CN102426425B - 一种汽车abs虚拟现实仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种汽车ABS虚拟现实仿真系统，属于计算机控制技术领域。本发明由虚拟仿真系统、ABS仿真台架以及模型资源构成。虚拟仿真系统加载模型资源搭建虚拟试验环境，ABS仿真台架将仿真数据、控制信号实时发送给虚拟仿真系统，虚拟仿真系统根据仿真数据和控制信号驱动虚拟汽车进行启动、加速、转向、制动等动作，完成ABS虚拟仿真试验。本发明的虚拟仿真系统能够模拟出刹车时汽车的横摆、侧倾等行为，使得ABS仿真过程更加直观逼真，制动过程中的重要参数被绘制成仿真曲线，一次仿真结束后，可以重新配置参数进行下次仿真，是一套完备的仿真试验系统。

Description

一种汽车ABS虚拟现实仿真系统

技术领域

本发明涉及汽车控制系统，尤其涉及一种汽车虚拟现实仿真系统。

背景技术

虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)，自1962年Moton Heilig发明实感全景仿真机开始，受到极大的关注，并很快应用于传统制造业，为产品研发、设计、制造及性能测试提供了一种全新的解决方法，极大提高产品开发效率、缩短开发周期、降低开发费用，避免开发实际产品所带来的风险。目前在国外，虚拟现实技术已经在汽车工业领域得到了广泛的应用。

汽车ABS作为车辆高速行驶状态下制动以及紧急制动时保证车辆稳定性和安全性最重要的装置，其功能的试验必须要经过实车道路测试，但是实车道路测试需要前期大量的准备工作，对场地条件及试验设备要求很高，资金投入大，要求试验人员具备丰富的经验，而且由于一次试验成本太高也不可能反复多次进行试验。基于此，在ABS实车试验之前，能够用计算机模拟仿真的方法来检测ABS的工作情况，尽可能提前排除隐患完善功能设计就十分必要。传统的模拟仿真方法是借助MATLAB/SIMULINK等工具进行数值模拟，输入车辆参数以及路况等环境参数，测试结果以参数曲线的形式表现，对于一般的工程技术人员以及高级技师来说不够直观，也更难于理解，仿真效果交互性不够强，因此，借助计算机设计出与真实车辆一样的三维实体车辆模型，并将计算结果通过动画展现出来，人们就可以利用感性经验从整体上去分析车辆ABS的工作性能。

申请号为200710069926.6的发明专利申请“面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法”属于虚拟现实技术在虚拟驾驶中的应用，没有对现实汽车中的实际行驶状态进行模拟，不适用ABS性能试验。宋昱在其硕士学位论文“车辆防抱死系统控制策略与仿真”中完成了一种ABS硬件在环仿真方案，使用VRML虚拟现实建模语言建立汽车虚拟试验场景，借助Matlab虚拟现实工具箱将虚拟场景和其仿真平台进行数据通信，能够进行虚拟演示，但其缺陷在于：VRML文件需要VRML浏览器解释执行，复杂的三维模型将降低浏览器速度，因此不能使用精细复杂的三维模型，削弱了虚拟现实技术真实感的特性，使用的VRML浏览器并非主流浏览器，系统可移植性弱；虚拟试验场景与仿真平台耦合太强，虚拟现实在该ABS硬件在环仿真方案中成为了一种辅助的展现手段，并没有形成一套功能完备的汽车ABS虚拟现实仿真系统。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：设计一种完备的汽车ABS虚拟现实仿真系统，完成ABS性能测试，将ABS仿真过程可视化，同时又能将重要的参数的仿真数据绘制成曲线并保存在文本中，为ABS制动性能的评价提供可靠的判断依据。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：设计一种汽车ABS虚拟现实仿真系统，该系统包括虚拟仿真系统、ABS仿真台架和模型资源。

