（控制科学与工程专业论文）越野环境下自主车仿真系统的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文a b s t r a c tt h ec o n t r 0 1m o d u l ei so n eo f 廿l em o s ti m p 0 删m o d u l e so fa u t o n o m o u sl a i l dv e h i c l e( a l v ) b e f b r ea c t u a le x 咖m c n t s ，也e 、】s a g eo fs i m _ 1 1 l a t i o nf b rc o n 乜_ o ls t r a t e g yi sh e l p “i nr e d u c i n gt h er i s ka n ds p e e d i n gt h ep e r i o do fr e s e 甜c h t h ec a l c u l a 也唔m e 也o di sm a i n l yu s e di nt h es i m u l a 廿o no fd ”a m i c ss y s t e mb e f o r e ，t 1 er e s l l l to fw h i c hi s n tc l e a re n o u 曲v i s u a l l y ，a n dc 锄tf i l l l yi n c a r n a t cm em o v e m e n to ft h eo 巧c c t t h ea p p l i c a t i o no fv i m l a lr e a l i t y ( v r )t e c h n i q u ei nt 1 1 es i m u l a t i o no fd y n a l r l i c ss y s t e mo f f e r san e w 印p r o a c ho fs i m u l a t i o n ，a n dh a sa i li m d 0 n a n tm e a n i n gf o ri m p r o v i n gt h es i m u l a t i o ne f f e c t ，1 强sm e m o du s e sd a t ac o m p u t e df r o m曲n 鼬i c sm o d e lt oa c t i v a t et h em o v e m e n 患o f 窖e o 】n 哪m o d e l a c c o r d i n g l yi tc a ns i m u l a t et h em o v e m e mo fo b j e c t si nt l l ev i r t u a ls c e n ea l l dd i s p l a y sm er e s u l to fs i m l l l a t i o ni na i le a s yu n d e r s t a n d i n gw a v t h i st h e s i sa i l n sa tr e s e a r c hw o r k sa b o u th o wt oc o n s t r u c tav i r t u a ls i m m a t i o ns v s t e mo f a l v 也e o f e t i c a l l v 鼢dp f a c t i c a l l y a tf i r s ta ni n t r o d u c t i o no ft l l ed e v d o p m e l l to fa l va n dv 出c l es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nv i n u a lr e a l i t y ( v r ) i sm a de h lc h 印t e r2 ，m eb 弱i cc o n c 印ta i l du s a g eo fs o f h v a r ce n v i r o m e n t ，b a s e do nt 1 1 er e a l - t i m e3 dm o d e l i n gt o o lo fo a t o ra i l dt h ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e ms o 矗w a r eo fv e g a ，a r ei n 仃o d u c e d i nc h a p t e r3 ，t h r e es t 印sa r cd e s c r i b e di n 曲ee x p l o i t a t i o no f t h es c e n es i m u l a t i o ns y s t e m t h ef i r s to n ei st ob u i l d3 dm o d e l sb yc r e a t o r 1 h es e c o n do n ei st oc o n n g u r et l l ev i n i l es c e n ei nl y n x