高速公路汽车驾驶控制的分布式虚拟实验研究*

尹念东 夏 萍 何 彬

(黄石理工学院机电工程学院，湖北黄石435003)

0 引言

由于我国高速公路交通的快速发展，高速公路事故率也不断上升，对高速公路上的汽车驾驶控制过程进行研究，开发汽车安全驾驶图像和语音辅助系统，减少因驾驶员控制操纵不当而造成的交通事故具有重要现实意义。

汽车驾驶操纵的过程是一个复杂的过程，驾驶员的驾驶行为会受到来自于汽车-驾驶员-道路系统中的人、车和道路的影响，以单车和单一驾驶行为的汽车驾驶速度控制、避撞控制和转向控制模型研究不能够完全的描述高速公路上的汽车驾驶行为，又由于高速公路上汽车运动高速和危险的特点，对高速公路汽车驾驶控制过程的研究采用虚拟实验是一种先进的方法[1]。

本文构建了汽车-驾驶员-环境(高速公路、交通标志、其他车辆等)的闭环半实物高速公路汽车驾驶控制分布式虚拟实验平台，主要研究分布式的“人-车-路”高速公路汽车驾驶控制虚拟实验平台总体构建，满足汽车驾驶状态的实时分布式虚拟驾驶视景，汽车驾驶控制中数据的实时采集、处理和交换，与汽车驾驶控制一致的高速公路环境场景的控制等分布式虚拟实验关键技术。

1 高速公路汽车驾驶虚拟实验平台的构建

高速公路汽车驾驶虚拟实验是基于汽车-驾驶员-环境(高速公路、行人等)闭环的半实物仿真平台，驾驶员作为系统中的一部分，参与虚拟实验的过程，由于有分布性的特点，可构成多驾驶员在同一驾驶环境中的交互，该平台能够逼真的再现高速公路驾驶场景，能够虚拟多车交通场景，对不同驾驶员的驾驶特性能够描述。该平台能够实时地采集、处理汽车驾驶操作和汽车运动状态数据，满足高速公路汽车驾驶控制的研究。

高速公路汽车驾驶虚拟实验平台的主要功能如下:

1)虚拟高速公路系统，建立分布式的虚拟高速公路场景，包括行驶的道路、交通标线和标志、其他智能车辆、各种天气气候(雨、雪、风)等等 。驾驶员的“沉浸感”、“交互感”越强，就越能够反映来往车辆、行人、交通标志、路面状况以及汽车本身的行驶方向和速度等外界信息对驾驶员及驾驶过程的影响，汽车控制模型的研究就更加具有实用的价值[2]。

2)实现汽车驾驶操纵及数据采集，建立分布式(LAN局域网络)的虚拟实验平台，构成多个驾驶者参与的交互驾驶环境，建立起汽车驾驶控制和车群行为的联系，在多车、复杂交通环境下研究汽车驾驶控制，使之与实际情况更加一致。

3)由于分布式虚拟实验平台具有交互性、实时性、分布性的特点，能够完全虚拟高速公路上的车流、车辆运动状态信息、道路信息，可以及时的改变道路条件，完成分布式驾驶过程中其他车辆运动状态数据的实时通信。

4)虚拟实验平台中的其他智能车辆随机产生。道路信息可以通过设计的虚拟高速公路提供，也可以通过真实的高速公路 GPS、GRS提供。

根据以上要求，我们设计了如图1所示的高速公路汽车驾驶分布式虚拟实验平台系统结构。

分布式虚拟实验平台由分布式虚拟实验网络系统，汽车-驾驶员 -环境(高速公路、智能车辆、交通标识等)闭环系统，虚拟实验数据采集、处理和通信系统3大系统组成。

1)汽车驾驶虚拟实验网络系统把系统中分布的各汽车驾驶模拟器联系在一起，驾驶人员可以通过模拟器与虚拟的高速公路驾驶场景进行交互，系统中的各驾驶模拟器相互交换信息影响彼此的状态。笔者设计的分布式网络为基于C/S通信模式的10M以太网，可组成小于50台驾驶模拟器(学员机)的局域网，由交换机或集线器、网卡、RS485网络接口、数据采集卡组成。

2)汽车-驾驶员-环境(高速公路、智能车辆、交通标识等)闭环系统包括视景系统、音响系统、仪表系统、操纵系统、操作规则和汽车运动模型6大部分，系统完成汽车的驾驶控制过程的仿真。驾驶环境由视景系统(虚拟高速公路、智能车辆、交通标识等)、音响系统(虚拟发动机、制动、行驶噪音等)、仪表系统(虚拟仪表和实物仪表)提供，驾驶员按照驾驶规则对操纵机构进行操作，产生的功能信号经传感器通过数据采集卡传输给计算机系统中的汽车整车动力学模型进行快速实时运算，从而模拟出汽车的行驶状态。

3)虚拟实验数据采集、处理和通信系统，汽车驾驶操纵的数据包括方向盘、变速档、离合器、刹车、油门和其他的操纵信号，经过角度、位移、开关等传感器采集、处理后，实时地输送给中央计算机处理器，由中央计算机根据汽车的运动、驾驶操作规则等控制规则来操作视景系统、音响系统、仪表系统、评价系统。

