一種基于實(shí)車的實(shí)景虛擬駕駛教學(xué)平臺(tái)

王鋒　潘夢(mèng)鷂　李佳威

摘 要：針對(duì)高校大學(xué)生群體“學(xué)車熱”現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種基于實(shí)車的實(shí)景虛擬駕駛平臺(tái)，用于校內(nèi)安全駕駛教學(xué)。通過對(duì)二手車或臨近報(bào)廢車進(jìn)行改裝，加裝相關(guān)連接機(jī)構(gòu)及傳感器，并配以虛擬教學(xué)系統(tǒng)，搭建基于實(shí)車的虛擬駕駛教學(xué)平臺(tái)，設(shè)置理論、虛擬及實(shí)景教學(xué)模塊，學(xué)生可在實(shí)車環(huán)境中進(jìn)行駕駛理論及駕駛技能學(xué)習(xí)，既保證了學(xué)生在實(shí)車環(huán)境中的安全駕駛學(xué)習(xí)需求，又避開了無證駕駛的安全隱患，可有效避免新手實(shí)車演練的帶來的各種意外事故。采用基于實(shí)車的實(shí)景虛擬駕駛平臺(tái)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生汽車安全駕駛的教育教學(xué)，全面提升學(xué)生的交通安全意識(shí)及駕駛技能，可在一定程度上降低交通事故的發(fā)生率，并提升學(xué)生的綜合職業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力。

關(guān)鍵詞：實(shí)車環(huán)境 虛擬駕駛 教學(xué)平臺(tái) 實(shí)景引導(dǎo)教學(xué)

A Real-scene Virtual Driving Teaching Platform Based on Real Vehicle

Wang Feng Pan Mengyao Li Jiawei

Abstract：Aiming at the phenomenon of "learning to drive" among college students，designed a real-scene virtual driving platform based on real vehicle， for teaching safe driving in school.By retrofitting used or near Scrap vehicles，add related connection mechanism and sensor，and add virtual teaching system，build a virtual driving teaching platform based on real vehicles，set up theoretical， virtual and real-scene teaching modules，students can learn driving theory and driving skills in the real vehicle environment，It not only ensure the safe driving learning needs of students in the real vehicle environment，but also avoid the safety hazards of unlicensed driving，It can effectively avoid various accidents caused by novice real vehicle drills.Adopting the real-scene virtual driving platform based on real vehicle to strengthen the education of safety driving for students，comprehensively enhance students' traffic safety awareness and driving skills，It can reduce the incidence of traffic accidents to a certain extent， and improve the comprehensive professional competitiveness of students.

Key words：real vehicle environment，virtual driving，teaching platform，real-scene guided teaching

1 引言

汽車作為現(xiàn)代文明的重要標(biāo)志之一，已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)不可或缺的重要組成部分，汽車產(chǎn)業(yè)也是推動(dòng)一國(guó)或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要引擎。近年來，伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)已步入高速發(fā)展階段。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2022年3月底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)4.02億輛，其中汽車3.07億輛；機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)?.87億人，其中汽車駕駛?cè)?.50億人。2022年一季度全國(guó)新注冊(cè)登記機(jī)動(dòng)車934萬輛，新領(lǐng)證駕駛?cè)?75.8萬人[1]。然而伴隨著機(jī)動(dòng)車保有量和駕駛?cè)藛T數(shù)量的持續(xù)增加，交通安全形勢(shì)也愈發(fā)嚴(yán)峻。據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[2]，最近5年，我國(guó)每年發(fā)生交通事故超過20萬起，每年因交通事故導(dǎo)致的死亡人數(shù)超過6萬人、受傷人數(shù)超過20萬人，每年因交通事故造成的直接財(cái)產(chǎn)損失超過12億元。通過交通事故案例分析，諸多交通事故是因駕駛?cè)藛T駕駛行為不文明、駕駛理論或駕駛技能缺乏所致。

