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驾驶模拟器 D riving s im ulator 摘要 驾驶模拟器主要 的应用领域是操纵稳定性 评价 它 具 有六自由度运动 若无其它方 向任何运动 沿 x 轴方 向运动 范 围可达 1 3 8 m 和一1 8 8 m 若 同 时具 有 垂直运动 可增至士2 1 3m 相 应的 z 轴方 向运动 为 1 2 5 m 和一0 2 2 m SH Z 的截止 频率可 以进行车体全范围的运动模拟 包括垂直 0 8 1 SH z 侧 倾 1 2一2 SH z 横摆 2 5 3 SH Z 动态保护设施在模拟拟器运行时工 作 一经收到 适当信 号就 使 模拟器停止 工作 与具体的单项目一样 也可用模拟器进行总体性 能研究 特别是主 动安全性评价标准 的建 立 如 燃油 消耗 风 阻 系数 嗓声值以及碰撞指数 等 叙词 汽车驾驶模拟 1 引言 多年来 模拟器一直被用于 一些复杂系 统的操作人员的训练 到7 0年代末期 模拟 器的质量已达到实现由训练型走 向开发型的 设想 利用这一设备实现可控 可再现 和节省 费用 又无危险地达到主动安全性极限工况下 研究车辆参数 以及驾驶员在车辆设计初步 阶段就参予判断车辆的操纵稳定性 评估对 转 向 悬挂 制 动 传 动系和驾驶环境 的 感 受 在这种情况下 对模拟器的技术要求较 之训练模拟器要高得多 只有模拟得精确方 能将模拟结果信息引入到对系统设计和优化 等实际工作中去 本文以本 茨 B e n z 公司驾驶模拟器 为 例 全面叙述驾驶模拟器的概念 设计以及拟 开展怕工作 并讨论以其作为研究 开发的工 具进行车辆方面研究的新的可能性 2 驾驶模拟器概念 B en z模拟器的主要特征如下 a 一 台大型轻体结构的 投 影舱 其直 径为 7 4m 可以容纳一 辆 轿 车作 为模拟 舱 b 一套六 自由度运动系统 各向加速 度在l g 以上 其平移运动范围均为士1 sm 角运动范 围为 3 3 至 士4 5 c 一套模拟行 车 一 2 2 一 环境的投影系统 具有高度聚 焦且无缝隙的 1 80 0又 30 0视场图像 并投影至 投影舱 内壁的 屏幕上 其中的自动图像控制系统不断调整 六套投影器的几何图影和亮度 d 一个具有 可靠清晰度的彩色数字图像发生器 e 一套 数字计算机系统 具有年引C P U 以建立实时 计算车辆动态特性的数字模型 一台独立布 置于前端的计算机作输入 输 出和仿真控制 f 动态模型中包含控制运动系统运动的算 法 以使驾驶员获取恰当的运动感受 9 转 向盘 制 动以及加速度踏板等反作用 力模拟 部件 h 一套数字声响系统 用以产生行驶 噪声 上述各独立的系统需组合成一个集成系 统 并开发接 口 控制 协调装置以及安全功 能 以确保方便 安全 协调地运行 3 驾驶模拟器设计 驾驶模拟器最主 要的子系统说 明如下 3 1 模拟舱 为确保试验人员具有坐 入实车的感觉 轿车模拟用完整实车 商用车辆用完整驾驶 室 舱内的显 示和 控制单元都必须 由模拟计 算机正确地控制 安全电路 确保在液压系统 出故障时 其转向盘上的力 不会伤害驾驶员 国外汽车 图像 的透视与驾驶员 眼点相匹配 其它座位 也应获取高质量的图像效果 3 2 车辆动力学模型 实时车辆模型专为模拟器而开发 除由 驾驶员引起的输入信号外 其它诸如载荷 路 面 风及车辆品质参数等都由试验员 设置 被 模拟车辆的响应由计算机计算并将结果传给 卫 星计算机以及控制图像 声响 运动的程序 和控制监测站 为便于修改 模型依结构化原 则生成并尽可能与实际车辆结构相对应 这 将有助于驾驶员在优化过程中通过触键在不 同模块内实时选取 程序的结构组 织 和两个 并行 c PU 划分 要 尽可能通用化 以便于操作和修改 计算时 间与扫描时间等价 均为 1 0m s 新的车辆计算模式要严格包含所有操作 工况 诸如坡道制动和起步 大于 20 0 的侧滑 角 车轮跳离地面及倒车等往往要投入相当 量的编程工作 3 3 实时计算机系统 采用 Go u LD 数字计算机系统 主机 为 3 2 878 0 型 