汽车驾驶仿真器

1 汽车驾驶仿真器 2 数据手套和力反馈器 班级 计研 161 姓名 史新梦 学号 目录目录 概述 3 1 1 国内外研究现状 3 1 2 汽车驾驶模拟简介 3 1 3 存在问题 5 汽车驾驶仿真器 概述 随着现代电子信息技术的发展 3D 虚拟仿真技术在很多领域得到了日益广泛的应用 汽车驾驶模拟器将虚拟现实技术应用于汽车驾驶系统中 通过计算机技术产生汽车行驶过 程中的虚拟视景 音响效果和运动仿真 使驾驶员沉浸到虚拟的驾驶交通环境中 产生实 车驾驶感觉 从而学习和体验现实世界中的汽车驾驶 由于汽车驾驶仿真系统可无任何风险地重复和再现现实生活中的各种灾难性事件 如 汽车碰撞等 其既能安全 有效地提高驾驶员技术水平 又能降低各种费用 可极大地 提高汽车驾驶员的培训质量和效率 降低事故发生率 所以在新车型开发和驾驶培训方面 应用十分广泛 正日益受到国内外交通安全领域的广泛关注 1 1 国内外研究现状 从 20 世纪 80 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仿真系统 1985 年 德国戴姆勒 奔驰公司在柏林研制成功了六自由度开发型驾驶模拟器 该 系统已成功地用于系列化高速轿车的产品开发中 与此同时 瑞典的 VDI 公司也建成了规 模较小的汽车驾驶模拟器 随着时代的变化 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汽车驾驶仿真系统 不断完善车辆的动力学模型 运动 系统都可以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 我国在这方面的研究起步较晚 目前 北京航空航天大学研制的 MCGI 9410T 计算机 成像系统 航空精密机械研究所研制的 QM CGI 汽车驾驶训练模拟系统也相当有代表性 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 16 17 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 车 操作界面 重复可控的试验场景 可任意嵌入实物试验 高速的仿真运算能力 无风险的 极限场景试验等功能 出现了基于 LabVIEW V IRTO O LS 的汽车驾驶仿真系统研究 1 2 汽车驾驶模拟简介 显示系统 采用被动立体大屏幕投影技术 4 4 2 5 m 的正投软幕 1680 1050 的超 高分辨率和偏振光学眼镜为观众和驾驶体验者 构建完全沉浸感的显示环境 两台投影机同时 投射 一台投射左眼图像 另一台同步投射右 眼图像 将左右眼图像同时投射到屏幕上 用户佩戴立体眼镜既能在视觉上产生立体感觉 驾驶员操作系统 图 1 有油门 制动器 离合器三个踏板 一个方向盘 一个六 档位变换器 以及十二个按钮开关 在系统输入模块中通过定义油门踏板开度 制动器踏 板开度 离合器踏板开度和方向盘转角等四个连续变量 六个档位枚举变量以及各个按钮 变量 软件系统 软件是以 VisualStudio2008 为开发平台 利用 Delta3D OpenDynamicsEngine ODE 编程实现的 汽车驾驶模拟系统主要由信号采集子 系统 车辆动力学仿真子系统 视景仿真子系统组成 信号采集子系统主要负责采集驾驶 员的操作行为 可 900 旋转的方向盘 换挡手柄 油门 刹车踏板 然后把采集到的 数据信息传送给车辆动力学子系统 通过车辆动力学子系统计算驾驶车辆的行驶状态 视 景仿真子系统根据计算结果 更新场景中物体状态 虚拟模型建立包括静态场景的建立和虚拟车辆模型的建立与驱动 静态场景如驾考中心 图 2 城市道路环境 图 3 山区道路环境 图 4 等等 图 1 驾驶模拟器操纵系统 图 2 移库倒库考试区图 3 城市道路环境 图 4 山区道路环境 场景模型主要使用 3ds max 软件建立 车辆模型主要包含车辆本身的外观模型和动力学模型 外观模型通过 3dsmax 建立 动力学建模使用了 ODE 动力学引擎 驾驶员通过方向盘 踏板 油门 刹车 离合 换 挡手柄来控制车辆运动 系统通过人机交互接口把外部输入信号传给动力学仿真模块 其 流程 如图 5 所示 动力学模块根据不同的输入信号进行处理计算 其计算流程 如图 6 所示 图 5 操作系统信号传递流程 图 6 汽车动力学系统 1 3 