CN101530329B - 半实物驾驶疲劳视景仿真系统平台 - Google Patents

Abstract

半实物驾驶疲劳视景仿真系统平台属于驾驶视景仿真系统平台技术领域。本发明包括车辆动力学模型、真实车辆(22)、视景仿真系统、驾驶信息采集系统，以虚拟现实为基础，采用交互仿真、计算机成像、传感器技术，真实车辆(22)行驶性能正常，全面检测驾驶疲劳状态信息的研究平台。视景仿真系统包括工作站(1)、视景显示装置。工作站(1)根据驾驶信息采集系统传感器信号解算车辆动力学模型，生成动态驾驶场景，传输至视景显示装置。驾驶信息采集系统包括驾驶参数采集子系统、视频采集子系统、生理测试子系统等，分别实现对驾驶员操纵行为、面部表情、身体动作、生理参数等反映驾驶疲劳的特征信息的全面检测。主要应用于驾驶疲劳试验研究。

Description

半实物驾驶疲劳视景仿真系统平台

技术领域

本发明涉及驾驶视景仿真系统平台。该装置适用于实施驾驶疲劳实验，能够提供真实的驾驶操纵空间和逼真的驾驶环境，实现对反映驾驶疲劳的特征信息的全面检测。

背景技术

驾驶员疲劳驾驶是造成交通死亡事故的重要原因。许多国家的交通事故统计数据均表明，疲劳驾驶所导致的交通事故占人身伤害事故的15％、死亡事故的20％以上，美国、欧洲商业运输车辆事故中20-30％与疲劳因素有关。因此，驾驶疲劳检测研究已成为世界各国交通安全技术研究中重点领域。在实际道路上进行疲劳驾驶实验具有较大的危险性，国内外开展疲劳驾驶实验往往在模拟装置上进行。目前国内外通常在驾驶模拟器上进行疲劳实验，实验过程中利用采集装置对疲劳驾驶的部分信息进行采集。由于应用目的不同，国内外开发了诸多驾驶模拟器。用于车辆本身操纵稳定性、动力性、人机闭环仿真建模等研究的驾驶模拟器功能强大，能够构造非常真实的虚拟驾驶环境，但造价高、系统复杂，如美国依阿华大学建设的高级驾驶模拟器实验室是世界上最先进的驾驶模拟器，能够实现九自由度运动；国内吉林大学建设的驾驶模拟器能够实现六自由度运动，但上述驾驶模拟器存在系统复杂、造价高、只能用于室内模拟实验。用于驾驶培训的驾驶模拟器的结构简单，以与实车类似的驾驶舱或实车驾驶舱为模拟装置，与实际驾驶车辆的环境有一定区别。ZL99214744.1专利以真实汽车为模拟装置，对汽车的内部结构进行改动，以提供相似于真实情况下实际驾驶车辆的环境，但只能用于室内模拟驾驶。对疲劳驾驶的信息的采集包括驾驶操纵行为、生理信息、实验视频图像等，现有文献只涉及以上部分信息，还没有有关疲劳驾驶综合信息采集的论述。

发明内容

针对现有疲劳驾驶实验采用驾驶模拟器，疲劳驾驶实验者的真实感受差，往往采用单一的装置采集疲劳驾驶的部分信息，为了提高疲劳驾驶实验的真实性，全面检测疲劳驾驶的特征信息，本发明提供了一种新型的半实物驾驶疲劳视景仿真系统平台。

本发明由车辆动力学模型、真实车辆、视景仿真系统、驾驶信息采集系统四部分组成，以虚拟现实为基础，采用交互仿真、计算机成像、传感器技术，真实车辆行驶性能正常，具有6自由度高精度数学模型的全面检测驾驶疲劳状态信息的研究平台。

半实物驾驶疲劳视景仿真系统平台利用真实车辆，提供的操纵环境与常规车辆完全一致，真实车辆的性能与同类型的常规车辆一致，可用于室外实验，真实车辆的前轮放置在可自由转动的托盘上，近似模拟实际转向操纵，方便驾驶员的转向操纵。

