基于Unity3D 的驾驶仿真系统研究与实现

曹文冠，姚启明，李贤钰，姚元森

（1 同济大学 建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092；2 上海智慧交通安全驾驶工程技术研究中心，上海 200000；3 上海未青数字科技有限公司，上海 200000）

0 引言

近年来，随着中国道路交通行业的快速发展，道路交通安全问题也日益显著。提升驾驶技能，规范驾驶行为，是解决道路交通安全问题的有效途径。然而，传统的驾培机构对驾驶员的驾驶技能提升和驾驶行为规范方面，存在成本大、效率低、效果差的局限性。因此，利用计算机虚拟现实仿真技术解决上述问题，引起了国内相关研究人员的广泛关注［3-6］。

驾驶仿真系统综合应用了人工智能、图像图形学与三维建模等领域的相关技术，通过计算机仿真计算，真实再现现实世界的不同场景，并辅以声音、动作等元素，使驾驶人通过驾驶模拟器，身临其境地体验“真实”驾驶过程。本文通过Unity3D 虚拟现实开发引擎，开发了一款高还原度、兼容性强、应用广泛的驾驶模拟仿真软件，为后续研究如何缓解交通压力、提升驾驶技能、规范驾驶行为与自动驾驶仿真测试提供较为真实的驾驶仿真平台。

1 系统整体架构

驾驶仿真系统由驾驶模拟器、车辆仿真系统与视景仿真系统等组成，整体架构如图1 所示。图1中，驾驶模拟器包括方向盘、加速踏板、刹车踏板、换挡拨片以及显示器和音响设备，车辆仿真系统包括车辆三维模型和车辆动力学模型，视景仿真系统包括道路模块、地形模块、建筑物模块和天气控制模块。

图1 系统整体架构图Fig.1 Overall system architecture diagram

2 系统设计与实现

2.1 视景仿真系统设计

视景仿真系统中，场景的逼真程度是实现沉浸感最重要的一个环节。为了使驾驶员感到身临其境的驾驶体验，场景环境的模型建立、贴图的制作、画面渲染都要有一定的逼真程度。完整的虚拟驾驶视景仿真系统由道路模块、地形模块、建筑物模块和天气管理模块四大模块组成，如图2 所示。只有将各模块加以有序组合，才能实时响应驾驶人的操控信息，并将实时渲染的画面呈现出来。这里，对各组成模块的功能设计拟展开阐释如下。

图2 视景仿真系统设计Fig.2 Design of visual simulation system

（1）道路模块。为了更加精细真实地表达出道路的几何线性、横纵坡度，本文利用专业的工程设计软件BIM（或犀牛），对道路的几何线性和横纵坡度进行建模，此后在3Dmax 中对路面纹理和交通标识进行贴图，从而达到逼真的建模效果，在降低模型误差的同时提升驾驶员的沉浸感。

（2）地形模块。地形模块是视景仿真系统的基础，其高程精度直接影响道路模块与建筑物模块的精度。故本文利用地面高程数据，在工业设计软件中生成地形曲面后，将其导入至Unity3D 中，利用地形转换插件将曲面转换成地形，再使用Unity3D 地形插件中的花草、树木、石块等细节模型对整个地形模块进行美化。

（3）建筑物模块。建筑物模块占据了驾驶人的大部分视野，建筑物的真实度将直接影响驾驶沉浸感。因此，本文选择专业的三维建模软件3Dmax，对建筑物进行建模与贴图，再将模型导入Uinty3D 中，并对该模型的光照效果进行细化，以达到真实的效果。

（4）天气控制模块。天气控制模块在虚拟环境中模拟出各种天气状况，如白天、夜晚、雨、雪、雾等。一方面，通过Unity3D 中的点光源、平行光源、聚光灯光源和区域光源四种光源单一或者组合使用，模拟出真实的光照效果；另一方面，通过Unity3D 中的粒子系统，模拟出雨、雪、雾等天气。粒子系统由数量可控、生命周期可控的微小粒子图元组成，并具有形状、位置、颜色、速度、运动方向等属性，可以通过对这些属性的调节，实现雨滴、雪花和空气中肉眼可见的微粒等物质，并能赋予其速度和运动方向，从而实现不同的天气展示。

2.2 车辆仿真系统设计

2.2.1 车辆功能模拟系统

图上的标号3就是最需要硬度的轴尖。看到随着轴尖的深度变化的硬度变化，在0.003毫米也就是3微米的地方，硬度能达到接近1000HV。一个钟表制造商，能在材料科学和机械设计上做出如此重大的发明十分令人敬佩。非常有意思的是这件专利只在瑞士和中国申请了专利，而且在中国申请的是实用新型专利，从中充分体现了中国市场对于瑞士钟表的重要性，为了适应2013年在中国的发布紧急部署专利保护。