近年來，隨著汽車的日益普及，高校大學(xué)生群體也掀起了“學(xué)車熱”。針對(duì)汽車安全駕駛的學(xué)習(xí)需求，部分本科或高職院校的汽車專業(yè)也開設(shè)了汽車安全駕駛相關(guān)的課程，但由于絕大部分學(xué)生入學(xué)前未考具駕照，致使相關(guān)課程教學(xué)僅停留在多媒體理論教學(xué)或由具備資質(zhì)的教師進(jìn)行實(shí)車演練的境況，基于安全因素，學(xué)生個(gè)人無法進(jìn)行實(shí)車演練學(xué)習(xí)。學(xué)生只能在具備資質(zhì)的駕校報(bào)名繳費(fèi)后，在駕校教練的陪護(hù)下進(jìn)行實(shí)車練習(xí)。然而，駕?；跔I(yíng)利目的，只能對(duì)考生進(jìn)行短期的應(yīng)試性培訓(xùn)，理論及實(shí)操教學(xué)面窄，諸多考生獲取駕照后或面臨不敢駕車的窘境，或由于理論及實(shí)操技能欠缺，導(dǎo)致諸多交通事故，有的甚至為此付出了寶貴的生命。因此，在校內(nèi)加強(qiáng)對(duì)大學(xué)生關(guān)于汽車安全駕駛相關(guān)的教育教學(xué)顯得尤有必要。

傳統(tǒng)的教育方式，通過印在書本上的圖文與課堂上多媒體的展示來獲取知識(shí)，這樣學(xué)習(xí)時(shí)間長(zhǎng)了學(xué)生就會(huì)逐漸疲憊，從而使學(xué)習(xí)效果變差、學(xué)習(xí)效率降低。然而諸多網(wǎng)絡(luò)游戲?yàn)槭裁慈绱宋?？其本質(zhì)就是回到場(chǎng)景，讓玩家參與其過程，有的甚至利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓玩家介入其中進(jìn)行交互，進(jìn)而獲得良好的參與體驗(yàn)，致使諸多玩家流連忘返。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有三大特性：交互性、沉浸性、想象性?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)學(xué)生進(jìn)行汽車安全駕駛教育教學(xué)是一條增強(qiáng)學(xué)生安全駕駛技能及培養(yǎng)學(xué)生交通安全意識(shí)的切實(shí)可行途徑。近年來，虛擬駕駛技術(shù)得到了廣泛研究和應(yīng)用[3-7]，但虛擬駕駛技術(shù)的研究主要集中于虛擬駕駛系統(tǒng)的開發(fā)，其應(yīng)用主要集中于駕考和駕校培訓(xùn)及進(jìn)行駕駛行為分析等，而應(yīng)用于廣泛培養(yǎng)、提升駕駛?cè)藛T駕駛理論及駕駛技能的較少，應(yīng)用于校內(nèi)安全駕駛教學(xué)的更少；虛擬駕駛場(chǎng)景采用基于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景建模的較多，而采用真實(shí)場(chǎng)景的較少。

2 基于實(shí)車的實(shí)景虛擬駕駛教學(xué)平臺(tái)框架組成

為方便開展汽車安全駕駛教育教學(xué)，本文設(shè)計(jì)了一種基于實(shí)車的實(shí)景虛擬駕駛平臺(tái)，其原理框架如下圖1所示。該平臺(tái)通過對(duì)二手車或臨近報(bào)廢車進(jìn)行改裝，斷開原車的動(dòng)力系統(tǒng)，保留原車的其他附件，加裝相關(guān)連接機(jī)構(gòu)及傳感器，并配以虛擬教學(xué)系統(tǒng)，從而搭建基于實(shí)車的虛擬駕駛操作平臺(tái)，學(xué)生可以在實(shí)車環(huán)境中進(jìn)行駕駛理論和駕駛技能的學(xué)習(xí)，從而獲得更好的駕駛體驗(yàn)。此外，教師可錄制真實(shí)的教學(xué)場(chǎng)景或?qū)⒄鎸?shí)發(fā)生的交通事故場(chǎng)景置于該平臺(tái)的教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)，并在真實(shí)場(chǎng)景中設(shè)置理論或?qū)嵅偌寄軐W(xué)習(xí)及考核要點(diǎn)，學(xué)生可以進(jìn)行基于真實(shí)場(chǎng)景的、交互式的駕駛理論或駕駛技能學(xué)習(xí)，可以大大提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