t h e1 a s to n ei st od r i v et h es c e n eu s i n gv e g aa n dv c ，a n dt 1 1 e nav e g as i m u l a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e db a s e do nm f c i nc h a p t e r4 ，m es c h e m eo fb u i l d i n 窑d y n a m i c ss i m m a t i o nm o d e l 锄dm ed a t ai m e r c o m m u n i o nb e t w e e nm em o d e la i l dv i r t ：u a le n v i r o f n e n ta r ed l s c u s s e d i nt h i s 幽e s i s ，t h em o d e li sc o n s 扛1 l c t e db vr e a ld a t 钆w h i c ha r eg a t l l e r c df o me x p e r i m e n t so f a l v ，锄dt 1 1 em o d e li si 唧o r t e di n t om es i m u l a t i o ns y s t e mt oc o m p u t ea n du p d a t et l l e 咖t e so f a l v a tl a s kav i r t u a ls t e 硎n gw h e e lu s e dt oc o n t r o lt h es t a t e sn v i r o f n e n ta r ed l s c u s s e d i nt h i s 幽e s i s ，t h em o d e li sc o n s 扛1 l c t e db vr e a ldat钆whicha r eg a t l l e r c df o me x p e r i m e n t so f a l v ，锄dt 1 1 em o d e li si 唧o r t e di n t omesimulationsystemtocomputeandupdatetlle咖tesofalvatlaskavirtualste硎ngwheelusedtocontrolthestatesofalvisco玎nectedtothesvstemtllro惦曲serialinterfhcetheresuhsof吐1esimi】latiorlindicatethatmismethodishelp血lincollfi肿ationand油provememofvehicledyn锄icsmodel独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文题目：越墅叠垃玉宣圭主笾墓签缝煎婴窒学位论文作者签名：盎童! 整日期：训年月功日i学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文题目：越墅堑擅王直圭主笾裹基缠鲍盈窒学位论文作者签名：作者指导教频签名：日期：砌歹年j1 月叼日日期：劢骘年ff 月乙扣国防科学技术夫学研究生院学位论文第一章绪论陆地自主车( a u t o n o m o u sl a n dv e h i c l e ，a l v ) 是一种能够在( 非) 结构化道路和越野环境下连续地、实时地自主运动的智能移动机器入，它集环境感知、动态决策和规划、行为控制与执行等多功能于一体，能自主地感知和理解环境，规划和控制自身的运动，完成预定任务，并具有自学习和自适应能力【1 】。其研究范围涉及多个学科的理论和技术，体现了控制科学、信息科学与人工智能技术的最新成果，具有重大的研究和广泛的应用价值。本文针对如何对a l v 的控制算法进行直观而形象的仿真这一问题，从理论和实践上对如何在虚拟现实环境下构造a l 的仿真系统进行了研究。1 1 课题研究的背景和意义陆地自主车辆最早的研究出于军事应用的需要，目前其在军事、民用领域的应用研究都得到了大力的发展。民用领域中的研究主要包括在高速公路或一般道路上实现自主行驶以及构建智能公路系统等，减少由驾驶员精神和体力因素引起的交通事故：在军事方面，陆地自主车应具备在越野环境下行驶的能力及执行某种军事任务的能力，例如在核污染或者化学污染区进行采样、处理工作，代替人类完成侦察、排雷任务等。1 1 1 国内外a l v 发展概况国外关于a l v 技术的研究从上个世纪7 0 年代末就开始了，发展的速度也相应较快，目前已经在很多关键技术上取得了突破。其中，美国、日本、德国等国的技术较为领先，已经制造出了多种样车。世界上第一辆a l v 于1 9 7 9 年在日本研究成功，它装有两台摄像机及专用的信号处理系统和控制系统，测试时速可达3 0 缸沛。美国匿l 防部于1 9 8 3 年将a l v 研究列入国防部高级研究计划局( d a r p a ) 的战略计划，大大推动了a l v 中有关视觉和体系结构研究的进展。