CN109448482A - 一种基于虚拟现实的自动驾驶体验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于虚拟现实的自动驾驶体验平台，包括：汽车驾驶模拟器(1)、自动驾驶转换装置(2)、路线分析与路线规划模块(3)和外部计算机运动控制器(4)，所述汽车驾驶模拟器(1)、自动驾驶转换装置(2)、路线分析与路线规划模块(3)和外部计算机运动控制器(4)构成根据路线分析与路线规划模块(3)通过外部计算机运动控制器(4)编写控制程序控制、自动驾驶转换装置(2)，最终将驾驶数据精准输入汽车驾驶模拟器(1)中去的人机环路的闭环仿真系统。本发明的基于虚拟现实的自动驾驶体验平台，操作失误率低、环境适应性好。

Description

一种基于虚拟现实的自动驾驶体验平台

技术领域

本发明属于无人驾驶车辆虚拟现实仿真技术领域，特别是一种操作失误率低、环境适应性好的基于虚拟现实的自动驾驶体验平台。

背景技术

汽车虚拟现实驾驶最初开发目的是作为国家培养训练汽车驾驶员的一种将虚拟现实技术应用于汽车驾驶系统中的模拟器，随着汽车驾驶模拟器的性能的不断提高和功能的不断完善，其模拟器的种类和数量也在不断发生变化，旨在使驾驶员沉浸到虚拟驾驶环境中，产生实车驾驶感觉，从而体验、认识和学习现实世界中的汽车驾驶，从而达到既能安全、有效地提高驾驶员技术水平，又能降低各种费用的目的。

目前，驾驶模拟器主要针对汽车，地面交通应用环境，同时也陆续出现了包括针对直升机、战斗机等，空中驾驶等相关的应用环境。但大多数以人机闭环回路为主，对于虚拟现实的自动驾驶设计较少。

由于现实的自动驾驶无人车在场景理解和自主运动的技术层面的难题，缺少支持处理和融合传感数据，缺少几何、物理及语义层次上的推理等有效技术手段，造成现有的无人车计算效率低、环境适应性差、自学能力不足，在复杂的交通环境中远远不及人类驾驶员。

总之，现有技术存在的问题是：现有自动驾驶模拟装置仍然只能依靠以人为中心虚拟驾驶，操作失误率高、环境适应性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于虚拟现实的自动驾驶体验平台，操作失误率低、环境适应性好。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于虚拟现实的自动驾驶体验平台，包括：

汽车驾驶模拟器1，用于模拟真实驾驶环境，做到虚拟驾驶，真实体验；

自动驾驶转换装置2，用于代替人体四肢，对汽车驾驶模拟器中的方向盘、刹车和油门进行操控，实现驾驶数据的精准输入；

路线分析与路线规划模块3，用于分析计算汽车与周围物体的相对位置、速度，判断道路拥堵状况，提前获取信号灯状态；根据整体环境、驾驶任务和目的地，规划具体路线；根据车道信息，选定最稳定的车道路线；对正在行驶的车道上的信息做出判断，判断汽车的行为和运动；

外部计算机运动控制器4，用于修改车辆动力学性能和车辆配备的辅助性能,以使车辆动力学性能和车辆配备的辅助性能达到最优状态；

所述汽车驾驶模拟器1、自动驾驶转换装置2、路线分析与路线规划模块3和外部计算机运动控制器4构成根据路线分析与路线规划模块3通过外部计算机运动控制器4编写控制程序控制、自动驾驶转换装置2，最终将驾驶数据精准输入汽车驾驶模拟器1中去的人机环路的闭环仿真系统。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、操作失误率低：用重重优化的程序语言代替现场应急操作；用外部计算机运动控制器代替人体控制中心发号施令，用自动驾驶转换装置代替人体四肢。做到精准传递驾驶数据，绝大程度上避免人为操作失误。

2、环境适应性好：再好的驾驶装置仍然是模拟的，与真实驾驶装置仍存在着不可避免的误差，从而人机训练适应性差。而虚拟驾驶体验平台去除了人机接触环节，以虚拟程序对虚拟装置，克服了误差的存在，适应性得到了显著的提高。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明基于虚拟现实的自动驾驶体验平台的结构框图。

