CN101770708B - 驾驶行为研究仿真试验平台系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及驾驶行为研究仿真试验平台系统，其能为驾驶员提供一个与实际驾驶完全相符的车辆环境和驾驶功能，并确保驾驶操作、车辆数据采集的真实性，保证试验车辆在室内使用和路况对驾驶反馈的基本模拟，为驾驶员提供一个沉浸感高的交通视景仿真环境。其包括驾驶试验车辆、驾驶人信息采集系统、车辆信息采集处理系统、交通仿真视景驱动模块、视景投影系统、视景模拟与道路交通场景建模系统、路面行驶阻力模拟系统以及系统集成模块，驾驶试验车辆连接车辆信息采集处理系统，车辆信息采集处理系统通过系统集成模块与交通仿真视景驱动模块实时通讯交换并反馈数据，其特征在于：驾驶试验车辆为真实的小型客车，小型客车的转向机构断开。

Description

驾驶行为研究仿真试验平台系统

(一)技术领域

本发明涉及信息采集、仿真技术领域，特别涉及驾驶行为交通安全研究、车辆驾驶仿真、交通仿真领域，具体为驾驶行为研究仿真试验平台系统。

(二)背景技术

20世纪80年代以后，随着仿真技术的发展，发达国家和我国逐步将信息采集、计算机仿真技术应用于军事武器、飞机、汽车操作训练和有关行为研究领域。利用信息采集、计算机仿真技术构建人-车-环境的交通仿真系统平台，进行驾驶模拟与行为研究、涉及驾驶人因素的交通安全问题研究具有经济、安全、高效等特点，能够对一些不安全驾驶行为(疲劳、酒后驾驶等)的量化试验分析提供一个安全的环境，并能够完全控制试验所需环境因素，高效收集试验数据，同时运行成本较低，为交通安全研究和改善提供的最佳技术支撑手段和途径。日本等国外发达国家在此方面作了大量研究工作，并开发了相应的用于驾驶培训考试的驾驶模拟器和用于研究的开发型汽车模拟器，其模拟汽车驾驶的操作部分主要采用与实车接近的驾驶座位、方向盘、档位、刹车等机械部件，或是采用去除发动机动力、运动装置、电子控制等系统的整车车架，车辆动力实现通过电机等方式替代，其缺点在于其虽然通过传感器来采集驾驶员操作如方向盘、刹车、油门、档位等信息，但是因为车辆发动机动力、电控系统已去除或已采用电机代替动力，相应装置(方向盘、刹车、油门、档位等)操作感受与实车差异甚大；其是通过车辆仿真动力学模型模拟输出车辆各运动自由度的转向、速度、加速度等运动信息，不能充分确保驾驶操作和车辆运动信息与实际一致；另外，以往仿真模拟装置没有车轮或者驱动轮无法实现转动，路况模拟主要是根据路面摩擦系数、坡度等计算车辆行驶阻力，并反馈给车辆仿真动力学模型再解算输出车辆运动信息，驾驶员在踩油门等操作反应是通过仿真场景的运行速度等状态变化来感受和进行操作调整，与真实路面驾驶有较在差异；此外，其道路交通场景仿真显示主要采用单/三个显示屏或三通道以下的投影系统组成，由于视景仿真场景覆盖角度在120度以内，驾驶员在向左、向右转视时，能够看到其它非仿真交通场景等物体，会干扰驾驶人注意力集中驾驶。

(三)发明内容

针对上述问题，本发明提供了驾驶行为研究仿真试验平台系统，其能为驾驶员提供一个与实际驾驶完全相符的车辆环境和驾驶功能，并确保驾驶操作、车辆运动数据采集的真实性，避免采用仿真车辆运动学模型运动参数输出的不可靠性，保证试验车辆在室内使用和路况对驾驶反馈的基本模拟，为驾驶员提供一个沉浸感高的交通视景仿真环境。

其技术方案是这样的，其包括驾驶试验车辆、驾驶人信息采集系统、车辆信息采集处理系统、交通仿真视景驱动模块、视景投影系统、视景模拟与道路交通场景建模系统、路面行驶阻力模拟系统以及系统集成模块，所述驾驶试验车辆连接所述车辆信息采集处理系统，所述车辆信息采集处理系统通过所述系统集成模块与所述交通仿真视景驱动模块实时通讯交换并反馈数据，其特征在于：所述驾驶试验车辆为真实的小型客车，所述小型客车的转向机构断开。

