模拟驾驶视景系统设计与实现.doc

模拟驾驶视景系统设计与实现 山东大学硕士学位论文模拟驾驶视景系统设计与实现姓名:谢宏霖申请学位级别:硕士专业:软件工程指导教师:张华忠20091010山东大学硕士学位论文摘 要汽车模拟驾驶视景系统是面向驾驶培训和娱乐型的汽车模拟驾驶平台,是利用计算机技术、控制技术、声像技术和车辆工程技术模拟车辆的行驶环境让学员在室内进行逼真的车辆驾驶学习,它可取代驾驶培训中学员实车训练中的部分科目和内容以及研究道路行驶的安全状况,有利于减少交通事故的发生率,并具有节能、安全、经济、高效等优点。本文通过对汽车动力学模型分析,把复杂的汽车动力学问题简化为汽车的运动受力、加速、转向三个模型。在此基础上,采用虚拟现实技术通过面向对象建模和三维场景建模等方法确定了模拟驾驶视景系统中各个模块的构建方案。采用3ds7.0、PhotoshopCS图形处理软件作为场景建模工具,从整体上对视景的各场景进行规划,细分成各个单元模型,根据需要设计相应的二维图片、三维图形汽车驾驶场景、汽车驾驶舱、特效天气等等,并将其转换为模驾视景系统中应用的具体格式,如3ds中建立的.文件转换成DirectXSDK解析的.X文件。采用VisualC+程序开发软件以及具有良好可移植能力的图形处理DirectXSDK软件为手段,运用DirectX提供的函数库,从整体上设计,规划和实现了视景引擎系统的各个模块的功能。通过试验验证,本系统能够较好地实现模拟驾驶操作中的各项要求。关键字:虚拟现实;模拟驾驶;汽车动力学模型;3ds;DirectXABSTRACTAutomobiledr vingsimulationsce esystemisasimulatorwhatorientedtothedrivetraininga drecreation,itisusecomputerechnology,controltech ique,sound?imagetechnologyandvehicleengineeringtechnologyto simulatethenvironmentofv hicledrive,letthetraineesstudytherealisticvehiclesteerindoors,itcanreplacethpartsofthedrivertrainingsubjectwhichtraineesinrealvehicletraining,andresearchtheroadSrunningsafecondition,anditisinfavorfdecreasetheincidenceoftraffica cident,andalsohavetheadvantagessucha energyconservation,security,economyhighlyeff tiveetc.Thispapersimplifiedth complexissuesofvehicledynamicsforvehiclemovementonthevehicledynamicsmodelanalysisbyforce,acceleration,steeringthreemodels.Onthisbasis,usingvirtualrealitytechnology,Object-orientedmodelingandthree.dimensionalscenemodelingmethodto eterminethedriverfsvi ualsimulationsystemofeachmoduletobuildtheprogram.Using3ds7.0,PhotoshopCSgraphicsprocessingsoftwaremodelingtoolsforthescene,awholesceneonthevariousscenariosforplanning,subdiv.idedintoariouscellmodel,designedthecorrespondingtwo-dimensionalimages,three-dimensionalgraphicsasneededforexampleCardrivingscenes,carcockpit,weathereffects,etc.andconvertthemtoaspecificormatforheapplicationofthesystem,suchasthe3dscreated.fileintoaDirectXSDKparsingXfiles.UsingVisualC+programdevelopmentsoftwareasw