CN113971897A - 一种驾驶模拟系统、其真实度标定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种驾驶模拟系统、其真实度标定方法及装置，包括：驾驶模拟舱，所述驾驶模拟舱中设有驾驶模拟器；所述驾驶模拟器中设有处理器，所述处理器与输入模块、输出模块、虚拟场景投射模块、环境噪声和震动模拟模块、道路驾驶场景设计与运行模块以及车辆动态仿真模块连接；所述驾驶模拟器的输入模块还通过第一角度传感器与制动踏板连接，输入模块还通过第二角度传感器与油口踏板连接，输入模块还通过第三角度传感器与方向盘连接，输入模块还通过位移传感器与档位连接；所述驾驶模拟器的输出模块还与仪表盘连接。提升驾驶模拟系统对真实驾驶场景的仿真程度，为其服务于公路工程设计领域提供理论和技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及驾驶模拟系统真实度标定技术领域，特别是涉及一种驾驶模拟系统、其真实度标定方法及装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
近年来，驾驶模拟技术广泛应用于交通安全领域以及驾驶培训领域。在交通安全领域，其研究重点往往聚焦于真实道路中难以获取的危险驾驶场景或危险驾驶行为，主要是对通过模拟驾驶获得的驾驶人行为数据进行特征分析、建模刻画与预测、事故再现等，多为定性分析或趋势分析。而在驾驶培训领域，通常是为降低学员学车上路的安全风险，利用驾驶模拟系统为学员提供虚拟驾驶体验，旨在提高其驾驶技术。
为了扩大驾驶模拟系统的应用范围，提升其驾驶体验感，研究者通常将驾驶模拟系统与多种设备结合使用，例如VR眼镜/头盔、脑机交互设备等，但始终缺乏对驾驶模拟系统真实度标定的相关依据和方法。而由于驾驶模拟系统的真实度难以评估，所以少有将其应用于公路工程设计行业的案例。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种驾驶模拟系统、其真实度标定方法及装置；本专利设计了一种将虚拟现实技术与驾驶模拟技术相结合的新型驾驶模拟系统，并在此基础上提出了一种对驾驶模拟系统真实度进行标定校正的手段，旨在进一步提升驾驶模拟系统对真实驾驶场景的仿真程度，为其服务于公路工程设计领域提供理论和技术支撑。
第一方面，本发明提供了一种驾驶模拟系统；
一种驾驶模拟系统，包括：驾驶模拟舱，所述驾驶模拟舱中设有驾驶模拟器；
所述驾驶模拟器中设有处理器，所述处理器与输入模块、输出模块、虚拟场景投射模块、环境噪声和震动模拟模块、道路驾驶场景设计与运行模块以及车辆动态仿真模块连接；
所述驾驶模拟器的输入模块还通过第一角度传感器与制动踏板连接，输入模块还通过第二角度传感器与油口踏板连接，输入模块还通过第三角度传感器与方向盘连接，输入模块还通过位移传感器与档位连接；
所述驾驶模拟器的输出模块还与仪表盘连接。
第二方面，本发明提供了一种驾驶模拟系统的真实度标定方法；
驾驶模拟系统真实度标定方法，包括：
初步标定步骤：采集多维驾驶行为数据；对比不同驾驶人使用驾驶模拟系统时与在真实道路场景驾驶时的多维行为指标异同，通过两种行为的相似度分析计算，确定影响驾驶模拟系统真实度的设置参数并对其进行调整，从而完成驾驶模拟系统的初步标定；
再次标定步骤：更换另外一批驾驶人，通过真实、虚拟场景多维驾驶行为数据的对比分析，计算两种行为数据之间的相似度；根据两种行为数据之间的相似度，完成驾驶模拟系统的再次标定。
最终标定步骤：再次更换一批驾驶人进行再次验证，直至标定结果小于临界阈值，完成最终标定。
