（模式识别与智能系统专业论文）无人车智能行为验证平台的虚拟交通场景研究.pdf

摘要 摘要 无人驾驶车辆集环境感知、决策规划和控制等功能于一体，其研究涉及运动 学与动力学、自动控制、传感器技术、模式识别和人工智能等多个学科，体现了 计算机和机器人技术的最新成果。无人驾驶车辆的研制过程需要大量的试验条件 作为支持，而常规车辆试验无法满足无人车自主驾驶能力验证的需求。首先，无 人车的安全问题还没得到有效的验证；其次，无人车试验所需的道路条件较高， 需要巨额资金的投入。 无人驾驶车辆是自主驾驶的，系统的安全性和可靠性是极端重要的，无人驾 驶车辆的试验最好在可控、可重复、有效和安全条件下进行，因此发展无人车安 全、有效的试验方法，构建经济、鲁棒性高的试验环境显得尤为重要。无人车智 能行为验证平台是一个半物理试验平台，旨在以经济、安全、有效的方式对无人 车的智能行为进行验证，虚拟交通场景是其中的重要组成部分。本文围绕无人车 的智能行为验证，研究虚拟交通场景的构建以及智能行为评估方法，研究内容主 要包括以下几个方面： 首先，对虚拟交通场景的构建方法进行研究，提出了无人车智能行为验证平 台的虚拟交通场景总体设计方案。目前虚拟交通场景最多运用在驾驶模拟器领 域，驾驶模拟器分为训练型和开发型，不管哪一种，都是“人一车一环境 的闭 环系统。而无人车智能行为验证平台是一个“车一环境”闭环系统，两者具有本 质区别，因此有必要对适合无人车智能行为验证的虚拟交通场景的构建方法进行 研究。随着虚拟环境、人工智能、人工生命学科的发展，构建具有一定智能的虚 拟交通场景，一方面被验证车辆可以感知环境进行自主驾驶，另一方面虚拟交通 场景中的测试模型也可以感知、理解被验证车辆的智能行为，为评估提供原始数 据，形成“车环境”闭环智能系统，从而为解决智能行为验证问题提供了新思 路和方法。 第二，研究了适合无人车智能行为验证的虚拟交通场景静态测试模型的设计 原理与实现方法。提出道路a g e n t 、护栏a g e n t 、交通灯a g e n t 、标识牌a g e n t 的构造方法，设计了不同的道路模型如“u 型 转弯、“t 型”路口、“s 型 导 航路径对被验证车辆进行测试，并且为了提高试验验证的鲁棒性，设计与实现了 晴天、雨天、雾天、雪天的自然环境模型，利用这些静态测试模型可以为无人车 的智能行为验证提供测试环境和行为数据。 第三，研究了用于无人车智能行为验证的虚拟交通场景动态测试模型的构造 方法。无人车的智能行为很大程度上体现在应对突发性和不确定性事件上，研究 i 摘要 动态测试模型构造就是为了设计与实现不同的突发性和不确定性事件情节，为验 证创造测试条件，主要研究了从车辆a g e n t 模型、从车辆a g e n t 行为建模及其仿 真，并且设计与实现了多个突发性情节模型，最终阐述了行为管理a g e n t 的构造 方法。 最后，对无人车智能行为评估方法进行了研究。基于被验证车辆与设计的静 态测试模型、动态事件模型之间发生的行为，即行为管理a g e n t 的行为记录，设 计了验证与评估规则，提出了一种无人车智能行为评估方法。 关键字：虚拟现实，虚拟交通场景，无人驾驶车辆，智能行为验证 a b s t r a c t a b s t r a c t d r i v e r l e s sv e h i c l e i n t e g r a t e s e n v i r o n m e n t p e r c e p t i o n ，d e c i s i o n - m a k i n g p r o g r a m m i n ga n dc o n t r o l ，w h i c hr e l a t e st om a n ys u b j e c t ss u c ha s k i n e m a t i c sa n d d y n a m i c s ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，s e n s o rt e c h n o l o g y , p a t t e r n r e c o g n i t i o n ，a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，a n d i n c a r n a t e st h el a t e s tr e s e a r c hr e s u l t so fc o m p u t e ra n dr o b o t t e c h n o l o g i e s d e v e l o p m e n to fd r i v e r l e s sv e h i c l er e q u i r e sl o t so ft e s tc o n d i t i o n s t o s u p p o r t ，h o w e v e r , g e n e r a l v e h i c l et e s tc a nn o ts a t i s f yr e q u i r e m e n t so fd r i v e r l e s s v e h i c l ev a l i d a t i o n f i r s t l y , s a f e t yp r o b l e m so fd r i v e r