天津工業(yè)大學(xué) 馬瑞宇 鄭興浪 趙 欣

基于模型汽車的汽車模擬駕駛系統(tǒng)的方案研究

天津工業(yè)大學(xué) 馬瑞宇 鄭興浪 趙 欣

根據(jù)傳統(tǒng)的汽車模擬駕駛系統(tǒng)的缺點，提出一種使用模型汽車實現(xiàn)模擬駕駛的方案。該系統(tǒng)無需建立復(fù)雜的動力學(xué)與視覺模型，效果真實，結(jié)構(gòu)簡單，為汽車模擬駕駛系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)提供了新的思路。

模擬駕駛；汽車

引言

隨著我國人民生活水平的提高，車輛已經(jīng)成為人們出行的重要方式，駕駛技能也逐漸成為生活中的重要技能。然而傳統(tǒng)的汽車駕駛培訓(xùn)方法面對日益增多的駕考人員漸漸顯得力不從心。反觀汽車模擬駕駛，它具有節(jié)約時間、減少環(huán)境污染、減少汽車損耗、不受天氣、時間等影響、減少教練的教學(xué)強度等優(yōu)點。面對這一情況，人們意識到，應(yīng)用模擬加實車的組訓(xùn)模式取代全部實車的組訓(xùn)模式，是汽車駕駛教學(xué)改革的必然趨勢。

1.汽車模擬駕駛系統(tǒng)的概況

汽車模擬駕駛也被稱為汽車駕駛仿真，是指利用計算機圖像、機械、嵌入式系統(tǒng)、儀器儀表、數(shù)據(jù)處理、音效、自動控制、車輛工程等技術(shù)實現(xiàn)與駕駛真實汽車相似的駕駛環(huán)境，讓使用者感受到接近真實效果的視覺、聽覺和體感的汽車駕駛體驗。當(dāng)前的模擬駕駛系統(tǒng)分為主動式與被動式兩大類，主動式模擬駕駛系統(tǒng)是對車輛、環(huán)境、物理效果進(jìn)行全面的仿真。它雖然較為真實，但其成本高昂，不利于廣泛應(yīng)用。被動式模擬駕駛系統(tǒng)是利用放映錄制好的訓(xùn)練場景，以及同時錄制的指導(dǎo)人員的命令，指導(dǎo)學(xué)員掌握基礎(chǔ)的駕駛技能，但是它不能使人與車輛進(jìn)行交互，缺乏真實體驗?？紤]到這兩種模擬駕駛系統(tǒng)的優(yōu)缺點，本文探究利用結(jié)構(gòu)與真實汽車非常類似但是重量僅有2KG的模型汽車來實現(xiàn)一種成本低廉、效果真實的模擬汽車駕駛系統(tǒng)。

2.方案介紹

本方案設(shè)計的模擬駕駛系統(tǒng)計劃使用一輛與真實汽車有相同結(jié)構(gòu)的縮小模型作為受控制部分，在模型上搭載一個高清相機，通過無線模塊將實時圖像、速度等數(shù)據(jù)傳輸給電腦上的上位機軟件，上位機軟件將圖像、速度等數(shù)據(jù)顯示出來。駕駛者根據(jù)反饋的圖像操作與電腦相連的方向盤、剎車離合器、換擋桿，電腦上位機讀取這些設(shè)備的數(shù)值，處理后將數(shù)據(jù)通過串口通信的方式發(fā)送給無線傳輸設(shè)備并顯示，再利用無線傳輸設(shè)備將操作指令發(fā)送給模型汽車，完成遙控操作。

3.駕駛系統(tǒng)的技術(shù)路線

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述思路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示；

