汽车驾驶模拟器人机交互控制系统优化设计

郑玲玲　郭学立　罗兰

摘 要：吉林大学汽车工程学院汽车仿真与控制国家重点实验室建设了开发型驾驶模拟器系统人机交互能力不足，本文开展了人机交互控制系统优化研究，采用键盘硬件控制方式，利用模块化设计思路，利用嵌入式工控机平台，搭建任务及指令执行器系统，并建立相应的功能模块，包括键盘、人机界面、主控单元、功能数据库等。解决了多平台并发仿真中存在的数据通信、时钟同步、仿真监控问题，优化了集成平台的性能。

关键词：驾驶模拟器 人机交互控制 优化

吉林大学汽车工程学院汽车仿真与控制国家重点实验室建设了开发型驾驶模拟器系统，该系统结构复杂、命令繁多，主要由动力学系统、声响系统、图像系统、运动控制系统、数据记录系统、交通仿真系统及监控系统等子系统组成，能够为驾驶员提供真实的人-车操作界面，并在模拟器上复现试验工况，另外它还支持任意嵌入实物的试验，为驾驶模拟器开发嵌入式系统提供了基础。模拟器通过嵌入式开发平台实现了嵌入式台架与驾驶模拟器的数据集成。搭建了制动嵌入式模型，实现了嵌入式台架传感、执行机构的标定与建模。解决了多平台并发仿真中存在的数据通信、时钟同步、仿真监控问题，优化了集成平台的性能。

目前的模拟器系统人机交互能力不足，模拟器系统的配置、集成及各个子系统控制主要是在监控系统中手工输入命令字串的方式进行，例如在切换车辆场景时，需要在嵌入式软件中人工键入二十余条代码，这样既浪费时间，又容易出现键入错误，同时对操作人员的要求过高，不适合于设备交付客户使用，更难进行后期二次开发。

针对上述问题，本文开展了人机交互控制系统优化研究，采用键盘硬件控制方式，利用模块化设计思路，保证各模块可单独使用，并用于课外实验、大创项目中，脚本数据库根据实际操作平台进行设计，可以保证科研人员进行快速二次开发，提高模拟器系统的综合设计能力。

1 系统整体结构设计

针对模拟器的整体需求，本文完成的功能结构图如图1所示。利用工控机平台，搭建任务及指令执行器系统，并建立相应的功能模块，包括键盘、人机界面、主控单元、功能数据库等。本文基于UniButton工控機嵌入式平台，实现人机交互模块与数据库的连接，并将对应的指令命令送入到模拟器中。数据库利用工控机编写，内容包含车辆行驶过程中的环境、动力等多参数变量的数据库，根据实现的功能不同分为以下三个方面：运动数据库、仿真数据库以及情景数据库。利用RS232、CAN总线方式将指令传输至PLC控制器和驾驶模拟器端，利用InterNet总线将指令送至运动平台及其它辅助部件，并将设备的运行状态参数返回任务指令端进行分析。

根据系统的总体设计，完成了外接键盘设计、任务指令执行器研发及功能数据库编写等内容。工控机平台即嵌入式控制单元，用于建立指令按键与指令对象的对应关系；并根据指令按键的触发查找与指令按键具有对应关系的指令对象，建立指令对象集，将采集当前车辆的各项参数与指令对象集对比，并根据指令对象集修改采集的当前车辆的各项参数形成执行命令；根据该执行命令控制汽车驾驶模拟器进行模拟。

2 多参数数据库的构建

根据实际需求，首先开发了多参数的指令数据库，数据库包括运动数据库、仿真数据库以及情景数据库，所述运动数据库中包括的指令对象集：车辆总体控制、车辆运动控制、车辆运动过程控制、车辆动力学控制、模拟器声响系统控制、路面交通系统控制、模拟器视景系统控制、模拟器座舱的感应控制、投影系统的控制以及灯光系统的控制；所述仿真数据库中包括的指令对象集：模型调整控制、模拟器车型调整控制、天气情况的控制、时刻控制、嵌入式模式、车辆行驶记录控制以及车辆参数曲线；情景数据库包括的指令对象集：驾驶员视点情况控制、试验场情况控制、智能控制以及引导车控制。

3 键盘端设计研发

根据模拟器需要实现的功能，设计三个人机交互控制模块，分别对应模拟器状态操作、车辆行驶环境变化操作和车辆行驶路况操作，每个按键的尺寸为15mm×21mm×3mm，分别对应数据库中的一个功能，键盘与工控机嵌入式控制单元的通讯方式为RS232模式，并通过USB供电。实体键盘通过工控机平台启动指令配置模块将按键模板中的按键与指令对象建立或修改对应关系，键盘模块包括按照行排列的功能按键，每个功能按键下方设置对应该功能按键的多个指令按键，所述交互模块与所述功能数据库建立一对一的对应关系，所述功能按键与所在的交互模块对应功能数据库功能指令集建立对应关系，当功能按键被触发时，工控机嵌入式控制单元通过判断对应关系，指向对应的功能数据库；当指令按键被触发时，工控机嵌入式控制单元通过判断对应关系，直接从指向的功能数据库调取相应的指令。人机交互系统还包括有指令配置模块，通过所述指令配置模块对指令对象进行修改以及建立新的指令对应，所述修改包括指令对象以及功能数据库与对应功能按键的关系变更以及新加入的指令与指令按键建立对应关系。

