楊亞聯(lián),戴濟順,謝 瀟

(1.重慶大學(xué)a.汽車工程學(xué)院;b.機械傳動國家重點實驗室,重慶400044;2.襄陽達安汽車檢測中心,湖北 襄陽441004)

目前中國已成為世界上第一大汽車生產(chǎn)和消費國,且逐年增長的汽車市場帶來了行業(yè)內(nèi)的激烈競爭,駕駛員對汽車駕駛性能也有了越來越高的要求。在產(chǎn)品開發(fā)前期就引入人機交互的測評手段,采用模擬駕駛系統(tǒng)進行仿真測試,對于確保產(chǎn)品的成功開發(fā)和性能需求,奠定了良好的基礎(chǔ)。

汽車試驗場可重現(xiàn)汽車行駛過程中遇到的各種道路和駕駛場景,是驗證測試汽車性能的重要手段。因此,國外已建立了眾多的汽車試驗場,如美國阿伯丁試驗場與Milford試驗場、德國ATP試驗場、英國MIRA試驗場等[1]。中國于1958年始,先后建立了海南試驗場、襄陽試驗場、定遠試驗場、中汽鹽城試驗場、上汽通用泛亞廣德試驗場、重慶西部試驗場等[2-3]。

搭建實際場地進行測試驗證耗資巨大,且會受到時間和天氣等不可控因素影響。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展,使在VR場景下通過駕駛模擬系統(tǒng)進行汽車相關(guān)的模擬仿真測試成為了可能。豐田交通研究所的Mimura等[4]在虛擬道路上通過駕駛模擬系統(tǒng)研究高齡人士開車時限速的必要性;美國弗吉尼亞大學(xué)Brown等[5]在虛擬環(huán)境下,通過模擬駕駛系統(tǒng)測試自動駕駛車輛對于正常人駕駛的影響;美國愛德華大學(xué)的Brown等[6]通過NADS在虛擬場景下測試不同的酒精濃度對駕駛的影響。

駕駛模擬系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的視景顯示會造成顯示視角固定及畫面顯示粗糙等問題,因此,提出了一種基于VR試驗場景的駕駛模擬系統(tǒng)研發(fā)方案。參照墊江某汽車綜合試驗場等比例建立了3Ds Max模型,并使用HTC Vive和Unity 3D搭建虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)。采用Labview RT和Carsim構(gòu)建汽車動力學(xué)仿真模型,實現(xiàn)了駕駛模擬在虛擬現(xiàn)實仿真條件下的人機交互。仿真結(jié)果表明:所構(gòu)建的駕駛模擬系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期的開發(fā)功能和需求,場景顯示良好,并可給予駕駛員更廣、更自由的駕駛視角。

1 汽車綜合試驗場建模

1.1 高速環(huán)道建模

汽車試驗場中的高速環(huán)道可供試驗車進行連續(xù)高速行駛。文中高速環(huán)道設(shè)計形狀為長圓形,其三維模型的設(shè)計可分為水平面線型和橫斷面線型,見圖1所示。

圖1 高速環(huán)道三維模型設(shè)計Fig.1 3D model design of high speed loop

1)水平面線型設(shè)計。水平面線型一般由直線段OM、緩和曲線段MN、圓曲線段NE組成。直線段曲率為0,圓曲線段曲率為1/r,緩和曲線段能使圓曲線和直線之間的曲率平滑過度,是水平面線型設(shè)計的重點。

依據(jù)布勞斯曲線,緩和曲線段MN上任意點的x,y坐標為:

式中:k為緩和曲線曲率;l為緩和曲線某點處弧長;r為圓曲線段半徑;S為緩和曲線段全長;θ為緩和曲線段某點傾斜角;x,y為緩和曲線段某點坐標。

依據(jù)式(1),圓曲線半徑r為400 m,緩和曲線全長S為400 m,據(jù)此計算l值處環(huán)道中心線xy的坐標值,從而得到高速環(huán)道水平面線型。

