（机械电子工程专业论文）驾驶模拟器中的虚拟自主汽车视觉行为模型的关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着驾驶模拟器技术的广泛应用，如何提高驾驶模拟器沉浸性和逼真性逐渐 成为研究热点。其中驾驶模拟器中虚拟交通环境的真实性对提高驾驶模拟器的真 实感是至关重要的，而在虚拟交通环境中，虚拟自主汽车又是最重要的动态元素 和智能元素，所以虚拟自主汽车的真实性是提高驾驶模拟器真实感的核心之一， 其真实性不仅包括真实的几何外形，更包括真实的运动行为。由于真实驾驶员的 感知信息9 0 来自视觉，因此本文主要针对虚拟自主汽车视觉行为模型的关键技 术进行了研究。论文主要研究和解决了以下几个方面的问题： 首先研究了具有五个单元的虚拟自主汽车视觉行为模型总体框架，即视觉感 知单元、情感单元、规划单元、操作单元和碰撞避免单元。情感单元和碰撞避免 单元在一定程度上更加真实地模拟出实际驾驶员的个性行为。 其次研究了虚拟自主汽车运动控制技术，即研究了一种基于参数关键帧和正 向操纵动力学控制器相结合的、在虚拟环境中进行的实时运动控制方法。利用参 数关键帧数据库记录虚拟自主汽车的初始行驶轨迹，其数据库与它要行驶的道路 数据库相一致；当虚拟自主汽车遇到各种交通状况时，采用正向操纵动力学控制 器来控制汽车的不同运动，同时其轨迹受到道路边晃和物体之间的最小横向安全 间距约束。正向操纵动力学控制器是参考某一辆汽车的具体技术参数和实车操纵 动力学模型推出的虚拟自主汽车运动控制器，从而考虑了汽车的质量、发动机特 性等因素，在一定程度上提高了虚拟自主汽车运动的逼真性，同时参数化的运动 控制器和关键帧的应用也保证了运动的实时性。 第三对虚拟自主汽车的视觉感知进行了详细地研究探讨，提出了一个对虚拟 交通环境实时感知的建模技术，即车速过滤、注意力过滤机制驱动下的分层次的、 符合人眼生理局限性的虚拟自主汽车双眼动态几何视觉模型。不仅加快了虚拟自 主汽车与虚拟环境的交互效率，而且模拟了人眼在高速下的“隧道视觉 现象和 不同注意力状态下的视觉范围。考虑了注意力产生机制，即在内因起决定作用下， 外部刺激和内部情绪共同作用形成注意力：同时也提出用注意源和注意熵的概念 描述外部物体刺激注意力强度和内部注意力的状态，构造注意力集合、精神状态 集合和情绪集合，在一定程度上逼真模拟了驾驶员的注意力产生过程。利用假记 广东工业大学博士学位论文 忆库模拟短时视觉信息和利用信息沉淀到真记忆库的过程模拟信息记忆学习过 程：利用视觉预测减少自主汽车视野搜索范围，提高计算效率；提出用方向相差 率识别物体相对自主汽车的运动方向性。从而在视觉感知的整体模型上提高了其 逼真性和实时性。 第四研究探讨了虚拟自主汽车的行为规划，提出了一种基于视觉感知信息的 六层模糊神经网络控制器v f b p 模型的行为规划建模技术。利用v f b p 模型对虚拟 自主汽车在行驶过程中所遇到的交通情况变化进行局部路径动态规划。利用驾驶 员期望值这一特定的输入输出信息进行v f b p 网络学习，调整模糊隶属函数的参 数值，在一定程度上达到在线模拟不同个性驾驶员行为规划的效果；考虑了车速 不同对行为规划的影响，利用奖赏系数、行为置信度约减、优化多种可行行为； 利用避碰距离与刹车距离比较，驾驶角度变化与包络线特征点夹角比较，评估行 为规划的正确性。从而在整体模型上体现了虚拟自主汽车的个性行为规划，加强 了其驾驶行为规划的真实性。 最后在上述研究工作的基础上，采用e o n s t u d i 0 和v c + + 、b l a t l a b 软件初步开 发了虚拟自主汽车视觉行为模型仿真系统，即a v v - v p b 系统。同时分别对虚拟自 主汽车的视觉感知模型、v f b p 行为规划模型和总体视觉行为模型进行了验证仿 真，并对虚拟自主汽车视觉行为模型进行了模型功能分析和感知分析两种形式的评估。 关键词：虚拟自主汽车，运动控制，动态几何视觉，注意力行为，v f b p 行为规划 摘要 a b s tr a c t h o wt oi m p r o v et h ei m m e r s i o na n dr e a l i t yo fd r i v i n gs i m u l a t o r sh a sb e c o m eo n e o ft h eh o tr e s e a r c ht o p i c si nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h eb l o o m i n go fd r i v i n g s i m u l a t o r s t h er e a l i t yo fv i r t u a lt r a n s p o r ts c e n a r i oi nd r i v i n gs i m u l a t o r sp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h er e a l i t yo fd r i v e rs i m u l a t o r s m o r e o v e ra u t o n o m o u s v i r t u a lv e h i c l ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td