运行键盘实物如图2所示。主要实现以下功能的操作：

1）车辆总体控制。完成模拟车辆的暂停、停止、运行和复位功能。

2）车辆运动控制。驾驶舱底部位置、驾驶员登舱位置、驾驶舱中立位置和驾驶舱复位功能。

3）车辆运动过程控制。驾驶员的体感模拟方式、退出体感模式、测试开始和测试停止。

4）车辆动力学控制。动力学模式开始运行、暂停、停止和复位。

5）模拟器声响系统控制。声响系统开启、停止、音量加大和音量减小。

6）路面交通系统控制。交通系统的暂停、继续工作、停止工作和重置。

7）模拟器视景系统控制。调整视景的高速、山区、小镇和试验场景模式。

8）模拟器座舱的感应控制。座舱力学感应的模拟、关闭、停止和复位。

9）投影系统的控制。投影系统的打开、关闭、上电和下电。

10）灯光系统的控制。模拟环境门厅灯光开启关闭和座舱内的灯光开启关闭。

仿真键盘实物图如图3所示，主要对工作过程中的仿真环境进行控制，主要实现以下功能的操作：

1）模型调整控制。完成动力学模型的切换，包括ASCL、A、B、C。

2）模拟器车型调整控制。包括H2、A、B、C车型。

3）天气情况的控制。包括晴天、阴天、雾天、多云、小雨、大雨、小雪和大雪8种天气情况。

4）时刻控制。包括清晨、中午、傍晚和午夜四个时间点。

5）嵌入式模式。包括联合仿真、退出仿真、停止和复位。

6）车辆行驶记录控制。包括开始、停止、入门和出门。

7）车辆主要参数曲线。包括车体状态、悬架状态、发动机状态、变速箱状态、驾驶信号、轮缸压力、轮胎侧偏、轮胎滑移及四个轮胎的受力曲线。

情景键盘实物图如图4所示，主要对工作过程中的情景参数进行控制，主要实现以下功能的操作：

1）驾驶员视点情况控制。包括视点的前移、后移、左移、右移、上移、下移、侧倾程度增加减小、俯仰程度增加减小、横摆程度增加减小等。

2）试验场情况控制。包括双移线情况下不同车速度控制、蛇形路段车速控制、紧急避障的车速控制、直线路段的车速控制、双扭线区和圆周区的车速控制。

3）智能控制。车辆的纵向、侧向控制，车道保持情况及偏离预警。

4）引导车控制。引导车停止、匀速、变道等。

按键模板通过工控机嵌入式控制单元启动指令配置模块将按键模板中的按键与指令对象建立或修改对应关系。键盘包括三个实体的交互模块，交互模块包括按照行排列的功能按键，每个功能按键下方设置对应该功能按键的多个指令按键，功能按键与指令按键具有一定的间距，交互模块与功能数据库建立一对一的对应关系，三个功能数据库分别对应三个交互模块，功能按键与所在的交互模块对应功能数据库下的功能指令集建立对应关系，当功能按键被触发时，工控机嵌入式控制单元通过判断对应关系，指向对应的功能数据库；当指令按键被触发时，工控机嵌入式控制单元通过判断对应关系，直接从指向的功能数据库调取相应的指令。每个交互模块具有总按键，当总按键触发时，工控机嵌入式控制单元通过判断对应关系指向所在的功能数据库。三个交互模块只能单獨启用，当超过两个总按键被按下时，选择后触发的总按键对应的交互模块。

人机交互系统还包括有指令配置模块，通过指令配置模块对指令对象进行修改以及建立新的指令对应，修改包括指令对象以及功能数据库与对应功能按键的关系变更以及新加入的指令与指令按键建立对应关系。从而实现修改与扩展，用于适应不同的操作需求。

按键模板具有扩展功能，通过所述指令配置模块建立新的指令对象，并通过嵌入式控制单元将其放入对应的功能数据库，以及通过嵌入式控制单元查找功能数据库对应的功能按键下空余的指令按键，按照从上到下的排列顺序将新的指令对象与空余的指令按键建立对应关系，若新建立的指令对象所对应的指令对象集所在的功能数据库对应的功能按键中指令按键已满，则扩展功能按键，若功能按键无法扩展，则发出警告提醒。

4 人机交互界面设计搭建

利用工控机嵌入式计算机系统，在控制平台搭建了人机交互界面，实现主控单元对任务指令器的命令控制及状态显示。人机交互界面图如下图所示。主要包括对实时、动力学系统、图像、仿真监控、记录器和声响系统的监控等，并对重要参数可以在界面中进行实时显示。

基金项目：吉林大学实验技术项目（汽车驾驶模拟器人机交互控制系统优化，SYXM2021b053）。

参考文献：

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