CN108877374B - 基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统和方法，仿真系统包括：驾驶模拟系统、虚拟现实显示系统、仿真系统客户端和仿真系统服务器。其中，驾驶模拟系统实现由人类驾驶人控制虚拟仿真环境中车辆队列中领队车的运行；虚拟现实显示系统实现将可视化的虚拟仿真环境、虚拟仿真环境中运行的车辆队列及车辆队列中单车的运行状态反馈给人类驾驶人和仿真过程的观测人；仿真系统客户端提供仿真服务器的人机交互界面；仿真系统服务器为虚拟仿真环境构建、车辆队列仿真提供软件平台。有效解决了传统仿真系统和方法中，仿真环境保真度低，车辆队列运动状态单一的问题，增加车辆队列仿真的真实性、灵活性和可观察性。
Description
技术领域
本发明属于智能交通术领域，具体涉及基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统和方法。
背景技术
随着我国城市化进程加快，汽车保有量逐年上升，对道路通行带来了巨大挑战。如何在保障交通安全的前提下，缓解交通压力，提高交通运行效率是智能交通领域研究的重要内容。
在车联网的环境下，利用无线通信技术、传感器技术、计算机技术等实现车-路-人之间的信息传递和共享是智能交通的重要目标。车辆队列作为智能交通的应用之一，具有很重要的理论和实际价值。通过跟驰模型建立车-车通信的车辆队列，在保证交通安全的前提下，缩短跟车间距，提高跟车的速度，减少跟随车辆的速度和加速度的波动，有利于提高交通运行效率，节约能源。
对于车辆队列进行实车验证成本较高、风险较大，因此多采用matlab/simulink等仿真软件进行计算机仿真验证。首先在仿真软件中搭建车辆队列中的车辆动力学模型、跟驰模型和通信模型；其次，预先设定车辆队列中领队车的运动场景，将领队车的运动数据作为参数输入到跟驰模型中，模拟车辆队列的运行；最后，通过仿真结果观察车辆队列内车辆的运动参数。这种仿真测试存在以下问题：在车辆队列的仿真过程中，仅考虑了领队车的运动过程和在领队车影响下的队列运动过程，没有考虑真实交通环境中的其他影响因素，环境保真度低。简化的领队车运动过程无法模拟真实交通中人类驾驶人操作车辆的复杂运动；仿真过程中，领队车完全按照预设运动过程运动，不能灵活变化；车辆运动状态观察不直观，不能实时观察到车辆队列中车辆的相互运动。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统和方法，本发明设计合理，通过设置。
为达到上述目的，本发明所述基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统，包括驾驶模拟系统、仿真服务器、仿真客户端和虚拟现实显示系统，驾驶模拟系统和仿真客户端的输出端均与仿真服务器的输入端连接，仿真服务器的输出端与虚拟现实显示系统的输入端连接，
其中，驾驶模拟系统用于实现由驾驶人控制虚拟仿真环境中车辆队列中的领队车运行；
虚拟现实显示系统用于将可视化的虚拟仿真环境、虚拟仿真环境中运行的车辆队列及车辆队列中各个车的运行状态反馈给驾驶人和仿真过程的观测人；
仿真服务器用于虚拟仿真环境构建，将虚拟环境和车辆队列运行状态数据传递至虚拟现实驱动模块，并进行车辆队列仿真；
仿真客户端提供仿真系统的人机交互界面，根据用户操作在仿真服务器中构建虚拟仿真环境。
进一步的，驾驶模拟系统包括驾驶模拟器；
虚拟现实显示系统包括虚拟现实驱动模块、虚拟现实显示器和声音模拟器，其中虚拟现实驱动模块的输出端连接有虚拟现实显示器和声音模拟器连接；
仿真服务器包括输入模块、输出模块、虚拟环境模块和仿真运行模块，输入模块与仿真运行模块连接，虚拟环境模块和仿真运行模块均与输出模块连接。
