（计算机应用技术专业论文）虚拟驾驶系统的物理仿真关键技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 虚拟驾驶系统是数字媒体领域的热点应用之一，它覆盖了计算机图形学、 3 d 渲染、物理仿真等多个领域的方法和技术，在数字娱乐、交通仿真、汽车工 业研发、国防建设等领域有着广泛的应用价值。本文针对虚拟驾驶系统中的物 理仿真关键技术进行研究，完成了以下主要工作： 1 汽车动力学物理仿真的建模方法 本文设计并实现了基于刚体的车辆物理模型，采用车体框架、轮胎与悬挂 弹簧相结合的方法建立了较为完整的汽车物理模型，并与几何模型、行为模型 相互结合，搭建了虚拟驾驶系统的完整框架。 2 汽车动力学物理仿真的核心技术方法与实现流程 本文研究并实现了针对汽车驾驶过程中各类物理效果的仿真机制，对加速、 减速、制动、转向、悬挂、漂移、侧翻等物理效果进行了完整的动力学仿真机 制研究，设计并实现了针对各个物理效果的计算方法。 3 虚拟驾驶系统中的物理仿真模块与调试工具 在完成方法研究的基础上，本文设计并实现了不同地形条件下虚拟驾驶系 统的物理仿真模块，针对数据结构、计算参数、交互机制、控制流程进行了较 为全面的研究，并在此基础上开发了集操控与调试于一体的软件系统，可用于 汽车物理仿真的参数调试与效果审查。 本文工作既可满足数字娱乐领域赛车类游戏的应用要求，也可经过修改完 善后用于其他领域，本文研究成果具有稳定性和通用性，软件开发试验结果证 明了本文研究工作的有效性。 关键字 数字媒体技术虚拟驾驶系统物理仿真汽车动力学实时渲染 a b s t r a c t a b s t r a c t v i m j a ld r i v i n gs y s t e mi so n eo ft h eh o ta p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do fd i g i t a lm e d i a ， i tc o v e r sc o m p u t e r g r a p h i c s ，3 dr e n d e r i n g ，p h y s i c a ls i m u l a t i o na n dt h eo t h e rm e t h o d s a n d t e c h n i q u e s 。i th a st h ev a l u eo faw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nd i g i t a l e n t e r t a i n m e n t ，t r a f f i cs i m u l a t i o n ，a u t o m o t i v ei n d u s t r yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，a n d t h en m i o n a ld e f e n s e i nt h i sp a p e r , t h ek e yt e c h n o l o g yf o rp h y s i c so fav i r t u a ld r i v i n g s y s t e mh a sb e e nr e s e a r c h e d ，c o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gm a j o rt a s k s ： a ) v e h i c l ed y n a m i c sp h y s i c a ls i m u l a t i o nm o d e l i n gm e t h o d s t h i sp a p e r d e s i g n sa n dr e a l i z e st h ep h y s i c a lm o d e lb a s e do nr i g i dv e h i c l e s ，i ti s b a s e do nb o d yf l a m e ，t i r e sa n ds u s p e n s i o ns p r i n gc o m b i n e dm e t h o d st oe s t a b l i s ht h e c o m p l e t ep h y s i c a lm o d e l ，a n dt h e c a rw i t hg e o m e t r i cm o d e l ，b e h a v i o rm o d e l c o m b i n i n gv i r t u a ld r i v i n gs y s t e m ，b u i l d sac o m p l e t ef r a m e w o r k b ) t h ec o r et e c h n o l o g i e so fp h y s i c a lm e t h o d sa n dp r o c e s s e so fv