美国还有很多大学、公司及研究机构活跃于a l v 相关领域中，例如美国c m u 大学从1 9 8 1 年开始先后进行了n a v l a b 系列自主车辆的研制开发。其中n a v l a b 5 进行了横穿美国大陆的长达4 6 2 4 公里的自主驾驶实验，整个行程中9 8 的路程由自主驾驶系统完成。九十年代，美国类似的研制主要集中于战场2 0 0 0 计划中u g v ( u n m 眦1 e dg r o l l n dv e l l i c l e ) 系统的研究。其第三个阶段研究的d e m oi i i在2 0 0 2 年实现在公路上行驶的最高速度为6 4 k m b ，白天在有植被的越野环境中的最高速度达到3 2 k m ，h ，同时具有战场侦察能力和多平台交互与协同能力。第l 页国防科学技术大学研究生院学位论文欧洲的a l v 研究重点在于结构化道路特别是高速公路。德国联邦国防大学和奔驰汽车公司于上世纪9 0 年代开发完成了v a m o r s p 系统，其车体采用奔驰5 0 0 轿车，传感器系统包括4 个小型彩色c c d 摄像机、3 个惯性线性加速度计和角度变化传感器、测速表及发动机状态测量仪，1 9 9 5 年公布的最高速度为1 3 0 融i l 1 l ，现在已达到了1 5 0 k n l 1 1 以上。国内对a l v 的研究是从二十世纪八十年代末开始的，己取得令人鼓舞的研究成果。“八五”期问由国防科技大学等六所院校研制的“7 b 8 军用智能机器人”于1 9 9 5 年通过鉴定，是我国研制的第一辆大型自主式地面车辆。该车直线跟踪速度可达到2 0 鼬n m ，弯路及蔽障速度也达5 l o n h 。国防科大自主研制的c i t a v t i v 型自主地面车辆在2 0 0 0年的高速公路实验中达到了7 5 6 k m ，h 的当时国内最高速度。2 0 0 3 年6 月，由国防科技大学和中国第一汽车集团公司合作研制的红旗车自主驾驶系统实现了在正常交通情况下，最高稳定自主驾驶速度1 3 0 l 血l l l ，最高峰值自主驾驶速度1 7 0 k m ，l l ，并具备超车功能。该车的试验成功标志着我国的自主驾驶技术达到了世界先进水平【l 】。1 1 2a l v 关键技术分析根据a l v 从环境感知到控制过程的特点，可以把a l v 系统简单地分为感知、数据处理、规划和控制三大部分，这三个部分又可分为多个相互协调的子模块，包括视觉感知模块、数据处理模块、运动传感模块、路径规划模块和运动控制模块，各个子模块在上层黑板的统一调度下协调工作i l 】f 3 1 。a l v 的研究涉及计算机技术、自动控制、机械工程、电子技术等多门学科，其关键技术主要有以下几方面口】【4 1 ：1 、系统体系结构的研究主要研究a l v 中各个子系统问的层次、组成、调用及通信方式，以及a l v 的总线结构、数据的存储和调用等，使各子系统及子模块有机地同步起来。2 、视觉信息传感技术与实时处理技术a l v 的环境感知主要依赖于视觉传感器，视觉信息能否准确地、实时地反映外界环境将影响a l v 的实时性和安全性，同时也是影响系统智能化程度的关键之一。3 、车辆行为决策及路径规划研究a l v 根据环境信息和任务需求确定自身的行为方式，并进一步对速度和期望路径等信息进行规划。路径规划分为全局路径规划和局部路径规划，包括全局地形数据库的建立、数据管理技术、全局路径的分解和规划技术、实时可行路径的规划等。4 、多传感器信息处理与融合技术由于野外环境的复杂性和单一传感器的局限性，a l v 必须配置多传感器，包括里程表、第2 页国防科学技术大学研究生院学位论文g p s 、捷联惯导、激光雷达等，它们对于车辆的定位各有优缺点。信息融合技术可以利用多传感器信息的互补特性，融合各种不同频率、不同精度的信息，能为a l v 提供精确的定位信息。5 、车体的运动和控制技术针对不同车辆的驾驶操纵性能，控制车辆完成预定的驾驶动作，使之成为a l v 中的可靠试验平台和载体。主要包括车辆方向、速度、制动以及其它驾驶动作的控制。由于自主车系统本身的强非线性特点，如何设计控制器以实现高精度的纵向和侧向控制是自主车研究所必须解决的重点问题。1 1 3 本课题的研究意义在上述的这些关键技术中，车体的运动和控制是a l v 的基础技术，其核心是控制算法的设计【1 】。对于一个新的控制算法，如果直接进行实车试验风险很大，而且研究周期会很长。随着计算机仿真技术的发展，人们在进行实车试验前，一般都会先运用仿真的方法对控制算法等进行检验，达到预想的效果后再进行实车实验，这对于减少风险和加快研究周期有重要作用。以往对于车辆动力学系统的仿真，主要是应用数值计算的方法生成一些数据图表，非常枯燥又极易出错，而且得出的结果不够直观，不能够很好地体现车辆的运动状态。应用虚拟现实技术对动力学系统进行仿真，以动力学模型计算得出的数据来驱动车辆几何模型的运动，能在虚拟的场景里模拟车辆的运动，把仿真的结果以人易于理解的方式显示出来，为仿真的实现提供了新途径，对于提高仿真效果有重要意义。本课题所研究的越野环境下自主车仿真技术致力于为a l 提供一个形象、直观的虚拟仿真环境，在此环境中对a l v 模型的运动进行控制，以便对a l v 控制算法提供有效的仿真和验证手段。