l e s sv e h i c l ea r en o tv a l i d a t e d e f f e c t i v e l y s e c o n d l y , v a l i d a t i o n o fd r i v e r l e s sv e h i c l en e e d sv e r ys l a s h i n gr o a d c o n d i t i o n s ，s oi tc o s t sm u c h d r i v e r l e s sv e h i c l ed r i v e sa u t o m a t i c a l l y , s oi t ss e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t ya r ev e r y i m p o r t a n t w h o s e t e s th a db e t t e rb ec a r r i e do u tu n d e rc o n t r o l l a b l e ，r e p e a t a b l e ， e f f e c t i v ea n ds a f ec o n d i t i o n s t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gs a f ea n de f f e c t i v ee x p e r i m e n t m e t h o d so fd r i v e r l e s sv e h i c l ea n dc o n s t r u c t i n ge c o n o m i c a l ，h i g h r o b u s t n e s s e x p e r i m e n te n v i r o n m e n t s a r ev e r yi m p o r t a n t p l a t f o r mf o ri n t e l l i g e n tb e h a v i o r v a l i d a t i o no fd r i v e r l e s sv e h i c l ei sah a r d w a r e i n t h e l o o pe x p e r i m e n tp l a t f o r mt h a t w ec o n s t r u c t ，a i m i n gt ov a l i d a t ei n t e l l i g e n tb e h a v i o ro fd r i v e r l e s sv e h i c l ew i t h e c o n o m i c a l ，s a f ea n de f f e c t i v ew a y , a n dv i r t u a lt r a f f i c s c e n ei sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to fi t t h i sd i s s e r t a t i o ns u r r o u n d sw i t hi n t e l l i g e n tb e h a v i o rv a l i d a t i o n o fd r i v e r l e s sv e h i c l e ，a n ds t u d i e sc o n s t r u c t i o no fv i r t u a lt r a f f i cs c e n ea n db e h a v i o r e v a l u a t i o nm e t h o d s c o n t e n t sm a i n l yc o n t a i nf o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l y , c o n s t r u c t i o nm e t h o d so f v i r t u a lt r a f f i cs c e n ew a sr e s e a r c h e d ，a n dg e n e r a l d e s i g np r o j e c to fv i r t u a lt r a f f i cs c e n eo fi n t e l l i g e n tb e h a v i o rv a l i d a t i o np l a t f o r mf o r d r i v e r l e s sv e h i c l ew a sp r o p o s e d a tp r e s e n tv i r t u a lt r a f f i cs c e n ei sm a i n l yu s e di n d r i v i n gs i m u l a t o r ，w h i c hi n c l u d e st r a i n i n ga n dd e v e l o p i n gt y p e s r e g a r d l e s so fw h i c h t y p e t h e ya r ea l l “h u m a n v e h i c l