CN110264824A - 一种基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，该系统包括：驾驶模拟器、智能微缩模型车、实景沙盘和通讯单元；驾驶模拟器包括：显示单元、操作单元和控制单元，控制单元分别与所述显示单元和所述操作单元电连接。本发明通过驾驶模拟器控制智能微缩模型车在实景沙盘行驶进行模拟仿真，通过采用硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，实现驾驶模拟器对智能微缩模型车的精准控制、数据采集准确和运行显示一致，并且通过实景沙盘配合设计真实驾培与驾考训练场景与科目考评，有效提高驾驶员的培训具有真实性和针对性并通过检测数据评价受训驾驶员驾驶行为并予以纠正。
Description
技术领域
本发明涉及城市道路交通技术领域，更具体的涉及一种基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统。
背景技术
随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，无论是个人出行、货物运输、公共交通等都对驾驶员需求旺盛，为此我国驾驶员培训和驾驶员考试领域得到了蓬勃发展。然而，由于训练和考试场地的限制，受训人员无法大规模实时参训，故而利用驾驶模拟器实现驾培和驾考成为必然。然而，以虚拟驾驶软件为主的驾驶模拟器在操作体验、驾驶感受和训练效果上无法为受训驾驶员提供置身其中的感觉，其驾驶操作不真实、驾培效果不佳。
发明内容
本发明实施例提供一种基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，用以解决上述背景技术中存在的问题。
本发明实施例提供一种基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，包括：驾驶模拟器、智能微缩模型车、实景沙盘和通讯单元；
所述驾驶模拟器包括：显示单元、操作单元和控制单元，所述控制单元分别与所述显示单元和所述操作单元电连接；
所述显示单元为LED拼接屏，且所述显示单元用于分屏显示模拟场景、驾驶形态和仪表数据；
所述操作单元包括：驾驶模拟舱体和仪表盘/中控台、方向盘/转向灯，油门/离合/刹车、排挡杆、点火/启动；
所述控制单元，用于通过模拟场景软件设计交通场景；通过驾驶模拟操作软件获取操作单元的操作指令和显示数据，并将操作指令和显示数据保存于数据库中；以及通过模拟场景软件从数据库中实时调用操作指令和显示数据，并将操作指令和显示数据映射到智能微缩模型车上，再通过显示单元显示驾驶形态和仪表数据；
所述智能微缩模型车，用于根据操作指令进行虚拟车辆的驾驶仿真；
所述实景沙盘包括：建筑模块、道路模块、信号灯模块、驾考场地模块和检测装置；
所述通讯单元，用于通过有线通讯模块或无线通讯模块分别与所述控制单元和所述检测装置连接，通过无线通讯模块以DHCP形式构建的无线局域网与所述智能微缩模型车连接。
进一步地，所述操作指令包括：点火指令、方向盘指令、转向灯指令、照明灯指令、油门指令、刹车指令、离合指令、档位指令；所述显示数据包括：转速、速度、油量或电量、转向灯变化、照明灯变化、模拟舱体自由度数据。
进一步地，所述驾驶模拟器的六自由度数据与所述智能微缩模型车的陀螺仪数据关联，由此确定智能微缩模型车的特殊姿态控制和场景数据反馈；其中，所述特殊姿态包括：上下坡、颠簸、急转弯。
进一步地，所述实景沙盘为根据实际的驾驶员培训场地或驾驶员考试场地按照一定比例设计的实景沙盘；所述检测装置为针对各类科目设计的与真实考试系统中检测装置相同的检测装置，并且所述检测装置将检测到的数据传输至控制单元中的驾培驾考应用软件中。
进一步地，所述智能微缩模型车包括：车身结构件、前置高清与高速摄像头模块、转向结构连杆、车轮、数字舵机、陀螺仪、标识单元、后置左侧高清与高速摄像头模块、后置右侧高清与高速摄像头模块、通讯仪、主控单元、供电单元、编码减速电机、后置中间高清与高速摄像头模块。
进一步地，通过映射关系(α,β,γ)→(a,b,c)，将驾驶模拟器模拟的多种驾驶姿态映射至微缩智能模型车，使微缩智能模型车进行相应的动作；其中，(α，β，γ)为驾驶模拟器模拟舱体的多自由度坐标，(a，b，c)为智能微缩模型车三轴陀螺仪坐标。
