虚拟驾驶模拟系统---特殊效果

毕业设计

题目虚拟驾驶系统

---特殊效果

学院机械工程学院

专业机械工程及其自动化

班级机自0701

学生徐晓卿

学号20070403222

指导教师王玉增

二〇一一年五月三十日

1前言

1.1虚拟驾驶系统的背景

随着我国经济的不断发展，越来越多的汽车作为代步工具进入大众化家庭，汽车的普及催生了大批的非职业化驾驶员，汽车驾驶训练的工作量有了很大程度的提高。驾校需要购置更多的车辆提供驾驶训练，并且加大教师的配备，来满足市场的需求，这与资金的投入产生了矛盾；采用实车进行汽车驾驶训练存在着污染、高成本、危险性高、场地不足等限制，市场的供应和需求的矛盾促使人们寻求新的驾驶训练方式。

计算机性能的提高和虚拟现实技术的发展，为在计算机上模拟汽车驾驶环境，进行驾驶训练提供了可能。计算机仿真技术、实时图形图像处理技术的飞速发展，为汽车仿真的研究提供了有力的工具和帮助。利用仿真技术可以进行不同虚拟环境的开发和多种车辆模型的设计，为汽车驾驶训练开辟了新方向。利用虚拟驾驶系统进行训练，不受时间、场地和气候的限制，在达到培训质量的前提下，具有经济、环保的优点，因此，利用计算机来开发汽车虚拟驾驶系统是一种有效的手段。

虚拟现实技术的提出和发展，为汽车虚拟驾驶系统的研究和开发提供了新手段。虚拟现实技术又称灵境技术，是一种先进的计算机界面技术，通过给用户提供视觉、听觉、触觉的交互手段，使用户产生强烈的沉浸感，带有实时交互功能的操作，能减轻用户的负担，提高系统的工作效率[1-3]。美国科学家自1989年首次提出虚拟现实技术以来[4]，这项技术发展十分迅速，并广泛应用于军事、航空航天、自动控制、医疗、娱乐、教育等领域。将虚拟现实技术应用于汽车训练，即利用计算机构建用于汽车驾驶训练的虚拟环境和用于训练的车辆，产生“人-车-环境”闭环系统，在这一闭环系统中驾驶汽车，可根据车辆的行驶不断变换相应的虚拟视景、场景音效和车辆的运动仿真，使驾驶员沉浸到这一环境中，并根据虚拟环境中产生的触觉，听觉和视觉，变换相应的驾驶动作，使得虚拟驾驶车辆的位置在行驶环境中不断变化，以此产生驾驶员和虚拟环境的交互，达到训练驾驶员动作的目的。这种能够正确模拟汽车驾驶动作，获得实车驾驶感觉的仿真系统就是汽车虚拟驾驶系统，它是既能进行汽车驾驶训练，提高驾驶员水平，又能降低各种费用的汽车训练装置。运用这种装置进行汽车驾驶训

练，可以减少实车训练带来的意外伤害，具有节约能源和经济，并且不受时间、气候和场地限制。

现今驾校成本不断增加，利润逐年下降，培训效率低，满意度差，必须通过提高效率争取生源，扩大经营降低成本的方式来改变现状，模拟驾驶训练加实车驾驶训练，是一种行之有效的现代汽车驾驶员培训模式。在各方面受限的情况下，首先采用不易损坏、没有危险的虚拟驾驶系统对训练内容模拟，在学员对训练内容熟练操作后再进行实车训练，避免了对实车的巨大损耗，提高了训练效率，减低了驾驶培训的危险性。在新的《汽车驾驶培训大纲》中将汽车驾驶模拟训练列入其中，证明了虚拟驾驶系统的重要性。