llasDirectXSDKsoftwarepossesswelltransportablecapableforinstrument,andapplythefunctionDirectXsubmitted,fromtheoveralldesigna dplanning,andimplementationofthevariousf nctionm dulesofthesimulationdrivingsceneenginesystem.IIThroughtheexperimentalverification,thissys emCanwellrealizethe山东大学硕十学位论文requirementsofsimulationdrivingsystem.Keyword:virtualreality;simulationdrive;automobiledynamic;simulationodeling;3ds;DirectXIII原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名:主险 日 期:关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留或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;本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。保密论文在解密后应遵守此规定论文作者签名: 导师签名: 日 期:山东大学硕士学位论文第1章绪论1.1模拟驾驶视景系统开发背景在我国,随着经济的迅速发展,行车高速化、驾驶员非职业化已成为必然趋势。但是,由于我国人口众多,交通设施状况也还不尽人意,因而行车困难程度比较高,发生交通事故的概率也很大。这说明,在我国驾驶员的培训还没有达到很好的效果,驾驶员的素质有待进一步提高。另一方面,实车培训驾驶员需耗费昂贵的油料,还要加上大量的车辆维修费等,而且新驾驶员因操纵不当而给生态环境带来噪音、废气等污染也比熟练驾驶员高得多。这些问题,需要迫切解决。汽车模拟驾驶视景系统正是这样一种既能提高驾驶员水平,又能降低各种费用的最为有效的训练平台n1。由于使用了计算机和多种多媒体手段来逼真模拟车辆行驶环境和驾驶舱的环境,受训人员可以有驾驶汽车的真实感觉。显然,汽车模拟驾驶视景系统具有节能、安全、经济和培训不受时间、气候、场地的限制.,训练效率高、培训周期短等优点锄。所以,开发适合我国交通国情和道路状况的模拟驾驶视景系统具有重大的经济和社会效益。汽车模拟驾驶视景系统早在20世纪70年代就在美国等一些发达国家出现,并作为驾驶员的培训工具。1985年奔驰公司在柏林研制成功六自由度开发型模拟驾驶系统,并应用于系列化高速轿车的产品开发中。20世纪90年代后期,汽车模拟驾驶视景系统走迸国内,多所知名大学都在这方面作了大量的研究工作,其中最具代表性的是吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室研制的ADSL开发型汽车模拟驾驶系统n,。虚拟现实VirtualReality技术是一种计算机界面技术,它通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段,最大限度地方便用户操作,从而减轻用户负担,提高整个系统的工作效率H1。将虚拟现实技术应用于汽车模拟驾驶视景系统中,就是通过计算机生成驾驶员在车辆行驶过程中所感触到的虚拟环境,包括虚拟场景、虚拟音响等如交通标志、树、建筑物以及刹车声、鸣笛声等,使驾驶员沉浸到虚拟驾驶环境中,并有实车驾驶的感觉。操作人员根据虚拟驾驶环境提供的视觉、听觉、感受,构想其驾驶动作,计山东大学硕士学位论文算机根据驾驶员的操作来改变汽车在虚拟环境中的状态,构成学员和虚拟驾驶环境之间的交互作用,实现汽车驾驶的虚拟训练。基于VR技术的模拟驾驶视景系统在新车型开发和驾驶培训方面得到了广泛的应用。本模拟驾驶视景系统就是基于虚拟现实技术实现的,它的逼真程度和实时性是体现虚拟驾驶沉浸感和交互性的关键。视景系统在场景渲染和视景仿真过程中,既要能产生真实感效果和满足实时性要求,还要兼顾到硬件系统的处理能力以及各种模型之间的结构层次关系踊1。