进一步地，通过映射关系将驾驶模拟器的方向盘变化量程映射至微缩智能模型车；其中，A表示舵机变化量程，且A∈[0°,180°]；表示转换变量，B表示方向盘变化量程，且L为方向盘从左转打满至右转打满时运动的距离，由实际车型确定，C为方向盘周长，由实际车型确定。
进一步地，通过映射关系将驾驶模拟器的速度、转速和油量/电量映射至微缩智能模型车；其中，分别表示智能微缩模型车的车辆速度、电机转速和电池电量；V、S、B分别表示驾驶模拟器操作单元和显示单元的速度、转速和油量/电量；Kv、Ks、Kb为映射参数，由实际车型确定。
本发明实施例提供一种基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，与现有技术相比，其有益效果如下：
本发明通过驾驶模拟器控制智能微缩模型车在实景沙盘行驶进行模拟仿真，通过采用硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，实现驾驶模拟器对智能微缩模型车的精准控制、数据采集准确和运行显示一致，并且通过实景沙盘配合设计真实驾培与驾考训练场景与科目考评，有效提高驾驶员的培训具有真实性和针对性并通过检测数据评价受训驾驶员驾驶行为并予以纠正。即通过驾驶参数映射，完成驾驶模拟器对智能微缩模型车精准控制，并且实现了驾驶模拟器软件中的虚拟车辆和智能微缩模型车的精确匹配，动作一致；通过将智能微缩模型车的舵机、电机和电量数据反馈并映射至驾驶模拟器，实现了仪表数据的精确采集；通过将智能微缩模型车的检测数据与驾驶模拟器的自由度数据进行匹配，实现了智能微缩模型车更丰富的姿态控制和更丰富场景数据的反馈，进而，可以模拟更多的驾驶员操作行为和车辆运动行为；通过智能微缩模型车的前置摄像头和后置三摄像头可以将车辆在实景沙盘上运动的实时画面传输至驾驶模拟器，使得驾驶员可以通过前置摄像头以风挡视角观察环境，通过后置左右两个摄像头以左右后视镜视角观察环境，通过后置中间的一个摄像头以车内后视镜视角观察环境；通过实景沙盘实现与真实驾驶员培训和考试场地相同，能够使得驾驶员的培训具有真实性和针对性，同时通过与真实考试场地相同的检测装置对车辆进行数据采集，还能够有效评价受训驾驶员的驾驶行为，为纠正和提高驾驶技能提供有力支撑。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统架构图；
图2为本发明实施例提供的驾驶模拟器装置结构示意图；
图3为本发明实施例提供的驾驶模拟器控制系统结构图；
图4为本发明实施例提供的通讯单元结构图；
图5为本发明实施例提供的智能微缩模型车硬件结构图；
图6为本发明实施例提供的智能微缩模型车控制系统结构图；
图7为本发明实施例提供的驾驶模拟器控制智能微缩模型车实现驾培和驾考的流程图；
图8为本发明实施例提供的驾驶模拟器自由度数据映射至陀螺仪数据图；
图9为本发明实施例提供的数字舵机映射至方向盘图；
图10为本发明实施例提供的智能微缩模型车至驾驶模拟器中操作单元和显示单元的数据映射关系图；
图11为本发明实施例提供的实景沙盘及检测装置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，该系统包括：驾驶模拟器、智能微缩模型车、实景沙盘和通讯单元。
上述驾驶模拟器包括：显示单元、操作单元和控制单元，控制单元分别与显示单元和操作单元电连接；显示单元为LED拼接屏，且显示单元用于分屏显示模拟场景、驾驶形态和仪表数据；操作单元包括：驾驶模拟舱体和仪表盘/中控台、方向盘/转向灯，油门/离合/刹车、排挡杆、点火/启动；控制单元，用于通过模拟场景软件设计交通场景；通过驾驶模拟操作软件获取操作单元的操作指令和显示数据，并将操作指令和显示数据保存于数据库中；以及通过模拟场景软件从数据库中实时调用操作指令和显示数据，并将操作指令和显示数据映射到智能微缩模型车上，再通过显示单元显示驾驶形态和仪表数据。
需要说明的是，驾驶模拟器为《机动车驾驶证申领和使用规定》中涉及八类车型，包括大型客车模拟器、牵引车模拟器、城市公交车模拟器、中型客车模拟器、大型货车模拟器、小型汽车模拟器、小型自动挡汽车模拟器、低速载货汽车模拟器，同时，可模拟四种动力总成机动车，包括燃油动力车辆、混合动力车辆、电动车辆，或其他新能源类汽车。