2)橫斷面線型設(shè)計。由于高速環(huán)道的最高車速較大,需設(shè)計橫向超高角β(坡度傾角)抵消汽車高速行駛時產(chǎn)生的離心力。即

式中:g為重力加速度;r為彎曲半徑;v為汽車速度;β為橫向超高角。

圓曲線段NE的橫斷面線型設(shè)計。該試驗場設(shè)置了4條高速環(huán)道,車道至內(nèi)向外,車速分別為80、120、160、200 km/h。車速不同,則其橫向超高角不同,因此選擇3次拋物線作為橫斷面曲線(見圖1(b)橫斷面線型所示),使環(huán)道橫斷面間車速分布得更為連續(xù)均勻[8]。以第一車道邊界作為圓曲線橫斷面曲線起點,以曲線在每條車道中心線的一階導(dǎo)數(shù)為該車道橫向超高傾角的正弦值,求解該曲線方程。

緩和曲線MN段的橫斷面型設(shè)計。由于緩和曲線各點曲率不同,則其橫斷面曲線方程不同,為避免曲線方程過多,以造成建模三角面過多,并引起場景渲染卡頓,所以只在緩和曲線段距起點每間隔40 m處計算其橫斷面線型方程。方程計算方式與圓曲線一致,最終的設(shè)計線型見圖2所示。

3Ds Max中基于水平面線型及橫斷面線型設(shè)計的汽車試驗場高速環(huán)道模型見圖3所示。

圖2 緩和曲線橫斷面線型Fig.2 Cross section line of transition curve

圖3 高速環(huán)道三維模型Fig.3 3D model of high speed loop

1.2 標準坡道建模

為了測試車輛的縱坡通過性和車輛動力性,依據(jù)國標GB/T 12539—2018[9],設(shè)計的標準坡道見圖4所示。

該汽車試驗場中建設(shè)了6條標準坡(參數(shù)見表1)。道路設(shè)計為5 m單車道,3Ds max中建立的三維模型見圖5所示。

圖4 標準縱坡示意圖Fig.4 The standard longitudinal slope

圖5 標準縱坡3D模型Fig.5 3D model of standard longitudinal slope

表1 標準縱坡參數(shù)Table 1 Standard longitudinal slope parameters

1.3 其他試驗道路建模

該試驗場中還有直徑300 m的動態(tài)試驗廣場,用于動態(tài)轉(zhuǎn)向、最小轉(zhuǎn)彎半徑、直角轉(zhuǎn)彎試驗;測試路段長400 m,3車道,寬9 m的舒適性道路,用于車內(nèi)噪聲、平順性測試、異響測試評價;車道總長約4 280 m,2車道,寬8 m的綜合評價道路,包含多種不同半徑彎道、不同縱向坡度坡道,用于整車性能主觀評價、磨合試驗等;車道總長約2 000 m,寬15 m的基本性能環(huán)道,用于動力性測量、掛檔滑行測試、直接加速性能測試等。最終搭建起的完整汽車綜合試驗場模型見圖6所示。

圖6 汽車綜合試驗場道路模型Fig.6 Road model of the VPG

2 基于VR的汽車試驗場顯示

2.1 基于虛擬現(xiàn)實的視景顯示系統(tǒng)

駕駛模擬系統(tǒng)的傳統(tǒng)視景顯示中存在著顯示視角固定或畫面較為粗糙等問題。而結(jié)合VR技術(shù)及物理仿真引擎可搭建出視角自由、畫面精細的視景顯示系統(tǒng)。

筆者在分析目前基于VR的視景顯示方案的基礎(chǔ)上[10-12],采用HTC Vive作為虛擬現(xiàn)實開發(fā)硬件,通過雙目雙屏的圖像視角差形成立體視感。雙屏分辨率為2 160×1 200,像素密度為447 PPI,刷新率為90 Hz,能滿足人眼視覺的高清顯示[13]。