进一步的，驾驶模拟器用于实时采集驾驶人的操作行为，并生成操作数据，将操作数据输入仿真服务器，操作数据包括方向盘转角、刹车力度和油门开度；
仿真客户端中内置有虚拟环境库和多种虚拟场景元素；
输入模块用于接收来自驾驶模拟系统的操作数据，将操作数据转换为虚拟仿真运行输入参数传递给仿真运行模块；
虚拟环境模块存储有预先采集的测试场景元素和预先建成测试环境；
输出模块用于将虚拟环境模块中的虚拟场景数据和仿真运行模块中的车辆队列运行数据转化为虚拟现实驱动模块可读取的数据，输出给虚拟现实显示系统；
仿真运行模块用于提供仿真运行的平台，构建并运行车辆队列的车辆动力学模型、跟驰模型和通信模型，其中，辆动力学模型模拟汽车的动态特性；跟驰模型模拟车辆队列中车辆的运行方式，通过求解跟驰方程，得到任意时刻队列中的车辆的速度、加速度和位置；通信模型用于建立车辆队列中车辆间的通信连接，从而将车辆的运行状态信息传递到队列中其他车辆；
虚拟现实驱动模块用于接收输出模块发送的可读取的数据，并生成可视化的图像数据及声音音频数据，实现将车辆队列中车辆在虚拟环境中的运动状态实时输出到虚拟现实显示设备和声音设备；
虚拟现实显示器，用于接收虚拟现实驱动模块传递的图像数据，并显示仿真客户端选定的虚拟场景；
声音模拟器，用于接收虚拟现实驱动模块传递的音频数据，模拟车辆起步、加速、刹车声或/和环境噪声。
进一步的，仿真运行模块中的通信模型为Platoon车-车通信模型。
进一步的，模拟驾驶器为罗技G27的汽车驾驶模拟器。
一种基于上述的虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统的仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、通过仿真客户端在仿真服务器中建立车辆队列运行的虚拟环境；
步骤2、在仿真服务器中建立车辆模型、跟弛模型和车辆队列通信模型；
步骤3、建立仿真服务器与驾驶模拟器、虚拟现实显示系统之间的连接；
步骤4、初始化车辆队列的仿真运行参数，通过驾驶模拟器控制车辆队列中的领队车，执行车辆队列虚拟仿真过程；
步骤5、虚拟仿真运行结束后，仿真服务器存储仿真运行结果。
进一步的，仿真运行模块中的跟驰模型为：
进一步的，步骤4包括以下步骤：
步骤4.1，初始化串口，准备接收从驾驶模拟器中输出的数据；
步骤4.2，监听操作设备串口输出的数据；
步骤4.3，将操作数据接收到驾驶模拟器的下位机数据缓冲区中，操作数据包括油门开度、刹车力度和方向盘转角；
步骤4.4，从数据缓冲区中将操作数据存放到字符串数组中；
步骤4.5，调用字符串分割函数将接收到的数据按照串口通讯协议的格式，把油门开度、刹车力度、方向盘转角分割提取出来，并存储；
步骤4.6，将操作数据传输给仿真服务器；
步骤4.7，判断串口操作是否关闭，如果串口关闭，则结束模拟驾驶系统运行；如果串口保持开启，则重复步骤4.3至步骤4.7。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明提供的基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统与方法，能建立高保真的可视化虚拟仿真环境，利用驾驶模拟器实现由人类驾驶人实时控制虚拟环境中车辆队列领队车的运动状态，并将领队车及车辆队列中其他车辆的实时运动状态通过虚拟现实技术反馈给驾驶人和观察者，有效解决了传统仿真系统和方法中，仿真环境保真度低，车辆队列运动状态单一的问题，实现由人类驾驶人直接控制领队车的运动状态，增加车辆队列仿真的真实性、灵活性和可观察性。
附图说明
图1为本发明的一种基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统的一个实施例的架构图；
