汽车驾驶模拟器主客观评价方法的应用研究*

徐 亮，石 娟，郑英东，郭魁元，秦孔建

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

前言

汽车驾驶模拟器一般由车辆实时仿真系统、运动系统、视景系统、声音模拟系统、运行监控系统、集成信息管理系统和数据传输系统组成［1］。它将真实的驾驶员与虚拟车辆、虚拟场景组成驾驶员在环测试系统，通过逼真地模拟车辆在各种工况下的车辆状态，并通过视觉、体感、触感反馈和声效等方式让驾驶员对被测目标进行主客观性能评估。其特点在于避免了对真实驾驶员行为和驾驶员主观评价的建模，而当前这两方面很难有效建模。通过这种方式，能够让整套测试系统与实车测试结果更为一致，从而实现更有效的测试。相比实车测试，除减小测试成本和周期外，同时测试可控性和可观性更强，能设置各种测试场景，可以实现危险极限测试，能存储更为丰富的数据类型。

通过调研国内外的研究现状表明，目前有关驾驶模拟器的评价研究较少，给驾驶模拟器的选型带来了困难。通过实地考察多台驾驶模拟器，以及调研国内外文献，总结并提出了一套汽车驾驶模拟器的主客观评价方法。

1 驾驶模拟器发展现状

汽车驾驶模拟器的研究最早是从20世纪60年代开始。第1个阶段是静态驾驶模拟器阶段。1965年，美国机械工程师协会出版一篇报告［2］，报告中提到驾驶员坐在一个静止的驾驶舱内，舱前是投影仪系统，放映真实场景的彩色电影。一年后，美国人力资源研究组织开发了一套类似的系统［3］。

第2个阶段是动态驾驶模拟器阶段。这个阶段，驾驶舱可以具备较小行程的运动。20世纪70年代早期，德国大众汽车有限公司开发的驾驶模拟器，是采用一块屏幕安装在驾驶员座椅前，没有驾驶舱，驾驶员座椅放置在一个运动机构上，具备俯仰、侧倾和横摆3个自由度。1980年，美国交通和联邦公路管理局决定通过资助基于计算机网络组建完全交互式驾驶模拟器的可行性研究。1985年，戴姆勒-奔驰公司在柏林-马林费尔德研究中心［4］建设了第一次以六足并联机构为运动基础的驾驶模拟器。从此，马自达［5］、通用［6］、福特［7］、雷诺［8］和宝马等车企都开始建设具备全运动系统的交互式仿真驾驶模拟器。同时期，多家国家研究机构，如日本汽车研究所［9］、英国交通研究实验室［10］等，也开始纷纷建设自己的驾驶模拟器。另外，许多大学也开始建设驾驶模拟器，较有代表性的是美国爱荷华大学驾驶模拟器［11］，它采用的是波音737飞行模拟器所使用的六足运动系统。吉林大学于1996年建成了包含6个自由度的驾驶模拟器［12］，用于车辆性能设计和车载控制系统开发。

第3个阶段是带导轨大行程动态驾驶模拟器，即大幅增加了驾驶舱水平运动的行程（包含前向、侧向、横摆3个方向）。在爱荷华大学开发的驾驶模拟器基础上，TRW公司对此进行了改进，并将改进后的驾驶模拟器命名为“国家高级汽车驾驶模拟器（NADS）［13］”。如图1所示，它将驾驶舱放置在一个直径为7.3 m的圆形舱内，圆形舱则安装在六足运动机构上，六足运动机构下是双轴滑轨，具备19 m的水平纵向和侧向行程，以及330°的横摆角行程。丰田驾驶模拟器受NADS驾驶模拟器影响，在东富士技术中心的驾驶模拟器采用类似方案，不同的是在侧向运动行程上增至25 m，纵向行程上增至35 m。

图1 NADS驾驶模拟器

近年来，涌现越来越多各种设计类型的驾驶模拟器，主要体现在运动平台的设计越来越多样化。德国航天航空局（DLR）设计的驾驶模拟器［14］如图2所示。Ansible Motion公司的驾驶模拟器［15］如图3所示。VI-grade驾驶模拟器［16］如图4所示。Anthony Best Dynamics（ABD）驾驶模拟器［17］如图5所示。其中DLR的设计是将作动器铰接到驾驶舱顶部，使旋转点尽可能接近驾驶员头部。Ansible Motion模拟器将运动平台分成了3层，从而将车辆六向运动由3层运动机构来实现。VI-grade的驾驶模拟器采用两层，下部采用三足机构，进行低频大行程运动，上部采用六足机构，进行高频小行程运动。ABD驾驶模拟器没有采用分层的运动系统，而是采用8个楔形机构进行驱动，运动系统放置在一个长导轨通过磁力驱动，可实现侧向较大范围的运动。