e h i c l e d y n a m i c ss i m u l a t i o n t h i sp a p e rs t u d ya n dr e a l i z et h ec a rd r i v i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nm e c h a n i s mo f p h y s i c a le f f e c t so fa c c e l e r a t i o n ，d e c e l e r a t i o n ，b r a k e ，s t e e r i n g ，s u s p e n s i o n ，d r i f t ，s i d e e f f e c to ft h ep h y s i c ss u c ha sd o u b l ec o m p l e t e d y n a m i cs i m u l a t i o nm e c h a n i s m r e s e a r c h ，d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ne a c hp h y s i c a le f f e c t so fc a l c u l a t i o nm e t h o d s c ) v i r t u a ld r i v i n gp h y s i c ss i m u l a t i o ns y s t e mm o d u l e sa n dd e b u g g i n gt o o l s o nc o m p l e t i o nm e t h o do nt h eb a s i so ft h er e s e a r c h ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n d r e a l i z e sad i f f e r e n tt e r r a i nv i r t u a ld r i v i n gs y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ep h y s i c a l s i m u l a t i o n m o d u l e ，a c c o r d i n gt o d a t as t r u c t u r e ，t h ec a l c u l a t e dp a r a m e t e r s ，t h e i n t e r a c t i o nm e c h a n i s ma n dc o n t r o lp r o c e s sw e r es t u d i e da n dd e v e l o p e do nt h eb a s i s o fi n t e g r a t i n gm a n i p u l a t i o na n dd e b u g g i n gi no n eo ft h es o f t w a r es y s t e m ，a n dc a nb e u s e di na u t o m o b i l es i m u l a t i o np a r a m e t e r sa d j u s t m e n ta n de x a m i n a t i o nr e s u l t s t h i sw o r kc a ns a t i s f yt h ed i g i t a le n t e r t a i n m e n tf i e l da p p l i c a t i o no f r a c i n gg a m e ， c a na l s ob em o d i f i e dp e r f e c tf o ro t h e rf i e l d s ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h es t a b i l i t ya n d u n i v e r s a l i t y , t h ea c h i e v e m e n t s i ns o f t w a r ed e v e l o p m e n tt e s tr e s u l t sp r o v et h e i i a b s t r a c t e f f e c t i v e n e s so ft h i sr e s e a r c hw o r k k e y w o r d d i g i t a lm e d i at e c h n o l o g y , v i r t u a ld r i v i n gs y s t e m ，p h y 7 s i c a ls i m u l a t i o n ，v e h i c l e d y n a m i c s ，r e a l t i m er e n d e r i n g i i