（計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)論文）虛擬駕駛系統(tǒng)的物理仿真關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

中文摘要 中文摘要 虛擬駕駛系統(tǒng)是數(shù)字媒體領(lǐng)域的熱點(diǎn)應(yīng)用之一，它覆蓋了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、 3 d 渲染、物理仿真等多個(gè)領(lǐng)域的方法和技術(shù)，在數(shù)字娛樂(lè)、交通仿真、汽車(chē)工 業(yè)研發(fā)、國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)虛擬駕駛系統(tǒng)中的物 理仿真關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，完成了以下主要工作： 1 汽車(chē)動(dòng)力學(xué)物理仿真的建模方法 本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于剛體的車(chē)輛物理模型，采用車(chē)體框架、輪胎與懸掛 彈簧相結(jié)合的方法建立了較為完整的汽車(chē)物理模型，并與幾何模型、行為模型 相互結(jié)合，搭建了虛擬駕駛系統(tǒng)的完整框架。 2 汽車(chē)動(dòng)力學(xué)物理仿真的核心技術(shù)方法與實(shí)現(xiàn)流程 本文研究并實(shí)現(xiàn)了針對(duì)汽車(chē)駕駛過(guò)程中各類(lèi)物理效果的仿真機(jī)制，對(duì)加速、 減速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、懸掛、漂移、側(cè)翻等物理效果進(jìn)行了完整的動(dòng)力學(xué)仿真機(jī) 制研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了針對(duì)各個(gè)物理效果的計(jì)算方法。 3 虛擬駕駛系統(tǒng)中的物理仿真模塊與調(diào)試工具 在完成方法研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了不同地形條件下虛擬駕駛系 統(tǒng)的物理仿真模塊，針對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算參數(shù)、交互機(jī)制、控制流程進(jìn)行了較 為全面的研究，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了集操控與調(diào)試于一體的軟件系統(tǒng)，可用于 汽車(chē)物理仿真的參數(shù)調(diào)試與效果審查。 本文工作既可滿足數(shù)字娛樂(lè)領(lǐng)域賽車(chē)類(lèi)游戲的應(yīng)用要求，也可經(jīng)過(guò)修改完 善后用于其他領(lǐng)域，本文研究成果具有穩(wěn)定性和通用性，軟件開(kāi)發(fā)試驗(yàn)結(jié)果證 明了本文研究工作的有效性。 關(guān)鍵字 數(shù)字媒體技術(shù)虛擬駕駛系統(tǒng)物理仿真汽車(chē)動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)渲染 a b s t r a c t a b s t r a c t v i m j a ld r i v i n gs y s t e mi so n eo ft h eh o ta p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do fd i g i t a lm e d i a ， i tc o v e r sc o m p u t e r g r a p h i c s ，3 dr e n d e r i n g ，p h y s i c a ls i m u l a t i o na n dt h eo t h e rm e t h o d s a n d t e c h n i q u e s 。i th a st h ev a l u eo faw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nd i g i t a l e n t e r t a i n m e n t ，t r a f f i cs i m u l a t i o n ，a u t o m o t i v ei n d u s t r yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，a n d t h en m i o n a ld e f e n s e i nt h i sp a p e r , t h ek e yt e c h n o l o g yf o rp h y s i c so fav i r t u a ld r i v i n g s y s t e mh a sb e e nr e s e a r c h e d ，c o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gm a j o rt a s k s ： a ) v e h i c l ed y n a m i c sp h y s i c a ls i m u l a t i o nm o d e l i n gm e t h o d s t h i sp a p e r d e s i g n sa n dr e a l i z e st h ep h y s i c a lm o d e lb a s e do nr i g i dv e h i c l e s ，i ti s b a s e do nb o d yf l a m e ，t i r e sa n ds u s p e n s i o ns p r i n gc o m b i n e dm e t h o d st oe s t a b l i s ht h e c o m p l e t ep h y s i c a lm o d e l ，a n dt h e c a rw i t hg e o m e t r i cm o d e l ，b e h a v i o rm o d e l c o m b i n i n gv i r t u a ld r i v i n gs y s t e m ，b u i l d sac o m p l e t ef r a m e w o r k b ) t h ec o r et e c h n o l o g i e so fp h y s i c a lm e t h o d sa n dp r o c e s s e so fv e h i c l e d y n a m i c ss i m u l a t i o n t h i sp a p e rs t u d ya n dr e a l i z et h ec a rd r i v i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nm e c h a n i s mo f p h y s i c a le f f e c t so fa c c e l e r a t i o n ，d e c e l e r a t i o n ，b r a k e ，s t e e r i n g ，s u s p e n s i o n ，d r i f t ，s i d e e f f e c to ft h ep h y s i c ss u c ha sd o u b l ec o m p l e t e d y n a m i cs i m u l a t i o nm e c h a n i s m r e s e a r c h ，d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ne a c hp h y s i c a le f f e c t so fc a l c u l a t i o nm e t h o d s c ) v i r t u a ld r i v i n gp h y s i c ss i m u l a t i o ns y s t e mm o d u l e sa n dd e b u g g i n gt o o l s o nc o m p l e t i o nm e t h o do nt h eb a s i so ft h er e s e a r c h ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n d r e a l i z e sad i f f e r e n tt e r r a i nv i r t u a ld r i v i n gs y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ep h y s i c a l s i m u l a t i o n m o d u l e ，a c c o r d i n gt o d a t as t