ABS仿真台架完成仿真数据的采集，并将仿真数据和控制信号上传虚拟仿真系统；虚拟仿真系统加载模型资源建立虚拟汽车和模拟试验道路，设置通信方式。

虚拟仿真系统中汽车功能模块读取全局变量值，根据全局变量值计算世界坐标系下各个坐标轴方向车身的平动速度和位移，以及在车身局部坐标系下绕各个坐标轴的旋转角速度和角位移、车轮角速度和角位移，根据车身的平动位移、角位移移动和旋转虚拟汽车，根据车轮角速度使车轮绕汽车滚动轴滚动，根据方向盘转角值使转向轮绕转向轴转动；虚拟仿真系统中仿真界面展现模块根据虚拟汽车的上述状态绘制仿真曲线；虚拟仿真系统建立虚拟摄像机获取虚拟汽车位置，根据虚拟汽车位置、虚拟摄像机向量建立虚拟摄像机观察矩阵，根据摄像机观察矩阵通过3D图形引擎进行取景变化，绘制流水线对虚拟汽车运行状态进行渲染。

虚拟仿真系统中汽车功能模块读取全局变量值，根据全局变量值的计算方法具体包括：如果收到油门信号，则计算车轮驱动力矩；如果收到制动信号，则计算车轮制动力矩；根据虚拟仿真系统中汽车功能模块定义的车辆质量和路面摩擦系数计算路面提供的横向摩擦力和纵向摩擦力；根据车轮所受横向摩擦力、纵向摩擦力、驱动力矩或制动力矩以及车速、轮速、方向盘转角值，计算虚拟汽车在世界坐标系下各个坐标轴方向的平动速度和位移以及在车身局部坐标系下绕各个坐标轴的旋转角速度和角位移，根据车轮所受纵向摩擦力、驱动力矩或者制动力矩计算出车轮角速度和角位移。

虚拟摄像机向量包括：虚拟摄像机的位置向量、虚拟摄像机的观察向量、虚拟摄像机的右向量、虚拟摄像机的上向量。建立虚拟摄像机观察矩阵具体包括：

(1)根据虚拟汽车的位置P_v(x_v,y_v,z_v)、虚拟汽车与世界坐标系Z轴所成的方向角α以及虚拟摄像机与虚拟汽车之间的距离distance，虚拟仿真系统调用公式：x_c=x_v-distance×sinα，y_c=c，z_c=z_v-distance×cosα，计算虚拟摄像机的位置向量P_c(x_c,y_c,z_c)，其中，c为常数；

(2)根据虚拟摄像机的位置向量和虚拟汽车位置调用公式：L(l_x,l_y,l_z)=(P_v(x_v,y_v,z_v)-P_c(x_c,y_c,z_c))/||(P_v(x_v,y_v,z_v)-P_c(x_c,y_c,z_c))||计算虚拟摄像机的观察向量；

(3)根据虚拟摄像机的观察向量和Z轴单位向量调用公式：

R(r_x,r_y,r_z)=(L(l_x,l_y,l_z)×(0,0,1))/||(L(l_x,l_y,l_z)×(0,0,1))||计算虚拟摄像机的右向量；

(4)根据虚拟摄像机的观察向量和右向量调用公式：U(u_x,u_y,u_z)=(L(l_x,l_y,l_z)×R(r_x,r_y,r_z))/||(L(l_x,l_y,l_z)×R(r_x,r_y,r_z))||计算虚拟摄像机的上向量；

(5)根据以上计算的虚拟摄像机的位置向量P_c、观察向量L、右向量R、上向量U建立虚拟摄像机观察矩阵 $V=\left[\begin{array}{cccc}{r}_x& u_x& l_x& 0\\ r_y& u_y& l_y& 0\\ r_z& u_z& l_z& 0\\ -P_{c}R& -P_{c}U& -P_{c}L& 1\end{array}\right],$ 其中r_x、r_y、r_z分别为右向量在世界坐标系中沿x轴、y轴、z轴的坐标分量，u_x、u_y、u_z分别为上向量在世界坐标系中沿x轴、y轴、z轴的坐标分量，l_x、l_y、l_z分别为观察向量在世界坐标系中沿x轴、y轴、z轴的坐标分量。