上述智能微缩模型车，用于根据操作指令进行虚拟车辆的驾驶仿真。
上述实景沙盘包括：建筑模块、道路模块、信号灯模块、驾考场地模块和检测装置。
上述通讯单元，用于通过有线通讯模块或无线通讯模块分别与控制单元和检测装置连接，通过无线通讯模块以DHCP形式构建的无线局域网与智能微缩模型车连接。
上述技术方案的具体实施例如下：
参见图1，本发明系统包括驾驶模拟器、智能微缩模型车、实景沙盘和通讯单元四部分。其中驾驶模拟器由显示单元、操作单元和控制单元组成；通讯单元由以太网有线通讯模块和WIFI、4G、5G无线通讯模块组成；智能微缩模型车由车辆控制系统、检测单元、供电单元、通讯单元和标识单元组成；实景沙盘由建筑模块、道路模块、信号灯模块、驾考场地模块和检测装置组成。驾驶模拟器和实景沙盘的检测装置以有线方式或无线方式与通讯单元连接，智能微缩模型车通过无线方式与通讯单元连接，由此建立从驾驶模拟器向智能微缩模型车的功能指令和智能微缩模型车向驾驶模拟器的检测数据的双向传输，实现精准控制、数据采集准确和运行显示一致，实景沙盘上的检测装置通过通讯单元将检测数据传输至驾驶模拟器的驾培驾考应用软件中。
参见图2，本发明由驾驶模拟器装置结构，显示单元、操作单元和控制单元组成，其中显示单元为可分屏显示的LED拼接屏组成，提供HDMI/DVI/VGA三种视频传输方式，通过视频传输线与控制单元连接；控制单元由控制主机构成；操作单元以多自由度驾驶模拟舱体、内部驾驶控制和显示部件、安装基座组成，通过串口传输方式与控制单元连接。
进一步地，该装置安装步骤如下：
步骤1：采用强度螺栓将驾驶模拟器的驾驶模拟舱体安装在固定位置，确保牢固不松动。
步骤2：采用串口通讯方式驾驶模拟器的控制单元与操作单元线进行连接，采用HDMI/DVI/VGA视频传输方式将其控制单元与显示单元进行连接，打开电源并启动驾驶模拟操作软件用以检查控制单元与操作单元和显示单元是否通讯正常。
步骤3：启动模拟场景应用软件并建立虚拟车辆模型，测试操作单元是否能够有效控制模拟场景中的虚拟车辆。
步骤4：将驾驶模拟器控制单元与外置通讯单元通过以太网连接，检查并测试通讯能否有效建立。
步骤5：启动智能微缩模型车将其通讯单单元与外置通讯单元通过WIFI/4G/5G连接，检查并测试通讯能够有效连接。
步骤6：驾驶模拟器的控制单元通过IP地址建立与智能微缩模型车的通讯连接，发送指令，通过操作单元测试智能微缩模型车的舵机控制和电机控制是否正常，通过显示模块测试智能微缩模型车的数据反馈是否准确，通过显示模块测试智能微缩模型车的前置和后置摄像头的图像传输是否正常。
步骤7：驾驶模拟器的控制单元IP地址建立与实景沙盘的检测装置的通讯连接，启动驾培驾考应用软件，通过显示单元测试检测装置的数据反馈是够正常，一切正常可根据实需求安排装置工作，并根据智能微缩模型车的电量检测实时获取电量以保证电池电量充足。
参见图3，图3为驾驶模拟器控制系统结构，采用通用的windows操作系统，在系统上安装驾培驾考应用软件用于驾培训练和驾考测试，安装模拟场景应用软件用于设计交通场景和虚拟车辆用于驾驶仿真，安装驾驶模拟操作软件获取操作单元的操作指令(点火、方向盘、转向灯、照明灯、油门、刹车、离合、档位)和显示数据(转速、速度、油量或电量、转向灯变化、照明灯变化、模拟舱体自由度数据等)并将其保存于数据库中，模拟场景软件通过数据库实时调用上述两类数据并将其映射到虚拟车辆上，再通过连接的LED拼接屏上显示其驾驶形态和仪表数据。通讯协议分为两部分，连接驾驶模拟器操作单元采用串口通讯协议，连接通讯单元采用TCP/IP协议。
参见图4，通讯单元由于以太网有线通讯模块和WIFI、4G、5G无线通讯模块，其中WIFI提供2.4G和5G两种频段，4G、5G提供SIM卡插槽支持通用SIM。