r u c t u r e ，t h ec a l c u l a t e dp a r a m e t e r s ，t h e i n t e r a c t i o nm e c h a n i s ma n dc o n t r o lp r o c e s sw e r es t u d i e da n dd e v e l o p e do nt h eb a s i s o fi n t e g r a t i n gm a n i p u l a t i o na n dd e b u g g i n gi no n eo ft h es o f t w a r es y s t e m ，a n dc a nb e u s e di na u t o m o b i l es i m u l a t i o np a r a m e t e r sa d j u s t m e n ta n de x a m i n a t i o nr e s u l t s t h i sw o r kc a ns a t i s f yt h ed i g i t a le n t e r t a i n m e n tf i e l da p p l i c a t i o no f r a c i n gg a m e ， c a na l s ob em o d i f i e dp e r f e c tf o ro t h e rf i e l d s ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h es t a b i l i t ya n d u n i v e r s a l i t y , t h ea c h i e v e m e n t s i ns o f t w a r ed e v e l o p m e n tt e s tr e s u l t sp r o v et h e i i a b s t r a c t e f f e c t i v e n e s so ft h i sr e s e a r c hw o r k k e y w o r d d i g i t a lm e d i at e c h n o l o g y , v i r t u a ld r i v i n gs y s t e m ，p h y 7 s i c a ls i m u l a t i o n ，v e h i c l e d y n a m i c s ，r e a l t i m er e n d e r i n g i i i 圖目錄 圖目錄 圖1 1 物理引擎功能示意圖6 圖1 2 物理引擎基本結(jié)構(gòu)7 圖l - 3 物理學(xué)世界模塊結(jié)構(gòu)圖7 圖1 4 碰撞檢測(cè)模塊架構(gòu)示意圖8 圖1 5 碰撞檢測(cè)模塊流程圖8 圖2 1 汽車(chē)物理仿真模型功能定義圖1 3 圖2 2 汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖1 5 圖2 3 神龍轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線1 6 圖2 4 制動(dòng)力系數(shù)與滑移率的關(guān)系：1 7 圖2 5 不同精細(xì)程度的車(chē)身外形抽象1 9 圖2 6 車(chē)身與輪胎坐標(biāo)系示意圖2 0 圖2 7 軌跡說(shuō)明圖2 2 圖2 8 b o xa c t o r 物理抽象示例2 3 圖2 9 汽車(chē)物理模型示意圖2 4 圖2 1 0 物理仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2 5 v i 圖目錄 圖3 1 虛擬駕駛系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖2 8 圖3 2 虛擬駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖3 0 圖3 3 車(chē)輛轉(zhuǎn)向控制處理流程3 2 圖3 4 車(chē)輛模型中的部件組織關(guān)系3 3 圖3 5 車(chē)輛部件管理模式設(shè)計(jì)3 3 圖3 6 虛擬駕駛系統(tǒng)物理仿真處理流程3 4 圖3 7 渲染引擎與物理引擎集成3 9 圖4 1 物理參數(shù)調(diào)整示意圖4 1 圖4 2 漂移示意圖4 2 圖4 3 顛簸示意圖4 3 v n 表目錄 表目錄 表2 1 虛擬駕駛系統(tǒng)中的汽車(chē)建模層次與邏輯關(guān)系1 4 n 南開(kāi)大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本人完全了解南開(kāi)大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版 本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、 掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供 本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有 關(guān)部門(mén)或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版：在不以贏利為目的的前 提下，學(xué)校可以適當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部?jī)?nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。 學(xué)位論文作者簽名：去恪笑 i 矽秒少年廠月棚 經(jīng)指導(dǎo)教師同意，本學(xué)位論文屬于保密，在年解密后適用 本授權(quán)書(shū)。 指導(dǎo)教師簽名：學(xué)位論文作者簽名： 解密時(shí)間：年月 日 各密級(jí)的最長(zhǎng)保密年限及書(shū)寫(xiě)格式規(guī)定如下： 南開(kāi)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行 研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文 的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、己公開(kāi)發(fā)表或者沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的 作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集 體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任 由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 砌7 年歹月矽日 南開(kāi)大學(xué)學(xué)位論文電子版授權(quán)使用協(xié)議 ( 請(qǐng)將此協(xié)議書(shū)裝訂于論文首頁(yè)) 論文系本人在 南開(kāi)大學(xué)工作和學(xué)習(xí)期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過(guò)論文答辯。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作權(quán)人?，F(xiàn)本人同意將本作品收 錄于“南開(kāi)大學(xué)博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 。本人承諾：已提交的學(xué)位論文電子 版與印刷版論文的內(nèi)容一致，如因不同而引起學(xué)術(shù)聲譽(yù)上的損失由本人自負(fù)。 本人完全了解直玨盔堂圖立焦羞王堡在! 焦廈堂焦論塞的筐理發(fā)洼! 同意 南開(kāi)大學(xué)圖書(shū)館在下述范圍內(nèi)免費(fèi)使用本人作品的電子版： 本作品呈交當(dāng)年，在校園網(wǎng)上提供論文目錄檢索、文摘瀏覽以及論文全文部分 瀏覽服務(wù)( 論文前1 6 頁(yè)) 。公開(kāi)級(jí)學(xué)位論文全文電子版于提交1 年后，在校園網(wǎng)上允 許讀者瀏覽并下載全文。 注：本協(xié)議書(shū)對(duì)于“非公開(kāi)學(xué)位論文”在保密期限過(guò)后同樣適用。 