CN105353869A - 一种虚拟汽车的交互体验驾驶方法 - Google Patents

Abstract

本案为一种虚拟汽车的交互体验驾驶方法，包括：由方向盘、油门、离合器、刹车、档位组成的车体，在所述离合器上安装有传感器与软件接口，所述传感器与软件接口与主控计算机通信连接，所述主动计算机与渲染指令输出相互通信连接，根据所述渲染指令输出的图像显示到虚拟头盔显示器上，其中，软件包括首先采集城市区域与车辆模型、交通概况提示与记录、违章驾驶提示及记录、日常驾驶训练内容的信息，并将所述违章驾驶提示及记录导入数据库，然后进行大数据分析个人驾驶常态。本案采用了在现有的硬件系统中加入了软件接口，实现了头盔显示器的虚拟汽车驾驶的真实感、操作感。

Description

一种虚拟汽车的交互体验驾驶方法

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术技术，特别是涉及一种虚拟汽车的交互体验驾驶方法。

背景技术

虚拟现实技术是二十一世纪信息技术的代表，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支。虚拟现实技术是对这些更高层次的集成、渗透与综合应用。虚拟现实技术目前在军事与航空、娱乐、医学、机器人方面的应用占据主流，其次是在旅游、房地产、教育及艺术商业领域，另外在可视化计算、制造业等领域也有相当的比例，并且现在的应用也越来越广泛。由于虚拟现实技术在很大的程度上解决真正作战中的很多的实际问题，还节约了资金不受环境限制等等问题，因此成为了各国军方一直青睐的技术。目前，比较常见的模拟驾驶系统可分为两类：一类是需要额外硬件设备配合使用的汽车模拟驾驶系统，另一类是纯软件而无使用任何硬件设备的汽车模拟驾驶系统，前者虽然可以与真实的驾驶环境相接近，但是成本较高，不易于普及。而后者仅仅是一款软件，通过键盘和鼠标来操控汽车，因而可操作性不强。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种虚拟汽车的交互体验驾驶方法，旨在实现视频场景中的虚拟交互式操作，给与复杂多变的3D模型以丰富系统的真实感和操作感。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种虚拟汽车的交互体验驾驶方法，包括：由方向盘、油门、离合器、刹车、档位组成的车体，在所述离合器上安装有传感器与软件接口，所述传感器与软件接口与主控计算机通信连接，所述主动计算机与渲染指令输出相互通信连接，根据所述渲染指令输出的图像显示到虚拟头盔显示器上，其中，软件包括首先采集城市区域与车辆模型、交通概况提示与记录、违章驾驶提示及记录、日常驾驶训练内容的信息，并将所述违章驾驶提示及记录导入数据库，然后进行大数据分析个人驾驶常态。

优选的是，所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其中，所述交通概况提示与记录是由车辆流水系统、行人流水系统、交通信号灯系统提供。

优选的是，所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其中，所述传感器与软件接口包括若干个传感器和一个可通过USB形式接入的软件接口。

优选的是，所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其中，所述若干个传感器包括摄像头系统、速度传感器、光线传感器、红外传感器。

优选的是，所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其中，所述虚拟头盔显示器内集成有双轴云台控制系统。

优选的是，所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其中，所述双轴云台控制系统包括一个可实现俯仰和偏航两自由度360°旋转的云台和两个伺服电机控制系统。

优选的是，所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其中，所述伺服电机系统包括用于驱动云台旋转的直驱式力矩电机、电机驱动控制器和用于反馈的旋转变压器。

优选的是，所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其中，所述虚拟头盔显示器内部还集成有MEMS陀螺仪和加速度计，通过对所述传感器测量姿态信息进行数据融合，实现对头部姿态的精准测量。

优选的是，所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其中，所述头部姿态包括测量的俯仰和偏航两个姿态角。

优选的是，所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其中，所述俯仰和偏航两个姿态角分别作为所述双轴云台两个自由度的指令，所述电机驱动控制器通过闭环解耦的方式控制所述两自由度的转角，使得云台高动态的跟踪头部运动。

