一种基于实车的实景虚拟驾驶教学平台

王锋　潘梦鹞　李佳威

摘 要：针对高校大学生群体“学车热”现象，设计了一种基于实车的实景虚拟驾驶平台，用于校内安全驾驶教学。通过对二手车或临近报废车进行改装，加装相关连接机构及传感器，并配以虚拟教学系统，搭建基于实车的虚拟驾驶教学平台，设置理论、虚拟及实景教学模块，学生可在实车环境中进行驾驶理论及驾驶技能学习，既保证了学生在实车环境中的安全驾驶学习需求，又避开了无证驾驶的安全隐患，可有效避免新手实车演练的带来的各种意外事故。采用基于实车的实景虚拟驾驶平台加强对学生汽车安全驾驶的教育教学，全面提升学生的交通安全意识及驾驶技能，可在一定程度上降低交通事故的发生率，并提升学生的综合职业竞争能力。

关键词：实车环境 虚拟驾驶 教学平台 实景引导教学

A Real-scene Virtual Driving Teaching Platform Based on Real Vehicle

Wang Feng Pan Mengyao Li Jiawei

Abstract：Aiming at the phenomenon of "learning to drive" among college students，designed a real-scene virtual driving platform based on real vehicle， for teaching safe driving in school.By retrofitting used or near Scrap vehicles，add related connection mechanism and sensor，and add virtual teaching system，build a virtual driving teaching platform based on real vehicles，set up theoretical， virtual and real-scene teaching modules，students can learn driving theory and driving skills in the real vehicle environment，It not only ensure the safe driving learning needs of students in the real vehicle environment，but also avoid the safety hazards of unlicensed driving，It can effectively avoid various accidents caused by novice real vehicle drills.Adopting the real-scene virtual driving platform based on real vehicle to strengthen the education of safety driving for students，comprehensively enhance students' traffic safety awareness and driving skills，It can reduce the incidence of traffic accidents to a certain extent， and improve the comprehensive professional competitiveness of students.

Key words：real vehicle environment，virtual driving，teaching platform，real-scene guided teaching

1 引言

汽車作为现代文明的重要标志之一，已经成为当今社会不可或缺的重要组成部分，汽车产业也是推动一国或地区经济发展的重要引擎。近年来，伴随我国经济和产业技术的不断发展，我国汽车产业已步入高速发展阶段。据公安部统计，截至2022年3月底，全国机动车保有量达4.02亿辆，其中汽车3.07亿辆；机动车驾驶人4.87亿人，其中汽车驾驶人4.50亿人。2022年一季度全国新注册登记机动车934万辆，新领证驾驶人775.8万人[1]。然而伴随着机动车保有量和驾驶人员数量的持续增加，交通安全形势也愈发严峻。据中国统计年鉴相关统计数据[2]，最近5年，我国每年发生交通事故超过20万起，每年因交通事故导致的死亡人数超过6万人、受伤人数超过20万人，每年因交通事故造成的直接财产损失超过12亿元。通过交通事故案例分析，诸多交通事故是因驾驶人员驾驶行为不文明、驾驶理论或驾驶技能缺乏所致。

近年来，随着汽车的日益普及，高校大学生群体也掀起了“学车热”。针对汽车安全驾驶的学习需求，部分本科或高职院校的汽车专业也开设了汽车安全驾驶相关的课程，但由于绝大部分学生入学前未考具驾照，致使相关课程教学仅停留在多媒体理论教学或由具备资质的教师进行实车演练的境况，基于安全因素，学生个人无法进行实车演练学习。学生只能在具备资质的驾校报名缴费后，在驾校教练的陪护下进行实车练习。然而，驾校基于营利目的，只能对考生进行短期的应试性培训，理论及实操教学面窄，诸多考生获取驾照后或面临不敢驾车的窘境，或由于理论及实操技能欠缺，导致诸多交通事故，有的甚至为此付出了宝贵的生命。因此，在校内加强对大学生关于汽车安全驾驶相关的教育教学显得尤有必要。