参见图5，图5为实现本发明中所需的智能微缩模型车装置结构，1-车身结构件、2-前置高清与高速摄像头模块、3-转向结构连杆、4-车轮、5-数字舵机、6-陀螺仪、7-标识单元、8-后置左侧高清与高速摄像头模块、9-后置右侧高清与高速摄像头模块、10-通讯单元、11-主控单元、12-供电单元、13-编码减速电机、14-后置中间高清与高速摄像头模块。其中高清与高速摄像头模块分别安装在车辆前、后、左、右四个方面，其镜头与车身垂直，镜头与车身通过六角柱型长螺母连接，螺母长度为5cm；数字舵机量程为0度至180度，控制精度为1度；减速编码电机可输出转速、速度和加速度；陀螺仪采用三轴陀螺仪，输出为X、Y、Z坐标的转动方式数据(a、b、c)；通讯单元采用TCP/IP协议，WIFI/4G/5G无线通讯模块，数据传输频率：<Packet/50ms。
参见图6，车辆控制系统通过控制编码减速电机驱动后轮实现车辆的加速、减速和匀速运动；驱动数字舵机带动转向连杆结构进而带动车辆前轮实现转向；车辆通讯采用TCP/IP协议，WIFI、4G、5G无线通讯模块，车辆控制系统可以设置静态IP或以DHCP方式获取动态IP；标识单元采用RFID标签写入车辆信息，采用数码显示管设置和显示车辆编号；控制单元是由MCU及其外围电路组成的控制板，用以实现车辆控制、数据采集等功能；供电单元包括充电模块、电量检测模块和电池，充电模块能同时实现有线充电和无线充电，电量检测模块以百分比(100％)输出当前电量和剩余电量数据，电池采用可多次充放电的锂电池，供电单元通过导线为控制单元、检测单元、通讯单元和标识单元供电；高清摄像头采集实时图像信息；所有数据均通过通讯单元实现实时传输。
参见图7，图7为本发明系统流程，首先启动系统，即为驾驶模拟器、通讯单元、智能微缩模型车和实景沙盘的检测装置加电，同时检查各部分运行是否正常；其次，建立各部分的网络联接，并保证网络通讯正常且传输延时小于50sm；第三，操作驾驶模拟器，像驾驶真实车辆一样步骤和要求，同时系统将控制指令传输至智能微缩模型车令其执行相应动作并传回数据，并且驾驶模拟器的显示单元同步显示包括模拟场景、实时高清视频和仪表数据等；最后，结束时关闭各部分电源。
参见图8，图8的左侧为驾驶模拟器模拟舱体的多自由度坐标表示，右侧为智能微缩模型车三轴陀螺仪坐标表示，其中建立(α,β,γ)→(a,b,c)映射关系，可以此通过驾驶模拟器模拟的多种驾驶姿态控制微缩智能模型车使其进行相应的动作。
参见图9，图9的左侧为智能微缩模型车数字舵机变化量程0度至180度，左侧为驾驶模拟器方向盘变化量程。利用实现映射，其中A表示舵机变化量程，有A∈[0°,180°]，表示转换变量，转换变量可通过计算得到；B表示方向盘变化量程，有L为方向盘从左转打满至右转打满时运动的距离，其由实际车型得到，C为方向盘周长，其由实际车型得到。
参见图10，智能微缩模型车至驾驶模拟器中操作单元和显示单元的数据映射关系，其中分别表示智能微缩模型车的车辆速度、电机转速和电池电量；V、S、B分别表示驾驶模拟器操作单元和显示单元的速度、转速和油量/电量；Kv、Ks、Kb为映射参数，具体值由其由实际车型得到。
参见图11，图11为本发明中的实景沙盘，其由建筑模块、道路模块、信号灯模块、驾考场地模块和检测装置组成。其是根据实际的驾驶员培训场地和驾驶员考试场地按照一定比例设计的，同时还针对各类科目设计与真实考试系统中相同的检测装置，将检测装置检测到的数据通过通讯模块传输驾驶模拟器的控制单元中的驾培驾考应用软件中。
综上所述，本发明将智能微缩模型车的舵机数据和电机数据通过无线网络映射至驾驶模拟器的方向盘、油门、刹车、档位、点火等控制部件，实现驾驶模拟器对智能微缩模型车的精准控制；同时，将智能微缩模型车的电池电量数据、电机转速数据和电机速度数据映射至驾驶模拟器的油量仪表/电量仪表、转速仪表和速度仪表，实现驾驶模拟器与智能微缩模型车运行数据显示一致；并且，利用智能微缩模型车的摄像头将车辆在实景沙盘上运动的实时画面传输至驾驶模拟器，使得驾驶员可以以第一视角操纵车辆；并且，实景沙盘上设置有与真实驾培与驾考相同场地和对应科目的检测装置，利用检测装置检测到的车辆数据可以对受训人员的训练过程作出评估。通过建立智能驾培与驾考模拟系统，可以解决目前城市道路交通驾驶员培训和驾驶员考试领域中驾驶操作不真实、驾培效果不佳等问题。本发明从驾驶模拟器与智能微缩模型车的精准控制、数据采集、运行显示，到与实景沙盘配合设计真实驾培与驾考训练场景与科目考评，提供了一套系统、完整、可实施的技术方案。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，其特征在于，包括：驾驶模拟器、智能微缩模型车、实景沙盘和通讯单元；