图2为本发明的一种基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统的一个实施例中驾驶模拟系统和虚拟现实显示系统的结构图图3为本发明的一种基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真方法的一个实施例的流程图；
图4为本发明的一种基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统的一个实施例中驾驶模拟系统运行的流程图；
图5为本发明的一种基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真方法的一个实施例的运行图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
为了更好的解释本发明，以下结合附图对本专利的具体实施方式进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
图1为一种基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统的一个实施例的架构图。如图所示，基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统100包括：驾驶模拟系统101、虚拟现实显示系统102、仿真系统客户端103和仿真系统服务器104。
驾驶模拟系统101包括驾驶模拟器，驾驶模拟系统与仿真服务器104连接。驾驶模拟器实时处理人类驾驶人的操作行为，生成操作数据，将操作数据输入仿真服务器，实现对虚拟环境中的虚拟车辆队列中领队车的实时操作。操作数据包括方向盘转角、刹车力度和油门开度。
虚拟现实显示系统102包括虚拟现实驱动模块、虚拟现实显示器和声音模拟器，其中虚拟现实驱动模块的输出端与虚拟现实显示器和声音模拟器连接。虚拟现实显示系统与仿真服务器104连接。仿真服务器104将虚拟环境和车辆队列运行状态数据输入虚拟现实驱动模块，由虚拟现实驱动模块生成可视化的图像数据，实现将车辆队列中车辆在虚拟环境中的运动状态实时输出到虚拟现实显示设备和声音设备，反馈给观测者和人类驾驶人，使驾驶人可以根据显示的车队运动状态调整驾驶行为。
仿真客户端103与仿真服务器104连接，为用户在仿真服务器中建立虚拟仿真环境提供人机交互界面。仿真客户端中内置有虚拟环境库和多种虚拟场景元素，用户可以通过仿真客户端103从虚拟环境模块中的虚拟环境库中选择预先建成的虚拟仿真环境，也可以在仿真客户端103中利用虚拟场景元素组合生成新的虚拟仿真环境。
仿真服务器104与驾驶模拟系统101、虚拟现实显示系统102、仿真系统客户端103连接。仿真服务器104包括输入模块、输出模块、虚拟环境模块和仿真运行模块，输入模块与仿真运行模块连接，虚拟环境模块和仿真运行模块均与输出模块连接。
其中，输入模块用于接收来自接收驾驶模拟系统101的人类驾驶人操作数据，将输入数据转换为虚拟仿真运行输入参数传递给仿真运行模块。
输出模块用于将虚拟环境模块中的虚拟场景数据和仿真运行模块中的车辆队列运行数据转化为虚拟现实驱动模块可读取的数据，输出给虚拟现实显示系统102的VR显示器模块，其中，车辆队列运行数据包括车辆的位置、加速度、速度，根据领队车的位置和速度，通过跟驰模型算出后面跟随车辆的速度、位置。
虚拟环境模块存储有预先采集的测试场景元素和预先建成测试环境。在构建虚拟仿真环境的过程中，虚拟环境模块接受仿真客户端控制，从预先建成的测试环境库中选择虚拟仿真环境，或从预先采集的测试环境元素集中选择场景元素，重新组合并通过建模软件构建3D虚拟驾驶环境，所使用的建模软件为3dmax建模软。
仿真运行模块用于提供仿真运行的软件平台，仿真运行模块中内置有车辆队列的车辆动力学模型、跟驰模型和通信模型。