其进一步特征在于：

所述车辆信息采集处理系统包括传感器，所述传感器信号经A/D转换器转换后连接入信号调理板并输入数据采集卡；所述传感器包括开关传感器、角度传感器、位移传感器、光电编码器；所述小型客车的点火开关、手刹开关、变速档位上分别连接所述开关传感器；所述小型客车的离合器踏板、油门踏板、制动器踏板分别连接所述位移传感器；所述小型客车的方向盘和驱动轮的转轴上连接有所述光电编码器；所述车辆操作与运动信息采集系统还包括方向盘回正控制模块；所述方向盘回正控制模块包括力矩电机；所述力矩电机的轴端与所述小型客车方向盘的转向杆连接；

所述路面行驶阻力模拟系统包括底盘测功机；所述小型客车驱动轮安放于所述底盘测功机的转鼓上；

所述视景投影系统为五通道视景投影系统；其投影屏幕采用圆弧形投影幕，投影幕水平视场≥180度，通道间融合带≥0.5米，硬件融合采用梯形校正边缘融合处理机，投影机选用LCD工程专业投影机；所述投影机设置有五台；

所述车辆信息采集处理系统与所述交通仿真视景驱动模块之间通过所述系统集成模块完成数据的交换与反馈；所述系统集成模块包括系统集成通讯协议和中心服务器；所述所述车辆信息采集处理系统与所述交通仿真视景驱动模块之间通过所述中心服务器并遵循所述系统集成通讯协议交换、反馈数据。

本发明的驾驶行为研究仿真试验平台系统，其有益效果在于：其以真实的小型客车作为驾驶试验车辆，为驾驶员提供一个与实际驾驶完全相符的车辆环境和驾驶功能；其在小型客车上安装集成各类传感器，经数据转换直接记录驾驶员操作信息和车辆运动姿态并进一步驱动交通仿真场景，确保了驾驶操作、车辆运动数据采集的真实性，避免了以往采用仿真车辆运动学模型运动参数输出的不可靠性；其还采用底盘测功机支撑试验车辆，模拟试验车辆在行驶道路上下坡的状态，保证试验车在室内使用和路况对驾驶反馈的基本模拟；其采用五通道视景投影系统，可以全面覆盖驾驶员前方、左侧和右侧视觉范围，为驾驶员提供一个沉浸感高的交通视景仿真环境。

(四)附图说明

图1为本发明驾驶行为研究仿真试验平台系统运行图；

图2为本发明中驾驶运动信息采集实现流程图；

图3为本发明系统中车辆信息采集系统的方向盘回正力矩模拟原理图；

图4为本发明系统中基于底盘测功机的试验车辆安装与路况模拟实现示意图；

图5为本发明系统中系统集成模块运行流程图。

(五)具体实施方式

见图1，本发明驾驶行为研究仿真试验平台系统包括驾驶试验车辆、驾驶人信息采集系统、车辆信息采集处理系统、交通仿真视景驱动模块、视景投影系统、视景模拟与道路交通场景建模系统、路面行驶阻力模拟系统以及系统集成模块，其中驾驶试验车辆连接车辆信息采集处理系统，车辆信息采集处理系统通过系统集成模块与交通仿真视景驱动模块之间实时通讯交换、反馈数据，其驾驶试验车辆为真实的小型客车，所述小型客车的转向机构断开。

本实施例中，小型客车采用别克君威牌六档手动小型客车。

车辆信息采集处理系统包括传感器；传感器信号经A/D转换器转换后连接入信号调理板并输入数据采集卡；传感器包括开关传感器、角度传感器、位移传感器、光电编码器；小型客车的点火开关、手刹开关、变速档位上分别连接开关传感器；小型客车的离合器踏板、油门踏板、制动器踏板分别连接所述位移传感器；小型客车的方向盘和驱动轮的转轴上连接有光电编码器；车辆操作与运动信息采集系统还包括方向盘回正控制模块；方向盘回正控制模块包括力矩电机；所述力矩电机的轴端与所述小型客车方向盘的转向杆连接；

路面行驶阻力模拟系统包括底盘测功机；所述小型客车驱动轮安放于所述底盘测功机的转鼓上；

视景投影系统为五通道视景投影系统；其投影屏幕采用圆弧形投影幕，投影幕水平视场≥180度，通道间融合带≥0.5米，硬件融合采用梯形校正边缘融合处理机，投影机选用LCD工程专业投影机；投影机设置有五台；

车辆信息采集处理系统与交通仿真视景驱动模块之间通过所述系统集成模块完成数据的交换与反馈；系统集成模块包括系统集成通讯协议和中心服务器；车辆信息采集处理系统与交通仿真视景驱动模块之间通过所述中心服务器并遵循所述系统集成通讯协议交换、反馈数据。