1 2 基于虚拟环境的车辆仿真技术近年来，随着计算机技术、信息处理技术、图形图像技术和虚拟现实技术的发展和逐渐应用，汽车工业产品的研发、设计及性能试验产生了一种全新的解决方案在计算机上建立车辆完备的三维实体模型。创建虚拟的制造工厂、虚拟的实验室及运行环境，在虚拟的环境下完成各种性能测试和试验，从而能极大地减少样车的试验制造次数，缩短汽车的开发周期，降低开发成本。下面就对基于虚拟环境的车辆仿真技术进行介绍。第3 页国防科学技术大学研究生院学位论文1 2 1 虚拟现实与虚拟车辆仿真虚拟现实( v i r t i l a lr e a l 埘，缩写为v r ) 技术又称灵境技术，从上个世纪9 0 年代开始越来越为科学界和工程界所关注【5 1 ，目前已发展成为一门涉及计算机图形学、图像处理与模式识别、人机交互、人工智能等学科的交叉学科。虚拟现实是一种利用计算机生成模拟环境( 如飞机驾驶舱、操作现场等) ，然后通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术【5 l 。其主要目的是用计算机来生成一个逼真的三维世界，使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉，以增强仿真的真实感。它的兴起为人机交互界面的发展开创了新的领域，为智能工程的应用提供了新的工具。虚拟现实技术主要具有以下三个重要特征口 ：交互性( i n t e r a c t i o n ) 、沉浸感( i m m e r s i o n ) 和构想( h n a g i n a t i o n ) 。将虚拟现实技术应用于车辆仿真系统中，就是通过计算机生成汽车行驶过程中的虚拟场景、声音效果和路面信息等，并进行动力学和运动学仿真，使用户沉浸到虚拟仿真环境中，产生一种类似于实车驾驶和控制的感觉。用户可以根据虚拟仿真环境提供的视觉、听觉和触觉反馈，构想对汽车的操纵动作，然后对模拟操纵机构进行控制，计算机则根据用户的操作情况，改变汽车在虚拟环境中的状态，这样就构成了用户一虚拟车辆仿真环境之间的交互作用，实现了汽车在虚拟环境中的仿真，从而能对车辆的控制算法起到直观的演示和验证作用。基于虚拟现实技术的车辆仿真系统提供了克服多种限制的机会。其优点主要有：1 、它可以产生和再现相关的车辆行驶情节，用来对用户的控制行为提供一个客观的评价，有利于测试系统的标准化；2 、它极大地提高了仿真控制过程的主动性、了更逼真的仿真环境；3 、它可以支持大量的训练研究和设计应用。有许多好处，如：安全性高、仿真数据收集方便、环境等。交互性和沉浸感等性能，给使用者提供此类虚拟系统比同类的真实车辆测试具利用软件可方便的修改车辆模型和周围虚拟车辆仿真系统的构建一般包括以下四个方面：1 、车辆模型和路面物理仿真；2 、包括其它车辆和周边环境的周围环境仿真；3 、解释车辆模型状态的系统( 如视频和音频显示，真实或虚拟的仪表等)4 、车辆模型控制装置的引入( 如转向舵，刹车板等) 。第4 页国防科学技术大学研究生院学位论文1 2 2 虚拟车辆仿真技术研究概况目前，对虚拟车辆仿真技术的研究和应用主要集中在虚拟驾驶方面，世界各国也都相继开发了各种开发型汽车驾驶模拟器。开发型汽车驾驶模拟器由模拟舱、运动模拟系统、实时控制与运算系统、视景模拟系统、声响模拟系统、触感模拟系统等组成博j 。试验时，将真实的汽车装入模拟舱并固连到模拟舱地板上。驾驶人员坐到模拟车中，根据视景系统生成的交通场景操作汽车；计算机采集到操作信息后，对车辆动力学模型运算得出汽车的运动状态；实时控制计算机根据运动状态控制运动模拟系统，驱动模拟舱生成汽车行驶中的运动感觉；实时控制计算机还控制视景系统更新交通视景，控制声响系统合成发动机等声响，并控制触感系统，产生方向盘回正力矩等反力。这样就能模拟人一车一环境系统的闭环响应，对汽车进行动态仿真设计、评价和改进 8 】。本小节对车辆虚拟驾驶技术和驾驶模拟器的发展进行简单的回顾，从中可以看到虚拟车辆仿真技术的发展和应用。2 0 世纪7 0 年代早期，美国通用汽车公司、弗吉尼亚工业学院和州立大学开始进行人在回路系统模拟的早期探索工作，这项工作持续了2 0 多年的时间，最后在v p i s u 模拟器上得到了实现【10 】。在这个v p i s u 模拟器系统的最高级版本中，包含一个有1 6 个自由度的车辆模型和一个小型的可运动的底座。日本大阪产业大学则在7 0 年代开始研究可赋予加速感的座椅模拟装置，它用液压机构来实现座椅在加速和制动过程中的运动模拟。总的来说，7 0 年代研制的虚拟仿真环境和驾驶模拟器的视景系统多采用传送带和点光源式的地景系统，只能给驾驶员一种道路景象变化的速度感，缺少完整的地形信号。到了2 0 世纪8 0 年代早期，美国联邦公路管理局开始应用公路驾驶模拟器( h y s i m )这种具有固定基座的驾驶模拟器，主要用来进行“人素”( 人的因素) 的研究，包括交通控制装置的研究，驾驶员危险驾驶体验，智能高速公路车辆系统和险情状况识别等。2 0 世纪8 0 年代中期，瑞典道路交通研究中心开发出了有四个自由度的液压运动平台、支持复杂车辆模型的驾驶模拟器系统，该平台和一个可以摆动的工作台相连。1 9 8 5 年，戴姆乐奔驰汽车公司首先开发出了世界上最大规模的驾驶模拟器，它在一个可运动的基座上放置真实车辆，该基座可以进行大到数英尺的横向运动，并且该模拟器有一个高分辨率的视景显示系统。