高級(jí)車輛駕駛模擬器概論

高級(jí)車輛駕駛模擬器概論

內(nèi)容前言車輛駕駛模擬器的一般概況車輛駕駛模擬器的應(yīng)用范圍徳國車輛駕駛模擬器的實(shí)例模擬器的總體規(guī)劃和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)模擬器的集成和協(xié)調(diào)問題總結(jié)我與Daimler-Benz車輛駕駛模擬器的情結(jié)

時(shí)間車輛駕駛模擬器1979Daimler-Benz開發(fā)部醞釀著建一臺(tái)研發(fā)性車輛駕駛模擬器1981世界上第一臺(tái)研發(fā)性車輛駕駛模擬器破土動(dòng)工1983Daimler-Benz研發(fā)性車輛駕駛模擬器正在建設(shè)中1985到德國不倫瑞克工業(yè)大學(xué)留學(xué)奔馳研發(fā)性車輛駕駛模擬器在柏林落成1987科研項(xiàng)目“人—車閉環(huán)系統(tǒng)的研究和減少道路交通事故的可能措施“Prof.Mitschke和我前往柏林參觀車輛駕駛模擬器并同Daimler-Benz商談試驗(yàn)的具體細(xì)節(jié).1988/1989作為課題負(fù)責(zé)人設(shè)計(jì),規(guī)劃和實(shí)施其試驗(yàn)試圖建立和識(shí)別駕駛員行為機(jī)理心理模型Daimler-Benz配合我在Daimler-Benz研發(fā)性車輛駕駛模擬器上作必要試驗(yàn).1990對(duì)車輛駕駛模擬器試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行處理,分析和總結(jié).建立人—車閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.提出改進(jìn)汽車主動(dòng)安全性的一些方案和措施Daimler-Benz為配合我的科研工作,向我提供了比較詳細(xì)車輛駕駛模擬器所使用的汽車動(dòng)力模型和參數(shù).我與AITEC車輛駕駛模擬器的相關(guān)情結(jié)時(shí)間我車輛駕駛模擬器1990德國AITEC公司醞釀著開發(fā)商業(yè)性高級(jí)車輛駕駛模擬器,委托我?guī)椭鸩?車輛駕駛模擬器的組成部分和技術(shù)要求“和?車輛動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算各種數(shù)學(xué)模型的比較和分析“1991AITEC獲得北萊茵高科技開發(fā)資助費(fèi)200萬馬克1992開發(fā)模擬器的工作公司全面展開1994世界上第一臺(tái)商業(yè)性高級(jí)車輛駕駛模擬器在漢渃威世界工業(yè)博覽會(huì)成功展出1995世界上第一個(gè)商業(yè)性高級(jí)車輛駕駛模擬器服務(wù)公司在德國科隆市落成1996在AITEC高級(jí)車輛駕駛模擬器上進(jìn)行練習(xí),獲得了大卡車,半掛列車和全掛列車的駕駛執(zhí)照.協(xié)助AITEC積極參加德國國防部進(jìn)行高級(jí)車輛駕駛模擬器的投標(biāo)世界上第二個(gè)商業(yè)性高級(jí)車輛駕駛模擬器服務(wù)公司在德國不來梅市落成德國國防部進(jìn)行高級(jí)車輛駕駛模擬器為培養(yǎng)和訓(xùn)練軍隊(duì)駕駛員招標(biāo).1997離開AITEC公司,進(jìn)入德國汽車工業(yè)界AITEC公司因負(fù)債過多必需申請(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)德國AITEC公司高級(jí)工程師;AITEC公司車輛動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)仿真部部門經(jīng)理車輛駕駛模擬器定義和特點(diǎn)車輛駕駛模擬器定義:在試驗(yàn)室中使用的由電子計(jì)算機(jī)控制的,用于研究,測(cè)試,分析和重現(xiàn)車輛與駕駛員和車輛與外部環(huán)境在實(shí)際車輛駕駛過程中的相互關(guān)系和相互作用的設(shè)備和工具.特點(diǎn);實(shí)時(shí)仿真 (realtimesimulation)由電子計(jì)算機(jī)控制和計(jì)算 (calculatedandcontrolledbycomputer)試驗(yàn)室中的設(shè)備 (Toolinlabor)重現(xiàn)車輛的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和特征(vehicledynamics&characteristics)重現(xiàn)駕駛員的真實(shí)駕駛操縱和反響 (Handlingsandreactions)重現(xiàn)在實(shí)際車輛駕駛過程中外界部環(huán)境(trafficenvironment)車輛駕駛模擬器所涉及到的學(xué)科和領(lǐng)域車輛駕駛模擬器的分類低檔車輛駕駛模擬器low-levelsimulatorsassociatedwithpersonalcomputers,pedals,andsteeringwheelsuseindrivereducation,medicalestablishments,rehabilitationsettings中等車輛駕駛模擬器mid-levelsimulatorsincludeamockupautomobileandprojectionscreenslinkedwithapersonalcomputerfordatacollectionandstudysoundsandvisualimagesgovernmentandacademicenvironments高級(jí)車輛駕駛模擬器High-levelsimulatorsrequiresophisticatedhardware,software,andstructuralcomponents.haveaStewartplatformorhexapodforsupportofmovementandorientationavailableatuniversities,governmentagencies,andresearchcentersatmajorautomobilemanufacturers.車輛駕駛模擬器的歷史和現(xiàn)況60/70年代,模擬式錄像作為視感車輛駕駛模擬器1983美國(FHWA)靜態(tài)車輛駕駛模擬器1985瑞典VTI和Daimler-Benz高級(jí)車輛駕駛模擬器….現(xiàn)在在Internet能查到的高級(jí)車輛駕駛模擬器60多種美國(40%),德國(15%),法國(8%),英國(7%),荷蘭(5%)81%用于科研:汽車工業(yè),政府機(jī)關(guān),航空公司,軍事部門,醫(yī)院,科學(xué)院,高校等19%用于駕駛教學(xué)目前世界頂級(jí)車輛駕駛模擬器:美國NADS模擬器(2002)…..高級(jí)車輛駕駛模擬器要滿足的要求標(biāo)準(zhǔn)要給駕駛員一種在實(shí)際路面駕駛車輛的真實(shí)感駕駛員對(duì)車輛駕駛模擬器的感應(yīng)要求