存在问题 目前国内外关于 3D 模拟仿真多采用 Visual Studio Eclipse 3DS Max Maya 等软件 协同开发 场景真实 效果逼真 但是程序多由文本语言产生代码编写而成 导致工作量 大 程序的直观性也不友好 国外重视硬件开发 生成的视景数据太大 导致对硬件要求提高 模拟器的价格昂贵 虚拟场景 操作与实际驾驶存在一定的差别 影响驾驶体验 开发技术含量相对较低 已经研制出来的汽车驾驶模拟系统大都没有摆脱赛车游戏模 式的束缚 或多或少地存在着汽车视景与操纵动作脱节 迟后 沉浸感 交互性 与 实时性 不强等缺点 随着对汽车驾驶仿真系统需求的不断增加 学员需要的培训方式不仅仅是对汽车上操 纵机构的熟悉和应用过程 而是一种 自助式 的教学过程 这就要求驾驶模拟装置不仅 能够提供仿真的驾驶环境 而且还要求在驾驶训练的过程中起到一种人类教练所具有指导 功能 能够对训练者的操作过程进行监督 指出其在操作上的错误并予以纠正 以及在操 作完成时对训练者所完成的操作进行合理的评价 可见 自主研究与开发一个在普通微机上实现的 大众化 易于普及的 针对人 车 环境闭环系统开发 适合我国道路状况和交通法规的汽车驾驶仿真系统任重而道远 数据手套设备的应用 一 数据手套简介 数据手套一般按功能需要可以分为 虚拟现实数据手套 力反馈数据手套 虚拟现实数据手套是一种多模式的虚拟现实硬件 通过软件编程 可进行虚拟场景中 物体的抓取 移动 旋转等动作 也可以利用它的多模式性 用作一种控制场景漫游的工 具 数据手套的出现 为虚拟现实系统提供了一种全新的交互手段 目前的产品已经能够 检测手指的弯曲 并利用磁定位传感器来精确地定位出手在三维空间中的位置 这种结合 手指弯曲度测试和空间定位测试的数据手套被称为 真实手套 可以为用户提供一种非常 真实自然的三维交互手段 力反馈数据手套 借助数据手套的触觉反馈功能 用户能够用双手亲自 触碰 虚拟世界 并在与计算机制作的三维物体进行互动的过程中真实感受到物体的振动 触觉反馈能够营 造出更为逼真的使用环境 让用户真实感触到物体的移动和反应 此外 系统也可用于数 据可视化领域 能够探测与出地面密度 水含量 磁场强度 危害相似度 或光照强度相 对应的振动强度 二 数据手套实现的基本原理 数据手套实现的关键在于手掌 手指及手腕的各个有效部位的弯曲 外展等测量以及 在此基础上的姿态的反演 完成反演主要取决于人体手部姿态的建模 最根本的就是 确定 传感器测量数据和手部各关节运动姿态的对应关系 对一个具体的数据手套应用过程 可设由手部各弯角组成的向量 f f1 f2 fn 与 对应传感器示数组成的向量 d d1 d2 dn 显然 f 和 d 之间存在着强耦合的映射关系 数据手套的实现即是根据示数向量 d 找出原映射关系的逆映射 从而反演出手部各部位的 姿态 手部软组织的存在 是人手和机械手区别的主要差异 使得人手无法和普通的刚性杆 铰链相比 这就加大了问题求解的复杂性 手部某一关节的运动 不仅会作用于对应的传感 器的示数发生变化 而且通过软组织的相互作用 使其他的传感器示数也发生变化 如果要 求保证一定的精度 必须对求得的逆映射进行解耦计算 三 数据手套通用种类 5 触点数据手套主要是测量手指的弯曲 每个手指一个测量点 14 触点数据手套主要是测量手指的弯曲 每个手指两个测量点 18 个传感器触觉数据手套 28 个传感器触觉数据手套 骨架式力反馈数据手套 下图为数据手套实物图 图 1 四 使用说明 下面以 DT 公司的 5DT Data Glove Ultra 为例 做一下说明 图 1 数据手套实物图 系统通过 USB 数据线与计算机相连 通过 5DT Data Glove Ultra 串行接口模块可以使 用串行端口 RS 232 视平台而定 选项 该系统具有 8 bit 曲度解析率 佩戴舒适 低 漂移和开放式结构等特点 通过蓝牙技术 距离可达 20 米 仅需使用一块电池 5DT Data Glove Ultra 无线模块即可实现与计算机的高速连接长达 8 小时 产品配有左右手两 种型号 统一尺寸 适应性超强 由可伸缩的莱卡布制成 图 2 是该数据手套的产品规 格 规格规格5DT Data Glove 5 Ultra 操作系统 Cross platform SDK for Windows Linux and UNIX operating systems 软件 Kaydara