一种可旋转座舱的研究型汽车驾驶模拟器

摘要

本发明提供一种可旋转座舱的研究型汽车驾驶模拟器，包括多通道投影显示系统、驾驶座舱、用户输入系统、主运算处理系统、运动控制系统和音响系统；多通道投影显示系统包括一个柱形屏幕、若干个投影仪和一个投影控制模块；驾驶座舱由运动控制系统控制旋转；用户输入系统用于人机交互输入驾驶操作信号，传输给主运算处理系统；主运算处理系统用于根据输入的驾驶操作信号和动力学模型计算虚拟车辆当前的车身姿态和车辆行驶参数，并输出车辆行驶参数对应的车辆行驶噪声，计算出的车身姿态更新虚拟驾驶场景并发送给投影控制模块；音响系统用于接收并播放车辆行驶参数对应的车辆行驶噪声。本发明具有低成本、高沉浸感和高真实感的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种汽车驾驶模拟器，具体是一种可旋转座舱的研究型汽车驾驶模拟器。

背景技术

汽车驾驶模拟器，亦称为汽车驾驶仿真平台，是一种集合了现代传感、计算机仿真、虚拟现实、多媒体等多种先进技术，能够正确模拟汽车驾驶操作、获得汽车驾驶感觉的仿真系统。根据其应用方向，大致可以分为两类：一类是用于车载设备研发和人-车-环境系统基础研究(驾驶行为、道路规划、交通安全评价测试等)的研究型仿真平台；另一类是用于交通安全教育、交通规则教育和驾驶培训的训练型仿真平台。

现有的汽车驾驶模拟器在功能性和复杂度上具有显著的差异。桌面级驾驶模拟器由于研制成本低廉、易搭建，在科研和驾驶培训中得到了较为广泛的应用。其结构通常较为简单，主要由桌面级计算机、显示器、驾驶座椅等组成。这一类驾驶模拟器虽然成本较低、使用较为便利，但往往功能单一、驾驶真实感差、沉浸度和交互性严重不足。由于无法提供驾驶人足够的沉浸感，该类驾驶模拟器在应用于科研用途时无法确保实验结果和研究结论的可靠性，在应用于驾驶训练时也往往难以获得理想的效果。

随着运动控制技术、计算机仿真技术、图形图像处理技术和虚拟现实技术的快速发展，国内外的研究机构和企业研发了一些高复杂度的大型驾驶模拟器。国外具有代表性的大型驾驶模拟器主要包括美国Iowa大学(University of Iowa)的国家高级驾驶模拟器(National Advanced Driving Simulator)和丰田公司的大型驾驶模拟器。这一类驾驶模拟器主要由13自由度运动平台、大型圆顶式封闭座舱、实车、纵横向运动导轨等组成。其中实车被放置在圆顶式封闭座舱内，封闭式座舱的内表面用于进行360度的投影；座舱与13自由度运动平台连接为一体，通过平台的震动、转动和在导轨上的纵横向运动模拟汽车驾驶过程中的各种复杂驾驶场景，提供给驾驶人高度逼真的多种运动感。在国内，1996年吉林工业大学汽车动态模拟国家重点实验室建设完成了科研型ADSL驾驶模拟器。该模拟器由模拟舱与运动控制系统、计算机实时模拟与控制系统、视景模拟系统、数据采集与触感模拟系统、声响系统和中央控制台六大系统组成,具有真实的人-车操作界面、重复可控的试验工况、可任意嵌入实物试验、高速的仿真运算能力、无风险的极限工况试验等功能。公安部交通管理科学研究所于2009年开发了基于实车驱动的五通道视景驾驶模拟器，运用边缘融合与几何校正技术，实现五通道视景画面的无缝拼接，采用多声道数字声音仿真系统对本车及交通环境的各种类型声音进行仿真。其联网功能可以允许多台驾驶模拟器同时协作操作，能应用于驾驶人安全行为、道路安全指示设施研究及车辆安全系统测试等领域。同济大学的8自由度驾驶模拟器广泛应用于交通安全评价测试研究。

上述大型驾驶模拟器能够提供较高的沉浸度和驾驶真实感，以此为基础所展开的仿真实验数据和研究结论的可信度亦能得到较为充分的保证。但该类驾驶模拟器的开发成本极为高昂，需要占据大范围的实验空间，系统使用和后续维护也具有相当大的难度。因此，该类驾驶模拟器的经济性和适用性较差，难以得到广泛地应用，无法满足相关领域大量且日益增长的科研需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种可旋转座舱的研究型汽车驾驶模拟器，具有低成本、高沉浸感和高真实感的优点。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种可旋转座舱的研究型汽车驾驶模拟器，其特征在于：它包括多通道投影显示系统、驾驶座舱、用户输入系统、主运算处理系统、运动控制系统和音响系统；其中

所述的多通道投影显示系统包括一个柱形屏幕、若干个投影仪和一个投影控制模块，所述的若干个投影仪组合构成360度视场，所述的投影控制模块用于将主运算处理系统输出的虚拟驾驶场景分给若干个投影仪投影在所述的柱形屏幕上；