3 基于實(shí)車的實(shí)景虛擬駕駛教學(xué)平臺(tái)硬件實(shí)現(xiàn)

實(shí)景虛擬駕駛平臺(tái)固定安裝在室內(nèi)，利用便宜的二手車或臨近報(bào)廢車進(jìn)行改裝，可大大節(jié)約平臺(tái)制作成本，具體如下：

（1）斷開原車的動(dòng)力系統(tǒng)，保留原車的其他附件，如燈光、車窗、雨刮等系統(tǒng)。

（2）斷開原車方向盤連桿，增加方向盤轉(zhuǎn)角位置傳感器及萬向節(jié)連接機(jī)構(gòu)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)，組成轉(zhuǎn)角控制信號(hào)采集系統(tǒng)，方向盤轉(zhuǎn)角位置信號(hào)送入虛擬駕駛控制器。

（3）在原車油門踏板加裝油門信號(hào)傳感器，用于采集油門信號(hào)，并送入虛擬駕駛控制器。

（4）在原車剎車踏板加裝剎車信號(hào)傳感器，用于采集剎車信號(hào)，并送入虛擬駕駛控制器。

（5）在原車離合器踏板加裝離合器信號(hào)傳感器，用于采集離合器信號(hào)，并送入虛擬駕駛控制器。若為自動(dòng)檔汽車，需在原離合器踏板位置加裝離合器踏板及離合器信號(hào)傳感器。

（6）在原車檔位操作桿加裝檔位信號(hào)傳感器，用于采集檔位信號(hào)，并送入虛擬駕駛控制器。若為自動(dòng)檔汽車，需拆除原自動(dòng)檔位操作桿，并在原檔位操作桿區(qū)域加裝檔位操作桿及檔位信號(hào)傳感器。

（7）在原車手剎操控桿加裝手剎信號(hào)傳感器，用于采集手剎信號(hào)，并送入虛擬駕駛控制器。

（8）增加安全帶卡扣傳感器，用于采集安全帶佩戴信號(hào)，并送入虛擬駕駛控制器。

（9）在原車鑰匙開關(guān)采集汽車點(diǎn)火啟動(dòng)信號(hào)，并送入虛擬駕駛控制器。

（10）采集原車的燈光、雨刮等控制信號(hào)，并送入虛擬駕駛控制器。

（11）虛擬駕駛控制器通過USB接口與虛擬駕駛主機(jī)相連。

（12）虛擬駕駛主機(jī)通過HDMI接口連接臺(tái)架式75寸4K高清顯示屏，顯示屏置于車輛正前方，用于虛擬駕駛操作界面顯示。

（13）虛擬駕駛主機(jī)通過國(guó)標(biāo)3.5mm音頻接口連接音響提示系統(tǒng)，音響置于車內(nèi)，用于給駕駛?cè)藛T提供駕駛音響提示。

實(shí)景虛擬駕駛平臺(tái)其外觀如圖2所示，該平臺(tái)整車采用卡羅拉2014款，顯示屏采用小米75寸4K高清顯示屏。

實(shí)景虛擬駕駛平臺(tái)采用的虛擬駕駛控制器及各類傳感模塊如下圖3所示。

4 基于實(shí)車的實(shí)景虛擬駕駛教學(xué)平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)