在本实施例中，通过给unity3d软件里面驱动虚拟车辆运动的接口函数传递加速度和方向盘转角的参数，改变车辆队列中领队车在虚拟环境中的状态。
在本实施例中，采用在V2V条件下改进的Newell跟驰模型:
上式中，α表示驾驶人在收到V2V设备提供信息后的提前反应程度,T表示通信延迟时间，αT表征驾驶员提前反应时间，xn表示在t时刻第n辆车的位置，t表示t这一时刻，V表示在t+T时刻车辆达到优化速度，Δxn表示第n辆车和第n-1辆车之间的间距。
由于V2V设备的影响，驾驶人获取前车的实时速度、加速度后调整加速度至
因为αT的值一般比较小，所以假定在提前反应时间范围内，驾驶人驾驶车辆加速度恒定在
由牛顿第二运动定理可将式右侧改写为：
将式在Δxn(t)处泰勒级数展开，保留至加速度项为：
其中V'(Δxn(t))为最优速度在Δxn(t)处的导数。对式左侧在t处泰勒级数展开，保留至二次项得：
将式和式代入式，使
得：
对式进一步整理，合并相同的加速度项后得V2V跟驰模型的二次最终模型形式为：
其中
该跟驰模型中α表示驾驶员在收到V2V设备提供信息后的提前反应程度,T表示驾驶员的调整时间，αT表征驾驶员提前反应时间，Δxn(t)＝xn+1-xn，V(Δxn(t))为最优速度函数，V'(Δxn(t))为最优速度函数在Δxn(t)处的导数，
为第n辆车在t时刻的加速度，xn表示t时刻第n辆车的位置，xn+1表示在t时刻第n+1辆车的位置，t表示t这一时刻。
通过将车辆队列领队车的速度和位置输入到跟驰模型，可以算出第一辆跟随车辆的速度和位置；再将第一辆跟随车辆作为第二辆跟随车辆的前车计算出第二辆车的速度和位置，以此类推可以获得整个车队运行速度和位置。
在本实施例中，采用Platoon车-车通信模型，在通信模型的基础上，通过DSRC技术构建车载自组织网络，能够适应快速变化的交通环境网络拓扑，在终端高速移动的场景下以低时延、高准确度将交通信息传递给后面的车辆，保障车辆间的通信质量。交通信息包括车辆的位置，速度，交通灯状况。所有车辆走的是直道，因为这里面涉及到加速度，车队中的车辆都是按照匀变速直线运动进行处理的，所以根据匀变速运动的公式就能得到车辆的位置。
图2示出了本发明的一种基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统的一个实施例中驾驶模拟系统和虚拟现实显示系统的结构图。
在本实施例中，驾驶模拟系统301包括操作设备303和下位机304。
其中，人类驾驶人302通过控制操作设备303，对虚拟仿真环境中车辆队列领队车进行控制，领队车的运动状态数据将影响由跟驰模型描述的车辆队列的运动状态，从而实现人类驾驶人对车辆队列的控制。
操作设备303为罗技G27的汽车驾驶模拟器，由方向盘、油门、刹车等人机交互设备及位移传感器、开关量传感器、角位移传感器组成。为接近真实的驾驶体验，交互设备模拟实际驾驶体验向人类驾驶人提供操作反馈。汽车驾驶模拟器中内置有声音采集模块，声音采集模块将采集到的声音传递至仿真服务器，仿真服务器传递至虚拟现实驱动模块，通过接收音频信号数据，然后调用相应的效果音源，并输出对应的音响效果。
下位机304实时采集到操作设备的传感器信号，将传感器信号装换为控制命令发送给仿真服务器，输入给车辆动力学模型进行解算，得到某时刻的车辆运动状态参数。
在本实施例中，虚拟现实显示系统305包括VR显示器306、VR头盔307、声音模拟器308和上位机309。其中，上位机分别与VR显示器306、VR头盔307和声音模拟器308连接。上位机的配置为CPU i5以上，内存大于4G。
仿真服务器将虚拟仿真环境和车辆及车辆队列运行数据输入虚拟现实显示系统上位机309。上位机309中的unity3d软件根据输入数据生成虚拟仿真环境和虚拟环境中车辆队列的运动姿态的可视化数据，可视化数据包括速度、加速度和位置。