y n a m i ca n di n t e l l e c t u a le l e m e n t si n v i r t u a lt r a f f i cs c e n e s t h e r e f o r e ，t h er e a l i t yo fa u t o n o m o u sv i r t u a lv e h i c l ei so n eo f t h ec o r eo fi m p r o v i n gr e a l i t yo fd r i v i n gs i m u l a t o r s t h er e a l i t yo fa u t o n o m o u sv i r t u a l v e h i c l ei n c l u d e sn o to n l yt h er e a lp h y s i c a la p p e a r a n c e ，b u ta l s ot h er e a lb e h a v i o r s i n c e9 0 o ft h ei n f o r m a t i o no fd r i v e r sc o m e sf r o mv i s i o n ，t h ek e yt e c h n o l o g yo f v i s i o np e r c e p t i o nb e h a v i o rm o d e lo fa u t o n o m o u sv i r t u a lv e h i c l ew a ss y s t e m a t i c a l l y s t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a i np r o b l e m sa r ei n v e s t i g a t e da n ds o l v e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，af i v e u n i tv i s i o np e r c e p t i o nb e h a v i o rm o d e lf r a m e w o r ko fa u t o n o m o u s v i r t u a lv e h i c l ew a se s t a b l i s h e da n ds t u d i e di n t h i sp a p e r ，n a m e l yv i s i o np e r c e p t i o n u n i t ，e m o t i o nu n i t ，p l a nu n i t ，o p e r a t i o nu n i ta n dc o l l i s i o n - a d v o i c eu n i t t h ee m o t i o n u n i ta n dc o l l i s i o n a d v o i c eu n i tc a ns i m u l a t et h ei n d i v i d u a l i t yo ft h ed r i v e rm o r e r e a l i s t i c a l l ya tac e r t a i ne x t e n t s e c o n d l y ，t h em o v e m e n tc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yw a ss t u d i e d ，n a m e l yar e a l - t i m e c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yi nv i r t u a le n v i r o n m e n tb a s e do np a r a m e t r i ck e yf r a m ea n d d y n a m i c sp o s i t i o nc o n t r o l l e rw a sp r e s e n t e d i nt h ed e v e l o p e dm o d e l ，t h eo r i g i n a l t r a c ko fa u t o n o m o u sv i r t u a lv e h i c l ei sr e c o r d e di nt h ek e yf l a m ed a t a b a s ew h i c hi st h e s a m ea st h es t e e r i n gr o a dd a t a b a s e w h e na u t o n o m o u sv i r t u a lv e h i c l em e e t st h e d i f f e r e n tt r a f f i cc o n d i t i o n s ，t h ed y n a m i c sp o s i t i o nc o n t r o l l e ri su s e dt oc o n t r o lt h e v e h i c l em o v e m e n t ，a n