院系所名稱(chēng)： 作者簽名： 學(xué)號(hào)： 日期：年月日 第一章緒論 第一章緒論 第一節(jié)研究背景 1 1 1 虛擬駕駛系統(tǒng)的發(fā)展歷史 汽車(chē)虛擬駕駛系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、3 d 渲染技術(shù)、物理仿真技術(shù) 以及其他數(shù)字媒體技術(shù)，以實(shí)時(shí)計(jì)算和物理仿真為主要手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)駕駛 過(guò)程的真實(shí)模擬，它能接受用戶的實(shí)時(shí)輸入( 通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、方向盤(pán)、游戲 桿等) ，由計(jì)算機(jī)計(jì)算得出汽車(chē)行駛過(guò)程中的虛擬視景、音響效果和運(yùn)動(dòng)仿真， 并通過(guò)視頻設(shè)備和音頻設(shè)備呈現(xiàn)給操作者，使駕駛員沉浸到虛擬駕駛環(huán)境中， 得到實(shí)車(chē)駕駛的感覺(jué)【1 】【2 1 。 在國(guó)外，虛擬駕駛最早出現(xiàn)在航空駕駛訓(xùn)練中，隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，特 別是計(jì)算機(jī)成像技術(shù)的成熟，虛擬駕駛才逐漸應(yīng)用在汽車(chē)訓(xùn)練中【引。在美國(guó)等一 些發(fā)達(dá)國(guó)家，早在2 0 世紀(jì)7 0 年代，汽車(chē)虛擬駕駛系統(tǒng)就己經(jīng)作為一種較為先 進(jìn)的駕駛員培訓(xùn)工具廣泛用于駕駛員培訓(xùn)中心【4 】，西歐、日本等政府不僅投巨資 開(kāi)發(fā)汽車(chē)駕駛訓(xùn)練模擬器，還明文規(guī)定駕駛學(xué)校必須配置汽車(chē)駕駛訓(xùn)練模擬器， 并采用汽車(chē)駕駛訓(xùn)練模擬器來(lái)對(duì)駕駛員的駕駛能力進(jìn)行測(cè)試，用來(lái)檢查駕駛員 的駕駛熟練程度以及對(duì)事故的防范能力等。美國(guó)在上一世紀(jì)8 0 年代中期就有4 0 0 多所汽車(chē)駕駛學(xué)校裝備了汽車(chē)駕駛模擬訓(xùn)練器，大多數(shù)歐洲國(guó)家也相繼制定了 使用汽車(chē)駕駛訓(xùn)練模擬器的法規(guī)【5 。刀。開(kāi)發(fā)型虛擬駕駛系統(tǒng)現(xiàn)己成為研究汽車(chē)性 能，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)汽車(chē)新產(chǎn)品【8 】探索“人一車(chē)一路系統(tǒng)”相互關(guān)系的主要工具，受 到了汽車(chē)工程領(lǐng)域內(nèi)的極大關(guān)注，其主要形式是各種各樣的駕駛模擬器的研制。 從2 0 世紀(jì)8 0 年代以來(lái)，國(guó)外的各大汽車(chē)集團(tuán)和汽車(chē)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)就開(kāi)始 投入大量的人力、物力甚至應(yīng)用國(guó)防及空間領(lǐng)域的高精技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)各類(lèi)駕駛模 擬系統(tǒng)。其中，最具代表性的是德國(guó)戴姆勒一奔馳公司1 9 8 5 年在柏林研制成功 的六自由度開(kāi)發(fā)型駕駛模擬器，該駕駛模擬器己成功地用于系列化高速轎車(chē)的 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，其性能代表著當(dāng)時(shí)汽車(chē)駕駛模擬技術(shù)的最高水平 9 - 1 2 】。 我國(guó)在虛擬駕駛系統(tǒng)方面的研究起步較晚，經(jīng)歷了一個(gè)從引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品到 自行研制的較漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程。開(kāi)始是引進(jìn)捷克的點(diǎn)光源平板投影式仿真器， 第l 頁(yè) 第一章緒論 道路盤(pán)上的道路是用筆描繪而成的平面景象，無(wú)坡道；接著引進(jìn)了美國(guó)的放電 影、被動(dòng)式汽車(chē)仿真器，一個(gè)控制臺(tái)控制2 0 個(gè)座艙。到了2 0 世紀(jì)7 0 年代，中 國(guó)己有自己研制的點(diǎn)光源、轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)電式汽車(chē)模擬器?，F(xiàn)階段，隨著汽車(chē)保有量 的急劇增加，我國(guó)自行研制的訓(xùn)練型主動(dòng)式汽車(chē)駕駛模擬器技術(shù)己日趨成熟并 進(jìn)入商品化階段，開(kāi)發(fā)型汽車(chē)駕駛模擬器也有了長(zhǎng)足發(fā)展，但是，總的說(shuō)來(lái)， 還存在開(kāi)發(fā)技術(shù)含量低，汽車(chē)視景與操縱動(dòng)作脫節(jié)、遲后，“沉浸感”、“交互性” 與“實(shí)時(shí)性”不強(qiáng)，價(jià)格偏高等缺點(diǎn)。還沒(méi)有真正意義上的一種大眾化的、容 易普及的汽車(chē)駕駛模擬器產(chǎn)品。 以上提到的虛擬駕駛系統(tǒng)均是光機(jī)電一體的模擬系統(tǒng)，它包括駕駛室或駕 駛艙、多媒體電腦中央控制系統(tǒng)等硬件系統(tǒng)和支持網(wǎng)絡(luò)的視景仿真軟件系統(tǒng)， 此類(lèi)系統(tǒng)有著成本高，難推廣的特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的飛速發(fā)展， 計(jì)算機(jī)硬件的價(jià)格不斷下降，性能不斷增強(qiáng)，軟件技術(shù)的逐步成熟，都為汽車(chē) 虛擬駕駛系統(tǒng)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的保障。在這種背景下， 本文提出在p cw i n d o w s 平臺(tái)上建立一套獨(dú)立的應(yīng)用系統(tǒng)，基于商用3 d 圖形引 擎開(kāi)發(fā)，憑借實(shí)時(shí)3 d 渲染畫(huà)面給予用戶真實(shí)生動(dòng)的汽車(chē)交互體驗(yàn)。 1 1 2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)已經(jīng)跨入了信息時(shí)代。作為計(jì)算機(jī)技 術(shù)重要組成部分的計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，因其有效性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、直觀 性等特點(diǎn)受到了廣泛的采用，并且已經(jīng)在社會(huì)各個(gè)科學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域中成為不可 或缺的技術(shù)手段。 1 1 2 1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其特點(diǎn) “虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) ( v i r t u a lr e a l i t yt e c h n i q u e ，簡(jiǎn)稱(chēng)v r ) 是19 8 9 年美國(guó)v p l 公司的創(chuàng)建人之一j a r o n l n a i e r 提出來(lái)的，國(guó)內(nèi)也有人譯為“靈境”、“幻真 等， 國(guó)外與虛擬現(xiàn)實(shí)同類(lèi)的術(shù)語(yǔ)，還有虛擬環(huán)境、人工現(xiàn)實(shí)及電腦空間等【l3 1 。所謂 “虛擬現(xiàn)實(shí) ，是用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)生成一個(gè)逼真的三維視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)或嗅覺(jué) 等感覺(jué)世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對(duì)這 一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。這一定義強(qiáng)調(diào)的是：逼真的感覺(jué)、 自然的交互、個(gè)人的視點(diǎn)及迅速的響應(yīng)【1 4 】 15 1 。 1 9 9 3 年，b u r d e ag 提出了針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的3 i ，被認(rèn)為是對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技 第2 頁(yè) 第一蘋(píng)緒論 術(shù)的準(zhǔn)確描述 1 6 】，這3 i 即是沉浸感( i m m e r s i o n ) 、構(gòu)想性( i m a g i n a t i o n ) 和交互性 ( i n t e r a c t i o n ) 。 