汽車駕駛模擬器人機交互控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

鄭玲玲　郭學(xué)立　羅蘭

摘 要：吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院汽車仿真與控制國家重點實驗室建設(shè)了開發(fā)型駕駛模擬器系統(tǒng)人機交互能力不足，本文開展了人機交互控制系統(tǒng)優(yōu)化研究，采用鍵盤硬件控制方式，利用模塊化設(shè)計思路，利用嵌入式工控機平臺，搭建任務(wù)及指令執(zhí)行器系統(tǒng)，并建立相應(yīng)的功能模塊，包括鍵盤、人機界面、主控單元、功能數(shù)據(jù)庫等。解決了多平臺并發(fā)仿真中存在的數(shù)據(jù)通信、時鐘同步、仿真監(jiān)控問題，優(yōu)化了集成平臺的性能。

關(guān)鍵詞：駕駛模擬器 人機交互控制 優(yōu)化

吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院汽車仿真與控制國家重點實驗室建設(shè)了開發(fā)型駕駛模擬器系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、命令繁多，主要由動力學(xué)系統(tǒng)、聲響系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、交通仿真系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，能夠為駕駛員提供真實的人-車操作界面，并在模擬器上復(fù)現(xiàn)試驗工況，另外它還支持任意嵌入實物的試驗，為駕駛模擬器開發(fā)嵌入式系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。模擬器通過嵌入式開發(fā)平臺實現(xiàn)了嵌入式臺架與駕駛模擬器的數(shù)據(jù)集成。搭建了制動嵌入式模型，實現(xiàn)了嵌入式臺架傳感、執(zhí)行機構(gòu)的標(biāo)定與建模。解決了多平臺并發(fā)仿真中存在的數(shù)據(jù)通信、時鐘同步、仿真監(jiān)控問題，優(yōu)化了集成平臺的性能。

目前的模擬器系統(tǒng)人機交互能力不足，模擬器系統(tǒng)的配置、集成及各個子系統(tǒng)控制主要是在監(jiān)控系統(tǒng)中手工輸入命令字串的方式進(jìn)行，例如在切換車輛場景時，需要在嵌入式軟件中人工鍵入二十余條代碼，這樣既浪費時間，又容易出現(xiàn)鍵入錯誤，同時對操作人員的要求過高，不適合于設(shè)備交付客戶使用，更難進(jìn)行后期二次開發(fā)。

針對上述問題，本文開展了人機交互控制系統(tǒng)優(yōu)化研究，采用鍵盤硬件控制方式，利用模塊化設(shè)計思路，保證各模塊可單獨使用，并用于課外實驗、大創(chuàng)項目中，腳本數(shù)據(jù)庫根據(jù)實際操作平臺進(jìn)行設(shè)計，可以保證科研人員進(jìn)行快速二次開發(fā)，提高模擬器系統(tǒng)的綜合設(shè)計能力。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對模擬器的整體需求，本文完成的功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。利用工控機平臺，搭建任務(wù)及指令執(zhí)行器系統(tǒng)，并建立相應(yīng)的功能模塊，包括鍵盤、人機界面、主控單元、功能數(shù)據(jù)庫等。本文基于UniButton工控機嵌入式平臺，實現(xiàn)人機交互模塊與數(shù)據(jù)庫的連接，并將對應(yīng)的指令命令送入到模擬器中。數(shù)據(jù)庫利用工控機編寫，內(nèi)容包含車輛行駛過程中的環(huán)境、動力等多參數(shù)變量的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)實現(xiàn)的功能不同分為以下三個方面：運動數(shù)據(jù)庫、仿真數(shù)據(jù)庫以及情景數(shù)據(jù)庫。利用RS232、CAN總線方式將指令傳輸至PLC控制器和駕駛模擬器端，利用InterNet總線將指令送至運動平臺及其它輔助部件，并將設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)返回任務(wù)指令端進(jìn)行分析。

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計，完成了外接鍵盤設(shè)計、任務(wù)指令執(zhí)行器研發(fā)及功能數(shù)據(jù)庫編寫等內(nèi)容。工控機平臺即嵌入式控制單元，用于建立指令按鍵與指令對象的對應(yīng)關(guān)系；并根據(jù)指令按鍵的觸發(fā)查找與指令按鍵具有對應(yīng)關(guān)系的指令對象，建立指令對象集，將采集當(dāng)前車輛的各項參數(shù)與指令對象集對比，并根據(jù)指令對象集修改采集的當(dāng)前車輛的各項參數(shù)形成執(zhí)行命令；根據(jù)該執(zhí)行命令控制汽車駕駛模擬器進(jìn)行模擬。