用于驱动VR显示器306和VR头盔307。VR显示器306是通过计算机显示器将领队车及车辆队列中其他车辆的实时运动状态通过虚拟现实技术反馈给观察者，观察者可以直观的观看整个车队的运行状态。VR头盔307是通过左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感，达到身临其境的感觉。VR头盔307将驾驶员驾驶虚拟车辆行驶过程中车辆的信息反馈给驾驶员，驾驶员再根据此刻的车辆运动状态做出下一步的操作，使整个过程形成闭环仿真。此外，观察者也可以使用VR头盔307将自己置于真实的测试场景中，体验虚拟车队运行的平稳性和安全性。同时，声音模拟器308可以模拟车辆起步、加速、刹车的噪声和环境噪声。
图3示出了本发明的一种基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真方法的一个实施例的流程图。用于车辆队列仿真方法，包括以下步骤：
步骤201，用户通过仿真客户端103在仿真服务器中建立车辆队列运行的虚拟环境。
在本实施例中，仿真系统客户端103用于为用户提供一种人机交互界面，用户可以通过仿真客户端103在仿真服务器中建立虚拟环境。车辆队列运行的虚拟环境可以是单一场景，也可以是多个场景按照一定顺序的组合。车辆队列运行的虚拟场景包含静态场景元素和动态场景元素。
在本实施例的一些可选实现方式中，静态场景元素包括但不限于：道路几何形状、宽度、坡度，车道宽度、数量，路面平整度、摩擦系数、标线，静态障碍物，路侧标志、信号灯、建筑物及其他设施。动态场景元素包括但不限于：道路中低速运动物体，如同向运动的人、自行车等；道路中高速运动物体，如其他车辆；道路中动态障碍物，如穿过车道的人、动物、车等；气象条件，如光照、雨、雪、雾、强风等。
在本实施例的一些可选方式中，车辆队列运行的虚拟场景可以通过对真实试验场地或真实道路的采样和模型化从而形成虚拟场景；也可以将真实道路中采样得到的场景分解为场景元素，存入静态、动态场景元素库中，建立虚拟场景时按照测试内容重新组合为虚拟场景；也可以按照城市、乡村、高速等道路场景分类，建立典型的虚拟测试场景集，存入场景库中，建立虚拟场景时按照测试内容选择最佳匹配的典型虚拟测试场景作为仿真运行的虚拟场景。
步骤202，在仿真服务器中建立车辆模型、跟弛模型和车辆队列通信模型。
在本实施例中，仿真服务器用于为仿真运行提供硬件和软件平台。仿真服务器可以按照用户需求建立车辆队列中单车、队列和队列间通信模型，通过仿真服务器硬件的数值计算模拟车队在步骤201构建的环境中的运行。
在本实施例的一些可选实现方式中，车辆动力学模型可以为集中参数模型和多体模型；跟驰模型可采用Newell、Bando、FVD等模型；通信连接可采用基于DSRC技术的V2V通信或基于WiFi、LTE-V、EUHT、5G等技术的V2I、V2N通信。
步骤203，建立仿真服务器与驾驶模拟器、虚拟现实设备之间的连接。
在本实施例中，驾驶模拟器作为仿真服务器的输入设备与仿真服务器相连，实现由驾驶模拟器控制虚拟环境中车辆队列领队车的运动状态。虚拟现实设备作为输出设备与仿真服务器相连，实现将车辆队列中车辆在虚拟环境中的运动状态实时输出到虚拟现实显示设备和声音模拟设备，反馈给驾驶模拟器中的人类驾驶人和虚拟仿真过程的观测者。人类驾驶人可以根据虚拟现实设备中反馈的虚拟场景和车辆队列中领队车的实时行驶状态，控制驾驶模拟器。虚拟仿真观测者可以通过虚拟现实设备的反馈，直观观测到车辆队列行驶的虚拟场景、车辆队列的行驶状态及车辆队列中单个车辆的行驶状态；也可以读取车辆队列和车辆队列中单一车辆的实时运行参数。运行参数包括跟弛车辆的速度、位置，运行参数通过跟驰模型算出来，然后仿真运行模块传递至通过驱动模块，再通过驱动模块传递给VR显示器，显示在VR显示界面上。
步骤204，初始化车辆队列的仿真运行参数。