dt h em o v i n gt r a c ki sl i m i t e db yt h em i n i m u mg a pt ot h e r o a d s i d ea n db a r r i e r s t h ed y n a m i c sp o s i t i o nc o n t r o l l e ri sm o v e m e n tc o n t r o l l e ro f a u t o n o m o u sv i r t u a lv e h i c l ew i t hr e f e r e n c et ot h er e a lv e h i c l et e c h n i c a lp a r a m e t e r s a n dt h er e a lo p e r a t i o nd y n a m i c sm o d e l t h e r e f o r ei tn o to n l yc o n s i d e r st h ev e h i c l e q u a l i t y a n de n g i n ec h a r a c t e r s ，b u ta l s oh a sh i g he f f i c i e n tr e a l - t i m ec o n t r o l l i n g p r o p e r t y i naw o r d ，t h em o v e m e n tr e a l i t yo fa u t o n o m o u sv i r t u a lv e h i c l ei si m p r o v e d 1 l i 广东工业大学博= i 二学位论文 a tt h ec e r t a i ne x t e n t ，a n dt h em o v e m e n tr e a lt i m ei se n s u r e dd u et ot h ep a r a m e t r i c m o v e m e n tc o n t r o l l e ra n dt h ea p p l i c a t i o no fp a r a m e t r i ck e yl a m e t h i r d l y ，t h ev i s i o np e r c e p t i o no fa u t o n o m o u sv i r t u a lv e h i c l ew a ss t u d i e da n d d i s c u s s e di nd e t a i l am o d e l i n gt e c h n o l o g yb a s e do nr e a l t i m ep e r c e p t i o no ft h e v i r t u a lt r a f f i cs c e n a r i ow a s d e v e l o p e d am u l t i l a y e r ，s p e e d f i l t e r i n g a n d a t t e n t i o n f i l t e r i n gs t e r e od y n a m i cg e o m e t r yv i s i o np e r c e p t i o nm o d e lw a sd e v e l o p e d i n t h i ss t u d y ，w h i c hi n t r o d u c e st h ep e r c e p t i o ni n f o r m a t i o nt ot h eb e h a v i o rm o d e l f o l l o w i n gt h ep h y s i o l o g i c a ll i m i t a t i o n so fh u m a nb e i n g i tn o to n l yc a ns p e e du pt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ea u t o n o m o u sv i r t u a lv e h i c l ea n dv i r t u a ls c e n a r i o ，b u ta l s oc a n s i m u l a t et h et u n n e lv i s i o nu n d e rt h eh i g hs p e e dc o n d i t i o na n dt h ef o vo fd i f f e r e n t a t t e n t i o nc o n d i t i o n t h ea t t e n t i o nm e c h a n i s mw a sa n a l y z e di nt h ed e v e l o p e dm o d e l c o n s i d e r i n gt h ea t t e n t i o ng e n e r a t i n gm e c h a n i s m ，i e o u t e rs t i m u l a t i o na n di n n e r e m o t i o no p e r a t et o g