汽車駕駛仿真器

1、（1） 汽車駕駛仿真器（2） 數(shù)據(jù)手套和力反饋器 班級(jí)：計(jì)研161 姓名：史新夢(mèng) 學(xué)號(hào)：2201600472目錄概述31.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.2汽車駕駛模擬簡(jiǎn)介31.3 存在問題5汽車駕駛仿真器概述隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的發(fā)展，3D 虛擬仿真技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。汽車駕駛模擬器將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于汽車駕駛系統(tǒng)中，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生汽車行駛過程中的虛擬視景、音響效果和運(yùn)動(dòng)仿真，使駕駛員沉浸到虛擬的駕駛交通環(huán)境中，產(chǎn)生實(shí)車駕駛感覺，從而學(xué)習(xí)和體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)世界中的汽車駕駛。由于汽車駕駛仿真系統(tǒng)可無任何風(fēng)險(xiǎn)地重復(fù)和再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中的各種災(zāi)難性事件（如汽車碰撞等），其既能安全、有效地提高駕駛員

2、技術(shù)水平，又能降低各種費(fèi)用，可極大地提高汽車駕駛員的培訓(xùn)質(zhì)量和效率，降低事故發(fā)生率，所以在新車型開發(fā)和駕駛培訓(xùn)方面應(yīng)用十分廣泛，正日益受到國內(nèi)外交通安全領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從20世紀(jì)80年代以來，國外的各大汽車集團(tuán)和汽車技術(shù)研究機(jī)構(gòu)就開始投入大量的人力、物力甚至應(yīng)用國防及空間領(lǐng)域的高精技術(shù)來開發(fā)各類駕駛仿真系統(tǒng)。1985 年，德國戴姆勒 奔馳公司在柏林研制成功了六自由度開發(fā)型駕駛模擬器，該系統(tǒng)已成功地用于系列化高速轎車的產(chǎn)品開發(fā)中。與此同時(shí)，瑞典的 VDI 公司也建成了規(guī)模較小的汽車駕駛模擬器。隨著時(shí)代的變化，德國、瑞典、日本、美國的各大汽車廠家和研究室都相應(yīng)更新了自己的開發(fā)

3、型汽車駕駛仿真系統(tǒng)，不斷完善車輛的動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)都可以模擬六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)情況，視景系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng) (CGI) ，可以提供逼真的車輛環(huán)境。我國在這方面的研究起步較晚。目前，北京航空航天大學(xué)研制的 MCGI-9410T 計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)、航空精密機(jī)械研究所研制的 QMCGI 汽車駕駛訓(xùn)練模擬系統(tǒng)也相當(dāng)有代表性。吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)完成的開發(fā)型 ADSL16,17 駕駛模擬器，按其建設(shè)規(guī)模和性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，現(xiàn)居世界第二位。該 ADSL 駕駛模擬器具有：真實(shí)的人 車操作界面、重復(fù)可控的試驗(yàn)場(chǎng)景、可任意嵌入實(shí)物試驗(yàn)、高速的仿真運(yùn)算能力、無風(fēng)險(xiǎn)的極限場(chǎng)景試驗(yàn)等功能。出現(xiàn)了基于

4、 LabVIEW、V IRTO O LS 的汽車駕駛仿真系統(tǒng)研究。1.2汽車駕駛模擬簡(jiǎn)介顯示系統(tǒng)，采用被動(dòng)立體大屏幕投影技術(shù)，圖1 駕駛模擬器操縱系統(tǒng)（4.42.5）m 的正投軟幕、16801050 的超高分辨率和偏振光學(xué)眼鏡為觀眾和駕駛體驗(yàn)者構(gòu)建完全沉浸感的顯示環(huán)境。兩臺(tái)投影機(jī)同時(shí)投射，一臺(tái)投射左眼圖像，另一臺(tái)同步投射右眼圖像，將左右眼圖像同時(shí)投射到屏幕上。用戶佩戴立體眼鏡既能在視覺上產(chǎn)生立體感覺。駕駛員操作系統(tǒng)（圖1），有油門、制動(dòng)器、離合器三個(gè)踏板，一個(gè)方向盤，一個(gè)六檔位變換器，以及十二個(gè)按鈕開關(guān)。在系統(tǒng)輸入模塊中通過定義油門踏板開度、制動(dòng)器踏板開度、離合器踏板開度和方向盤轉(zhuǎn)角等四個(gè)連續(xù)

