高级车辆驾驶模拟器概论

高级车辆驾驶模拟器概论

内容前言车辆驾驶模拟器的一般概况车辆驾驶模拟器的应用范围徳国车辆驾驶模拟器的实例模拟器的总体规划和子系统设计模拟器的集成和协调问题总结我与Daimler-Benz车辆驾驶模拟器的情结

时间车辆驾驶模拟器1979Daimler-Benz开发部酝酿着建一台研发性车辆驾驶模拟器1981世界上第一台研发性车辆驾驶模拟器破土动工1983Daimler-Benz研发性车辆驾驶模拟器正在建设中1985到德国不伦瑞克工业大学留学奔驰研发性车辆驾驶模拟器在柏林落成1987科研项目“人—车闭环系统的研究和减少道路交通事故的可能措施“Prof.Mitschke和我前往柏林参观车辆驾驶模拟器并同Daimler-Benz商谈试验的具体细节.1988/1989作为课题负责人设计,规划和实施其试验试图建立和识别驾驶员行为机理心理模型Daimler-Benz配合我在Daimler-Benz研发性车辆驾驶模拟器上作必要试验.1990对车辆驾驶模拟器试验数据和结果进行处理,分析和总结.建立人—车闭环系统的数学模型.提出改进汽车主动安全性的一些方案和措施Daimler-Benz为配合我的科研工作,向我提供了比较详细车辆驾驶模拟器所使用的汽车动力模型和参数.我与AITEC车辆驾驶模拟器的相关情结时间我车辆驾驶模拟器1990德国AITEC公司酝酿着开发商业性高级车辆驾驶模拟器,委托我帮助起草„车辆驾驶模拟器的组成部分和技术要求“和„车辆动态模拟计算各种数学模型的比较和分析“1991AITEC获得北莱茵高科技开发资助费200万马克1992开发模拟器的工作公司全面展开1994世界上第一台商业性高级车辆驾驶模拟器在汉渃威世界工业博览会成功展出1995世界上第一个商业性高级车辆驾驶模拟器服务公司在德国科隆市落成1996在AITEC高级车辆驾驶模拟器上进行练习,获得了大卡车,半挂列车和全挂列车的驾驶执照.协助AITEC积极参加德国国防部进行高级车辆驾驶模拟器的投标世界上第二个商业性高级车辆驾驶模拟器服务公司在德国不来梅市落成德国国防部进行高级车辆驾驶模拟器为培养和训练军队驾驶员招标.1997离开AITEC公司,进入德国汽车工业界AITEC公司因负债过多必需申请破产保护德国AITEC公司高级工程师;AITEC公司车辆动力学和运动仿真部部门经理车辆驾驶模拟器定义和特点车辆驾驶模拟器定义:在试验室中使用的由电子计算机控制的,用于研究,测试,分析和重现车辆与驾驶员和车辆与外部环境在实际车辆驾驶过程中的相互关系和相互作用的设备和工具.特点;实时仿真 (realtimesimulation)由电子计算机控制和计算 (calculatedandcontrolledbycomputer)试验室中的设备 (Toolinlabor)重现车辆的真实运动状态和特征(vehicledynamics&characteristics)重现驾驶员的真实驾驶操纵和反响 (Handlingsandreactions)重现在实际车辆驾驶过程中外界部环境(trafficenvironment)车辆驾驶模拟器所涉及到的学科和领域车辆驾驶模拟器的分类低档车辆驾驶模拟器low-levelsimulatorsassociatedwithpersonalcomputers,pedals,andsteeringwheelsuseindrivereducation,medicalestablishments,rehabilitationsettings中等车辆驾驶模拟器mid-levelsimulatorsincludeamockupautomobileandprojectionscreenslinkedwithapersonalcomputerfordatacollectionandstudysoundsandvisualimagesgovernmentandacademicenvironments高级车辆驾驶模拟器High-levelsimulatorsrequiresophisticatedhardware,software,andstructuralcomponents.haveaStewartplatformorhexapodforsupportofmovementandorientationavailableatuniversities,governmentagencies,andresearchcentersatmajorautomobilemanufacturers.车辆驾驶模拟器的历史和现况60/70年代,模拟式录像作为视感车辆驾驶模拟器1983美国(FHWA)静态车辆驾驶模拟器1985瑞典VTI和Daimler-Benz高级车辆驾驶模拟器….现在在Internet能查到的高级车辆驾驶模拟器60多种美国(40%),德国(15%),法国(8%),英国(7%),荷兰(5%)81%用于科研:汽车工业,政府机关,航空公司,军事部门,医院,科学院,高校等19%用于驾驶教学目前世界顶级车辆驾驶模拟器:美国NADS模拟器(2002)…..高级车辆驾驶模拟器要满足的要求标准要给驾驶员一种在实际路面驾驶车辆的真实感驾驶员对车辆驾驶模拟器的感应要求

