù)。

4.2.4 視景渲染軟件

視景渲染軟件的評價項目包含：（1）是否能實現(xiàn)多通道同步高清輸出；（2）是否支持各種天氣配置；（3）是否支持動態(tài)陰影效果；（4）是否支持物理光源仿真，如車輛各種燈光效果模擬；（5）是否支持反光效果，如濕滑路面反光；（6）是否包含物理表面材質(zhì)建模，從而支持雷達模型的探測；（7）虛擬仿真場景、交通元素和道路類型是否覆蓋了中國典型道路交通環(huán)境。

5 駕駛模擬器主客觀評價方法應用案例

根據(jù)文中所建立的汽車駕駛模擬器主客觀評價方法對一款駕駛模擬器進行逐項評價。評價的結果如表1和表2所示。同時設置了各個評價項目的權重，權重的設置是根據(jù)該評價項目的重要程度。其中評分分子為所得分，分母為該項評分滿分分值。

因篇幅關系，不再將評價子項的客觀評價結果一一列出，僅按照大類列出。下面列出了部分硬件性能數(shù)據(jù)作為客觀評價結果的評分依據(jù)，如表3～表5所示。

表1 主觀評價結果

表2 客觀評價結果

表3 投影儀性能參數(shù)

表4 運動平臺單方向工作行程

表5 運動平臺最大速度和最大加速度

車輛在運行過程中，常常不是單一運動形式，而是復合運動形式，例如轉向時，同時存在橫擺和側向的復合運動，因此須判斷復合運動的行程，如圖9所示。有一些平臺在單一方向上的運動行程滿足要求，但是復合運動行程較小。

運動平臺的頻率響應特性是運動平臺十分重要的性能特征。圖10描述運動平臺頻率響應特性的測量方法。測量前，將加速度計和陀螺儀安裝在駕駛員座椅正下方的運動平臺上。測試時，選擇合適的負載，如200 kg。輸入信號推薦采用對數(shù)正弦掃頻信號。在輸入輸出幅頻特性曲線上，選取-3 dB時的頻率點，作為頻率帶寬；在輸入輸出相頻特性曲線上，選取90°相位滯后的頻率點，以此計算滯后時間。

圖9 轉向時橫擺運動和側向運動的復合運動

圖10 運動平臺頻率響應測量方法

表6為運動平臺的頻響特性參數(shù)是負載在200 kg下的測量數(shù)據(jù)。

表6 運動平臺各個方向頻率特性和延遲時間

當前在進行權重分配時，主觀評價總和為20，客觀評價總和為30，因此駕駛模擬器總體評分為S=α∑wisi+(1-α)∑wjsj，其中：wi表示主觀評價各項權重；si表示主觀評價各項評分；wj表示客觀評價各項權重；sj表示客觀評價各項評分；α表示主觀評價和客觀評價的權重分配；α∈(0，1)，評價時可根據(jù)實際情況調(diào)整α具體值，在設定α取值時，參考設定值為0.5。

6 結論

回顧了駕駛模擬器的發(fā)展歷程，研究了國內(nèi)外駕駛模擬器評價方法，在此基礎上總結并提出了一套汽車駕駛模擬器主客觀評價方法，將該方法應用在一款駕駛模擬器實際評價中，結果表明該評價方法能夠較為合理地反映駕駛模擬器性能，且可操作性強。當前在評價過程中所選擇的權重，隨著研究的深入，以及不同的需求，可進行適當調(diào)整，這也是后續(xù)可繼續(xù)展開的研究點。