图2为图1中自动驾驶转换装置的结构示意图。

图中，1汽车驾驶模拟器，2自动驾驶转换装置，3路线分析与路线规划模块，4外部计算机运动控制器，

11驾驶操纵装置，12外视景计算机系统，13信息采集网络，

21自动驾驶控制系统，22动力转换传递机构，23自动驾驶模块；

221第一丝杆滑台机构，222第二丝杆滑台机构，223万向节机构。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于虚拟现实的自动驾驶体验平台，包括：

汽车驾驶模拟器1，用于模拟真实驾驶环境，做到虚拟驾驶，真实体验；

自动驾驶转换装置2，用于代替人体四肢，对汽车驾驶模拟器中的方向盘、刹车和油门进行操控，实现驾驶数据的精准输入；

路线分析与路线规划模块3，用于分析计算汽车与周围物体的相对位置、速度，判断道路拥堵状况，提前获取信号灯状态；根据整体环境、驾驶任务和目的地，规划具体路线；根据车道信息，选定最稳定的车道路线；对正在行驶的车道上的信息做出判断，判断汽车的行为和运动；

外部计算机运动控制器4，用于修改车辆动力学性能和车辆配备的辅助性能,以使车辆动力学性能和车辆配备的辅助性能达到最优状态；

所述汽车驾驶模拟器1、自动驾驶转换装置2、路线分析与路线规划模块3和外部计算机运动控制器4构成根据路线分析与路线规划模块3通过外部计算机运动控制器4编写控制程序控制、自动驾驶转换装置2，最终将驾驶数据精准输入汽车驾驶模拟器1中去的人机环路的闭环仿真系统。

所述汽车驾驶模拟器1包括驾驶操纵装置11、外视景计算机系统12和信息采集网络13；

所述驾驶操纵装置11，用于代替真实驾驶过程中的方向盘、刹车和油门装置；

所述外视景计算机系统12，用于根据驾驶模拟的交通路况和实时的驾驶操纵输入，通过外景数据库生成外视景，所述外视景包括车道、路标及路障对象信息；

所述信息采集网络13，用于驾驶员操纵行为动作数据跟踪和实时驾驶操纵动作输入，以及采集真人驾驶时所到的汽车运行工况信息；

所述信息采集网络13和外视景计算机系统12分别通过计算机采集和制作而成，最终通过计算机程序精准控制驾驶操纵装置11。

所述自动驾驶转换装置2包括自动驾驶控制系统21、动力转换传递机构22和自动驾驶模块支撑框架23；

所述自动驾驶控制系统21，用于控制伺服系统作为执行元件，提供动力；

所述动力转换传递机构22，用于将来自动驾驶控制系统21的作用力精准输入到驾驶操纵装置11

所述自动驾驶模块支撑框架23，用于实现汽车驾驶模拟器1和自动驾驶转换装置2完美融合，通过铝型材紧固件方形螺母和螺栓相配合链接实现自动驾驶控制系统21、动力转换传递机构22中伺服电机、丝杆滑台和万向节机构分别与驾驶操纵装置11中油门、刹车和方向盘的紧密配合；

所述自动驾驶控制系统21与动力转换传递机构22安放在自动驾驶模块支撑框架23中，构成一个整体。

如图2所示，所述动力转换传递机构22包括第一丝杆滑台机构221、第二丝杆滑台机构222和万向节机构223；

所述第一丝杆滑台机构221的输入端与自动驾驶控制系统21信号相连，其输出端与油门相连；

所述第二丝杆滑台机构222的输入端与自动驾驶控制系统21信号相连，其输出端与刹车相连；

所述万向节机构223的输入端与自动驾驶控制系统21信号相连，其输出端与方向盘相连。

本发明的工作过程如下：外视景计算机系统根据驾驶模拟的交通路况和实时的驾驶操纵输入，通过外景数据库生成；所述外视景计算机系统生成的车道、路标及设置的路障对象信息可以与计算机路况分析与路线规划模块进行交互通信。