基于實(shí)車的實(shí)景虛擬駕駛平臺(tái)操作軟件以Unity 3D為開發(fā)平臺(tái)，輔助3D MAX軟件共同實(shí)現(xiàn)。Unity 3D是由Unity Technologies 公司研發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，由于其具有可視化編程界面、支持Open GL和Direct11、集成了Phys X3.3物理系統(tǒng)等眾多功能特點(diǎn)，所以在虛擬模擬仿真領(lǐng)域中有較廣泛應(yīng)用[8]?；趯?shí)車的實(shí)景虛擬駕駛平臺(tái)操作軟件主要包括兩個(gè)部分：一是虛擬駕駛仿真軟件Simulator，二是實(shí)景虛擬駕駛制作軟件VideoEditor。虛擬駕駛仿真軟件Simulator內(nèi)置三個(gè)功能模塊：駕駛理論教學(xué)模塊、虛擬仿真教學(xué)模塊及實(shí)景引導(dǎo)教學(xué)模塊。

4.1 駕駛理論教學(xué)模塊

駕駛理論教學(xué)模塊設(shè)置三個(gè)功能：一是交規(guī)及駕駛理論學(xué)習(xí)，可以學(xué)習(xí)《道路交通安全法》、《道路交通安全違法行為記分管理辦法》等交通法規(guī)及駕駛技術(shù)理論知識(shí)；二是駕駛視頻學(xué)習(xí)，主要是通過視頻學(xué)習(xí)汽車檔位、汽車操作部件、汽車方向盤、汽車油門踏板、汽車離合器踏板、剎車踏板及汽車燈光等基礎(chǔ)知識(shí)及其操作要領(lǐng)；三是駕考題目訓(xùn)練，通過導(dǎo)入駕考理論考核模擬題庫，可以進(jìn)行駕考模擬題目測(cè)試練習(xí)。駕駛理論教學(xué)模塊操作界面如下圖4所示。

4.2 虛擬仿真教學(xué)模塊

虛擬仿真教學(xué)模塊設(shè)置兩個(gè)功能：一是基礎(chǔ)車感教學(xué)，主要是在虛擬場(chǎng)景中，在視頻及語音的提示下，進(jìn)行掛檔訓(xùn)練、方向盤操作訓(xùn)練、油門踏板控制訓(xùn)練、剎車踏板控制訓(xùn)練、離合器踏板控制訓(xùn)練、燈光操作訓(xùn)練、起停車訓(xùn)練等；二是駕考科目訓(xùn)練，主要是在虛擬場(chǎng)景中，在視頻及語音的提示下，進(jìn)行側(cè)方停車訓(xùn)練、倒車入庫訓(xùn)練、直角轉(zhuǎn)彎訓(xùn)練、曲線行駛訓(xùn)練、及坡道定點(diǎn)停車和起步訓(xùn)練。虛擬仿真教學(xué)模塊操作界面如下圖5所示。

4.3 實(shí)景引導(dǎo)教學(xué)模塊

實(shí)景引導(dǎo)教學(xué)模塊設(shè)置四個(gè)功能：一是基礎(chǔ)車感教學(xué)，主要是在錄制好的真實(shí)場(chǎng)景中，在視頻及語音的提示下，進(jìn)行掛檔訓(xùn)練、方向盤操作訓(xùn)練、油門踏板控制訓(xùn)練、剎車踏板控制訓(xùn)練、離合器踏板控制訓(xùn)練、燈光操作訓(xùn)練、起停車訓(xùn)練等，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)置好的操作要領(lǐng)給出操作正確或操作錯(cuò)誤的操作警示；二是駕考科目訓(xùn)練，主要是在錄制好的真實(shí)場(chǎng)景中，在視頻及語音的提示下，進(jìn)行側(cè)方停車訓(xùn)練、倒車入庫訓(xùn)練、直角轉(zhuǎn)彎訓(xùn)練、曲線行駛訓(xùn)練、及坡道定點(diǎn)停車和起步訓(xùn)練，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)置好的操作要領(lǐng)給出操作正確或操作錯(cuò)誤的操作警示；三是實(shí)景案例教學(xué)，教師選用現(xiàn)有典型路況視頻或選取市區(qū)典型路況進(jìn)行視頻錄制，然后將典型路況視頻通過實(shí)景虛擬駕駛制作軟件VideoEditor進(jìn)行編輯制作，將制作好的文件導(dǎo)入虛擬駕駛仿真軟件Simulator后，駕駛?cè)藛T在駕駛練習(xí)過程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)設(shè)置好的操作要領(lǐng)給出操作正確或操作錯(cuò)誤的操作警示；四是實(shí)景自由駕駛，駕駛?cè)藛T可以在事先錄制好的實(shí)景路段內(nèi)進(jìn)行自由駕駛練習(xí)，駕駛過程中無語音和操作提示，完全由駕駛?cè)藛T根據(jù)路況自由駕駛，從而進(jìn)一步訓(xùn)練提高駕駛?cè)藛T的操作技能，達(dá)到實(shí)車演練的效果。實(shí)景引導(dǎo)教學(xué)模塊操作界面如下圖6所示。