第三方面，本发明还提供了一种驾驶模拟系统的真实度标定装置；
一种驾驶模拟系统的真实度标定装置，包括：
相似度计算模块，其被配置为：基于权重和对应的指标值，计算真实驾驶场景与虚拟驾驶场景的指标相似度，判断参数优化次数是否达到设定次数，如果否，就返回获取模块；如果是，就表示已完成驾驶模拟系统的初步标定，记录当前综合指标相似度为临界阈值；
判断模块，其被配置为：计算新一批次驾驶人在真实驾驶场景与虚拟驾驶场景下的综合指标相似度，判断新一批次驾驶人的综合指标相似度是否小于临界阈值，如果是，就结束驾驶模拟系统的标定；如果否，则对影响驾驶模拟器真实度的参数进行调整并继续招募新驾驶人进行实验，进而进一步对驾驶模拟器相关参数进行调整、优化。
所述装置，还包括：
获取模块，其被配置为：获取驾驶人在真实道路场景下，执行设定驾驶任务时的若干个行为、生理反应指标；获取驾驶人在使用驾驶模拟器的模拟场景下，执行设定驾驶任务时的若干个行为、生理反应指标；
指标选择模块，其被配置为：设置m个评价优化维度，针对每一个维度，选择对应的若干个行为、生理反应指标；同一个维度下，真实道路场景下所选指标与模拟场景下所选指标是一样的；
权重设置模块，其被配置为：为已选择的若干个行为、生理反应指标设置权重。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的主要目的在于提升驾驶模拟系统的仿真真实度，将驾驶模拟器和虚拟现实技术结合，创建虚拟驾驶场景，打造全新驾驶模拟系统。获取驾驶人在真实道路和该驾驶模拟系统上执行驾驶任务时的驾驶行为数据和心理、生理数据，以及驾驶人的主观感受，通过对比分析计算，形成标定驾驶模拟系统真实度的参考依据，并据此对系统参数进行优化调整。旨在提高驾驶模拟系统对真实驾驶场景的仿真真实程度，为驾驶模拟实验应用于交通工程设计领域提供技术和理论支撑。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例一的硬件连接示意图；
图2为实施例一的方法流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例所有数据的获取都在符合法律法规和用户同意的基础上，对数据的合法应用。
开发用于搭建与真实道路场景及驾驶任务高度相似的高逼真度、强沉浸感的虚拟驾驶场景搭建模块，在系统中导入真实道路的数字孪生模型，并基于道路数字孪生模型搭建虚拟驾驶场景，然后利用AR技术将搭建的虚拟场景投射至驾驶模拟舱风挡玻璃上，形成立体视觉观察效果，由上述各部分组成基于虚拟现实技术和驾驶模拟技术结合的新型驾驶模拟系统；在此基础上，依托真实和虚拟驾驶场景中开展的驾驶实验及其所获得的驾驶行为数据，设计了新型驾驶模拟系统真实度多次循环标定方法。
实施例一
本实施例提供了一种驾驶模拟系统；
如图1所示，一种驾驶模拟系统，包括：驾驶模拟舱，所述驾驶模拟舱中设有驾驶模拟器；
所述驾驶模拟器中设有处理器，所述处理器与输入模块、输出模块、虚拟场景投射模块、环境噪声和震动模拟模块、道路驾驶场景设计与运行模块以及车辆动态仿真模块连接；
所述驾驶模拟器的输入模块还通过第一角度传感器与制动踏板连接，输入模块还通过第二角度传感器与油口踏板连接，输入模块还通过第三角度传感器与方向盘连接，输入模块还通过位移传感器与档位连接；
所述驾驶模拟器的输出模块还与仪表盘连接。
进一步地，所述驾驶模拟舱，按照真实轿车车体1:1比例设计，车体内部的制动踏板、油口踏板、方向盘、档位等车辆基本操作部件完全符合真实情况，同时仪表盘等显示部件能够显示模拟驾驶时的车速、里程等信息。