本发明的有益效果:本案的虚拟汽车的交互体验驾驶方法采用了在现有的硬件系统中加入了软件接口，实现了头盔显示器的虚拟汽车驾驶的真实感、操作感，同时具备以下优点：

（1）视频场景中的交互式操作，即导入了构建好的比较全面、复杂多变的3D模型以丰富系统的真实感；

（2）高质量随动系统运动方位信号的采集、程序的处理与伺服执行机构的设计，机电一体化随动系统实现了与全视角虚拟头盔相匹配的高灵敏度；

（3）体积小、重量轻，适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合；

（4）低成本、高可靠性，低功耗，内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工作寿命长。

附图说明

图1为本发明一实施例所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法中驾驶系统的硬件结构示意图；

图2为本发明一实施例所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

一种虚拟汽车的交互体验驾驶方法，包括：由方向盘、油门、离合器、刹车、档位组成的车体，在所述离合器上安装有传感器与软件接口，所述传感器与软件接口与主控计算机通信连接，所述主动计算机与渲染指令输出相互通信连接，根据所述渲染指令输出的图像显示到虚拟头盔显示器上，其中，软件包括首先采集城市区域与车辆模型、交通概况提示与记录、违章驾驶提示及记录、日常驾驶训练内容的信息，并将所述违章驾驶提示及记录导入数据库，然后进行大数据分析个人驾驶常态。

进一步的，所述交通概况提示与记录是由车辆流水系统、行人流水系统、交通信号灯系统提供。

进一步的，所述传感器与软件接口包括若干个传感器和一个可通过USB形式接入的软件接口。

进一步的，所述若干个传感器包括摄像头系统、速度传感器、光线传感器、红外传感器。

进一步的，所述虚拟头盔显示器内集成有双轴云台控制系统。

进一步的，所述双轴云台控制系统包括一个可实现俯仰和偏航两自由度360°旋转的云台和两个伺服电机控制系统。

进一步的，所述伺服电机系统包括用于驱动云台旋转的直驱式力矩电机、电机驱动控制器和用于反馈的旋转变压器。

进一步的，所述虚拟头盔显示器内部还集成有MEMS陀螺仪和加速度计，通过对所述传感器测量姿态信息进行数据融合，实现对头部姿态的精准测量。

进一步的，所述头部姿态包括测量的俯仰和偏航两个姿态角。

进一步的，所述俯仰和偏航两个姿态角分别作为所述双轴云台两个自由度的指令，所述电机驱动控制器通过闭环解耦的方式控制所述两自由度的转角，使得云台高动态的跟踪头部运动。

本案的原理如下：为了拍摄出无干扰的高品质影像，必须采用高精度万向轴云台系统来维持摄像机的稳定。驱动电机选用maxon公司的扁平无刷直流伺服电机maxonEC32flat为万向轴云台系统提供直接驱动。该驱动装置配备结构紧凑的盘式电机，并可达到所需的转速和转矩。该驱动装置设计紧凑，使用寿命长、具有极高的功率密度和转矩密度。而且加速快，非常高效耐用。最重要的是，采用直驱驱动在功率输出时不会产生间隙，因此应用于云台系统的驱动装置可以完美实现高精度伺服驱动。无论搭配何种品牌和型号的摄像机，高精度万向云台系统结构都可让使用者随时进行校准并调整整个系统的重心。当系统拥有良好的平衡时，直流伺服电机便可在能耗最小的情况下进行快速加速，同时展现出良好的反应性能。

数字控制部分由DSP和CPLD组成，DSP作为主控制芯片，对数据进行运算处理，实现控制算法。CPLD辅助DSP实现组合逻辑，完成电机的时序控制。数字控制器主要承担系统的信息采集、控制算法的实现和处理等任务，完成电机相位逻辑控制、位置和转速的闭环控制、逻辑保护等功能。

功率放大器由数字隔离芯片和集成功率发达芯片组成的三相驱动，驱动芯片接收数字控制器发来驱动信号，驱动电机运行。调速范围较宽（PWM波占空比可在0-100%之间任意调节），调速器响应速度快，可以快速启动。采用隔离驱动芯片，消除驱动部分对控制部分的干扰，性能稳定。

检测装置包括电流、电压检测，速度、位置检测等。检测信号包括电压信号、主电流信号、各相电流信号、位置信号、转速信号。主电电压、主电电流信号用于检测系统的运行状态，确保系统运行时的主电电压、电流在安全范围内。各相电压、电流信号反馈至DSP，同时设计了限流保护，限制电机各相电流在安全范围内，避免过流损坏电路。