視覺感應(yīng)(visualcues)聽覺感應(yīng)(auditorycues)運(yùn)動(dòng)感應(yīng)(motioncueing)觸摸感應(yīng)(feelingcues)好的車輛駕駛模擬器要滿足的其他要求標(biāo)準(zhǔn)駕駛模擬器作為科研和測(cè)試設(shè)備要滿足:客觀性objectivity可靠性reliability有效性validity要真實(shí)的表達(dá)車輛,駕駛員和外部環(huán)境的相互關(guān)系和相互作用對(duì)車輛駕駛模擬器評(píng)定方法和途徑專家評(píng)定(客觀事實(shí),模擬結(jié)果和道路測(cè)試結(jié)果相比)(科研功能)普通駕駛員的接受程度(培訓(xùn)功能)專業(yè)試車工程師的認(rèn)可(新產(chǎn)品開發(fā)功能)車輛駕駛模擬器使用范圍:汽車駕駛學(xué)校車輛開發(fā)和優(yōu)化公路規(guī)劃和設(shè)計(jì)高校和科研部門政府監(jiān)測(cè)部門

同駕駛員培訓(xùn)有關(guān)的應(yīng)用

同交通有關(guān)的應(yīng)用在道路規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)，可對(duì)其進(jìn)行事先模擬、試開和修改，從而設(shè)計(jì)出最正確的道路走向、寬度、坡度、拐彎曲率、導(dǎo)向線、車道線及其它標(biāo)線，節(jié)省人力財(cái)力，使其所設(shè)計(jì)的道路車流合理、平安性好；在橋涵和隧道的規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行事先模擬和優(yōu)化；在規(guī)劃和設(shè)計(jì)交通信號(hào)〔如交通標(biāo)志和指揮信號(hào)燈〕和其它交通設(shè)施〔如路燈、路欄、導(dǎo)向標(biāo)等〕時(shí)進(jìn)行事先模擬、修改和優(yōu)化；對(duì)道路施工地段進(jìn)行模擬和運(yùn)籌，使其安排合理，既要防止車堵又要平安可靠，同時(shí)也不影響施工；模擬和研究自然環(huán)境和人工建筑對(duì)車輛流通及交通平安的影響，探討改進(jìn)措施；對(duì)駕駛員-車輛-道路系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析和測(cè)試，從而確定道路的運(yùn)輸能力；模擬和研究氣候和天氣變化〔如風(fēng)、雪、雨、冰、霧等〕對(duì)車輛流通及交通平安的影響，然后設(shè)計(jì)和安裝相應(yīng)的可變信息標(biāo)志，以改進(jìn)交通流動(dòng)，提高道路平安。同科研、教學(xué)有關(guān)的以及其它方面的應(yīng)用對(duì)各種車輛進(jìn)行模擬、分析和研究；對(duì)各種道路、交通環(huán)境、交通設(shè)施進(jìn)行模擬、分析和研究；對(duì)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行綜和的模擬、分析和研究；用于開發(fā)新的模擬器；用于交通事故的模擬、分析和研究；用于分析和研究醫(yī)藥,酒精,毒品對(duì)駕駛員的影響;在醫(yī)學(xué)上用于分析和疹斷一些疾病;為高校很多學(xué)科提供多方面的科研課題;為高校學(xué)生提供經(jīng)濟(jì)、方便、平安可行的車輛駕駛的實(shí)習(xí)時(shí)機(jī)。與政府監(jiān)測(cè)部門有關(guān)的應(yīng)用徳國車輛駕駛模擬器的實(shí)例Daimler-Benz高級(jí)車輛駕駛模擬器AITEC高級(jí)車輛駕駛模擬器一些用于駕駛培訓(xùn)簡(jiǎn)易車輛駕駛模擬器維爾茨堡大學(xué)的車輛駕駛模擬器幕尼黑工業(yè)大學(xué)高級(jí)車輛駕駛模擬器Daimler-Benz高級(jí)車輛駕駛模擬器所在地點(diǎn):柏林開發(fā)時(shí)間:四年投入使用:1985年造價(jià):2千5百萬馬克當(dāng)時(shí)1輛C級(jí)奔馳小轎車的價(jià)值:大約4萬馬克相當(dāng)于625輛奔馳小轎車的價(jià)值Daimler-Benz車輛駕駛模擬器全景Daimler-Benz車輛駕駛模擬器的主要組成局部