图2 DLR驾驶模拟器

图3 Ansible Motion驾驶模拟器

图4 VI-grade驾驶模拟器

图5 ABD驾驶模拟器

2 国内外研究现状

Ansible Motion的工程师Kia认为驾驶模拟器可以从两个方面来评价，一方面从驾驶模拟器各软硬件组成部分评价，另一方面通过试驾进行评价。软硬件系统可分为运动系统、应用工具、视景系统、计算机系统和音频系统等几大类进行评价；其中，运动系统包含评价子类有运动平台、驾驶舱内辅助运动机构（座椅、主动安全带），应用工具包含联合仿真环境、图像生成、数据存储等。试驾主观评价主要通过平顺性、操控性、制动性等几大类进行评价。

Anthony Best Dynamics的工程师Adrian博士重点提到了驾驶模拟器运动平台的性能评价和一些试驾项目以进行驾驶模拟器性能评估。关于运动平台的性能，提出通过行程、频率响应特性、延迟时间、线性度、一致性、摩擦、噪声、故障率等方面进行评价。行程方面，须结合评价车辆实际运动规律，即车辆在不同自由度上的行程范围，同时须考虑复合行程，即运动平台同时在进行多个方向的运动时的行程范围。频率响应特性也须结合车辆各个方向实际频率分析需求。延迟时间须尽可能小，尤其是须小于人类所能感受的滞后时间。关于如何进行驾驶模拟器试驾，以便进行评估，Adrian博士提到首先须有经验的驾驶员进行足够长时间的驾驶，这样才能有效评估。质量好的驾驶模拟器，当车辆参数改变幅度较小时，例如1%～2%，试驾时就能让驾驶员感受到；质量不好的驾驶模拟器，即使车辆参数改动幅度很大，驾驶员试驾时也不能感受到。

VI-grade运动平台设计单位鹭宫制作所伊荣生认为，关于运动平台的评价，低频受行程限制，中频受速度限制，高频受加速度限制。各个数值越大，对运动体感的依赖就越小。同时提出平台设计的行程，须分析汽车在各种道路驾驶时，3个自由度上（Z、Roll、Pitch）的行程范围。另外，还分析了车辆在一般驾驶情况下和一般路面行驶时，各个方向的加速度范围。因此须分析运动平台的加速度范围满足车辆一般驾驶情况下的加速度要求。

吉林大学管欣多年来一直从事驾驶模拟器的开发与研究，提出模拟器逼真度［12］的概念，用于描述模拟器驾驶感觉和实车驾驶感觉的一致情况。吉林大学段春光认为，改进车辆动力学模型，是提升模拟器逼真度的关键环节之一。通过将驾驶模拟器中的整车动力学模型仿真数据与实车场地试验数据进行对比是评价驾驶模拟器逼真度的方法之一。他主要进行了滑行试验、纵向加速试验、制动试验、操纵稳定性试验的对比。另外，分析了影响模拟器逼真度的几个方面：车辆动力学模型、仿真路面环境、硬件工作能力和子系统匹配。

英国利兹大学的Andrew博士［18］研究了几个驾驶模拟器关键子系统对驾驶模拟器有效性的影响，重点包含视景系统、前庭系统和听觉系统。视景系统显示质量非常重要，包含画面分辨率、更新频率和视角。这对于驾驶员估计车速、物体之间距离、车辆朝向和侧向控制有着重要意义。前庭系统主要与驾驶模拟器的运动系统相关，Harms［19］和Duncan［10］等研究表明，当运动平台固定时，驾驶员在驾驶模拟器上相对真实道路驾驶，在车道上位置变化更大；Siegler［20］等研究表明，与仅提供视觉信息相比，当运动平台存在横向运动提示时，驾驶员会执行更大的转向。关于音频对驾驶模拟器试驾时驾驶员行为的影响还不是很明显。