e e n v i r o n m e n t c l o s e dl o o ps y s t e m s h o w e v e r ，v i r t u a l t r a f f i cs c e n ei ni n t e l l i g e n tb e h a v i o rv a l i d a t i o np l a t f o r mf o rd r i v e r l e s sv e h i c l ei sa c v e h i c l e e n v i r o n m e n t ”c l o s e dl o o ps y s t e m ，a n db o t hh a v ee s s e n t i a ld i f f e r e n c e s ，s ow e n e e dt os t u d yc o n s t r u c t i o nm e t h o d so fv i r t u a lt r a f f i cs c e n es u i t a b l ef o ri n t e l l i g e n t b e h a v i o rv a l i d a t i o no fd r i v e r l e s sv e h i c l e w i t hd e v e l o p m e n to fv i r t u a le n v i r o n m e n t ， a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a n da r t i f i c i a ll i f e ，w ec a l lc o n s t r u c tv i r t u a lt r a m cs c e n eb e i n g p r o v i d e dw i t hd e f i n i t ei n t e l l i g e n c e o nt h eo n eh a n d ，v a l i d a t e dv e h i c l ec a na p p e r c e i v e i a b s t r a c t v i r t u a le n v i r o n m e n tf o ra u t o n o m o u sd r i v i n g ，o nt h eo t h e rh a n d ，t e s tm o d e l si nv i r t u a l t r a f f i cs c e n ea l s oc a l la p p e r c e i v ei n t e l l i g e n tb e h a v i o ro fv a l i d a t e dv e h i c l e ，w h i c hc a n p r o v i d eo r i g i n a lb e h a v i o rd a t af o re v a l u a t i o n ，f o r m i n g v e h i c l e - e n v i r o n m e n t c l o s e d l o o pi n t e l l i g e n ts y s t e m ，a n dt h e np r o v i d e san o v e lm e t h o df o rs o l v i n gp r o b l e m so f i n t e l l i g e n tb e h a v i o rv a l i d a t i o n s e c o n d l y ，d e s i g n i n gp r i n c i p l e sa n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fs t a t i ct e s tm o d e l s i nv i r t u a ls c e n ew e r es t u d i e d i tm a i n l yr e s e a r c h e sc o n s t r u c t i o nm e t h o d so fr o a da g e n t r a i la g e n t ，t r a f f i cl i g h ta g e n t ，a n ds i g na g e n t ，a n dd e s i g n sd i f f e r e n tr o a dm o d e l ss u c h a s ut u r n ，tt y p e r o a d ，a n d st y p e n a v i g a t i o np a t h t oi m p r o v er o b u s t n e s so f e x p e r i m e n tv a l i d a t i o n ，w ed e s i g na n di m p l e m e n ts u n n y , r a i n y , f o g y , a n ds n o w y n a t u r a le n v i r o n m e n tm o d e l s t h e s es t a t i ct e s tm o d e l sp r o v i d et e s te n v