MOCAP 3D Studio Max Maya SoftImage XSI 接口 USB 传感器数量 5 传感器解析度 0 2 A D 传感器的数据传输速率 Hz 75 传感器类型 光纤 无线 Optional 图 2 产品规格 有线数据手套安装步骤 1 连接线的 Rj12 端口与手套连接 2 连接线的 USB 端口与 PC 机的 USB 端口连接 3 将手套戴在手上即可 五 研究现状及发展前景 Dataglove 已注册商标 是 VPL 公司于 20 世纪 90 年代推出的最早的数据手套 缺点是 容易受用户手尺大小影响 应用过程中需要重新校正 防止手套与手指之间滑动带来的误差 Cyberglove 由 VirtualTechnologies 公司于 1991 年推出 5DT 公司于 1995 年推出的 Dataglove 数据手套系列 被设计为三维输入设备 适合对虚拟世界的控制和操作 手势识 别 物理疗法和物理复原 远程机器人的控制等 Dataglove 是解放军理工大学于 2002 年研 制成功的数据手套 适用于机器手控制和 VR 应用 能作为功能评估 损伤恢复 心理测试 虚拟训练等输入 随着虚拟现实技术在各个领域的广泛应用 数据手套的研制和应用也不断深入 基于手 机与数据手套的手语识别为盲人和不懂手语的交流提供了方便 美国 Boneing 公司制造了 一架虚拟飞机 运用数据手套进行控制 从而观察设计结果 考察性能指标 NEC 公司开发的 虚 拟现实系统 操作者通过使用数据手套可以处理三维 CAD 中的形体模型 力反馈器的应用力反馈器的应用 一 力反馈技术简介 力反馈是在人机交互过程中 计算机对操作者的行为做出反应 并通过力反馈设备作 用于操作者的过程 作为虚拟现实 VR 的关键技术 力反馈技术近年来受到广泛关注 尤其在 工业应用领域 其在产品开发 操作仿真 虚拟装配中扮演着越来越重要的角色 对力反馈器的研究可以追溯到 18 世纪 目前的力反馈器按照结构形式可分为串联式 并联式和混联式 串联式力反馈器各单元在空间上没有重叠 交叉或平行的部分 有利于其 他元件的安装和设计 但在工作空间内存在大量的奇异点 影响力反馈器的操作性能 不利于 控制 且刚度较低 不能生成实时力反馈 并联式力反馈器刚度高 承载能力强 转动惯量小 运动精度高 但其运动空间较小 在复杂的运动机构中 运动副的摩擦明显增加 并相互耦合 往 往很难控制 因此 尽管力反馈器已有很长的研究历史 但性能优良的力反馈器结构形式仍是 研究的重要课题 二 力反馈器的工作原理 系统工作时 机械结构部分在操作者的操纵下进行运动 位置 速度 力等参数被传感器 获得 力反馈器将获得的信息传递到生成虚拟环境的工作站 工作站负责运行虚拟环境生成软 件 构建虚拟场景并动态显示其中的虚拟物体 其内嵌的处理单元通过力的计算函数 将接收 到的机械结构部分的位置 速度 力等信息处理成矢量力信号 并将其输入到控制单元 控制 单元将这些输入信号传递到驱动单元进行放大处理 再用来驱动力反馈器内的驱动执行元件 工作 以使其产生一定的力或力矩信息 最后通过机械结构部分传递给操作者 图 1 所示为力 反馈器的工作原理 图 1 力反馈器的工作原理 三 力反馈器的分类 力反馈设备按照外形尺寸和工作范围空间大体可以分为三类 手指型 手臂型和全身 型 其中手指型力反馈器佩戴方便 运动自如但重量大 易疲劳 活动范围易受限制 响 应时间长 数据手套其中就用了手指型力反馈器 手臂型操作方便 产品多 应用范围广 动态响应高 其缺点是价格昂贵 摩擦力大 产出力难以满足需要 三维鼠标就是它的一 个应用 全身型力反馈器工作空间大 自由度多 但由于价格昂贵 体积大 安全性能低 故而产品较少 应用范围小 手臂型设备的工作空间较大 运动的自由度较多 目前开发的此类设备最多 其中最 图 2 手指型力反馈器 图 3 手臂型力反馈器 著名的是美国 Sensable 公司制造的 PHANTOM 桌面力反馈系统 作为连接虚拟与现实世 界的纽带 力反馈设备的升级换代着重体现在对操作真实程度的不懈追求 虽然各公司研 发的力反馈技术稍有不同 但根本原理是一样的 四 力反馈器的应用 力反馈器的发展使人机交互更加自然流畅 目前已广泛应用于军事 医疗 游戏 模 拟仿真 远程操控等等诸多领域 虚拟手术是一门综合性学科 利用医学影像的数据和虚拟现实技术 通过计算机和力 学反馈设备构建一个虚拟的环境