进一步地，所述车辆动态仿真模块，用于利用各类传感器使制动、油门、方向盘转向等驾驶操作真实化，同时协调三维虚拟场景和车辆之间的互动，使驾驶人感觉到自身和车辆在运动，从而达到驾驶时逼真动态的效果。
进一步地，所述道路驾驶场景设计与运行模块，由道路场景设计子模块、驾驶场景设计子模块以及场景运行子模块组成；其中，道路场景设计子模块是通过道路模块、建筑模块、标志标牌模块等各种固定模块的设计生成，另外提供道路数字孪生模型的载入功能；驾驶场景设计子模块，用于设计某些特定的交通事件和实现某些控制功能，例如车辆运行控制、信号灯控制、天气控制等动态场景控制；场景运行子模块用于运行建立好的虚拟驾驶场景。
进一步地，所述道路数字孪生模型，为基于BIM技术创建的，对真实道路场景进行仿真模拟的三维实体模型。
进一步地，所述虚拟场景投射模块，用于利用AR技术将虚拟场景投射到驾驶舱前风挡玻璃上以及各个侧窗玻璃上，并在左右侧窗同时投射虚拟的后视镜视角，为驾驶人提供360°视角的、呈现出3D立体视觉观察效果的虚拟驾驶环境。所述虚拟驾驶场景来自于道路驾驶场景设计与运行模块中搭建的道路驾驶场景。
进一步地，所述环境噪声和震动模拟模块，用于根据车辆驾驶操作和场景的互动关系模拟产生真实驾驶时的声音和震动感觉，包括车辆在不同减速和加速力度下产生的不同音质以及周围其他车辆产生的噪声等，同时结合动感平台产生前后、上下震动，提高驾驶人身临其境感。所述数据输出模块，用于对驾驶模拟器运行数据进行输出，并形成驾驶行为数据文件进行存储。
实施例二
如图2所示，驾驶模拟系统真实度标定方法，包括：
初步标定步骤：采集多维驾驶行为数据；对比不同驾驶人使用驾驶模拟系统时与在真实道路场景驾驶时的驾驶行为数据的异同，通过两种行为的相似度分析计算，确定影响驾驶模拟系统真实度的设置参数并对其进行调整，然后由同一批驾驶人再次执行驾驶模拟任务，并根据采集的数据再次调整驾驶模拟系统参数，经过多次重复上述步骤，实现在驾驶模拟中采集的模拟驾驶行为特征逐渐逼近真实场景的驾驶行为特征，从而完成驾驶模拟系统的初步标定，并确定真实度临界阈值；
再次标定步骤：更换另外一批驾驶人，通过真实、虚拟场景驾驶行为数据的对比分析，计算两种行为数据之间的相似度，若该结果小于真实度临界阈值，则完成驾驶模拟系统的最终标定；该结果大于真实度临界阈值，则重复初步标定的步骤，对驾驶模拟系统参数进行调整，完成再次标定；
最终标定步骤：再次更换一批驾驶人进行再次验证，直至标定结果小于临界阈值，完成最终标定。
招募多名不同性别、不同年龄、不同驾龄、职业与非职业的驾驶人在真实道路场景执行驾驶任务，再令其使用驾驶模拟系统在相应的数字孪生虚拟道路场景中执行相同驾驶任务，并结合眼动、脑电或其他生理反馈采集设备以及问卷调查。
进一步地，所述初步标定步骤，具体包括：
S201：选择现实路段，搭建与现实中道路场景相同的数字孪生虚拟驾驶场景，将虚拟驾驶场景投射至驾驶模拟舱前方和侧方风挡玻璃，设置驾驶任务；
S202：设置驾驶模拟系统真实度优化的m个维度，从这m个维度对驾驶模拟系统的真实度进行评价和参数优化，针对每一个维度，选择对应的若干行为指标、生理反应指标；并为已选择的若干个指标设置权重；m为正整数；
同一个维度下，真实道路场景下所选指标与模拟场景下所选指标是一样的；
S203：获取驾驶人在真实道路场景下，执行设定驾驶任务时的若干个行为、生理反应指标；获取驾驶人在使用驾驶模拟器的模拟场景下，执行设定驾驶任务时的若干个行为、生理反应指标；真实场景和虚拟场景下收集的指标一一对应，且与S202中设置的指标相对应；