適合實(shí)時(shí)模擬計(jì)算的整車數(shù)學(xué)模型駕駛員的駕駛艙:真實(shí)的轎車或卡車駕駛室視景模擬系統(tǒng):由六個(gè)投影器顯示180度的前視圖象，一個(gè)投影器顯示的后視圖象聲音模擬系統(tǒng):22立體聲揚(yáng)聲器動(dòng)感模擬系統(tǒng)：液壓式六軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(Stewartplatform)計(jì)算機(jī)：多臺(tái)大型實(shí)時(shí)模擬仿真電子計(jì)算機(jī)控制臺(tái)運(yùn)行中的Daimler-Benz車輛駕駛模擬器AITEC車輛駕駛模擬器所在地點(diǎn):多特蒙德開發(fā)時(shí)間:五年投入使用:1995年造價(jià):1千5百多萬馬克其中人工費(fèi):100人年的開發(fā)X10萬馬克/人年=1千萬馬克產(chǎn)品當(dāng)時(shí)的銷售價(jià)格為每臺(tái)１百５０萬馬克至２百萬馬克當(dāng)時(shí)最新型的中型圖象終端處理計(jì)算機(jī)。OnyxRealityEngine價(jià)格為每臺(tái)１百萬馬克AITEC車輛駕駛模擬器的局部圖AITEC車輛駕駛模擬器硬件組成局部適合實(shí)時(shí)模擬計(jì)算的整車數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī):高效率、當(dāng)時(shí)最新型的中型圖象處理計(jì)算機(jī)。OnyxRealityEngine模擬器駕駛艙:是一普通卡車的原裝駕駛室，擁有所有的操縱桿、踏板、開關(guān)和儀表。力矩和力產(chǎn)生器:為模擬方向盤的力矩和踏板力使用了力矩和力產(chǎn)生器。變速箱操縱桿的鎖止機(jī)構(gòu):在換擋未同步前,阻止操縱桿進(jìn)入新檔位置.視景模擬系統(tǒng):分前方視野和前方視野兩局部前者由三通道彩色投影器和一個(gè)半球形的投影銀幕所組成，可視角為180°X45°前方視野由后視鏡、凸鏡和大液晶屏幕組合而成聲音模擬系統(tǒng):使用了一臺(tái)高級(jí)數(shù)值式3D聲音產(chǎn)生器各操作元件均裝有信號(hào)傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。動(dòng)感模擬系統(tǒng):機(jī)電式六軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(Stewartplatform)控制臺(tái)AITEC車輛駕駛模擬器的主要軟件組成局部方便的菜單式用戶操作系統(tǒng);各種類型車輛的動(dòng)力模型和假設(shè)干車輛的參數(shù)數(shù)據(jù)庫;具有人工智能的司機(jī)模型和各種司機(jī)的參數(shù)數(shù)據(jù)庫;模塊式道路網(wǎng)絡(luò)和所有道路交通參預(yù)者數(shù)據(jù)庫;路面交通宏觀流動(dòng)和交通信號(hào)的控制程序;交通環(huán)鏡〔道路走向、寬度、坡度、外表不平度、立交橋、交通符號(hào)、天氣狀況、可見度的大小等〕的自動(dòng)控制程序及由用戶人工操作的控制程序;視野范圍內(nèi)的圖像處理和圖像顯示程序;噪音合成和模擬程序;駕駛室內(nèi)各操作元件的測(cè)量和信號(hào)處理程序;駕駛室內(nèi)各操作元件的反作用力或力矩的控制程序;駕駛室內(nèi)儀表板上各顯示器的控制程序。駕駛室運(yùn)動(dòng)的模擬和控制程序AITEC車輛駕駛模擬器圖像顯示系統(tǒng)

