CN111524237B - 一种用于汽车模拟器中的汽车与地形交互仿真方法 - Google Patents

一种用于汽车模拟器中的汽车与地形交互仿真方法 Download PDF

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Abstract

一种用于汽车模拟器中的汽车与地形交互仿真方法，首先根据用户输入设置山脊线的位置，而后根据符号距离函数的定义计算整个区域的SDF值，依次对计算所得的SDF值进行取反、平移操作，生成整个区域的高度值，再对生成的高度值进行随机扰动，得最终区域高度值，并将经过换算的高度值作为轮胎地面高度输入值，输入至汽车悬架垂向运动的10自由度汽车模型进行汽车姿态计算，在计算周期内，重复计算轮胎与地面接触位置及地面高度差值，并同时更新汽车姿态，即实现汽车与地形交互仿真，为动力学提供数学支撑，有效提高驾驶真实感。

Description

一种用于汽车模拟器中的汽车与地形交互仿真方法
技术领域
本发明涉及场景动态交互仿真技术领域，尤其涉及一种用于汽车模拟器中的汽车与地形交互仿真方法。
背景技术
汽车驾驶模拟器(Vehicle Driving Simulator，VDS)将虚拟现实技术应用于汽车驾驶培训中，通过计算机技术产生汽车行驶过程中的虚拟视景、音响效果和运动仿真，使驾驶员沉浸到虚拟驾驶环境中，以产生实车驾驶感觉，从而体验、认识和学习现实世界中的汽车驾驶。该方法既能安全、有效地提高驾驶员技术水平，又能降低各种费用成本，减少事故发生率，正日益受到国内外交通安全领域的广泛关注。
汽车驾驶模拟器的运动真实感直接影响使用者的驾驶体验，特别是如何实现汽车驾驶模拟器中汽车与地形之间的交互是汽车驾驶模拟器中最为核心的问题之一。
以往通常是采用碰撞检测的方法，这种方法虽然可以感知到地面的存在，但这是一种基于几何学的方法，不能将地面信息作为汽车模拟器中汽车运动模型的输入信号进行建模，缺乏动力学的数学支撑，真实感有待提高。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种用于汽车模拟器中的汽车与地形交互仿真方法，以解决上述背景技术中的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种用于汽车模拟器中的汽车与地形交互仿真方法，具体步骤如下：
1)生成基于符号距离函数的地形
首先根据用户输入设置山脊线的位置，而后根据符号距离函数的定义计算整个区域的SDF值，符号距离函数SDF定义如下所示：
Figure GDA0003824567580000021
其中，φ(x,y)为符号距离函数定义，Ω为边界；
依次对式(1)计算所得的SDF值进行取反、平移操作，生成整个区域的高度值，如式(2)所示：
Φ(x,y)＝H0-φ(x,y) (2)
其中，Φ(x,y)为经过变换的符号距离函数，H0为需要设置的高度值偏移量；
对式(2)计算所得的高度值进行随机扰动，得最终区域高度值，而后生成最终区域地形，如式(3)所示；
H(x,y)＝Φ(x,y)+noise(x,y) (3)
其中，noise为噪声函数，可采用随机噪声，目的在于增加高度值的多样性，避免过于平滑的高度场；H为基于符号距离函数的地形函数，通过该函数可得到任意位置的高度值；
2)汽车驾驶模拟器中汽车与地形交互仿真
计算汽车驾驶模拟器中汽车的四个轮胎位置，如式(4)～(5)所示，
Figure GDA0003824567580000031
Figure GDA0003824567580000032
再根据所得的每个轮胎位置计算每个轮胎与步骤1)所得地面接触的高度值，并将每个轮胎与步骤1)所得地面的高度值作为轮胎地面高度输入值，输入至汽车悬架垂向运动的10自由度汽车模型进行汽车姿态计算，如式(6)所示，与垂向受力和力矩计算如式(7)～(9)所示；
Figure GDA0003824567580000033
Figure GDA0003824567580000034
Figure GDA0003824567580000035
Figure GDA0003824567580000036