i r o n m e n ta n d b e h a v i o rd a t af o ri n t e l l i g e n tb e h a v i o rv a l i d a t i o no fd r i v e r l e s sv e h i c l e t h i r d l y , c o n s t r u c t i o nm e t h o d so fd y n a m i ct e s tm o d e l sf o ri n t e l l i g e n tb e h a v i o r v a l i d a t i o no fd r i v e r l e s sv e h i c l ew e r es t u d i e d i n t e l l i g e n tb e h a v i o ro fd r i v e r l e s sv e h i c l e m a i n l yr e f l e c t si nc o n f r o n t i n gw i t hp a r o x y s m a la n du n c e r t a i ne v e n t s r e s e a r c h i n g c o n s t r u c t i o no fd y n a m i ct e s tm o d e l si st od e s i g nd i f f e r e n tt y p e so fp a r o x y s m a la n d u n c e r t a i ne v e n t s ，w h i c hc r e a t e st e s tc o n d i t i o n sf o rv a l i d a t i o n i nt h i sc h a p t e r , f o l l o w v e h i c l ea g e n tm o d e l ，i t sb e h a v i o rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nw e r es t u d i e d ，a n ds o m e p a r o x y s m a ls c e n a r i om o d e l sw e r ei m p l e m e n t e d a tl a s tc o n s t r u c t i o nm e t h o do f b e h a v i o rm a n a g e m e n ta g e n tw a sp r o p o s e d f i n a l l y , e v a l u a t i o nm e t h o do fi n t e l l i g e n tb e h a v i o rw a ss t u d i e d b a s e do n b e h a v i o rd a t at h a tv a l i d a t e dv e h i c l eh a so c c u r r e dw i t hd e s i g n e ds t a t i ct e s tm o d e l sa n d d y n a m i ct e s tm o d e l s ，as e to fv a l i d a t i o na n de v a l u a t i o nr u l e sw e r ed e s i g n e d ，a n da e v a l u a t i o nm e t h o df o ri n t e l l i g e n tb e h a v i o ro fd r i v e r l e s sv e h i c l ew a sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y , v i r t u a lt r a f f i cs c e n e ，d r i v e r l e s sv e h i c l e ，i n t e l l i g e n t b e h a v i o rv a l i d a t i o n i v 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文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。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者躲赴 堋年6 只f ，b 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 回顾汽车发展的百年历史，不难发现其控制方式从未发生过根本性改变，即 由人观察道路并驾驶车辆形成“人一车一路”的闭环控制系统( m i c h e lp a r e n t ， 2 0 0 4 ) 。在这个控制系统中，人这个子系统是不可观且不可控的，只有通过提高 管理水平和制定一系列的交通规则进行约束。随着交通需求的日益增加，这种传 统车辆控制方式的局限性日益明显，例如安全性低( 事故频发) 、效率低( 交通 堵塞) 。因此，要从根本上解决这一问题，就需要将人从交通控制系统中请出来， 形成“车一路”闭环控制系统，从而大大提高行驶的安全性和系统效率。