所述的驾驶座舱设置在柱形屏幕的中心，由所述的运动控制系统控制旋转；

所述的用户输入系统设置在驾驶座舱周围，用于人机交互输入驾驶操作信号，并将驾驶操作信号传输给所述的主运算处理系统；

所述的主运算处理系统包括动力学模型、运算处理模块和虚拟场景模块；运算处理模块用于根据输入的驾驶操作信号和动力学模型计算虚拟车辆当前的车身姿态和车辆行驶参数，并输出车辆行驶参数对应的车辆行驶噪声；虚拟场景模块用于根据运算处理模块计算出的车身姿态更新虚拟驾驶场景并发送给投影控制模块；

所述的运动控制系统用于根据运算处理模块计算出的虚拟车辆当前的车身姿态，控制所述的驾驶座舱旋转；

所述的音响系统用于接收并播放车辆行驶参数对应的车辆行驶噪声。

按上述方案，所述的柱形屏幕为圆柱形屏幕；所述的投影控制模块用于采用预失真算法矫正投影在圆柱形屏幕上的图像几何畸变，并采用边缘融合算法消除相邻的投影仪投影中重叠区域的光度不均现象。

按上述方案，所述的投影仪为6个LCD投影仪。

按上述方案，所述的运动控制系统包括相互连接的数字驱动器和交流异步电机，所述的交流异步电机与所述的驾驶座舱机械连接。

按上述方案，所述的用户输入系统包括加速踏板、制动踏板、离合器踏板、换挡手柄和带反力矩的方向盘，以及安设在上述部件上采集相应信号的传感器。

按上述方案，它还包括数据存储模块，用于存储驾驶模拟器仿真数据。

按上述方案，采用预失真算法矫正投影在圆柱形屏幕上的图像几何畸变的具体方式为：

对于分辨率为w×h的原图像，原图像的像素点(m,n)在进行预变形后对应的像素点(w₂,h₂)的横坐标w₂和纵坐标h₂分别为：

$>w_2=r\frac{\pi (w-m)}{3(w-1)}\times \left(\frac{a^2+d_p^2}{d_p^2+\sqrt{-a^2{d}_p^2+a^2{r}^2+r^2{d}_p^2}}\right)$>

$>h_2=h_1\times \left(\frac{a^2+d_p^2}{d_p^2+\sqrt{-a^2{d}_p^2+a^2{r}^2+r^2{d}_p^2}}\right)$>

其中

式中r为圆柱形屏幕的半径，d_p为投影仪到圆柱形屏幕的垂直距离，h₁为原图像的像素点(m,n)的纵坐标，w为原图像的横坐标方向像素点的个数，h为原图像的纵坐标方向像素点的个数。

按上述方案，采用边缘融合算法消除相邻的投影仪投影中重叠区域的光度不均现象的具体方式为：

投影重叠区域图像的左图像乘以混合函数f(x)，右图像乘以混合函数1-f(x)；其中混合函数式中p和a为常数，且p和a使得重叠区域归一化到[0,1]之间。

本发明的有益效果为：采用柱形屏幕360度大视场显示，并采用音响系统播放车辆行驶噪声，提高了驾驶模拟器的真实度和沉浸度；同时运用运动控制系统，控制驾驶座舱随场景旋转以此来减轻驾驶模拟器的仿真综合症；本发明结构简洁，成本低，可用于驾驶行为研究、驾驶绩效评价、驾驶辅助系统和车载信息系统研发等。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为本发明一实施例的硬件框图；

图3为预失真算法矫正投影的原理示意图。

图中：1-用户输入系统，2-主运算处理系统，3-运动控制系统，4-多通道投影显示系统，5-音响系统，6-数据存储模块，7-驾驶座舱，11-踏板，12-换挡手柄，13-方向盘，21-动力学模型，22-运算处理模块，23-虚拟场景模块，31交流异步电机，32-数字驱动器，321-数模转换模块，322-放大器，41-投影仪，42-柱形屏幕。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种可旋转座舱的研究型汽车驾驶模拟器，如图1和图2所示，它包括多通道投影显示系统4、驾驶座舱7、用户输入系统1、主运算处理系统2、运动控制系统3和音响系统5；其中所述的多通道投影显示系统4包括一个柱形屏幕42、若干个投影仪41和一个投影控制模块，所述的若干个投影仪41组合构成360度视场，所述的投影控制模块用于将主运算处理系统2输出的虚拟驾驶场景分给若干个投影仪41投影在所述的柱形屏幕42上；所述的驾驶座舱7设置在柱形屏幕42的中心，由所述的运动控制系统3控制旋转；所述的用户输入系统1设置在驾驶座舱7周围，用于人机交互输入驾驶操作信号，并将驾驶操作信号传输给所述的主运算处理系统2；所述的主运算处理系统2包括动力学模型21、运算处理模块22和虚拟场景模块23；运算处理模块22用于根据输入的驾驶操作信号和动力学模型21计算虚拟车辆当前的车身姿态和车辆行驶参数，并输出车辆行驶参数对应的车辆行驶噪声；虚拟场景模块23用于根据运算处理模块22计算出的车身姿态更新虚拟驾驶场景并发送给投影控制模块；所述的运动控制系统3用于根据运算处理模块22计算出的虚拟车辆当前的车身姿态，控制所述的驾驶座舱7旋转；所述的音响系统5用于接收并播放车辆行驶参数对应的车辆行驶噪声。

