CN101325010A - 基于快速控制原型的开发型汽车驾驶模拟方法 - Google Patents
基于快速控制原型的开发型汽车驾驶模拟方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于快速控制原型的开发型汽车驾驶模拟方法，属于汽车模拟驾驶技术领域。首先利用监控计算机生成的实时内核建立快速控制原型器的软件平台，并编译和下载驾驶仿真模型。其次，快速控制原型器接收驾驶模拟器的操纵信号后，计算所有模拟车辆的速度和方向，同时发送视景计算机和监控计算机，分别用于生成视景图像和对监控驾驶模拟过程。最后，驾驶模拟者或开发人员根据驾驶模拟者所在车辆及电控系统的性能要求，对驾驶仿真模型进行修改，重复驾驶模拟器过程，直至满足驾驶模拟者或开发人员的要求。本发明的优点是，简化了开发型驾驶模拟器，降低了开发成本，且适用于车辆电控系统的V型开发模式。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于快速控制原型的开发型汽车驾驶模拟方法，属于汽车模拟驾驶技术领域。
技术背景：
目前，开发型驾驶模拟器的基本结构如图1所示，包括车辆实物(或者驾驶舱实物)、车辆运动仿真系统、视景生成系统、投影系统以及各系统之间的软硬件接口。其中，车辆运动仿真系统是整个驾驶模拟器的关键组成，其软硬件结构直接影响整个驾驶模拟器的技术水平和应用范围。该系统的基本功能为：利用驾驶舱传输至仿真计算机的驾驶员操作信号，计算驾驶模拟者所在车辆及参与模拟车辆的运动状态，并将状态信息实时发送至视景生成系统。
已有车辆运动仿真系统的硬件皆采用单一计算机平台，软件多由基于Windows平台的汇编、C或C++语言开发，其仿真代码编制复杂，开发周期长，开发成本也相对较高。以QM-II型汽车驾驶模拟器为例(程秀生 等.汽车驾驶模拟器的研制.吉林工业大学学报，No.1，1991：64～70.)，其车辆运动仿真程序采用Z-80汇编语言编写，尽管采用模块化设计思想，但其编写难度不言而喻，调试和维护难度较大。其他，基于C++面向对象编程技术的车辆运动仿真软件，虽然其编程难度比起汇编语言大大简化，但其描述动态系统的能力远不如Matlab/Simulink或Labview等专用建模软件，对软件的维护和修改也较为复杂。
更重要的是，随着驾驶模拟器在新型电控系统开发中的应用日渐增多，已有的驾驶模拟器，尤其是车辆运动仿真系统的原技术方案，已经不能满足快速开发电控系统的要求：
第一，已有驾驶模拟器的车辆运动仿真程序，使用流式编程语言，不适合描述车辆和控制器等动态环节较多的系统，导致建模难度大、开发效率低；
第二，已有驾驶模拟器不适用于对道路、交通流或车辆进行建模，不能快速验证电控系统在不同道路、交通流和车辆上的应用效果；
第三，电控系统开发中，V型开发模式的应用日渐普及。该模式中，快速控制原型作为一种将控制算法快速转化实时控制器的技术手段，是V型开发模式中不可或缺的环节。已有的驾驶模拟器结构因不具备快速原型功能，极大限制了驾驶模拟技术与V型开发模式的融合，阻碍了电控系统开发，尤其是驾驶员辅助系统开发，在驾驶模拟器上的应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于快速控制原型的开发型汽车驾驶模拟方法，用于设计适用于车辆电控系统开发过程的驾驶模拟器，尤其是适用于驾驶辅助系统开发的驾驶模拟器，并降低开发型驾驶模拟器的开发难度，提高其开发效率。
本发明提出的基于快速控制原型的开发型汽车驾驶模拟方法，包括以下步骤：
(1)在监控计算机上生成xPC实时内核，并将该实时内核写到移动存储器上；
(2)将上述移动存储器插入快速控制原型器，快速控制原型器从移动存储器中读取实时内核，为快速控制原型器中驾驶仿真模型的运行提供软件支持；
