田順 谷亞蒙 魏朗 劉晶郁 關闖

（長安大學，西安 710064）

1 前言

駕駛模擬器主要分為訓練型和科研型[1]。訓練型模擬器主要用于對駕駛員的駕駛技能訓練和安全教育，目前已經得到了大規(guī)模應用?？蒲行湍M器作為各大車企和科研機構的主流開發(fā)模擬器，可應用于駕駛行為、汽車新技術以及“人-車-路”交通特性的研究，在保留駕駛員操作特點的同時，可完成相關的人車交互試驗[2]。駕駛模擬器是集車輛實時監(jiān)控系統(tǒng)、運動模擬系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、聲光系統(tǒng)和數據采集與傳輸系統(tǒng)于一體的虛擬現實仿真設備[3]。主要的硬件包括：主控計算機（計算汽車瞬時運動狀態(tài)）、視景計算機（產生虛擬場景）、交換機、投影設備、虛擬場景顯示屏、實車模型及待測硬件。

根據運動結構和沉浸感水平，科研型駕駛模擬器可分為低等級、中等級和高等級駕駛模擬器[1]。駕駛模擬器的研發(fā)投入與其保真度、沉浸感正相關[4]。低等級駕駛模擬器結構比較簡單，主要有固定的座椅、固定的屏幕、帶有力反饋的轉向盤和踏板、聲光系統(tǒng)等。其視景系統(tǒng)多為被動式，根據試驗實際需要，通常采用一個或多個屏幕。具體的成本投入根據屏幕數量、操縱機構精準度的不同而有差別。中等級駕駛模擬器具有較為完整的整車模型，其運動系統(tǒng)通常具有較少的自由度。根據試驗目的，可實現縱向、橫向、橫擺等運動[5]。此類模擬器有些采用全尺寸艙，有些則將較為精準的操縱機構安裝在自制的半尺寸車體上。高級駕駛模擬器的運動有多個自由度，一般不少于6個自由度；為了獲得更大的水平工作空間，采用主動式視景系統(tǒng)，即視景屏幕能適應模型車輛的運動，根據車輛當前行駛狀態(tài)實時生成三維場景，呈現200°及以上的逼真視景[2]。

最近10年，駕駛模擬技術有了新的發(fā)展，應用領域也呈多樣性。本文主要研究國內外駕駛模擬器的發(fā)展歷程以及駕駛模擬技術的最新應用，為利用駕駛模擬器開展研究的科研人員提供思路。

2 高等級駕駛模擬器的發(fā)展歷程

20世紀70年代初，德國大眾汽車公司開發(fā)出世界上第一套駕駛模擬器[6]，該模擬器由具有較少自由度的運動模擬系統(tǒng)驅動，僅包含橫擺、側傾、俯仰3個自由度[7]，固定在平臺駕駛位置前方的單一、平面的屏幕組成視覺成像系統(tǒng)為駕駛者提供場景。除此之外，在模擬平臺沒有布置額外的汽車功能和內部結構。隨后，受大眾公司的啟發(fā)，瑞典國家道路與交通研究所（VTI）積極參與駕駛模擬器的開發(fā)，于1984年研發(fā)出第一代駕駛模擬器VTI-Ⅰ[8]。一個獨立的汽車駕駛艙可在運動平臺上進行側向、橫擺、側傾和俯仰模擬運動，即運動模擬系統(tǒng)包含4個自由度[9]。同年，德國聯邦國防軍大學設計了與VTI-Ⅰ具有相同自由度并由液壓裝置驅動的駕駛模擬器[10]。

1985年，基于Stewart博士提出的Stewart結構[11]（見圖1），德國戴勒姆-奔馳公司開發(fā)了世界首套具有6自由度運動模擬系統(tǒng)的駕駛模擬器，應用獨創(chuàng)的液壓六足裝置，車身可實現橫擺、側傾、俯仰、垂直、縱向、橫向等6個方向的運動[12]。模擬駕駛艙為穹頂結構，內部嵌入6個陰極射線管（Cathode Ray Tube，CRT）投影儀，可呈現180°逼真視景，開啟了高保真、多運動自由度高級駕駛模擬器的開發(fā)之路。該模擬器于1993年被升級為“先進駕駛模擬器”，與之前的設計最大的不同在于實現了運動系統(tǒng)在橫向的延伸，運動執(zhí)行機構液壓足在橫向實現了高達5.6m的偏移[13]。日本汽車研究所、日產公司也分別于1996年、1999年開發(fā)了類似結構的液壓裝置驅動的6自由度駕駛模擬器[14]。歐洲的寶馬公司[15]和雷諾公司[16]分別在2003、2004年開發(fā)出了全尺寸6自由度駕駛模擬器。