i 图目录 图目录 图1 1 物理引擎功能示意图6 图1 2 物理引擎基本结构7 图l - 3 物理学世界模块结构图7 图1 4 碰撞检测模块架构示意图8 图1 5 碰撞检测模块流程图8 图2 1 汽车物理仿真模型功能定义图1 3 图2 2 汽车传动系统示意图1 5 图2 3 神龙轿车发动机转矩特性曲线1 6 图2 4 制动力系数与滑移率的关系：1 7 图2 5 不同精细程度的车身外形抽象1 9 图2 6 车身与轮胎坐标系示意图2 0 图2 7 轨迹说明图2 2 图2 8 b o xa c t o r 物理抽象示例2 3 图2 9 汽车物理模型示意图2 4 图2 1 0 物理仿真系统结构设计2 5 v i 图目录 图3 1 虚拟驾驶系统功能结构图2 8 图3 2 虚拟驾驶系统结构设计示意图3 0 图3 3 车辆转向控制处理流程3 2 图3 4 车辆模型中的部件组织关系3 3 图3 5 车辆部件管理模式设计3 3 图3 6 虚拟驾驶系统物理仿真处理流程3 4 图3 7 渲染引擎与物理引擎集成3 9 图4 1 物理参数调整示意图4 1 图4 2 漂移示意图4 2 图4 3 颠簸示意图4 3 v n 表目录 表目录 表2 1 虚拟驾驶系统中的汽车建模层次与逻辑关系1 4 n 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：去恪笑 i 矽秒少年厂月棚 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 砌7 年歹月矽日 南开大学学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文系本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库 。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解直珏盔堂图立焦羞王堡在! 焦厦堂焦论塞的筐理发洼! 同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称： 作者签名： 学号： 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究背景 1 1 1 虚拟驾驶系统的发展历史 汽车虚拟驾驶系统是利用计算机图形学技术、3 d 渲染技术、物理仿真技术 以及其他数字媒体技术，以实时计算和物理仿真为主要手段，实现对汽车驾驶 过程的真实模拟，它能接受用户的实时输入( 通过鼠标、键盘、方向盘、游戏 杆等) ，由计算机计算得出汽车行驶过程中的虚拟视景、音响效果和运动仿真， 并通过视频设备和音频设备呈现给操作者，使驾驶员沉浸到虚拟驾驶环境中， 得到实车驾驶的感觉【1 】【2 1 。 在国外，虚拟驾驶最早出现在航空驾驶训练中，随着仿真技术的发展，特 别是计算机成像技术的成熟，虚拟驾驶才逐渐应用在汽车训练中【引。在美国等一 些发达国家，早在2 0 世纪7 0 年代，汽车虚拟驾驶系统就己经作为一种较为先 进的驾驶员培训工具广泛用于驾驶员培训中心【4 】，西欧、日本等政府不仅投巨资 开发汽车驾驶训练模拟器，还明文规定驾驶学校必须配置汽车驾驶训练模拟器， 并采用汽车驾驶训练模拟器来对驾驶员的驾驶能力进行测试，用来检查驾驶员 的驾驶熟练程度以及对事故的防范能力等。美国在上一世纪8 0 年代中期就有4 0 0 多所汽车驾驶学校装备了汽车驾驶模拟训练器，大多数欧洲国家也相继制定了 使用汽车驾驶训练模拟器的法规【5 。刀。开发型虚拟驾驶系统现己成为研究汽车性 能，设计、开发汽车新产品【8 】探索“人一车一路系统”相互关系的主要工具，受 到了汽车工程领域内的极大关注，其主要形式是各种各样的驾驶模拟器的研制。 从2 0 世纪8 0 年代以来，国外的各大汽车集团和汽车技术研究机构就开始 投入大量的人力、物力甚至应用国防及空间领域的高精技术来开发各类驾驶模 拟系统。其中，最具代表性的是德国戴姆勒一奔驰公司1 9 8 5 年在柏林研制成功 的六自由度开发型驾驶模拟器，该驾驶模拟器己成功地用于系列化高速轿车的 产品开发中，其性能代表着当时汽车驾驶模拟技术的最高水平 9 - 1 2 】。 我国在虚拟驾驶系统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， 第l 页 第一章绪论 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2 0 世纪7 0 年代，中 国己有自己研制的点光源、转盘机电式汽车模拟器。现阶段，随着汽车保有量 的急剧增加，我国自行研制的训练型主动式汽车驾驶模拟器技术己日趋成熟并 进入商品化阶段，开发型汽车驾驶模拟器也有了长足发展，但是，总的说来， 还存在开发技术含量低，汽车视景与操纵动作脱节、迟后，“沉浸感”、“交互性” 与“实时性”不强，价格偏高等缺点。还没有真正意义上的一种大众化的、容 易普及的汽车驾驶模拟器产品。 以上提到的虚拟驾驶系统均是光机电一体的模拟系统，它包括驾驶室或驾 驶舱、多媒体电脑中央控制系统等硬件系统和支持网络的视景仿真软件系统， 此类系统有着成本高，难推广的特点。