汽车驾驶模拟器的研究与应用综述

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技术探讨

汽车驾驶模拟器的研究与应用综述

龙　琼　周昭明

湖南城市学院土木工程学院　湖南益阳　413000

摘　要：汽车驾驶模拟器通过营造虚拟的驾驶环境，对驾驶员进行驾驶训练，能有效节约能源，降低培训成本，提高培训效率和水平。本文综述了驾驶模拟器的研究与应用问题，首先，对汽车驾驶模拟器的概念、原理进行了简介；然后，分析了汽车驾驶模拟器的研究和应用现状，提出了驾驶模拟器在驾驶培训中的应用问题；最后对汽车驾驶模拟器的未来发展前景进行了展望。本文研究对于我们更好地利用后发优势，开发与应用驾驶模拟器具有一定的借鉴与指导意义。

关键词：汽车驾驶模拟器；驾驶培训；虚拟现实技术

The Reviewed on Research and Application of Automobile Driving Simulator

LONG Qiong1, ZHOU Zhao-ming

（School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China）

Abstract: A dynamic Through creating a virtual driving environment and vehicle driving simulator for driver driving training, can effectively save energy, reduce the training costs, improve training efficiency and level. This paper summarizes the research and application of driving simulator problem, first of all, the concept of vehicle driving simulator, the principle has carried on the brief introduction; Then, this paper analyzes the research and application status of vehicle driving simulator, puts forward the application of driving simulator in driving training; Finally the future development prospect of vehicle driving simulator is discussed. In this paper, we study for our better use of advantage of backwardness, the development and application of driving simulator has a certain reference and guidance significance.

Key Words: Automobile Driving Simulator; Driving training; Virtual reality technology

中图分类号：F407 文献标识码：A

引言：

随着我国经济的发展，机动车保有量日益增加，交通安全问题越来越成为人们高度关注的社会问题。按照系统论观点，驾驶员、机动车、道路、出行环境是道路交通系统的基本组成要素。而驾驶员作为道路交通系统中的重要元素之一，具有较强的可塑性和主观能动性，为使交通系统整体系统功能达到最优，对驾驶员的培训应在不影响其效益的前提下尽可能处于最优状态。驾驶员的最优基本标准有两个，一是驾驶安全，二是工作量和驾驶效益。因此，加强驾驶员的驾驶技能培训，对于提高整个交通系统安全指标具有较强的理论和实践意义。在这种条件下，汽车驾驶员培训蓬勃发展。但是作为一种飞速发展的培训行业，如何有效地提高驾驶员培训的质量，确保交通安全是驾驶员培训面临的重要问题。在这种情况下，汽车驾驶模拟器（Driving Simulator，DS）应运而生。

本文阐述汽车驾驶模拟器的研究现状及驾驶员培训中的应用问题，并对其发展前景进行了展望。本文研究对于我们更好地利用后发优势，开发与应用驾驶模拟器具有一定的借鉴与指导意义。

1　汽车模拟器简介

汽车驾驶模拟系统是综合计算机、控制、微电子、光学、精密机械等多学科的高新技术产品，是展示汽车特性和性能、模拟汽车驾驶的有效工具，它具备了视觉、听觉、身体触觉的实时模拟功能，不但能对汽车的大部分驾驶情形及不同驾驶条件下的驾驶情况进行模拟，而且可以无任何风险地重复和再现现实世界中的各种灾难性事件，如汽车碰撞等。它利用虚拟现实仿真技术营造一个虚拟的驾驶训练环境，人们通过模拟器的

操作部件与虚拟的环境进行交互，从而进行驾驶训练。

汽车驾驶模拟器按用途不同，可分为两类：一类训练型驾驶模拟器，用于安全教育、交通规则教育和驾驶训练等。另一类是是科研型驾驶模拟器，用于汽车安全产品开发和人-车-路基础学科研究；如图1中（a）、（b）是训练型驾驶模拟器，

（c）和（d）则是科研型驾驶模拟器。

图1　各种典型的驾驶模拟器

汽车驾驶模拟器的工作基本工作过程为：

Step1：驾驶员对操作部件进行操作，产生相应的机电控制信号；

Step2：机电控制信号经过信号采集与处理，形成相应的车辆动力学模型输入信号；

Step3：车辆动力学模型进行仿真计算，获得当前的车辆状

第4卷　第36期2014年12月

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态，例如发动机转速、发动机输出扭矩、车速、车辆当前的位置等信息；

Step4：将车辆状态信号传输至输出设备，如显示系统、音响系统、仪表系统等；

Step5：驾驶员获得车辆状态的模拟信息，进行下一步操作。

整个过程如图2

所示。

图2　驾驶模拟器工作原理框图

2　驾驶模拟器研究与应用现状

本文主要研究汽车驾驶模拟器在驾驶员培训中的应用，在此仅对训练型驾驶模拟器的研究与应用现状进行综述。

（1）国外驾驶模拟器研究与应用现状

在国外，驾驶模拟器最早出现在航空驾驶训练中，随着电子计算机技术和虚拟现实技术的不断发展，驾驶模拟器逐渐应用到汽车驾驶训练中。目前，美国、日本和欧洲等发达国家已普遍在驾驶员培训中使用汽车驾驶模拟器。早在20世纪70年代中期，美国就有500多所汽车驾校装备了各种驾驶模拟训练器。而在1970年，日本政府甚至以正式法律明确规定：汽车驾校必须装备汽车驾驶模拟器。大多数欧洲国家也相继制定了使用汽车驾驶训练模拟器的法规。由于政府的大力支持，驾驶模拟器的研究与推广应用得以飞速发展，大大提高了培训效率和水平。