5、變量，六個(gè)檔位枚舉變量以及各個(gè)按鈕變量。軟件系統(tǒng)，軟件是以VisualStudio2008 為開發(fā)平臺(tái)，利用 Delta3D，OpenDynamicsEngine （ODE）編程實(shí)現(xiàn)的。汽車駕駛模擬系統(tǒng)主要由信號(hào)采集子系統(tǒng)、車輛動(dòng)力學(xué)仿真子系統(tǒng)、視景仿真子系統(tǒng)組成。信號(hào)采集子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集駕駛員的操作行為（可900旋轉(zhuǎn)的方向盤、換擋手柄、油門、剎車踏板），然后把采集到的數(shù)據(jù)信息傳送給車輛動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)，通過車輛動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)計(jì)算駕駛車輛的行駛狀態(tài)，視景仿真子系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，更新場(chǎng)景中物體狀態(tài)。虛擬模型建立包括靜態(tài)場(chǎng)景的建立和虛擬車輛模型的建立與驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)場(chǎng)景如駕考中心（圖2）、城市道路環(huán)境（圖

6、3）、山區(qū)道路環(huán)境（圖4）等等。圖4 山區(qū)道路環(huán)境圖3城市道路環(huán)境圖2 移庫倒庫考試區(qū)場(chǎng)景模型主要使用 3ds max 軟件建立。車輛模型主要包含車輛本身的外觀模型和動(dòng)力學(xué)模型。外觀模型通過3dsmax建立，動(dòng)力學(xué)建模使用了ODE動(dòng)力學(xué)引擎。駕駛員通過方向盤、踏板（油門、剎車、離合）、換擋手柄來控制車輛運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)通過人機(jī)交互接口把外部輸入信號(hào)傳給動(dòng)力學(xué)仿真模塊，其流程，如圖5 所示。動(dòng)力學(xué)模塊根據(jù)不同的輸入信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，其計(jì)算流程，如圖6 所示。圖6 汽車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)圖5 操作系統(tǒng)信號(hào)傳遞流程1.3 存在問題目前國內(nèi)外關(guān)于3D 模擬仿真多采用 Visual Studio、Eclipse、3D

7、S Max、Maya 等軟件協(xié)同開發(fā)，場(chǎng)景真實(shí)、效果逼真，但是程序多由文本語言產(chǎn)生代碼編寫而成，導(dǎo)致工作量大，程序的直觀性也不友好。國外重視硬件開發(fā)，生成的視景數(shù)據(jù)太大，導(dǎo)致對(duì)硬件要求提高，模擬器的價(jià)格昂貴。虛擬場(chǎng)景、操作與實(shí)際駕駛存在一定的差別，影響駕駛體驗(yàn)。開發(fā)技術(shù)含量相對(duì)較低，已經(jīng)研制出來的汽車駕駛模擬系統(tǒng)大都沒有擺脫賽車游戲模式的束縛，或多或少地存在著汽車視景與操縱動(dòng)作脫節(jié)、遲后，“沉浸感”、“交互性”與“實(shí)時(shí)性”不強(qiáng)等缺點(diǎn)。隨著對(duì)汽車駕駛仿真系統(tǒng)需求的不斷增加，學(xué)員需要的培訓(xùn)方式不僅僅是對(duì)汽車上操縱機(jī)構(gòu)的熟悉和應(yīng)用過程，而是一種“自助式”的教學(xué)過程。這就要求駕駛模擬裝置不僅能夠提供仿