圖1 Stewart結構

進入21世紀后，為適應汽車新技術和智能交通的發(fā)展，各大科研機構和車企競相研發(fā)更高自由度和保真度的高級駕駛模擬器。2003年，愛荷華大學聯合美國聯邦高速公路管理局（Federal Highway Administration，FHWA）開發(fā)了當時最大規(guī)模、最先進的駕駛模擬器NADS-Ⅰ（見圖2），具有12自由度運動系統(tǒng)[17]。該模擬器具有深度的再開發(fā)潛力，可以進行各種復雜的駕駛員-硬件在環(huán)試驗，主要用于研究碰撞事故中的駕駛員因素以及交通風險應對機制[18]。該模擬器的Stewart結構安裝在橫縱導軌上（見圖2），可實現復雜的橫、縱2個方向的車-路交互。該模擬器最重要的特點是顯著地拓展了平臺基座X-Y系統(tǒng)的水平工作區(qū)[19]，可達20m×20m。除了傳統(tǒng)的專用液壓裝置，新增了轉盤和振動試驗臺，基座X-Y系統(tǒng)由電動機驅動，六足機構、轉盤和振動試驗臺均由液壓裝置驅動。在穹頂內部，全尺寸汽車結構放置在六足裝置上方的轉盤上，配備了8個液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD），可提供360°全視角交通場景。由于模擬艙內直接放置了整車，可以基于CAN總線進行數據采集，不需要試驗人員安裝額外的車用傳感器，減少了工作量。

圖2 NADS-I駕駛模擬器

2006年，英國利茲大學開發(fā)了UoLDS（見圖3），是當今科研領域最先進的駕駛模擬器之一，主要用于研究車輛的自動控制系統(tǒng)對安全性的影響、駕駛員認知模式、道路安全設計等問題[20]。該模擬器具有8自由度運動系統(tǒng)，250°高清投影呈現逼真視景，8通道視覺信道以60 Hz頻率更新，內置5個眼球跟蹤儀。

圖3 UoLDS駕駛模擬器

2008年，日本豐田東富士技術中心研發(fā)了高4.5m，內徑7m的駕駛模擬器。它取代了NADS-Ⅰ，成為了當今規(guī)模最大的汽車駕駛模擬器[21]。其結構與NADS-Ⅰ非常相似，率先使用CarSim和TruckSim軟件代替汽車動力學計算模型，兩者最主要的區(qū)別在于平臺轉盤的轉動位置[22]。豐田模擬器的汽車在穹頂結構內部做橫擺運動，而NADS-Ⅰ則是轉盤帶動整個穹頂結構做橫擺運動。豐田模擬器旨在還原普通駕駛信息，實現加速度幅值高達0.3 g、頻率響應至少4 Hz的真實駕駛體驗。360°球面屏幕呈現逼真的視景，要求視覺呈現延遲為63ms，所以豐田模擬器具有更高的逼真度和沉浸感。該模擬器主要用于進行在現實中太過危險的駕駛測試，分析行車安全性，包括駕駛員困倦、疲勞、醉酒、身體不適和注意力不集中等駕駛行為[1]。

2010年，戴姆勒-奔馳公司新研制的高約4.5m、內徑約7.5m、具有7個自由度的高級駕駛模擬器成功問世[23]。電力驅動系統(tǒng)取代了之前的液壓裝置。由于過高運動質量的物理限制，平臺很難實現橫、縱2個方向運動能力的加強，該模擬器平臺僅安裝在單一方向的運動導軌上，通過無摩擦的空氣軸承實現線性滑移[24]，可實現縱向加速度0.1 g/s。該模擬器可平行或垂直安裝在導軌上，進行縱向或橫向的動力學試驗，水平工作長度為12.5m，主要用于研究汽車懸架技術（如自適應阻尼系統(tǒng)）、車輛主動安全技術、輔助駕駛技術等。