所述驾驶模拟器包括：显示单元、操作单元和控制单元，所述控制单元分别与所述显示单元和所述操作单元电连接；
所述显示单元为LED拼接屏，且所述显示单元用于分屏显示模拟场景、驾驶形态和仪表数据；
所述操作单元包括：驾驶模拟舱体和仪表盘/中控台、方向盘/转向灯，油门/离合/刹车、排挡杆、点火/启动；
所述控制单元，用于通过模拟场景软件设计交通场景；通过驾驶模拟操作软件获取操作单元的操作指令和显示数据，并将操作指令和显示数据保存于数据库中；以及通过模拟场景软件从数据库中实时调用操作指令和显示数据，并将操作指令和显示数据映射到智能微缩模型车上，再通过显示单元显示驾驶形态和仪表数据；
所述智能微缩模型车，用于根据操作指令进行虚拟车辆的驾驶仿真；
所述实景沙盘包括：建筑模块、道路模块、信号灯模块、驾考场地模块和检测装置；
所述通讯单元，用于通过有线通讯模块或无线通讯模块分别与所述控制单元和所述检测装置连接，通过无线通讯模块以DHCP形式构建的无线局域网与所述智能微缩模型车连接。
2.如权利要求1所述的基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，其特征在于，所述操作指令包括：点火指令、方向盘指令、转向灯指令、照明灯指令、油门指令、刹车指令、离合指令、档位指令；所述显示数据包括：转速、速度、油量或电量、转向灯变化、照明灯变化、模拟舱体自由度数据。
3.如权利要求1所述的基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，其特征在于，所述驾驶模拟器的六自由度数据与所述智能微缩模型车的陀螺仪数据关联，由此确定智能微缩模型车的特殊姿态控制和场景数据反馈；其中，所述特殊姿态包括：上下坡、颠簸、急转弯。
4.如权利要求1所述的基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，其特征在于，所述实景沙盘为根据实际的驾驶员培训场地或驾驶员考试场地按照一定比例设计的实景沙盘；所述检测装置为针对各类科目设计的与真实考试系统中检测装置相同的检测装置，并且所述检测装置将检测到的数据传输至控制单元中的驾培驾考应用软件中。
5.如权利要求1所述的基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，其特征在于，所述智能微缩模型车包括：车身结构件、前置高清与高速摄像头模块、转向结构连杆、车轮、数字舵机、陀螺仪、标识单元、后置左侧高清与高速摄像头模块、后置右侧高清与高速摄像头模块、通讯仪、主控单元、供电单元、编码减速电机、后置中间高清与高速摄像头模块。
6.如权利要求1所述的基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，其特征在于，通过映射关系(α,β,γ)→(a,b,c)，将驾驶模拟器模拟的多种驾驶姿态映射至微缩智能模型车，使微缩智能模型车进行相应的动作；其中，(α，β，γ)为驾驶模拟器模拟舱体的多自由度坐标，(a，b，c)为智能微缩模型车三轴陀螺仪坐标。
7.如权利要求1所述的基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，其特征在于，通过映射关系将驾驶模拟器的方向盘变化量程映射至微缩智能模型车；其中，A表示舵机变化量程，且A∈[0°,180°]；表示转换变量，B表示方向盘变化量程，且L为方向盘从左转打满至右转打满时运动的距离，由实际车型确定，C为方向盘周长，由实际车型确定。
8.如权利要求1所述的基于硬件在环的智能驾培与驾考模拟系统，其特征在于，通过映射关系将驾驶模拟器的速度、转速和油量/电量映射至微缩智能模型车；其中，分别表示智能微缩模型车的车辆速度、电机转速和电池电量；V、S、B分别表示驾驶模拟器操作单元和显示单元的速度、转速和油量/电量；Kv、Ks、Kb为映射参数，由实际车型确定。
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