(3)在上述监控计算机中编译驾驶仿真模型，将该驾驶仿真模型通过以太网下载至上述快速控制原型器；
(4)采集驾驶模拟者的操纵信号，将操纵信号通过控制器局域网络总线传输至快速控制原型器；
(5)快速控制原型器根据上述采集的操纵信号，利用驾驶仿真模型计算驾驶模拟者所在车辆及参与模拟车辆的速度和方向，并将得到的速度和方向信号通过串行通讯总线发送至视景生成系统，同时将得到的速度和方向信号通过以太网发送至监控计算机；
(6)视景生成系统根据上述接收到的信号生成驾驶模拟者所在车辆前方的视景图像，并将图像投射至驾驶模拟者所在车辆前方的屏幕上；
(7)上述监控计算机接收上述信号后将信号显示，并根据驾驶模拟者或开发人员对驶模拟者所在车辆的运行性能、电控系统控制性能的要求，对驾驶仿真模型进行修改；
(8)重复步骤(3)～(7)，直至满足驾驶模拟者或开发人员的要求。
上述方法中，驾驶仿真模型划分为驾驶控制模块、道路模块、交通流模块、传感器模块、车辆模块、视景接口模块、驾驶操作接口模块和监控接口模块，其信号连接关系如下：
(1)驾驶操作接口模块，采集控制器局域网络总线上的驾驶模拟者操纵信号，并将信号发送至驾驶控制模块；
(2)道路模块根据道路模型同时向车辆模块和传感器模块发送道路坡度、道路曲率、路面附着系数信息；
(3)交通流模块根据交通流模型计算参与模拟车辆的速度和方向信息，并将信息同时发送至传感器模块和视景接口模块；
(4)传感器模块，根据交通流模块发送的车辆速度和方向信息，计算驾驶模拟者所在车辆与参与模拟车辆之间的相对距离和速度信息；根据道路模块发送的道路坡度、道路曲率和路面附着系数信息，计算驾驶模拟者所在车辆的车道线信息；根据车辆模块输出的发动机转速、轮速、横向加速度、纵向加速度和横摆角速度，分别计算相应传感器的输出信息；最后将上述所有信息发送至驾驶控制模块；
(5)驾驶控制模块，根据上述传感器模块的信息，利用驾驶模拟者所在车辆电控系统的控制算法，计算出期望驾驶模拟者的操纵信号；对上述接收的驾驶模拟者操纵信号进行滤波，根据驾驶模拟者所在车辆电控系统的要求，用期望驾驶模拟者的操纵信号替代滤波后的信号，并发送至车辆模块；
(6)车辆模块，根据驾驶模拟者所在车辆的车辆纵横向动力学模型，并根据上述接收到的信息，计算出驾驶模拟者所在车辆的纵向速度、横向速度、行驶方向、发动机转速、轮速、横向加速度、纵向加速度和横摆角速度，并将信息同时发送至传感器模块、监控接口模块和视景接口模块；
(7)监控接口模块，将上述接收的信息发送至以太网，用于监控计算机的信号实时监控，同时监控接口模块从以太网接收监控计算机的监控命令，用于控制驾驶仿真模型的运行；
(8)视景接口模块接收上述交通流模块和车辆模块的信息，并将信息发送至串行通讯总线，用于生成视景图像。
本发明提出的基于快速控制原型的开发型汽车驾驶模拟方法，其优点是：第一，简化了开发型驾驶模拟器，尤其是车辆运动仿真系统的开发难度，提高了开发效率，降低了开发成本；第二，与快速控制原型技术相结合的驾驶仿真模型适合描述车辆和控制器等动态环节较多的系统，可增加车辆对象建模的细致程度，有效提高了驾驶模拟器的仿真精度；第三，使用本发明方法的驾驶模拟器可应用于车辆电控系统的V型开发模式，提高了驾驶模拟器在车辆电控系统开发中的适用性。
附图说明
图1是已有的一般开发型驾驶模拟器的结构图。
图2是本发明提出的基于快速控制原型的开发型汽车驾驶模拟器结构示意图。
图3是本发明方法中驾驶仿真模型的模块结构图。
图1～图2中，1是投影屏幕，2是车辆实物，3是控制器局域网络总线，4是快速控制原型器，5是监控计算机，6是视景生成系统，7是投影系统，8是串行通讯总线，9是以太网总线，10是视频传输线，11是硬件接口。
具体实施方式
以下结合一个实施例，详细介绍本发明的内容：
轿车开发型驾驶模拟器的结构如图2所示，1是投影屏幕，2是车辆实物，3是控制器局域网络总线，4是快速控制原型器，5是监控计算机，6是视景生成系统，7是投影系统，8是串行通讯总线，9是以太网总线，10是视频传输线。表1为基于快速控制原型的轿车开发型驾驶模拟器关键硬件型号列表。