随着计算机软、硬件技术的飞速发展， 计算机硬件的价格不断下降，性能不断增强，软件技术的逐步成熟，都为汽车 虚拟驾驶系统的研究、开发和应用提供了技术和经济的保障。在这种背景下， 本文提出在p cw i n d o w s 平台上建立一套独立的应用系统，基于商用3 d 图形引 擎开发，凭借实时3 d 渲染画面给予用户真实生动的汽车交互体验。 1 1 2 虚拟现实技术简介 随着科学技术的飞速发展，人类社会已经跨入了信息时代。作为计算机技 术重要组成部分的计算机虚拟现实技术，因其有效性、经济性、安全性、直观 性等特点受到了广泛的采用，并且已经在社会各个科学的应用领域中成为不可 或缺的技术手段。 1 1 2 1 虚拟现实技术及其特点 “虚拟现实技术 ( v i r t u a lr e a l i t yt e c h n i q u e ，简称v r ) 是19 8 9 年美国v p l 公司的创建人之一j a r o n l n a i e r 提出来的，国内也有人译为“灵境”、“幻真 等， 国外与虚拟现实同类的术语，还有虚拟环境、人工现实及电脑空间等【l3 1 。所谓 “虚拟现实 ，是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉 等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这 一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。这一定义强调的是：逼真的感觉、 自然的交互、个人的视点及迅速的响应【1 4 】 15 1 。 1 9 9 3 年，b u r d e ag 提出了针对虚拟现实系统的3 i ，被认为是对虚拟现实技 第2 页 第一苹绪论 术的准确描述 1 6 】，这3 i 即是沉浸感( i m m e r s i o n ) 、构想性( i m a g i n a t i o n ) 和交互性 ( i n t e r a c t i o n ) 。 1 沉浸感( i m m e r s i o n ) 沉浸感是虚拟现实最主要的技术特征，是指用户借助交互设备和自身的感 知觉系统，对虚拟环境的投入程度。用户不仅可以通过视觉和听觉，还可以通 过嗅觉和触觉多维地感受到虚拟世界中所发生的一切，它们看上去是真的、听 起来是真的、动起来也像是真的。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用， 就如同在现实世界中的一样，使人们能全方位地沉浸其中。当然，这也正是虚 拟现实技术追求的终极目标：力图使用户全身心地投入到计算机所创建的三维 虚拟环境中，成为虚拟环境中的一个部分，处于身临其境的感觉状态，而不仅 仅是旁观者。 2 构想。l 生( i m a g i n a t i o n ) 构想性是指借助虚拟现实技术，使抽象概念具像化的程度。虚拟现实不仅 仅是一个媒体，一个高级用户界面，它是为解决工程、医学、军事等方面的问 题而由开发者设计出来的应用软件，它能以最直观的方式表达设计者的思想。 比如在建造一座现代化的大厦之前，要对其结构做细致的构思。然而许多量化 的设计图纸的读者只能是极少数的内行人，而虚拟现实则可以用别样方式同样 反映出设计者的构思，只不过它的功能远比那些呆板的图纸生动和强大得多。 3 交互性( i n t e r a c t i o n ) 交互性主要是指用户通过使用专门输入和输出设备，实现对模拟环境的考 察与操作的程度。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，用户不 仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传 感设备进行交互。计算机能根据用户的头、手、眼、语言及身体的运动等输入， 来调整系统呈现的图像及声音，使用户达成对虚拟环境中的对象的考察或操作。 虚拟现实技术生成的模型并不是一个静态的世界，也不是一个简单的单向动态 世界，而是一个开放的动态世界，可以对用户的输入做出实时反应。例如用户 可以用手去直接抓取和移动模拟环境中的物体，不仅有抓东西的感觉，还能感 到物体的重量；用户可以像现实中一样拿起一把虚拟的火炬，并在虚拟环境中 打开开关点燃它等等。虚拟现实技术将从根本上改变人与计算机系统的交互方 式。 第3 页 第一章绪论 1 1 2 2 虚拟现实技术的发展 虚拟现实技术是高度发展的计算机技术在各种领域应用过程中的结晶和反 映，不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、传感 技术及人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚至与气象、 地理、美学、心理学和社会学等相关学科【1 7 】。目前，v r 作为- - i q 新兴的技术， 其应用己从游戏机和主题游乐园扩展到了工业、商业、医学和军事等多个领域 【l8 1 。