这种新 型车辆控制方法的核心就是实现车辆的无人驾驶。无人驾驶车辆是一种智能车 辆，也可以称之为轮式移动机器人，主要依靠车内以计算机系统为主的智能驾驶 仪来实现无人驾驶。它使用车载传感器，例如视觉、激光雷达、超声传感器、微 波雷达、g p s 、里程计、磁罗盘等，感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道 路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可 靠地在道路上行驶( 杨明，2 0 0 6 ) 。 美国是世界上研究无人驾驶车辆最早、水平最高的国家之一。早在2 0 世纪 8 0 年代，美国就提出自主地面车辆( a v l ) 计划，这是一辆8 轮车，能在校园的环 境中自主驾驶，但车速不高。美国其它一些著名大学，如卡耐基梅隆大学、麻省 理工学院等都先后于2 0 世纪8 0 年代开始研究无人驾驶车辆。1 9 9 5 年，一辆由 美国卡耐基梅隆大学研制的无人驾驶汽车n a v l a b v ，完成了横穿美国东西部 的无人驾驶试验。在全长5 0 0 0 k m 的美国州际高速公路上，整个实验9 6 以上的 路程是车辆自主驾驶的，车速达5 0 6 0 k m h 。丰田汽车公司在2 0 0 0 年开发出无 人驾驶公共汽车，这套公共汽车自动驾驶系统主要由道路诱导、车队行驶、追尾 防止和运行管理等方面组成，安装在车辆底盘前部的磁气传感器将根据埋设在道 路中间的永久性磁石进行导向，控制车辆行驶方向。 我国在无人驾驶车辆的开发方面要比国外稍晚。国防科技大学从2 0 世纪8 0 年代开始进行该项技术研究。中国第一汽车集团公司和国防科学技术大学合作研 制的红旗c a 7 4 6 0 自动驾驶轿车试验时的路上最高稳定自动驾驶速度达 1 3 0 k m h ，其最高时速为1 7 0 k m h ，并具备超车功能。该车采用的是视觉导航和 雷达导航。此外，国防科技大学还对丰田巡洋舰越野车进行了无人驾驶方面的改 第1 章绪论 装，在长沙郊外的丁家岭试验场做了无人驾驶越野实验。实验路面中有非结构化 路面，有直道，弯道，有起伏路面，部分路面有障碍物。清华大学智能技术与系 统国家重点实验室从1 9 8 6 年开始先后承担了一系列智能车辆方面的研究项目， 研制的t h m r v 智能车达到了1 7 0 k m h 的最高时速，兼有面向高速公路和一般 道路的功能。国家公路科学研究所、武汉理工大学和北京吉普有限公司三方合作 组成的“自动公路车道保持关键技术研究 课题组展开了基于磁道钉导航的车辆 自动驾驶研究。该课题组目前已经取得的成果是直道上的车辆自动驾驶的稳定速 度可以达到1 0 0 k m h ，车辆在自动驾驶时具备较强的弯道保持能力。由上海和欧 盟科学家合作的中国城市交通中的无人驾驶技术( c y b e rc 3 ) 项目也取得了阶段性 成果，首辆城市无人驾驶车在上海交通大学研制成功。西安交大搭建了s p r i n g r o b o t 智能汽车实验平台，可以实时完成道路检测、行人检测、车辆检测等视觉 模块。同济大学的“春晖探索号”无人电动车，实现车道跟踪，遇到停车线自动 停车，使用激光雷达检测前方障碍物，选择避障或者跟随( 乔维高，2 0 0 7 ) 。中 国科学院合肥智能机械研究所智能车辆技术中心于2 0 0 8 年底启动了无人驾驶车 辆研发计划，预计2 0 0 9 年下半年完成，我们非常期待。 虽然无人驾驶看似已经近在咫尺，但目前仍然面临很多急需解决的问题。首 先，无人车的安全问题还没得到有效的验证。目前的无人驾驶均在特定的试验路 段上进行，试验时的车辆都是按交通规则行驶，车道都有明显的标记，但在实际 的高速公路或城市环境下的交通情况并非如此简单，面对复杂情况时，自动驾驶 汽车在加速超车、急转弯以及自动保持彼此间车距的能力和反应速度都没有得到 有效的验证：其次，无人驾驶所需的道路条件较高，需要巨额资金的投入。汽车 在自动驾驶时要求有较高的路况条件和相关的交通配套设施，而且希望有较为完 善的高等级公路网或者至少是高等级公路主干网，这样才能体现出较大的优势。 但是修建高等级公路开支极大，而且目前我国的高速公路网还处于初步的形成阶 段，不仅进一步的成形需要时间，而且现时就处处修建过高等级公路对我国的财 政也是个很大的负担，这样巨大的资金需求恐怕很难得到满足( 唐荣年，2 0 0 4 ) 。 因此，发展无人车安全、有效的试验方法，构建经济、鲁棒性高的试验环境显得 尤为重要。 目前车辆试验方法归结起来无非三种：纯软件仿真试验、硬件在环仿真( 典 型的基于驾驶模拟器) 、真实道路环境下的测试与试验。纯软件仿真具有明显的 优缺点，优点是：耗资小，搭建试验环境简单，缺点是：要求对车辆的每一个零 件建立相应的数学模型，这实现起来有很高的难度，特别是随着硬件的复杂程度 急剧增加，导致一些硬件无法用软件模型实现。真实道路环境下的试验显然是最 直接、有效的、最具说服力的，但是试验环境单一、耗资大、安全性、受场地、 2 第l 章绪论 时间、天气、气候等条件限制问题也是显而易见的。半物理仿真方法的优点是安 全、可重复试验、节省资源、将难于实现的硬件模型硬件在环，缺点还是软件模 拟部分，这是避免不了的缺陷。 无人驾驶车辆的智能行为体现在对周围环境信息的感知、理解、决策以及对 车辆自身的控制上。