以上的駕模擬器，一般均配有專門的控制室，便于對試驗進程的控制和數據采集，如圖4所示。

表1所示為21世紀國外代表性先進駕駛模擬器性能和應用領域的對比。以上幾款高自由度駕駛模擬器具有高度的二次開發(fā)性，駕駛體驗還原度高。但受結構等物理因素限制，運動能力不足，占地空間大，成本高昂。以NADS、戴姆勒、UoLDS駕駛模擬器為例，其峰值加速度和水平運動空間的提高程度與研發(fā)投入極不匹配[25]。就其運動水平而言，目前所有高級駕駛模擬器均不能執(zhí)行基本的丁字路轉向加速運動，更不必考慮更復雜的綜合城市交通工況。

圖4 NADS-Ⅰ模擬器控制室

為解決當前高等級模擬器性能水平與工作空間需求的矛盾，克服傳統(tǒng)Stewart結構模擬器橫、縱方向車路耦合不足的缺點，輪式自走式多自由度高級駕駛模擬器的構想應運而生。2002年，德國寶馬公司的一項專利率先對輪式自走模擬器作了描述[24]。該平臺至少有3個帶有實心橡膠輪胎的驅動單元，每個車輪的引導角度為±180°。模擬艙內一輛實車模型通過三曲柄機構與平臺底座連接，實現側傾、俯仰和垂直運動。驅動車輪可進行前進和轉向，實現平臺的橫向、縱向和橫擺運動。德國于2015年實現了該概念駕駛模擬器的構造（見圖5），國內目前尚未引進。

表1 21世紀國外代表性先進駕駛模擬器

圖5 輪式自走式駕駛模擬器

過去的幾十年里，隨著電力伺服技術和計算機技術的發(fā)展，駕駛模擬器的仿真水平和致動能力不斷改進（見圖6），致動模式也逐漸從少自由度、液壓驅動向多自由度、電力驅動發(fā)展，使得模擬的受控環(huán)境與現實世界的駕駛條件吻合度持續(xù)增強[25]。

圖6 駕駛模擬器的發(fā)展歷程

相較于國外，我國科研型駕駛模擬器的開發(fā)起步較晚，但在高級駕駛模擬器上基本遵循了相似的發(fā)展規(guī)律。到20世紀70年代，我國才開始自主研制點光源、轉盤機電式低水平駕駛模擬器。進入80年代，清華大學、吉林工業(yè)大學、裝甲兵工程學院、空軍第二航空學校等高校積極參與研發(fā)，并開發(fā)出一些初級產品[26]。自20世紀90年代以來，伴隨著計算機技術和圖形學的進步，以吉林大學、同濟大學為代表的高校，開始自主研發(fā)具有高自由度、高保真的高級駕駛模擬器。

1996年，吉林大學汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室（ADSL）研發(fā)出我國首臺6自由度駕駛模擬器[27]，其建設規(guī)模和性能設計指標居世界前列，具有高度的可拓展性。該模擬器具有逼真的“駕駛員-車”交互界面，可實現“駕駛員-硬件”在環(huán)試驗；基于經濟可重復的交通場景，在安全可控的極限模擬工況下完成對汽車整車及其關鍵子系統(tǒng)的匹配、控制、分析和性能評價，以及用于道路安全評估、車用控制系統(tǒng)設計、駕駛員安全特性等領域的研究[28]。2010年，該模擬器完成了動力學模型的更新，拓展了運動機構的自由度，運動能力和精度都得到增強。