仿真界面展现模块可定义多部虚拟摄像机，能够从不同的角度观察仿真过程。

本发明实时采集硬件仿真数据并通过图形动画的方式实时展现汽车运行状态及过程；利用3D Max等3D建模工具建立复杂精细的三维模型构造真实感较强的虚拟试验场景和虚拟汽车；采用动力学的方法模拟汽车运动，虚拟汽车的运动状态和速度变化连续，能够真实的反映汽车运动状态；为不同车型在不同路况下进行ABS性能测试提供实验场景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细描述

图1是本发明的系统结构原理图

图2是本发明的ABS虚拟仿真系统工作流程图

具体实施方式

如图1所示，本系统由虚拟仿真系统、ABS仿真台架和模型资源三部分构成。

ABS仿真台架负责仿真数据的采集、计算和通信。本系统提供由实车台架、储气罐、压力调节器（电磁阀）、制动轮缸、传感器、ABS仿真单元、ABSECU（ABS电子控制单元）构成的气压制动ABS实车试验台架，以及由ABS仿真器、ABS ECU、模拟驾驶舱组成的硬件在环ABS仿真试验台架等两套仿真台架；使用者只需要在自己的仿真台架中定义数据输出接口，能够与本系统的数据通信模块通信，即可利用本系统进行测试仿真。

虚拟仿真系统是本发明的核心部分，包括用户选择界面模块、数据通信模块、汽车功能模块、仿真界面展现模块。实现虚拟仿真功能，完成选择车型、建立试验道路环境、设置通信方式、模拟汽车行为、绘制仿真曲线等。通过ABS仿真台架定义数据输出接口与数据通信模块通信。

模型资源包括环境道路模型、声音模型、汽车模型，可采用3D Max制作环境道路模型和汽车模型。

如图2所示为本发明ABS虚拟仿真试验流程。虚拟仿真系统加载模型资源建立虚拟汽车和模拟试验道路，设置通信方式；ABS仿真台架完成仿真数据的采集和计算，并将仿真数据和控制信号上传虚拟仿真系统；虚拟仿真系统读取仿真数据，根据仿真数据控制虚拟汽车的运行状态，绘制仿真曲线，设置虚拟摄像机实时捕捉获取虚拟汽车运行状态和特征，将虚拟汽车运行场景绘制成一帧图像输出。

ABS虚拟仿真系统工作控制过程包括：

用户选择界面模块调用模型资源设置虚拟试验条件，选择虚拟汽车车型、试验道路环境，设置仿真数据通信方式。

利用有限状态机原理，分别将用户选择界面模块和仿真界面展现模块设置为两组状态，用户选择界面模块切换到仿真界面展现模块，调用仿真界面展现模块的构造函数时，将选择的车型、试验道路环境、仿真数据通信方式等参数值传递给仿真界面展现模块的相应成员变量。

虚拟汽车车型可包括大中小三类车型；根据对实验环境的要求用户选择界面模块从模型资源中选择试验道路环境，包括高附着道路、低附着道路、对开试验道路、对接试验道路的选择。

数据通信模块包括串口通信、CH375USB通信（CH375：USB总线的通用接口芯片），实现ABS仿真台架和虚拟仿真系统之间的数据通信和控制命令的发送，用户选择界面模块触发数据通信模块选择仿真数据通信方式。