在本实施例中，队列的运行参数包含但不限于车辆队列的长度，队列中车辆数量、间距，领队车的速度、方向，队列中其他车辆的速度、方向等。
步骤205，人类驾驶人通过驾驶模拟器控制车辆队列中的领队车，执行车辆队列虚拟仿真过程。
在本实施例中，驾驶模拟器由人类驾驶人直接操纵，事先将人类驾驶人的加速、减速、转向等操作转换为输入参数输入车辆队列中领队车的动力学模型中，控制领队车的速度、加速度、行驶方向、位置等参数，并将上述参数通过网络传递到车辆队列跟驰模型中，影响跟驰模型中车辆队列中其他车辆的运动状态，实现一个车辆队列在虚拟仿真场景中行驶。
在本实施例中，车辆队列领队车行驶的虚拟环境和实时运行状态将通过虚拟现实设备反馈给驾驶模拟器中的人类驾驶人。
可反馈的运行状态包含但不限于：车辆实时运行参数，如速度、方向、俯仰，声音等，车辆运行前方的道路几何形状、宽度、坡度，车道宽度、数量，路面平整度、路面标线，车道中静态障碍物，路侧标志、信号灯、建筑物及其他设施、道路中低速运动物体，如同向运动的人、自行车等，道路中高速运动物体，如其他车辆，道路中动态障碍物，如穿过车道的人、动物、车等，实时气象条件，如光照、雨、雪、雾、强风及声音环境，如车辆起步、刹车、转向时的噪声和环境噪声等。
在本实施例中，车辆队列及车辆队列中单个车辆行驶的虚拟环境和实时运行状态将通过虚拟现实设备反馈给虚拟仿真观测者，可反馈的运行状态包含但不限于：车辆实时运行参数，如速度、方向、俯仰，声音等，车辆运行前方的道路几何形状、宽度、坡度，车道宽度、数量，路面平整度、路面标线，车道中静态障碍物，路侧标志、信号灯、建筑物及其他设施、道路中低速运动物体，如同向运动的人、自行车等，道路中高速运动物体，如其他车辆，道路中动态障碍物，如穿过车道的人、动物、车等，实时气象条件，如光照、雨、雪、雾、强风及声音环境，如车辆起步、刹车、转向时的噪声和环境噪声等。
步骤206，虚拟仿真运行结束后，仿真服务器存储仿真运行结果，用于进一步分析研究。
在本实施例中，仿真运行的结果表现为随时间延续的一组参数向量，涵盖的参数向量包括但不限于：车辆队列中领队车的速度、加速度、行驶方向、虚拟环境中的相对位置；车辆队列中其他车辆的速度、加速度、行驶方向、虚拟环境中的相对位置、与前车的距离；车辆队列的长度，队列中车辆的平均间距。
本发明的上述实施例提供的基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统与方法，能建立高保真的可视化虚拟仿真环境，利用驾驶模拟器实现由人类驾驶人实时控制虚拟环境中车辆队列领队车的运动状态，并将领队车及车辆队列中其他车辆的实时运动状态通过虚拟现实技术反馈给驾驶人和观察者，有效解决了传统仿真系统和方法中，仿真环境保真度低，车辆队列运动状态单一的问题，实现由人类驾驶人直接控制领队车的运动状态，增加车辆队列仿真的真实性、灵活性和可观察性。
图4示出了本发明的一种基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统的一个实施例中驾驶模拟系统运行的流程400。所述运行流程包括以下步骤：
步骤401，初始化串口，准备接收从操作设备中输出的数据。配置串口的属性，如波特率、端口号，数据位，奇偶校验位等使得下位机能顺利地从操作设备接收数据。
步骤402，监听操作设备串口输出的数据，保证数据的真实性和准确性。读取串口输出的数据并判断数据与串口通讯协议的数据格式是否一致，判断该数据是否保留。
步骤403，开始接收数据。将操作数据接收到下位机数据缓冲区中，操作数据包括油门开度、刹车力度和方向盘转角。
步骤404，读取数据。下位机从数据缓冲区中将驾驶员的操作行为数据存放到一个字符串数组中，以便下位机的数据处理程序进行处理。
步骤405，进行数据分析和分割。下位机的数据处理程序调用字符串分割函数将接收到的数据按照串口通讯协议的格式，把油门开度、刹车力度和方向盘转角数据分割提取出来，并存放到数据输出缓冲区中。