3 驾驶模拟器主观评价方法

主观评价重点通过视觉、体感、触感、声觉等分项评价，同时包含通过试驾进行驾驶逼真度综合评价。

3.1 视觉评价

驾驶模拟器多采用环幕投影显示系统，环形屏幕角度通常有120°～360°不等。多通道虚拟三维投影显示系统是目前非常流行的一种具有高度沉浸感的虚拟现实显示系统，该系统以多通道视景同步技术、数字图像边缘融合技术、多通道亮度和色彩平衡技术为支撑。

3.1.1环境特征逼真度

环境特征包含两个方面：静态环境特征和动态环境特征。下面展示了不同软件中渲染后的视景效果。评价时，根据环境特征逼真度，按照5分制分为非常差（0-1）、差（0-2）、中（2-3）、良（3-4）和优（4-5）。其中，环境逼真度中如图6所示，环境逼真度优如图7所示。

图6 环境逼真度中

图7 环境逼真度优

3.1.2 视景流畅度

视景流畅度的评价主要是观察视景的变化是否流畅，是否会出现卡顿现象，帧与帧的图像是否能够平滑过渡。流畅度主要与视景计算工作站的计算性能相关。根据视景流畅度，按照5分制进行评分。

3.1.3 视景明亮度

视景明亮度主要观察并比较视景系统在额定工作情况下，视景效果和真实环境的明亮程度，过于明亮和过于昏暗都是不合适的。按照5分制进行评分，越接近真实，评分越高。

3.1.4 视景拼接平滑度

数字图像显示在屏幕上，是由多块数字图像拼接而成，重点关注环形屏幕数字图像之间拼接处是否平滑，有无相互覆盖、重叠、有缝隙等现象，以及明亮程度是否一致等。同样按照5分制进行评分。

3.1.5 视景同步程度

驾驶模拟器显示时，常采用多通道投影技术，当出现不同步时，试驾会发现环幕有些区域的图像帧已经更新，而有些区域还未更新。这一项性能的主观评分按照5分制评分。

3.1.6 视景距离和速度逼真度

视景距离和速度逼真度也是很重要的一项视景指标。在评价视景距离逼真度时，比较视景中的道路两旁电线杆与实际道路两旁相同距离的电线杆，判断视觉感受上是否一致。在评价视景速度逼真度时，主要根据驾驶舱内仪表盘上的速度信息和环幕中的图像变化，主观评价与实车相应速度下的感受是否一致。这一项性能评分采用5分制。

3.2 体感评价

体感是通过驾驶员耳朵内前庭进行感受，前庭系统能够感受线性加速度和角加速度。当驾驶员在驾驶模拟器中驾驶时，运动平台会模拟在实车道路上驾驶时的车体运动。

在进行该项评价时，须在空间比较开阔的虚拟试验场进行。下面所有的评价都按照5分制评分。

3.2.1 纵向和俯仰两个方向的体感评价

纵向和俯仰两个方向的体感评价主要通过直线加速和制动来进行评价。评价时，初始车速为40和80 km/h，然后进行紧急制动（1 s内制动到底）和缓慢制动（10 s制动到底），进行加速（1 s内加速到底）和缓慢加速（10 s内加速到底）。在这些试验中，评价纵向和俯仰两个方向的体感与实车驾驶时的一致性。

3.2.2 侧向、侧倾、横摆3个方向的体感评价

侧向、侧倾、横摆3个方向的体感评价主要通过操纵转向进行评价，在虚拟动态广场上进行稳态圆周试验，固定转向角度90°不变，逐渐增加车速。在虚拟试验场上，保持车速在40 km/h左右，进行绕桩试验（或称蛇行试验）。在此试验中，评价侧向、侧倾、横摆3个方向的体感与实车驾驶时的一致性。

3.2.3 垂向、俯仰、侧倾3个方向的体感评价

垂向、俯仰、侧倾3个方向的体感评价主要通过在虚拟试验场上进行平顺性试验评价，如图8所示。固定车速30 km/h，在平顺性测试试验场上进行试驾，评价垂向、俯仰、侧倾3个方向的体感与实车驾驶时的一致性。