仿真界面展现模块根据所选车型和试验道路环境加载相应的环境道路模型和汽车模型3D Max文件，设置环境道路模型和汽车模型的世界坐标位置，加载声音模型；创建Keyboard、Joystick（键盘、操纵杆）类型变量，用于响应标准Keyboard/Joystick消息，根据所选仿真数据通信方式初始化CH375或串口等通信设备对象；根据所选车型，调用汽车功能模块构造函数，定义车辆车身参数、车轮参数、驱动系统参数、制动系统参数、转向系统参数。设置环境光照、物体阴影、物理世界的碰撞检测监听、重力加速度、空气密度等环境因素。

根据ABS仿真台架发送的仿真数据或控制信号确定一组全局变量，存储ABS仿真台架采集汽车的车速、轮速、方向盘转角值、油门信号、刹车信号、制动气压值、电磁阀控制信号。

ABS仿真台架向虚拟仿真系统发送仿真数据和控制信号，数据通信模块接收到仿真数据和控制信号后将仿真数据和控制信号对应存入所述全局变量中。其中，气压制动ABS实车试验台架通过串口通信向虚拟仿真系统发送仿真数据车速、轮速、方向盘转角值、油门信号、制动气压值、电磁阀控制信号；硬件在环ABS仿真试验台架的ABS仿真器通过CH375向虚拟仿真系统发送仿真数据车速、轮速，硬件在环ABS仿真试验台架的模拟驾驶舱通过标准keyboard/Joystick消息向虚拟仿真系统发送控制信号方向盘转角值、油门信号、刹车信号、档位信号。

汽车功能模块读取全局变量值，根据所建立的九自由度汽车整车运动模型、单轮车辆模型和车轮模型、制动系统模型和驱动系统模型，计算世界坐标系下各个坐标轴方向车身的平动速度和位移，以及在车身局部坐标系下绕各个坐标轴的旋转角速度和角位移、车轮角速度和角位移。具体计算方法为：如果收到油门信号，则根据驱动系统模型计算车轮驱动力矩；如果收到制动信号，则根据制动系统模型计算车轮制动力矩；根据车轮所受横向摩擦力、纵向摩擦力、驱动力矩或制动力矩以及车速、轮速、方向盘转角值，根据九自由度汽车整车运动模型计算虚拟汽车在世界坐标系下各个坐标轴方向的平动速度和位移以及在车身局部坐标系下绕各个坐标轴的旋转角速度和角位移，根据单轮车辆模型计算出车轮角速度和角位移。

汽车功能模块根据车身的平动位移、角位移移动和旋转虚拟汽车，根据车轮角速度使车轮绕车轮滚动轴滚动，根据数据通信模块传递的方向盘转角值使转向轮绕转向轴转动。

如果接收到刹车信号，虚拟仿真系统开始将车速、轮速、制动气压值、电磁阀控制信号等仿真数据保存入文本，同时，绘制这些仿真数据的仿真曲线。

可通过计算虚拟摄像机的位置向量、虚拟摄像机的观察向量、虚拟摄像机的右向量、虚拟摄像机的上向量建立虚拟摄像机观察矩阵，对虚拟汽车运行状态进行渲染，也可通过其他常规的3D图形引擎获取取景变化。

设置虚拟摄像机跟踪虚拟汽车，实时获取虚拟汽车运行的各种状态和特征。虚拟摄像机根据虚拟汽车位置，虚拟摄像机向量建立虚拟摄像机观察矩阵，根据摄像机观察矩阵通过3D图形引擎进行取景变化，绘制流水线对虚拟汽车运行状态进行渲染。

(1)根据虚拟汽车的位置P_v(x_v,y_v,z_v)、虚拟汽车与世界坐标系Z轴所成的方向角α以及虚拟摄像机与虚拟汽车之间的距离distance，虚拟仿真系统调用公式：x_c=x_v-distance×sinα，y_c=c，z_c=z_v-distance×cosα，计算虚拟摄像机的位置向量P_c(x_c,y_c,z_c)，其中，x_c,y_c,z_c为虚拟摄像机在世界坐标系下的坐标，x_v,y_v,z_v为虚拟汽车在世界坐标系下的坐标，c为常数。