信息采集网络包括驾驶员操纵行为动作数据跟踪和实时的驾驶操纵动作输入，信息采集包括驾驶员头部、四肢部位以及获得真人驾驶所采集到的汽车运行中各种工况信息，如车速、发动机运转工况等，转化成电信号输给计算机，形成信息采集网络，以便计算机掌握汽车行驶的最佳工作状态。更好的为外部计算机控制器搭建数据库，是无人驾驶汽车安全行驶的重要保障。

仿真计算机由系统仿真模型和视景仿真模型构建而成。自动驾驶控制系统是指运用伺服系统作为执行元件时，利用其机电时间常数小、线性度高、始动电压低等特性提供动力。电源向伺服电动机输入电信号转换成伺服电动机轴上的角位移或角速度输出或者将电压信号转化为转矩和转速输出，从而分别驱动控制丝杆滑台的线位移和线速度变化量以及万向节旋转时角位移和角速度的变化量。最终由外部计算机控制器编写特定程序，实现动力的稳定输出。

动力转换传递机构是由两个丝杆滑台机构和一个万向节机构构建而成，通过动力控制系统控制伺服电机1号输入平面旋转运动或者转矩，经过丝杆滑台机构输出平面直线运动或者申张力，再由钢丝绳实现精准油门控制或者动力控制、通过动力控制系统控制伺服电机2号输入平面旋转运动或者转矩，经过丝杆滑台机构输出平面直线运动或者申张力，再由钢丝绳实现精准刹车控制或者制动控制、通过动力控制系统控制伺服电机3号输入平面旋转运动或者转矩，经过万向节机构输出非平行平面旋转运动或者转矩，从而实现精准方向盘控制或者转向控制。实现油门、刹车和方向盘三者自动循环往复运动，实现无人驾驶的持续性。

自动驾驶模块支撑框架中框架主要由铝合金框架通过铝型材紧固件方形螺母和螺栓相配合链接而成，通过预先在Solidworks上高精度三维建模实现框架固定搭载平台与驾驶座舱装置的紧密装配；实现了汽车驾驶模拟器和自动驾驶转换装置完美融合，其中伺服电机、丝杆滑台和万向节机构分别与油门、刹车和方向盘的紧密配合。为虚拟驾驶中位移与速度的高效传递打下牢固基础。

路况分析与路线规划模块利用外视景计算机系统中高精度三维路况模型精确分析计算汽车与周围物体的相对位置、速度等动态特性，保障安全行驶；判断道路拥堵状况，合理规避与其他车辆发生摩擦碰撞；提前获取信号灯状态，从而达到节省时间缓解城市交通压力的目的；路径规划的主要任务包含三个方面：第一，根据整体环境规划路径，计算机依据驾驶任务制定一条路线，使无人驾驶车设定去目的地的具体路线信息；第二，车道信息整合，通过传感器、算法、导航等多种方式将行驶的车道信息整合，最后选定最稳定的车道路线；第三，车道信息理解，采用深度学习算法，无人驾驶系统对正在行驶的车道上的信息做出正确的判断，从而对汽车的行为和运动做出判断。

外部计算机控制器通过模拟和分析信息采集网络构成的数据库从而编写合理的汽车实时控制计算机程序，学习比对人为驾驶经验。在外部计算机运动控制器的作用下，面对各种突发状况能迅速做出反应，合理解决。该控制器的作用包含两个方面：第一，考虑到人为行驶车辆过程中使车辆的动力学性能和车辆配备的辅助性能不充分利用和损害，通过控制器加以修改以使车辆动力学性能和车辆配备的辅助性能达到最优状态，在不牺牲速度的前提下，安全、稳定地实现自动驾驶；第二，充分的用车辆的动力学性能和车辆配备的辅助性能，使无人驾驶汽车能够像经验老道的司机一样，根据道路与环境情况确定最优的车速与车距以及线路，综合考虑车辆的动力性、经济性、通过性、舒适性等，给人带来更好的乘坐感受。