通信子系统完成驾驶操纵和汽车运动状态、道路数据的实时通信。采用基于TCP/IP协议的C/S模式组成通信网络。分布式虚拟实验系统的“分布”，体现在该系统中不设中央计算机，其计算能力是分布的，各模拟器(客户机/驾驶员机)在本计算机上完成驾驶视景系统、驾驶操作数据的采集系统、专家系统、音响系统给出的任务，而服务器(监控与管理服务器)则完成各驾驶员在可视距离内车辆位置数据的传输，其网络是一种瘦服务器/肥客户机形式[3]。

图1 高速公路汽车驾驶分布式虚拟实验平台系统结构

2 汽车驾驶虚拟实验系统中的关键技术实现

高速公路汽车驾驶虚拟实验中要解决包括增强视景仿真系统的“沉浸感”、“交互感”，实时交互驾驶操纵数据的采集、处理，分布式网络通信等关键问题。

1)构建满足汽车驾驶状态实时的分布式虚拟驾驶视景系统。

分布式虚拟驾驶视景系统中需要实时地提供与地理位置对应的连续的驾驶室外景，包括运动着的道路、路旁的建筑、交通车辆、山川、田野、天空等等，这些动画运动层次复杂、三维立体感强，是使汽车驾驶者产生“沉浸感”的关键。视景仿真系统综合应用大场景建模、分布式虚拟场景建模、视景模型区域分割、视点动态控制、多层次细节模型(Level of Detail)等先进技术，根据高速公路汽车驾驶虚拟实验的要求，在Visual C++环境下，以Multi-Gen Creator[4]作 为 图 形 建 模 工 具、以OpenGVS[5]视景开发软件为平台，构造了真实的道路环境和交通状况，达到了非常逼真的仿真效果。视景仿真系统的设计分为仿真环境的制作和场景的仿真驱动。仿真环境制作主要包括:模型设计、场景构造、纹理的设计制作、特效设计等;仿真驱动主要包括:场景管理、场景调度、分布交互、渲染输出等;视景系统总体结构如图2所示。

图2 汽车驾驶虚拟视景结构

数据通讯子模块具有把运动数据传递给场景调度模块的功能。运动数据包括数据采集卡采集到的本地仿真车辆的运动信息，以及通过网络传输过来的其他车辆的运动状态。

三维建模子模块运用MultiGen Creator建模软件，建立场景模型，并将生成的模型数据以数据库的形式组织，供场景调度模块进行调用。

场景数据库子模块将场景的几何数据和图形属性信息以一定的规律和方式进行组织和管理，以生成适应快速运算和图形管道流水线处理的数据。

场景调度子模块根据模拟器中数据通讯子模块传递的信息，对视景数据库进行检索，得到驾驶员视野范围内的场景数据，并传送给3D渲染模块，灯光效果也在该模块中加入，提高驾驶视景的“沉浸感”。

3D渲染子模块实现虚拟汽车相对于周围环境运动画面的连续显示，采用帧同步控制技术，使每帧时间为1/25 s;在这一帧时间内，按数据通讯子模块传递过来的运动数据信息，调用动画命令，绘制该帧的图像。如此循环，就可画出连续的图像，形成动画效果。

2)驾驶操纵和汽车运动状态、道路数据的采集、处理与通信。

研究驾驶控制过程和建立汽车驾驶控制模型，除需要操纵本车数据、本车的运动状态数据外，还需要道路前方的道路信息和车辆运动状态以及后方道路信息和车辆运动状态，图3为汽车驾驶过程的数据采集处理示意图。

本车的驾驶操作数据(油门、离合器、变速器、方向盘等)通过虚拟实验平台的操纵系统获得，由此可以得到本车的运动状态数据(车速、加速度、横摆角速度等)，前方的车辆运动状态以及后方车辆运动状态由基于分布式虚拟驾驶虚拟实验平台通提供，在平台上还可以随机产生其他运动的车辆。道路信息可以通过设计的虚拟高速提供，也可以通过真实的高速公路GPS、GRS提供。

图3 汽车驾驶过程的数据采集处理示意图

3 结论

按照高速公路汽车驾驶虚拟实验平台功能要求，构建了满足与汽车驾驶状态一致的实时产生三维立体场景的分布式虚拟视景系统，能够逼真的再现多车的高速公路交通环境(场景);设计实现了驾驶操纵系统、数据采集系统，建立分布式(LAN局域网络)的网络平台，构成多个驾驶者参与的交互的“人-车-路”闭环集成虚拟驾驶环境，能够满足高速公路汽车驾驶控制的分布式虚拟实验研究的要求，图4、图5分别为建立的高速公路汽车驾驶虚拟实验平台和开发的汽车驾驶虚拟交通视景。

图4 汽车驾驶虚拟试验平台

图5 汽车驾驶虚拟交通视景

[1]Niandong Yin，Dingfang Chen.Research and Development of Distributed Interactive Vehicle Simulation System for Driving Training[C].Proceedings of the 2007 11th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design，Melbourne，Australia

[2]Yin Niandong，Xia Ping，Tao Qing.Construction of Virtual Experiment Platform for Research about Vehicle Driving Control at Energy-saving[C].Proceedings of the 14th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design 2010，Shanghai，China

[3]胡平飞，杨克俭.分布式交互三维视景仿真系统平台网络通信技术的研究与开发[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2004(1):70-73

[4]尹念东，陈定方，李安定.基于OPENGVS的分布式虚拟汽车驾驶视景系统的设计与实现[J].武汉理工大学学报(交通科技版)，2006(6):984-987

[5]OpenGVS Programming Guide(Version 4.4)[Z].U.S.A:Quantum3D Inc.，2004