传统的教育方式，通过印在书本上的图文与课堂上多媒体的展示来获取知识，这样学习时间长了学生就会逐渐疲惫，从而使学习效果变差、学习效率降低。然而诸多网络游戏为什么如此吸引人？其本质就是回到场景，让玩家参与其过程，有的甚至利用虚拟现实技术让玩家介入其中进行交互，进而获得良好的参与体验，致使诸多玩家流连忘返。虚拟现实技术具有三大特性：交互性、沉浸性、想象性。基于虚拟现实的巨大技术优势，采用虚拟现实技术对学生进行汽车安全驾驶教育教学是一条增强学生安全驾驶技能及培养学生交通安全意识的切实可行途径。近年来，虚拟驾驶技术得到了广泛研究和应用[3-7]，但虚拟驾驶技术的研究主要集中于虚拟驾驶系统的开发，其应用主要集中于驾考和驾校培训及进行驾驶行为分析等，而应用于广泛培养、提升驾驶人员驾驶理论及驾驶技能的较少，应用于校内安全驾驶教学的更少；虚拟驾驶场景采用基于现实场景建模的较多，而采用真实场景的较少。

2 基于实车的实景虚拟驾驶教学平台框架组成

为方便开展汽车安全驾驶教育教学，本文设计了一种基于实车的实景虚拟驾驶平台，其原理框架如下图1所示。该平台通过对二手车或临近报废车进行改装，断开原车的动力系统，保留原车的其他附件，加装相关连接机构及传感器，并配以虚拟教学系统，从而搭建基于实车的虚拟驾驶操作平台，学生可以在实车环境中进行驾驶理论和驾驶技能的学习，从而获得更好的驾驶体验。此外，教师可录制真实的教学场景或将真实发生的交通事故场景置于该平台的教学系统内，并在真实场景中设置理论或实操技能学习及考核要点，学生可以进行基于真实场景的、交互式的驾驶理论或驾驶技能学习，可以大大提升学生的学习兴趣和学习效果。

3 基于实车的实景虚拟驾驶教学平台硬件实现

实景虚拟驾驶平台固定安装在室内，利用便宜的二手车或临近报废车进行改装，可大大节约平台制作成本，具体如下：

（1）断开原车的动力系统，保留原车的其他附件，如灯光、车窗、雨刮等系统。

（2）断开原车方向盘连杆，增加方向盘转角位置传感器及万向节连接机构、电动助力转向电机，组成转角控制信号采集系统，方向盘转角位置信号送入虚拟驾驶控制器。

（3）在原车油门踏板加装油门信号传感器，用于采集油门信号，并送入虚拟驾驶控制器。

（4）在原车刹车踏板加装刹车信号传感器，用于采集刹车信号，并送入虚拟驾驶控制器。

（5）在原车离合器踏板加装离合器信号传感器，用于采集离合器信号，并送入虚拟驾驶控制器。若为自动档汽车，需在原离合器踏板位置加装离合器踏板及离合器信号传感器。

（6）在原车档位操作杆加装档位信号传感器，用于采集档位信号，并送入虚拟驾驶控制器。若为自动档汽车，需拆除原自动档位操作杆，并在原档位操作杆区域加装档位操作杆及档位信号传感器。