图8 平顺性虚拟试验场

3.3 触感评价

触感反馈主要通过转向盘力反馈、制动踏板力反馈、加速踏板力反馈、座椅和安全带力反馈来实现。为让驾驶员沉浸感更强，在驾驶舱内所受的力也须尽量保持和实车驾驶时一致。而所有力反馈中，转向盘力反馈最为重要，驾驶员在试驾时须判断是否存在转向盘的回正力矩和路感反馈力矩。

转向盘力反馈，主要进行3种工况下试验评价：（1）原地转向；（2）蛇行试验；（3）比利时路面试验。

制动踏板力反馈、加速踏板力反馈、座椅纵向力反馈、安全带力反馈，与纵向和俯仰两个方向的体感评价试验工况一样，在此过程中进行制动踏板力反馈、加速踏板力反馈、座椅纵向力反馈和安全带力反馈评价。

座椅侧向力反馈，和侧向、侧倾、横摆3个方向的体感评价试验工况一样，在此过程中进行座椅侧向力反馈评价。

3.4 声觉评价

声觉评价最重要是评价发动机的声音、胎噪和风声等。

在评价发动机声音时，将挡位置于空挡，然后逐渐加大加速踏板行程，判断发动机声音是否增加。

在评价胎噪和风声时，将挡位置于D挡，然后逐渐加大加速踏板行程，在车速逐渐增加时，观察胎噪和风声是否随之增大。

3.5 驾驶逼真度主观评价

驾驶逼真度主观评价是一种综合评价，是对驾驶模拟器视觉评价、体感评价、触感评价和声觉评价的综合。

在进行该项评价时，将选择城市道路虚拟场景、高速公路虚拟场景、乡村道路虚拟场景和山地道路虚拟场景。让驾驶员在4种类型的虚拟场景中进行驾驶，最后比较与实际道路驾驶的主观感受。与实际道路越接近，认为驾驶逼真度越高。此项评分也采用5分制。

4 驾驶模拟器客观评价方法

对驾驶模拟器的客观评价，主要是基于驾驶模拟器相关子系统的性能参数进行评价。驾驶模拟器的客观评价分为两类，硬件系统和软件系统。

4.1 硬件系统

4.1.1 运动平台

关于运动平台，须根据实际的平台性能参数和相关测试报告进行评价，主要评价以下关键方面。（1）行程范围：主要判断驾驶模拟器运动平台的各自由度方向行程是否大于乘用车一般驾驶时行程，其中乘用车在驾驶时，垂向上的行程大多在±100 mm范围内，侧倾方向上的行程大多小于5°，俯仰方向的行程大多小于5°，考虑体感运动算法的影响，侧倾和俯仰方向的行程大于6°即可满足要求。（2）复合运动行程范围：主要判断运动平台在进行几个方向复合运动时（急加速、制动、转向等行驶工况下）的行程范围。（3）加速度范围：主要判断驾驶模拟器的运动平台各个方向加速度是否大于乘用车驾驶时的车体加速度，研究表明：乘用车在行驶时，前后加速度一般小于10 m/s2；左右加速度一般小于5 m/s2；垂向加速度一般小于10 m/s2。（4）频率响应带宽：主要判断驾驶模拟器的运动平台在各个方向上的频率带宽是否满足要求。（5）频响一致性：主要判断驾驶模拟器的运动平台在不同行程上，频率响应曲线是否较一致。（6）延迟性能：主要判断驾驶模拟器的运动平台在不同方向上的延迟响应时间。（7）平台负载能力：在不影响平台运动响应性能时，负载能力越大越好，意味着驾驶舱里面可安装更多设备。（8）噪声：主要判断运动平台运动时噪声强度大小。（9）平台故障率：主要判断运动平台在10年内的故障发生情况。

4.1.2 驾驶舱

驾驶舱是关系到驾驶模拟器沉浸感的关键部件之一。主要通过如下几方面进行评价：（1）驾驶员操纵机构（制动踏板、加速踏板、换挡机构、转向盘）是否与实车一致；（2）驾驶舱内仪表盘显示的功能是否与实车仪表盘一致；（3）是否安装后视镜；（4）是否有驾驶员状态监测系统；（5）是否安装转向灯操作杆。

4.1.3 视景硬件系统

视景硬件系统主要包含环屏和投影仪、图像渲染工作站。在进行视景系统客观评价时，主要评价如下方面：（1）投影仪的刷新频率；（2）环形屏幕上的画面分辨率；（3）投影仪最大亮度。