(2)根据虚拟摄像机的位置和虚拟汽车位置调用公式：L(l_x,l_y,l_z)=(P_v(x_v,y_v,z_v)-P_c(x_c,y_c,z_c))/||(P_v(x_v,y_v,z_v)-P_c(x_c,y_c,z_c))||计算虚拟摄像机的观察向量。

(3)根据虚拟摄像机的观察向量和Z轴单位向量调用公式：

R(r_x,r_y,r_z)=(L(l_x,l_y,l_z)×(0,0,1))/||(L(l_x,l_y,l_z)×(0,0,1))||计算虚拟摄像机的右向量。

(4)根据虚拟摄像机的观察向量和右向量调用公式：U(u_x,u_y,u_z)=(L(l_x,l_y,l_z)×R(r_x,r_y,r_z))/||(L(l_x,l_y,l_z)×R(r_x,r_y,r_z))||计算虚拟摄像机的上向量。

(5)根据以上计算的虚拟摄像机的位置向量P_c、观察向量L、右向量R、上向量U建立虚拟摄像机观察矩阵 $V=\left[\begin{array}{cccc}{r}_x& u_x& l_x& 0\\ r_y& u_y& l_y& 0\\ r_z& u_z& l_z& 0\\ -P_{c}R& -P_{c}U& -P_{c}L& 1\end{array}\right],$ 其中r_x、r_y、r_z分别为右向量在世界坐标系中沿x轴、y轴、z轴的坐标分量，u_x、u_y、u_z分别为上向量在世界坐标系中沿x轴、y轴、z轴的坐标分量，l_x、l_y、l_z分别为观察向量在世界坐标系中沿x轴、y轴、z轴的坐标分量。

(6)得到观察矩阵后，即可通过3D图形引擎的SetTransform等方法进行取景变化，从而进入绘制流水线进行渲染。

可以在场景的不同位置设置多个虚拟摄像机，从不同方向观察仿真过程。

本发明利用3D建模工具建立复杂精细的三维模型构造真实感较强的虚拟试验场景和虚拟汽车；采用动力学的方法模拟汽车运动，虚拟汽车的运动状态和速度变化连续，能够选择不同车型在不同路况下进行ABS性能测试；ABS仿真台架只需要传送仿真数据和控制信号给虚拟仿真系统，即可观察到虚拟汽车逼真的制动行为，同时还能绘制仿真曲线并保存重要实验数据，完成ABS性能测试，是一套功能完备、通用性强的汽车ABS虚拟现实仿真系统。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种汽车ABS虚拟现实仿真系统，其特征在于，该系统包括ABS仿真台架、虚拟仿真系统、模型资源，虚拟仿真系统加载模型资源搭建虚拟试验环境，ABS仿真台架采集汽车仿真数据，并将仿真数据和控制信号实时发送到虚拟仿真系统建立全局变量，气压制动ABS实车试验台架通过串口向虚拟仿真系统发送仿真数据车速、轮速、方向盘转角值、油门信号、制动气压值、电磁阀控制信号；ABS仿真试验台架的ABS仿真器通过CH375向虚拟仿真系统发送仿真数据车速、轮速，ABS仿真试验台架的模拟驾驶舱通过标准keyboard/Joystick消息向虚拟仿真系统发送控制信号方向盘转角值、油门信号、刹车信号、档位信号；虚拟仿真系统中汽车功能模块读取全局变量值，根据所建立的九自由度汽车整车运动模型、单轮车辆模型和车轮模型、制动系统模型和驱动系统模型，计算世界坐标系下各个坐标轴方向车身的平动速度和位移，以及在车身局部坐标系下绕各个坐标轴的旋转角速度和角位移、车轮角速度和角位移，根据车身的平动位移、角位移移动和旋转虚拟汽车，根据车轮角速度使车轮绕汽车滚动轴滚动，根据方向盘转角值使转向轮绕转向轴转动；虚拟仿真系统中仿真界面展现模块根据虚拟汽车的上述状态绘制仿真曲线；虚拟仿真系统建立虚拟摄像机获取虚拟汽车位置，根据虚拟汽车位置、虚拟摄像机向量建立虚拟摄像机观察矩阵，根据观察矩阵通过3D图形引擎进行取景变化，绘制流水线对虚拟汽车运行状态进行渲染。

