基于VR 技术的虚拟驾驶系统设计与实现＊

马 凯，贺子正，李长兴

（1.衡水学院电信学院，河北 衡水 053000；2.衡水学院化工学院，河北 衡水 053000）

1 汽车驾驶模拟器简介

汽车驾驶模拟器是把虚拟现实技术附加在模拟器上，利用计算机仿真技术传输电信号给接收设备，提供给用户视觉、听觉、触觉等各个方面直观而自然的实时感知交互手段，通过计算机系统强大的算法运算模拟出行驶过程中的虚拟实境、音响效果、刹车振动，使体验者产生实车驾驶感，沉浸于虚拟驾驶环境中[1]。这种驾驶器可以帮助人们体验、认识和学习现实世界中的汽车驾驶技术，既能保证驾驶者的安全，又能有效降低经济损失，还不受时间、空间、地域的限制，能够细致地模拟出各种环境，如雨天、雪天、晴天、阴天等[2]。这些特殊天气虽然在平时练习驾照科目时并不常见，然而，通过虚拟驾驶模拟器就可以刻意去练习，防止以后遇见不友好天气时慌张失措，从而降低交通事故的发生率。

在传统的驾驶培训过程中，主流的是“教练+驾驶培训”，而教练们的水平参差不齐，考试通过率也会受到影响。在教学过程中，一些教练会将自己的驾驶习惯教给学员，对学员驾驶或多或少会产生影响。其次，驾校中每个学员的学习能力和学习情况不同，故传统的驾校培训方式能达到的效果不是很好，而“VR（虚拟现实技术）+驾驶模拟器”培训方式可完美解决这一问题。汽车驾驶模拟器具有强大的计算能力，可以记录每位学员的练习和模拟情况，并针对学员的薄弱环节进行重点提示，进行针对性反复练习，计算机大脑配备语音播报配合学员练车，分析并指出驾驶者在练习过程中所犯的错误[3-4]。

“VR+驾驶模拟器”的培训模式还将加速驾培行业从劳动密集型向技术密集型转变， 利用VR 汽车仿真系统去练习并且接受培训，可以免去一系列不必要的人工培训费用，并且计算机高科技的算法十分准确，可科学规范地安排驾驶培训。与传统的驾校相比，使用汽车模拟器练习驾驶技术能极大地减少空气污染，更加节能，成本更加低廉，练习效率更高，使学员有针对性地去练习，更快、更高效地考取属于自己的驾驶本。

近年来，“绿色低碳发展”得到各级政府和各个行业的认同，相比传统的“教练＋汽车虚拟驾驶培训”模式，“VR+驾驶培训”的模式促进了驾培行业的绿色发展。使用VR 智能驾驶培训模拟器学习，减少了实际用车产生的二氧化碳量。另外，这种“VR+驾驶培训”模式很大程度上提高了空间的利用率，在有限的场地可放置更多汽车驾驶模拟器，而且可以灵活根据客户的需求选择性地在市中心的商厦开店。在这种模式下，练习的安排十分灵活，还可以实行预约，很好解决了一些年轻白领时间少、距离远、交通不便等问题，又给商场带来了隐形收益。

利用汽车驾驶模拟器可降低交通事故发生率，目前正渐渐受到交通安全领域的关注。但是虚拟现实技术作为一门没有局限性、较为广泛的高新技术，正在逐渐被应用于汽车驾驶领域，但在高速发展的同时，它自身的问题也随之而来。比如用户的排斥心理，很多用户接收新鲜科技的速度很慢，如何引导客户去接纳并尝试体验产品也是一项亟待解决的事情；产品的回报率比较低，且设备比较昂贵，驾校也不能虚高坑骗消费者，这就要求外部的宣传推广也要做到位。

2 工作原理

本汽车模拟器主要由以下3 个系统组成，在3 个系统的协同作用下完成整套流程。

2.1 数据采集系统

数据采集系统是由计算机、传感器、硬件接口电路和程序构成的系统。数据采集技术中最主要的是信号采集与处理技术。在本项目中，待检测的模拟器在驾驶员的操作下工作时，数据采集系统主要采集的是驾驶员的各种动作信号，并且经过信号采集与处理发送给中央计算机，作为计算机的基础数据，为汽车状态的改变提供参考数据。方向盘状态量、灯光状态量、刹车状态量、油门状态量、挡位状态量等也是数据采集系统主要的采集项目[5]。汽车驾驶模拟器的数据采集系统如图1 所示。