1 沉浸感( i m m e r s i o n ) 沉浸感是虛擬現(xiàn)實(shí)最主要的技術(shù)特征，是指用戶借助交互設(shè)備和自身的感 知覺(jué)系統(tǒng)，對(duì)虛擬環(huán)境的投入程度。用戶不僅可以通過(guò)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)，還可以通 過(guò)嗅覺(jué)和觸覺(jué)多維地感受到虛擬世界中所發(fā)生的一切，它們看上去是真的、聽(tīng) 起來(lái)是真的、動(dòng)起來(lái)也像是真的。使用者與虛擬環(huán)境中的各種對(duì)象的相互作用， 就如同在現(xiàn)實(shí)世界中的一樣，使人們能全方位地沉浸其中。當(dāng)然，這也正是虛 擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)追求的終極目標(biāo)：力圖使用戶全身心地投入到計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的三維 虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一個(gè)部分，處于身臨其境的感覺(jué)狀態(tài)，而不僅 僅是旁觀者。 2 構(gòu)想。l 生( i m a g i n a t i o n ) 構(gòu)想性是指借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使抽象概念具像化的程度。虛擬現(xiàn)實(shí)不僅 僅是一個(gè)媒體，一個(gè)高級(jí)用戶界面，它是為解決工程、醫(yī)學(xué)、軍事等方面的問(wèn) 題而由開(kāi)發(fā)者設(shè)計(jì)出來(lái)的應(yīng)用軟件，它能以最直觀的方式表達(dá)設(shè)計(jì)者的思想。 比如在建造一座現(xiàn)代化的大廈之前，要對(duì)其結(jié)構(gòu)做細(xì)致的構(gòu)思。然而許多量化 的設(shè)計(jì)圖紙的讀者只能是極少數(shù)的內(nèi)行人，而虛擬現(xiàn)實(shí)則可以用別樣方式同樣 反映出設(shè)計(jì)者的構(gòu)思，只不過(guò)它的功能遠(yuǎn)比那些呆板的圖紙生動(dòng)和強(qiáng)大得多。 3 交互性( i n t e r a c t i o n ) 交互性主要是指用戶通過(guò)使用專(zhuān)門(mén)輸入和輸出設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬環(huán)境的考 察與操作的程度。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)交互是一種近乎自然的交互，用戶不 僅可以利用電腦鍵盤(pán)、鼠標(biāo)進(jìn)行交互，而且能夠通過(guò)特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳 感設(shè)備進(jìn)行交互。計(jì)算機(jī)能根據(jù)用戶的頭、手、眼、語(yǔ)言及身體的運(yùn)動(dòng)等輸入， 來(lái)調(diào)整系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像及聲音，使用戶達(dá)成對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象的考察或操作。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的模型并不是一個(gè)靜態(tài)的世界，也不是一個(gè)簡(jiǎn)單的單向動(dòng)態(tài) 世界，而是一個(gè)開(kāi)放的動(dòng)態(tài)世界，可以對(duì)用戶的輸入做出實(shí)時(shí)反應(yīng)。例如用戶 可以用手去直接抓取和移動(dòng)模擬環(huán)境中的物體，不僅有抓東西的感覺(jué)，還能感 到物體的重量；用戶可以像現(xiàn)實(shí)中一樣拿起一把虛擬的火炬，并在虛擬環(huán)境中 打開(kāi)開(kāi)關(guān)點(diǎn)燃它等等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將從根本上改變?nèi)伺c計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的交互方 式。 第3 頁(yè) 第一章緒論 1 1 2 2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是高度發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)在各種領(lǐng)域應(yīng)用過(guò)程中的結(jié)晶和反 映，不僅包括圖形學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、傳感 技術(shù)及人工智能等高性能計(jì)算技術(shù)，而且涉及數(shù)學(xué)、物理、通信，甚至與氣象、 地理、美學(xué)、心理學(xué)和社會(huì)學(xué)等相關(guān)學(xué)科【1 7 】。目前，v r 作為- - i q 新興的技術(shù)， 其應(yīng)用己從游戲機(jī)和主題游樂(lè)園擴(kuò)展到了工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)和軍事等多個(gè)領(lǐng)域 【l8 1 。虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)難度很大的綜合技術(shù)，要達(dá)到逼真的多種感覺(jué)和實(shí)時(shí)的自 然交互是非常不容易的。例如：逼真的立體視感( 沉浸感) 需要寬視野和高分辨率 的顯示設(shè)備，而現(xiàn)有的頭盔顯示器不僅分辨率低、價(jià)格貴，而且?guī)г陬^上更是 不方便；又如，要對(duì)大型地理數(shù)據(jù)( 如地形圖) 進(jìn)行三維瀏覽和交互處理，往 往響應(yīng)時(shí)間很慢；至于觸覺(jué)反饋或嗅覺(jué)設(shè)備離實(shí)用更有很大距離，等等。虛擬 現(xiàn)實(shí)技術(shù)演變發(fā)展史大體上可以分為四個(gè)階段：有聲、形、動(dòng)態(tài)的模擬是蘊(yùn)涵 虛擬現(xiàn)實(shí)思想的第一階段( 1 9 6 3 年以前) 、虛擬現(xiàn)實(shí)萌芽為第二階段( 1 9 6 3 年一 1 9 7 2 年) 、虛擬現(xiàn)實(shí)概念的產(chǎn)生和理論初步形成為第三階段( 1 9 7 3 年一1 9 8 9 年) 、 虛擬現(xiàn)實(shí)理論進(jìn)一步的完善和應(yīng)用為第四階段( 1 9 9 0 年一至今) 吼2 4 】。 1 1 3 物理仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)本質(zhì)上是客觀世界的仿真或映射，虛擬現(xiàn)實(shí)的模型則是客觀世界 中物體或?qū)ο蟮拇恚F(xiàn)實(shí)中的物體均有自己的物理屬性，因此虛擬現(xiàn)實(shí)技 術(shù)的進(jìn)步離不開(kāi)物理仿真的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)允許用戶通過(guò)輸入設(shè)備操縱虛 擬環(huán)境的虛擬物體，虛擬環(huán)境會(huì)相應(yīng)地反應(yīng)，產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué)。例如：向 空中拋出物體，物體不應(yīng)懸浮在空中，而應(yīng)當(dāng)做拋物運(yùn)動(dòng)，最終落于地面。因 為重物不僅具有一定外形，而且具有一定質(zhì)量并且受到地心引力的作用。物理 仿真在提高虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境交互性、真實(shí)感方面效果顯著【2 5 1 ，其目的就是實(shí)現(xiàn)虛 擬世界中的物理效果，使得虛擬世界具有真實(shí)感。 1 1 3 1 物理仿真的理論基礎(chǔ) 這些理論基礎(chǔ)主要有：動(dòng)力學(xué)、數(shù)值計(jì)算、碰撞檢測(cè)。動(dòng)力學(xué)提供了物理 學(xué)對(duì)現(xiàn)實(shí)力學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)描述，這種描述是定量的、可計(jì)算的，在剛體動(dòng)力學(xué) 中，這些運(yùn)動(dòng)規(guī)律是用常微分方程描述的【2 6 】。