因此,本文主要对模拟驾驶视景系统的场景建模、场景调入、操作输入以及碰撞检测等重点问题进行了阐述,建立了一个具有良好视觉沉浸感的模拟驾驶视景系统,优化了以往视景系统图像单一、运动不连续、真实沉浸感不强、视景图像与运动模拟的同步性效果差等问题。1.2模拟驾驶视景系统的分类模拟驾驶视景系统根据交互技术的不同,可以分为被动式和主动式两种类型n3。被动式汽车模拟驾驶训练器的视景系统是一段电影或录像,由主控台中央控制台控制,学员随播放的预定的各种路面场景,利用同期录制的教学命令,掌握每一情景下应具备的驾驶要领,并促进学员理解相应的交通操作。主动式汽车模拟驾驶训练器是利用车辆动力学、机构运动学、计算机技术,在电子、液压和控制等技术的支持下,从人?车?交通环境行驶环境闭环系统的整体性能出发,根据车辆当前行驶状态实时生成三维场景,对车辆的行驶过程进行全面的仿真。根据功能的不同,模拟驾驶视景系统又分为训练型和研究型两种n1。训练型驾驶模拟器视景系统是能正确模拟汽车驾驶操作,并能在主要性能上获得与实车相同感觉的汽车驾驶员训练系统,主要配备于各类汽车驾驶学校和驾驶培训中心,以提高驾驶员的培训质量和效率。而研究型模拟器视景系统结构复杂,功能全、精度高、价格也比较昂贵,可用于新技术的实验、开发和研究。1.3国内外研究现状2在国外,汽车模拟驾驶视景系统的研究开发较早,汽车模拟驾驶视景系统作山东大学硕士学位论文为培训工具在发达国家早已普遍运用,日本政府早在1970年就以正式法律规定,汽车驾驶学校必须装备汽车驾驶模拟器1。20世纪70年代早期,通用汽车公司、弗吉尼亚工业学院和州立大学开始做人?车闭环系统模拟的早期探索工作,这项工作持续了20多年的时间,最后在VPl2SU模拟器上得到了实现。在这个VPl2SU模拟器系统最高级的版本中,包含一个有16个自由度的车辆模型和一个小型的可运动的底座。70年代研制的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80年代早期,美国联邦公路管理局开始应用公路驾驶模拟器HYSIM,这种具有固定基座的驾驶模拟器主要用来对人性因素的研究,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的研究n3。80年代后期、90年代初期,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,运动系统可模拟六自由度姿态,生成的视景也非常复杂逼真。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CGI,可以提供逼真的车辆环境7】o在国内,大多数驾驶培训部门和企业长期以来一直采用教练手把手教学员的落后方式。在驾驶模拟器方面的研究起步较晚,后来为改变我国驾驶训练落后状况,迎合日益扩大的驾驶培训市场,先后引进了一些国外的驾驶模拟器,所以说在驾驶模拟器开发方面,我国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。20世纪70年代,开始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20个座舱。如由美国多伦公司进口的L.30被动式汽车驾驶模拟系统。由于早期设备大多为被动式,并且不太适合我国的交通规则、培训大纲和我国的交通状况特点,因此教学效果并不很理想。同时又由于设备价格山东大学硕十学位论文昂贵,难以在国内推广使用。在这种情况下,我国也由一些公司开发了驾驶模拟器系统,但由于早期选用的开发工具和开发环境落后,难以真正实现三维图形技术,有速度慢、真实感差、系统升级困难等难以克服的缺点,因而难以形成规模。到了80年代,面对我国日益扩大的驾驶培训市场,一些有识厂家开始研制、生产汽车驾驶训练模拟器。但由于早期计算机的硬件性能和软件技术远不能满足开发三维实时动画的需要,因此开发的汽车驾驶环境大多以电影或录像形式重现道路交通,学员只能被动的操纵汽车,因而效果不尽理想。到了90年代,由于对驾驶训练的需求增加,对驾驶训练效果和效益更加重视,同时由于技术水平计算机技术和图形、图像技术的发展,使得克服早期驾驶模拟器的种种缺陷成为可能。因此,国内有多家单位又开始了驾驶模拟器的研制和推广,主要集中在大专院校和科研院所。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MUL?QJM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CGI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1999年开发出了基于网络的wM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。吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室建设完成的开发型ADSL驾驶模拟器,按其建设规模和性能设计指标,现居世界第二位。该ADSL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功能阳1。1.4课题的研究意义汽车模拟驾驶视景系统具有广阔的应用前景和使用领域,它可以配备驾驶培训学校、相关职业中专、汽车专业娱乐场所以及其它相关单位,以配合课堂教学。能够在驾驶员或学习学生正式上路之前进行模拟实车操作训练,协调动作之用。它是一种集合了虚拟现实技术、三维实时渲染技术、计算机接口技术、人工智能4山东大学硕士学位论文技术、数据通信技术和多媒体技术等先进技术的仿真系统借助于模拟驾驶平台,能对汽车?驾驶员?道路环境,相互作用关系进行研究,为汽车的数字化设计和性能研究提供有力的工具,为道路交通仿真、驾驶员心理和行为特征等提供研究平台。因此汽车模拟驾驶视景系统的研究具有理论和实用的意义,其产品开发具有广阔的市场旧1。目前,我国已研制出来的汽车模拟驾驶视景系统,但由于早期选用的开发工具和开发环境落后,难以真正采用三维图形技术,存在速度慢、真实感差、系统升级困难等致命弱点,因此沉浸感和交互性不强。从国外直接引进成套的设备成本又太高,且不适合我国的交通法规和道路状况。因此,研制开发适合我国道路状况和交通法规、符合我国汽车驾驶员培训教学计划和教学大纲、主动式三维汽车驾驶培训视景系统具有重要意义,可极大地提高汽车驾驶员的培训质量和效率,促进我国汽车驾驶培训工作走上现代化、规范化和科学化的道路口们。我们正是在这样的情况下提出了研制汽车模拟驾驶视景系统这一课题,通过这套视景系统的设计和开发,在计算机上实现模拟驾驶的效果。如构建模拟驾驶场景,结合模型建造、图形渲染、人机交互、声音处理等技术提高了整个系统的沉浸感,为模拟驾驶视景系统提供稳定、可靠的视景仿真系统。1.5本文的主要工作本文通过对汽车模拟驾驶视景系统的研究,从实现模拟驾驶所要求的沉浸、交互和构想等功能出发,设计效果较好的视景仿真系统。对于汽车驾驶视景仿真来说,地形环境复杂多变,为使驾驶员能够充分适应驾驶环境和体验真实驾驶情况,必须对虚拟视景提出更高要求。主要研究内容如下:1.汽车模拟驾驶视景系统的构成及功能原理。2.分析汽车直线行驶的受力情况和加速、转向等过程,建立汽车行驶的动力学模型。3.视景仿真系统软件的开发:建立视景场景模型、汽车和周围运动物体的实体模型,以及碰撞检测等技术的实现。5山东人学硕士学位论文4.进行虚拟驾驶试验,检验汽车模拟驾驶视景系统的虚拟驾驶效果。本论文以视景系统的实时交互性和真实沉浸感和模拟行车体感为目标,以汽车模拟驾驶视景模型为对象,采用目前先进的三维建模软件3ds和CGameEngine游戏引擎系统,开发运行于个人PC的汽车驾驶模拟器视景系统软件。从软件工程角度出发,着重研究了3ds建立的场景模型、局部模型及特效模型的制作方法,进一步分析DirectX所接受的.x模型的转化与优化问题。详细阐述了在MicrosoftVisualC+6.0的开发环境下,如何使用DirectXS K软件提供的函数库,去调用3ds7.0建立和处理的.X文件模型来完成汽车的模拟驾驶行驶效果的。1.6论文的组织结构第1章绪论:简要介绍了汽车模拟驾驶视景系统的开发背景、分类和国内外发展状况及本论文研究内容。第2章介绍了汽车模拟驾驶视景系统总体的设计方案。第3章通过对传统的汽车动力学模型的分析,将复杂的汽车运动简化为汽车的运动受力、加速、转向三大模型,并将简化了的汽车动力学模型应用于本视景系统。第4章视景系统的场景设计:从整体上对视景的各场景进行规划,细分成各个单元模型,根据需要设计相应的二维图片、三维图形汽车驾驶场景、汽车驾驶舱、特效天气等等,并将其转换为模驾视景系统中应用的具体格式,如3ds中建立的.文件转换成DirectXSDK解析的.X文件。第5章模拟驾驶引擎系统的设计与实现:从整体上把握整个引擎系统的设计,规划和实现各个模块的功能:如包括窗口创建类CGameEngine_App,摄影机类CGameEngine_Camera,输入类CGameEngine?Input,场景管理类CGameEngine_SceneManger等等。