（7）在原车手刹操控杆加装手刹信号传感器，用于采集手刹信号，并送入虚拟驾驶控制器。

（8）增加安全带卡扣传感器，用于采集安全带佩戴信号，并送入虚拟驾驶控制器。

（9）在原车钥匙开关采集汽车点火启动信号，并送入虚拟驾驶控制器。

（10）采集原车的灯光、雨刮等控制信号，并送入虚拟驾驶控制器。

（11）虚拟驾驶控制器通过USB接口与虚拟驾驶主机相连。

（12）虚拟驾驶主机通过HDMI接口连接台架式75寸4K高清显示屏，显示屏置于车辆正前方，用于虚拟驾驶操作界面显示。

（13）虚拟驾驶主机通过国标3.5mm音频接口连接音响提示系统，音响置于车内，用于给驾驶人员提供驾驶音响提示。

实景虚拟驾驶平台其外观如图2所示，该平台整车采用卡罗拉2014款，显示屏采用小米75寸4K高清显示屏。

实景虚拟驾驶平台采用的虚拟驾驶控制器及各类传感模块如下图3所示。

4 基于实车的实景虚拟驾驶教学平台软件实现

基于实车的实景虚拟驾驶平台操作软件以Unity 3D为开发平台，辅助3D MAX软件共同实现。Unity 3D是由Unity Technologies 公司研发的虚拟现实引擎，由于其具有可视化编程界面、支持Open GL和Direct11、集成了Phys X3.3物理系统等众多功能特点，所以在虚拟模拟仿真领域中有较广泛应用[8]。基于实车的实景虚拟驾驶平台操作软件主要包括两个部分：一是虚拟驾驶仿真软件Simulator，二是实景虚拟驾驶制作软件VideoEditor。虚拟驾驶仿真软件Simulator内置三个功能模块：驾驶理论教学模块、虚拟仿真教学模块及实景引导教学模块。

4.1 驾驶理论教学模块

驾驶理论教学模块设置三个功能：一是交规及驾驶理论学习，可以学习《道路交通安全法》、《道路交通安全违法行为记分管理办法》等交通法规及驾驶技术理论知识；二是驾驶视频学习，主要是通过视频学习汽车档位、汽车操作部件、汽车方向盘、汽车油门踏板、汽车离合器踏板、刹车踏板及汽车灯光等基础知识及其操作要领；三是驾考题目训练，通过导入驾考理论考核模拟题库，可以进行驾考模拟题目测试练习。驾驶理论教学模块操作界面如下圖4所示。

4.2 虚拟仿真教学模块

虚拟仿真教学模块设置两个功能：一是基础车感教学，主要是在虚拟场景中，在视频及语音的提示下，进行挂档训练、方向盘操作训练、油门踏板控制训练、刹车踏板控制训练、离合器踏板控制训练、灯光操作训练、起停车训练等；二是驾考科目训练，主要是在虚拟场景中，在视频及语音的提示下，进行侧方停车训练、倒车入库训练、直角转弯训练、曲线行驶训练、及坡道定点停车和起步训练。虚拟仿真教学模块操作界面如下图5所示。

4.3 实景引导教学模块

实景引导教学模块设置四个功能：一是基础车感教学，主要是在录制好的真实场景中，在视频及语音的提示下，进行挂档训练、方向盘操作训练、油门踏板控制训练、刹车踏板控制训练、离合器踏板控制训练、灯光操作训练、起停车训练等，系统将根据设置好的操作要领给出操作正确或操作错误的操作警示；二是驾考科目训练，主要是在录制好的真实场景中，在视频及语音的提示下，进行侧方停车训练、倒车入库训练、直角转弯训练、曲线行驶训练、及坡道定点停车和起步训练，系统将根据设置好的操作要领给出操作正确或操作错误的操作警示；三是实景案例教学，教师选用现有典型路况视频或选取市区典型路况进行视频录制，然后将典型路况视频通过实景虚拟驾驶制作软件VideoEditor进行编辑制作，将制作好的文件导入虚拟驾驶仿真软件Simulator后，驾驶人员在驾驶练习过程中，系统会自动根据设置好的操作要领给出操作正确或操作错误的操作警示；四是实景自由驾驶，驾驶人员可以在事先录制好的实景路段内进行自由驾驶练习，驾驶过程中无语音和操作提示，完全由驾驶人员根据路况自由驾驶，从而进一步训练提高驾驶人员的操作技能，达到实车演练的效果。实景引导教学模块操作界面如下图6所示。

4.4 实景教学案例制作

实景教学案例制作功能，方便教师录制真实的教学场景或将真实发生的交通事故场景置于该平台的教学系统内，并在真实场景中设置理论或实操技能学习及考核要点，学生可以进行基于真实场景的、交互式的驾驶理论或驾驶技能学习。实景虚拟驾驶制作软件VideoEditor用于实景虚拟驾驶视频编辑制作，其视频编辑界面如下图7所示。

视频编辑界面中，主要有三个功能区：题目数据功能区用于设置整个视频中的考核操作点，编辑时可根据实际需要增、减操作点个数；分段数据功能区用于编辑各小段视频的提示信息；错误修正功能区用于在驾驶人员操作错误时给出修正信息提示。点击选中某一功能区，可在界面右侧进行相应的设置或编辑相应的提示信息。