單通道平面投影簡(jiǎn)易車輛駕駛模擬器單通道屏幕顯示簡(jiǎn)易貨車駕駛模擬器三通道屏幕顯示簡(jiǎn)易車輛駕駛模擬器三通道投影簡(jiǎn)易車輛駕駛模擬器維爾茨堡大學(xué)的研發(fā)型車輛駕駛模擬器

11PCswitha180°frontprojectionsystem,3rearprojectionsanda6-6stewartplatform.TUMünchen車輛駕駛模擬器幕尼黑工業(yè)大學(xué)汽車所的車輛駕駛模擬器的有關(guān)信息于17.06.2004落成，由幕尼黑工業(yè)大學(xué)汽車所，

MAN公司和KraussMaffeiWegmann公司聯(lián)合開發(fā)建成模擬器駕駛艙:曼公司的卡車駕駛室視景模擬系統(tǒng):由五個(gè)投影器顯示210度的前視圖象，三個(gè)投影器顯示的后視圖象動(dòng)感模擬系統(tǒng):機(jī)電式六軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(Stewartplatform)計(jì)算機(jī)：多臺(tái)ＰＣ控制臺(tái)高級(jí)車輛駕駛模擬器兩種不同的整體方案靜止的視景顯示系統(tǒng)隨動(dòng)的視景顯示系統(tǒng)顯示系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,機(jī)械性能要求低運(yùn)動(dòng)質(zhì)量小,空間小,功率要求小硬件本錢低顯示系統(tǒng)隨動(dòng),同駕駛員的觀看點(diǎn)無相對(duì)運(yùn)抵,顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊運(yùn)動(dòng)空間大,運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)方便真實(shí)感強(qiáng)特點(diǎn):視景模擬系統(tǒng)的特點(diǎn)駕駛員80%以上的信息來源于視覺,視景模擬系統(tǒng)是車輛駕駛模擬器最關(guān)鍵的組成局部,它要為駕駛員提供一個(gè)完整逼真的虛幻現(xiàn)實(shí)VirtualReality計(jì)算和顯示駕駛員能看見的所有外景:靜止物體:道路,信號(hào),路標(biāo),建筑物,田野動(dòng)態(tài)物體:其他車輛,行人,動(dòng)物天氣現(xiàn)象:白天,黑夜,雨,雪,冰,霧視景模擬系統(tǒng)的組成局部:物體數(shù)據(jù)庫,圖像處理計(jì)算,圖像顯示視景范圍的大小:單通道和多通道顯示視景模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立物體數(shù)據(jù)庫:存放和管理視景模擬系統(tǒng)使用的所有靜止物體,動(dòng)態(tài)物體,紋理圖樣靜止物體:道路,信號(hào),路標(biāo),建筑物,田野動(dòng)態(tài)物體:其他車輛,行人,動(dòng)物圖像處理計(jì)算及主要參數(shù)及時(shí)將可見物體從數(shù)據(jù)庫取出,計(jì)算它們所在的位置,方向和光學(xué)特征用不同的多邊形描述空間物體的外框架。進(jìn)行物體的外表描述：加陰暗變化〔Shading〕；透明處理〔transparency〕；加陰影〔shadow〕，紋理匹配〔texturemapping〕；光線跟蹤〔raytracing〕。分辨率(Resolution)刷新頻率(updaterate)多邊形的數(shù)量(Polygons)抗混疊ANTI—ALIASING深度復(fù)雜性(DepthComplexity)填充率〔FillRate〕整個(gè)圖像具有高分辨率、高清晰度、色彩復(fù)原真實(shí)、圖像失真小,無縫拼接視景模擬的顯示系統(tǒng)