并根据系统的设计重点对关键功能的实现进行了具体的研究,如XFile文件的载入,键盘控制的设计,摄像机的设置等等。第6章对模拟驾驶视景系统进行测试,说明其运行效果。第7章总结:对全文的研究工作进行总结,对以后工作提出了一些看法和展望。6山东大学硕+学位论文第2章视景系统的总体设计方案2.1模驾视景系统介绍视景仿真技术SceneSimulationTechnology是计算机仿真技术的重要分支,是计算机技术、图形图像处理与生成技术、多媒体技术、信息合成技术、显示技术等诸多高新技术的综合运用n卜121。随着计算机软硬件飞速发展,基于PC机平台的视景系统的开发和应用日益广泛。在硬件上,各种3D加速卡性能越来越高,使用这些廉价的3D加速卡开发模拟仿真的视景系统已经成为现实;软件上,专业的图形应用接口软件如DirectX的出现和普及,使图形编程变得十分方便、快捷。交互式三维建模工具如3ds可以在很短的时间内建造出高质量的三维模型。同时,虚拟现实技术的迅速发展,为计算机立体图形技术的广泛应用提供了良好的条件。模拟驾驶系统是基于虚拟现实技术的一个计算机系统n引。它由硬件与软件两部分组成:硬件部分包括计算机以及各种实现视、听、触、力反馈效果的输入、输出设备;软件部分集成了基于虚拟现实技术的场景管理、人机交互、汽车动力学计算、汽车操作过程逻辑判断以及声音输出等功能模块,我们通常把这部分的软件功能实现称为模拟驾驶的视景系统,如图2-1所示。视景系统是汽车模拟驾驶系统的重要组成部分,它给驾驶者实时提供了一个与地理位置相对应的连续的驾驶室外景。视景系统利用计算机图形图像技术和3D技术,生成汽车行驶过程中驾驶者所看到的虚拟环境,如道路、建筑物、交通标志、车辆、行人以及天空背景等场景n41。为了达到图像处理的实时性和逼真感,既需要高性能的计算机和图形加速卡等硬件条件的支持,也需要图形技术和开发平台的发展。7山东人学硕十学位论文模拟驾驶系统模拟驾驶输入系统-_如键盘.撵缴符;晕片机靛期 i瑙&32审口垴入?。:方向盘,镪位擞纵轩;。离台霉路扳、制劝:精扳、油门蹈等 ;:-?模拟驾驶视景系统 人帆交互接口:“.:1 r 1,f-:场景模型库 :动力学梭型:。 t,.,.,.,?;驾驶操作羿 :地形捡溯 i0?塑?, ?。?o.;碰撞检测i-雏,三维场景 各种数学模型建模 的研究拟驾驶场景铃珲系软件引肇系统y谣祥崭X?;y套稚两两?1r 1 r,?-?.;声喜丽一j:场景调入 :_,.?-?,?T,_, -?,? I?、:场景渲雅 : ;声番输出 i:? -?,?4?:视景输出 :t-.。-.。.?.?ji敦雠块i;视最显示模块ii声啻输出模块li?:;?: i?:大屏幕显示R觳32串口出汽车运动仿真系统苹片捉投翻:-o_-.震动瘗椅 :声音输出装置图2-1模拟驾驶系统本文着重研究了模拟驾驶系统中的视景系统的设计与实现,首先根据场景库的规划建立了三维和二维场景模型库,结合简化了的汽车动力学模型,根据驾驶员的输入操作,通过改变汽车视野场景的方式来模拟汽车的行驶过程,从而达到逼真化的模拟驾驶效果。2.2系统要求本文研究的汽车模拟驾驶视景系统是以训练为主的主动型单机系统。该系统的主要技术要求有:主动性:学员可自由选择场景环境,或训练内容。8山东大学硕士学位论文实时性:计算机视景根据学员操作情况实时生成。仿真性:图形视景、声响及驾驶感觉均仿真车辆和实车驾驶。灵活性:视景系统运行硬件要求较低,软件平台为现今最为流行的windows平台;具有操作界面简单易会,软件移植性强的特点。2.3模驾视景系统的构成视景系统采用基于计算机平台和专用三维建模软件的三维图形开发技术。视景仿真系统由汽车动力学模型、场景模型库、声音数据库、模驾引擎、视景输出、声音播放等部分构成,如图2-2所示。其方法是预先建立景物的三维模型,视景控制管理模块根据汽车动力学模型计算出的汽车行驶速度和方向或世界坐标,动态地调用视景模型库中相应的景物数据以及相应的声音数据,然后送渲染显示模块生成三维虚拟视景并同时播放场景中相应操作声响效果n51。汽嚣学l I场景模型库ll声响数据痒鏊掣嚣銎巢袭,H渲染媪示模驾引擎系统 l rI憾承艘1、声响处理图2?2视景系统结构图2.4模驾视景系统仿真流程大屏幕显示音响声啬搔放根据系统总体要求,设计模拟驾驶视景系统仿真流程,如图2?3所示。