视觉感应(visualcues)听觉感应(auditorycues)运动感应(motioncueing)触摸感应(feelingcues)好的车辆驾驶模拟器要满足的其他要求标准驾驶模拟器作为科研和测试设备要满足:客观性objectivity可靠性reliability有效性validity要真实的表达车辆,驾驶员和外部环境的相互关系和相互作用对车辆驾驶模拟器评定方法和途径专家评定(客观事实,模拟结果和道路测试结果相比)(科研功能)普通驾驶员的接受程度(培训功能)专业试车工程师的认可(新产品开发功能)车辆驾驶模拟器使用范围:汽车驾驶学校车辆开发和优化公路规划和设计高校和科研部门政府监测部门

同驾驶员培训有关的应用

同交通有关的应用在道路规划和设计时，可对其进行事先模拟、试开和修改，从而设计出最正确的道路走向、宽度、坡度、拐弯曲率、导向线、车道线及其它标线，节省人力财力，使其所设计的道路车流合理、平安性好；在桥涵和隧道的规划和设计时进行事先模拟和优化；在规划和设计交通信号〔如交通标志和指挥信号灯〕和其它交通设施〔如路灯、路栏、导向标等〕时进行事先模拟、修改和优化；对道路施工地段进行模拟和运筹，使其安排合理，既要防止车堵又要平安可靠，同时也不影响施工；模拟和研究自然环境和人工建筑对车辆流通及交通平安的影响，探讨改进措施；对驾驶员-车辆-道路系统进行综合分析和测试，从而确定道路的运输能力；模拟和研究气候和天气变化〔如风、雪、雨、冰、雾等〕对车辆流通及交通平安的影响，然后设计和安装相应的可变信息标志，以改进交通流动，提高道路平安。同科研、教学有关的以及其它方面的应用对各种车辆进行模拟、分析和研究；对各种道路、交通环境、交通设施进行模拟、分析和研究；对人机系统进行综和的模拟、分析和研究；用于开发新的模拟器；用于交通事故的模拟、分析和研究；用于分析和研究医药,酒精,毒品对驾驶员的影响;在医学上用于分析和疹断一些疾病;为高校很多学科提供多方面的科研课题;为高校学生提供经济、方便、平安可行的车辆驾驶的实习时机。与政府监测部门有关的应用徳国车辆驾驶模拟器的实例Daimler-Benz高级车辆驾驶模拟器AITEC高级车辆驾驶模拟器一些用于驾驶培训简易车辆驾驶模拟器维尔茨堡大学的车辆驾驶模拟器幕尼黑工业大学高级车辆驾驶模拟器Daimler-Benz高级车辆驾驶模拟器所在地点:柏林开发时间:四年投入使用:1985年造价:2千5百万马克当时1辆C级奔驰小轿车的价值:大约4万马克相当于625辆奔驰小轿车的价值Daimler-Benz车辆驾驶模拟器全景Daimler-Benz车辆驾驶模拟器的主要组成局部