在2 0 世纪8 0 年代，日本的东京大学，丰用汽车研究所和马自达汽车公司也相继开发出了用于开发型的驾驶模拟器。上世纪8 0 年代后期到9 0 年代初期，美国的汽车制造商们开始开发他们自己的驾驶模拟器，福特和克莱斯勒汽车公司一直用固定基座的模拟器开展它们在这个领域的研究工作。1 9 9 3 年初，美国的福特汽车公司也开始研制开发型驾驶模拟器，目前正致力于硬件嵌入回路( h a r d w a r ei n t h e l o o p ) 的应用研究。1 9 8 9 年，德国大众汽车公司改建了其原有的驾驶模拟器，更新了计算机运算系统和视景生成系统，并用于新产品的研制。1 9 9 1 年日本马自达汽车公司兴建了跑车开发型驾驶模拟器，它采用了高级的硬件平台，包括高性能的仿真计算机系统和高性能的图形处理硬件系统，其车辆动力学模型非常完善，运动系统可第5 页国防科学技术大学研究生院学位论文模拟六自由度姿态，生成的视景也非常复杂逼真。上世纪9 0 年代早期相继出现了几款新的驾驶模拟器。i o w a 大学的计算机辅助设计中心开发出了i o w a 驾驶模拟器，它包括一个巨大的六自由度运动底座，并且用功能强大的计算机来处理由多体编码得到的车辆模型。1 9 9 3 年底，美国交通部( d o t ) 招标建立美国的大型驾驶模拟器，由i o w a 大学中标负责开发。动力学研究中心( d ”锄i cr e s e a r c hi n c )也开发了一种支持各种各样车辆模型，并且也有一个六自由度的运动底座可以提供运动的模拟器。到今天，德国，瑞典，日本，美国的各大汽车厂家和研究室都相应更新了自己的开发型驾驶模拟器，不断完善车辆的动力学模型，运动系统都可模拟六个自由度的运动情况，视景系统采用计算机成像系统( c g i ) 可以提供逼真的车辆环境。图1 1 就是坐落于美国i o w a 大学的国家高速公路安全委员会( n h t s a ) 建造的汽车驾驶仿真器。图1 1 i o w a 驾驶模拟器我国在驾驶模拟器方面的研究起步较晚，经历了一个从引进国外产品到自行研制的较漫长的发展过程。开始是引进捷克的点光源平板投影式仿真器，道路盘上的道路是用笔描绘而成的平面景象，无坡道：接着引进了美国的放电影、被动式汽车仿真器，一个控制台控制2 0 个座舱。到了上世纪7 0 年代，中国已有自己研制的点光源、转盘机电式汽车模拟器。到了上世纪9 0 年代，随着计算机技术和图形、图像技术的发展，国内相继出现了自己研制的、仿真精度较高的主动式实时汽车驾驶模拟器。装甲兵工程学院开发的m u l q m汽车驾驶模拟器采用了实时车辆动力学、运动学仿真模型和实时c g i 技术，不仅可以完成汽车驾驶培训，还可以进行车辆安全性、人机工程、道路工程等的研究。南京大学软件新技术国家重点实验室开发的主动式三维汽车驾驶训练模拟器，应用三维场景人工智能技术。昆明理工大学交通综合模拟实验室也于1 9 9 9 年开发出了基于网络的w m 汽车驾驶模拟器，除了其先进的车辆模型、逼真的视景系统外，它的联网功能可允许多台驾驶模拟器同时操作，并具有可选择的对车辆的监视功能。1 9 9 6 年1 2 月，吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室成功地研制了我国首台开发型a d s l 汽车驾驶模拟器。该a d s l 驾驶模拟器具有：真实的人一车操作界面、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性能特点甜。目前，该模拟器的总体性能和技术指标居亚洲第一、世界先进水平。该模拟器由于采用下列第6 页国簖科学技术大学研究生院学位论文核心技术而具有更逼真的驾驶仿真环境和与驾车感觉【8 l ：l 、季l 爰矗穗l 娃g 镊窝v 铭a 软嵇二次开发载爱豫系绞，吴有气镁、毙线等鼗祭，程景仿真更为逼真：2 、采用2 0 毫秒声响片段实时拼接算法实时生成邋真的汽车声响：3 、方向盘力感摄据汽举动力学仿真模型输出，l 圭l 耀珏p 玲控铡豹力矩电槐提供：4 、实车试验标定豹汽举动力学模型；5 、任意扩充嵌入实物试验。1 3 本渫簇麓主要研究工作本课题所研究的虚拟环境下自主车仿舆技术是通过构造一个完众虚拟的环境，并尝试在必虚拙环境下对鑫主车豹运动进行控劐，取褥了一熬除段蛙鳃咸菜。课题懿未溪磅突工体如下：一、本文研究了在建模软件m u l t i g e nc r c a t o r 中建立合理的车辆三维模型，然后将其鼯入虚拟环境中显示的相关方法。建立螅三维模型在燎撤环壤中能露确显示；二、本文磷究了在开发工具v e g a 袋獒强形界面l y 瓤中调弼三缎模型并对虚拟场景进行配置的方法，构建了一个的虚拟视景仿真系统，该系统可以生成黼质量的图形画面，实现天空、太阳光照、烟雾等祷种特殊图形效果，增强了运动图像真的实感；通过定义合适豹交叉矢量实溪了应援强臻熬靛缝形莲醚鼗碰撞捻撼；三、本文根据实车试验数据，训练一个b p 神经网络作为车辆动力学模型，将此模型导入虚拟环境中对车辆的运幼进行计算和服新。使用模拟方向盘实域对车辆运动的控制，实现了一定弱控铡效果，煞怒弱对模型鹣滚示懿验涯终瘸。