图1 汽车驾驶模拟器的数据采集系统

2.2 模拟驾驶系统

模拟驾驶系统包含人机交互场景控制模块，链接着建模系统与数据采集系统。虚拟现实系统要考虑实时交互性，所以人机交互控制的质量是体现场景管理平台成果的一个重要方面。

此系统模块的输入控制包含驾驶员驾驶汽车运动的基本操作，包括对方向盘、油门、离合、刹车和挡位转换的控制等，以及触及点火开关、转向灯、喇叭鸣笛等的操作，读入驾驶员的控制信息，通过车辆的动力学模型运算后将信号送入现实系统进行图形显示、送入音响系统进行声音模拟以及送入仪表系统进行仪表显示。画面同时输出经过汽车动力模型计算后产生的汽车运行信息，包括当前速度、变速箱的挡位、发动机启停状态、鸣笛状态、转向指示状态等。

2.3 建模系统

采用倾斜摄影技术作为建模方法，是虚拟现实技术中最重要的技术。所要解决的问题是如何使屏幕中的世界看起来真实、动起来真实。

倾斜摄影技术虽然近几年才发展起来，但已成为很常用的测绘遥感技术，一般由一个搭载多台传感器的无人机设备执行。无人机可以从多角度去拍摄，使用多种传感器对场景信息进行多方位采集，使生成的图像信息更加接近实物[6-7]。

建模里的场景大部分采用无人机拍摄，如路面、较大型的建筑、车和行人等景象，这样既省时又省力。在面对较小的建筑和处理物体表面细节时，采用手持图像采集设备进行近景补拍，以确保建模的真实性。最后将采集到的信息进行综合，用Smаrt 3D 软件生成三维模型。

本系统的主要功能是提供一个相对真实的虚拟驾驶环境。建模的效果是否真实、画面衔接是否流畅都会直接影响驾驶者的驾驶体验。通过虚拟现实技术实现驾驶环节的三维交互式场景显示，从而获得相对真实的视觉体验和驾驶感受。

3 工作内容

3.1 模拟周围环境

利用虚拟现实技术对汽车行驶过程中的环境进行模拟，通过计算机将捕获到的电信号传递给驾驶者，为驾驶者提供真实的驾驶体验。还能够模拟雪天、雨天、阴天、雾天等一系列不常见的天气状况，以防止驾驶员在以后行车过程中遇到这些极端恶劣天气时显得慌张，导致不必要事故发生。同时，虚拟驾驶模拟器能对城市道路、高速公路、乡村道路等进行相应模拟。计算机可以将捕获的电信号转化为声信号，给驾驶者极其真实的驾驶体验。还会模拟一些危险的场景，比如行人横穿马路、行人滑倒、侧风等，非常考验驾驶者的反应能力和应急处理能力。用真实的场景引领消费者走进VR 世界，并且引导消费者逐渐了解高速发展的科技，使消费者从内心真正接受产品。

3.2 刹车振荡检测

汽车正常行驶过程中，通常会因为某些情况需要高速刹车，如路面崎岖不平、车轮打滑等紧急情况。汽车正常行驶途中踩下刹车，这时人的身体会由于自身惯性有前倾的趋势，这就需要计算机通过公式来计算力的大小并且通过汽车驾驶模拟器实时作用于驾驶员本身，加强驾驶体验并产生适当强度的振感，让驾驶员有身临其境的感觉。

3.3 渲染技术以及事故模拟

在汽车行驶的过程中，车窗外的景物一直在运动着，如何将这些景物真实表达出来，需利用虚拟现实技术强大的渲染技术将真实的路况进行模拟，保证汽车驾驶员有真实的驾驶体验。如雨点滴落在玻璃上，利用虚拟现实技术可以模拟出雨天，渲染出极其真实的“水花”。还可以模拟出道路上的车辆，通过算法计算，模拟汽车碰撞，通过算法计算出人体能够承受的碰撞力度，速度越快模拟碰撞力度越大，从而让体验者铭记超速行驶的后果。

3.4 智能报错系统

这套系统主要被应用于平时的练习中，在学员模拟完成后，按照相对应的科目要求为练习情况进行评价打分，并且会给出相应的建议和措施。系统具有视频回放功能，学员可以以第三人称的视角进行观看并对自己的误区进行分析，并且驾驶模拟器会进行语音播报，进行一对一的练习辅导和练习记录[8]。

4 结论

VR 虚拟驾驶具有广阔的前景，很大程度上突破了传统驾校时间、场地、技术水平等的限制，安全性更高，符合中国各行各业从劳动密集型向技术密集型的转变的大趋势。同时在培训中节约燃油、人工、场地等成本，也符合全球绿色低碳发展的大方向[9]。同时，针对平时学员学习程度不同难以掌握的问题，以及极端恶劣天气状况下的驾驶心理问题，使用汽车模拟器进行练习使得学员的练习更加智能化、有方向性，极大提高了驾照通过率和驾驶员的驾驶素质。未来，相信消费者会对这个快速发展的社会有一个新的认知，并会逐渐去接受和适应这些符合绿色发展的高科技产品[10]。