虚拟现实是一项难度很大的综合技术，要达到逼真的多种感觉和实时的自 然交互是非常不容易的。例如：逼真的立体视感( 沉浸感) 需要宽视野和高分辨率 的显示设备，而现有的头盔显示器不仅分辨率低、价格贵，而且带在头上更是 不方便；又如，要对大型地理数据( 如地形图) 进行三维浏览和交互处理，往 往响应时间很慢；至于触觉反馈或嗅觉设备离实用更有很大距离，等等。虚拟 现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段：有声、形、动态的模拟是蕴涵 虚拟现实思想的第一阶段( 1 9 6 3 年以前) 、虚拟现实萌芽为第二阶段( 1 9 6 3 年一 1 9 7 2 年) 、虚拟现实概念的产生和理论初步形成为第三阶段( 1 9 7 3 年一1 9 8 9 年) 、 虚拟现实理论进一步的完善和应用为第四阶段( 1 9 9 0 年一至今) 吼2 4 】。 1 1 3 物理仿真技术的发展与应用 虚拟现实本质上是客观世界的仿真或映射，虚拟现实的模型则是客观世界 中物体或对象的代表，而现实中的物体均有自己的物理属性，因此虚拟现实技 术的进步离不开物理仿真的发展。虚拟现实技术允许用户通过输入设备操纵虚 拟环境的虚拟物体，虚拟环境会相应地反应，产生一种身临其境的感觉。例如：向 空中抛出物体，物体不应悬浮在空中，而应当做抛物运动，最终落于地面。因 为重物不仅具有一定外形，而且具有一定质量并且受到地心引力的作用。物理 仿真在提高虚拟现实环境交互性、真实感方面效果显著【2 5 1 ，其目的就是实现虚 拟世界中的物理效果，使得虚拟世界具有真实感。 1 1 3 1 物理仿真的理论基础 这些理论基础主要有：动力学、数值计算、碰撞检测。动力学提供了物理 学对现实力学现象的数学描述，这种描述是定量的、可计算的，在刚体动力学 中，这些运动规律是用常微分方程描述的【2 6 】。数值计算提供了解运动微分方程 的手段，目前有许多微分方程数值计算方法，有的速度很快，有的精度很高， 第4 页 第一苹绪论 但很难保证计算速度快的同时精确度很高：碰撞检测用于一类非贯穿性约束力 学现象的实现【2 7 】，现实中的物体大多是不能相交的，当运动中相遇即发生碰撞， 根据现实物体材料性质，碰撞前速度不同，碰撞后的运动状态也不相同。 1 刚体运动 刚体描述了现实世界中一大类物体，变形很小，或者在运动中变形忽略不 记的物体都可以抽象成刚体。刚体的运动由质心的平移运动和绕质心的旋转运 动合成。相应的有两套运动微分方程组，描述刚体的质心运动规律的方程组： m 掣= 驰m ( 1 1 ) 即f = m a 的合力形式，加速度是位移对时间的二阶导数和描述刚体绕质心 的转动规律的方程组： 了d l ( t ) ：巧( f ) ：删 ( 1 2 ) d tp 。 、。 l ( t ) 为刚体的角动量，即l ( t ) = i ( t ) ( t ) ，i ( t ) 是惯性张量，6 0 ( t ) 是角速度；惯性 张量用来描述物体的质量分布，相同形状的物体，质量分布不同，产生的旋转 运动也各不相同。当力的作用通过刚体的质心时，刚体受到的力矩为零，不产生 旋转运动；当作用线偏离质心时，会产生一个作用于质心的力和一个力矩，刚 体会同时作平移和旋转运动。 2 微分方程数值解 高阶微分方程能降阶转化成一阶微分方程，一阶微分方程的数学形式是 jy ( x ，y h( 1 3 ) 【y ( x o ) 2 y o 微分方程数值解的一个主要方法是将x 按照步长h 离散，则x k - x 。+ k 。，k = 0 ， 1 ，n ，建立递推表达式y k = y k - l + h t ( x k - r ，y k - r ；x k - l ，y k - 1 ) 。计算y l ， y ：，y ，y 。，例如有欧拉法，及其改进形式，龙格一库塔方法，自适应步 长的龙格一库塔方法。 3 碰撞检测 碰撞检测就是要检测空间中的几何形体是否相交，只针对物体的几何属性， 碰撞检测中简单几何形体的碰撞容易检测，凸体的碰撞容易检测【2 8 1 ，而复杂几 何形体、凹体不易检测或非常耗时。如球体的碰撞检测 2 9 】，只需测试两个球的 球心距是否大于两个球的半径之和，如果大于，没碰撞，小于等于则碰撞。对 第5 页 第一章绪论 于形状复杂的一些物体的碰撞检测，采用层次包围盒的方法能提高效率，整个 物体由一个大的包围盒包裹住，物体再分成两部分，各自用一个包围盒再包住， 这样细分下去，到每个包围盒只包括一个简单几何体。这形成了一棵包围盒二 叉树，碰撞检测时，如果两棵树的根节点( 根节点是包围盒) 不相交，两物体不相 交，否则，层次遍历两棵二叉树；如果检测到叶节点的包围盒相交，则要检测 简单几何体。在不同的软件应用中，对于碰撞检测的要求不同。在一些三维c a d 软件中，提供干涉检查，可以很好的检测复杂零部件是否发生干涉，及时修正 设计缺陷。三维c a d 软件检测碰撞是精确度非常高，但速度不高，启动干涉检 查等待l 2 s 得出结果，而在虚拟现实3 d 模拟器项目中，碰撞检测耗时l s 将使画 面停顿，真实性大打折扣，这时碰撞检测的速度是关键，用户操纵一虚拟物体 与另一物体碰撞，画面上就要实时显示出来【3 们。 