低等级公路驾驶体验训练仿真平台设计与实现∗

2016-06-08尤志栋王峻极郝会龙周穆雄

公路与汽运 2016年3期

关键词：汽车驾驶

尤志栋，王峻极，郝会龙，周穆雄

（1.公安部交通管理科学研究所，江苏无锡 214151；2.道路交通安全公安部重点实验室，江苏无锡 214151）

低等级公路驾驶体验训练仿真平台设计与实现∗

尤志栋1，2，王峻极1，2，郝会龙1，2，周穆雄1，2

（1.公安部交通管理科学研究所，江苏无锡 214151；2.道路交通安全公安部重点实验室，江苏无锡 214151）

摘要：驾驶体验训练仿真平台是针对驾驶人这一重点交通参与者群体的交通安全宣传教育的重要手段和载体，能训练驾驶人的驾驶技能，提高驾驶人的安全意识，降低交通事故的发生率，正日益受到国内外交通安全宣传教育领域的青睐。文中在简要分析中国农村地区低等级公路严峻交通安全现状的基础上，介绍了驾驶模拟技术背景和应用情况，论述了面向农村地区驾驶人的低等级公路驾驶体验训练仿真平台实现的关键技术。通过该平台的推广应用，可提升农村地区驾驶人的交通安全意识、培养农村地区驾驶人的良好驾驶习惯、丰富农村地区驾驶人的驾驶技能培训与考试手段，对农村地区驾驶人的交通安全宣传教育具有重要指导作用和现实意义。

关键词：汽车驾驶；农村地区驾驶人；低等级公路；驾驶体验训练仿真平台

近年来，随着农民经济收入的增加和生活水平的提高，各类农村机动车和驾驶人的数量急剧增多。但受农村地区道路状况差、道路设施配置薄弱、交通管理滞后及农村地区驾驶人缺乏交通安全意识等相关因素的影响，农村地区道路交通系统各因素间的矛盾加剧，农村交通事故数直线上升，形成了目前严峻的交通安全形势。据统计，2010—2014年，中国农村低等级公路上平均每年发生交通事故5.28万起，造成1.64万人死亡、6.07万人受伤，直接财产损失1.71亿元，分别占全国总数的25.6%、27.0%、26.6%和16.2%。在中国，农村交通事故次数、死亡人数和受伤人数都明显高于城区，发生在农村的交通事故严重程度和死亡率也均高于城区。因此，对农村地区驾驶人开展交通安全宣传教育，使其掌握道路交通安全常识，认识交通事故后果的严重性和危害性，对提升农村地区交通安全现状具有显著的现实意义。

1　仿真平台技术背景

1.1驾驶模拟仿真技术

驾驶模拟仿真技术结合虚拟现实技术与车辆传感器技术，由安装在驾驶座舱的传感器采集驾驶人的驾驶操作信号并输入计算机，计算机中的汽车运动动力学模型软件计算出车辆的位置及运动姿态等瞬时参数，再将参数输入视景仿真模块，产生与车辆运动相对应的道路交通场景，通过显示设备呈现给驾驶人，实现人-机实时交互仿真。

驾驶人通过控制驾驶体验训练仿真平台的操作部件可进行与虚拟视听环境的交互练习，从而进行驾驶体验训练。驾驶体验训练仿真平台一般在室内环境运行，不受天气、时间的影响，不会发生交通事故，同时具有很强的扩展性，能根据不同的研究对象特征设计针对性的体验或训练内容。

1.2国内外研究现状

国内外许多研究机构和汽车公司建立了类似的实验环境，并将其应用到人-车-路驾驶模拟系统，特别是驾驶人行为特性相关的研究中，以寻求改善交通安全状况的途径。

在国外，丰田公司2007年建成的驾驶仿真模拟系统主要用于研究和分析各种实际驾驶过程中易发生的驾驶状况，包括打瞌睡、未注意路况和疲劳驾驶等；美国爱荷华大学的NADS驾驶模拟平台通过研究交通流的变化对驾驶人驾驶行为的影响，基于驾驶人对驾驶过程的预估，演算自动驾驶模型，评估自动驾驶对驾驶人的影响。国外研究表明，驾驶模拟器的训练有利于驾驶人掌握驾驶技能，日本自20世纪80年代以来培训的驾驶人90%采用驾驶模拟器训练，取得了较理想的效果。

在国内，吉林大学汽车动态模拟国家实验室结合人-车-路环境，研究道路条件、特性和其他因素对驾驶行为的干扰与影响。武汉理工大学建立的汽车驾驶模拟平台主要基于道路交通，用于驾驶人培训和考核、汽车自动驾驶仿真和交通诱导等研究。

2　仿真平台体验训练方案设计

2.1体验训练方案总体设计

低等级公路驾驶体验训练仿真平台面向农村地区驾驶人，体验训练方案以农村地区低等级公路驾驶技能的体验训练为主线，驾驶场景主要为临水临崖、弯多、路窄、坡陡、路面损坏严重、标志标线不完善等农村地区低等级公路场景，提高农村地区驾驶人的交通安全意识、增强其对于低等级公路驾驶技能的学习和掌握。体验训练方案采用分项训练、综合体验的方式进行整体设计（如图1所示）。