适合实时模拟计算的整车数学模型驾驶员的驾驶舱:真实的轿车或卡车驾驶室视景模拟系统:由六个投影器显示180度的前视图象，一个投影器显示的后视图象声音模拟系统:22立体声扬声器动感模拟系统：液压式六轴运动平台(Stewartplatform)计算机：多台大型实时模拟仿真电子计算机控制台运行中的Daimler-Benz车辆驾驶模拟器AITEC车辆驾驶模拟器所在地点:多特蒙德开发时间:五年投入使用:1995年造价:1千5百多万马克其中人工费:100人年的开发X10万马克/人年=1千万马克产品当时的销售价格为每台１百５０万马克至２百万马克当时最新型的中型图象终端处理计算机。OnyxRealityEngine价格为每台１百万马克AITEC车辆驾驶模拟器的局部图AITEC车辆驾驶模拟器硬件组成局部适合实时模拟计算的整车数学模型计算机:高效率、当时最新型的中型图象处理计算机。OnyxRealityEngine模拟器驾驶舱:是一普通卡车的原装驾驶室，拥有所有的操纵杆、踏板、开关和仪表。力矩和力产生器:为模拟方向盘的力矩和踏板力使用了力矩和力产生器。变速箱操纵杆的锁止机构:在换挡未同步前,阻止操纵杆进入新档位置.视景模拟系统:分前方视野和前方视野两局部前者由三通道彩色投影器和一个半球形的投影银幕所组成，可视角为180°X45°前方视野由后视镜、凸镜和大液晶屏幕组合而成声音模拟系统:使用了一台高级数值式3D声音产生器各操作元件均装有信号传感器和模数转换器。动感模拟系统:机电式六轴运动平台(Stewartplatform)控制台AITEC车辆驾驶模拟器的主要软件组成局部方便的菜单式用户操作系统;各种类型车辆的动力模型和假设干车辆的参数数据库;具有人工智能的司机模型和各种司机的参数数据库;模块式道路网络和所有道路交通参预者数据库;路面交通宏观流动和交通信号的控制程序;交通环镜〔道路走向、宽度、坡度、外表不平度、立交桥、交通符号、天气状况、可见度的大小等〕的自动控制程序及由用户人工操作的控制程序;视野范围内的图像处理和图像显示程序;噪音合成和模拟程序;驾驶室内各操作元件的测量和信号处理程序;驾驶室内各操作元件的反作用力或力矩的控制程序;驾驶室内仪表板上各显示器的控制程序。驾驶室运动的模拟和控制程序AITEC车辆驾驶模拟器图像显示系统

单通道平面投影简易车辆驾驶模拟器单通道屏幕显示简易货车驾驶模拟器三通道屏幕显示简易车辆驾驶模拟器三通道投影简易车辆驾驶模拟器维尔茨堡大学的研发型车辆驾驶模拟器

11PCswitha180°frontprojectionsystem,3rearprojectionsanda6-6stewartplatform.TUMünchen车辆驾驶模拟器幕尼黑工业大学汽车所的车辆驾驶模拟器的有关信息于17.06.2004落成，由幕尼黑工业大学汽车所，