采用Unity 3D作為虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件。Unity 3D對Direct X和OpenGL等底層圖形API具有高度優(yōu)化的圖形渲染通道[14],并內(nèi)置有基于開源SDK Open VR構(gòu)建而成的Steam VR插件,支持VR硬件的接入和信息封裝[15],方便了虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)的研發(fā)。

虛擬現(xiàn)實視景顯示系統(tǒng)采用HTC Vive作為顯示設(shè)備,Unity 3D作為圖形仿真及渲染引擎。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)顯示原理見圖7所示,HTC Vive兩基站捕捉頭顯設(shè)備運動,將運動信息傳遞至Unity 3D,其中的Steam VR再根據(jù)頭部旋轉(zhuǎn)信息切換人眼實時所見畫面,并將其轉(zhuǎn)換為左右眼雙屏顯示,輸出至頭顯設(shè)備,實現(xiàn)場景的3D立體顯示。

圖7 虛擬現(xiàn)實視景顯示原理Fig.7 Principles of VR visual display

2.2 基于虛擬現(xiàn)實的汽車試驗環(huán)境搭建

實現(xiàn)了虛擬視景顯示后,還需在Unity 3D中搭建完整的汽車試驗場環(huán)境,包括自然環(huán)境、試驗場測試道路、實時天氣系統(tǒng)。

1)環(huán)境地形。Unity 3D中的Terrain工具可創(chuàng)建地形及設(shè)置地面紋理貼圖,并根據(jù)距離遠近切換顯示模型精細度,提高渲染速度。

2)試驗場道路。通過3D max完成汽車試驗場道路建模,考慮到模型的通用性,將其導(dǎo)出為FBX格式,并導(dǎo)入至Unity 3D Asset中作為預(yù)制件,便于Unity 3D中的管理與場景搭建。

3)天氣系統(tǒng)。天氣系統(tǒng)的創(chuàng)建主要運用了天空盒和粒子系統(tǒng),可模擬出黃昏、夜晚的明暗顯示,以及雨天、雪天等不同天氣下的變換效果(見圖8)。

圖8 場景渲染Fig.8 Scene rendering

2.3 基于虛擬現(xiàn)實的駕駛員所見畫面顯示

搭建了VR視景顯示系統(tǒng)及汽車試驗場景后,還需模擬出駕駛員的顯示視角,從而確定視角顯示畫面,并將該處畫面?zhèn)鬏斨令^顯設(shè)備,使駕駛員具有三維沉浸感的視覺體驗。具體分為以下3個步驟完成。

1)Unity 3D中駕駛員所見畫面顯示。為獲得駕駛員在汽車試驗場中的所見畫面,需創(chuàng)建Camera仿真模型。汽車試驗場環(huán)境下的所有物體在虛擬世界中都具有唯一世界坐標,而Camera模型根據(jù)世界坐標 攝像機坐標 裁剪坐標 屏幕坐標的坐標變換,計算汽車試驗場中的模型在Camera中的顯示位置,并將Camera處的所見畫面實時顯示。在運行過程中將Camera仿真模型放置于駕駛員人眼處,即可模擬出駕駛員的所見畫面。

2)HTC Vive中駕駛員所見畫面顯示。Steam VR的CameraRig已整合Camera仿真模型,在設(shè)置了CameraRig的各項屬性后,便可實時調(diào)取CameraRig處的顯示畫面(見圖9),而后將其轉(zhuǎn)換為左右眼分屏的VR顯示,通過HDMI線傳輸畫面至HTC Vive頭顯屏幕中,實現(xiàn)VR頭顯處的駕駛員所見畫面重現(xiàn)。