8、真的駕駛環(huán)境，而且還要求在駕駛訓(xùn)練的過程中起到一種人類教練所具有指導(dǎo)功能，能夠?qū)τ?xùn)練者的操作過程進(jìn)行監(jiān)督，指出其在操作上的錯(cuò)誤并予以糾正，以及在操作完成時(shí)對(duì)訓(xùn)練者所完成的操作進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)?？梢?，自主研究與開發(fā)一個(gè)在普通微機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，大眾化、易于普及的，針對(duì)人 車 環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)開發(fā)、適合我國道路狀況和交通法規(guī)的汽車駕駛仿真系統(tǒng)任重而道遠(yuǎn)。數(shù)據(jù)手套設(shè)備的應(yīng)用一 數(shù)據(jù)手套簡(jiǎn)介數(shù)據(jù)手套一般按功能需要可以分為:虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)手套、力反饋數(shù)據(jù)手套。虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)手套是一種多模式的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件，通過軟件編程，可進(jìn)行虛擬場(chǎng)景中物體的抓取、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場(chǎng)景漫游的工具。數(shù)據(jù)

9、手套的出現(xiàn)，為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了一種全新的交互手段，目前的產(chǎn)品已經(jīng)能夠檢測(cè)手指的彎曲，并利用磁定位傳感器來精確地定位出手在三維空間中的位置。這種結(jié)合手指彎曲度測(cè)試和空間定位測(cè)試的數(shù)據(jù)手套被稱為真實(shí)手套，可以為用戶提供一種非常真實(shí)自然的三維交互手段。力反饋數(shù)據(jù)手套:借助數(shù)據(jù)手套的觸覺反饋功能，用戶能夠用雙手親自觸碰虛擬世界，并在與計(jì)算機(jī)制作的三維物體進(jìn)行互動(dòng)的過程中真實(shí)感受到物體的振動(dòng)。觸覺反饋能夠營(yíng)造出更為逼真的使用環(huán)境，讓用戶真實(shí)感觸到物體的移動(dòng)和反應(yīng)。此外，系統(tǒng)也可用于數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域，能夠探測(cè)與出地面密度、水含量、磁場(chǎng)強(qiáng)度、危害相似度、或光照強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的振動(dòng)強(qiáng)度。二 數(shù)據(jù)手套實(shí)現(xiàn)的基本原理

10、數(shù)據(jù)手套實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于手掌、手指及手腕的各個(gè)有效部位的彎曲、外展等測(cè)量以及在此基礎(chǔ)上的姿態(tài)的反演。完成反演主要取決于人體手部姿態(tài)的建模,最根本的就是,確定傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)和手部各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)一個(gè)具體的數(shù)據(jù)手套應(yīng)用過程,可設(shè)由手部各彎角組成的向量f= ( f1, f2, , fn)與對(duì)應(yīng)傳感器示數(shù)組成的向量d=(d1,d2, ,dn)。顯然f和d之間存在著強(qiáng)耦合的映射關(guān)系。數(shù)據(jù)手套的實(shí)現(xiàn)即是根據(jù)示數(shù)向量d,找出原映射關(guān)系的逆映射,從而反演出手部各部位的姿態(tài)。手部軟組織的存在,是人手和機(jī)械手區(qū)別的主要差異,使得人手無法和普通的剛性桿鉸鏈相比,這就加大了問題求解的復(fù)雜性。手部某一關(guān)節(jié)的運(yùn)