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，它主要由四部分組成。分別是：

1)模型車體：包含模型車、車載攝像機部分；

2)信號傳輸：包含模型車端無線模塊、電腦端無線模塊；

3)人員操作設(shè)備：包含方向盤、剎車、離合、換擋桿部分；

4)上位機部分：顯示車載攝像機發(fā)送的圖像、車速信息、人員操作信息，處理數(shù)據(jù)后發(fā)出與車輛運行狀況對應(yīng)的聲音。

3.2 系統(tǒng)的工作原理

在系統(tǒng)運行時，模型汽車上搭載的攝像機采集車輛前方的高清視頻，通過無線發(fā)送模塊將模擬的視頻信號傳輸?shù)綗o線接收模塊，無線接收模塊再將接收到的模擬視頻信號通過AV端子連接到EasyCap 視頻采集卡，該視頻采集卡使用USB接口連接到電腦。電腦上使用C#編寫的上位機軟件獲取視頻流并在電腦屏幕上顯示出來，操作人員在屏幕前看到車輛前方的路況信息操縱方向盤等設(shè)備，上位機軟件再利用DirectXInput接口獲取這些設(shè)備的操作數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)顯示在上位機上的儀表控件上。同時處理操作數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷車輛所處的狀況然后通過音響設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的聲音，再將數(shù)據(jù)組包通過無線設(shè)備發(fā)送給模型汽車，完成操作。

4.駕駛系統(tǒng)各部分技術(shù)介紹

4.1 上位機軟件

該上位機是基于VS2015 .NET集成開發(fā)環(huán)境，使用C#語言開發(fā)。它的主要功能有顯示車輛前方視頻，顯示車輛速度、油門等數(shù)據(jù)、獲取方向盤、換擋桿等外部設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)產(chǎn)生汽車運行音效、將操作數(shù)據(jù)組包并通過UART接口發(fā)送給無線通信模塊。

4.2 視頻系統(tǒng)

上位機中顯示處理視頻使用AForge類庫，AForge是基于.net框架使用C#高級面向?qū)ο笳Z言設(shè)計開發(fā)的專門為開發(fā)者和研究者學(xué)習(xí)和使用的開源圖像處理庫，在上位機軟件中主要使用AForge.Video類庫來完成視頻流的獲取，播放工作。

4.3 外部設(shè)備

上位機軟件通過DirectXInput接口獲取方向盤、換擋桿、 剎車油門等外部設(shè)備的數(shù)據(jù)。DirectX是由微軟公司創(chuàng)建的多媒體編程接口。由C++編程語言實現(xiàn)。其輸入部分DirectXInput可以支持很多的輸入設(shè)備，它能夠讓這些設(shè)備充分發(fā)揮最佳狀態(tài)和全部功能。

4.4 聲音系統(tǒng)

聲音部分同樣由屬于DirectX的DirectXSound API實現(xiàn)音效的產(chǎn)生、處理和播放。其主要作用是模擬真實汽車運行時的音效。

4.5 無線通信系統(tǒng)

無線通信系統(tǒng)主要包括兩部分，分別是發(fā)送高清視頻圖像的2.4GHz Tx6729和Rx5786模塊、傳輸汽車狀態(tài)和操作數(shù)據(jù)的NRF24L01模塊。這樣能夠有效防止視頻和操作數(shù)據(jù)的混合導(dǎo)致的錯誤。

5.結(jié)論

采用模型汽車作為模擬駕駛的實體部分，大大的減少了汽車模擬駕駛中物理模型建立的工作，同時使用攝像頭拍攝模型汽車前方的道路實景，減少了很多視覺系統(tǒng)的開發(fā)工作，極大的降低了成本。這種方式也能夠通過方向盤等外部設(shè)備進(jìn)行操作，讓駕駛?cè)藛T與汽車進(jìn)行交互，獲得真實的體驗與操縱感，同時兼具主動式與被動式模擬駕駛系統(tǒng)的優(yōu)點。

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項目支持：由國家科技基礎(chǔ)性工作專項（創(chuàng)新方法工作），科技部創(chuàng)新方法工作專項“我國創(chuàng)新實驗室構(gòu)建模式研究與示范”（項目編號：2013IM030100）支持。