2 多參數(shù)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

根據(jù)實際需求，首先開發(fā)了多參數(shù)的指令數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫包括運動數(shù)據(jù)庫、仿真數(shù)據(jù)庫以及情景數(shù)據(jù)庫，所述運動數(shù)據(jù)庫中包括的指令對象集：車輛總體控制、車輛運動控制、車輛運動過程控制、車輛動力學(xué)控制、模擬器聲響系統(tǒng)控制、路面交通系統(tǒng)控制、模擬器視景系統(tǒng)控制、模擬器座艙的感應(yīng)控制、投影系統(tǒng)的控制以及燈光系統(tǒng)的控制；所述仿真數(shù)據(jù)庫中包括的指令對象集：模型調(diào)整控制、模擬器車型調(diào)整控制、天氣情況的控制、時刻控制、嵌入式模式、車輛行駛記錄控制以及車輛參數(shù)曲線；情景數(shù)據(jù)庫包括的指令對象集：駕駛員視點情況控制、試驗場情況控制、智能控制以及引導(dǎo)車控制。

3 鍵盤端設(shè)計研發(fā)

根據(jù)模擬器需要實現(xiàn)的功能，設(shè)計三個人機交互控制模塊，分別對應(yīng)模擬器狀態(tài)操作、車輛行駛環(huán)境變化操作和車輛行駛路況操作，每個按鍵的尺寸為15mm×21mm×3mm，分別對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的一個功能，鍵盤與工控機嵌入式控制單元的通訊方式為RS232模式，并通過USB供電。實體鍵盤通過工控機平臺啟動指令配置模塊將按鍵模板中的按鍵與指令對象建立或修改對應(yīng)關(guān)系，鍵盤模塊包括按照行排列的功能按鍵，每個功能按鍵下方設(shè)置對應(yīng)該功能按鍵的多個指令按鍵，所述交互模塊與所述功能數(shù)據(jù)庫建立一對一的對應(yīng)關(guān)系，所述功能按鍵與所在的交互模塊對應(yīng)功能數(shù)據(jù)庫功能指令集建立對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)功能按鍵被觸發(fā)時，工控機嵌入式控制單元通過判斷對應(yīng)關(guān)系，指向?qū)?yīng)的功能數(shù)據(jù)庫；當(dāng)指令按鍵被觸發(fā)時，工控機嵌入式控制單元通過判斷對應(yīng)關(guān)系，直接從指向的功能數(shù)據(jù)庫調(diào)取相應(yīng)的指令。人機交互系統(tǒng)還包括有指令配置模塊，通過所述指令配置模塊對指令對象進(jìn)行修改以及建立新的指令對應(yīng)，所述修改包括指令對象以及功能數(shù)據(jù)庫與對應(yīng)功能按鍵的關(guān)系變更以及新加入的指令與指令按鍵建立對應(yīng)關(guān)系。

運行鍵盤實物如圖2所示。主要實現(xiàn)以下功能的操作：

1）車輛總體控制。完成模擬車輛的暫停、停止、運行和復(fù)位功能。

2）車輛運動控制。駕駛艙底部位置、駕駛員登艙位置、駕駛艙中立位置和駕駛艙復(fù)位功能。

3）車輛運動過程控制。駕駛員的體感模擬方式、退出體感模式、測試開始和測試停止。

4）車輛動力學(xué)控制。動力學(xué)模式開始運行、暫停、停止和復(fù)位。

5）模擬器聲響系統(tǒng)控制。聲響系統(tǒng)開啟、停止、音量加大和音量減小。

6）路面交通系統(tǒng)控制。交通系統(tǒng)的暫停、繼續(xù)工作、停止工作和重置。

7）模擬器視景系統(tǒng)控制。調(diào)整視景的高速、山區(qū)、小鎮(zhèn)和試驗場景模式。

8）模擬器座艙的感應(yīng)控制。座艙力學(xué)感應(yīng)的模擬、關(guān)閉、停止和復(fù)位。

9）投影系統(tǒng)的控制。投影系統(tǒng)的打開、關(guān)閉、上電和下電。

10）燈光系統(tǒng)的控制。模擬環(huán)境門廳燈光開啟關(guān)閉和座艙內(nèi)的燈光開啟關(guān)閉。

仿真鍵盤實物圖如圖3所示，主要對工作過程中的仿真環(huán)境進(jìn)行控制，主要實現(xiàn)以下功能的操作：

1）模型調(diào)整控制。完成動力學(xué)模型的切換，包括ASCL、A、B、C。

2）模擬器車型調(diào)整控制。包括H2、A、B、C車型。

3）天氣情況的控制。包括晴天、陰天、霧天、多云、小雨、大雨、小雪和大雪8種天氣情況。

4）時刻控制。包括清晨、中午、傍晚和午夜四個時間點。

5）嵌入式模式。包括聯(lián)合仿真、退出仿真、停止和復(fù)位。

6）車輛行駛記錄控制。包括開始、停止、入門和出門。

7）車輛主要參數(shù)曲線。包括車體狀態(tài)、懸架狀態(tài)、發(fā)動機狀態(tài)、變速箱狀態(tài)、駕駛信號、輪缸壓力、輪胎側(cè)偏、輪胎滑移及四個輪胎的受力曲線。