1 1 3 2 物理引擎简介 虚拟现实中的物理仿真是通过物理引擎来实现的，物理引擎接受的输入是 由外界调用模块传递过来的场景信息以及场景中物体的位置信息。根据调用模 块的不同，可能输出三种计算结果：场景与物体以及物体之间是否发生碰撞、 碰撞发生的具体位置以及发生碰撞后物体的具体位置；并将计算结果传送给调 用模块【3 1 1 。其功能如图1 1 所示。 图1 1 物理引擎功能示意图 物理引擎自场景系统中获得场景信息，并且获得场景中物体的位置信息等 数据进行计算，判断场景与物体之间以及物体与物体之间是否发生了碰撞，如 果发生了碰撞则计算出碰撞后各物体的精确位置并将位置信息传递给渲染引擎 模块，由渲染模块将其渲染输出到屏幕上；判断出物体将要发生碰撞，则将该 信息传递给人工智能模块，人工智能模块由该信息进行路径规划以及制定躲避 策略。 第6 页 第一章绪论 任何物理引擎都必须满足牛顿力学三定律，即必须构建在现实物理世界的 基础之上。此外，由物理引擎的功能所决定，物理引擎的核心便是碰撞检测模 块。由此可知物理引擎系统由两部分组成，如图1 2 所示。 图1 2 物理引擎基本结构 物理学世界模块，是现实世界的抽象模型。一般来讲，物理学世界包含两 个部分，一个是刚体物理学世界，一个是柔体物理学世界。在力的作用下，体 积和形状都不发生改变的物体称作刚体。刚体按照其运动特征可以分为平动、 定轴转动、平面运动、定点运动和一般运动等形式。在一般情况下，运动刚体 上各点的轨迹、速度和加速度是各不相同的，但彼此之间存在着一定的关系。 体积和形状在力的作用下能够发生变化的物体称作柔体，柔体在运动过程中， 其上各点的轨迹、速度和加速度随时发生变化。物理学世界的模块结构如图1 3 所示。 图1 3 物理学世界模块结构图 碰撞检测模块是物理引擎的核心模块，是建立在物理学世界基础上的，由 初步碰撞检测、精确碰撞检测和精确求交三个基本模块组成，如图1 4 所示。 第7 页 第一章绪论 【3 2 - 3 6 图1 4 碰撞检测模块架构示意图 初步碰撞检测、逐步求精模块、精确求交模块之间流程关系如图1 5 所示 图1 5 碰撞检测模块流程图 第二节本文的研究目标及重点 本文主要研究虚拟驾驶系统中的物理仿真模块，物理仿真是保证虚拟驾驶 第8 页 第一章绪论 具有真实感( 构想性) 的前提和基础。本文研究工作涉及到汽车动力学方法和 技术的学习与应用，物理仿真模型的建立与实施，物理仿真效果的计算方法设 计与评估，以及物理仿真模型与3 d 渲染引擎和其他第三方技术的集成应用。 本文研究工作的重点体现在以下三个方面： 1 汽车动力学仿真模型的设计与实现。 汽车是一个复杂的机械系统，如何在计算机上模拟出真实汽车驾驶操作的 感受，并让汽车表现出合理的物理反映是本文的核心工作。本文以汽车驾驶过 程中的动力学为主要研究基础，以行驶过程中轮胎、车身的运动变化轨迹为主 要研究对象，期望建立支撑各类汽车行驶中物理效果的动力学仿真模型。 2 虚拟驾驶中的物理仿真系统架构设计与实现。 物理仿真的计算结果必须在3 d 虚拟世界中以可视化的方式体现出来，这就 要求物理仿真系统必须与3 d 渲染系统有良好的集成机制，3 d 渲染系统负责管 理3 d 场景和车辆的几何模型，并负责接收用户输入。物理仿真系统提供各类访 问接口供3 d 渲染系统调用，根据3 d 渲染系统提供的用户操控信息和3 d 场景 信息进行实时的物理仿真计算，并将计算结果实时传递给3 d 渲染系统以更新车 辆集合模型的位置、方向等信息。 物理仿真系统架构设计中包括了对底层第三方物理引擎的封装，对车辆物 理模型的数据管理与参数管理，对仿真计算方法的封装与调用，以及与3 d 渲染 引擎的集成和通信。 3 基于人机交互机制的虚拟驾驶物理仿真调试工具开发。 从前面的介绍我们可以知道，虚拟汽车驾驶系统的应用前景相当广泛。从 技术角度看，软件的开发是此类系统的重要组成部分，而基于人机交互机制的 物理仿真则是该软件系统的技术关键和难点。本文的重点工作之一便是如何在 计算机上虚拟出真实汽车驾驶操作的感受，并让虚拟汽车根据人员的操作表现 出合理的物理反映，通过不断的仿真调试进一步让虚拟汽车的物理性质和真实 汽车蓝本的物理参数相接近。本文使用p h y s x 作为物理引擎，使用t r i n i g y 作为 渲染引擎，将人机交互机制、3 d 场景管理、实时物理仿真与车辆模型的3 d 实 时渲染相结合，实现了完整的汽车物理仿真展示与参数调试软件系统。 第9 页 第一章绪论 第三节本文内容的安排 本文的组织结构如下： 。第一章绪论：简要介绍汽车虚拟驾驶系统的背景，物理仿真的研究现状， 说明本文研究目的及意义，并对内容安排作了简要说明，最后提供了本文重要 术语表。 第二章汽车动力学仿真模型与方法设计：这一部分介绍了汽车动力学的重 要属性，及其逻辑性描述，并在此基础上建立汽车动力学仿真模型。 第三章虚拟驾驶系统框架与物理仿真实现：本章详细介绍了虚拟驾驶系统 框架设计，包括系统框架设计和重要支撑模块设计，随后描述了物理仿真实现 框架的构成，最后着重介绍了如何将物理仿真与实时渲染进行集成。 