e t h e ri np r o d u c i n ga t t e n t i o n ，a n dt h ei n n e rf a c t o r sp l a yak e yr o l e s i m u l t a n e o u s l yt h ec o n c e p to fa t t e n t i o no r i g i na n da t t e n t i o ne n t r o p ya r ep r e s e n t e dt o d e s c r i b et h eo u t e rs t i m u l a t i n gi n t e n s i t ya n dt h ei n n e ra t t e n t i o nc o n d i t i o ns ot h a t a t t e n t i o ns e t s ，p s y c h o s i ss e t sa n de m o t i o ns e t sw e r ed e v e l o p e di nt h em o d e l t h e r e f o r et h ea t t e n t i o np r o d u c i n gc a nb es i m u l a t e dr e a l l ya tac e r t a i ne x t e n t m o r e o v e r , t h em o d e lc a ns i m u l a t et h ei n f o r m a t i o nl e a r n i n gp r o c e s st h r o u g h s i m u l a t i n g i n s t a n t a n e o u sv i s i o ni n f o r m a t i o n u s i n g f a u l t m e m o r yl i b r a r y a n d d e p o s i t i n gi n f o r m a t i o ni n t ot r u em e m o r yl i b r a r y i tr e d u c e st h ev i s i o ns e a r c h i n gf i e l d t h r o u g hv i s i o nf o r e c a s t i n g ，a n di n c r e a s e st h ec a l c u l a t i o ns p e e d i na d d i t i o n ，t h em o d e l c a na l s or e c o g n i z et h er e l a t i v ed i r e c t i o no fo b j e c t sb yu s eo ft h ed i r e c t i o nd i s c r e p a n c y i naw o r d ，t h ed e v e l o p e dp e r c e p t i o nm o d e lh a si m p r o v e dt h er e a l i t ya n dr e a lt i m e f o u r t h l y , t h eb e h a v i o ra n dp l a no fa u t o n o m o u sv i r t u a lv e h i c l ei ss t u d i e da n d d i s c u s s e d am o d e l i n gt e c h n o l o g yo fs i x l e v e lf u z z yn e u r a ln e t w o r k sc o n t r o l l e r v f b p b a s e do nv i s i o ni n f o r m a t i o ni sp r e s e n t e dt or e a l i z ed y n a m i cl o c a lp a t hp l a n n i n gu n d e r t h ed i f f e r e n tt r a f f i cc o n d i t i o n t h em o d e lc a nl e a r no nl i n e ，a n dc a ns i m u l a t ed i f f e r e n t d r i v e r s b e h a v i o ra n dp l a na tac e r t a i ne x t e n tt h r o u g ht h en e t w o r kl e a r n i n ga c c o r d i n g t ot h ee x p e c t a t i o nv a l u eo ft h ed r i v e r sa n da d j u s t i n gf u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o n p a r a m e t e r s i nt h ed e v e l o p e dm o d e l ，t h ee f f e c to ft h es p e e do np la n n i