4.4 實(shí)景教學(xué)案例制作

實(shí)景教學(xué)案例制作功能，方便教師錄制真實(shí)的教學(xué)場(chǎng)景或?qū)⒄鎸?shí)發(fā)生的交通事故場(chǎng)景置于該平臺(tái)的教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)，并在真實(shí)場(chǎng)景中設(shè)置理論或?qū)嵅偌寄軐W(xué)習(xí)及考核要點(diǎn)，學(xué)生可以進(jìn)行基于真實(shí)場(chǎng)景的、交互式的駕駛理論或駕駛技能學(xué)習(xí)。實(shí)景虛擬駕駛制作軟件VideoEditor用于實(shí)景虛擬駕駛視頻編輯制作，其視頻編輯界面如下圖7所示。

視頻編輯界面中，主要有三個(gè)功能區(qū)：題目數(shù)據(jù)功能區(qū)用于設(shè)置整個(gè)視頻中的考核操作點(diǎn)，編輯時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要增、減操作點(diǎn)個(gè)數(shù)；分段數(shù)據(jù)功能區(qū)用于編輯各小段視頻的提示信息；錯(cuò)誤修正功能區(qū)用于在駕駛?cè)藛T操作錯(cuò)誤時(shí)給出修正信息提示。點(diǎn)擊選中某一功能區(qū)，可在界面右側(cè)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置或編輯相應(yīng)的提示信息。

視頻編輯操作流程如下：

（1）將錄制好的待編輯視頻放入指定文件夾，打開VideoEditor軟件，并選中待編輯視頻。

（2）點(diǎn)擊錄制題目按鈕進(jìn)入視頻編輯界面，點(diǎn)擊播放按鈕播放視頻至操作點(diǎn)處暫停，點(diǎn)擊題目數(shù)據(jù)功能區(qū)，再點(diǎn)擊右側(cè)增刪數(shù)據(jù)點(diǎn)的“+”按鈕，生成操作點(diǎn)1。

（3）在操作點(diǎn)1的步驟1選擇其中一個(gè)或多操作部件，如油門踏板、剎車踏板、離合器踏板、方向盤、各類車燈、雙閃燈、檔位、手剎、喇叭、安全帶、雨刮等，并設(shè)置所選部件對(duì)應(yīng)的操作，如剎車、油門或離合器的輕踩、踩一半、踩到底、全松等，如方向盤的回正、左或右打半圈、左或右打一圈、左或右打滿等，如檔位的空檔、1檔、2檔、倒檔等；如遠(yuǎn)光的打開、關(guān)閉等。

（4）在操作點(diǎn)1若有多個(gè)部件需先后進(jìn)行操作，可點(diǎn)增刪步驟的“+”按鈕，增加若干操作步驟，各步驟設(shè)置如（3）所述。