步骤406，将操作数据传输给仿真服务器。将下位机处理后的数据如油门、刹车、方向盘转角通过网络通信协议发送给仿真服务器。
步骤407，判断串口操作是否关闭，串口关闭代表停止读取数据。如果串口关闭，则结束模拟驾驶系统运行；如果串口保持开启，则重复步骤403至407。
图5示出了本发明的一种基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真方法的一个实施例的运行图。
在本实施例中，根据长安大学车辆网与智能汽车试验场自然场景构建车辆队列的虚拟仿真运行环境。参照图5，选取的测试场景包括一段直线道路，长度约1000米，宽度约10米。直线道路两旁间隔布置树木和限速标志牌，道路两侧有绿色草坪。直线道路上方部署龙门架。
模拟驾驶系统下位机实时读取驾驶员控制汽车驾驶模拟器的操作行为数据，并对操作数据进行实时处理，以分割出油门开度、刹车力度和方向盘转角，并将其数据实时地传输给仿真服务器，通过计算得出车辆动力学模型的车辆运行参数，实现驱动虚拟车辆的运动。车辆运行参数包括车辆的速度和位置。
在unity软件中建立虚拟的车辆队列，将汽车驾驶模拟器控制的领队车的速度和位置传输给跟随车辆，具体为：领队车的速度和位置传输给第二辆车，第三辆车的位置和速度可以根据第二辆算出来，后面的以次类推。经过跟驰模型计算得出车辆队列中跟随车辆的速度和位置，从而实现车辆队列的仿真行驶。
虚拟现实显示系统上位机将虚拟环境模块中的虚拟场景数据和仿真运行模块中的车辆队列运行数据可视化为图像和声音数据，输出到VR显示屏或VR头盔，驾驶员可以通过视觉和听觉调整驾驶行为。声音数据包括刹车、喇叭等道路上常出现的声音。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所使用的技术的说明。本领域技术人员应当理解，本发明所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其他技术方案。
Claims (6)
1.基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统，其特征在于，包括驾驶模拟系统(101)、仿真服务器(104)、仿真客户端(103)和虚拟现实显示系统(102)，驾驶模拟系统(101)和仿真客户端(103)的输出端均与仿真服务器(104)的输入端连接，仿真服务器(104)的输出端与虚拟现实显示系统(102)的输入端连接，
其中，驾驶模拟系统(101)用于实现由驾驶人控制虚拟仿真环境中车辆队列中的领队车运行；
虚拟现实显示系统(102)用于将可视化的虚拟仿真环境、虚拟仿真环境中运行的车辆队列及车辆队列中各个车的运行状态反馈给驾驶人和仿真过程的观测人；
仿真服务器(104)用于虚拟仿真环境构建，将虚拟环境和车辆队列运行状态数据传递至虚拟现实驱动模块，并进行车辆队列仿真；
仿真客户端(103)提供仿真系统的人机交互界面，根据用户操作在仿真服务器中构建虚拟仿真环境；
所述驾驶模拟系统(101)包括驾驶模拟器；
虚拟现实显示系统(102)包括虚拟现实驱动模块、虚拟现实显示器和声音模拟器，其中虚拟现实驱动模块的输出端连接有虚拟现实显示器和声音模拟器连接；
仿真服务器(104)包括输入模块、输出模块、虚拟环境模块和仿真运行模块，输入模块与仿真运行模块连接，虚拟环境模块和仿真运行模块均与输出模块连接；
所述驾驶模拟器用于实时采集驾驶人的操作行为，并生成操作数据，将操作数据输入仿真服务器(104)，操作数据包括方向盘转角、刹车力度和油门开度；
仿真客户端(103)中内置有虚拟环境库和多种虚拟场景元素，所述虚拟场景包含静态场景元素和动态场景元素，所述静态场景元素包括：道路几何形状、宽度、坡度，车道宽度、数量，路面平整度、摩擦系数、标线，静态障碍物，路侧标志、信号灯、建筑物；