11、動(dòng),不僅會(huì)作用于對(duì)應(yīng)的傳感器的示數(shù)發(fā)生變化,而且通過軟組織的相互作用,使其他的傳感器示數(shù)也發(fā)生變化。如果要求保證一定的精度,必須對(duì)求得的逆映射進(jìn)行解耦計(jì)算。三 數(shù)據(jù)手套通用種類5觸點(diǎn)數(shù)據(jù)手套主要是測(cè)量手指的彎曲(每個(gè)手指一個(gè)測(cè)量點(diǎn))14觸點(diǎn)數(shù)據(jù)手套主要是測(cè)量手指的彎曲(每個(gè)手指兩個(gè)測(cè)量點(diǎn))18個(gè)傳感器觸覺數(shù)據(jù)手套28個(gè)傳感器觸覺數(shù)據(jù)手套骨架式力反饋數(shù)據(jù)手套 圖1 數(shù)據(jù)手套實(shí)物圖下圖為數(shù)據(jù)手套實(shí)物圖，圖1四 使用說明下面以DT公司的“5DT Data Glove Ultra”為例，做一下說明。系統(tǒng)通過USB數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連。通過“5DT Data Glove Ultra”串行接口模塊可以使用串

12、行端口（RS 232 視平臺(tái)而定）選項(xiàng)。該系統(tǒng)具有8-bit曲度解析率、佩戴舒適、低漂移和開放式結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。通過藍(lán)牙技術(shù)（距離可達(dá)20米），僅需使用一塊電池，“5DT Data Glove Ultra ”無線模塊即可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的高速連接長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)。產(chǎn)品配有左右手兩種型號(hào)，統(tǒng)一尺寸，適應(yīng)性超強(qiáng)（由可伸縮的萊卡布制成）。圖2是該數(shù)據(jù)手套的產(chǎn)品規(guī)格。規(guī)格5DT Data Glove 5 Ultra操作系統(tǒng)：Cross platform SDK for Windows, Linux and UNIX operating systems 軟件：Kaydara MOCAP, 3D Studio Max

13、,Maya, SoftImage XSI 接口：USB 傳感器數(shù)量：5 傳感器解析度 ()：0.2 (A/D)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸速率 (Hz)：75 ()傳感器類型：光纖無線： Optional 圖2 產(chǎn)品規(guī)格 有線數(shù)據(jù)手套安裝步驟：1. 連接線的Rj12端口與手套連接2. 連接線的USB端口與PC機(jī)的USB端口連接 3. 將手套戴在手上即可五 研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景Dataglove(已注冊(cè)商標(biāo))是VPL公司于20世紀(jì)90年代推出的最早的數(shù)據(jù)手套，缺點(diǎn)是容易受用戶手尺大小影響,應(yīng)用過程中需要重新校正(防止手套與手指之間滑動(dòng)帶來的誤差)；Cyberglove由VirtualTechnologies公

14、司于1991年推出；5DT公司于1995年推出的Dataglove數(shù)據(jù)手套系列，被設(shè)計(jì)為三維輸入設(shè)備,適合對(duì)虛擬世界的控制和操作,手勢(shì)識(shí)別,物理療法和物理復(fù)原,遠(yuǎn)程機(jī)器人的控制等；Dataglove是解放軍理工大學(xué)于2002年研制成功的數(shù)據(jù)手套，適用于機(jī)器手控制和VR應(yīng)用,能作為功能評(píng)估、損傷恢復(fù)、心理測(cè)試、虛擬訓(xùn)練等輸入。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,數(shù)據(jù)手套的研制和應(yīng)用也不斷深入。基于手機(jī)與數(shù)據(jù)手套的手語識(shí)別為盲人和不懂手語的交流提供了方便。美國Boneing公司制造了一架虛擬飛機(jī),運(yùn)用數(shù)據(jù)手套進(jìn)行控制,從而觀察設(shè)計(jì)結(jié)果,考察性能指標(biāo)。NEC公司開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),操作者通過使用數(shù)