具有两个并行 CPU 处理实时车 辆模型 另一 台为 3 2 678 0 型 运 算 实时 w a 企 一o u t 算法及承担不必实时运行的任务 两台计算机以共享存储器方式连接以便相互 交换数据 并带有存储当前车辆参数的五个 3 0 0MB 硬盘 32 8 7 80 计算机还控制负责图 像 声 响生成和运动模拟的卫星计算机 高速 接口提供输入 输出数据 其数据主要取自和 送 往车辆舱 3 4 图像发生器 它是一套数字系统 即场景和其中的 运 动目标都以数据文件形式存贮于数字图像计 算机中 在适当地综合 透视 遮挡和着色后 馈送到模拟器 参考点总是驾驶员眼点位置 并 由车辆动力学计算机传到图像系统 3 5 图像计算机 单个目标 由多边形构成 图像计算机可 实行运算的多边形是有限的 每一个目标以 不 同详尽程度存储 目标距驾驶员眼点越 远 19 91 年第 4 期 详尽度就越低 多边形数就越少 系统中设置 了过载管理功能 以保证计算时间超过短暂 周期也不致引起图像的失真 3 6 图像系统 控制外国设备的图像计算机是 PD P11 1 4 所有可用的数字场景都存储于磁盘上 而 新的场景利用 PD P1 1 73 和数字化仪生成 模拟期间 其它交通工具的运动由控制终端 操作完成 气候条件可以改换 驾驶场景能够 存储和再现 在确定驾驶员视野 内的目标 计 算的多边形和 正确的几何透视及遮挡关系 后 画 面在图像处理器的六个通道上生成 耗 时 som s 投影系统悬挂于轻体结构舱的中心 需 设计舱的结构刚度 质量及结构阻尼 在通频 带 内加速度幅值为 19 的运动状况下 投影舱 屏幕上 的图像元素相应运 动量应在士3m m 以内 由于投影 器的模拟电路总是漂移 所以 必须开发适于对 图形和亮度进行调节的控制 系统 以补偿漂移的影响 3 7 运动系统 它允许六 自由度运动 若无其它方向任 何运动 沿 x 轴 即军辆纵轴 方 向运动范围 可达 1 38m 和一1 8 8 m 若同时允许垂直 运动 则可增至士2 1 3 m 相应的 z 方向为 1 2 5m 和一0 2 2m 如果加入倾斜运动 x 方 向运动范围可达 2 2 0m 液压缸行程为 l 7 5 m 持续加速度感采用倾斜模拟 驾驶模拟器主要考虑的应用领域是操纵 稳定性评价 这就意味着 Y 方向横向运动的 准 确模拟 尤为关键 士1 sm 的运动范围允许 大约整个行车道宽的运动模拟 3 8 运动模拟部件 运动系统主要由六个液压促 动器构成 要求其行程为 1 7 5 m 缸长 2 2 m 工作压力 2 8 Mp a 最大流量 20 0L mi n 被控运动上限频 率 SH z 为预 防系统发生故障时最大减速度 超过 1 2 59 缸的两端设置了液压阻尼器 为 满足最大速度要求 每缸都有 45 L 的储能器 两台并列 运行的 150 k w泵为运动系统 的液 一 23 一 压部件和舱的工作提供油源 SH z 的截止频率可进行车体全范围的运 动模拟 其中包括垂 直 0 8一1 SH z 侧倾 1 2一2 SHz 横摆 2 5一3 SH z 的运动 诸如道路不平 特别是车轮固有频率范 围内 所引起的高频运动模拟将用激振器对车体局 部施以激振方式来实现 3 9 声响系统 车辆动力学计算机提供发动机转速和载 荷信 息以用 于模拟发动机噪声 还要考虑不 同档位的变速箱声响 轮胎和环境风声响取 决于车轮侧滑和车速 数据存储结构要考虑 可 向不同声响发生器提供参数 借助于多级 正弦波发生器生成不同阶次的噪声 甚至可 以模拟非稳态过程 除系统发出的敲击碰撞 声外 3 10 安全性设施 当每一个安全开关都设置好 时 模拟器 才可以处于运行状态 动态保护设施在模拟 器运行时工作 一经收到适当信号就使模拟 器停止工作状态 运动也可以由驾驶员或控 制站上设置的紧急停机按钮予以切断 在各 种情况下 系统被设计成借助机械或液压动 力自动回到静止位置 如果所有电子安全 电 路都发生故障 系统以最大加速度和最大速 度到达极限位移时 舱内人员也不会遭遇不 测 在 最恶劣条件下 加速 度值不会超 出 13m 52 4 任务及应用前景 东 1 车辆部件开发 在模拟器中 转向 