表1轿车开发型驾驶模拟器关键硬件型号
| 名称 | 硬件型号 | 备注 |
| 车辆实物 | 尼桑骐达车 | 仅去掉发动机，保留原车电子系统 |
| 快速控制原型器 | 研祥810型工控机 |
| 监控计算机 | 研祥810型工控机 | |
| 视景计算机 | 组合式台式计算机 | 系统内存1G，显卡内存128M |
| 投影仪 | 松下PT-PX770 | 3200流明，宽高比为4∶3 |
| 投影屏幕 | 布屏 | 宽高比为4∶3 |
以自适应巡航控制系统的控制算法开发为例，说明本发明提出的基于快速控制原型的轿车开发型驾驶模拟方法：
(1)在监控计算机5上生成xPC实时内核，并将该实时内核写到移动存储器上；本示例中移动存储器为索尼3.5寸软盘。
(2)将上述移动存储器插入快速控制原型器4，快速控制原型器4从移动存储器中读取实时内核，为快速控制原型器4中驾驶仿真模型的运行提供软件支持；
(3)在上述监控计算机5中编译驾驶仿真模型，将该驾驶仿真模型通过以太网9下载至上述快速控制原型器4；驾驶仿真模型的驾驶控制模块中包含自适应巡航控制系统的控制算法。
(4)采集驾驶模拟者的操纵信号，将操纵信号通过控制器局域网络总线3传输至快速控制原型器4；
(5)快速控制原型器4根据上述采集的操纵信号，利用驾驶仿真模型计算驾驶模拟者所在车辆及参与模拟车辆的速度和方向，并将得到的速度和方向信号通过串行通讯总线8发送至视景生成系统6，同时将得到的速度和方向信号通过以太网发送至监控计算机5；
(6)视景生成系统6根据上述接收到的信号生成驾驶模拟者所在车辆前方的视景图像，并利用投影系统7将图像投射至驾驶模拟者所在车辆前方的屏幕上；
(7)上述监控计算机5接收上述信号后将信号显示，并根据驾驶模拟者判断自适应巡航控制算法的跟车性能；如不满足驾驶模拟者的要求，修改驾驶仿真模型中自适应巡航控制算法的结构或参数；
(8)重复步骤(3)～(7)，直至满足自适应巡航控制算法的跟车性能满足驾驶模拟者的要求。
如上文所述，本发明的驾驶模拟器包括一个基于快速控制原型的车辆运动仿真系统。车辆运动仿真系统的关键是在快速控制原型器上运行的驾驶仿真模型。本发明提出的驾驶仿真模型的基本结构如图3所示，利用Matlab/Simulink软件搭建完成，包括驾驶控制模块、道路模块、交通流模块、传感器模块、车辆模块、视景接口模块、驾驶操作接口模块和监控接口模块，具体描述如下：
(1)驾驶操作接口模块采集控制器局域网络总线上的驾驶模拟者操纵信号(包括油门开度、制动压力、方向盘转角和档位信号)，并将信号发送至驾驶控制模块；
(2)道路模块根据道路模型同时向车辆模块和传感器模块发送道路坡度、道路曲率、路面附着系数信息；本示例中，道路模型包含两部分，分别为长度7公里的高速公路和长度3公里的城市道路。
(3)交通流模块根据交通流模型计算参与模拟车辆的速度和方向信息，并将信息同时发送至传感器模块和视景接口模块；本示例中，交通流模块共包括三辆参与模拟车辆，可模拟高速公路交通流和城市道路交通流。
(4)传感器模块根据交通流模块发送的模拟车辆的速度和方向信息，计算雷达输出的相对距离和相对速度信息；根据道路模块发送的道路坡度、道路曲率和路面附着系数信息，计算车载相机的车道线信息；根据车辆模块输出的发动机转速、轮速、横向加速度、纵向加速度和横摆角速度，分别模拟车载传感器的信息；并将上述信息发送至驾驶控制模块；
(5)驾驶控制模块根据传感器模块的输出信息利用电控系统的控制算法计算出期望驾驶模拟者的操纵信号，并对上述接收的驾驶模拟者操纵信号进行滤波，根据电控系统要求用期望驾驶模拟者的操纵信号替代滤波后的信号，并发送至车辆模块；