數(shù)值計(jì)算提供了解運(yùn)動(dòng)微分方程 的手段，目前有許多微分方程數(shù)值計(jì)算方法，有的速度很快，有的精度很高， 第4 頁(yè) 第一蘋(píng)緒論 但很難保證計(jì)算速度快的同時(shí)精確度很高：碰撞檢測(cè)用于一類(lèi)非貫穿性約束力 學(xué)現(xiàn)象的實(shí)現(xiàn)【2 7 】，現(xiàn)實(shí)中的物體大多是不能相交的，當(dāng)運(yùn)動(dòng)中相遇即發(fā)生碰撞， 根據(jù)現(xiàn)實(shí)物體材料性質(zhì)，碰撞前速度不同，碰撞后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也不相同。 1 剛體運(yùn)動(dòng) 剛體描述了現(xiàn)實(shí)世界中一大類(lèi)物體，變形很小，或者在運(yùn)動(dòng)中變形忽略不 記的物體都可以抽象成剛體。剛體的運(yùn)動(dòng)由質(zhì)心的平移運(yùn)動(dòng)和繞質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)合成。相應(yīng)的有兩套運(yùn)動(dòng)微分方程組，描述剛體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方程組： m 掣= 馳m ( 1 1 ) 即f = m a 的合力形式，加速度是位移對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)和描述剛體繞質(zhì)心 的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律的方程組： 了d l ( t ) ：巧( f ) ：刪 ( 1 2 ) d tp 。 、。 l ( t ) 為剛體的角動(dòng)量，即l ( t ) = i ( t ) ( t ) ，i ( t ) 是慣性張量，6 0 ( t ) 是角速度；慣性 張量用來(lái)描述物體的質(zhì)量分布，相同形狀的物體，質(zhì)量分布不同，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)也各不相同。當(dāng)力的作用通過(guò)剛體的質(zhì)心時(shí)，剛體受到的力矩為零，不產(chǎn)生 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)作用線偏離質(zhì)心時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用于質(zhì)心的力和一個(gè)力矩，剛 體會(huì)同時(shí)作平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 2 微分方程數(shù)值解 高階微分方程能降階轉(zhuǎn)化成一階微分方程，一階微分方程的數(shù)學(xué)形式是 jy ( x ，y h( 1 3 ) 【y ( x o ) 2 y o 微分方程數(shù)值解的一個(gè)主要方法是將x 按照步長(zhǎng)h 離散，則x k - x 。+ k 。，k = 0 ， 1 ，n ，建立遞推表達(dá)式y(tǒng) k = y k - l + h t ( x k - r ，y k - r ；x k - l ，y k - 1 ) 。計(jì)算y l ， y ：，y ，y 。，例如有歐拉法，及其改進(jìn)形式，龍格一庫(kù)塔方法，自適應(yīng)步 長(zhǎng)的龍格一庫(kù)塔方法。 3 碰撞檢測(cè) 碰撞檢測(cè)就是要檢測(cè)空間中的幾何形體是否相交，只針對(duì)物體的幾何屬性， 碰撞檢測(cè)中簡(jiǎn)單幾何形體的碰撞容易檢測(cè)，凸體的碰撞容易檢測(cè)【2 8 1 ，而復(fù)雜幾 何形體、凹體不易檢測(cè)或非常耗時(shí)。如球體的碰撞檢測(cè) 2 9 】，只需測(cè)試兩個(gè)球的 球心距是否大于兩個(gè)球的半徑之和，如果大于，沒(méi)碰撞，小于等于則碰撞。對(duì) 第5 頁(yè) 第一章緒論 于形狀復(fù)雜的一些物體的碰撞檢測(cè)，采用層次包圍盒的方法能提高效率，整個(gè) 物體由一個(gè)大的包圍盒包裹住，物體再分成兩部分，各自用一個(gè)包圍盒再包住， 這樣細(xì)分下去，到每個(gè)包圍盒只包括一個(gè)簡(jiǎn)單幾何體。這形成了一棵包圍盒二 叉樹(shù)，碰撞檢測(cè)時(shí)，如果兩棵樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)( 根節(jié)點(diǎn)是包圍盒) 不相交，兩物體不相 交，否則，層次遍歷兩棵二叉樹(shù)；如果檢測(cè)到葉節(jié)點(diǎn)的包圍盒相交，則要檢測(cè) 簡(jiǎn)單幾何體。在不同的軟件應(yīng)用中，對(duì)于碰撞檢測(cè)的要求不同。在一些三維c a d 軟件中，提供干涉檢查，可以很好的檢測(cè)復(fù)雜零部件是否發(fā)生干涉，及時(shí)修正 設(shè)計(jì)缺陷。三維c a d 軟件檢測(cè)碰撞是精確度非常高，但速度不高，啟動(dòng)干涉檢 查等待l 2 s 得出結(jié)果，而在虛擬現(xiàn)實(shí)3 d 模擬器項(xiàng)目中，碰撞檢測(cè)耗時(shí)l s 將使畫(huà) 面停頓，真實(shí)性大打折扣，這時(shí)碰撞檢測(cè)的速度是關(guān)鍵，用戶操縱一虛擬物體 與另一物體碰撞，畫(huà)面上就要實(shí)時(shí)顯示出來(lái)【3 們。 1 1 3 2 物理引擎簡(jiǎn)介 虛擬現(xiàn)實(shí)中的物理仿真是通過(guò)物理引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)的，物理引擎接受的輸入是 由外界調(diào)用模塊傳遞過(guò)來(lái)的場(chǎng)景信息以及場(chǎng)景中物體的位置信息。根據(jù)調(diào)用模 塊的不同，可能輸出三種計(jì)算結(jié)果：場(chǎng)景與物體以及物體之間是否發(fā)生碰撞、 碰撞發(fā)生的具體位置以及發(fā)生碰撞后物體的具體位置；并將計(jì)算結(jié)果傳送給調(diào) 用模塊【3 1 1 。其功能如圖1 1 所示。 圖1 1 物理引擎功能示意圖 物理引擎自場(chǎng)景系統(tǒng)中獲得場(chǎng)景信息，并且獲得場(chǎng)景中物體的位置信息等 數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，判斷場(chǎng)景與物體之間以及物體與物體之間是否發(fā)生了碰撞，如 果發(fā)生了碰撞則計(jì)算出碰撞后各物體的精確位置并將位置信息傳遞給渲染引擎 模塊，由渲染模塊將其渲染輸出到屏幕上；判斷出物體將要發(fā)生碰撞，則將該 信息傳遞給人工智能模塊，人工智能模塊由該信息進(jìn)行路徑規(guī)劃以及制定躲避 策略。 第6 頁(yè) 第一章緒論 任何物理引擎都必須滿足牛頓力學(xué)三定律，即必須構(gòu)建在現(xiàn)實(shí)物理世界的 基礎(chǔ)之上。此外，由物理引擎的功能所決定，物理引擎的核心便是碰撞檢測(cè)模 塊。由此可知物理引擎系統(tǒng)由兩部分組成，如圖1 2 所示。 圖1 2 物理引擎基本結(jié)構(gòu) 物理學(xué)世界模塊，是現(xiàn)實(shí)世界的抽象模型。一般來(lái)講，物理學(xué)世界包含兩 個(gè)部分，一個(gè)是剛體物理學(xué)世界，一個(gè)是柔體物理學(xué)世界。在力的作用下，體 積和形狀都不發(fā)生改變的物體稱(chēng)作剛體。剛體按照其運(yùn)動(dòng)特征可以分為平動(dòng)、 定軸轉(zhuǎn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)、定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和一般運(yùn)動(dòng)等形式。在一般情況下，運(yùn)動(dòng)剛體 上各點(diǎn)的軌跡、速度和加速度是各不相同的，但彼此之間存在著一定的關(guān)系。 體積和形狀在力的作用下能夠發(fā)生變化的物體稱(chēng)作柔體，柔體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中， 其上各點(diǎn)的軌跡、速度和加速度隨時(shí)發(fā)生變化。物理學(xué)世界的模塊結(jié)構(gòu)如圖1 3 所示。 圖1 3 物理學(xué)世界模塊結(jié)構(gòu)圖 碰撞檢測(cè)模塊是物理引擎的核心模塊，是建立在物理學(xué)世界基礎(chǔ)上的，由 初步碰撞檢測(cè)、精確碰撞檢測(cè)和精確求交三個(gè)基本模塊組成，如圖1 4 所示。 第7 頁(yè) 第一章緒論 【3 2 - 3 6 圖1 4 碰撞檢測(cè)模塊架構(gòu)示意圖 初步碰撞檢測(cè)、逐步求精模塊、精確求交模塊之間流程關(guān)系如圖1 5 所示 圖1 5 碰撞檢測(cè)模塊流程圖 第二節(jié)本文的研究目標(biāo)及重點(diǎn) 本文主要研究虛擬駕駛系統(tǒng)中的物理仿真模塊，物理仿真是保證虛擬駕駛 第8 頁(yè) 第一章緒論 具有真實(shí)感( 構(gòu)想性) 的前提和基礎(chǔ)。