多通道柱幕投影顯示系統(tǒng)背投影顯示系統(tǒng)

"RearProjectionDisplaySystem"

車輛駕駛模擬器的常見虛擬現(xiàn)實(shí)NADS視景投影系統(tǒng)15個(gè)LCD投影機(jī)顯示360°X40°視景,分辨率為2.2~7.0~15.0ArcMin/OLP常見動(dòng)感模擬系統(tǒng)pitch24°roll24°lateral3mmax.acceleration0.4gDisplacement:±30cmAngle:±30°升級(jí)后的奔馳模擬器的動(dòng)感模擬系統(tǒng)附加鋼軌的橫向位移量:±3.8m六軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)量x+1.38-1.88y±1.50mz±1.07mψ±47.4°φ+32.0°-27.0°κ±30.0°NADS的動(dòng)感模擬系統(tǒng)X-Yplatform:v=±6m/s,a=±0.6gStewartplatforma=±0.75g,β=±25°,ω=±45°/s,α=±120°/s2Turntableψ=±330°,±60°/s,±120°/s2聲音模擬系統(tǒng)數(shù)字合成的立體聲產(chǎn)生裝置聲源自己車輛發(fā)動(dòng)機(jī),操縱機(jī)構(gòu),輪胎,路面狀況,空氣,喇叭,報(bào)警提示等其他車輛不同的車型,車速,離模擬車的距離,方位等其它外界噪音(下雨,鬧市等)主要參數(shù):動(dòng)態(tài)范圍;帶寬;信噪比,失真體感模擬系統(tǒng)路感:路面所引起的隨機(jī)振動(dòng)車感方向盤的回正力矩(steeringwheeltorque)踏板力(PedalForce)變速箱操縱桿反作用力模擬器的駕駛艙至少擁有方向盤,油門和制動(dòng)踏板,車速儀表為加強(qiáng)模擬器的真實(shí)感,在空間和重量允許的情況下,盡量使用真實(shí)車輛的駕駛室,配有所有的操縱機(jī)構(gòu)和顯示儀表車輛動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型:

vehicledynamicsmodel作用:計(jì)算車輛對(duì)駕駛員控制作用,路面和外界影響的整體反響重要性:是使車輛駕駛模擬器有真實(shí)感的前提,是所有車輛駕駛模擬器必不可少的組成局部.另外車輛動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型還應(yīng)用于離線模擬計(jì)算.NADS選在愛荷劃大學(xué)(IowaUniversity)的重要原因是因?yàn)閻酆蓜澊髮W(xué)在車輛動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢(shì)要求:精確性,可靠性,容錯(cuò)性,實(shí)時(shí)性,開放性,使用方便,車輛動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的具體要求多剛體動(dòng)力模型覆蓋汽車的所有運(yùn)動(dòng)狀況簡(jiǎn)單有效的數(shù)值計(jì)算方法模塊化,標(biāo)準(zhǔn)化,統(tǒng)一化,參數(shù)化對(duì)車輛的結(jié)構(gòu)和組合進(jìn)行必要的分類建立方便的圖表式,菜單式的使用界面建立常見車庫的參數(shù)數(shù)據(jù)庫AITEC

車輛駕駛模擬器能模擬的車輛種類

高級(jí)車輛駕駛模擬器的集成和協(xié)調(diào)SystemdelayΔT=t4-t0<60msDriverinputsVehic