第四章实现与评测：本章详细介绍了工程实施环境、数据准各环境，并提 供截图说明功能实现效果。 第五章总结与展望：本章是论文的最后一部分，总结了全文，并指出下一 步的工作方向。 。 第四节术语表 夺虚拟现实：即v i s u a lr e a l i t y ，简称v r ，详细介绍见1 1 1 节。与之相关 的，常使用到的是v r 系统，即虚拟现实系统，指实现虚拟现实环境的计算机软 件系统。 令物理仿真：即能使仿真对象能够在虚拟世界中按照物理规律运动的仿真 方法。 物理引擎：物理引擎是提供物理模拟仿真效果的第三方开发工具包。 令实体( e n t i t y ) ：e n t i t y 是v i s i o n 引擎中的对象管理单元，形式上为一个 c + + 类。与普通的c + + 类相比，e n t i t y 通过继承e n t i t y 基类，实现了在系统运行 流程中的初始化、更新、释放和消息发送功能，既可以用来实现虚拟场景中可 见的客观对象，又可以作为逻辑上的控制对象使用。 令行为体( a c t o r ) ：a c t o r 是p h y s x 中的特殊物理层抽象结构，是整个物 理模拟过程中的主角，所有的物理特性都施加在a c t o r 上。a c t o r 包括一些空间 属性，如位置和朝向。 第1 0 页 第一章绪论 夺动力学：动力学是理论力学的一个分支学科，它主要研究作用于物体的 力与物体运动的关系。 令第三方引擎：是指提供仿真效果的第三方开发工具包。 摄像机：摄像机是三维图形渲染中的观察点，根据观察点位置的不同， 可分为第一人称视角( 观察点在主角的眼睛位置) ，第三人称视角( 观察点一般 跟随主角运动) 等类型。 第1 1 页 第二章汽车动力学仿真模型与方法设计 第二章汽车动力学仿真模型与方法设计 第一节方法层次与功能定义 虚拟驾驶系统需要在视觉和物理两个层次实现对汽车的仿真方法设计，对 用户而言，需要提供高沉浸感、高构想性、高交互性的虚拟现实应用体现。其 中高沉浸感是指虚拟驾驶环境中的汽车在视觉上贴近真实，高构想性是指汽车 在驾驶过程中的运动变化轨迹符合自然世界的物理规律，高交互性是指汽车虚 拟驾驶必须提供良好的人机交互手段。为实现良好的虚拟驾驶模拟，必须完成 以下建模工作 1 几何建模与3 d 实时渲染 几何建模是指构建汽车的3 d 几何模型，一个完整的汽车模型可包括车体、 轮胎、玻璃、车门、前车盖、后备箱、雨刷、车内驾驶面板等部件，几何建模 实现了对汽车组成结构的分解，并以实体集合的方式将各个部件相互整合，形 成完整的汽车模型。 3 d 实时渲染能为用户提供高沉浸感的汽车视觉仿真，汽车的几何模型配以 绚丽的纹理贴图设计可使得用户获得完整的汽车模型视觉体验。 几何建模也是汽车力学仿真的载体，通过为不同部件辅以合理的物理属性， 可实现对汽车3 d 模型的实时物理仿真计算。 2 物理建模与实时物理仿真计算 虚拟驾驶的真实性在于汽车驾驶过程中运动状态的控制与变化必须符合现 实世界中的物理规律，不同的驾驶动作在不同的路况对汽车模型应有符合物理 规律的形态变化，如加速、制动、漂移、转弯等。为实现高构想性的虚拟驾驶， 必须实现功能完整的汽车物理建模。 物理建模对影响汽车运动变化过程的力学体系进行研究，定义了重要的物 理参数以及相应的计算方法，针对诸如轮胎摩擦力、发动机转数与输出功率、 汽车减速距离等各类参数定义其计算方法，并设计实时计算过程。 物理建模的复杂程度决定了一个3 d 汽车模型的完整物理属性，进一步也 为虚拟驾驶的行为建模提供了逻辑前提。 第1 2 页 第二章汽车动力学仿真模型与方法设计 3 行为建模与人机实时交互 所谓行为建模是指虚拟驾驶系统必须定义并实现较为完整的人机交互机 制，人机交互机制提供了用户可操控的指令，例如通过鼠标、键盘或者游戏杆 输入加速或制动指令，控制汽车行进轨迹和行进速度等。没有实时交互就无法 实现真正意义的虚拟驾驶。 行为建模的简繁程度往往依赖于汽车本身的功能，对自然世界中的一辆汽 车而言，其人机交互功能主要体现在驾驶舱内的各种操控接口，其中既有影响 汽车运动状态的档位、加油、刹车制动、控制转速等交互机制，同时也有雨刷、 车灯、前盖与后备箱、车窗玻璃、车内音响、车内后视镜等非物理仿真的人机 交互机制。所有非物理仿真的人机交互机制可以通过预定程序或播放动画来体 现，但是所有与汽车运动状态有关的人机交互必须立足于汽车的物理建模才能 实现。 综上所述，在虚拟驾驶系统中，必须实现汽车的几何建模、物理建模和行 为建模，其中物理建模是影响汽车虚拟驾驶用户体验的关键所在，本文主要研 究基于汽车几何建模成果的物理仿真方法。 本文工作以解决汽车的物理建模和实时物理仿真技术为主，图2 1 描述了 本文内容所覆盖的汽车物理仿真功能与汽车物理模型组成。 图2 1 汽车物理仿真模型功能定义图 汽车最基本的功能包括启动、加速、转向等，在仿真中除了模拟这几项基 第1 3 页 第二章汽车动力学仿真模型与方法设计 本功能，还应添加其他一些扩展的功能，包括悬挂、漂移等。 任何一项具体的汽车运动物理仿真功能都需要定义一个或多个相关的物理 参数，更为重要的是能够实时计算并分析所有相关的物理参数，并在此基础上 为虚拟驾驶提供完整的物理仿真效果。