同濟大學于2011年開發(fā)了具有8自由度運動系統(tǒng)的電動高級駕駛模擬器[29]（見圖7），其駕駛模擬艙為穹頂剛性封閉結構，后視鏡由3塊LCD屏幕組成。艙內的實車模型采用RenaultMeganeⅢ，保留輪胎，移除了發(fā)動機，其余與真車環(huán)境一致。5個投影儀安裝在駕駛艙，刷新頻率為60Hz，250°球面屏幕呈現逼真場景。法國公司OKTAL開發(fā)的SCANER軟件為其提供軟件控制。該模擬器的水平工作空間為20m×5m，運動能力較強，代表我國交通安全仿真實驗室的頂尖水平，主要用于開展駕駛員行為模式、車輛安全技術、道路交通設計等領域的研究。

圖7 同濟大學駕駛模擬器

2 中、低等級底座模擬器

高等級駕駛模擬器發(fā)展到今天，功能上已經可以滿足大多數研究人員的試驗需求，而為了讓更多的研究人員利用駕駛模擬技術，使用成本可接受、開發(fā)難度適中的駕駛模擬器成為目前的趨勢之一。低自由度模擬器和固定底座模擬器越來越受到中、小型研究機構的青睞，尤其是固定底座駕駛模擬器，目前已成為在各領域使用最為廣泛的模擬器類型。

低自由度模擬器的配置較為靈活，結構形式也更為多樣。研究人員根據試驗方案，首先確定試驗中的車路主要交互需求，然后據其確定相應的運動自由度。圖8給出了一種2自由度模擬器，可以模擬車身縱向和橫擺2個自由度[30]。導軌下面的2個電機通過鋼帶實現車身的縱向運動，車體下方的獨立電機可實現車身的橫擺運動，從而實現基本的車身運動需求。

圖8 2自由度模擬器

起初，固定底座模擬器主要用于駕駛員培訓，隨著中、高等級模擬器的發(fā)展，固定底座模擬器在融合中、高級駕駛模擬器的部分技術后，也在各方面取得了進展，得到了廣大科技人員的青睞。主要原因是：駕駛員安全特性、城市交通安全等研究課題對車輛運動特性要求不高，固定底座模擬器可以滿足相關試驗需求；固定底座模擬器結構簡單，搭載的車用傳感器少，開發(fā)、維護方面的投入較低。根據試驗對沉浸感的要求程度以及試驗經費，試驗人員可以搭建不同沉浸程度的固定底座模擬器，如圖9所示。主要分為半尺寸駕駛模擬器和全尺寸駕駛模擬器[31]。其中，半尺寸駕駛模擬器根據試驗需求也可以裝配不同數量的顯示屏；全尺寸模擬器一般裝配多個投影儀和環(huán)形屏幕，并配有整車，可以獲得更強的沉浸感，車輛運行數據可直接通過CAN總線采集。

圖9 固定底座模擬器

進入21世紀，在軟件方面，為了提高場景編輯的方便性，日本的FORUM8為研究人員提供了便捷的VR實時開發(fā)工具Uc-win Road，試驗人員可以通過點擊輕松完成對駕駛場景的設置，但是該軟件在大規(guī)模場景建設方面弱于Multigen Creator，而利用法國的Silab也可以通過簡單的程序設置完成專業(yè)的場景設置，這些都無疑降低了運用固定底座駕駛模擬器開展研究的門檻，提高了場景編輯的方便性。

3 駕駛模擬器技術的最新應用

傳統(tǒng)的駕駛模擬器主要應用在汽車技術的研究與開發(fā)、駕駛心理學研究、交通設施優(yōu)化等領域[32-34]。近年來，隨著汽車智能技術的發(fā)展以及交通安全領域的迫切需求，駕駛模擬器在更多擴展領域有了新的應用，如無人車技術開發(fā)、高齡駕駛員行為模式研究等領域。同時，根據研究需要，研究人員也開發(fā)出了聯合駕駛模擬器、可重構駕駛模擬器等。

3.1 在無人車技術開發(fā)上的應用

無人車是集環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、多種輔助駕駛功能于一體的綜合系統(tǒng)，涉及現代傳感器、計算機、無線通訊、人工智能和自動控制等技術。無人車需具有實時感知外界交通場景的能力，并根據周圍環(huán)境設定軌跡，自動完成既定目標駕駛任務。駕駛模擬技術可通過在場景中加入不同車速的外部車輛以及設置逼真的交通環(huán)境來提供足夠的交通信息，為任務的解決方案提供試驗條件。值得一提的是，2017年1月，美國交通部指定了10個無人車技術測試試點單位，其中4個研究機構使用駕駛模擬器作為測試手段[35]。