（5）若有需要，還可設(shè)置運(yùn)行至操作點(diǎn)1處時(shí)按秒倒計(jì)時(shí)提示，未設(shè)置倒計(jì)時(shí)默認(rèn)為連續(xù)操作。

（6）點(diǎn)擊分段數(shù)據(jù)功能區(qū)，可編輯操作點(diǎn)1分段名稱及分段描述，當(dāng)運(yùn)行至該段時(shí)將出現(xiàn)分段信息提示。

（7）點(diǎn)擊錯(cuò)誤修正功能區(qū)，可設(shè)置操作點(diǎn)1所選部件在駕駛?cè)藛T操作錯(cuò)誤時(shí)給出信息提示，如“操作錯(cuò)誤！離合器未處于半聯(lián)動(dòng)狀態(tài)！”、“操作錯(cuò)誤！雙閃燈未開！”、“操作錯(cuò)誤！檔位設(shè)置不當(dāng)，應(yīng)設(shè)置空檔！”等。

（8）操作點(diǎn)1設(shè)置完畢，點(diǎn)擊播放按鈕播放視頻至下一操作點(diǎn)處暫停，點(diǎn)擊題目數(shù)據(jù)功能區(qū)，再點(diǎn)擊右側(cè)增刪數(shù)據(jù)點(diǎn)的“+”按鈕，生成操作點(diǎn)2，并按前述步驟設(shè)置操作點(diǎn)2。后續(xù)操作點(diǎn)設(shè)置如前所述，如圖6已設(shè)置8個(gè)操作點(diǎn)。

（9）視頻所有操作點(diǎn)設(shè)置完畢，保存本地文件，生成縮略圖，并將VideoEditor生成的DownloadCaches文件夾整體復(fù)制到虛擬駕駛仿真軟件Simulator的Simulator_Data目錄下，即可使用該視頻資源進(jìn)行實(shí)景教學(xué)。

5 結(jié)語

基于實(shí)車的實(shí)景虛擬駕駛平臺(tái)既保證了學(xué)生對(duì)駕駛理論和駕駛技能的學(xué)習(xí)需求，又避開了學(xué)生無證駕駛的安全隱患，可有效避免新手實(shí)車演練的帶來的各種意外事故?；趯?shí)車的實(shí)景虛擬駕駛平臺(tái)引入基于真實(shí)場(chǎng)景的教學(xué)案例，教師可錄制真實(shí)的教學(xué)場(chǎng)景或?qū)⒄鎸?shí)發(fā)生的交通事故場(chǎng)景置于虛擬教學(xué)系統(tǒng)，并在其中設(shè)置理論或?qū)嵅偌寄軐W(xué)習(xí)及考核要點(diǎn)，使教學(xué)更加貼近實(shí)際，學(xué)生在實(shí)車環(huán)境中進(jìn)行實(shí)景駕駛理論和駕駛技能的學(xué)習(xí)，可以獲得更好的駕駛體驗(yàn)，可大大提升教學(xué)效果?；趯?shí)車的實(shí)景虛擬駕駛平臺(tái)不受天氣、環(huán)境等影響，可在任意時(shí)間開展教學(xué)，且不消耗燃油，不會(huì)產(chǎn)生污染，可以大大節(jié)約培訓(xùn)成本?；趯?shí)車的實(shí)景虛擬駕駛平臺(tái)將虛擬駕駛技術(shù)應(yīng)用于“三教”改革，可提高教學(xué)質(zhì)量，用現(xiàn)代化的手段推動(dòng)教學(xué)工作的發(fā)展。采用基于實(shí)車的實(shí)景虛擬駕駛平臺(tái)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生汽車安全駕駛的教育教學(xué)，全面提升學(xué)生的交通安全意識(shí)及駕駛技能，可在一定程度上降低交通事故的發(fā)生率，并提升學(xué)生的綜合職業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力。

基金項(xiàng)目：培育引進(jìn)專業(yè)群帶頭人，打造高水平“雙師型”教師隊(duì)伍（12000002040100）。

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