优选的，所述的柱形屏幕42为圆柱形屏幕；所述的投影控制模块用于采用预失真算法矫正投影在圆柱形屏幕上的图像几何畸变，并采用边缘融合算法消除相邻的投影仪投影中重叠区域的光度不均现象。

采用预失真算法矫正投影在圆柱形屏幕上的图像几何畸变的具体方式为：

如图3所示，对于分辨率为w×h的原图像，原图像的像素点p(m,n)在进行预变形后对应的像素点p′(w₂,h₂)的横坐标w₂和纵坐标h₂分别为：

$>w_2=r\frac{\pi (w-m)}{3(w-1)}\times \left(\frac{a^2+d_p^2}{d_p^2+\sqrt{-a^2{d}_p^2+a^2{r}^2+r^2{d}_p^2}}\right)$>

$>h_2=h_1\times \left(\frac{a^2+d_p^2}{d_p^2+\sqrt{-a^2{d}_p^2+a^2{r}^2+r^2{d}_p^2}}\right)$>

其中

式中r为圆柱形屏幕的半径，d_p为投影仪到圆柱形屏幕的垂直距离，h₁为原图像的像素点(m,n)的纵坐标，w为原图像的横坐标方向像素点的个数，h为原图像的纵坐标方向像素点的个数。

采用边缘融合算法消除相邻的投影仪投影中重叠区域的光度不均现象的具体方式为：

投影重叠区域图像的左图像乘以混合函数f(x)，右图像乘以混合函数1-f(x)；其中混合函数式中p和a为常数，且p和a使得重叠区域归一化到[0,1]之间。

优选的，所述的投影仪41为6个LCD投影仪。

优选的，所述的运动控制系统3包括相互连接的数字驱动器32和交流异步电机31，所述的交流异步电机31与所述的驾驶座舱7机械连接。本实施例中，所述的数字驱动器32包括数模转换模块321和放大器322，运算处理模块22将车辆当前的车身姿态采用ASCII码传输给运动控制系统3的数字驱动器32，由数模转换模块321将数字信号转换成模拟信号，并将该模拟信号传输给放大器322，由放大器322放大的模拟信号传输给交流异步电机31；由交流异步电机31驱动驾驶座舱7随虚拟场景绕柱形屏幕42的中心轴旋转。

进一步的，所述的用户输入系统1包括各种踏板11(加速踏板、制动踏板、离合器踏板)、换挡手柄12和带反力矩的方向盘13，以及安设在上述部件上采集相应信号的传感器。

再进一步的，它还包括数据存储模块6，用于存储驾驶模拟器仿真数据。

本发明提供的可旋转座舱的研究型驾驶模拟器，可用于驾驶行为的研究、驾驶绩效评价、驾驶辅助系统和车载信息系统研发；下面以驾驶绩效研究为例对本发明的工作过程作进一步具体的说明。

采用该研究型驾驶模拟器实施驾驶绩效研究工作过程如下：

(1)在主运算处理系统2中，选取测试的仿真场景，如选取12公里的高速路段和4公里的城市路段。

(2)驾驶员坐在驾驶座舱7上驾驶测试，驾驶员根据虚拟场景中的交通环境做出加速、制动、转向等驾驶操作，由用户输入系统1获取驾驶员的操作信息；如当驾驶员转动带反力矩的方向盘13时，安装在方向盘13上的传感器会将方向盘的转角信号传输给主运算处理系统2，运算处理模块22根据车辆的动力学模型21计算出虚拟车辆的当前车身姿态包括车辆的方向角、车辆的当前车速；运算处理模块22根据车辆的车身运动姿态更新虚拟驾驶场景，同时运算处理模块22分别向数字驱动器32、投影仪41、音响系统5发送虚拟车辆的方向角、更新的虚拟驾驶场景以及当前车辆的行驶噪声；数字驱动器32将数字信号转化成模拟信号并放大，驱动交流异步电机31，驱动驾驶座舱随虚拟场景旋转；六个投影仪41根据运算处理模块22传输的虚拟场景数据，向柱形屏幕42投射更新的虚拟驾驶场景；音响系统5接收车辆的行驶噪声由两个高音质的音响播放行驶噪声。

(3)从数据存储模块6中读写驾驶员测试时的车速信息、车道保持信息、突发情况的反应时间、事故频率等相关信息；经数据处理计算车速均值、车速标准差，车道变换均值和标准差，突发情况的反应时间和事故频率值等指标评定该驾驶员绩效。

本实施例中，座舱是一个Playset游戏座椅。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。