以日本为例，日本在汽车驾驶模拟器开发领域的代表企业有Forum8、丰田、本田等公司。Forum8的体验型驾驶模拟器结合了富士重工航空宇航部门的飞行模拟器技术及斯巴鲁汽车的电动六轴运动平台。UC-win/Roadwebviewer软件能提供道路、交通、城市等模型，并在此基础上，进行道路障碍、信号控制等各类互动场景的制作。丰田公司的驾驶模拟器使用实车方向盘，驾驶模拟器控制部分能根据驾驶操作，如加油、刹车、方向盘操作等，并结合环境条件，如路面状况，摩擦系数、横风等，对车辆的运动情况进行分析，从而实现场景的驱动。

在驾驶模拟器应用方面，日本驾校中普遍设有一项叫做“危险预测”的模拟驾车课程，学员通过驾驶模拟器进行操作，车辆参数设置和驾驶环境设置与真实值一模一样，操作者在操作前系上安全带，然后踩离合器、挂挡、踩油门、上路。导航仪提示在路口转弯，前面有来车或路面上出现诸多紧急情况，操作者都必须正确应对，模拟驾驶结束后，教练结合学员驾驶的录像，指出在各种情况下可能遇到的危险和驾驶员的各种应对措施。通过这种模拟驾车，学员在操作中能够快速增长实际驾驶经验。

（2）国内驾驶模拟器研究与应用现状

在国内，一些公司（如北京宣爱、安徽三联等）也相继开发了汽车驾驶训练模拟器，但这些产品相对比较低端，与国外先进水平相比有较大的技术差距。虽然，这些驾驶模拟器具有成本较低的优点，但结构简单，功能单一，使用效果与宣传差距很大，不具备高沉浸感，也难以实现驾驶的互动性，毋庸讳言，这些产品主要通过低端软硬件采购组装而成，缺少独立的知识产权是制约其开发的根本原因，因而，驾驶真实感差，制作画面粗糙。随着国内交通量的增加，驾驶员人数的增多，目前国内的驾驶模拟器技术难以满足日益增长的交通安全教育方面的要求。当前的驾校培训主要通过“师傅带徒弟”，“一车、一教练、一徒弟（或多徒弟）”的传统培养模式开展的，基于驾驶模拟器进行驾驶培训的驾校非常少。

3　驾驶模拟器在驾驶培训中的应用问题

国内的训练型驾驶模拟器应用处于刚刚起步的阶段，经过数十年的发展，已基本能提供驾驶理论培训和驾驶技能模拟培训，采用了国外成熟的技术平台，成本控制较好，性价比高，已经在部分省市开始试点使用，但与国外相比存在较大的差距。概括而言，主要存在一下问题。

（1）对汽车驾驶技能的整体性、系统性认识不明，因而培训目标设计缺乏科学依据，导致培训工作顾此失彼、被动应付的的局面。

技术教育的目的在于“提高劳动者的素质”，以适应现代科学技术发展的需要。从宏观意义上讲，这是完全正确的。但是，模拟培训技术工作还需要阐明作为培训预期目标的技术能力的整体结构、组成要素及其相互关系，否则，是很难提高技术培训的科学化水平的。近年来，正是由于缺乏这方面的理论研究，使得技术培训方案的制定工作存有较大的盲目性，往往是“头疼医头，脚疼医脚”，造成了某些培训内容缺乏针对性、求学积极性不高和培训效果不佳的恶性循环。显然，如果对技术能力的整体性、系统性的认识问题不解决，即使在培训中投入再多的人力、物力，其效果都只会是事倍功半，无助于从根本上扭转当前培训工作的被动局面。我们认为，要解决提高培训效率的问题，研究的关键在于首先从宏观上阐明汽车驾驶技能结构的组成要素及其相互关系。只有如此，才能为培训内容的整体设计提供科学的依据，也才能确保对学习者进行有目的、有计划、高效率的定向培养。

（2）对汽车驾驶技能结构中操作成分与心智成分的主从关系认识不明，在确定培训的战略重点时，或者主次不分，或者本末倒置，导致培训不能适应现代科学技术发展对驾驶员的新要求。

一些部门在制定汽车驾驶培训的教学大纲和方案时，或者片面强调操作技能，或者局限于一些操作性知识，都较少涉及急需的心智技能的培养内容，必须指出，这种指导思想的盲目性都是由于缺乏对汽车驾驶技能结构各要素主从关系的研究造成的。所以，当前汽车驾驶技能培训研究所面临的又一项任务，就是结合我国推进传统汽车驾驶培训改革和赶超新技术革命的要求，在研究汽车驾驶技能整体结构的同时，揭示出对现代技术能力结构中起决定性作用的组成要素，为今后的技术培训战略重点的抉择提供理论依据。

（3）对技术培训的学习规律认识不明，缺乏专门的动态研究，导致现行培训沿袭经验主义或工匠式的教学方法，妨碍了学员汽车驾驶技能的有效形成，特别是在心智技能的培养方面，其影响尤为突出。

技术培训是一种社会生产经验的传递过程，它是借助于一

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