本发明基于虚拟现实的自动驾驶体验平台，能使驾驶员参与到环路闭环仿真构架当中，根据实时采集的各种数据信息得到最佳线路以及最优现实驾驶的驱动数据，实现了由外部计算机运动控制器所控制的虚拟无人驾驶，弥补了现有技术中只能以人为中心虚拟驾驶的缺陷，实现了计算机在虚拟现实中的闭环环路仿真，通过减少由于主观情绪化意识发生偶然性的目的，达到降低驾驶员操作失误的频率，通过对现实的实时采集数据信息和外部计算机运动控制数据进行对比，或者对人和机环路闭环仿真的对比，对降低交通事故发生、提高驾驶安全性具有重要技术支持作用。

Claims (4)

1.一种基于虚拟现实的自动驾驶体验平台，其特征在于，包括：

汽车驾驶模拟器(1)，用于模拟真实驾驶环境，做到虚拟驾驶，真实体验；

自动驾驶转换装置(2)，用于代替人体四肢，对汽车驾驶模拟器中的方向盘、刹车和油门进行操控，实现驾驶数据的精准输入；

路线分析与路线规划模块(3)，用于分析计算汽车与周围物体的相对位置、速度，判断道路拥堵状况，提前获取信号灯状态；根据整体环境、驾驶任务和目的地，规划具体路线；根据车道信息，选定最稳定的车道路线；对正在行驶的车道上的信息做出判断，判断汽车的行为和运动；

外部计算机运动控制器(4)，用于修改车辆动力学性能和车辆配备的辅助性能,以使车辆动力学性能和车辆配备的辅助性能达到最优状态；

所述汽车驾驶模拟器(1)、自动驾驶转换装置(2)、路线分析与路线规划模块(3)和外部计算机运动控制器(4)构成根据路线分析与路线规划模块(3)通过外部计算机运动控制器(4)编写控制程序控制、自动驾驶转换装置(2)，最终将驾驶数据精准输入汽车驾驶模拟器(1)中去的人机环路的闭环仿真系统。

2.根据权利要求1所述的自动驾驶体验平台，其特征在于：

所述汽车驾驶模拟器(1)包括驾驶操纵装置(11)、外视景计算机系统(12)和信息采集网络(13)；

所述驾驶操纵装置(11)，用于代替真实驾驶过程中的方向盘、刹车和油门装置；

所述外视景计算机系统(12)，用于根据驾驶模拟的交通路况和实时的驾驶操纵输入，通过外景数据库生成外视景，所述外视景包括车道、路标及路障对象信息；

所述信息采集网络(13)，用于驾驶员操纵行为动作数据跟踪和实时驾驶操纵动作输入，以及采集真人驾驶时所到的汽车运行工况信息；

所述信息采集网络(13)和外视景计算机系统(12)分别通过计算机采集和制作而成，最终通过计算机程序精准控制驾驶操纵装置(11)。

3.根据权利要求1所述的自动驾驶体验平台，其特征在于：

所述自动驾驶转换装置(2)包括自动驾驶控制系统(21)、动力转换传递机构(22)和自动驾驶模块支撑框架(23)；

所述自动驾驶控制系统(21)，用于控制伺服系统作为执行元件，提供动力；

所述动力转换传递机构(22)，用于将来自动驾驶控制系统(21)的作用力精准输入到驾驶操纵装置(11)

所述自动驾驶模块支撑框架(23)，用于实现汽车驾驶模拟器(1)和自动驾驶转换装置(2)完美融合，通过铝型材紧固件方形螺母和螺栓相配合链接实现自动驾驶控制系统(21)、动力转换传递机构(22)中伺服电机、丝杆滑台和万向节机构分别与驾驶操纵装置(11)中油门、刹车和方向盘的紧密配合；

所述自动驾驶控制系统(21)与动力转换传递机构(22)安放在自动驾驶模块支撑框架(23)中，构成一个整体。

4.根据权利要求1所述的自动驾驶体验平台，其特征在于：

所述动力转换传递机构(22)包括第一丝杆滑台机构(221)、第二丝杆滑台机构(222)和万向节机构(223)；

所述第一丝杆滑台机构(221)的输入端与自动驾驶控制系统(21)信号相连，其输出端与油门相连；

所述第二丝杆滑台机构(222)的输入端与自动驾驶控制系统(21)信号相连，其输出端与刹车相连；

所述万向节机构(223)的输入端与自动驾驶控制系统(21)信号相连，其输出端与方向盘相连。