系统开机后,从事先建好的模驾场景库中调入指定的汽车行驶场景,初始化视景系统的场景界面,系统循环等待驾驶员的输入操作,当系统检测到相关驾驶操作时,根据动力学模型计算出汽车的实时速度和行驶方向,并由视景引擎部分把这些数9山东大学硕士学位论文据转化成相应视景变化和声响效果,通过输出设备大屏幕显示器、音箱等显示和播放出来,进而完成模拟驾驶整个流程操作。图2-3视景系统仿真流程图2.5开发环境与工具选择本系统的开发环境是MicrosoftWin32,采用它作为本系统的开发平台主要由于其用户量大,市场占有率高,应用范围广,是目前最流行的基于PC机的操作系统之一。有两个优点:对于用户而言,Win32操作系统的应用软件和硬件支持丰富、用户界面好;对软件开发而言,Win32支持抢先的多任务,支持真正的32位编程,支持图形用户界面设计,是图形编辑类软件开发的首选系统平台。系统图形建模工具采用美国Autodesk公司的三维模型制作和渲染软件3ds7.0,该软件广泛应用于建筑设计、三维动画、音视制作等各种静态、动态场景的模拟制作。采用原因主要有3点:1.功能强大,扩展性好;2.操作简单,容易上手;3.和其它相关软件配合流畅。系统编程工具采用Microsoft公司出品的可视化编程工具VisualC+6.0。10山东大学硕士学位论文其优点是能够充分利用MFC的优势、最新技术的支持和丰富的技术资源,而且具有强大的辅助工具功能,是开发Windows应用程序的强有力工具。综上所述,本系统是在Windows系统环境下,利用MicrosoftVisualC+6.0的开发工具,通过DirectX和3ds7.0软件结合动力学模型来调用视景模型,实现三维虚拟场景的实时生成。山东大学硕士学位论文第3章汽车动力学模型建模汽车动力学模型是开发汽车模拟驾驶视景系统的前提,汽车的动力学仿真模型包括动力学分析和运动学分析两个部分n61。动力学分析部分根据外界条件地面摩擦系数、侧向摩擦系数、汽车俯仰角、制动力矩所产生的阻力和车辆自身输出的动力计算车辆加速度;运动学分析部分则根据动力计算出的结果来计算车辆的速度,转向半径,以及转向角速度。要建立汽车模拟驾驶视景系统,首先必须建立汽车的动力学模型n朝。根据对操纵机构的油门、档位、离合器状态、制动器状态、换档操作、转向操作等操作状态,以及视景子系统提供的坡度角、阻力系数、最大转向阻力系数、有无障碍等地形数据进行实时计算,得到该环境下汽车的速度、方向等信息,供视景系统的图像运行显示时调用,实现视觉模拟。同时,也为仪表实时显示提供了车速等所需的数据,实现模拟驾驶舱的仪表显示。由于汽车动力学系统是一个庞大而复杂的系统n7l,在这里为了简化这一系列问题,我们假设如下:1.在汽车受力分析中,将汽车视为统一整体;2.不考虑汽车轮胎的变形和地面的变形;3.汽车受力分析时将汽车作为一个质点来考虑,即作用于汽车上的各种力的作用中心为汽车质心;4.在城市道路交通中不考虑俯仰、侧滚等情况下,计算汽车位置在X方向上的变化dx,在Y方向上的变化dy和车辆航向的变化dh;5.汽车水平运动时路面绝对水平;以上是我们对汽车进行动力学分析时要用到的一些假设,以下的受力分析都是在这个基础上展开的。3.1汽车直线运动受力模型12常态下,汽车运行是由于汽车发动机的动力驱动,而这个驱动力还有一部分山东大学硕十学位论文是用来克服诸如空气、滚动等阻力。对车辆进行动力学分析,计算出每一时刻车辆的受力的总和,根据力学原理户朋口,从而得出车辆的加速度,计算出运行速度等参数。在系统开发过程中,首先研究了汽车在各种状态下的受力情况并求出合力F,这是汽车行驶时首要考虑的问题,根据受力分析确定汽车当前的运行状态,从而分析汽车的各种操作装置油门、离合器、刹车、档位等在不同工作状态下对汽车行驶状态的影响,建立汽车模拟驾驶器动力学仿真模型n8均1。1.空气阻力及阻力系数分参。 3-1式中:昂为阻力N;p为空气密度;V为气流速度m/s;A为迎面投影面积朋2。CD值根据不同汽车的情况有所不同,一般:跑车0.卜0.2,轿车0.2-0.45,客车0.45-0.8,货车0.8-1.0。2.汽车在起动时的受力情况汽车在起动时,受到水平方向发动机的驱动力Z,静摩擦力乃,空气阻力小兄,坡度阻力E上坡时为阻力,下坡时则转化为动力,坡度为零时此力为零,下同,加速阻力巧。3.汽车在加速运行过程中的受力情况汽车在运行过程中受到发动机的驱动力F,滚动阻力哆,空气阻力E,坡度阻力E,加速阻力乃,在运动过程中踩刹车时还受制动力吒。加速阻力弓与制动力E不会同时存在。4.汽车在刹车过程中的受力情况汽车在刹车时的受到发动机的驱动力C,滚动阻力乃,空气阻力E,坡度阻力C,地面制动E,手刹制动力E手刹拉起时作用。