S204：基于权重和对应的指标值，计算m个维度下真实驾驶场景与虚拟驾驶场景下两类指标相似度；
S205：根据每个维度下的真实驾驶行为和虚拟驾驶行为的相似度，对驾驶模拟系统的对应维度相关参数进行调整优化；
S206：判断参数优化次数是否达到设定次数，如果否，就使用同一批驾驶人进行实验，返回S203；如果是，就表示已完成驾驶模拟系统的初步标定，记录当前指标相似度为临界阈值。
进一步地，所述再次标定步骤，具体包括：
S207：更换另外一批驾驶人，重复S203至S204步骤；
S208：判断S207获得的该批次驾驶人驾驶实验的行为相似度是否小于S206中获取的临界阈值，如果是，就结束驾驶模拟系统的标定；如果否，则循环依次进行S203、S204、S205，直至计算相似度小于临界阈值；
进一步的，所述最终标定步骤，具体包括：
S209：继续招募新一批驾驶人进行实验，直至某一批驾驶人第一次驾驶实验的行为相似度就小于临界阈值，则标定完成，否则，返回S203。
进一步地，所述S201中，驾驶任务，包括：沿车道线自由行驶(直行和弯道行驶)、跟车行驶、换道行驶、标志标牌视认等。
进一步地，所述S202：设置驾驶模拟系统真实度优化的m个维度，从这m个维度对驾驶模拟系统的真实度进行评价和参数优化，分别是指：虚拟场景渲染维度、AR显示设置维度、驾驶舱内部操作单元参数设置维度和声音体感参数设置维度。
其中，虚拟场景渲染维度，通过调整虚拟场景道路、基础设施布设、交通标志以及其他交通参与者的渲染设置，提高虚拟场景的视觉真实度；
其中，AR显示设置维度，通过调整AR成像距离、成像视角以及显示亮度，提高虚拟场景的整体逼真度和沉浸感；
其中，驾驶舱内部操作单元参数设置维度，通过调整驾驶模拟器方向盘、刹车踏板以及油门踏板的灵敏度，使其更接近真实驾驶车辆；
其中，声音体感参数设置维度，通过调整环境噪声和震动模拟模块设置参数，提高声音和体感的真实度。
进一步地，所述S202：为已选择的若干行为指标、生理反应指标设置权重；具体包括：
采用层次分析法，为已选择的若干个若干行为指标、生理反应指标设置权重；同一层中所有指标两两比较，建立判断矩阵，经过一致性检验确定评价各个指标的权重，形成权重矩阵Wi＝[w1,w2,...,wm]，其中i＝1,2,3,4，m为不同维度下的指标总数，wm为各指标权重；
进一步地，所述S202：若干行为指标、生理反应指标，包括：眼动信号指标、脑电信号指标、驾驶行为数据指标、生理反馈指标和问卷得分指标；
进一步地，所述S203：驾驶人驾驶行为数据采集，是招募驾驶人若干在相同的现实道路场景和虚拟道路场景中完成相同的驾驶任务，在驾驶人进行驾驶实验的同时，需为其佩戴眼动、脑电以及其他生理信息反馈仪器，收集相关生理行为反馈数据，结合驾驶模拟器输出的驾驶行为数据，以及实验前后驾驶人问卷调查数据，支撑后续数据分析过程。
进一步地，所述S204：基于权重和对应的指标值，计算m个维度下真实驾驶场景与虚拟驾驶场景下的指标相似度；具体包括：
S2041：利用线性函数将各个指标进行归一化为[0，1]的值，消除各个指标之间的量纲差异性；
其中，
为归一化值，x为各数据，xmin和xmax分别为原数据的最小值和最大值。
针对每一维度，形成其初始特征矩阵：
其中，
为从真实驾驶场景中获得的初始特征矩阵，
为从虚拟驾驶场景中获得的初始特征矩阵，m为特征数，n为样本数；
S2042：针对每一维度，结合其权重矩阵W＝[w1,w2,...,wm]，矩阵相乘运算后获得加权后的特征矩阵U，
其中，
为从真实驾驶场景中获得的特征矩阵，