输入模块用于接收来自驾驶模拟系统(101)的操作数据，将操作数据转换为虚拟仿真运行输入参数传递给仿真运行模块；
虚拟环境模块存储有预先采集的测试场景元素和预先建成测试环境；
输出模块用于将虚拟环境模块中的虚拟场景数据和仿真运行模块中的车辆队列运行数据转化为虚拟现实驱动模块可读取的数据，输出给虚拟现实显示系统(102)；
仿真运行模块用于提供仿真运行的平台，构建并运行车辆队列的车辆动力学模型、跟驰模型和通信模型，其中，辆动力学模型模拟汽车的动态特性；跟驰模型模拟车辆队列中车辆的运行方式，通过求解跟驰方程，得到任意时刻队列中的车辆的速度、加速度和位置；通信模型用于建立车辆队列中车辆间的通信连接，从而将车辆的运行状态信息传递到队列中其他车辆；
虚拟现实驱动模块用于接收输出模块发送的可读取的数据，并生成可视化的图像数据及声音音频数据，实现将车辆队列中车辆在虚拟环境中的运动状态实时输出到虚拟现实显示设备和声音设备；
虚拟现实显示器，用于接收虚拟现实驱动模块传递的图像数据，并显示仿真客户端选定的虚拟场景；
声音模拟器，用于接收虚拟现实驱动模块传递的音频数据，模拟车辆起步、加速、刹车声或/和环境噪声。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统，其特征在于，仿真运行模块中的通信模型为Platoon车-车通信模型。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统，其特征在于，模拟驾驶器为罗技G27的汽车驾驶模拟器。
4.一种基于权利要求1所述的虚拟现实与驾驶模拟器的车辆队列仿真系统的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、通过仿真客户端(103)在仿真服务器(104)中建立车辆队列运行的虚拟环境；
步骤2、在仿真服务器(104)中建立车辆模型、跟弛模型和车辆队列通信模型；
步骤3、建立仿真服务器(104)与驾驶模拟器、虚拟现实显示系统(102)之间的连接；
步骤4、初始化车辆队列的仿真运行参数，通过驾驶模拟器控制车辆队列中的领队车，执行车辆队列虚拟仿真过程；
步骤5、虚拟仿真运行结束后，仿真服务器存储仿真运行结果。
5.根据权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，仿真运行模块中的跟驰模型为：
其中，
其中，T表示驾驶员的调整时间，αT表示驾驶员提前反应时间，Δxn(t)＝xn+1-xn，V(Δxn(t))为最优速度函数，V'(Δxn(t))为最优速度函数在Δxn(t)处的导数，
为第n辆车在t时刻的加速度，xn表示t时刻第n辆车的位置，xn+1表示在t时刻第n+1辆车的位置，t表示t这一时刻。
6.根据权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，步骤4包括以下步骤：
步骤4.1，初始化串口，准备接收从驾驶模拟器(101)中输出的数据；
步骤4.2，监听操作设备串口输出的数据；
步骤4.3，将操作数据接收到驾驶模拟器(101)的下位机数据缓冲区中，操作数据包括油门开度、刹车力度和方向盘转角；
步骤4.4，从数据缓冲区中将操作数据存放到字符串数组中；
步骤4.5，调用字符串分割函数将接收到的数据按照串口通讯协议的格式，把油门开度、刹车力度、方向盘转角分割提取出来，并存储；
步骤4.6，将操作数据传输给仿真服务器(104)；
步骤4.7，判断串口操作是否关闭，如果串口关闭，则结束模拟驾驶系统运行；如果串口保持开启，则重复步骤4.3至步骤4.7。
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