MAN公司和KraussMaffeiWegmann公司联合开发建成模拟器驾驶舱:曼公司的卡车驾驶室视景模拟系统:由五个投影器显示210度的前视图象，三个投影器显示的后视图象动感模拟系统:机电式六轴运动平台(Stewartplatform)计算机：多台ＰＣ控制台高级车辆驾驶模拟器两种不同的整体方案静止的视景显示系统随动的视景显示系统显示系统相对独立,机械性能要求低运动质量小,空间小,功率要求小硬件本钱低显示系统随动,同驾驶员的观看点无相对运抵,显示系统结构紧凑运动空间大,运动系统升级方便真实感强特点:视景模拟系统的特点驾驶员80%以上的信息来源于视觉,视景模拟系统是车辆驾驶模拟器最关键的组成局部,它要为驾驶员提供一个完整逼真的虚幻现实VirtualReality计算和显示驾驶员能看见的所有外景:静止物体:道路,信号,路标,建筑物,田野动态物体:其他车辆,行人,动物天气现象:白天,黑夜,雨,雪,冰,雾视景模拟系统的组成局部:物体数据库,图像处理计算,图像显示视景范围的大小:单通道和多通道显示视景模拟系统数据库的建立物体数据库:存放和管理视景模拟系统使用的所有静止物体,动态物体,纹理图样静止物体:道路,信号,路标,建筑物,田野动态物体:其他车辆,行人,动物图像处理计算及主要参数及时将可见物体从数据库取出,计算它们所在的位置,方向和光学特征用不同的多边形描述空间物体的外框架。进行物体的外表描述：加阴暗变化〔Shading〕；透明处理〔transparency〕；加阴影〔shadow〕，纹理匹配〔texturemapping〕；光线跟踪〔raytracing〕。分辨率(Resolution)刷新频率(updaterate)多边形的数量(Polygons)抗混叠ANTI—ALIASING深度复杂性(DepthComplexity)填充率〔FillRate〕整个图像具有高分辨率、高清晰度、色彩复原真实、图像失真小,无缝拼接视景模拟的显示系统

多通道柱幕投影显示系统背投影显示系统

"RearProjectionDisplaySystem"

车辆驾驶模拟器的常见虚拟现实NADS视景投影系统15个LCD投影机显示360°X40°视景,分辨率为2.2~7.0~15.0ArcMin/OLP常见动感模拟系统pitch24°roll24°lateral3mmax.acceleration0.4gDisplacement:±30cmAngle:±30°升级后的奔驰模拟器的动感模拟系统附加钢轨的横向位移量:±3.8m六轴运动平台的运动量x+1.38-1.88y±1.50mz±1.07mψ±47.4°φ+32.0°-27.0°κ±30.0°NADS的动感模拟系统X-Yplatform:v=±6m/s,a=±0.6gStewartplatforma=±0.75g,β=±25°,ω=±45°/s,α=±120°/s²Turntableψ=±330°,±60°/s,±120°/s²声音模拟系统数字合成的立体声产生装置声源自己车辆发动机,操纵机构,轮胎,路面状况,空气,喇叭,报警提示等其他车辆不同的车型,车速,离模拟车的距离,方位等其它外界噪音(下雨,闹市等)主要参数:动态范围;带宽;信噪比,失真体感模拟系统路感:路面所引起的随机振动车感方向盘的回正力矩(steeringwheeltorque)踏板力(PedalForce)变速箱操纵杆反作用力模拟器的驾驶舱至少拥有方向盘,油门和制动踏板,车速仪表为加强模拟器的真实感,在空间和重量允许的情况下,尽量使用真实车辆的驾驶室,配有所有的操纵机构和显示仪表车辆动态数学模型:

vehicledynamicsmodel作用:计算车辆对驾驶员控制作用,路面和外界影响的整体反响重要性:是使车辆驾驶模拟器有真实感的前提,是所有车辆驾驶模拟器必不可少的组成局部.另外车辆动态数学模型还应用于离线模拟计算.NADS选在爱荷划大学(IowaUniversity)的重要原因是因为爱荷划大学在车辆动态数学模型的优势要求:精确性,可靠性,容错性,实时性,开放性,使用方便,车辆动态数学模型的具体要求多刚体动力模型覆盖汽车的所有运动状况简单有效的数值计算方法模块化,标准化,统一化,参数化对车辆的结构和组合进行必要的分类建立方便的图表式,菜单式的使用界面建立常见车库的参数数据库AITEC

车辆驾驶模拟器能模拟的车辆种类

高级车辆驾驶模拟器的集成和协调SystemdelayΔT=t4-t0<60msDriverinputsVehic