1 4 本文的结构本论文主要由软件开发环境介绍、车辆三维建模、虚拟场景的配置、车辆动力学仿真模型构建、v c 环境下的仿真系统实现几个部分组成，论文的章节组织结构如下：第一章，绪论，简要介绍课题研究的背景和意义，以及本文的研究内容等，并对基于虚拟现实的车辆仿真技术进行了概述；第二章，对虚拟视景仿真系统的软件开发环境进行了介绍，讲述了实时三维建模工具m u l t i g e nc r e a i o r 和实时应用开发软件v e g a 的基本概念及使用方法，以及使用它们创建实时应用的过程以及运行系统的渲染过程；第三章，将视景仿真系统的r 丌发过程分为三个步骤：实时三维建模( c r e a t o r ) 一) 虚拟第7 页国防科学技术大学研究生院学位论文场景配置( l y n x 卜) 虚拟场景实时驱动( v e g a + v c ) ，在此基础上完成了一个基于m f c 的实时虚拟视景系统；第四章，讨论了自主车动力学仿真模型的实现及其与虚拟环境之间的数据交互问题。根据实车试验数据，通过训练一个b p 神经网络作为车辆动力学模型，将建立的动力学模型引入虚拟仿真系统之内对车辆的状态进行计算和更新，并使用模拟方向盘控制车辆的运动，起到了对车辆动力学模型的演示和验证作用；第五章，总结全文，并对后一阶段的工作进行了展望。第8 页国防科学技术大学研究生院学位论文第二章虚拟视景仿真系统的软件开发环境虚拟现实软件是实现虚拟现实系统的工具。从系统角度来看，虚拟现实软件应管理和利用好各种计算资源、接口设备和系统资源，提供给各开发入员一个高性能的接口。从用户角度来看，虚拟现实系统的开发大致要经历三个阶段：对象的几何建模、行为建模以及虚拟环境的运行，相应地，虚拟现实软件所提供的环境一般应包括对象编辑器、世界编辑器和集成运行环境i l 。目前，虚拟现实仿真软件发展迅速，种类较多。常用的建模工具包括a u t o c a d 、3 dm a x 、m a y a 、m u l t i g e nc r c a t o r 等，开发工具有w o r l d t o o l k i t 、w o r l du p 、v e g a 等1 5 | o 其中，m u l t i g e l l p 嬲珂i g r n 公司开发的m u l t i g c nc r e a t o d v e g a 产品，可以提供完全意义上的三维实时仿真系统的解决方案，是虚拟现实仿真软件中的佼佼者。本章就分别对c r e a t o r 与v e g a 进行介绍，以了解虚拟仿真系统开发工具的使用方法及使用它们创建实时应用的过程。2 1 实时三维建模工具m u i t i g e nc r e a t o r2 1 1m u l t i g e nc r e a t o r 简介1 1m u l t i g e i l c f e a t o r 是由m u l t i g e n p a r a d i g m 公司推出的一个软件包，用来开发诸如大地、海洋、天空等视景仿真数据库。在三维实时视景仿真领域，c r e a t o r 以其无与伦比的强大的三维实体建模工具及三维地景生成，被公认为当今最优秀的建模软件之一。c r e a t o r 是一个集为一体的套装软件，它由一系列核心模块组成。系统的基本核心是建模模块( m o d e l i n g ) ，它可以为2 5 种不同的图象生成器( i m a g cg e n e r a t o r ，i g ) 提供自己的建模系统和定制的功能。无论您是要建立动态对象还是产生特定地点的符合地球弧度的大地场景，m u l t i g e nc r e a i o r 都在同一个完整的环境中给用户提供了所有必需的高效率的工具来创建晟优化、高度逼真的实时三维模型。其所见即所得的良好的交互环境，能够让用户实时观察到数据库建立过程中所发生的一切。c r e a t o r 同时包括其它一些核心模块，例如d t e d ( 利用高程数据生产地形的工具) 等。c r e a t o r 的建模环境同时提供了用户定义的三维图形观察器和一个有二维层次的结构图，所有的显示是交互的并是充分关联的，这种灵活的组合加速了数据库的组织、模型生成、修改编辑和结构关系的定义，有利于模型的优化。o p e l l f l i g h t 是m u l t i o e n 开发的视景仿真领域最为流行的标准文件格式【5 】，许多重要的v r 开发环境都与它兼容。它采用几何层次结构和节点属性来描述三维物体，是一种逻辑第9 页国防科学技术大学研究生院学位论文化的有层次的景观描述数据结构。o p e t l f l i 曲t 允许用户对几何层的数据进行直接操作，非零臻德可靠。茭冗鹰屡次毽捺全嚣层( 珏e 藤嚣l e v e l ) 、缀层( g 黜p l e v e l ) 、对象鬃( o 巧e c 圭l e v e ) 、平面朦( f a c el e 1 ) 、顶点髅( v e r 妇( l e v e l ) 。先进的实时功能如细节等级、多边形删减、邂辑删减、绘制优先级、分离平面等是0 p e n f l i g h t 成为最受欢迎的三维图象格式的几个原因。o p c n f l i g h t 文件在输入攀u 运行软件厝，如m u l 娃g e m 糯糟d i g m 公司瓣v e g a ，簸藏为了实霹藏雳静一部分。