1.2国内外的研究现状

早在上世纪70年代，美国、西欧等一些发达国家就开始汽车虚拟驾驶系统的研究[7]。上世纪80年代以来，德国、瑞士、日本、美国的各大汽车厂家都分别建立了开发型汽车虚拟驾驶系统[8]。德国奔驰公司于1985年建成了6自由度汽车虚拟驾驶系统，其性能代表当时汽车虚拟驾驶系统技术的最高水平；1989年，德国大众汽车公司则更新了原有虚拟驾驶系统的计算机系统和视景生成系统，并用于新产品的研制中；20世纪80年代，瑞典VDI公司也投资建成了汽车虚拟驾驶系统，用于瑞典车辆和交通系统的研究与开发；美国GM汽车公司1989年开始研制开发性虚拟驾驶系统，至今为止已经开发出第二代产品[8-9]，其性能指标居世界领先水平。1993年，美国FORD汽车公司也开始研制自己的开发型虚拟驾驶系统；美国阿依华车辆中心于1993年就启用1300万美元来开发汽车驾驶模拟系统，1996年又增加投资3000万美元由TRW公司进行改进，作为研究高速公路及车辆系统的国家研究基地的一部分，被称之为国家先进汽车驾驶模拟器（NDAS）；1993年，美国交通部（DOT）招标建立美国的大型驾驶模拟器，IOWA大学中标。1991年日本马自达公司兴建了跑车型开发性驾驶模拟器，1995年日本汽车研究所（JARI）也建成了带有体感模拟系统的驾驶模拟器[10-13]。

在国内，汽车虚拟驾驶系统发展较晚，一些公司开发了汽车虚拟驾驶系统，但与国际先进水平存在一定的差距。随着汽车驾驶训练需求的增长，引进的汽车虚拟驾驶

系统价格昂贵，并且不适合我国的交通规则，使得国内研制自己的汽车虚拟驾驶系统尤为重要。

19世纪20年代初期，北京航空航天大学、国防科技大学、中国航空精密机械研究所，东南大学、吉林大学，等单位都开展了积极的研究工作，并开发出了一些产品，其中北京航空航天大学研制的MCGI-9410T计算机成像系统、航空精密机械研究所研制的QM—CGI汽车驾驶训练模拟系统较有代表性，吉林大学建设的具有6自由度运动系统的开发型车辆驾驶模拟器，其规模和性能居世界先进水平。吉林大学动态模拟国家实验室是1989年获得批准，利用世界银行贷款建设的国家重点实验室，在1996年12月建成，1997年起正式进入国家重点实验室队列。该实验室于2006年开发了大型开发型汽车虚拟驾驶系统。

1.3虚拟驾驶系统的分类

早在上世纪70年代，美国、西欧等一些发达国家就开始汽车虚拟驾驶系统的研究[7]。上世纪80年代以来，德国、瑞士、日本、美国的各大汽车厂家都分别建立了开发型汽车虚拟驾驶系统[8]。德国奔驰公司于1985年建成了6自由度汽车虚拟驾驶系统，其性能代表当时汽车虚拟驾驶系统技术的最高水平；1989年，德国大众汽车公司则更新了原有虚拟驾驶系统的计算机系统和视景生成系统，并用于新产品的研制中；20世纪80年代，瑞典VDI公司也投资建成了汽车虚拟驾驶系统，用于瑞典车辆和交通系统的研究与开发；美国GM汽车公司1989年开始研制开发性虚拟驾驶系统，至今为止已经开发出第二代产品[8-9]，其性能指标居世界领先水平。1993年，美国FORD汽车公司也开始研制自己的开发型虚拟驾驶系统；美国阿依华车辆中心于1993年就启用1300万美元来开发汽车驾驶模拟系统，1996年又增加投资3000万美元由TRW公司进行改进，作为研究高速公路及车辆系统的国家研究基地的一部分，被称之为国家先进汽车驾驶模拟器（NDAS）；1993年，美国交通部（DOT）招标建立美国的大型驾驶模拟器，IOWA大学中标。1991年日本马自达公司兴建了跑车型开发性驾驶模拟器，1995年日本汽车研究所（JARI）也建成了带有体感模拟系统的驾驶模拟器[10-13]。

在国内，汽车虚拟驾驶系统发展较晚，一些公司开发了汽车虚拟驾驶系统，但与