高級車輛駕駛模擬器概論

高級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例模擬器的總體規(guī)劃和子系統(tǒng)設(shè)計模擬器的集成和協(xié)調(diào)問題總結(jié)我與Daimler-Benz車輛駕駛模擬器的情結(jié)

時間車輛駕駛模擬器1979Daimler-Benz開發(fā)部醞釀著建一臺研發(fā)性車輛駕駛模擬器1981世界上第一臺研發(fā)性車輛駕駛模擬器破土動工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商談試驗的具體細節(jié).1988/1989作為課題負責(zé)人設(shè)計,規(guī)劃和實施其試驗試圖建立和識別駕駛員行為機理心理模型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.1990對車輛駕駛模擬器試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果進行處理,分析和總結(jié).建立人—車閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.提出改進汽車主動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車輛駕駛模擬器所使用的汽車動力模型和參數(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?車輛動態(tài)模擬計算各種數(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世界上第一臺商業(yè)性高級車輛駕駛模擬器在漢渃威世界工業(yè)博覽會成功展出1995世界上第一個商業(yè)性高級車輛駕駛模擬器服務(wù)公司在德國科隆市落成1996在AITEC高級車輛駕駛模擬器上進行練習(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行高級車輛駕駛模擬器的投標世界上第二個商業(yè)性高級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行高級車輛駕駛模擬器為培養(yǎng)和訓(xùn)練軍隊駕駛員招標.1997離開AITEC公司,進入德國汽車工業(yè)界AITEC公司因負債過多必需申請破產(chǎn)保護德國AITEC公司高級工程師;AITEC公司車輛動力學(xué)和運動仿真部部門經(jīng)理車輛駕駛模擬器定義和特點車輛駕駛模擬器定義:在試驗室中使用的由電子計算機控制的,用于研究,測試,分析和重現(xiàn)車輛與駕駛員和車輛與外部環(huán)境在實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;實時仿真 (realtimesimulation)由電子計算機控制和計算 (calculatedandcontrolledbycomputer)試驗室中的設(shè)備 (Toolinlabor)重現(xiàn)車輛的真實運動狀態(tài)和特征(vehicledynamics&characteristics)重現(xiàn)駕駛員的真實駕駛操縱和反響 (Handlingsandreactions)重現(xiàn)在實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高級車輛駕駛模擬器….現(xiàn)在在Internet能查到的高級車輛駕駛模擬器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)目前世界頂級車輛駕駛模擬器:美國NADS模擬器(2002)…..高級車輛駕駛模擬器要滿足的要求標準要給駕駛員一種在實際路面駕駛車輛的真實感駕駛員對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)運動感應(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準駕駛模擬器作為科研和測試設(shè)備要滿足:客觀性objectivity可靠性reliability有效性validity要真實的表達車輛,駕駛員和外部環(huán)境的相互關(guān)系和相互作用對車輛駕駛模擬器評定方法和途徑專家評定(客觀事實,模擬結(jié)果和道路測試結(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)計高校和科研部門政府監(jiān)測部門

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)計時，可對其進行事先模擬、試開和修改，從而設(shè)計出最正確的道路走向、寬度、坡度、拐彎曲率、導(dǎo)向線、車道線及其它標線，節(jié)省人力財力，使其所設(shè)計的道路車流合理、平安性好；在橋涵和隧道的規(guī)劃和設(shè)計時進行事先模擬和優(yōu)化；在規(guī)劃和設(shè)計交通信號〔如交通標志和指揮信號燈〕和其它交通設(shè)施〔如路燈、路欄、導(dǎo)向標等〕時進行事先模擬、修改和優(yōu)化；對道路施工地段進行模擬和運籌，使其安排合理，既要防止車堵又要平安可靠，同時也不影響施工；模擬和研究自然環(huán)境和人工建筑對車輛流通及交通平安的影響，探討改進措施；對駕駛員-車輛-道路系統(tǒng)進行綜合分析和測試，從而確定道路的運輸能力；模擬和研究氣候和天氣變化〔如風(fēng)、雪、雨、冰、霧等〕對車輛流通及交通平安的影響，然后設(shè)計和安裝相應(yīng)的可變信息標志，以改進交通流動，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)用對各種車輛進行模擬、分析和研究；對各種道路、交通環(huán)境、交通設(shè)施進行模擬、分析和研究；對人機系統(tǒng)進行綜和的模擬、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、方便、平安可行的車輛駕駛的實習(xí)時機。與政府監(jiān)測部門有關(guān)的應(yīng)用徳國車輛駕駛模擬器的實例Daimler-Benz高級車輛駕駛模擬器AITEC高級車輛駕駛模擬器一些用于駕駛培訓(xùn)簡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)高級車輛駕駛模擬器Daimler-Benz高級車輛駕駛模擬器所在地點:柏林開發(fā)時間:四年投入使用:1985年造價:2千5百萬馬克當(dāng)時1輛C級奔馳小轎車的價值:大約4萬馬克相當(dāng)于625輛奔馳小轎車的價值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