视景仿真系统包括工作站、视景显示装置，其中视景显示装置包括投影机和投影屏幕，驾驶参数采集子系统中的传感器信号输出至工作站，工作站根据传感器信号解算车辆动力学模型，生成动态驾驶场景，传输至视景显示装置。驾驶场景采用单调驾驶场景，包括单一直线路段，没有其它车辆行人的干扰，易于促使驾驶员进入疲劳状态。

驾驶信息采集系统，设置于真实车辆上，包括采集计算机、驾驶参数采集子系统、视频采集子系统、生理测试子系统，实现对驾驶员驾驶操纵行为、面部表情、身体动作、生理参数等反映驾驶疲劳的特征信息的全面检测。驾驶信息采集系统具有车载电源或室内220V两种供电方式。

驾驶参数采集子系统包括转向盘转角传感器，转角传感器设置于真实车辆的转向盘和转向器之间的转向轴上，用于采集驾驶员的转向操纵信息；包括制动位移传感器，制动位移传感器设置于制动踏板臂上，用于采集驾驶员的制动操纵位移信息；包括离合器位移传感器，离合器位移传感器设置于离合器踏板臂上，用于采集驾驶员的离合器操纵信息；包括制动力传感器，制动力传感器设置在制动踏板上，用于采集驾驶员的制动操纵力信息；利用原车的节气门开度传感器采集驾驶员的油门操纵信息。各传感器的信号输出通过驾驶参数采集装置与采集计算机以及视景仿真系统的工作站相连。

视频采集子系统包括多个摄像头，其中安装于车辆驾驶室左上部指向驾驶员脸部的摄像头采集驾驶员面部图像信息，安装于车辆驾驶室中上部指向车辆前方的摄像头采集车外环境图像信息，安装于车辆驾驶室右上部指向驾驶员的摄像头采集驾驶员的身体动作图像信息，各摄像头的信号输出通过视频采集装置与采集计算机相连。

生理测试子系统，包括脑电、心电、皮肤电、肌电、心率/血容传感器，采集驾驶员的脑电、心电、皮肤电、肌电、心率、血容生理参数，各传感器的信号输出通过生理测试装置与采集计算机相连。

本发明主要应用于道路交通安全领域的驾驶疲劳研究。本发明的优点在于创造了一种相似于真实情况下实际驾驶车辆的环境，针对疲劳实验目的开发实验场景，采用多信息源全面采集反映驾驶疲劳特征的数据，本发明用于室内环境下的驾驶疲劳虚拟科学实验，实现真实、全面地检测驾驶疲劳信息。本发明的组成部分真实车辆和驾驶驾驶信息采集系统也可用于实际道路驾驶疲劳实验，全面采集反映驾驶疲劳特征的实际道路实验数据。

附图说明

图1为本发明的系统构成图

图2为本发明的总体框图

具体实施方式

如图1，2所示的本发明实施例，由车辆动力学模型、真实车辆(22)、视景仿真系统、驾驶信息采集系统四部分组成。

采用真实车辆(22)作为基础平台，提供的操纵环境与常规车辆完全一致，真实车辆(22)的性能与同类型的常规车辆一致，可用于室外实验，真实车辆(22)的前轮放置在可自由转动的托盘(14)上，近似模拟实际转向操纵，方便驾驶员的转向操纵。

根据模拟驾驶的基本要求，建立了一个用于车辆实时仿真的车辆动力学模型，该模型包括了车身模型、发动机模型、轮胎模型和制动器模型等。利用该模型，可以实现对人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真实验中车辆转向、加速/减速和制动等操作行为的模拟。车身模型为六自由度的车辆动力学模型，六自由度为：整车纵向、横向和垂直位移、横摆、侧倾和俯仰角位移。

视景仿真系统包括工作站(1)、视景显示装置，其中视景显示装置包括投影机(4)和投影屏幕(8)，驾驶参数采集子系统中的传感器信号输出至工作站(1)，工作站(1)根据传感器信号解算车辆动力学模型，生成动态驾驶场景，传输至视景显示装置。

