【摘 要】開發(fā)車輛駕駛模擬器主要通過虛擬現實環(huán)境和計算機控制技術，將汽車模型導入到虛擬環(huán)境中。根據用戶的輸入控制命令，對汽車模型進行虛擬試驗系統(tǒng)的設計。利用在虛擬場景中“虛擬再現汽車試驗過程” 的數據來分析，用戶通過各種傳感器感受并體驗該車的性能，得出性能的評價。

【關鍵詞】虛擬現實技術；虛擬環(huán)境；駕駛模擬器；模型仿真

用虛擬現實技術開發(fā)法駕駛模擬器（Driving Simulator）是一種能正確模擬汽車駕駛動作，獲得實車駕駛感覺的仿真設備。本文研究的駕駛模擬器用模擬駕駛的效果，建立實現汽車模擬駕駛的汽車動力學模型和操作穩(wěn)定性試驗、控制和碰撞分析等功能，能全面反映模擬汽車的運動姿態(tài)等特性。

1.汽車的碰撞計算

重點對兩車的碰撞問題進行分析，建立汽車事故的力學模型，進而推導其數學模型。汽車間的碰撞按其碰撞形式可分為：正面碰撞、追尾碰撞及斜碰撞，其中正面碰撞和追尾碰撞是一維碰撞，斜碰撞是二維碰撞。

1.1一維碰撞

假如己知兩車碰撞前速度v10、v20及彈性恢復系數k，碰撞后的速度v1、v2可直接應用公式：

如果追尾碰撞時車速不大，彈性變形不能忽略不計，那么仍然可以按正面碰撞中的式（6）求解碰撞后速度。

1.2二維碰撞

汽車二維碰撞是指汽車在碰撞后作非一維的平面運動的碰撞類型。汽車在二維碰撞的過程中，車體有縱向、橫向平動和饒z軸橫擺運動等三個自由度，采用狀態(tài)空間表達方式將其數學公式描述為：

2.汽車虛擬試驗系統(tǒng)的設計

汽車虛擬試驗系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，在設計時遵循先進性、開放性、可靠性等基本原則，基于面向對象的設計思想，采取層次化、模塊化、標準化的設計方法，使系統(tǒng)在保持功能實現的前提下，達到結構的合理化。汽車虛擬試驗系統(tǒng)主要由輸入模塊、虛擬試驗模塊以及輸出模塊三部分組成，如圖3所示。把汽車模型導入到虛擬環(huán)境中，根據用戶的輸入控制命令，對汽車模型進行運動學、動力學分析，利用分析數據在虛擬場景中“虛擬再現汽車試驗過程”，用戶通過各種傳感器感受并體驗該車的性能，得出性能的評價，根據評價進行修改模型參數，該過程可不斷重復，進行汽車參數的修改，直至汽車獲得最優(yōu)性能。下面對其進行簡單描述。

2.1輸入模塊

主要是提供車輛、地面參數化模型等信息的輸入，在該模塊中，也可輸入實車試驗的數據，用于與虛擬試驗比較。

2.2虛擬試驗模塊

主要由動力學分析模塊，接口模塊以及虛擬試驗運行模塊，動力學分析模塊主要是根據車輛的參數化模型、駕駛員的行為實時計算車輛的性能參數，為虛擬試驗模塊提供仿真數據，虛擬試驗運行模塊主要是為用戶提供逼真的虛擬試驗環(huán)境，實現虛擬車輛在試驗過程中的各種狀態(tài)變化并將該信息反饋給用戶。接口模塊將車輛實時仿真運算部分、虛擬運行環(huán)境部分、傳感器等接口設備以及用戶有機連接成一體。

2.3性能評價模塊

該方法突破了以往評價標準難以建立、指標很難確定、可視化差等不足。在該模塊中，也可對虛擬試驗與實車試驗的進行對比，根據差別對車輛模型進行修正。

（a）側偏位移變化

（b）方向盤轉角、橫擺角速度、側向加速度變化

3.虛擬試驗系統(tǒng)的開發(fā)實例

以操縱穩(wěn)定性的虛擬試驗為例進行了開發(fā)。首先利用ADAMS/Car軟件建立汽車的數字化虛擬樣機，并對其進行了操縱穩(wěn)定性仿真分析，虛擬試驗環(huán)境采用WTK（World Tool Kit）以及Visual C++實現，虛擬儀表部分采用NI公司的Component Works組件實現。把動力學分析的仿真數據傳送到虛擬環(huán)境中來形象、逼真的實現試驗，通過虛擬儀表來準確的顯示數據的變化情況。

下面利用ADAMS/Car，建立了某汽車的數字化模型，并根據單移線試驗方法（如軌跡、速度等）設計了控制文件，在車輛動力學仿真過程中，

該文件控制車輛使其沿著規(guī)定的路線行駛，然后從仿真分析結果中提取操縱穩(wěn)定性的主要特征參數的數據，配合單移線試驗的場景來動態(tài)觀察車輛本身以及參數的變化。為使用戶精確的知道汽車運動過程中的具體參數變化，增加了虛擬儀表的功能，利用虛擬儀表來配合虛擬場景，動態(tài)顯示汽車在仿真過程中各個參數的變化。為更加逼真的實現場景的沉浸感，開發(fā)了雙視口的立體場景顯示效果，通過AGC——ViewerG立體觀測系統(tǒng)，可沉浸在虛擬的試驗場景中，感覺、體驗試驗過程。圖4為動力學仿真分析結果（速度為100km/h），圖5為虛擬單移線試驗過程中的仿真場景與虛擬儀表變化。

4.總結

在模擬駕駛系統(tǒng)中利用基于力學分析的動力學模型進行仿真，采用多體系統(tǒng)動力學分析軟件獲取車輛性能參數，虛擬實現車輛性能的試驗系統(tǒng)，可完全實現 “室內虛擬試驗”，是未來虛擬樣機系統(tǒng)的擴展，通過連接一些控制設備，與虛擬場景相結合，可使用戶感覺到汽車的振動、側偏、側傾等運動，可以把人的主觀感受加入到評價車輛性能中來，具有很強的實際意義。

參考文獻：

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[3]尹念東，陳定方，李安定.基于OpenGVS的分布式虛擬汽車駕駛視景系統(tǒng)設計與實現[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2006年06期