本文研究工作涉及到汽車(chē)動(dòng)力學(xué)方法和 技術(shù)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，物理仿真模型的建立與實(shí)施，物理仿真效果的計(jì)算方法設(shè) 計(jì)與評(píng)估，以及物理仿真模型與3 d 渲染引擎和其他第三方技術(shù)的集成應(yīng)用。 本文研究工作的重點(diǎn)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面： 1 汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 汽車(chē)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，如何在計(jì)算機(jī)上模擬出真實(shí)汽車(chē)駕駛操作的 感受，并讓汽車(chē)表現(xiàn)出合理的物理反映是本文的核心工作。本文以汽車(chē)駕駛過(guò) 程中的動(dòng)力學(xué)為主要研究基礎(chǔ)，以行駛過(guò)程中輪胎、車(chē)身的運(yùn)動(dòng)變化軌跡為主 要研究對(duì)象，期望建立支撐各類(lèi)汽車(chē)行駛中物理效果的動(dòng)力學(xué)仿真模型。 2 虛擬駕駛中的物理仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 物理仿真的計(jì)算結(jié)果必須在3 d 虛擬世界中以可視化的方式體現(xiàn)出來(lái)，這就 要求物理仿真系統(tǒng)必須與3 d 渲染系統(tǒng)有良好的集成機(jī)制，3 d 渲染系統(tǒng)負(fù)責(zé)管 理3 d 場(chǎng)景和車(chē)輛的幾何模型，并負(fù)責(zé)接收用戶輸入。物理仿真系統(tǒng)提供各類(lèi)訪 問(wèn)接口供3 d 渲染系統(tǒng)調(diào)用，根據(jù)3 d 渲染系統(tǒng)提供的用戶操控信息和3 d 場(chǎng)景 信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的物理仿真計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)傳遞給3 d 渲染系統(tǒng)以更新車(chē) 輛集合模型的位置、方向等信息。 物理仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中包括了對(duì)底層第三方物理引擎的封裝，對(duì)車(chē)輛物 理模型的數(shù)據(jù)管理與參數(shù)管理，對(duì)仿真計(jì)算方法的封裝與調(diào)用，以及與3 d 渲染 引擎的集成和通信。 3 基于人機(jī)交互機(jī)制的虛擬駕駛物理仿真調(diào)試工具開(kāi)發(fā)。 從前面的介紹我們可以知道，虛擬汽車(chē)駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛。從 技術(shù)角度看，軟件的開(kāi)發(fā)是此類(lèi)系統(tǒng)的重要組成部分，而基于人機(jī)交互機(jī)制的 物理仿真則是該軟件系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)。本文的重點(diǎn)工作之一便是如何在 計(jì)算機(jī)上虛擬出真實(shí)汽車(chē)駕駛操作的感受，并讓虛擬汽車(chē)根據(jù)人員的操作表現(xiàn) 出合理的物理反映，通過(guò)不斷的仿真調(diào)試進(jìn)一步讓虛擬汽車(chē)的物理性質(zhì)和真實(shí) 汽車(chē)藍(lán)本的物理參數(shù)相接近。本文使用p h y s x 作為物理引擎，使用t r i n i g y 作為 渲染引擎，將人機(jī)交互機(jī)制、3 d 場(chǎng)景管理、實(shí)時(shí)物理仿真與車(chē)輛模型的3 d 實(shí) 時(shí)渲染相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了完整的汽車(chē)物理仿真展示與參數(shù)調(diào)試軟件系統(tǒng)。 第9 頁(yè) 第一章緒論 第三節(jié)本文內(nèi)容的安排 本文的組織結(jié)構(gòu)如下： 。第一章緒論：簡(jiǎn)要介紹汽車(chē)虛擬駕駛系統(tǒng)的背景，物理仿真的研究現(xiàn)狀， 說(shuō)明本文研究目的及意義，并對(duì)內(nèi)容安排作了簡(jiǎn)要說(shuō)明，最后提供了本文重要 術(shù)語(yǔ)表。 第二章汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型與方法設(shè)計(jì)：這一部分介紹了汽車(chē)動(dòng)力學(xué)的重 要屬性，及其邏輯性描述，并在此基礎(chǔ)上建立汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型。 第三章虛擬駕駛系統(tǒng)框架與物理仿真實(shí)現(xiàn)：本章詳細(xì)介紹了虛擬駕駛系統(tǒng) 框架設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)和重要支撐模塊設(shè)計(jì)，隨后描述了物理仿真實(shí)現(xiàn) 框架的構(gòu)成，最后著重介紹了如何將物理仿真與實(shí)時(shí)渲染進(jìn)行集成。 第四章實(shí)現(xiàn)與評(píng)測(cè)：本章詳細(xì)介紹了工程實(shí)施環(huán)境、數(shù)據(jù)準(zhǔn)各環(huán)境，并提 供截圖說(shuō)明功能實(shí)現(xiàn)效果。 第五章總結(jié)與展望：本章是論文的最后一部分，總結(jié)了全文，并指出下一 步的工作方向。 。 第四節(jié)術(shù)語(yǔ)表 奪虛擬現(xiàn)實(shí)：即v i s u a lr e a l i t y ，簡(jiǎn)稱(chēng)v r ，詳細(xì)介紹見(jiàn)1 1 1 節(jié)。與之相關(guān) 的，常使用到的是v r 系統(tǒng)，即虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，指實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的計(jì)算機(jī)軟 件系統(tǒng)。 令物理仿真：即能使仿真對(duì)象能夠在虛擬世界中按照物理規(guī)律運(yùn)動(dòng)的仿真 方法。 物理引擎：物理引擎是提供物理模擬仿真效果的第三方開(kāi)發(fā)工具包。 令實(shí)體( e n t i t y ) ：e n t i t y 是v i s i o n 引擎中的對(duì)象管理單元，形式上為一個(gè) c + + 類(lèi)。與普通的c + + 類(lèi)相比，e n t i t y 通過(guò)繼承e n t i t y 基類(lèi)，實(shí)現(xiàn)了在系統(tǒng)運(yùn)行 流程中的初始化、更新、釋放和消息發(fā)送功能，既可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景中可 見(jiàn)的客觀對(duì)象，又可以作為邏輯上的控制對(duì)象使用。 令行為體( a c t o r ) ：a c t o r 是p h y s x 中的特殊物理層抽象結(jié)構(gòu)，是整個(gè)物 理模擬過(guò)程中的主角，所有的物理特性都施加在a c t o r 上。a c t o r 包括一些空間 屬性，如位置和朝向。 第1 0 頁(yè) 第一章緒論 奪動(dòng)力學(xué)：動(dòng)力學(xué)是理論力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，它主要研究作用于物體的 力與物體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。 令第三方引擎：是指提供仿真效果的第三方開(kāi)發(fā)工具包。 攝像機(jī)：攝像機(jī)是三維圖形渲染中的觀察點(diǎn)，根據(jù)觀察點(diǎn)位置的不同， 可分為第一人稱(chēng)視角( 觀察點(diǎn)在主角的眼睛位置) ，第三人稱(chēng)視角( 觀察點(diǎn)一般 跟隨主角運(yùn)動(dòng)) 等類(lèi)型。 第1 1 頁(yè) 第二章汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型與方法設(shè)計(jì) 第二章汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型與方法設(shè)計(jì) 第一節(jié)方法層次與功能定義 虛擬駕駛系統(tǒng)需要在視覺(jué)和物理兩個(gè)層次實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)的仿真方法設(shè)計(jì)，對(duì) 用戶而言，需要提供高沉浸感、高構(gòu)想性、高交互性的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用體現(xiàn)。