利用c r e a c o r 提供的o p e n f l i g h t a p i s ( e 语言开发环境) ，可以扩展原有的功能及算法，开发出用户自定义的数据库实体，它包括【8 】【1 3 l ：渎写a p b ：一致、蠢效遗读写铘e 藤l i g 致数摆；o p e n f l 蟾h t 扩展a p i s ：扩展o p e n f l i g h t 格式，以支持特别需求：o p e n f l i g h t 工具a p l 8 ：注册和插入用户自定义的插件和算法；d f d ( 数字特征数擐) 读写a p 鹣：输入蠊出 标准酶矢鬃数据。2 1 2 用c r e a t o r 建模的过程及关键技术镬曩c 粼疆游建摸戆整令过程主要分激下足步：l 、进行数据收集；需要的数据包括地形高程数据、地面各建筑物建筑指标和制作纹蠼的图片等。2 、数撵鞭处理；主要怒对生残建形豹数据霸剃董鐾绞理豹蓬冀熬筵瑾；蓖魏鼹蘧髟鼗掇的格式进行转换等。另外考虑到v e g a 澍纹理的要求很严格，还臻进行纹理简化和编辑等工作。3 、在c 摊a 妇视銎环境巾建模；建横浆对象包括建筑鐾、速甏、楗和运动钵嚣。4 、模型整理工作。包括将模型按照建筑物的形状极其地理位瀑分组并存储为树形结构；简化模型，合并多余的丽，删除不可见的面；进行纹理映射，将处理好的纹理图片拼贴到模型蟊上，煺力e 真实感。构造模型的缨节等级，瓣复杂的模型邋过构造l o d 屡次鲍方法来藏多系绫实对绘翻懿搿镫。在建模过糨中运用到的m u l t i g e nc r e a t o r 关键技术包括嘲【1 5 】：l 、层次结构视图( h i 科a r c h vv i e w )m u l t i g e n 的层次结构视图将模型的各个部分以树型结构表示出来，它表示了几何模型各个部件之间的等级关系，编辑合理的等级窗口有利于在建模过程中保持思路的清晰和完整。层次结构视图让我们能够轻松地组织视景数据，其一般性的结点结构可表述为图2 1的形式。第1 0 页国防科学技术大学研究生院学位论文_ 。：数据库头节点，存储有关披掘库：一一 的基本信息不艟被嗣除；。，。jr 一一一一一一j：群结点通常由许多对象节点组一一- i 成，通常表示逻辑意义上的划分；，。j一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一：对象节点通常是多边蓐的集合，! 在6 r a p h i c sv i 盯中奁j 建；，j一1i 用一组共面的有序点描述面面还可以一1 有子面。子面提供了一种在z _ b u f f e r 系一t 统中特定的绘制次序的方法：i 一。r 一一一一一一一一一一一+ 一一一一一一一一一一一l：边指同一厢上连续两点之间的线段，一 它不作为节点出现在等级视图中i 一ir 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j一一一i 数据库中的坐标点，在创建面的；过程中而剖建l j图2 1m u l t i g 的层次结构视图适当的数据库结构是我们创建满足自身需要模型的关键，通过调整层次结构视图提供了对数据库结构管理的方便方法。在建模过程中，即使是最简单的模型，也应该根据建模的最终目的、实时仿真系统的限制等一些原则来合理调整调整层次结构视图，达到优化目的。2 、纹理映射技术在虚拟环境中，用c r e a t o r 建立的模型仅仅具有体和面的结构是不够的，不能产生仿真环境的真实感。而仅仅靠增加多边形的数目增加模型的细节水平还会增加系统负担，降低实时仿真的图形刷新率。采用纹理映射技术对物体的表面进行处理( 包括加表面反射和纹理贴图等) ，可以大大增加模型的真实感。目前很多图形硬件都具有实时纹理处理能力，允许二维图像上的像素值加到三维实体模型的对应顶点上，以增强图像的真实感。对纹理的处理c r ea _ 沁r 提供有多种纹理贴图方式，同时还提供了一种动态纹理贴图，可以根据不同的要求进行选择。3 、实例技术在建立复杂的地形场景中，由于会使用到大量几何形状相同的几何体，它们之间的差别仅在于所处的位置、大小、方向的不同，如路灯、房屋、树等，这使得几何体的数量迅速增加，大大增加了存储空间。采用实例技术可以解决这个问题：将相同的几何体共享同一个模型数据，然后通过矩阵变换方法( 包括平移、缩放和旋转) 将它们安置在不同的地方，这样只需要一个几何体数据的存储空间，节省了内存，显示速度也会加快。4 、细节等级技术第l l 页宰由国防科学技术大学研冤嫩院学位论文采熙缨节等缀技术( l e v e l so f 龇锄l ，l o d ) 霹鼓对阁一物体建立几个不同细节程度的模型。细节度越商，模型显示褥越详细，所需豹多边形数西也相应增加。焱实时运行时，显示哪个细节度的模型由视点和该物体的距离决定。当对象离视点很远时，调用细节发最低的模型，以加快系统处理和渲染的速度。舞了灞强l o d 交羧酾平淆瞧，c r e a 妇中鹣l 技术臻合了过渡虚拟场景配置一) 虚拟场景实时驱动，上述每一个开发步骤中又包含装干结构模块的横向开袋，整个虚拟视景系统的开发过程如图3 1 所示，本章就对此开发过程进行描述。