视頻编辑操作流程如下：

（1）将录制好的待编辑视频放入指定文件夹，打开VideoEditor软件，并选中待编辑视频。

（2）点击录制题目按钮进入视频编辑界面，点击播放按钮播放视频至操作点处暂停，点击题目数据功能区，再点击右侧增删数据点的“+”按钮，生成操作点1。

（3）在操作点1的步骤1选择其中一个或多操作部件，如油门踏板、刹车踏板、离合器踏板、方向盘、各类车灯、双闪灯、档位、手刹、喇叭、安全带、雨刮等，并设置所选部件对应的操作，如刹车、油门或离合器的轻踩、踩一半、踩到底、全松等，如方向盘的回正、左或右打半圈、左或右打一圈、左或右打满等，如档位的空档、1档、2档、倒档等；如远光的打开、关闭等。

（4）在操作点1若有多个部件需先后进行操作，可点增删步骤的“+”按钮，增加若干操作步骤，各步骤设置如（3）所述。

（5）若有需要，还可设置运行至操作点1处时按秒倒计时提示，未设置倒计时默认为连续操作。

（6）点击分段数据功能区，可编辑操作点1分段名称及分段描述，当运行至该段时将出现分段信息提示。

（7）点击错误修正功能区，可设置操作点1所选部件在驾驶人员操作错误时给出信息提示，如“操作错误！离合器未处于半联动状态！”、“操作错误！双闪灯未开！”、“操作错误！档位设置不当，应设置空档！”等。

（8）操作点1设置完毕，点击播放按钮播放视频至下一操作点处暂停，点击题目数据功能区，再点击右侧增删数据点的“+”按钮，生成操作点2，并按前述步骤设置操作点2。后续操作点设置如前所述，如图6已设置8个操作点。

（9）视频所有操作点设置完毕，保存本地文件，生成缩略图，并将VideoEditor生成的DownloadCaches文件夹整体复制到虚拟驾驶仿真软件Simulator的Simulator_Data目录下，即可使用该视频资源进行实景教学。

5 结语

基于实车的实景虚拟驾驶平台既保证了学生对驾驶理论和驾驶技能的学习需求，又避开了学生无证驾驶的安全隐患，可有效避免新手实车演练的带来的各种意外事故。基于实车的实景虚拟驾驶平台引入基于真实场景的教学案例，教师可录制真实的教学场景或将真实发生的交通事故场景置于虚拟教学系统，并在其中设置理论或实操技能学习及考核要点，使教学更加贴近实际，学生在实车环境中进行实景驾驶理论和驾驶技能的学习，可以获得更好的驾驶体验，可大大提升教学效果。基于实车的实景虚拟驾驶平台不受天气、环境等影响，可在任意时间开展教学，且不消耗燃油，不会产生污染，可以大大节约培训成本。基于实车的实景虚拟驾驶平台将虚拟驾驶技术应用于“三教”改革，可提高教学质量，用现代化的手段推动教学工作的发展。采用基于实车的实景虚拟驾驶平台加强对学生汽车安全驾驶的教育教学，全面提升学生的交通安全意识及驾驶技能，可在一定程度上降低交通事故的发生率，并提升学生的综合职业竞争能力。

基金项目：培育引进专业群带头人，打造高水平“双师型”教师队伍（12000002040100）。

参考文献：

[1]公安部交通管理局.全国机动车保有量突破4亿辆[EB/OL].（2022-04-07）[2022-07-15].https：//www.mps.gov.cn/n2254314/n6409334/c8451247/content.html.

[2]国家统计局.24-5交通事故情况[EB/OL].（2022-01-01）[2022-07-15].http：//www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/.

[3]李向阳，汪潇，张志利等.基于虚实结合的特装车辆驾驶训练模拟系统[J].系统仿真学报. 2021，33（12）：2919-2934.

[4]王亚兵.基于驾驶模拟器的驾驶能力评估及其应用研究[D].北京：北方工业大学，2021．

[5]王明羽.基于Unity 3D与VR技术的虚拟驾驶系统[D].西安：西安电子科技大学，2020．

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