工作站(1)是视景仿真系统的核心，用于求解车辆动力学模型和实时渲染三维图像。本发明选用HP xw8000工作站(1)作为本平台的计算引擎，它具有2G内存和至强2.8G双CPU，支持超线程技术，能够满足车辆动力学模型的实时求解以及车辆运动的三维实时渲染要求。

本发明在工作站(1)中选用了具有256M显示内存的NVIDIA Quadro FX3000显示适配器作为视景图形渲染引擎，能够保证图形渲染更新的速度，在图像分辨率、抗混叠效果、色彩逼真度及纹理真实感等方面提供高质量图像，以提高驾驶员的真实感受。

视景仿真系统选用了三洋PLC-XU2500多媒体投影机(4)以及大尺寸屏幕(8)，利用图形渲染引擎强大的图形计算能力及专业投影机的诸多特殊功能，实时地将大视场场景显示在驾驶员面前，以产生具有高度沉浸感的虚拟场景，并使驾驶员能与之实时地交互，为疲劳模拟驾驶实验提供能够提供高度的沉浸感。

视景仿真系统基于Creator软件建立车辆模型、建筑物模型、树木路标模型等单个模型，利用外部引用技术、实例化技术、LOD技术等将车辆模型、建筑物模型、树木路标模型等单个模型按照一定的规律组合成整个驾驶场景模型，最后根据仿真的实时性要求优化模型，最终形成驾驶视景仿真系统中的驾驶场景三维模型。驾驶场景采用单调驾驶场景，包括单一直线路段，没有其它车辆行人的干扰，易于促使驾驶员进入疲劳状态。

视景仿真系统应用Vega Prime软件对驾驶场景进行驱动、控制和管理，根据驾驶信息采集系统输出的驾驶操纵控制参数求解车辆动力学模型，实时计算车辆的运动状态，对虚拟场景中的车辆运动状态进行更新，改变更新场景的显示状态，实现车辆的运动仿真。

驾驶信息采集系统，包括计算机(2)、驾驶参数采集子系统、视频采集子系统、生理测试子系统，实现对驾驶员驾驶操纵行为、面部表情、身体动作、生理参数等疲劳信息等驾驶疲劳信息进行全面检测。

驾驶参数采集子系统包括转向盘转角传感器(9)，转角传感器(9)为绝对编码传感器，安装在真实车辆的转向盘和转向器之间的转向轴上，可以通过检测转向轴的转动角度采集驾驶员的转向操纵输入；包括制动位移传感器(13)，制动位移传感器(13)为角位移传感器，设置于真实车辆的制动踏板机构上，通过检测制动踏板臂的位移采集驾驶员的制动操纵输入；包括离合器位移传感器(11)，离合器位移传感器(11)为角位移传感器，设置于真实车辆的离合器踏板机构上，通过检测离合器踏板臂的位移采集驾驶员的离合器操纵输入；包括制动力传感器(10)，制动力传感器(10)为压力传感器，设置在制动踏板上，通过检测作用于传感器的压力采集驾驶员踩制动踏板的压力大小；利用原车的节气门开度传感器(12)采集油门开度信号。各传感器的信号输出通过驾驶参数采集装置同时与采集计算机(2)以及视景仿真系统的工作站(1)相连。

视频采集子系统包括多个摄像头，其中安装于车辆驾驶室左上部指向驾驶员脸部的摄像头(5)采集驾驶员面部图像信息，包括驾驶员的眼球转动、眼皮闭合、打哈欠、头部运动等状态特征信息；安装于车辆驾驶室中上部指向车前道路的摄像头(6)采集车外环境图像信息，包括虚拟场景中车辆的行驶轨迹等特征信息，在实际道路实验中，则为实际的车辆运行轨迹信息；安装于车辆驾驶室右上部指向驾驶员的摄像头(7)采集驾驶员的驾驶操作行为图像信息，各摄像头的信号输出通过视频采集装置(3)与采集计算机(2)相连。