2.根据权利要求1所述的汽车ABS虚拟现实仿真系统，其特征在于，根据全局变量值的计算方法具体包括：如果收到油门信号，则计算车轮驱动力矩；如果收到制动信号，则计算车轮制动力矩；根据虚拟仿真系统中汽车功能模块定义的车辆质量和路面摩擦系数计算路面提供的横向摩擦力和纵向摩擦力；根据车轮所受横向摩擦力、纵向摩擦力、驱动力矩或制动力矩以及车速、轮速、方向盘转角值，计算虚拟汽车在世界坐标系下各个坐标轴方向的平动速度和位移以及在车身局部坐标系下绕各个坐标轴的旋转角速度和角位移，根据车轮所受纵向摩擦力、驱动力矩或者制动力矩计算出车轮角速度和角位移。

3.根据权利要求1所述的汽车ABS虚拟现实仿真系统，其特征在于，虚拟摄像机向量包括：虚拟摄像机的位置向量、虚拟摄像机的观察向量、虚拟摄像机的右向量、虚拟摄像机的上向量。

4.根据权利要求1或3所述的汽车ABS虚拟现实仿真系统，其特征在于，建立虚拟摄像机观察矩阵具体包括：

(1)根据虚拟汽车的位置P_v(x_v,y_v,z_v)、虚拟汽车与世界坐标系Z轴所成的方向角α以及虚拟摄像机与虚拟汽车之间的距离distance，虚拟仿真系统调用公式：x_c=x_v-distance×sinα，y_c=c，z_c=z_v-distance×cosα，计算虚拟摄像机的位置向量P_c(x_c,y_c,z_c)，其中，c为常数；

(2)根据虚拟摄像机的位置向量和虚拟汽车位置调用公式：L(l_x,l_y,l_z)=(P_v(x_v,y_v,z_v)-P_c(x_c,y_c,z_c))/||(P_v(x_v,y_v,z_v)-P_c(x_c,y_c,z_c))||计算虚拟摄像机的观察向量；

(3)根据虚拟摄像机的观察向量和Z轴单位向量调用公式：

R(r_x,r_y,r_z)=(L(l_x,l_y,l_z)×(0,0,1))/||(L(l_x,l_y,l_z)×(0,0,1))||计算虚拟摄像机的右向量；

(4)根据虚拟摄像机的观察向量和右向量调用公式：U(u_x,u_y,u_z)=(L(l_x,l_y,l_z)×R(r_x,r_y,r_z))/||(L(l_x,l_y,l_z)×R(r_x,r_y,r_z))||计算虚拟摄像机的上向量；

(5)根据以上计算的虚拟摄像机的位置向量P_c、观察向量L、右向量R、上向量U建立虚拟摄像机观察矩阵 $V=\left[\begin{array}{cccc}{r}_x& u_x& l_x& 0\\ r_y& u_y& l_y& 0\\ r_z& u_z& l_z& 0\\ -P_{c}R& -P_{c}U& -P_{c}L& 1\end{array}\right],$ 其中r_x、r_y、r_z分别为右向量在世界坐标系中沿x轴、y轴、z轴的坐标分量，u_x、u_y、u_z分别为上向量在世界坐标系中沿x轴、y轴、z轴的坐标分量，l_x、l_y、l_z分别为观察向量在世界坐标系中沿x轴、y轴、z轴的坐标分量。

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