2.2.1.1 车辆三维模型

在将三维建模软件中创建的车辆模型导入Unity3D 之前，必须保证车辆坐标系中的轴指向车辆正前方，轴指向正右方，轴指向正上方，以减少不必要的数据转换过程。模型导入后，将Unity3D 中的车轮碰撞体添加到三维模型的轮胎中。车轮碰撞体可以模拟真实车轮的转动，并可控制车辆的移动。在车轮碰撞体属性栏中可以调节悬架高度、阻尼、车轮最大转速等参数。除此之外，三维模型还要添加Rigidbody 组件，赋予车辆物理属性，包括质量、重力等。车辆三维模型如图3 所示。

图3 车辆三维模型Fig.3 3D model of vehicles

2.2.1.2 仪表与数据

本文仪表系统采用Unity3D 中的UI 界面功能和C＃编程制作。主要包括速度仪表、发动机转速仪表、车辆挡位、辅助驾驶功能指示灯，以及车辆状态指示灯等部分。仪表仿真效果如图4 所示。

图4 仪表与数据显示Fig.4 Instrumentation and data display

2.2.1.3 音效模拟

音效是驾驶仿真系统开发中必不可少的元素。一个真实的驾驶体验，不仅包括良好的视觉体验，对听觉体验的营造也尤为重要。本文在传统刹车音效、马达音效的基础上，根据不同的前进踏板开度、制动踏板开度，线性调整音效的音响强度，使其具有真实的听觉体验。

2.2.2 车辆动力学模型

实现真实的模拟驾驶，不仅需要模拟出车辆的各种功能，对车辆动力系统的仿真也提出了更高的要求。本文以两轴四轮乘用车辆为例，根据汽车系统动力学知识，分析车辆的受力，主要包括：驱动力、滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻力等。车辆的合力决定了车辆的运动状态，如图5 所示。

图5 车辆动力学模型Fig.5 Vehicles dynamics model

其中，为车辆的质量；为车辆速度；F为车辆驱动力；F为车辆滚动阻力； F为车辆空气阻力；F为车辆加速阻力；F为车辆坡度阻力。

这里，对各主要受力拟展开研究阐析如下。

（1）车辆驱动力F。计算公式可写为：

在Unity3D 车辆仿真过程中，可以通过前进踏板和制动踏板的开度来控制车辆运动。因此，进一步将车辆的驱动力公式修正为：

其中，C为前进踏板开度； F为式（1）计算出的最大值；C为速度修正系数。

（2）滚动阻力F。计算公式可写为：

其中，C为滚动阻力系数，为车辆重力。

（3）空气阻力F。计算公式可写为：

其中，C为空气阻力系数；为车辆的迎风面积；为空气当前的密度； V为汽车相对于空气的速度。

（4）加速阻力F。计算公式可写为：

其中，为车辆旋转质量转换系数。

（5）坡度阻力F。计算公式可写为：

其中，为路面的倾斜角度。

整理后可得：

3 系统测试与仿真效果展示

为验证驾驶系统的真实性、稳定性以及响应速度，本文使用Unity3D 发布了一个基于Windows 系统的应用实例，并对该实例展开分析。驾驶仿真效果如图6 所示。

图6 驾驶仿真效果展示Fig.6 Driving simulation effect display

为更直观地反映系统运行的实时性与稳定性，本文编写了计算系统运行实时帧率的代码，并使系统运行30 min，分析其实时帧率。系统运行实时运行帧率如图7 所示。

经过多次实验验证，并综合分析图6 和图7，证明本文所构建的车辆仿真系统与视景仿真系统能够实时耦合，加速踏板、制动踏板和方向盘功能均正常，且无滞后反应现象。

图7 系统实时运行帧率Fig.7 System real-time running frame rate

4 结束语

本文对基于Unity3D 的车辆驾驶仿真系统进行了详细的介绍与分析。通过反复试验，验证了本研究开发的系统呈现出良好的人机交互效果，同时也具有较高的真实度和稳定性。在后续的研究中，技术方面引进VR 技术或多自由度运动平台与该系统结合，对提升驾驶沉浸感具有重要的意义。理论方面可根据模拟仿真的实验数据进行分析和研究，实现低成本的缓解交通压力、提升驾驶技能、规范驾驶行为等目的。