生理测试子系统利用加拿大生产的生物反馈系统ProComp5 Infinti采集驾驶员的脑电、心电、皮肤电、肌电、心率、血容生理参数，包括脑电、心电、皮肤电、肌电、心率/血容传感器。脑电传感器(19)安装在驾驶员头部，共有三个电极，其中两个电极与驾驶员的耳垂相连，一个电极位于驾驶员的头顶中央；皮肤电传感器(18)安装于驾驶员利手的食指和无名指的指腹；肌电传感器(16)安装于驾驶员的额头；心电传感器(17)安装于驾驶员的腕部；心率/血容传感器(15)安装于驾驶员利手的中指指腹；各传感器的信号输出通过生理测试装置(20)与采集计算机(2)相连。

由于本发明中真实车辆(22)的性能与同类型的实际车辆一致，且本发明中驾驶信息采集系统具有车载电源和室内220V两种供电方式，故本发明的组成部分真实车辆(22)和驾驶信息采集系统可用于实际道路驾驶疲劳实验，可以更真实、全面地采集反映驾驶疲劳特征的实际道路实验数据。

Claims (2)

1.半实物驾驶疲劳视景仿真系统，其由车辆动力学模型、真实车辆、视景仿真系统和驾驶信息采集系统四部分组成；其特征在于：

驾驶信息采集系统包括采集计算机、驾驶参数采集子系统、视频采集子系统和生理测试子系统；其中，

驾驶参数采集子系统，包括设置于真实车辆转向盘和转向器之间的转向轴上的转向盘转角传感器，用于采集驾驶员的转向操纵信息；包括设置于制动踏板臂上的制动位移传感器，用于采集驾驶员的制动操纵位移信息；包括设置于离合器踏板臂上的离合器位移传感器，用于采集驾驶员的离合器操纵信息；包括设置于制动踏板上的制动力传感器，用于采集驾驶员的制动操纵力信息；利用原车的节气门开度传感器采集驾驶员的油门操纵信息；所述各传感器的信号通过驾驶参数采集装置输出到采集计算机以及工作站上；

视频采集子系统，包括安装于车辆驾驶室左上部指向驾驶员脸部的采集驾驶员面部图像信息的摄像头，安装于车辆驾驶室中上部指向车辆前方的采集包括车辆行驶轨迹的车外环境图像信息的摄像头，安装于车辆驾驶室右上部指向驾驶员的采集驾驶员的身体动作图像信息的摄像头，所述的驾驶员面部图像信息、车外环境图像信息及身体动作图像信息通过视频采集装置输出到采集计算机上；

生理测试子系统，包括脑电、心电、皮肤电、肌电和心率/血容传感器，用于采集驾驶员的脑电、心电、皮肤电、肌电和心率/血容生理参数，各生理参数通过生理测试装置输出到采集计算机上；

视景仿真系统包括工作站和视景显示装置；其中，

工作站作为视景仿真系统的核心，用于接收来自驾驶参数采集子系统各传感器的信号，并根据所述的各传感器的信号解算车辆动力学模型，实时计算车辆的运动状态，生成动态驾驶场景图像信息；所述工作站实时对生成的动态场景图像信息进行渲染，并将渲染后的动态场景图像信息发送给视景显示装置；

视景显示装置包括投影机和投影显示屏幕，用于实时地将大视场场景用投影显示屏幕显示在驾驶员面前，以产生具有高度沉浸感的虚拟场景；

半实物驾驶疲劳视景仿真系统平台提供的操纵环境与常规车辆完全一致，真实车辆的性能与同类型的常规车辆一致，可用于室外实验，采用单调驾驶场景作为模拟驾驶环境，易于促进驾驶疲劳，利用驾驶信息采集系统实现驾驶疲劳状态信息的全面检测。

2.根据权利要求1所述的半实物驾驶疲劳视景仿真系统，其特征在于，所述的真实车辆的性能与同类型的常规车辆一致，可用于室外实验，真实车辆的前轮放置在可以自由转动的托盘上，近似模拟实际转向操纵。

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