式(4)～(9)中，ax,ay,az、Fx,Fy,Fz分别为X，Y，Z轴方向的加速度和合外力；
Figure GDA0003824567580000037
为绕X，Y，Z轴的角加速度；Mp，Mq，Mr绕X，Y，Z轴的合外力矩；Ixx，Iyy，Izz汽车绕X，Y，Z轴的转动惯量；m为汽车质量；Fsi为悬架Z方向受力；Ci，Ki为悬架的阻尼系数和刚度系数；Kti为轮胎的刚度系数；zb，
Figure GDA0003824567580000038
分别为车身质心处的垂向位置、速度和加速度；zwi、
Figure GDA0003824567580000039
分别为车轮位置、垂向速度和加速度；zbi、
Figure GDA0003824567580000041
为汽车车身悬架处的垂向位置、速度；xi、yi分别为X，Y方向力臂；H(x,y)i为轮胎与地面接触位置处地面高度；
最后在计算周期内，重复计算轮胎与地面接触位置及地面高度差值，并同时更新汽车姿态，即实现汽车与地形交互仿真。
有益效果：本发明中基于符号距离函数生成地形，同时为增加地形的多样性，采用随机噪声扰动SDF生成，并将经过随机噪声扰动的高度场作为汽车模拟器的中汽车动力学模型输入，同时更新汽车姿态和所在位置，从而实现汽车驾驶模拟器与地形的交互仿真，为动力学提供数学支撑，有效提高驾驶真实感。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例中的输入山脊线位置示意图。
图2为本发明的较佳实施例中的SDF值经变换后的高度值对应等值线示意图。
图3为本发明的较佳实施例中的SDF值经变换后的高度值示意图。
图4为本发明的较佳实施例中的随机噪声示意图。
图5为本发明的较佳实施例中的生成基于符号距离函数的地形示意图。
图6为本发明的较佳实施例中的汽车与地形交互仿真效果图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
一种用于汽车模拟器中的汽车与地形交互仿真方法，具体步骤如下：
1)生成基于符号距离函数的地形
首先根据用户输入设置山脊线的位置，输入山脊线如图1所示；再由符号距离函数的定义计算整个区域的SDF值，符号距离函数SDF定义如下所示：
Figure GDA0003824567580000051
其中，φ(x,y)为符号距离函数定义，Ω为边界；
依次对式(1)计算所得的SDF值进行取反、平移操作，生成整个区域的高度值，如式(2)所示，高度值对应的等值线如图2所示，高度值如图3所示；
Φ(x,y)＝H0-φ(x,y) (2)
其中，Φ(x,y)为经过变换的符号距离函数，H0为需要设置的高度值偏移量；
对式(2)计算所得的高度值进行随机扰动，得最终区域高度值，而后生成最终区域地形，如式(3)所示，输入的随机噪声如图4所示，最终区域地形如图5所示；
H(x,y)＝Φ(x,y)+noise(x,y) (3)
其中，noise为噪声函数，可以采用随机噪声，目的在于增加高度值的多样性，避免过于平滑的高度场；H为基于符号距离函数的地形函数，通过该函数可得到任意位置的高度值；
2)汽车驾驶模拟器中汽车与地形交互仿真
计算汽车驾驶模拟器中汽车的四个轮胎位置，如式(4)～(5)所示，
Figure GDA0003824567580000061
Figure GDA0003824567580000062
再根据所得的每个轮胎位置计算每个轮胎与步骤1)所得地面接触的高度值，并将每个轮胎与步骤1)所得地面的高度值作为轮胎地面高度输入值，输入至汽车悬架垂向运动的10自由度汽车模型进行汽车姿态计算，如式(6)所示，与垂向受力和力矩计算如式(7)～(9)所示；
Figure GDA0003824567580000063
Figure GDA0003824567580000064
Figure GDA0003824567580000065
Figure GDA0003824567580000066
式(4)～(9)中，ax,ay,az、Fx,Fy,Fz分别为X，Y，Z轴方向的加速度和合外力；
Figure GDA0003824567580000067