n gi sc o n s i d e r e d i v 摘要 m u l t i - b e h a v i o ri so p t i m i z e du s i n ga w a r dc o e f f i c i e n ta n db e h a v i o rc o n f i d e n c e i n e v a l u a t i n gl a y e r ，t h ev a l i d i t yo fd r i v i n gb e h a v i o ri se v a l u a t e db yc o m p a r i n go f c o l l i s i o n - a v o i d i n gd i s t a n c ea n db r a k i n gd i s t a n c e ，a n dt h ed r i v i n ga n g l ea n de n v e l o p e c u r v ea n g l e c o n s e q u e n t l y ，t h ed e v e l o p e db e h a v i o ra n dp l a nm o d e lh a si m p r o v e dt h e i n d i v i d u a l i t ya n dt h er e a l i t y f i n a l l y ，a ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，a u t o n o m o u sv i r t u a lv e h i c l es y s t e m ，n a m e l y a v v v p bs y s t e m ，h a sp r i m a r i l yb e e nd e v e l o p e dw i t he o n s t u d i o ，v c + + a n dm a t l a b ， b a s e do nt h ea b o v es t u d y a n da tt h es a m et i m e ，t h ed e v e l o p e dv i s i o np e r c e p t i o n m o d l e ，t h ev f b pb e h a v i o ra n dp l a nm o d e l ，t h eg e n e r a lv i s i o np e r c e p t i o nb e h a v i o r m o d e la r es i m u l a t e da n dv a l i d a t e d t h ef u n c t i o na n dp e r c e p t i o na n a l y s i so ft h ev i s i o n p e r c e p t i o nb e h a v i o rm o d e la r es e p a r a t e l ye v a l u a t e d k e y w o r d s ：a u t o n o m o u sv i r t u a lv e h i c l e ，m o v e m e n tc o n t r o l l i n g ，d y n a m i cg e o m e t r y v i s i o n ，a t t e n t i o nb e h a v i o r ，v f b pb e h a v i o ra n dp l a n v 目录 图目录 图1 1 汽车驾驶模拟系统结构示意图：1 图1 2 虚拟交通场景中的两类虚拟汽车2 图1 3 驾驶模拟系统组成框架图4 图1 4 英国l e e d s 大学的模拟驾驶器4 图1 5 小型模拟驾驶器4 图1 - 6l e e d s 大学驾驶模拟器虚拟场景中的智能汽车9 图1 7 波士顿东北大学驾驶模拟器虚拟场景中的智能汽车9 图1 8r e y n o l d s 的b o i d s 躲避圆柱形障碍物13 图1 9 视觉感知的渲染图及深度信息1 3 图1 1 0t u 的海底人工鱼1 4 图1 1 1 虚拟人沿路行走1 5 图2 1 虚拟自主汽车视觉行为模型框架图2 0 图2 2 规划单元中的正常规划结构2 3 图3 1 车身运动的3 个自由度2 6 图3 2 发动机的转矩m 特性2 7 图3 3 变速箱工况图2 7 图3 4 汽车沿行驶方向的受力图2 8 图3 5 z 曲线图2 9 图3 - 6 地形匹配的计算示意图3 4 图3 7 虚拟自主汽车的上、下坡行驶3 4 图3 8e o n s t u d i o 脚本编辑器对虚拟自主汽车运动的控制3 7 图3 - 9 虚拟自主汽车行驶位置变化图3 7 图3 1 0 虚拟自主汽车的起步刹车速度时间关系3 7 图3 11 虚拟自主汽车的转弯行为3 7 图4 1 水平面内视野4 1 图4 2 垂直面视野4 1 图4 。3 驾驶员视野示意图4 1 图4 4 虚拟自主汽车双眼立体几何视觉模型框架4 2 图4 5 基本道路类型4 4 图4 6 道路s e s s i o n 分解示意图4 5 图4 7 虚拟场景中房屋的位姿坐标( 2 0 2 0 3 ，1 5 3 7 6 ，0 ，9 0 ，0 ，0 ) 4 7 图4 8 虚拟场景中动态物体的属性数据库4 7 图4 9 往驾驶场景添加c a r 节点4 8 图4 1 06 种基于情绪的排列5 0 图4 1 1 注意力复合映射图。