(6)车辆模块根据车辆纵横向动力学模型，利用接收到的上述信息，计算出驾驶模拟者所在车辆的纵向速度、横向速度、行驶方向、发动机转速、轮速、横向加速度、纵向加速度和横摆角速度，并将信息同时发送至传感器模块、信号监控模块和视景接口模块；
(7)信号监控模块将上述接收的信息发送至以太网，用于监控计算机的信号实时监控，同时信号监控模块从以太网接收监控计算机的监控命令，用于控制接收仿真模型的运行；
(8)视景接口模块接收上述交通流模块和车辆模块的信息，并将信息发送至串行通讯总线，用于生成视景图像。
Claims (2)
1、一种基于快速控制原型的开发型汽车驾驶模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)在监控计算机上生成xPC实时内核，并将该实时内核写到移动存储器上；
(2)将上述移动存储器插入快速控制原型器，快速控制原型器从移动存储器中读取实时内核，为快速控制原型器中驾驶仿真模型的运行提供软件支持；
(3)在上述监控计算机中编译驾驶仿真模型，将该驾驶仿真模型通过以太网下载至上述快速控制原型器；
(4)采集驾驶模拟者的操纵信号，将操纵信号通过控制器局域网络总线传输至快速控制原型器；
(5)快速控制原型器根据上述采集的操纵信号，利用驾驶仿真模型计算驾驶模拟者所在车辆及参与模拟车辆的速度和方向，并将得到的速度和方向信号通过串行通讯总线发送至视景生成系统，同时将得到的速度和方向信号通过以太网发送至监控计算机；
(6)视景生成系统根据上述接收到的信号生成驾驶模拟者所在车辆前方的视景图像，并将图像投射至驾驶模拟者所在车辆前方的屏幕上；
(7)上述监控计算机接收上述信号后将信号显示，并根据驾驶模拟者或开发人员对驶模拟者所在车辆的运行性能、电控系统控制性能的要求，对驾驶仿真模型进行修改；
(8)重复步骤(3)～(7)，直至满足驾驶模拟者或开发人员的要求。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的驾驶仿真模型划分为驾驶控制模块、道路模块、交通流模块、传感器模块、车辆模块、视景接口模块、驾驶操作接口模块和监控接口模块，其信号连接关系如下：
(1)驾驶操作接口模块，采集控制器局域网络总线上的驾驶模拟者操纵信号，并将信号发送至驾驶控制模块；
(2)道路模块根据道路模型同时向车辆模块和传感器模块发送道路坡度、道路曲率、路面附着系数信息；
(3)交通流模块根据交通流模型计算参与模拟车辆的速度和方向信息，并将信息同时发送至传感器模块和视景接口模块；
(4)传感器模块，根据交通流模块发送的车辆速度和方向信息，计算驾驶模拟者所在车辆与参与模拟车辆之间的相对距离和速度信息；根据道路模块发送的道路坡度、道路曲率和路面附着系数信息，计算驾驶模拟者所在车辆的车道线信息；根据车辆模块输出的发动机转速、轮速、横向加速度、纵向加速度和横摆角速度，分别计算相应传感器的输出信息；最后将上述所有信息发送至驾驶控制模块；
(5)驾驶控制模块，根据上述传感器模块的信息，利用驾驶模拟者所在车辆电控系统的控制算法，计算出期望驾驶模拟者的操纵信号；对上述接收的驾驶模拟者操纵信号进行滤波，根据驾驶模拟者所在车辆电控系统的要求，用期望驾驶模拟者的操纵信号替代滤波后的信号，并发送至车辆模块；
(6)车辆模块，根据驾驶模拟者所在车辆的车辆纵横向动力学模型，并根据上述接收到的信息，计算出驾驶模拟者所在车辆的纵向速度、横向速度、行驶方向、发动机转速、轮速、横向加速度、纵向加速度和横摆角速度，并将信息同时发送至传感器模块、监控接口模块和视景接口模块；
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Granted publication date: 20100721 Termination date: 20160725 |
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