当汽车发生碰撞时,碰撞山东大学硕士学位论文外力为匕,运动是从视景计算机的碰撞检测中计算得到的。5.动力学方程综合以上几种情况,可以将汽车受力情况用一个力学方程表示,其中有些力不同时出现。FZ一乃一只一只一C一死一圪一C3-2式3?2中,滚动阻力乃,坡度阻力E,手刹力E只与汽车的参数与道路条件参数有关,其他力除了与汽车道路参数有关外,空气阻力E与车速V2有关,加速阻力,与dv/dt有关,故在程序中应保留最近两个相邻时间片的速度和发动机的转速,而外力C作用只是在特殊的情况下才会作用,故暂且不考虑。3.2汽车加速度模型通过上述受力分析,根据牛顿第二运动定律F肌口,故可求出汽车的加速度dva?2dt式中:m为汽车总质量。Z一乃一只一E?C一只3-3已知汽车初始速度vo-0,由式3-3计算出加速度a,可计算出一段时间f之后的速度Vvo+口At。假设在这个时间段内,汽车的加速度恒定,设时间间隔出为50ms,就可以求出v的下一时间段的起始速度%。3.3汽车转向控制模型在汽车模拟驾驶视景系统中,要进行转向控制就要确定汽车的世界坐标位置系统中整个场景的坐标系称为世界空间或世界坐标,汽车行驶的速度以及汽车行驶时当前的方向。假设汽车在平行于路面的平面上运动,汽车行驶方向模型就14山东大学硕士学位论文口】看作汽车转角与方向盘转角之l司的函数关系,并假设汽车转向时汽车行驶方向的改变无延迟地跟随方向盘转角的控制。当方向盘转动妨角度时,经时间dt后,汽车行驶方向在初始方向基础上转过dO角度,如图4-4所示,其中汽车转向半径R由方向盘转角屯决定,即R%/&,其中%为汽车转向半径与方向盘转角的系数。由此可以推导出:d92d7rSRx2zvL。dt6.,3?47rR l。、 7图3-1汽车行驶方向控制所以,汽车行驶方向的控制模型为:筹争屯 3-5dt 1ww V叫3.4汽车动力学模型的应用视景仿真系统与动力学模型相结合后,汽车就会根据驾驶员输入信号做出响应。动力学模型会对输入的信号进行分析,然后用动力学方程解算输入信号,从而得出汽车的响应,即汽车的运动状态会产生哪些改变。汽车的动力学模型方程可以通过仿真回调函数simulationcallback来访问,在定义汽车对象时可以使用函数CGameEngine?obi?set?sim_callback为汽车对象添加运动控制仿真回调函数,当本系统运行时会自动定时调用仿真回调函数,执行完这个函数后再执行其他进程。初始化时将汽车设置为一个类,类中所有成员变量是汽车的参数和自由度运15山东大学硕十学位论文动信息,将动力学方程用c+语言写出。输入信号改变的是汽车对象的方向盘转角变量、加速变量和刹车变量,当本系统检测到输入信号改变了以上某个变量值时,将当前值传入仿真回调函数,仿真回调函数根据这些变量的新值,算出汽车模型的自由度运动信息的数值解,再根据这些数值解算出汽车在场景中的位置和方位信息,使用函数CGameEngineobisetposition和CGameEnginesetrotation为汽车重新定位,就实现了仿真程序的交互过程。实现流程如图3?2所示。16操作数据输入li崩二:j蜓二;蜘二:!磷二!蔓孽一:毒i最毒打i一篱晕趸勃孤蕃壶万凌砸:I童菱蔓.加_萼壁挈.曼皇蔓掣.i上根据动力学模型计算出汽车的转角变量、加速变量和刹车变量等参数l根据相关参数控制屏幕视景发生改变,实现模拟驾驶逼真效果图3-2动力学模型在视景系统中的应用山东大学硕十学位论文第4章视景系统的场景建模设计4.1场景内容规划设计模驾视景系统的第一步就是根据真实世界建立视景窗口中驾驶员所看到的虚拟场景模型,场景模型的层次结构图如图4?1所示。图4?1视景系统场景模型层次结构图模拟驾驶视景系统中描述的场景是一个客观的现实世界,主要包括各种景物、建筑、交通设施等,本系统的场景内容结构层次规划如下:1.静态3D场景模型:主要是驾驶员通过视窗看到的景观,包括地面仿真区域、地理表面的形态和地面上的人造或自然景观,如道路交通标志、房屋、树木、花草、山、河流等;为了更加逼真的模拟真实场景,系统还可以添加一些运动场景如来往的车辆和行人,由于时间关系在本系统中这一部分的设计没有实现,后期我们会有所调整。17山东大学硕士学位论文2驾驶舱操作模型:驾驶址在进行相关操作的时候,需要计算机作出相应的人机交互,木系统根据汽车动力学原理处理驾驶员的输入操作,通过相应的场最变换.训算汽牟速度仪袭的变化.仿真汽乍真实的驾驶状况.给操作者以真实的感受。:j特效模型:包括灭空、雾效和文字等。42静态3D场景模型设计421整体框架模型设计首先对雅个场景的地形地貌进行合理的规划,f_建立其整体轮廓。