基于Unity3D 的駕駛仿真系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

曹文冠，姚啟明，李賢鈺，姚元森

（1 同濟大學 建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092；2 上海智慧交通安全駕駛工程技術研究中心，上海 200000；3 上海未青數(shù)字科技有限公司，上海 200000）

0 引言

近年來，隨著中國道路交通行業(yè)的快速發(fā)展，道路交通安全問題也日益顯著。提升駕駛技能，規(guī)范駕駛行為，是解決道路交通安全問題的有效途徑。然而，傳統(tǒng)的駕培機構對駕駛員的駕駛技能提升和駕駛行為規(guī)范方面，存在成本大、效率低、效果差的局限性。因此，利用計算機虛擬現(xiàn)實仿真技術解決上述問題，引起了國內(nèi)相關研究人員的廣泛關注［3-6］。

駕駛仿真系統(tǒng)綜合應用了人工智能、圖像圖形學與三維建模等領域的相關技術，通過計算機仿真計算，真實再現(xiàn)現(xiàn)實世界的不同場景，并輔以聲音、動作等元素，使駕駛人通過駕駛模擬器，身臨其境地體驗“真實”駕駛過程。本文通過Unity3D 虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎，開發(fā)了一款高還原度、兼容性強、應用廣泛的駕駛模擬仿真軟件，為后續(xù)研究如何緩解交通壓力、提升駕駛技能、規(guī)范駕駛行為與自動駕駛仿真測試提供較為真實的駕駛仿真平臺。

1 系統(tǒng)整體架構

駕駛仿真系統(tǒng)由駕駛模擬器、車輛仿真系統(tǒng)與視景仿真系統(tǒng)等組成，整體架構如圖1 所示。圖1中，駕駛模擬器包括方向盤、加速踏板、剎車踏板、換擋撥片以及顯示器和音響設備，車輛仿真系統(tǒng)包括車輛三維模型和車輛動力學模型，視景仿真系統(tǒng)包括道路模塊、地形模塊、建筑物模塊和天氣控制模塊。

圖1 系統(tǒng)整體架構圖Fig.1 Overall system architecture diagram

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 視景仿真系統(tǒng)設計

視景仿真系統(tǒng)中，場景的逼真程度是實現(xiàn)沉浸感最重要的一個環(huán)節(jié)。為了使駕駛員感到身臨其境的駕駛體驗，場景環(huán)境的模型建立、貼圖的制作、畫面渲染都要有一定的逼真程度。完整的虛擬駕駛視景仿真系統(tǒng)由道路模塊、地形模塊、建筑物模塊和天氣管理模塊四大模塊組成，如圖2 所示。只有將各模塊加以有序組合，才能實時響應駕駛人的操控信息，并將實時渲染的畫面呈現(xiàn)出來。這里，對各組成模塊的功能設計擬展開闡釋如下。

圖2 視景仿真系統(tǒng)設計Fig.2 Design of visual simulation system

（1）道路模塊。為了更加精細真實地表達出道路的幾何線性、橫縱坡度，本文利用專業(yè)的工程設計軟件BIM（或犀牛），對道路的幾何線性和橫縱坡度進行建模，此后在3Dmax 中對路面紋理和交通標識進行貼圖，從而達到逼真的建模效果，在降低模型誤差的同時提升駕駛員的沉浸感。

（2）地形模塊。地形模塊是視景仿真系統(tǒng)的基礎，其高程精度直接影響道路模塊與建筑物模塊的精度。故本文利用地面高程數(shù)據(jù)，在工業(yè)設計軟件中生成地形曲面后，將其導入至Unity3D 中，利用地形轉換插件將曲面轉換成地形，再使用Unity3D 地形插件中的花草、樹木、石塊等細節(jié)模型對整個地形模塊進行美化。

（3）建筑物模塊。建筑物模塊占據(jù)了駕駛人的大部分視野，建筑物的真實度將直接影響駕駛沉浸感。因此，本文選擇專業(yè)的三維建模軟件3Dmax，對建筑物進行建模與貼圖，再將模型導入Uinty3D 中，并對該模型的光照效果進行細化，以達到真實的效果。

（4）天氣控制模塊。天氣控制模塊在虛擬環(huán)境中模擬出各種天氣狀況，如白天、夜晚、雨、雪、霧等。一方面，通過Unity3D 中的點光源、平行光源、聚光燈光源和區(qū)域光源四種光源單一或者組合使用，模擬出真實的光照效果；另一方面，通過Unity3D 中的粒子系統(tǒng)，模擬出雨、雪、霧等天氣。粒子系統(tǒng)由數(shù)量可控、生命周期可控的微小粒子圖元組成，并具有形狀、位置、顏色、速度、運動方向等屬性，可以通過對這些屬性的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)雨滴、雪花和空氣中肉眼可見的微粒等物質(zhì)，并能賦予其速度和運動方向，從而實現(xiàn)不同的天氣展示。

2.2 車輛仿真系統(tǒng)設計

2.2.1 車輛功能模擬系統(tǒng)

圖上的標號3就是最需要硬度的軸尖。看到隨著軸尖的深度變化的硬度變化，在0.003毫米也就是3微米的地方，硬度能達到接近1000HV。一個鐘表制造商，能在材料科學和機械設計上做出如此重大的發(fā)明十分令人敬佩。非常有意思的是這件專利只在瑞士和中國申請了專利，而且在中國申請的是實用新型專利，從中充分體現(xiàn)了中國市場對于瑞士鐘表的重要性，為了適應2013年在中國的發(fā)布緊急部署專利保護。