其 中高沉浸感是指虛擬駕駛環(huán)境中的汽車(chē)在視覺(jué)上貼近真實(shí)，高構(gòu)想性是指汽車(chē) 在駕駛過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)變化軌跡符合自然世界的物理規(guī)律，高交互性是指汽車(chē)虛 擬駕駛必須提供良好的人機(jī)交互手段。為實(shí)現(xiàn)良好的虛擬駕駛模擬，必須完成 以下建模工作 1 幾何建模與3 d 實(shí)時(shí)渲染 幾何建模是指構(gòu)建汽車(chē)的3 d 幾何模型，一個(gè)完整的汽車(chē)模型可包括車(chē)體、 輪胎、玻璃、車(chē)門(mén)、前車(chē)蓋、后備箱、雨刷、車(chē)內(nèi)駕駛面板等部件，幾何建模 實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車(chē)組成結(jié)構(gòu)的分解，并以實(shí)體集合的方式將各個(gè)部件相互整合，形 成完整的汽車(chē)模型。 3 d 實(shí)時(shí)渲染能為用戶提供高沉浸感的汽車(chē)視覺(jué)仿真，汽車(chē)的幾何模型配以 絢麗的紋理貼圖設(shè)計(jì)可使得用戶獲得完整的汽車(chē)模型視覺(jué)體驗(yàn)。 幾何建模也是汽車(chē)力學(xué)仿真的載體，通過(guò)為不同部件輔以合理的物理屬性， 可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)3 d 模型的實(shí)時(shí)物理仿真計(jì)算。 2 物理建模與實(shí)時(shí)物理仿真計(jì)算 虛擬駕駛的真實(shí)性在于汽車(chē)駕駛過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制與變化必須符合現(xiàn) 實(shí)世界中的物理規(guī)律，不同的駕駛動(dòng)作在不同的路況對(duì)汽車(chē)模型應(yīng)有符合物理 規(guī)律的形態(tài)變化，如加速、制動(dòng)、漂移、轉(zhuǎn)彎等。為實(shí)現(xiàn)高構(gòu)想性的虛擬駕駛， 必須實(shí)現(xiàn)功能完整的汽車(chē)物理建模。 物理建模對(duì)影響汽車(chē)運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程的力學(xué)體系進(jìn)行研究，定義了重要的物 理參數(shù)以及相應(yīng)的計(jì)算方法，針對(duì)諸如輪胎摩擦力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)與輸出功率、 汽車(chē)減速距離等各類(lèi)參數(shù)定義其計(jì)算方法，并設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)計(jì)算過(guò)程。 物理建模的復(fù)雜程度決定了一個(gè)3 d 汽車(chē)模型的完整物理屬性，進(jìn)一步也 為虛擬駕駛的行為建模提供了邏輯前提。 第1 2 頁(yè) 第二章汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型與方法設(shè)計(jì) 3 行為建模與人機(jī)實(shí)時(shí)交互 所謂行為建模是指虛擬駕駛系統(tǒng)必須定義并實(shí)現(xiàn)較為完整的人機(jī)交互機(jī) 制，人機(jī)交互機(jī)制提供了用戶可操控的指令，例如通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)或者游戲桿 輸入加速或制動(dòng)指令，控制汽車(chē)行進(jìn)軌跡和行進(jìn)速度等。沒(méi)有實(shí)時(shí)交互就無(wú)法 實(shí)現(xiàn)真正意義的虛擬駕駛。 行為建模的簡(jiǎn)繁程度往往依賴于汽車(chē)本身的功能，對(duì)自然世界中的一輛汽 車(chē)而言，其人機(jī)交互功能主要體現(xiàn)在駕駛艙內(nèi)的各種操控接口，其中既有影響 汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的檔位、加油、剎車(chē)制動(dòng)、控制轉(zhuǎn)速等交互機(jī)制，同時(shí)也有雨刷、 車(chē)燈、前蓋與后備箱、車(chē)窗玻璃、車(chē)內(nèi)音響、車(chē)內(nèi)后視鏡等非物理仿真的人機(jī) 交互機(jī)制。所有非物理仿真的人機(jī)交互機(jī)制可以通過(guò)預(yù)定程序或播放動(dòng)畫(huà)來(lái)體 現(xiàn)，但是所有與汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的人機(jī)交互必須立足于汽車(chē)的物理建模才能 實(shí)現(xiàn)。 綜上所述，在虛擬駕駛系統(tǒng)中，必須實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的幾何建模、物理建模和行 為建模，其中物理建模是影響汽車(chē)虛擬駕駛用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵所在，本文主要研 究基于汽車(chē)幾何建模成果的物理仿真方法。 本文工作以解決汽車(chē)的物理建模和實(shí)時(shí)物理仿真技術(shù)為主，圖2 1 描述了 本文內(nèi)容所覆蓋的汽車(chē)物理仿真功能與汽車(chē)物理模型組成。 圖2 1 汽車(chē)物理仿真模型功能定義圖 汽車(chē)最基本的功能包括啟動(dòng)、加速、轉(zhuǎn)向等，在仿真中除了模擬這幾項(xiàng)基 第1 3 頁(yè) 第二章汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型與方法設(shè)計(jì) 本功能，還應(yīng)添加其他一些擴(kuò)展的功能，包括懸掛、漂移等。 任何一項(xiàng)具體的汽車(chē)運(yùn)動(dòng)物理仿真功能都需要定義一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的物理 參數(shù)，更為重要的是能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算并分析所有相關(guān)的物理參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上 為虛擬駕駛提供完整的物理仿真效果。表2 1 描述了本節(jié)所述幾個(gè)模型之間的 關(guān)系，以及物理仿真模型所實(shí)現(xiàn)的基本功能。 表2 1 虛擬駕駛系統(tǒng)中的汽車(chē)建模層次與邏輯關(guān)系 層次模型名稱(chēng)模型內(nèi)容模型功能 高交互性，體現(xiàn) 高行為建模向用戶提供的車(chē)輛駕駛操作方式 應(yīng)用的自由靈活 高構(gòu)想性，體現(xiàn) 中 物理建模車(chē)輛行駛的物理參數(shù)定義和計(jì)算方法 物理的貼近真實(shí) 車(chē)輛部件3 d 幾何模型、紋理貼圖以及預(yù) 高沉浸感，體現(xiàn) 低幾何建模 定動(dòng)畫(huà)視覺(jué)的虛擬仿真 本文研究工作基于以下幾點(diǎn)假設(shè)： 1 汽車(chē)模型被抽象為一個(gè)車(chē)身、一個(gè)懸掛彈簧和四個(gè)輪胎組成，每個(gè)部分 均被當(dāng)做獨(dú)立實(shí)體，每個(gè)實(shí)體在虛擬駕駛過(guò)程中均無(wú)任何機(jī)械磨損。 2 汽車(chē)模型為前輪驅(qū)動(dòng)模式，不考慮汽車(chē)行駛過(guò)程中的空氣動(dòng)力學(xué)屬性， 默認(rèn)空氣阻力為零。制動(dòng)為剎車(chē)與手剎結(jié)合。 3 不考慮汽車(chē)輪胎的損耗，假定輪胎與地面之間的摩擦力系數(shù)為恒定值。 4 不限制路面情況，既路面可有高低起伏回轉(zhuǎn)曲折，遵守地球引力規(guī)律。 5 不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)損耗、油耗等變化因素，假定油量充足、發(fā)動(dòng)機(jī)正常。 第二節(jié)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)物理仿真建模方法 虛擬駕駛系統(tǒng)的汽車(chē)動(dòng)力學(xué)物理仿真的關(guān)鍵在于定義影響汽車(chē)動(dòng)力學(xué)特性 的參數(shù)體系，其中包括參數(shù)定義和計(jì)算方法定義，本文研究工作集中針對(duì)汽車(chē) 駕駛過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性開(kāi)展研究工作，本節(jié)主要介紹物理仿真參數(shù)的概念、 邏輯含義和技術(shù)方法。 