主控单元

主控单元主要由DSP、CPLD及相关模拟信号调理电路组成。其中DSP用于完成舵机信息的采集、控制算法的实现和处理多机通讯。

数字控制器是无刷直流伺服电机控制的核心，其性能的优劣直接影响到最终系统的控制效果，从实用性角度来说，好的中央控制单元要求性能稳定，控制方便，可移植性好，效率高，而且易于维护，所以在数字控制器的选择上必需慎重考虑。拟采用TI公司TMS320F28069作为主控制器，具有强大的浮点运算功能和丰富的外设资源，可减少系统元器件的数量，降低成本，数据处理能力强、外围设备电路应用成熟。

主控单元中DSP通过模拟信号调理电路获得电机的位置、转速、反电动势和相电流。主控制器通过通讯总线获得控制指令信号，结合反馈信号，运用相应的控制算法产生脉宽调制波。根据PWM信号和电机工作的时序逻辑，控制逆变器相应的功率器件的导通与关闭，完成对无刷直流电机的换向和转速的控制。CPLD根据PWM波和电机工作的时序逻辑，控制逆变器上相应功率器件的导通与关闭，从而实现舵机的控制。同时主控单元通过数字通讯接口完成与上位机的信息交互。DSP通过无线通讯接口与头戴显示器进行通讯。接收头戴显示器的给定信号，对电机进行控制。

驱动电路的作用是将控制电路输出的脉冲信号进行功率放大，以驱动功率MOS管工作，对驱动电路的基本要求：(1)提供正向和反向输出电压，使功率开关管可靠地通断；尽可能小的输入输出延迟；(2)提供足够大瞬时电流，使功率开关管能迅速导通；具有电气隔离性能，使控制电路与驱动电路绝缘。

本产品采用德州仪器（TI）公司的DRV8313全桥驱动集成IC作为电机功率放大器。DRV8313提供三个可独立控制的半桥驱动器。虽然也可被用于驱动螺线管或其它负载，它主要用于驱动一个三相无刷直流电机。每个输出驱动器通道包含采用半桥配置的N通道功率MOSFET。这个设计将每个驱动器的接地端子接至引脚，以在每个输出上执行电流感测。DRV8313在半桥的每个通道上提供高达2.5A峰值电流或者1.75A均方根(RMS)输出电流（在24V和25°C时具有适当的印刷电路板(PCB)散热），同时，此器件提供实现过流保护、短路保护、欠压闭锁和过温保护的内部关断功能。

位置、速度检测

位置、速度检测是进行速度闭环控制的关键，位置检测是实现矢量控制的前提。检测装置的精度、灵敏度与可靠性对系统的控制都有很大的影响。根据系统的可靠性与抗干扰性能方面的考虑，采用旋转变压器取代传统的霍尔转子位置传感器作为位置、速度检测装置，可以精确获得电机转子的当前位置和转速，更适合用于高精度的位置与转速的闭环控制，其可靠性高，抗干扰能力强，定位准确。

旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，特别适合于高温、严寒、潮湿、高速、高震动等严酷的工作场合。本项目所用旋转变压器的尺寸为外径37.5mm/内径9.52mm，生产相同规格的产品，既有国外的公司，如日本多摩川，德国西门子，美国DDC等；也有国内公司，如上海赢双电机有限公司和中航工业232厂等。本项目选用日本多摩川无刷旋转变压器，其电气最大误差为±10′，其解调模块选用14位精度的角位移速度数字转换器，跟踪速度可达30000rpm，分辨率为1.3′，精度为±3.8′，保证了输出数据准确性和实时性。

使用旋转变压器作为检测装置，采用ADI公司的AD2S1210芯片作为旋变解调芯片，该芯片是一款10至16位分辨率旋变数字转换器，具有如下特点：(1)集成片上可编程正弦波振荡器，可以设置激励频率为2KHz至20KHz范围内的多个标准频率，为旋变提供正弦波激励；(2)TypeⅡ跟踪环路能够连续输出位置数据，且没有转换延迟。还可以抑制噪声和从参考和输入信号的谐波失真；(3)故障检测电路可以检测旋变的信号丢失、超范围输入信号、输入信号失配或位置跟踪丢失；(4)通过16位并行端口或4线串行接口可以访问10位至16位绝对角位置数据。