橫向運動策略和交叉口通過策略一直是無人車研究的難點。2011年，日本東京農工大學的Wan等[36]利用6自由度駕駛模擬器研究了無人車超車過程中的橫、縱向最優(yōu)加速度算法。2016年，清華大學的Luo等[37]利用固定底座的駕駛模擬器驗證了基于車輛短程通訊定位技術的路徑規(guī)劃策略，結果表明該策略可有效規(guī)避換道風險。同年，為了判斷交叉口交通交互形式的強度，北京理工大學的研究人員[38]研究了基于交通強度認知的交叉口決策算法，結果表明，相較于有人駕駛車輛，利用此策略的無人車通過交叉路口的安全系數更高。

3.2 在高齡駕駛員行為模式研究上的應用

為驗證與評估高齡駕駛員行為表現標準的合理性，以及確定高齡駕駛員與機動車事故的關聯因素，澳大利亞的Lee等[39]進行了高齡駕駛員駕駛特性研究，129名60歲左右的駕駛員自愿參加了此次研究。在模擬器環(huán)境下，通過合理的駕駛任務測試高齡駕駛員的行為表現，經過反復試驗，得到了10種可靠的標準場景[40]用于評估高齡駕駛員安全特性測試。在一項關于高齡駕駛員的邏輯回歸分析如何影響自述碰撞事故數的駕駛模擬器試驗中，研究結果表明，隨著年齡的增加，高齡駕駛員的駕駛技巧不斷削弱[40]。超過60%的參與者在過去1年至少發(fā)生1次機動車事故，而且高齡駕駛員與交通事故發(fā)生有關的認知能力，包括工作記憶、應急決策和高速駕駛的自信心等，均嚴重下降。最近，新英格蘭大學交通中心[41]進行數據統(tǒng)計得知，在所有類型的交通事故中，絕大多數高齡駕駛員的死亡發(fā)生在道路交叉口機動車碰撞事故中。Craig A[42]利用駕駛模擬試驗發(fā)現其原因在于高齡駕駛員在通過交叉路口時不傾向于觀察周圍環(huán)境，即缺乏發(fā)現潛在威脅的能力。

3.3 聯合駕駛模擬器應用技術

聯合駕駛模擬技術在交通安全領域的應用愈發(fā)廣泛。研究表明，由于駕駛員缺乏必要的視覺信息，44%的交通傷亡事故發(fā)生在交叉路口，其中75%以上發(fā)生在城市道路[43]，因此，多車交互研究具有一定的必要性。此前，在一項考察車載視聽反饋系統(tǒng)的作用的研究中[44]，該系統(tǒng)能為駕駛員實時提供其他駛近本十字路口車輛的速度和方位的可視化信息，但需要控制程序自動生成其他靠近的車輛。而最新的研究中，2個駕駛模擬器的聯合使用確保了參與者和干擾者在同樣的虛擬環(huán)境中行車[44]。在另一項研究中，25組試驗者分別通過已打開視聽告警顯示設備和關閉了該設備的路徑進入模擬環(huán)境，每條路徑包含22個道路交叉點。參與者利用駕駛模擬器在某些交叉點保持速度或者減速靠近試驗者。試驗結果表明，相較于未配備視聽顯示設備的車輛，安裝視聽顯示設備的車輛能夠有效減少交通事故，提高交通效率[45]。Wolshon等[46]利用聯合網絡模擬器考察同一交通環(huán)境下多駕駛員交互行駛的表現，來評估復雜交通環(huán)境的安全性。在一項基于聯合網絡模擬駕駛技術的研究中，Dumitrescu等[47]利用千兆以太網連接的25臺個人計算機創(chuàng)建的網絡平臺驗證了協同的高級駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistant Systems，ADAS）對駕駛員主觀感受的影響。

