基于驾驶模拟的本科实验教学内容设计

2020-12-11王艳丽

实验室研究与探索 2020年11期

王艳丽，杨烁，吴兵

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

0 引言

驾驶模拟是让驾驶人员在虚拟的驾驶环境中进行驾驶，具有安全、节能、高效等特点。最早被应用到驾驶员培训中，后来随着计算机和虚拟现实等技术的发展，驾驶模拟器的精度和性能不断提升，驾驶模拟开始逐渐用于对驾驶行为、交通安全、人机工程等相关研究中，到现在已经成为重要的驾驶员培训的重要手段，也是科学研究的有力工具［1-3］。

高校作为科研的重要场所，在驾驶模拟的研究与应用中也发挥着重要作用。很多高校都研发或搭建了驾驶模拟平台。而这些平台由于造价或成本较高、数量较少，所以往往主要是用于科研。但对于本科生而言，能够适应交通科技的发展、面向复杂的交通实际、解决复杂的交通问题，是今后就业的必备要求。所以，结合新兴交通科技的本科实验也越来越受到重视，并成为交通工程实验教学改革的重点［4］。而驾驶模拟作为一门新兴技术，当前在交通相关专业的本科实验教学中尚处于起步阶段。毋妙丽等［5］总结了如何将驾驶模拟平台应用到创新型的开放实验教学中，马万经等［6］给出了面向交通设计的驾驶模拟实验方法，这些是对驾驶模拟实验教学某一方面的探索，针对的是少部分的学生，且并未系统地梳理基于驾驶模拟的本科实验教学内容和实验项目。

为促进大学生对驾驶模拟技术的理解和掌握，在对驾驶模拟机理和功能分析的基础上，系统分析了基于驾驶模拟可开展的本科教学实验项目及其类型和内容，并以其中一个实验项目为例展示了实验教学过程。

1 驾驶模拟机理和功能

驾驶模拟通常是基于三维虚拟仿真软件对驾驶环境进行仿真模拟，然后驾驶员通过操纵部件与虚拟环境进行交互，即将操纵部件的变化信号实时传输给虚拟车辆的动力学模型，从而获得车辆的当前状态并进行图像等显示［7］。其中主要涉及的3 个关键技术是：模拟驾驶环境的虚拟现实技术、模仿驾驶过程中的物理仿真技术、逼真的图像显示技术。

随着驾驶模拟技术的发展，其精度和真实感的要求也越来越高，核心技术也在不断完善，于是各种驾驶模拟器相继问世。因核心技术（特别是物理仿真技术）的复杂程度不同，模拟器的逼真与造价也差异较大。从运动系统来说，多自由度模拟器比无自由度的真实感更强，而真车座椅的模拟器则比简易座位的造价要高。自由度越多的真车式模拟其真实感则更强，例如我校拥有的内置全真车辆的8 个自由度的高仿真驾驶模拟器模拟效果就比较好［5］。当然要营造出逼真的驾驶环境，精细的道路3D 模型、多自由度的动力学和力反馈模型、逼真的环屏显示，仿真座椅、油门、刹车等都是必不可少的。

通常简单的驾驶模拟器主要用于驾驶员培训包括飞行员、列车驾驶员、汽车驾驶员等，或者对中小学生进行科普教育。而复杂的驾驶模拟器则以科研为主，主要的研究或应用方向包括道路交通工程的设计与安全评估、交通环境与交通安全分析、驾驶心理和行为的研究以及人机交互及辅助驾驶等界面和设施的设计与评估等［1］。

2 基于驾驶模拟的实验

2.1 基于驾驶模拟的实验项目

基于驾驶模拟的5 个主要应用方向，有很多研究课题，而每个课题都需要进行驾驶模拟实验，当然在研究课题中的实验项目主要以创新型为主［8-13］。而实际上每个应用方向，都可以按照实验教学规律与需求，设计成由简到繁的层进式的实验项目组合架构。先从简单的演示实验开始、然后是验证型实验、慢慢地进行综合型、设计型实验项目，最后可以引导部分学生进行创新型实验。经系统梳理，基于驾驶模拟的实验项目和内容以及实验方法如图1 所示。

图1 基于驾驶模拟的实验项目与内容分类图

2.2 基本实验流程

基于模拟驾驶的基本实验流程包括：①实验前，教师将实验相关资料和指导书以及实验要求提供给学生，学生按要求进行实验设计。对于道路交通工程相关的实验项目，学生需要对老师给定的路网局部要素进行方案设计；交通环境相关的实验项目，学生则需要对天气要素或景观要素等进行方案设计；而对于驾驶心理和行为相关实验，则要求学生对驾驶员进行筛选和问卷设计。②实验过程中，教师先进行操作演示讲解实验方法，学生分组分工进行实验，每组至少3 人，1人负责控制操作模拟器、1 人负责引导驾驶员操作驾驶模拟器、1 人负责引导实验后的驾驶员进行问卷填写，对于驾驶心理和行为相关的实验，还需要给驾驶员佩戴脑电等监控设备［14］。③实验结束后，导出需要的参数和数据、学生进行分析完成实验报告。具体流程如图2 所示，图中同时给出了不同实验类型的特殊要求。

图2 基于驾驶模拟的实验流程

3 本科实验教学示例

以我校交通管理与控制课程［15］中的1 个基于驾驶模拟的实验项目为例进行具体实验教学方法展示。

课程中的实验为2 个学时，实验项目设计为较简单的基于驾驶模拟的高速公路的地点限速分析实验。实验目的是让学生进一步掌握机动车行车管理中限速管理的内容，并能熟练运用限速计算方法进行实际道路的限速计算。实验内容主要是：①了解驾驶模拟关键技术和驾驶模拟器的构成；②初步学习驾驶模拟及操作软件SCANeR STUDIO 的组成和操作；③分组进行驾驶模拟实验；④每位同学计算各自对应的地点限制车速。

具体实验教学过程如下：①课前教师将实验指导书和已搭建好的高速公路模型（可以直接用科研项目中的高速公路模型）、学生分组情况（包括每位学生需要计算限速的地点）提供给学生，让学生提前了解实验过程。学生可以通过开放实验室的SCANeR STUDIO软件提前熟悉道路，获悉各自所需要计算限速的路段地点。②上课时，教师先讲解驾驶模拟关键技术和驾驶模拟器的构成、驾驶模拟及操作软件的组成和实验操作过程，然后指导学生进行实验操作。学生实验的驾驶员建议提前从学生中选取有驾照的学生为志愿者，或者也可以招募其他志愿驾驶员。考虑到实验时间限制，一般学生分成5～10 组，志愿者与分组数量相同即可，这样每组只需操作引导1 位驾驶员进行驾驶模拟。小组依次在教师指导下分工进行实验，其他学生在控制室与驾驶舱进行现场感受和学习。③实验结束后，教师统一导出数据给学生，每位学生找到自己对应地点的车速记录，进行限速计算，并完成实验报告。

在实验过程中，学生了解了驾驶模拟的相关技术以及复杂驾驶模拟器的构成，学习了基于驾驶模拟的实验设计方法。不同于传统的地点限速的计算题，通过该实验，学生在驾驶模拟中不仅掌握了限速的计算方法，而且对车速有更直观的感受，切身体会到驾驶人视野与车速关系，以便更好地学习与应用车速管理和交通设计管理相关理论。