適合實時模擬計算的整車數(shù)學(xué)模型駕駛員的駕駛艙:真實的轎車或卡車駕駛室視景模擬系統(tǒng):由六個投影器顯示180度的前視圖象，一個投影器顯示的后視圖象聲音模擬系統(tǒng):22立體聲揚聲器動感模擬系統(tǒng)：液壓式六軸運動平臺(Stewartplatform)計算機：多臺大型實時模擬仿真電子計算機控制臺運行中的Daimler-Benz車輛駕駛模擬器AITEC車輛駕駛模擬器所在地點:多特蒙德開發(fā)時間:五年投入使用:1995年造價:1千5百多萬馬克其中人工費:100人年的開發(fā)X10萬馬克/人年=1千萬馬克產(chǎn)品當(dāng)時的銷售價格為每臺１百５０萬馬克至２百萬馬克當(dāng)時最新型的中型圖象終端處理計算機。OnyxRealityEngine價格為每臺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時模擬計算的整車數(shù)學(xué)模型計算機:高效率、當(dāng)時最新型的中型圖象處理計算機。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構(gòu):在換擋未同步前,阻止操縱桿進入新檔位置.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):使用了一臺高級數(shù)值式3D聲音產(chǎn)生器各操作元件均裝有信號傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。動感模擬系統(tǒng):機電式六軸運動平臺(Stewartplatform)控制臺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模型和各種司機的參數(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;路面交通宏觀流動和交通信號的控制程序;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、天氣狀況、可見度的大小等〕的自動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)各操作元件的測量和信號處理程序;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。駕駛室運動的模擬和控制程序AITEC車輛駕駛模擬器圖像顯示系統(tǒng)

單通道平面投影簡易車輛駕駛模擬器單通道屏幕顯示簡易貨車駕駛模擬器三通道屏幕顯示簡易車輛駕駛模擬器三通道投影簡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):由五個投影器顯示210度的前視圖象，三個投影器顯示的后視圖象動感模擬系統(tǒng):機電式六軸運動平臺(Stewartplatform)計算機：多臺ＰＣ控制臺高級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)隨動的視景顯示系統(tǒng)顯示系統(tǒng)相對獨立,機械性能要求低運動質(zhì)量小,空間小,功率要求小硬件本錢低顯示系統(tǒng)隨動,同駕駛員的觀看點無相對運抵,顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊運動空間大,運動系統(tǒng)升級方便真實感強特點:視景模擬系統(tǒng)的特點駕駛員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完整逼真的虛幻現(xiàn)實VirtualReality計算和顯示駕駛員能看見的所有外景:靜止物體:道路,信號,路標,建筑物,田野動態(tài)物體:其他車輛,行人,動物天氣現(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,動態(tài)物體,紋理圖樣靜止物體:道路,信號,路標,建筑物,田野動態(tài)物體:其他車輛,行人,動物圖像處理計算及主要參數(shù)及時將可見物體從數(shù)據(jù)庫取出,計算它們所在的位置,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〕整個圖像具有高分辨率、高清晰度、色彩復(fù)原真實、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NADS視景投影系統(tǒng)15個LCD投影機顯示360°X40°視景,分辨率為2.2~7.0~15.0ArcMin/OLP常見動感模擬系統(tǒng)pitch24°roll24°lateral3mmax.acceleration0.4gDisplacement:±30cmAngle:±30°升級后的奔馳模擬器的動感模擬系統(tǒng)附加鋼軌的橫向位移量:±3.8m六軸運動平臺的運動量x+1.38-1.88y±1.50mz±1.07mψ±47.4°φ+32.0°-27.0°κ±30.0°NADS的動感模擬系統(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)動機,操縱機構(gòu),輪胎,路面狀況,空氣,喇叭,報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:路面所引起的隨機振動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,油門和制動踏板,車速儀表為加強模擬器的真實感,在空間和重量允許的情況下,盡量使用真實車輛的駕駛室,配有所有的操縱機構(gòu)和顯示儀表車輛動態(tài)數(shù)學(xué)模型:

vehicledynamicsmodel作用:計算車輛對駕駛員控制作用,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.另外車輛動態(tài)數(shù)學(xué)模型還應(yīng)用于離線模擬計算.NADS選在愛荷劃大學(xué)(IowaUniversity)的重要原因是因為愛荷劃大學(xué)在車輛動態(tài)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢要求:精確性,可靠性,容錯性,實時性,開放性,使用方便,車輛動態(tài)數(shù)學(xué)模型的具體要求多剛體動力模型覆蓋汽車的所有運動狀況簡單有效的數(shù)值計算方法模塊化,標準化,統(tǒng)一化,參數(shù)化對車輛的結(jié)構(gòu)和組合進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

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