情景鍵盤實物圖如圖4所示，主要對工作過程中的情景參數(shù)進(jìn)行控制，主要實現(xiàn)以下功能的操作：

1）駕駛員視點情況控制。包括視點的前移、后移、左移、右移、上移、下移、側(cè)傾程度增加減小、俯仰程度增加減小、橫擺程度增加減小等。

2）試驗場情況控制。包括雙移線情況下不同車速度控制、蛇形路段車速控制、緊急避障的車速控制、直線路段的車速控制、雙扭線區(qū)和圓周區(qū)的車速控制。

3）智能控制。車輛的縱向、側(cè)向控制，車道保持情況及偏離預(yù)警。

4）引導(dǎo)車控制。引導(dǎo)車停止、勻速、變道等。

按鍵模板通過工控機嵌入式控制單元啟動指令配置模塊將按鍵模板中的按鍵與指令對象建立或修改對應(yīng)關(guān)系。鍵盤包括三個實體的交互模塊，交互模塊包括按照行排列的功能按鍵，每個功能按鍵下方設(shè)置對應(yīng)該功能按鍵的多個指令按鍵，功能按鍵與指令按鍵具有一定的間距，交互模塊與功能數(shù)據(jù)庫建立一對一的對應(yīng)關(guān)系，三個功能數(shù)據(jù)庫分別對應(yīng)三個交互模塊，功能按鍵與所在的交互模塊對應(yīng)功能數(shù)據(jù)庫下的功能指令集建立對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)功能按鍵被觸發(fā)時，工控機嵌入式控制單元通過判斷對應(yīng)關(guān)系，指向?qū)?yīng)的功能數(shù)據(jù)庫；當(dāng)指令按鍵被觸發(fā)時，工控機嵌入式控制單元通過判斷對應(yīng)關(guān)系，直接從指向的功能數(shù)據(jù)庫調(diào)取相應(yīng)的指令。每個交互模塊具有總按鍵，當(dāng)總按鍵觸發(fā)時，工控機嵌入式控制單元通過判斷對應(yīng)關(guān)系指向所在的功能數(shù)據(jù)庫。三個交互模塊只能單獨啟用，當(dāng)超過兩個總按鍵被按下時，選擇后觸發(fā)的總按鍵對應(yīng)的交互模塊。

人機交互系統(tǒng)還包括有指令配置模塊，通過指令配置模塊對指令對象進(jìn)行修改以及建立新的指令對應(yīng)，修改包括指令對象以及功能數(shù)據(jù)庫與對應(yīng)功能按鍵的關(guān)系變更以及新加入的指令與指令按鍵建立對應(yīng)關(guān)系。從而實現(xiàn)修改與擴展，用于適應(yīng)不同的操作需求。

按鍵模板具有擴展功能，通過所述指令配置模塊建立新的指令對象，并通過嵌入式控制單元將其放入對應(yīng)的功能數(shù)據(jù)庫，以及通過嵌入式控制單元查找功能數(shù)據(jù)庫對應(yīng)的功能按鍵下空余的指令按鍵，按照從上到下的排列順序?qū)⑿碌闹噶顚ο笈c空余的指令按鍵建立對應(yīng)關(guān)系，若新建立的指令對象所對應(yīng)的指令對象集所在的功能數(shù)據(jù)庫對應(yīng)的功能按鍵中指令按鍵已滿，則擴展功能按鍵，若功能按鍵無法擴展，則發(fā)出警告提醒。

4 人機交互界面設(shè)計搭建

利用工控機嵌入式計算機系統(tǒng)，在控制平臺搭建了人機交互界面，實現(xiàn)主控單元對任務(wù)指令器的命令控制及狀態(tài)顯示。人機交互界面圖如下圖所示。主要包括對實時、動力學(xué)系統(tǒng)、圖像、仿真監(jiān)控、記錄器和聲響系統(tǒng)的監(jiān)控等，并對重要參數(shù)可以在界面中進(jìn)行實時顯示。

基金項目：吉林大學(xué)實驗技術(shù)項目（汽車駕駛模擬器人機交互控制系統(tǒng)優(yōu)化，SYXM2021b053）。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁瑞晨，孫濤.基于虛擬駕駛的仿真平臺設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2019，32（06）：57-60.

[2]陳彥廷. 虛擬駕考系統(tǒng)設(shè)計[D].內(nèi)蒙古大學(xué)，2018.

[3]李鵬，湯勇，羊玢.一種開展汽車性能試驗教學(xué)的新平臺[J].教育教學(xué)論壇，2017（26）：243-244.

[4]謝嘉悅，張舒.智能化汽車主動安全人機交互界面評價方法的設(shè)計理念研究[J].質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化，2016（07）：53-56.

[5]李霖，朱西產(chǎn)，孫東.基于視覺信號提示的碰撞預(yù)警系統(tǒng)的人機交互界面[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2015，6（01）：37-42.