3.4 可重構駕駛模擬器的應用

ADAS對車輛的影響越來越復雜，使得越來越難以理解與分析其功效及其與駕駛員間的相互作用。駕駛模擬器可提供可重復、安全、經濟的試驗環(huán)境用于開發(fā)和驗證汽車新系統(tǒng)及其子系統(tǒng)。然而，駕駛模擬器通常為特定目標設計和建造，以便在預定義的環(huán)境中支持特定的分析任務。此類型的駕駛模擬器用來適應和支持新功能或應用程序時非常復雜、耗時，因此往往不可行。為了增加二次開發(fā)的靈活性，專為適應多種特定新功能的可重構駕駛模擬技術應運而生[48]。各種仿真模型、軟件和硬件組件構成駕駛模擬器需要的多種組合以適應不同的特定目標[49]。此外，還有不同層次的細節(jié)模型，從簡單的低保真度模型到其各自的復雜高端模型。同時，硬件組件包含能實現ADAS測試下不同功能和特定層面的模擬器設置?？芍貥嬹{駛模擬器具有兼容軟件和硬件的接口和可靠的檢查機制來實現系統(tǒng)配置的一致性。2007年，中佛羅里達大學的研究人員[50]研發(fā)了實車模型可更換的可重構駕駛模擬器，為多學科交叉的交通工程領域提供科研平臺。2013年，擁有德國最龐大電軌網絡的柏林運輸公司[50]開發(fā)了BVG駕駛模擬器，其可根據特定技術目標重置運動模擬系統(tǒng)，用于研究有軌電車駕駛員的行為模式。

4 結束語

目前，針對相應的研究需求，已經開發(fā)出了各種級別的駕駛模擬器。高保真、沉浸感強的駕駛模擬器為智能交通和汽車智能技術等領域提供了安全、可重復、經濟的驗證和開發(fā)技術。除此之外，駕駛模擬器的應用在以下2個方面需要進一步探討：

a.有效性難以確定。駕駛模擬器應用存在的問題之一是其有效性。雖然計算機技術和圖形技術不斷發(fā)展，現實世界的復雜性仍不能完全被復制，駕駛模擬器的實際運行速度與環(huán)境細節(jié)量成反比。此外，受限于車輛動力學模型的精確度和模擬操作水平，高級駕駛模擬器的橫、縱運動的保真度差。大量研究表明，駕駛模擬器的顯示行駛速度大于實際道路行駛速度。Riemersma[51]和Harms[52]利用可X、Y方向移動的高等級駕駛模擬器在農村、城市的直線和曲線道路上模擬行駛，與實際道路行駛相對比，發(fā)現了兩者的速度差異顯著，并且橫向位置變化大。在一項利用VTI駕駛模擬器驗證其有效性和逼真度的研究中，對比使用同一模擬器的不同研究項目，結果發(fā)現，在防撞預警系統(tǒng)和視覺增強系統(tǒng)測試中均出現較低現實水平，即模擬結果與實際情況完全不相符。所以，利用駕駛模擬器得到的結果在與現實世界的行為符合程度上難以確定。

b. 駕駛模擬的不適性（Driving Simulator Sick?ness）。模擬駕駛的不適性是增強真實駕駛體驗、保真度和沉浸感的嚴重阻礙，這一癥狀在不同模擬器或同一模擬器的不同參與者之間差異顯著。不適范圍從輕微暈眩、惡心到嚴重運動失調、嘔吐不止。產生該現象的原因包括：控制回路的滯后和延遲，即不恰當的控制反饋信息滯后降低了車載系統(tǒng)的可控性和穩(wěn)定性；未能在模擬器計算系統(tǒng)中適當地對車輛建模以及未能準確地匹配模擬器和實際車輛的動態(tài)特性；控制負載因素，例如阻尼；運動系統(tǒng)因素，如Barrett和Thornton[53]提出固定底座駕駛模擬器的操作者更容易出現不適，因為操作者在視覺上感知車輛運動的改變，但從未感受到相應的物理加速度或位置變化；視覺系統(tǒng)因素，如顯示方式、目視水平視野、場景細節(jié)、視頻幀率和顯示失真等；座艙環(huán)境因素，如模擬艙關閉后，艙內溫度和濕度的控制等。以上可能因素為開發(fā)真正意義上的高沉浸感模擬器提供了方向。

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