制动 车 架 悬架以及 动力系统都用数字模型加以模拟 新的开发 部件可以单独检验 也可以通过部件间相互 作用予以验证 开发研究中的部件用方程和 特性数据描述并馈入模型中 若将子系统以 硬件方式集入模型中也是可能的 对部件的 试验与评估和常规驾驶试验方式相同 综合试验场地由不同操纵模式组成 以 适应操纵稳定性测试 其中包括侧滑 台面 直 线跑道 蛇形路径等 模拟器还能提供实际上 一 2 4 一 解决不 了 的试 验 场地 并 可快速地提供表面 不平度 坡度 车道间过渡 道路外倾和扭曲 以及障碍等 对侧向风或其它干扰等也可以 模拟 所有这些环境因素的影响在模拟试验 中都可以给予考虑 这是 实际试验所不能及 的 模拟器可以研究干扰 驾驶员动作 车辆 响应和车辆设计之间的关联程度 并应用 于 车辆部件开发工作中 4 2 驾驶室设计 驾驶室构成了 驾驶员一车辆 系 统的界 面 人机工程设计 尺寸 功 能概念和仪表控 制类型及尺寸 形状等工作都可以在模拟器 上进行 4 3 综合研究 驾驶员一车辆一道路 这一综合研究的 目的在于探索出更多与交通安全相关的规律 及其 内在联系 并将其应用于车辆设计之中 以下是首先要进行的研究课题 a 事故中和事故雄于发生 时的操纵性 b 主动安全系统的评价标准 模拟器为上述两项研究开辟了新的可能 性 选择的事故试验利用在模拟器内的车辆 道路和环境数据予以构成 在特殊场景 中 可 以滤出不安全因素 还可对车辆和道路改进 的效果进行评估 目前 驾驶员及其行为 感觉 和判断尚不 能恰当地借助数学模型 以表述 因此 在驾驶 模拟器中 一位驾驶员被集入所模拟的环境 这样就为开展 驾 驶员 车辆 环境 相互 作用 的研究打下基础 而且开辟了进行主动安全 性研究的新的可能性 a 无险测试 无论是 专业驾驶员还是普通驾驶员都会被正确地引 导到极限工况 b 车辆和 环境参数可以精确 而可重复地被调整到满足研究课题的需要 c 单 个参数可以快速而独立地改变到 另 一 个值 为实施优化 其参数也可由驾驶员改 换 甚 至在线改变 d 驾驶状况的所有因素 包括其他车辆用户的运动都可以被记录和再 现 e 可以严密地监视驾驶员的行为 与具体的单项 目一样 用驾驶模拟器 也 国外汽车 可以进行整体性能的研究 特别是主动安全 性评价标准的建立 如 燃油消耗量 风 阻系 数 环境噪声值以及被动安全性的碰撞指数 等 这就定义 了优化工作的参数 而且可以采 取许多小的独立步骤 累加到一起就可取得 重大进展 为使主动安全性研究获取类似效 果 将需用驾驶模拟 器探索制约驾驶员和车 辆之间相互作用的规律 由此导出评价标准 广 义地讲 可以将驾驶模拟器视为对计 算机辅助 开发系的完善 利用模拟器的 计 算 机辅助驾驶 是 CA D CA T 和 以 E 有效扩展 即能实现 a 与驾驶动力学相关的 cAD 蓝 图可以立 即 试 操纵 Te s t 一D riv en b c T 功能 诸如 电子变速器或制动控制系统和信 息系统等新部件可以在实时模拟期间视为完 整的子系统而集入模拟过程 并在各种操作 条件下进行试验 c CA E 过程 对决策人员 控制策略 优化过程及系统分析等可以借助 驾驶员 车辆 环境这一闭环系统的模拟运动 在线完成 进一步综合研究领域为 a 在一系列扩展的交通场景中 不 同驾 驶员的特性 b 在特定场景中驾驶员的特性 改善驾驶员训练的可能性 d 年龄 对驾驶适应性的影响 e 酒精 毒品 药物的影响 f 诸如导航信 息系统或报警系统等交 通控制新技术的评估 9 交通流内操作方式的研究 h 交通管理法规影响的研究 与此相关 的例子是 利用模拟器研究受最大车速制约 的交通问题 一位驾驶员可以给定路径行驶 并可观测到限制车速 行驶过程记录并投射 给在相同条件下驾驶的第二位驾驶员 然后 对以后的驾驶 依次重复上述序 据此就可建 立交通堵塞模型以识别诸如容量 均匀性和 平稳性及稳定性等周期因素 也可以测取油 耗 排放 安全性和驾驶员紧张程度等参量 综上所述 与任何其它测试系统一样 驾 驶模拟器也有其局 限性 尚存在与实际环境 驾驶的差别 无论多么复杂 车辆模拟仅能近 似模拟实车特性 由于运动范围的制约