对每个维度下的Ur和Uv两组数据进行相似度计算，以欧氏距离为例，根据公式
其中i为四个维度序号。
通过上述方法获得四个维度下，真实驾驶场景和虚拟驾驶场景驾驶行为特征相似度结果，以此作为真实度依据。
实施例三
本实施例还提供了一种驾驶模拟系统的真实度标定装置；
一种驾驶模拟系统的真实度标定装置，包括：
获取模块，其被配置为：获取驾驶人在真实道路场景下，执行设定驾驶任务时的若干个行为、生理反应指标；获取驾驶人在安装驾驶模拟器的模拟场景下，执行设定驾驶任务时的若干个行为、生理反应指标；
指标选择模块，其被配置为：设置m个评价优化维度，针对每一个维度，选择对应的若干个真实场景下行为、生理反应指标和若干个虚拟场景下行为、生理反应指标；同一个维度下，真实场景与虚拟场景下行为、生理反应指标是一样的；
权重设置模块，其被配置为：为已选择的若干个真实场景与虚拟场景下行为、生理反应指标设置权重；
相似度计算模块，其被配置为：基于权重和对应的指标值，计算真实驾驶场景与虚拟驾驶场景的指标相似度，判断参数优化次数是否达到设定次数，如果否，就返回获取模块；如果是，就表示已完成驾驶模拟系统的初步标定，记录当前综合指标相似度为临界阈值；
判断模块，其被配置为：计算新一批次驾驶人，真实驾驶场景与虚拟驾驶场景的综合指标相似度，判断新一批次驾驶人的综合指标相似度是否小于临界阈值，如果是，就结束驾驶模拟系统的标定；如果否，则对影响驾驶模拟器真实度的参数进行调整并继续招募新驾驶人进行实验，进而进一步调整优化。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种驾驶模拟系统，其特征是，包括：驾驶模拟舱，所述驾驶模拟舱中设有驾驶模拟器；
所述驾驶模拟器中设有处理器，所述处理器与输入模块、输出模块、虚拟场景投射模块、环境噪声和震动模拟模块、道路驾驶场景设计与运行模块以及车辆动态仿真模块连接；
所述驾驶模拟器的输入模块还通过第一角度传感器与制动踏板连接，输入模块还通过第二角度传感器与油口踏板连接，输入模块还通过第三角度传感器与方向盘连接，输入模块还通过位移传感器与档位连接；
所述驾驶模拟器的输出模块还与仪表盘连接。
2.驾驶模拟系统真实度标定方法，其特征是，包括：
初步标定步骤：采集多维驾驶行为数据；对比不同驾驶人使用驾驶模拟系统时与在真实道路场景驾驶时的多维行为指标异同，通过两种行为的相似度分析计算，确定影响驾驶模拟系统真实度的设置参数并对其进行调整，从而完成驾驶模拟系统的初步标定；
再次标定步骤：更换另外一批驾驶人，通过真实、虚拟场景多维驾驶行为数据的对比分析，计算两种行为数据之间的相似度；根据两种行为数据之间的相似度，完成驾驶模拟系统的再次标定。
3.如权利要求2所述的驾驶模拟系统真实度标定方法，其特征是，所述方法还包括：
最终标定步骤：再次更换一批驾驶人进行再次验证，直至标定结果小于临界阈值，完成最终标定。
4.如权利要求2所述的驾驶模拟系统真实度标定方法，其特征是，所述确定影响驾驶模拟系统真实度的设置参数并对其进行调整步骤之后，从而完成驾驶模拟系统的初步标定步骤之前，还包括：
由同一批驾驶人再次执行驾驶模拟任务，并根据采集的数据再次调整驾驶模拟系统参数，经过多次重复上述步骤，实现在驾驶模拟中采集的模拟驾驶行为特征逐渐逼近真实场景的驾驶行为特征，从而完成驾驶模拟系统的初步标定，并确定真实度临界阈值。
5.如权利要求2所述的驾驶模拟系统真实度标定方法，其特征是，所述根据两种行为数据之间的相似度，完成驾驶模拟系统的再次标定；具体包括：
若该结果小于真实度临界阈值，则完成驾驶模拟系统的最终标定；该结果大于真实度临界阈值，则重复初步标定的步骤，对驾驶模拟系统参数进行调整，完成再次标定。