3)HTC Vive中駕駛員所見畫面切換。隨著駕駛員頭部的位姿變化,頭顯設(shè)備的坐標信息會通過Steam VR傳輸至Unity 3D中,并實時更新CameraRig位姿,通過CameraRig在汽車試驗場景下的坐標變化來改變頭顯設(shè)備中的顯示畫面,保證駕駛員的所見畫面跟隨頭部運動而變化。

圖9 CameraRig處顯示畫面Fig.9 Display at CameraRig

3 基于VR的駕駛模擬系統(tǒng)研發(fā)

3.1 駕駛模擬系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

駕駛模擬系統(tǒng)是在人 車 路環(huán)境下的閉環(huán)仿真系統(tǒng)。但基于VR的汽車試驗場景不能直接建立汽車動力學(xué)仿真模型,反映出汽車的運動狀態(tài),還需結(jié)合Carsim及Labview RT搭建汽車動力學(xué)聯(lián)合仿真平臺。所構(gòu)建的駕駛模擬系統(tǒng)見圖10所示。

駕駛員根據(jù)VR頭顯設(shè)備中的虛擬場景來操縱羅技G27,通過汽車動力學(xué)仿真平臺采集駕駛員操控設(shè)備信號,結(jié)合整車動力學(xué)模型及虛擬道路,解算出實時的汽車位姿信息,并發(fā)送至Unity 3D,以驅(qū)動虛擬汽車運動。同時Unity 3D根據(jù)頭部位姿信息,并通過坐標變換和Steam VR,實現(xiàn)駕駛員在頭顯設(shè)備中的所見場景切換,從而形成閉環(huán)仿真。

3.2 駕駛模擬系統(tǒng)中駕駛操控設(shè)備

羅技G27作為駕駛員操控設(shè)備,通過USB接口及羅技驅(qū)動連接至Host PC中。由Host PC的Labview程序采集方向盤及踏板數(shù)據(jù),并對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,使其適應(yīng)車輛動力學(xué)模型輸入。

3.3 駕駛模擬系統(tǒng)中汽車動力學(xué)仿真平臺架構(gòu)

本駕駛模擬系統(tǒng)采用了基于Labview RT及CarSim的聯(lián)合仿真架構(gòu)搭建車輛動力學(xué)實時仿真平臺。

Labview RT仿真環(huán)境由軟件Labview和硬件NI PXI 8108兩部分構(gòu)成。Labview是一種使用圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境,NI PXI 8108為NI公司的高性能實時控制器。在Host PC端使用Labview的Real-Time模塊開發(fā)Labview RT程序,并通過以太網(wǎng)將程序下載至NI PXI 8108,從而建立實時運行環(huán)境。

Carsim針對Labview RT開發(fā)了3個子VI,分別為仿真初始化(*_Init.vi)、單步迭代(*_Step.vi)、仿真終止(*_Terminate.vi),以便嵌套入Labview RT程序中,并在每一次仿真循環(huán)中可重復(fù)調(diào)用。

圖10 駕駛模擬系統(tǒng)架構(gòu)Fig.10 Driving simulation system architecture

在Host PC中編寫好Labview RT程序,程序首先將羅技G27駕駛數(shù)據(jù)作為動力學(xué)輸入?yún)?shù),然后將Carsim子VI嵌套入Labview RT程序中,通過其解算Unity 3D端的汽車位姿信息。最后配置通訊IP地址后,即可通過以太網(wǎng)將實時程序下載至PXI-8108控制器中實時運行,仿真架構(gòu)見圖11所示。

圖11 Labview RT與Carsim RT聯(lián)合仿真構(gòu)架Fig.11 The co-simulation of Labview RT and Carsim RT