实对三维建模虚拟场景配置车辘模块地理环境模块窗口，通道，图形状态声音，光源，环境效果运动铱，琨察赣地形匹配，碰撞检测虚拟场景实时驱动卜t 一绽叉矢鬣响威程弹框架实现霪3 ，l 纛羧撬襞系统舞发过程3 1 车辆的几何建模建立合理、逼真的车辆三维模型是构建基于虚拟现实技术的自主车仿真系统的基础和关键，本节的主要工作就是为仿真系统提供能够反映车辆机械结构和动力学特性的汽车三维模型。3 1 1 车辆结构分析要对自主车进行建模必须先对它的结构进行分析，然后才能制定出相应的建模策略。分析实体结构是一个很需要耐心和结构逻辑的工作，只有分析好结构才能为模型建立起好比较合理的等级关系，而好的等级关系又有助于在建模时保持思路的清晰和完整。下面我们就简单分析一下汽车的机械结构。汽车由许多复杂的装置和部件组成，其结构型式和部件安装位置也多种多样。汽车所用的动力装置不同时，其总体构造差异更大。不过总的来说，不同型号、不同类型及不同厂家生产的汽车其基本构造都是由发动机、底盘、车身和电气设备四大部分组成f 2 “。第1 9 页国防科学技术大学研究生院学位论文l 、发动机的结构特点f 2 1 】发动机是汽车的动力装置，它的作用是在供给燃料经燃烧厢发出动力，并通过底盘的传动系统驱动汽车行驶。按发动机使用燃料不同，发动机分成汽油发动枫昶柴油发动枧魏大类。现代汽车广泛采掰往复活塞式内燃发动枫，识是通过w 燃气体在汽缸妇燃烧膨胀产生压力，推动活塞运动并通过连秆使龅轴旋转来对外输出功率的。这种发动机主要包括两大概构釉五大系统，它们分别是鞠柄逡杆机构、配气枫梅、燃料供给系统、点火系统( 柒油发动瓤豹感火方式为嚣燃式，楚点火系) 、起动系统、冷舔系绞察润辫系绕。( 1 ) 曲柄连杼机构主要幽缸体、活塞环、连秆、曲辘和飞轮等缀成。缸体上部为汽缸、下部药曲辎箱；活塞霞予汽艇内；活塞薹l ：愚来填充汽靛与活塞之溜鹣滔豫，麓囊汽疑蠢鹣气诲灌潺蓊巍辚箱内；麟苒硅i 安装于黯轴箱内；飞轮固定于曲轴搿端，伸出到发动机缸体之外，负责对外输出动力；涟扦用来连接活塞与曲轴，负责传递褥者之间的动力匈运动。汽攀发动枫一般鼹多敝发动机，活塞与适籽的数嚣与越数相同，毽麴鼬只有缀。( 2 ) 配气机构该机构主要由凸轮轴、气门及气门传动件组成。每一个汽缸都有个进气门和排气门，分别位于进、排气道口，负责封闭和开放进、排气道。凸轮轴通过正时齿轮或齿型皮带由曲轴驱动而转动，通过气门传动组件定时将气门打开，将新鲜液体充入汽缸或者将燃烧后的废气排除汽缸。( 3 ) 汽油机燃料供给系统主要由空气滤清器、化油器( 或者燃油喷射装置) 、进气管、排气管、消声器、汽油泵和汽油箱组成，主要功用是将汽油雾化、蒸发后，与空气混合成不同浓度的可燃混合气充入汽缸，供燃烧使用，同时将燃烧后的废气排除汽缸。进入汽缸内的混合气量由驾驶员通过加速踏板控制，以满足发动机不同负荷的需要。( 4 ) 柴油机燃料供给系统主要由空气滤清器、进气管、排气管、消声器、柴油箱、输油泵、喷油器等组成。通过空气滤清器和进气管进入汽缸内部的是空气。柴油箱内的柴油被油泵抽出并进入喷油泵，经喷油泵加压后，通过喷油器直接以雾状喷入汽缸燃烧室内。柴油在燃烧室内完成蒸发、混合后自燃。燃烧后的废气则由排气管排出汽缸。驾驶员通过加速踏板根据发动机负荷的大小，控制每次喷入汽缸的柴油量。( 5 ) 点火系统点火系统为汽油机独有，由蓄电池、点火开关、分电器总成、点火线圈、高压线和火第2 0 页国浆科学技术大学龌究生院学位论文花塞组成。火花塞位于汽缸燃烧室。该系统的主要作用悬使火花塞按时产生呶火花，将汽缸内的可燃混合气点燃褥做功。点火系按照组成和产生高压电方法不同，可以分为篱电池点火系、半导体点火系稠磁电枧点火蓉三种。( 6 ) 起动系统主要出蓄电池、起动控制与传动机构和起动机( 马达) 等组成，用来起动发动机，使其投入运转。( 7 ) 冷却与润滑系统冷却系与润滑系负资保护发动机正常工作，使发动机有一个较长的使用寿命。冷却系主要由水泵、教热器、风扇、承套和节湿爨等组成，受责使发动壤有一个合适瓣工终滠疫。润滑系由机油泵、机油滤清器、主油道和油底壳组成，在发动机上起润滑、冷却、清洁和密鸷等l 乍躅。2 、底擞的结构特点【2 l 【2 2 】底盘的作用主要有：支承和安装汽车发动机及其各部件、总成，形成汽车的整体造型接受劳传遴发魂瓿产生浆动力，使汽攀产生遮动势缣 歪汽车辘菱常行驶。瘾焱由转韵系、行驶系、转向系和制动系组成。( 1 ) 传动系铸羲系热来将发裁搬辕窭豹动力传绘驱动轮，捷之遭瘫汽车行裘的需要。按熊羹转递方式的不同，传动系可划分为机械传动、液力传动、液压传动、电传动等。传动系一般由离合瓣、交速器、万自镑动装饕藕驱动轿组成。离合器鼹定予发动机飞轮盛端蘧，势和变速器拥连。离合嚣经常处予接合状态。当驾驶员踩下离合器踏板时，离合器分离，动力传递中断，以便进行起步、换档和制动等项作业。舞会爨还霹遽避蠡潼对传凌系实行过载僚护。变速器上设有若干个前进挡和一个倒挡，各挡传动比都不相同，可以满足汽车在不同行驶阻力和不同车速下的需要。倒挡可以使汽车实现倒驶。“空挡”可以将动力传递中断。万向传动装置一般由万向节、传动轴和中间支承组成，用于将变速器输出的动力传至驱动桥。万向节按其刚度的大小可分为刚性万向节和挠性万向节，前者的动力是靠零件的铰链式联接传递的；而后者的动力则是靠弹性零件传递的，如橡胶盘、橡胶块等。驱动桥由主减速器、差速器、半轴和桥壳组成，其中有一个桥( 多为后桥) 是驱动桥，驱动汽车，而另一个桥( 多为前桥) 为从动桥，不起驱动作用