6.如权利要求2所述的驾驶模拟系统真实度标定方法，其特征是，两种行为的相似度的计算过程包括：
选择现实路段，搭建与现实中道路场景相同的数字孪生虚拟驾驶场景，将虚拟驾驶场景投射至驾驶模拟舱前方和侧方风挡玻璃，设置驾驶任务；
设置驾驶模拟系统真实度优化的m个维度，从这m个维度对驾驶模拟系统的真实度进行评价和参数优化，针对每一个维度，选择对应的若干行为指标和生理反应指标；并为已选择的若干个指标设置权重；m为正整数；
获取驾驶人在真实道路场景下，执行设定驾驶任务时的若干个行为、生理反应指标；获取驾驶人在使用驾驶模拟器的模拟场景下，执行设定驾驶任务时的若干个行为和生理反应指标；
基于权重和对应的指标值，计算m个维度下真实驾驶场景与虚拟驾驶场景下两类行为相似度。
7.如权利要求6所述的驾驶模拟系统真实度标定方法，其特征是，临界阈值的计算过程包括：
根据每个维度下的真实驾驶行为和虚拟驾驶行为的相似度，对驾驶模拟系统的对应维度相关参数进行调整优化；
判断参数优化次数是否达到设定次数，如果是，就表示已完成驾驶模拟系统的初步标定，记录当前指标相似度为临界阈值。
8.如权利要求6所述的驾驶模拟系统真实度标定方法，其特征是，设置驾驶模拟系统真实度优化的m个维度，从这m个维度对驾驶模拟系统的真实度进行评价和参数优化，分别是指：虚拟场景渲染维度、AR显示设置维度、驾驶舱内部操作单元参数设置维度和声音体感参数设置维度。
9.一种驾驶模拟系统的真实度标定装置，其特征是，包括：
相似度计算模块，其被配置为：基于权重和对应的指标值，计算真实驾驶场景与虚拟驾驶场景的指标相似度，判断参数优化次数是否达到设定次数，如果否，就返回获取模块；如果是，就表示已完成驾驶模拟系统的初步标定，记录当前综合指标相似度为临界阈值；
判断模块，其被配置为：计算新一批次驾驶人在真实驾驶场景与虚拟驾驶场景下的综合指标相似度，判断新一批次驾驶人的综合指标相似度是否小于临界阈值，如果是，就结束驾驶模拟系统的标定；如果否，则对影响驾驶模拟器真实度的参数进行调整并继续招募新驾驶人进行实验，进而进一步对驾驶模拟器相关参数进行调整、优化。
10.如权利要求9所述的一种驾驶模拟系统的真实度标定装置，其特征是，所述装置，还包括：
获取模块，其被配置为：获取驾驶人在真实道路场景下，执行设定驾驶任务时的若干个行为、生理反应指标；获取驾驶人在使用驾驶模拟器的模拟场景下，执行设定驾驶任务时的若干个行为、生理反应指标；
指标选择模块，其被配置为：设置m个评价优化维度，针对每一个维度，选择对应的若干个行为、生理反应指标；同一个维度下，真实道路场景下所选指标与模拟场景下所选指标是一样的；
权重设置模块，其被配置为：为已选择的若干个行为、生理反应指标设置权重。
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|---|---|---|---|
| CN202111347775.2A CN113971897A (zh) | 2021-11-15 | 2021-11-15 | 一种驾驶模拟系统、其真实度标定方法及装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2021
- 2021-11-15 CN CN202111347775.2A patent/CN113971897A/zh active Pending
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