下面结合说明书附图，具体描述一下本发明驾驶行为研究实车仿真试验平台系统的运行流程：见图1，驾驶员在试验车上面对五通道交通视景仿真场景并实际驾驶操作，车辆操作与运动信息采集处理系统实时采集试验车控制输入，根据道路交通路面和道路平纵线形变化实时计算路面行驶阻力并传至底盘测功机实现路面摩擦阻力变化，经AD数据转换计算为车辆实时运动参数和车辆位置参数，通过交通场景经五通道投影输出边缘融合和梯形校正、实时渲染后，在柱面投影幕上进行高亮度和对比度输出；驾驶人操作信息采集设备同步采集驾驶人操作行为与反应信息，最终闭环的平台系统实时运行。

车辆操作与运动信息采集过程：见图2，直接从别克轿车的点火开关信号中提取出点火开光状态，将点火开关信号从连接至电控单元(ECU)的电线中引出，随着点火信号的通断，点火开关信号或者为12V高电压，或者为OV的低电平，将引出的点火开关信号线连接到信号调理电路板，进而输入数据采集卡；手刹开关测量通过获取别克轿车自带的手刹灯上的状态信号线进行判断，将手刹信号从手刹灯的信号线中引出，随着手刹的松开和放下，刹车信号或者为12V高电压，或者为OV的低电平，将引出的手刹信号线连接到信号调理电路板，进而输入数据采集卡；通过获取别克轿车自带的节气门位置传感器的信号线进行测量油门行程，从车载发动机电脑引线端子中引出，经过隔离和整形调理等变成标准信号送入数据采集卡；将角度位移传感器集成到踏板处的机械部件中测量制动踏板的行程大小，安装在转轴处，当驾驶员踏下踏板时，引起转轴部分的旋转，从而带动角度传感器轴的旋转，进而使角度传感器输出不同的电压值；采用捆绑的安装方式将踏板力传感器固定于制动踏板表面，通过传感器输出电压的幅值表示踏板力度的大小；将光电编码器固定在设计的特定机构中，通过输出电压的幅值表示方向盘转动角度的大小，用同步带与电机连接，安装固定于副车架，并使电机轴通过软轴与方向盘转向柱相连；通过设计安装支架(真空洗盘、联接模板、连杆支架及固定夹)安装左前轮车轮转速光电编码器，读取电压幅值并经信号条例、数据转换输入数据采集卡。数据采集卡采用PCI多功能数据采集卡，其带有模拟量采集、数据输入输出以及定时/计数器，能够满足多种信号类型的测量。

采用稀土永磁式力矩电机模拟方向盘回正力矩，其轴端输出转矩正比于电枢电流，以电枢电流值作为闭环控制的反馈量；力矩电机配有同轴测速电机，测速电机输出的电压正比于力矩电机转速；力矩电机轴端与方向盘的转向杆联接。根据别克车方向盘原车力矩特点，确定方向盘反力矩动态模拟系统技术指标为：全工况模拟方向盘的反力矩M＝K×I，K＝2.92Nm/A，I＝0～5A；力矩电机的R＝6.05Ω，Ta＝2.0ms，KT＝3.06Nm/A(其中：KT--电机转矩系数，R--电枢电阻，Ta--电机电枢磁电时间常数)；见图3，力矩电压信号由实时计算机送到力矩电机控制电路中的输入端，该信号经模数转换器将模拟信号转换为数字信号，CPU将数字信号读入单片机内存，CPU根据输入信号的正负经软件处理，通过模拟开关CD4066和线性光隔切向VMOS(1)或VMOS(2)，同时8051CPU还通过P1.5、P1.6控制开关K(1)或K(2)的开断，使力矩电机产生正向或负向的力矩；VMOS管实际上是电压控制的可变电阻，其阻值的变化改变了流过电机电枢的电流的大小，从而控制力矩电机的输出扭矩。

路面行驶阻力模拟，见图4，将试验车辆驱动轮安放在转鼓实验台(即底盘测功机)上，前轮转动时，转鼓的滚轮随动。这样不但可以使试验车辆在行驶过程中保持在原位置外，根据车辆所在仿真道路上实时经过的纵向线形处所受到的摩擦阻力、行驶阻力同步传送给底盘测功机的控制软件系统，底盘测功机同步实现控制车辆驱动轮的滚动阻力，可以模拟车辆在加速、上坡及下坡等行驶条件下的力学响应，进而反映在驾驶操作油门、车速变化上，更为真实的反映路况变化对车辆运行的细微影响。