3.4 駕駛模擬系統(tǒng)中虛擬試車場VR顯示

通過Unity 3D及HTC Vive構(gòu)建出基于VR的視景顯示系統(tǒng)。Unity 3D通過TCP實現(xiàn)與汽車動力學(xué)仿真平臺間的通訊,即通過Labview編寫程序作為服務(wù)器端,發(fā)送汽車位姿,Unity 3D使用C#編寫程序作為客戶端,IP地址為本機連接的“127.0.0.1”。利用C#中Spilt函數(shù)處理數(shù)據(jù),讀取汽車位姿數(shù)據(jù),實時計算當前的駕駛員視角下的顯示畫面,并結(jié)合頭部位姿將渲染畫面輸出至HTC Vive頭顯,實現(xiàn)駕駛畫面的3D立體顯示。

4 基于VR的駕駛模擬系統(tǒng)仿真

4.1 駕駛模擬系統(tǒng)搭建

筆者基于汽車虛擬試驗場及動力學(xué)仿真平臺搭建的駕駛模擬系統(tǒng)見圖12所示。

圖12 駕駛模擬系統(tǒng)實景圖Fig.12 Actual photos of the driving simulation system

4.2 駕駛模擬系統(tǒng)實時仿真

為驗證基于虛擬現(xiàn)實的駕駛模擬系統(tǒng)的可行性,進行了如下實驗。

駕駛員頭戴VR頭顯,通過羅技G27設(shè)備操控汽車,操控信息經(jīng)由汽車動力學(xué)仿真平臺解算后,將汽車位姿信息輸出至Unity 3D端,Unity 3D端實時更新頭顯顯示畫面。

1)顯示效果良好。Unity 3D端可完整的顯示出汽車試驗場環(huán)境,包括道路、樹木、天空等重要場景模型(見圖13(b)),其相較于Carsim中的模擬場景(見圖13(a)),更加符合真實駕駛環(huán)境。

圖13 Unity3D與Carsim中的汽車試驗場顯示Fig.13 The display of VPG in Unity3D and Carsim

2)駕駛視場角得到有效提升。正常人的雙目立體視場角(FOV,field of view)約為120°,而傳統(tǒng)視景顯示下的單屏僅能提供60°～90°的FOV,通過在Unity 3D中改變FOV值來模擬不同的FOV下的場景顯示,其單屏下的顯示效果圖14(a)和圖14(b)所示。實時仿真中VR頭顯的FOV則增至110°,轉(zhuǎn)換為屏幕下的顯示效果見圖14(c)所示,其FOV相較于非VR的單屏增加了約22%～83%,逼近真實的人眼立體FOV。且通過圖14的綜合對比分析,VR模式可有效擴展駕駛員雙眼的可觀察畫面。

圖14 不同F(xiàn)OV下的顯示畫面Fig.14 The display under different FOV

3)駕駛員前方可觀察視角得到提升。VR頭顯中顯示畫面隨著頭部運動而變化,見圖15(a)即反映出駕駛員頭部左偏下的朝向及此時的所見畫面。通過對比分析,VR顯示下的觀察視角相較于傳統(tǒng)單屏下的固定視角(見圖15(b)),可使駕駛員前方的自由觀察視角增加至180°(見圖15),與真實駕駛時的觀察視角一致,有效增強駕駛沉浸感。

圖15 Unity 3D中的VR視角Fig.15 VR perspective in Unity 3D

5 結(jié) 論

根據(jù)汽車綜合試驗場標準參數(shù),在3Ds Max中等比例建立了墊江某試驗場模型,并結(jié)合Unity 3D及HTC Vive完成了VR視景顯示系統(tǒng)開發(fā),通過Labview RT及Carsim完成了汽車動力學(xué)實時仿真,最終完成了基于VR試驗場景的完整駕駛模擬系統(tǒng)研發(fā)。

基于虛擬現(xiàn)實試驗場景的駕駛模擬系統(tǒng)中的場景較Carsim更為豐富,且與駕駛模擬系統(tǒng)的傳統(tǒng)單屏顯示相比,其FOV增加了22%～83%,其駕駛員前方的視角范圍從單屏的固定視角增加至自由的180°,駕駛顯示視角更廣、更靈活,符合實際駕駛狀態(tài)。