为了验证无人驾驶车辆的智能行为，d a r p a ( 美国国防部 高级研究计划署) 自2 0 0 4 年起，一麸举办了三场无人驾驶车辆的挑战赛。2 0 0 4 年沙漠大挑战比赛惨淡收场在全长2 5 0 k m 的路线上，最远的队也只跑了 1 17 8 k m 最终都挫能完成比赛。2 0 0 5 年，d a r p a “大挑战”比赛上，有5 个队 完成了相似的比赛，其中美国斯坦福大学工程师们改装的一辆大众t o u a r e g r 5 车 经过7 个半小时的长途跋涉完成了全程障碍赛，第一个到达了终点，到达终点的 无人车需要穿越沙漠、通过黑暗的隧道、越过泥泞的河床并需要在崎岖险峻的山 道上行使，整个行程无人驾驶汽车需要绕过无数个障碍( 占强，2 0 0 7 ) 。2 0 0 7 年 d a r p a 举办了第三屈无人驾驶汽车城市挑战赛，是历届中最成功的一次比赛， 比赛场地选择在美国前乔治空军基i 也( g e o r g e a i rf o r c eb a s e ) ，要求参赛车辆能避 开障碍物、遵守交通规则、融入一般的车阵中、还要能自动躲避其他的车辆，最 终有1 1 个队到达终点，完成了总长超过9 6 k i n 的赛程，其中卡内基梅隆大学队 制造的“b o s s ”取得冠军，亚军由斯坦福大学队的“j u n i o r ”摘得，如图1 1 所示( m l c h a e lm o n t e m e r l o ，2 0 0 8 ) 。 图1 1d a r p a2 0 0 7 城市挑战中的无人驾驶车左b o s s 右：j u n i o r d a r p a 挑战赛是典型的基于真实道路环境下对无人车智能行为进行验证， 最先到达终点参赛车辆的智能行为被评估为堆高。显然这是最直接、晟具说服力 的，但是也存在安全( 车辆与障碍物碰撞、车载传感器损坏) 、试验条件单一( 自 然环境、地理环境、) 、耗资巨大等问题。由于无人驾驶车辆是自主驾驶的，系统 的安全性和可靠性是极端重要的因此无人驾驶车辆的试验最好在可控、可重复、 有效和安全条件f 进行( lv e r h o e f f ，2 0 0 0 ) 。基于上述问题的提出，构建了无人 车智能行为验证平台，旨在以一种安全、经济、可重复、可控、有效的试验方法 对无人车智能行为进行验证。鹾平台是一个半物理仿真系统，如图l2 所示，主 要由四自由度运动模拟机构、虚拟交通场景、通信予系统、路面模拟装置等组成， 第1 章绪论 与驾驶模拟器宵相同的地方，但具有奉质上的区别。车文同绕如何构建适合无人 车智能行为验证的虚拟交通场景进行研究。 图1 2 无人车智能行为验证平台组成 注释：i ：虚拟交通场景2 ：投影戗：3 ：幽形工作站：4 摄像头s ：云台6 牢载伺服 子系统；7 ：车载计算机，8 ：牟载传感器：9 ：被验证的无人车；1 0 四自由皮返动模拟平 台：1 l ：四自由度运动模拟平台控制卡：1 2 变换机。 虚拟交通场景 由图形工作站生成三维虚拟交通环境经投影仪投影至墙幕上，为被验证的 无人车提供虚拟交通环境信息，该场景视角受云台角度控制。 车载传感器 被验证的无人车上装配的传感器，如视觉传感器、6 4 线激光雷达、单线激 光雷达、超声波雷达、g p s 、陀蝶装置等，获取环境信息，从而为无人车的决策 子系统提供数据。 四自由度运动模拟平台 模拟实车行驶时的姿态，能够更加准确地让无人车获取环境信息。 车载计算机 是实验车辆的的控制模块，依据并种传感信息及相应决策算法，控制车载伺 服子系统，完成虚拟交通环境f 的安全驾驶。 被验证的无人车 既是被验证目标的载体，又是被验证对象。提供了各类执行器、传感器及控 制器，为行程的安全性验证及无人驾驶功能验证提供实验基础。 热；一 第1 章绪论 1 2 相关领域研究现状 1 2 1 虚拟现实技术 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) ，又称灵境技术，是一种可以创建和体 验虚拟世界的计算机系统。它充分利用计算机硬件与软件资源的集成技术，提供 了一种实时的、三维的虚拟环境，使用者完全可以进入虚拟环境中，观看计算机 产生的虚拟世界，听到逼真的声音，在虚拟环境中交互操作，有真实感，可以讲 话，并且能够嗅到气味，最先是由美国v p lr e s e a r c h 公司的j a r o nl a n i e r 在1 9 8 9 年提出的( 汪成为，1 9 9 6 ) 。虚拟现实技术在将近2 0 年的时间里得到了飞速的发 展，无论在科学研究还是在工业中的应用，都显示出它无穷的发展潜力。虚拟现 实涉及计算机图形学、多媒体技术、图象处理、传感器技术、人机交互、仿真技 术、人工智能、并行实时计算技术、人体工程学等多门学科，其目的是以模拟方 式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界，在视、 听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，使参与者可以直接参与和探索虚拟对象在 所处环境中的作用和变化产生沉浸感。 虚拟现实系统具有三个基本特征，即v r 的3 i 特征( gb u r d e a ，1 9 9 4 ) ：沉 浸感( i m m e r s i o n ) 、交互性( i n t e r a c t i o n ) 以及构想性( i m a g i n a t i o n ) 。