本系统中整个视精窗kJ+P看到全部地形地貌足通过一个覆盏而积为6000平方米的长方形米实现的,桐当一个超大的体育场,上叫建有一环形公路.作为汽车的跑道:模型边境建有【l墙,为阻后进行汽车的碰撞检测制定可视化效果:其余空旷的地方可以放胃一些建筑物、树林和草坪等景物,使整个模型更加丰富,更加贴近真实的生活环境。整体框架建模如图4?2所示。幽,12整体框架建模框瑚山尔大学碗+学位论文422局部单元模型设计在完成整体框架建模后,我们开始对些单元模型进行建设,如房屋、大楼、树木、草地、交通设旌等等,我们将他们逛一的设计好后,然后进行组装。接下来通过一栋建筑物的设计为文例,说明本系统的局部单兀图形的建模过程。对j:一栋建筑物的建模.我们首先对这栋建筑的大体框架进行简单的规划和设计,从地面这个视角去观察建筑物,可以看到它的4个侧而,这就让我们连一建立4个侧面的建筑模型,然后进行组装.从而完成整栋楼的建模。建模步骤如下:1对真实建筑物四个侧而进行拍照,照片保存为-Pc的式。如图4:i所示。圈4-3矬筑物的Jr面、左、右侧面酗2以建筑物的正断图建模为例,说明建模过程:打开3ds软什.激活|j视图窗J,选掸视图视口背景文件一找到建筑物丑面圈的JPg图片.把建山东大学硕士学位论文筑物正而罔调入3ds的前视图中作为建模的设计背景,进行楼体前墙框掣建模。如图4-4所示。蚓44建筑物建模的设计背景3在命令面板中,选择创建一图形一线,根据建筑物正面圈绘制楼体的二维框架,绘制完成后,在修改器中添加“挤出”命令.墙体厚度为20像素。如图4-5所示。图45建筑物正面框架图山东人学硕士学位醅文l豳i;峪囫i鬟i鬻fI蒸_嘲d一7建筑模型整体效果幽山采大学硕I。学托沧立423场景单元组装把所有场景单元郝制作好后,就可以组装各个局i:|f幽形了,塌终迎n+个比较大型的虚拟场景,制作效果如图48所示。嘲4-9一个简单虚拟场景的Scenex效果削山尔人学硕七学位论文43驾驶舱操作模型设计根据场景模型库中的结构层次规划,找到驾驶舱模型中的各个单元部分,如汽车仪表、方向指示灿、后视镜等.凶为这些场景单元小随摄影机的运动所改变,建模的时候可以用二维界而表现这些图形单兀,这里利用PhotoshopCS软件进行设计.虽后将所有的二维图片转换成dss格式文什,为程序调用做好准备。本文以汽车操作舱设引为例,说明制作过程。431汽车仪表舱设计对1:汽车仪表舱来说,我们先里觑划女,它包含哪些单元部件,如方向盘、速度仪表、转向灯等等,为了更加逼真的醴计,我们首先对真实的汽牛仪表舱进行拍照,然后逐制作各个竹元部件,然后整合,制作步骤如下:1.对真实汽车仪表舱吲酊进行拍照,照片保存为JPc的格式。如图410所示。圈4一IO真空汽午仪嵌舱JF面豳2丰J开PhotoshopCS软件,改变图片尺寸,镂空仪表盘,居巾方向盘位越突出仪表效粜。如图4一ll所示。山尔大学硕士学位论文图411汽车驾驶舱效果酗3制作仪表盘制作,这里是对真实的仪表盘进行裁减制作的。效果如图412所示罔4一12汽车仪表盘Speeed仪袁RPM仪表盘效果圈4转向灯制作:在制作转向灯时。系统要求在汽车转向时闪烁,所以我们要制作转向灯亮起的效果图,制作效果如图4一13所示。幽d13汽午转向灯效果削5.整合所有单元部件,生成一个完整的汽车驾驶舱。朝l图4一】4所示。山东人学颤十学位论文盈蘑匾函4.32生成ds$文件图4一14完整的汽乖#驶舱效粜图Direct3D设备可支持bmp、dds、dib、.hdr、JPg、.png等格式的图像文件,但由于dss格式的图片文件叮以包古alpha通道,并且使用Dxl方式对图片进行压缩:DirectX可以使用硬件对其解压,解压速度具有较快的优势,所以本系统采用这样的图片格式,这就让我们必须把这些制作好的二维图素材转换成dss格式的。步骤如F:l_给PhotoshopES安装DIS图片捅件。启动PhotoshopCS.打开制作好的图片。如嘲4一15所示。嘲4一15打开钾驶舱PSD削片liJ东火学硕士学位论文做如图d-16设置,然后保存为dds图片,这样就完成了图片格式的转换。皿衄匝瞄_?l_?譬,9I犀固匿啊曩氲蕾可?刁L兰_J?竺u阿丽i?1叫?翟:黧嚣iI舯n哪| s怕雕u I m岫Mp州?二| f二三亟;互五三蜀|?堕?oJ?_而?_!|j剑删Jb【A。l竺业划兰型l:二垦三兰f44特效场景的设计在本系统中使用的特效场景有:天空场景的设计,天气雾化效果的处理,背景文字的显示,其中背景文字的显示主要是通过程