15、據(jù)手套可以處理三維CAD中的形體模型。力反饋器的應(yīng)用一 力反饋技術(shù)簡(jiǎn)介力反饋是在人機(jī)交互過程中，計(jì)算機(jī)對(duì)操作者的行為做出反應(yīng)，并通過力反饋設(shè)備作用于操作者的過程。作為虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)的關(guān)鍵技術(shù),力反饋技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注,尤其在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,其在產(chǎn)品開發(fā)、操作仿真、虛擬裝配中扮演著越來越重要的角色。對(duì)力反饋器的研究可以追溯到18世紀(jì)。目前的力反饋器按照結(jié)構(gòu)形式可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。串聯(lián)式力反饋器各單元在空間上沒有重疊、交叉或平行的部分,有利于其他元件的安裝和設(shè)計(jì),但在工作空間內(nèi)存在大量的奇異點(diǎn),影響力反饋器的操作性能,不利于控制,且剛度較低,不能生成實(shí)時(shí)力反饋。并聯(lián)式力反饋器剛度高、

16、承載能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)動(dòng)精度高,但其運(yùn)動(dòng)空間較小,在復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中,運(yùn)動(dòng)副的摩擦明顯增加,并相互耦合,往往很難控制。因此,盡管力反饋器已有很長(zhǎng)的研究歷史,但性能優(yōu)良的力反饋器結(jié)構(gòu)形式仍是研究的重要課題。二 力反饋器的工作原理系統(tǒng)工作時(shí),機(jī)械結(jié)構(gòu)部分在操作者的操縱下進(jìn)行運(yùn)動(dòng),位置、速度、力等參數(shù)被傳感器獲得;力反饋器將獲得的信息傳遞到生成虛擬環(huán)境的工作站,工作站負(fù)責(zé)運(yùn)行虛擬環(huán)境生成軟件,構(gòu)建虛擬場(chǎng)景并動(dòng)態(tài)顯示其中的虛擬物體,其內(nèi)嵌的處理單元通過力的計(jì)算函數(shù),將接收到的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的位置、速度、力等信息處理成矢量力信號(hào),并將其輸入到控制單元;控制單元將這些輸入信號(hào)傳遞到驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行放大處理,

17、再用來驅(qū)動(dòng)力反饋器內(nèi)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件工作,以使其產(chǎn)生一定的力或力矩信息,最后通過機(jī)械結(jié)構(gòu)部分傳遞給操作者。圖1所示為力反饋器的工作原理。圖1 力反饋器的工作原理 三 力反饋器的分類力反饋設(shè)備按照外形尺寸和工作范圍空間大體可以分為三類：手指型、手臂型和全身型。其中手指型力反饋器佩戴方便，運(yùn)動(dòng)自如但重量大、易疲勞、活動(dòng)范圍易受限制、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。數(shù)據(jù)手套其中就用了手指型力反饋器；手臂型操作方便、產(chǎn)品多、應(yīng)用范圍廣、動(dòng)態(tài)響應(yīng)高，其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴、摩擦力大、產(chǎn)出力難以滿足需要，三維鼠標(biāo)就是它的一個(gè)應(yīng)用；全身型力反饋器工作空間大、自由度多，但由于價(jià)格昂貴、體積大、安全性能低，故而產(chǎn)品較少、應(yīng)用范圍小。 圖2 手指型力反饋器 圖3 手臂型力反饋器手臂型設(shè)備的工作空間較大，運(yùn)動(dòng)的自由度較多，目前開發(fā)的此類設(shè)備最多。其中最著名的是美國 Sensable 公司制造的 PHANTOM 桌面力反饋系統(tǒng)。作為連接虛擬與現(xiàn)實(shí)世界的紐帶，力反饋設(shè)備的升級(jí)換代著重體現(xiàn)在對(duì)操作真實(shí)程度的不懈追求，雖然各公司研發(fā)的力反饋技術(shù)稍有不同，但根本原理是一樣的。四 力反饋器的應(yīng)用力反饋器的發(fā)展使人機(jī)交互更加自然流暢，目前已廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、游戲、模擬仿真、遠(yuǎn)程操控等等諸多領(lǐng)域。虛擬手術(shù)是一門綜合性學(xué)科，利用醫(yī)學(xué)影像的數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)和力學(xué)反饋設(shè)備構(gòu)建一個(gè)虛擬的環(huán)境，可以為外科