4.1.4 实时仿真计算机

实时计算机的计算性能决定了仿真模型和图像渲染的计算时间。计算性能出众的实时计算机，将会有效缩短延迟时间。实时仿真计算机的评价主要通过CPU核数、CPU主频和I/O接口类型与数量进行。

4.2 软件系统

4.2.1 中控系统

关于中控系统，主要评价功能是否齐全，是否包含如下功能：（1）仿真监控与管理功能；（2）数据记录和管理功能；（3）配置各子系统的功能；（4）开启各系统的功能；（5）系统故障诊断功能。

4.2.2 仿真建模软件

关于仿真建模软件，主要评价如下内容：（1）仿真模型是否齐全，如车辆动力学模型、驾驶员模型、车辆传感器模型、车辆控制器模型、交通环境模型和道路模型；（2）仿真模型能否实时仿真；（3）软件兼容性；（4）软件是否支持模块化和用户自定义。

4.2.3 运动平台控制和体感运动算法软件

运动平台控制软件对于实现运动平台的准确快速控制非常重要。重点评价项目包含：（1）体感运动算法类型是否丰富，以便适应用户不同的应用需求；（2）是否支持用户配置体感运动算法参数。

4.2.4 视景渲染软件

视景渲染软件的评价项目包含：（1）是否能实现多通道同步高清输出；（2）是否支持各种天气配置；（3）是否支持动态阴影效果；（4）是否支持物理光源仿真，如车辆各种灯光效果模拟；（5）是否支持反光效果，如湿滑路面反光；（6）是否包含物理表面材质建模，从而支持雷达模型的探测；（7）虚拟仿真场景、交通元素和道路类型是否覆盖了中国典型道路交通环境。

5 驾驶模拟器主客观评价方法应用案例

根据文中所建立的汽车驾驶模拟器主客观评价方法对一款驾驶模拟器进行逐项评价。评价的结果如表1和表2所示。同时设置了各个评价项目的权重，权重的设置是根据该评价项目的重要程度。其中评分分子为所得分，分母为该项评分满分分值。

因篇幅关系，不再将评价子项的客观评价结果一一列出，仅按照大类列出。下面列出了部分硬件性能数据作为客观评价结果的评分依据，如表3～表5所示。

表1 主观评价结果

表2 客观评价结果

表3 投影仪性能参数

表4 运动平台单方向工作行程

表5 运动平台最大速度和最大加速度

车辆在运行过程中，常常不是单一运动形式，而是复合运动形式，例如转向时，同时存在横摆和侧向的复合运动，因此须判断复合运动的行程，如图9所示。有一些平台在单一方向上的运动行程满足要求，但是复合运动行程较小。

运动平台的频率响应特性是运动平台十分重要的性能特征。图10描述运动平台频率响应特性的测量方法。测量前，将加速度计和陀螺仪安装在驾驶员座椅正下方的运动平台上。测试时，选择合适的负载，如200 kg。输入信号推荐采用对数正弦扫频信号。在输入输出幅频特性曲线上，选取-3 dB时的频率点，作为频率带宽；在输入输出相频特性曲线上，选取90°相位滞后的频率点，以此计算滞后时间。

图9 转向时横摆运动和侧向运动的复合运动

图10 运动平台频率响应测量方法

表6为运动平台的频响特性参数是负载在200 kg下的测量数据。

表6 运动平台各个方向频率特性和延迟时间

当前在进行权重分配时，主观评价总和为20，客观评价总和为30，因此驾驶模拟器总体评分为S=α∑wisi+(1-α)∑wjsj，其中：wi表示主观评价各项权重；si表示主观评价各项评分；wj表示客观评价各项权重；sj表示客观评价各项评分；α表示主观评价和客观评价的权重分配；α∈(0，1)，评价时可根据实际情况调整α具体值，在设定α取值时，参考设定值为0.5。

6 结论

回顾了驾驶模拟器的发展历程，研究了国内外驾驶模拟器评价方法，在此基础上总结并提出了一套汽车驾驶模拟器主客观评价方法，将该方法应用在一款驾驶模拟器实际评价中，结果表明该评价方法能够较为合理地反映驾驶模拟器性能，且可操作性强。当前在评价过程中所选择的权重，随着研究的深入，以及不同的需求，可进行适当调整，这也是后续可继续展开的研究点。