五通道视景投影系统，选择五台标称光亮度大于5000Ansi、对比度2000∶1、最高分辨率大于1600×1200、具备梯形校正功能的工程投影机；硬质基底材质、漫反射玻璃珠涂层(视角大于40°、增益0.8～1.2)、180°水平视场环型柱面投影幕；采用3D Perception Compact UTM边缘融合及非线性失真校正处理机用于五通道投影系统的色彩补偿及伽玛校正、通道间边缘无缝融合、柱面幕非线性失真梯形校正，处理机具备数字非线性失真校正、数字边缘混合处理(四个方向)、数字亮度不均匀补偿、数字色彩补偿、数字伽玛校正等基本功能。通过上述基础硬件集成，实现环绕试验车辆、驾驶员前方、左、右180度大视角的交通场景现实系统，营造了沉浸感极高的视觉仿真环境和感受。

系统集成运行实现，就是设计、开发一套通信协议，通过此通信协议平台中心控制服务其实现车辆实时运动状态信息与视景仿真驱动系统的交互与反馈。系统集成通信协议定义为TVSPP(TMRI Vision Simulation Peer To Peer)，用于车辆运动控制输入数据采集程序和多通道视景驱动模块间的实时通讯，见图5，实验车辆传感器和数据采集卡将车辆运行的转向、刹车等信息通过数据采集软件处理和组合，输出能够驱动视景输入格式，进而通过视景驱动模块驱动交通场景；整个流程信息交换、反馈、控制遵循TVSPP协议。TVSPP协议通信方式为：TVSPP协议以TCP/IP作为底层通信承载，通信双方以客户-服务器方式建立TCP连接，用于双方信息的相互提交，当信道上没有数据传输时，通信双方应每隔时间C发送链路检测包以维持此连接，当链路检测包发出超过时间T后未收到响应，应立即再发送链路检测包，再连续发送N-1次后仍未得到响应则断开此连接，并提示通信连接断开；数据采集处理程序与中心服务器、中心服务器与视景驱动程序之间的消息发送后等待T秒后未收到响应，应立即重发，再连续发送N-1次后仍未得到响应则停发；消息采用并发方式发送，加以滑动窗口流量控制，接收方在应答前一次收到的消息最多不超过32条。

Claims (3)

1.驾驶行为研究仿真试验平台系统，其包括驾驶试验车辆、驾驶人信息采集系统、车辆信息采集处理系统、交通仿真视景驱动模块、视景投影系统、视景模拟与道路交通场景建模系统、路面行驶阻力模拟系统以及系统集成模块，所述驾驶试验车辆连接所述车辆信息采集处理系统，所述车辆信息采集处理系统通过所述系统集成模块与所述交通仿真视景驱动模块实时通讯交换并反馈数据，其特征在于：所述驾驶试验车辆为真实的小型客车，所述小型客车的转向机构断开；所述车辆信息采集处理系统包括传感器，所述传感器的信号经A/D转换器转换后接入信号调理板并输入数据采集卡；所述传感器包括开关传感器、角度传感器、位移传感器、光电编码器；所述小型客车的点火开关、手刹开关、变速档位上分别连接所述开关传感器，所述小型客车的离合器踏板连接所述角度传感器，所述小型客车的油门踏板、制动器踏板分别连接所述位移传感器，所述小型客车的方向盘和驱动轮的转轴上连接有所述光电编码器；所述路面行驶阻力模拟系统包括底盘测功机，所述小型客车的驱动轮安放于所述底盘测功机的转鼓上；所述视景投影系统为五通道视景投影系统；其投影屏幕采用圆弧形投影幕，投影幕水平视场≥180度，通道间融合带≥0.5米，硬件融合采用梯形校正边缘融合处理机，投影机选用LCD工程专业投影机，所述投影机设置有五台；所述系统集成模块包括系统集成通讯协议和中心服务器；所述车辆信息采集处理系统与所述交通仿真视景驱动模块之间通过所述中心服务器并遵循所述系统集成通讯协议交换、反馈数据。

2.根据权利要求1所述的驾驶行为研究仿真试验平台系统，其特征在于：所述车辆信息采集处理系统还包括方向盘回正控制模块。

3.根据权利要求2所述的驾驶行为研究仿真试验平台系统，其特征在于：所述方向盘回正控制模块包括力矩电机，所述力矩电机的轴端与所述小型客车方向盘的转向杆连接。

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