该旋变解调芯片的性能指标为：完整的单芯片旋变数字转换器；最大跟踪速率：3125rps（10位分辨率）；精度：±2.5弧分；分辨率10/12/14/16位，由用户设置；并行和串行10位至16位数据端口；绝对位置与速度输出；系统故障检测；可编程故障检测阈值；差分输入；增量式编码器仿真；内置可编程正弦波发生器；兼容DSP和SPI标准。

电机控制算法

为了提高系统的动态特性和稳态性能，控制器采用前馈控制与反馈控制相结合的复合控制结构。前馈控制器的引入，克服了反馈控制需等输出量发生变化并形成偏差后才纠正偏差的控制作用，比纯反馈控制更“及时”，改善系统的相频特性。但由于前馈控制为开环控制，其本身误差或外部扰动会直接加在对象上而造成误差，因此与反馈控制结合使用。反馈控制器采用PID控制结构。前馈控制器利用等加速度模型设计Kalman滤波器，从而估计出系统的部分状态并与反馈控制器的输出信号加权，作为对象的控制量。采用复合控制系统极大的提高了系统的动态品质和静态特性，具有算法简单，易于编程，控制精度高的特点。

内环id=0控制

为了实现高性能的伺服，需要对电机的电流和转速进行精确控制，id=0矢量控制是实现转矩最优控制的途径。基本思想：建立电机的dq轴数学模型，将定子电流的矢量和分解为垂直与磁场方向的分量iq和平行磁场方向的分量id。在dq坐标系下，令直轴电流分量为零，即id=0，iq跟踪指令值iq*。

id＝0时，从电动机端口看，相当于一台他励直流电动机，定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，β等于90°，电动机转矩中只有永磁转矩分量，其值为T_em＝pψ_fi_s

id＝0时，反电动势与定子电流向量同相。在产生所要求转矩的情况下，只需最小的电子电流，从而使铜耗下降，提高系统效率，同时减小转矩脉动，提高控制性能。

控制结构采用双闭环控制律，分别实现电动机的速度和转矩控制。转子转速实际值与指令值的差值作为速度控制器的输入，其输出信号即为转矩的指令值。转矩的实际值可根据给定的励磁磁链和经矢量变换（变换）后实际的id、iq由转矩公式求出。实际转矩信号与转矩指令值的差值经转矩控制器和矢量变换后，即可得到电动机三相电流的指令值，再经电流逆变器便可实现电动机的控制。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种虚拟汽车的交互体验驾驶方法，包括：由方向盘、油门、离合器、刹车、档位组成的车体，其特征在于，在所述离合器上安装有传感器与软件接口，所述传感器与软件接口与主控计算机通信连接，所述主动计算机与渲染指令输出相互通信连接，根据所述渲染指令输出的图像显示到虚拟头盔显示器上，其中，软件包括首先采集城市区域与车辆模型、交通概况提示与记录、违章驾驶提示及记录、日常驾驶训练内容的信息，并将所述违章驾驶提示及记录导入数据库，然后进行大数据分析个人驾驶常态。

2.如权利要求1所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其特征在于，所述交通概况提示与记录是由车辆流水系统、行人流水系统、交通信号灯系统提供。

3.如权利要求2所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其特征在于，所述传感器与软件接口包括若干个传感器和一个可通过USB形式接入的软件接口。

4.如权利要求3所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其特征在于，所述若干个传感器包括摄像头系统、速度传感器、光线传感器、红外传感器。

5.如权利要求4所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其特征在于，所述虚拟头盔显示器内集成有双轴云台控制系统。

6.如权利要求5所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其特征在于，所述双轴云台控制系统包括一个可实现俯仰和偏航两自由度360°旋转的云台和两个伺服电机控制系统。

7.如权利要求6所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其特征在于，所述伺服电机系统包括用于驱动云台旋转的直驱式力矩电机、电机驱动控制器和用于反馈的旋转变压器。

8.如权利要求7所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其特征在于，所述虚拟头盔显示器内部还集成有MEMS陀螺仪和加速度计，通过对所述传感器测量姿态信息进行数据融合，实现对头部姿态的精准测量。

9.如权利要求8所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其特征在于，所述头部姿态包括测量的俯仰和偏航两个姿态角。

10.如权利要求9所述的虚拟汽车的交互体验驾驶方法，其特征在于，所述俯仰和偏航两个姿态角分别作为所述双轴云台两个自由度的指令，所述电机驱动控制器通过闭环解耦的方式控制所述两自由度的转角，使得云台高动态的跟踪头部运动。