表2 1 描述了本节所述几个模型之间的 关系，以及物理仿真模型所实现的基本功能。 表2 1 虚拟驾驶系统中的汽车建模层次与逻辑关系 层次模型名称模型内容模型功能 高交互性，体现 高行为建模向用户提供的车辆驾驶操作方式 应用的自由灵活 高构想性，体现 中 物理建模车辆行驶的物理参数定义和计算方法 物理的贴近真实 车辆部件3 d 几何模型、纹理贴图以及预 高沉浸感，体现 低几何建模 定动画视觉的虚拟仿真 本文研究工作基于以下几点假设： 1 汽车模型被抽象为一个车身、一个悬挂弹簧和四个轮胎组成，每个部分 均被当做独立实体，每个实体在虚拟驾驶过程中均无任何机械磨损。 2 汽车模型为前轮驱动模式，不考虑汽车行驶过程中的空气动力学属性， 默认空气阻力为零。制动为刹车与手刹结合。 3 不考虑汽车轮胎的损耗，假定轮胎与地面之间的摩擦力系数为恒定值。 4 不限制路面情况，既路面可有高低起伏回转曲折，遵守地球引力规律。 5 不考虑发动机损耗、油耗等变化因素，假定油量充足、发动机正常。 第二节汽车动力学物理仿真建模方法 虚拟驾驶系统的汽车动力学物理仿真的关键在于定义影响汽车动力学特性 的参数体系，其中包括参数定义和计算方法定义，本文研究工作集中针对汽车 驾驶过程中的动力学特性开展研究工作，本节主要介绍物理仿真参数的概念、 逻辑含义和技术方法。 第1 4 页 第二章汽车动力学仿真模型与方法设计 2 2 1 汽车动力学属性分析 在驾驶过程中，汽车的动力学属性主要体现为以下几个方面： 2 2 1 1 汽车行驶的驱动力和制动力 汽车行驶的驱动力来源于发动机，通过离合器将动力传动到档位变速箱， 然后经主减速器，再经过差速器传递动力到驱动车轮，从而驱动汽车前进。如 图2 2 所示。 图2 2 汽车传动系统示意图 在离合器合拢的前提下，如果变速箱已挂档，汽车发动机的动力将逐步带 动变速齿轮副，最终带动车轮滚动。发动机输出扭矩( 即图2 2 中的驱动扭矩) 与发动机转速和油门开度有关，油门开度在虚拟仿真中可作为常量看待，对任 何一种型号的汽车均可计算出发动机转速和输出扭矩的关系图。利用这样的关 系图可在虚拟驾驶系统中建立起发动机转速和输出扭矩之间的计算关联，从而 为实时评估计算汽车模型的速度奠定基础。图2 3 选自参考文献 3 7 】，是某款神 龙汽车在油门开到最大时，发动机转速和输出扭矩的关系图。 第1 5 页 第二章汽车动力学仿真模型与方法设计 昌 冬 暮 刀x1 0 r l m 如 图2 3 神龙轿车发动机转矩特性曲线 车辆的前进动力由发动机输出扭矩来实现，输出扭矩是最直接体现车辆动 力的关键物理参数。该物理参数决定了最终作用于车轮和地面之间的车辆动力 的大小。对于前驱型汽车模型而言，主要的制动只在前轮，包括启动、加速、 刹车等，转向则只需控制前轮的方向即可，由前轮提供牵引方向。 漂移是汽车驾驶过程中的一种运动状态变化过程，是指车头的指向与车身 实际运动方向之间产生较大的夹角，使车身侧滑过弯。当后轮失去大部分( 或者 全部) 抓地力，同时前轮能保持抓地力( 最多只能失去小部分，最好是获得额外 的抓地力) ，这时只要前轮有一定的横向力，车就甩尾，即产生漂移。产生漂移 的条件就是控制车轮与地面的摩擦系数，在自然环境中，加以手刹可促进漂移 产生。 针对汽车的驱动力和制动力，本文设定物理仿真参数如下： 1 扭矩、扭矩曲线与怠速 扭矩是最直接体现车辆动力的关键物理参数，单位是牛顿米( n m ) 。该 物理参数决定了最终作用于车轮和地面之间的车辆动力的大小。 当今汽车主要采用内燃机作为发动机，其特性在于不同转速时所表现的扭 矩不同，需要定义一个“扭矩曲线”，体现出发动机在不同转速下所表现出来的 扭矩变化情况。在程序实现过程中，这个扭矩曲线可用多个离散的“发动机转 速区间：输出扭矩”数值对进行模拟。 怠速是指在汽车未挂档情况下，发动机转速为某个固定值，根据扭矩曲线， 可实现怠速的物理仿真。 第1 6 页 第二章汽车动力学仿真模型与方法设计 2 变速箱传动比 图2 1 描述的汽车传动系统示意图中体现了变速箱传动比对汽车前进驱动 力的影响作用。一般手动挡汽车包括4 - _ 6 个档位，每个档位的传动比都不相同。 传动比是体现发动机动力输出传动效率的关键参数，在真实情况下，由于 机械摩擦的存在使得传动效率永远不等于1 0 0 。本文研究工作假设传动效率 为1 0 0 ，档位信息由不同的传动比体现，作为先验知识保存在配置文件中。 3 制动扭矩 汽车的制动是指向车轮施加与车轮转动方向相反的力，既克服发动机输出 扭矩的驱动作用，在物理仿真中利用制动力参数或制动扭矩进行计算。 制动效率可用制动力参数巾表示，依据制动力参数可实时计算汽车在刹车 过程中的制动扭矩变化情况。制动力参数由与滑移率s 有关，滑移率是指车轮 在制动时，车身速度与车轮转动的切线速度之间的差异率，根据汽车领域的研 究成果，通常这个值控制在1 5 2 0 之间。图2 4 显示了制动力参数与滑移率 的对应关系曲线，本文选择该曲线中段，并以直线线段模拟该段曲线，取巾= s + 0 6 8 。 当汽车的速度下降为零时，必须将制动扭矩设为零，否则将导致车轮向