沉浸感能够 让用户体验到真实世界的感觉，与计算机通过自然的交互方式，感觉全方位地沉 浸在这个虚幻的世界中；交互性是指虚拟现实系统可以对用户的输入做出反应， 并可以通过控制与监视装置，影响用户行为或被用户影响；构想性是指可以让用 户利用v r 系统从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而深 化概念和启发创新。 美国是从事虚拟现实研究最早、研究范围和水平最高、相关研究对国家发展 贡献最大的国家，从事虚拟现实技术研究的大学包括麻省理工学院、斯坦福大学、 华盛顿大学、伊利诺斯州立大学芝加哥分校、卡内基梅隆大学等众多著名的大学， 其研究内容侧重新概念发展( 如虚拟现实的概念模型) 、单项关键技术( 如触觉反馈) 和系统实现，并参加了许多有关虚拟现实的国家项目。目前美国在该领域的基础 研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面( 黄悦，2 0 0 8 ) 。 和一些发达国家相比，我国v r 技术起步较晚，还有一定的差距，但已引起 政府有关部f i n n 科学家们的高度重视。根据我国的国情制定了开展v r 技术的研 究计划，九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把v r 列入了研究项目。国内一些重点院校已积极投入到了这一领域的研究工作。北京 航空航天大学计算机系着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚 5 第1 章绪论 拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了 分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、 用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。浙江大学 c a d & c g 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还 研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。 哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情 的合成和唇动的合成等技术问题。清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临 场感的方面进行了研究。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术 一立体显示技术进行了研究，提出了一种基于j p e g 标准压缩编码新方案，获得 了较高的压缩比、信噪比以及解压速度。 综上所述，目前虚拟现实技术的研究主要集中在以下五个方面：( 1 ) 动态环 境建模技术；( 2 ) 高性能计算处理及三维图形实时生成技术，要具有足够的刷新 频率和清晰度，一般刷新率不低于1 5 帧秒，最好能达到3 0 帧秒；( 3 ) 传感技 术，如触觉传感器、力觉传感器等技术；( 4 ) 应用系统开发工具；( 5 ) 系统集成 技术。 v r 技术已在国民经济建设、国防安全和文化教育等领域发挥着极其重要的 作用，下面简要介绍一些典型应用，并在随后章节中重点介绍v r 在交通领域的 应用。 ( 1 ) 军事与航空航天领域的应用 在军事与航空航天领域，模拟和训练特别重要。随着当今技术的高度复杂化， 硬件系统的开发周期不断缩短，迫切需要一种灵活的、可升级的、网络化的模拟 系统。v r 技术在上述各个方面均厶匕f j 匕l 徊1 v 好地满足这一需要。因此，美国政府充分 认识到v r 技术在保持美国技术领先方面具有的战略意义，并制定了一系列的实 施计划。其中应用于军事训练的主要有坦克训练网络s i m n e t 、虚拟毒刺导弹i ) i i 练系统、反潜艇作战系统a s w 等，以及在航空航天上的n a s a 虚拟现实训练系 统、e v a 训练系统及虚拟座舱等系统。 ( 2 ) 虚拟制造 虚拟制造是利用虚拟现实技术对新产品进行开发的一种手段，它是在计算机 上通过集成现行制造过程中的一些新的技术来实现这一目的的。例如，波音7 7 7 飞机的设计完全是在计算机上进行的，从设计到完全加工实现了无图纸化，这不 仅能利用建在计算机内的三维模型对飞机的各种性能进行分析、模拟，而且可以 把虚拟现实技术和三维模型技术结合起来对管道布线等复杂装配过程进行模拟。 ( 3 ) 建筑规划设计 6 第1 章绪论 利用虚拟现实技术进行建筑规划设计，在建筑设计阶段就能以可视的、动态 的方式全方位地展示建筑物所处的地理环境、建筑物的外貌和各种附属设施，使 人们能够在一个虚拟的环境中，甚至在未来的建筑物内部漫游。因而，虚拟现实 技术是建筑规划方案设计、装修效果展示、方案投标、方案论证及方案评审的有 力工具，在建筑业、房地产业和建筑装修业等领域有着日益广泛的应用前景。 ( 4 ) 娱乐 虚拟现实技术在娱乐业得到了广泛的应用，利用虚拟现实技术创造出的虚拟 环境，可以生动、逼真地模拟“星球大战 、“太空旅游 等游戏，使人感觉到身 临其境，具有极强的趣味性、惊险性和知识性。 ( 5 ) 医学 近年来，v r 技术在医疗的应用，从根本上改变了人们的医疗和康复模式。 典型的应用系统及有关研究包括虚拟解剖训练系统、外科手术模拟系统、遥控手 术、手功能诊断、虚拟训练机、轮椅虚拟现实系统等。 1 2 2 虚拟现实在交通领域的应用 虚拟现实技术在交通领域的应用主要体现在驾驶模拟器中的虚拟环境生成， 生成的虚拟交通视景能够给驾驶模拟操作者提供身临其境的驾驶环境。驾驶模拟 器是一种能正确模拟汽车驾驶动作，并能在主要性能上获得与实车驾驶相同感觉 的仿真设备。按照功能的不同，可分为训练型汽车驾驶模拟器和开发型汽车驾驶 模拟器。训练型模拟器可以初步完成对新驾驶员的训练；开发型模拟器能对“人 车一环境 系统进行研究，从而验证事故的发生原因，预防车辆事故的发生， 为汽车工程设计提供帮助等。 1 9 8 5 年，奔驰公司首先研制出世界上规模最大的六自由度汽车动态模拟器， 并成功地用于系列化高速轿车的产品开发中，如图1 3 ( a ) 所示。1 9 8 9 年，大众公 司则投资改进了其原有的模拟器，更新了计算机运算能力和视景生成系统，并用 于新产品研制中。1 9 9 1 年，马自达公司投资研制了跑车型模拟器。1 9 9 3 年初， 福特公司也投资研制开发模拟器。1 9 9 5 年，日本汽车研究所也建成了带有体感 模拟系统的模拟器。通用公司的最初研制计划始于1 9 8 9 年，至今己开发出第二 代产品，其性能指标居世界领先水平。美国爱荷华大学1 9 9 3 年就启用1 3 0 0 万美 元来开发汽车驾驶模拟器，1 9 9 6 年又进一步增加投资3 0 0 0 万美元由t r w 公司 进行改进，其产品被称为n a d s ( 国家高级汽车驾驶模拟器) ，如图1 3 ( b ) 所示。 2 0 0 7 年1 1 月，日本丰田汽车公司宣布开发了世界级的驾驶模拟器，该驾驶模拟 器的唯一目的就是应用于驾驶特性分析、主动安全技术开发以及验证主动安全技 7 第1 章绪论 术的有效性，如图13 f c ) 所示( c h i e w ，2 0 0 8 ) 。 汽车驾驶模拟器在我国发展较晚，最早是引进捷克的点光源平扳投影式模拟 器，景物盘上的道路是用笔描绘而成的平面景象，无坡道；接着引进美国的放电 影被动式驾驶摸拟器，一个控制台控制2 0 个驾驶舱。到2 0 世纪7 0 年代，我国 才有了自己研制的点光源、转盘机电式汽车驾驶模拟器。2 0 世纪8 0 年代以后， 汽车驾驶模拟器在我国发展较快，清华大学、吉林工业大学、空军第二航校、装 甲兵工程学院、南京瑞林模拟器实业公司等单位都积极地开展研究工作，并丌发 出一些初级产品。2 0 世纪9 0 年代以来，我国已经开始自己研制和生产开发型汽 车驾驶模拟器。如1 9 9 6 年吉林工业大学建立了汽车动态模拟国家重点实验室， 研制出的汽车动态模拟器由模拟舱与运动模拟、计算机实时模拟与控制、视景模 拟、数据采集与触感模拟、声响模拟和中央控制台等大予系统组成，总体性能和 技术指标在亚洲居第位、达到世界先进水平可应用于车辆主动安全性能设计 的工具、车用控制系统开发的工具、道路交通安全性能验证的工具交通法规合 图1 3 ( a ) 戴姆勒奔驰驾驶模拟器( b ) 爱荷华大学n a d s 驾驶模拟器( c ) 丰田驾驶模拟器 2 3a g e n t 及其在交通仿真中的应用 a g e n t 一般被用来指那些具有一定智能和自治能力，能根据环境变化作出响 应和进行相应处理的软件系统( j e n n i n g s 2 0 0 0 ) 。a g e n t 的标准化组织 f i p a ( f o u n d a t i o n f o r i n t e l l i g e n t p h y s i c a l a g e n t s l 对a g e n t 作了如下定义：a g e n t 是 某一领域中基本的行为者，它具有完成一项或多项任务的能力，对外表现出一致 的、完整的行为，可以与外部软件操作人员和通讯设施进行交互。w o o l d r i d g e 等 在总结了前人在代理领域的一些工作后从狭义和广义两个方面定义了代理具有 的特性。按照他们的观点，广义角度来说代理应该具有的特性有： ( 1 ) 自治性( a u t o n o m y ) ：a g e n t 不直接由人或者其他东西控制，它对自身 的行为和内部状态有定的控制权。 ( 2 ) 社会能j 3 ( s o c i a la b i l i t y ) 或称可通信性( c o m m u n i c a b i l i t y ) ：a g e m8 通 过某种代理通信语言a c l 与其他a g e n t 进行信息交换。 ( 3 ) 反应能力f r e a c t i v i t y ) ：即对环境的感知和影响。无论代理生存在现实 8 第1 章绪论 世界中还是虚拟世界中，它们都应该可以感知所处的环境，并通过行为改变环境。 ( 4 ) 自发行为( p r o a c t i v e n e s s ) ：传统的应用程序被动地由用户来运行，而 且机械地完成用户的指令，而a g e n t 的行为应该是主动的，或者说自发的。a g e n t 感知周围环境的变化，并作出基于目标的行为( g o a l d i r e c t e db e h a v i o r ) 。