5 2 图4 1 2 虚拟自主汽车注意力行为产生流程图5 6 图4 1 3 虚拟自主汽车前方最大视野示意图5 8 图4 1 4 虚拟自主汽车的视觉预测范围6 1 图5 1 正常行为控制系统框架6 5 广东工业火学博上学位论文 图5 2 一般超车路线图6 6 图5 3 虚拟自主汽车的障碍物空间7 0 图5 4 包络线法生成的位姿空间7 l 图5 5v f b p 网络模型图7 2 图5 - 6 障碍物离自主汽车偏角位置的划分7 2 图5 7 虚拟自主汽车矽，和眈的模糊隶属函数7 3 图5 8 虚拟自主汽车的驾驶角度变化值分配7 4 图5 - 9 包络线原理7 6 图5 1 0v f b p 感知器的训练结果和网络误差曲线8 0 图5 1 1 修正后的隶属函数8 0 图5 1 2 超车v f b p 模型的输出变量0a 模糊隶属函数值8 1 图5 1 3 应急避障示意图8 4 图6 1a v v - v p b 系统总体框架图8 6 图6 2 利用道路模型建立的道路场景8 7 图6 3 城市街道交通场景图8 7 图6 4 农村山区道路场景图8 8 图6 5 静态物体的位置、方向、空间尺寸和可见性设置8 8 图6 6 动态物体的位置、方向、空间尺寸和可见性设置8 9 图6 7a v v v p b 系统的主界面图9 1 图6 8 虚拟自主汽车行驶的交通环境、时间、天气选择9 1 图6 9 a v v - v p b 系统的副界面图9 2 图6 1 0a v v - v p b 系统操作流程9 3 图6 1 1 虚拟自主汽车的设置9 4 图6 1 2 虚拟自主汽车视觉感知模块9 4 图6 1 3 新驾驶员视觉感知功能设置9 4 图6 1 4 虚拟自主汽车的行为规划模块一9 5 图6 1 5 新驾驶员的避碰定义9 5 图6 1 6 虚拟自主汽车的动力学模块9 5 图6 1 7 虚拟自主汽车类型备份数据库9 6 图6 18 虚拟自主汽车1 视觉感知器9 7 图6 1 9 蓝车注意力一直聚焦到红车上一9 9 图6 2 0 虚拟自主汽车的避碰行为情景图1 0 0 图6 2 1 虚拟自主汽车躲避障碍物实验情景图1 0 1 图6 2 2 虚拟自主汽车行驶日志1 0 4 彩图1 转弯时会车10 5 彩图2 注意力低、满意度低和忍耐度低时在路口超车1 0 5 彩图3 虚拟自主汽车超车1 0 6 彩图4 虚拟自主汽车碰到红绿灯时行为1 0 6 彩图5 山区公路的超车和跟驰1 0 7 彩图6 虚拟自主汽车跟驰1 0 7 彩图7 会车1 0 8 彩图8 在桥上会车1 0 8 目录 彩图9 超车1 0 8 图6 - 2 3 虚拟交通场景1 1 0 图6 2 4 判断四辆虚拟汽车驾驶个性的正确率1 1 i 广东丁业大学博士学位论文 表目录 表3 1 纵向安全间距的统计数据3 2 表3 2 横向安全间距的统计数据3 2 表3 3 虚拟自主汽车行驶试验方案3 6 表4 1 道路各s e s s i o n 的世界坐标4 6 表5 1 模糊系统与神经网络的比较6 8 表5 2 输入变量z 和输出变量咒的隶属函数参数值7 4 表5 3 碰撞避免行为规则表7 5 表5 4 奖赏系数r 的取值7 6 表5 5 输入参量和输出参量的模糊量7 9 表5 6 ：输入变量z 和输出变量砭的隶属函数参数值8 l 表5 7 超车行为规则表8 1 表5 - 8 输入变量d 。和输出变量瓦的隶属函数参数值8 2 表5 - 9 跟驰行为规则表8 2 表6 1 视觉感知器对虚拟场景的过滤效果实验9 7 表6 2 基于驾驶任务的注意力聚焦情况实验9 8 表6 3 基于情绪、精神状态的注意力聚焦情况实验9 9 表6 4v f b p 模型的超车、跟驰行为规划效果实验1 0 2 表6 5 农村场景的视觉行为模型运行效果实验1 0 3 表6 - 6 城市交通场景的视觉行为模型运行效果实验1 0 4 表6 7 场景中四辆虚拟自主汽车的编号、对应的驾驶类型和对应的驾驶类型字母代 号11 0 表6 81 0 名受试者感知四辆虚拟汽车的驾驶个性1 1 1 物理量名称及符号表 物理量名称及符号含义 物理量名称及符号表 发动机转矩 发动机转速 汽车速度 系数 油门开度系数 离合器传递力矩系数 驱动力 车轮半径 变速箱主减速比 各档减速比 机械系的传动效率 制动阻力 制动力系数 滑动率 滚动阻力 整车质量 重力加速度 滚动阻力系数 坡度阻力 爬坡度 加速度阻力 汽车旋转质量换算系数 汽车加速度 空气阻力 空气阻力系数 汽车迎风面积 首次出现页码 2 7 2 7 2 8 2 8 2 8 2 8 2 9 2 9 2 9 2 9 2 9 2 9 2 9 2 9 2 9 2 9 2 9 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 肜 n 矿 入 入 r r 厶 l 仇 r 由 z r m g f r g r 万 a 【工： g a 广东_ 业大学博七学位论文 目 钆 1 w x x ，y i i ，i j 乞 w i v i a e p 1 l ， f h f o c u s ( 0 i ) e m o t i o n ( 0 j ) h 吣u 。 