为绕X，Y，Z轴的角加速度；Mp，Mq，Mr绕X，Y，Z轴的合外力矩；Ixx，Iyy，Izz汽车绕X，Y，Z轴的转动惯量；m为汽车质量；Fsi为悬架Z方向受力；Ci，Ki为悬架的阻尼系数和刚度系数；Kti为轮胎的刚度系数；zb，
Figure GDA0003824567580000071
分别为车身质心处的垂向位置、速度和加速度；zwi、
Figure GDA0003824567580000072
分别为车轮位置、垂向速度和加速度；zbi、
Figure GDA0003824567580000073
为汽车车身悬架处的垂向位置、速度；xi、yi分别为X，Y方向力臂；H(x,y)i为轮胎与地面接触位置处地面高度；
最后在计算周期内，重复计算轮胎与地面接触位置及地面高度差值，并同时更新汽车姿态，即实现汽车n与地形m交互仿真，如图6所示，m表示交互地形，n表示交互汽车。
本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于汽车模拟器中的汽车与地形交互仿真方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)生成基于符号距离函数的地形
首先根据用户输入设置山脊线的位置，而后根据符号距离函数的定义计算整个区域的SDF值，依次对计算所得的SDF值进行取反、平移操作，生成整个区域的高度值，再对生成的高度值进行随机扰动，得最终区域高度值，并生成最终区域地形；
2)汽车驾驶模拟器中汽车与地形交互仿真
计算汽车驾驶模拟器中汽车的四个轮胎位置，如式(4)～(5)所示，
Figure FDA0003817677930000011
Figure FDA0003817677930000012
再根据所得的每个轮胎位置计算每个轮胎与步骤1)所得地面接触的高度值，并将每个轮胎与步骤1)所得地面的高度值作为轮胎地面高度输入值，输入至汽车悬架垂向运动的10自由度汽车模型进行汽车姿态计算，如式(6)所示，与垂向受力和力矩计算如式(7)～(9)所示；
Figure FDA0003817677930000013
Figure FDA0003817677930000014
Figure FDA0003817677930000015
Figure FDA0003817677930000016
式(4)～(9)中，ax,ay,az、Fx,Fy,Fz分别为X，Y，Z轴方向的加速度和合外力；
Figure FDA0003817677930000017
为绕X，Y，Z轴的角加速度；Mp，Mq，Mr绕X，Y，Z轴的合外力矩；Ixx，Iyy，Izz汽车绕X，Y，Z轴的转动惯量；m为汽车质量；Fsi为悬架Z方向受力；Ci，Ki为悬架的阻尼系数和刚度系数；Kti为轮胎的刚度系数；zb，
Figure FDA0003817677930000021
分别为车身质心处的垂向位置、速度和加速度；zwi、
Figure FDA0003817677930000022
分别为车轮位置、垂向速度和加速度；zbi、
Figure FDA0003817677930000023
为汽车车身悬架处的垂向位置、速度；xi、yi分别为X，Y方向力臂；H(x,y)i为轮胎与地面接触位置处地面高度；
最后在计算周期内，重复计算轮胎与地面接触位置及地面高度差值，并同时更新汽车姿态，即实现汽车与地形交互仿真。
2.根据权利要求1所述的一种用于汽车模拟器中的汽车与地形交互仿真方法，其特征在于，步骤1)中，符号距离函数SDF定义如下所示：
Figure FDA0003817677930000024
其中，φ(x,y)为符号距离函数定义，Ω为边界；
步骤1)中，生成整个区域的高度值计算如式(2)所示：
Φ(x,y)＝H0-φ(x,y) (2)
其中，Φ(x,y)为经过变换的符号距离函数，H0为需要设置的高度值偏移量；
步骤1)中，最终区域高度值计算如式(3)所示；
H(x,y)＝Φ(x,y)+noise(x,y) (3)
其中，noise为噪声函数，并采用随机噪声，目的在于增加高度值的多样性，避免过于平滑的高度场；H为基于符号距离函数的地形函数，通过该函数可得到任意位置的高度值。
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