2.2.1.1 車輛三維模型

在將三維建模軟件中創(chuàng)建的車輛模型導入Unity3D 之前，必須保證車輛坐標系中的軸指向車輛正前方，軸指向正右方，軸指向正上方，以減少不必要的數(shù)據(jù)轉換過程。模型導入后，將Unity3D 中的車輪碰撞體添加到三維模型的輪胎中。車輪碰撞體可以模擬真實車輪的轉動，并可控制車輛的移動。在車輪碰撞體屬性欄中可以調(diào)節(jié)懸架高度、阻尼、車輪最大轉速等參數(shù)。除此之外，三維模型還要添加Rigidbody 組件，賦予車輛物理屬性，包括質(zhì)量、重力等。車輛三維模型如圖3 所示。

圖3 車輛三維模型Fig.3 3D model of vehicles

2.2.1.2 儀表與數(shù)據(jù)

本文儀表系統(tǒng)采用Unity3D 中的UI 界面功能和C＃編程制作。主要包括速度儀表、發(fā)動機轉速儀表、車輛擋位、輔助駕駛功能指示燈，以及車輛狀態(tài)指示燈等部分。儀表仿真效果如圖4 所示。

圖4 儀表與數(shù)據(jù)顯示Fig.4 Instrumentation and data display

2.2.1.3 音效模擬

音效是駕駛仿真系統(tǒng)開發(fā)中必不可少的元素。一個真實的駕駛體驗，不僅包括良好的視覺體驗，對聽覺體驗的營造也尤為重要。本文在傳統(tǒng)剎車音效、馬達音效的基礎上，根據(jù)不同的前進踏板開度、制動踏板開度，線性調(diào)整音效的音響強度，使其具有真實的聽覺體驗。

2.2.2 車輛動力學模型

實現(xiàn)真實的模擬駕駛，不僅需要模擬出車輛的各種功能，對車輛動力系統(tǒng)的仿真也提出了更高的要求。本文以兩軸四輪乘用車輛為例，根據(jù)汽車系統(tǒng)動力學知識，分析車輛的受力，主要包括：驅動力、滾動阻力、空氣阻力、加速阻力和坡度阻力等。車輛的合力決定了車輛的運動狀態(tài)，如圖5 所示。

圖5 車輛動力學模型Fig.5 Vehicles dynamics model

其中，為車輛的質(zhì)量；為車輛速度；F為車輛驅動力；F為車輛滾動阻力； F為車輛空氣阻力；F為車輛加速阻力；F為車輛坡度阻力。

這里，對各主要受力擬展開研究闡析如下。

（1）車輛驅動力F。計算公式可寫為：

在Unity3D 車輛仿真過程中，可以通過前進踏板和制動踏板的開度來控制車輛運動。因此，進一步將車輛的驅動力公式修正為：

其中，C為前進踏板開度； F為式（1）計算出的最大值；C為速度修正系數(shù)。

（2）滾動阻力F。計算公式可寫為：

其中，C為滾動阻力系數(shù)，為車輛重力。

（3）空氣阻力F。計算公式可寫為：

其中，C為空氣阻力系數(shù)；為車輛的迎風面積；為空氣當前的密度； V為汽車相對于空氣的速度。

（4）加速阻力F。計算公式可寫為：

其中，為車輛旋轉質(zhì)量轉換系數(shù)。

（5）坡度阻力F。計算公式可寫為：

其中，為路面的傾斜角度。

整理后可得：

3 系統(tǒng)測試與仿真效果展示

為驗證駕駛系統(tǒng)的真實性、穩(wěn)定性以及響應速度，本文使用Unity3D 發(fā)布了一個基于Windows 系統(tǒng)的應用實例，并對該實例展開分析。駕駛仿真效果如圖6 所示。

圖6 駕駛仿真效果展示Fig.6 Driving simulation effect display

為更直觀地反映系統(tǒng)運行的實時性與穩(wěn)定性，本文編寫了計算系統(tǒng)運行實時幀率的代碼，并使系統(tǒng)運行30 min，分析其實時幀率。系統(tǒng)運行實時運行幀率如圖7 所示。

經(jīng)過多次實驗驗證，并綜合分析圖6 和圖7，證明本文所構建的車輛仿真系統(tǒng)與視景仿真系統(tǒng)能夠實時耦合，加速踏板、制動踏板和方向盤功能均正常，且無滯后反應現(xiàn)象。

圖7 系統(tǒng)實時運行幀率Fig.7 System real-time running frame rate

4 結束語

本文對基于Unity3D 的車輛駕駛仿真系統(tǒng)進行了詳細的介紹與分析。通過反復試驗，驗證了本研究開發(fā)的系統(tǒng)呈現(xiàn)出良好的人機交互效果，同時也具有較高的真實度和穩(wěn)定性。在后續(xù)的研究中，技術方面引進VR 技術或多自由度運動平臺與該系統(tǒng)結合，對提升駕駛沉浸感具有重要的意義。理論方面可根據(jù)模擬仿真的實驗數(shù)據(jù)進行分析和研究，實現(xiàn)低成本的緩解交通壓力、提升駕駛技能、規(guī)范駕駛行為等目的。