h e 渤 s s ， v 1 ，v 2 h 国 d 。 九 v d 汽车转角 方向盘转角 汽车转向半径与方向盘转角的系数 汽车位移 汽车局部坐标 情绪强度 综合系数 精神状态强度 注意力状态强度 注意力集合 精神状态集合 情绪集合 从p 到e 的情绪映射 从e 到a 的精神状态映射 从p 到a 的注意力复合映射 注意力刺激强度 情绪刺激强度 注意熵 情绪熵 超车最小距离 两车纵向安全间距 两车车速 自主汽车对物体的横向安全距离 自主汽车个性系数 虚拟自主汽车到障碍物的模糊距离 虚拟自主汽车驾驶方向与它到障碍物间连线 的模糊夹角 虚拟自主汽车行为规划后输出的模糊速度 7 3 弱 的 驰 吼 肌 肌 n 肌 n 娩 船 弱 弘 弘 孔 订 n n 物理量名称及符号表 a e o r l l 7 刁 虚拟自主汽车行为规划后输出的模糊驾驶角 度变化 奖赏系数 行为置信度 学习速率 7 3 7 5 7 6 7 7 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的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或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一些相关责任，特此声明。 1 2 5 指导教师签名： 论文作者签名： 抑论漆 喜楚 2 0 0 6 年1 1 月2 0 日 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 驾驶模拟器是由软、硬件共同组成的一种基于虚拟现实的半实物仿真系统， 其结构示意图如图1 1 所示。由于虚拟现实的沉浸性和交互性等特点，用户操纵 驾驶模拟器如同驾驶真车一样在公路上行驶。 实物。虚物 月镕m i 统 图卜1 汽车驾驶模拟系统结构示意图 f i g , l - is k e t c h u r e o f d r i v i n gs i m u l a t o r 驾驶模拟器主要有三个方面的优点：( 1 ) 安全性高，可以进行高速、极限行 驶以及非常危险的安全性试验，这在实车试验中是无法达到的。( 2 ) 再现性好。 由于车辆状态和试验条件等因素很难控制，实车试验再现性较差，使用驾驶模拟 系统则可以方便地进行数据采集、车辆模型的选择和模拟环境的设定。( 3 ) 可方 便地设定各种条件、经济性高，与实车试验相比，驾驶模拟器在软件环境中可更 便利地设定各种试验条件和试验参数。因此，国内外一般利用驾驶模拟器进行驾 驶员个性驾驶行为研究“川1 ，汽车主动安全系统研究“1 ，道路安全性能检验“1 ，交 通法规合理性研究“1 和驾驶培训”“”。 但是为了增强驾驶模拟器的真实感和沉浸性，从中获得可靠的研究数据，建 广东工业大学博士学位论立 立一个更加真实的驾驶模拟器视景仿真系统，即虚拟交通环境是至关重要的。在 虚拟交通环境中，虚拟自主汽车又是一个最重要的动态元素和智能元素，因此虚 拟自主汽车的真实性是整个驾驶模拟器系统的核心之一，是提高驾驶模拟器真实 感和沉浸性的关键。虚拟自主汽车是具有自主性和智能性的虚拟汽车，是驾驶员 和汽车封装起来的“人机系统”，是其几何、感知、行为规划和运动等特性在虚 拟空问中的数字化表示。虚拟自主汽车的真实性不仅仅包括一个真实的3 d 外形， 还包括它真实的动态驾驶行为。因为虚拟自主汽车是由虚拟驾驶员驾驶的，虚拟 驾驶员在虚拟环境中也有一样的多种多样的自然行为。如虚拟自主汽车在对突发 事件的反应时，是以他们自己的意愿来改变或逃避这些状态。 如图卜2 所示，汽车1 是由真实驾驶员控制的：而汽车2 和汽车3 则是由虚 拟驾驶员驾驶的，它完全由计算机程序控制，是具有自主性和智能性的虚拟自主 汽车。虚拟自主汽车之间或虚拟自主汽车与真实驾驶员之间可以通过自然的方式 交流，就如在公路上驾车一样。本文所研究的虚拟自主汽车驾驶行为是指虚拟交 通场景中汽车2 和汽车3 的行为，即完全由计算机程序控制的虚拟自主汽车驾驶 行为，研究它在虚拟交通场景中的感知、行为规划、情感和操作等特性。 图卜2 虚拟交通场景中的两类虚拟汽车 f i g1 2t w ot y p e so f v i r t u a lv e h i c l ei nv i r t u a lt r a f f i c 以往在虚拟交通场景中，虚拟自主汽车的驾驶行为模型都是简化的“”，是用 预先设计好的统一简单模型来代替它们。它存在的最大缺点是虚拟自主汽车不真 实的自然行为会导致虚拟交通环境的真实性降低，从而导致整个驾驶模拟器的沉 浸性和真实感降低。 因此研究建立具有智能驾驶行为的虚拟自主汽车模型是非常具有意义的，它 涉及到其对环境的感知认知、情感变化、智能决策、行为实施和对汽车的控制操 第一章绪论 作等内容。研究具有真实驾驶行为的虚拟自主汽车模型，不仅可以增强驾驶模 拟器的沉浸性和真实感，同时也可以为智能交通的三维可视化提供可靠的汽车模 型；可以更好地研究驾驶行为和道路交通安全之间的关系，减少交通事故、减少 伤亡率和减少财产损失1 。因此，它的应用前景非常广泛。 本论文的目的在于寻求一种可行的智能实现方法和具体行为实施，提高驾驶 模拟器中虚拟交通环境里的虚拟自主汽车驾驶行为的逼真性和实时性，模拟不同 个性虚拟自主汽车的自然驾驶行为。因为驾驶员对环境感知信息的9o 来自视觉， 所以本文的虚拟自主汽车驾驶行为技术主要研