第1 4 頁(yè) 第二章汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型與方法設(shè)計(jì) 2 2 1 汽車(chē)動(dòng)力學(xué)屬性分析 在駕駛過(guò)程中，汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)屬性主要體現(xiàn)為以下幾個(gè)方面： 2 2 1 1 汽車(chē)行駛的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力 汽車(chē)行駛的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)離合器將動(dòng)力傳動(dòng)到檔位變速箱， 然后經(jīng)主減速器，再經(jīng)過(guò)差速器傳遞動(dòng)力到驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，從而驅(qū)動(dòng)汽車(chē)前進(jìn)。如 圖2 2 所示。 圖2 2 汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 在離合器合攏的前提下，如果變速箱已掛檔，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力將逐步帶 動(dòng)變速齒輪副，最終帶動(dòng)車(chē)輪滾動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩( 即圖2 2 中的驅(qū)動(dòng)扭矩) 與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油門(mén)開(kāi)度有關(guān)，油門(mén)開(kāi)度在虛擬仿真中可作為常量看待，對(duì)任 何一種型號(hào)的汽車(chē)均可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出扭矩的關(guān)系圖。利用這樣的關(guān) 系圖可在虛擬駕駛系統(tǒng)中建立起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出扭矩之間的計(jì)算關(guān)聯(lián)，從而 為實(shí)時(shí)評(píng)估計(jì)算汽車(chē)模型的速度奠定基礎(chǔ)。圖2 3 選自參考文獻(xiàn) 3 7 】，是某款神 龍汽車(chē)在油門(mén)開(kāi)到最大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出扭矩的關(guān)系圖。 第1 5 頁(yè) 第二章汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型與方法設(shè)計(jì) 昌 冬 暮 刀x1 0 r l m 如 圖2 3 神龍轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線 車(chē)輛的前進(jìn)動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)，輸出扭矩是最直接體現(xiàn)車(chē)輛動(dòng) 力的關(guān)鍵物理參數(shù)。該物理參數(shù)決定了最終作用于車(chē)輪和地面之間的車(chē)輛動(dòng)力 的大小。對(duì)于前驅(qū)型汽車(chē)模型而言，主要的制動(dòng)只在前輪，包括啟動(dòng)、加速、 剎車(chē)等，轉(zhuǎn)向則只需控制前輪的方向即可，由前輪提供牽引方向。 漂移是汽車(chē)駕駛過(guò)程中的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化過(guò)程，是指車(chē)頭的指向與車(chē)身 實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向之間產(chǎn)生較大的夾角，使車(chē)身側(cè)滑過(guò)彎。當(dāng)后輪失去大部分( 或者 全部) 抓地力，同時(shí)前輪能保持抓地力( 最多只能失去小部分，最好是獲得額外 的抓地力) ，這時(shí)只要前輪有一定的橫向力，車(chē)就甩尾，即產(chǎn)生漂移。產(chǎn)生漂移 的條件就是控制車(chē)輪與地面的摩擦系數(shù)，在自然環(huán)境中，加以手剎可促進(jìn)漂移 產(chǎn)生。 針對(duì)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力，本文設(shè)定物理仿真參數(shù)如下： 1 扭矩、扭矩曲線與怠速 扭矩是最直接體現(xiàn)車(chē)輛動(dòng)力的關(guān)鍵物理參數(shù)，單位是牛頓米( n m ) 。該 物理參數(shù)決定了最終作用于車(chē)輪和地面之間的車(chē)輛動(dòng)力的大小。 當(dāng)今汽車(chē)主要采用內(nèi)燃機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)，其特性在于不同轉(zhuǎn)速時(shí)所表現(xiàn)的扭 矩不同，需要定義一個(gè)“扭矩曲線”，體現(xiàn)出發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下所表現(xiàn)出來(lái)的 扭矩變化情況。在程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程中，這個(gè)扭矩曲線可用多個(gè)離散的“發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速區(qū)間：輸出扭矩”數(shù)值對(duì)進(jìn)行模擬。 怠速是指在汽車(chē)未掛檔情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為某個(gè)固定值，根據(jù)扭矩曲線， 可實(shí)現(xiàn)怠速的物理仿真。 第1 6 頁(yè) 第二章汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型與方法設(shè)計(jì) 2 變速箱傳動(dòng)比 圖2 1 描述的汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖中體現(xiàn)了變速箱傳動(dòng)比對(duì)汽車(chē)前進(jìn)驅(qū)動(dòng) 力的影響作用。一般手動(dòng)擋汽車(chē)包括4 - _ 6 個(gè)檔位，每個(gè)檔位的傳動(dòng)比都不相同。 傳動(dòng)比是體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出傳動(dòng)效率的關(guān)鍵參數(shù)，在真實(shí)情況下，由于 機(jī)械摩擦的存在使得傳動(dòng)效率永遠(yuǎn)不等于1 0 0 。本文研究工作假設(shè)傳動(dòng)效率 為1 0 0 ，檔位信息由不同的傳動(dòng)比體現(xiàn)，作為先驗(yàn)知識(shí)保存在配置文件中。 3 制動(dòng)扭矩 汽車(chē)的制動(dòng)是指向車(chē)輪施加與車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的力，既克服發(fā)動(dòng)機(jī)輸出 扭矩的驅(qū)動(dòng)作用，在物理仿真中利用制動(dòng)力參數(shù)或制動(dòng)扭矩進(jìn)行計(jì)算。 制動(dòng)效率可用制動(dòng)力參數(shù)巾表示，依據(jù)制動(dòng)力參數(shù)可實(shí)時(shí)計(jì)算汽車(chē)在剎車(chē) 過(guò)程中的制動(dòng)扭矩變化情況。制動(dòng)力參數(shù)由與滑移率s 有關(guān)，滑移率是指車(chē)輪 在制動(dòng)時(shí)，車(chē)身速度與車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的切線速度之間的差異率，根據(jù)汽車(chē)領(lǐng)域的研 究成果，通常這個(gè)值控制在1 5 2 0 之間。圖2 4 顯示了制動(dòng)力參數(shù)與滑移率 的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，本文選擇該曲線中段，并以直線線段模擬該段曲線，取巾= s + 0 6 8 。 當(dāng)汽車(chē)的速度下降為零時(shí)，必須將制動(dòng)扭矩設(shè)為零，否則將導(dǎo)致車(chē)輪向