图1　低等级公路驾驶体验训练方案总体设计

（1）分项训练。针对放眼远方、留有余地、环顾四周、视线灵活、引人注意等驾驶原则，结合农村地区低等级公路复杂的交通环境及频发的危险交通事件，设计4项训练方案，即放眼远方训练、留有余地训练、环顾四周训练、引人注意训练。

（2）综合体验。在分项训练的基础上，设计2段符合农村地区实际特点的驾驶场景，其中包含典型危险交通事件，为农村地区驾驶人提供综合的农村地区低等级公路驾驶体验，并对体验者的模拟驾驶过程进行综合评价。

通过采用分项训练、综合体验的方式设计体验训练方案，可使农村地区驾驶人更好地了解和学习适合农村地区低等级公路的驾驶方式，改善他们的低等级公路驾驶行为习惯。

2.2分项训练详细设计

2.2.1放眼远方训练

该模块的训练方式是在不同交通场景下进行不同时速的模拟驾驶，使体验者较为准确地掌握前方视野内车辆的距离、时距等信息。

在模拟驾驶过程中，屏幕上给出必要的动态距离标识。将视野区域分为3个级别，即3 s区域、6 s区域、15 s区域，不同视野区域采用不同的颜色以半透明的方式进行动态标识。

在虚拟交通环境中，值得注意的是交通对象，如同向的车辆、附近的行人、信号灯等，对此采用信息标识框随动的方式进行提示。如前方同向行驶的车辆，设置一个半透明的信息标识牌跟随车辆运行，信息内容包括该车的速度、离本车距离、车头时距等，标识牌的颜色按照与本车时距不同而变化，以提示体验者注意时距，帮助体验者建立准确的距离感和3种视野范围区域感。

在车流中设计相应的突发事件，通过这些事件加强体验者对车头时距及三级视野区域的认识。这些突发事件均与时距相关，如行人在前方车流中穿插横穿公路。在这些事件中，可疑交通参与对象均以高亮或闪烁的方式显示，同时带有时距和空间距离标识，对于时距过近的车辆或交通参与者予以警告显示。

2.2.2留有余地训练

该模块的训练方式是在不同交通场景下完成规定的模拟驾驶任务。

在模拟驾驶过程中，训练体验者有意识地环顾四周，对周边车辆、行人或其他有可能影响本车驾驶的因素引起足够注意，并根据路况及时采取必要措施，形成确保自身安全的行车空间。在交通环境中设计相应的干扰本车正常驾驶的交通事件，从不同的角度和方位以不同类型的车辆或其他交通参与者不停地打破本车现有的安全驾驶空间，逼迫体验者不停地环顾四周，随时调整本车状态，以保持安全的驾驶空间。

在模拟驾驶过程中，以本车为中心设计一个采用透明长方体表示的安全驾驶空间，当在该范围内无其他车辆或交通参与者时，驾驶空间表示体显示为绿色；根据本车及他车状态进行推算，数秒后有可能有他车侵入本车安全驾驶空间时，表示体的颜色将渐变为黄色，以提示司机注意观察、保持空间；一旦有他车侵入本车的安全驾驶空间，表示体颜色则变为红色。

2.2.3环顾四周训练

该模块的训练方式是在不同交通场景下完成规定的模拟驾驶任务。

在模拟驾驶过程中，训练体验者有意识地环顾周边，注意可能干扰行车的任何可疑对象。在交通环境中，设计相应的动态对象，其中有些对象的行为将干扰本车的正常驾驶，其他对象的行为对本车的正常驾驶并无影响。各类动态对象包括：1）路边行走的人群，跑动、嬉戏的儿童，跳广场舞的人群等（考察体验者是否会识别危险源及是否会分散注意力）；2）并行熟人的自行车、遇到障碍物电动车、载客乱窜的三轮车（识别非机动车常见危险动作）；3）道路异常行驶（如S形行驶、醉驾等）的车辆，超载、超速的沙石车或停车场出来的车辆、路边停放起步的车辆（识别车辆危险源）；4）路旁要倾倒的树（考察体验者是否会识别环境危险源）；5）路边动态的LED广告屏、路边的事故处理现场（考察体验者是否会分散注意力）。

2.2.4引人注意训练

该模块的训练方式是在不同交通场景下完成规定的模拟驾驶任务。

在模拟驾驶过程中添加相应的交通事件，通过训练体验者对于交通事件的处置方式，增强体验者在驾驶过程中与其他道路使用者的信息沟通。

在模拟驾驶过程中，如遇T形路口、雨雾天气、标志牌指示等驾驶场景，或需执行转弯、掉头、超车、变道等驾驶操作时，体验者应发出相应的提示信息提示其他道路使用者自己的驾驶意图。

2.3综合体验详细设计

该模块的体验方式是设计2段农村地区低等级公路的模拟驾驶路线，在模拟驾驶行车的过程中添加与低等级公路相关的危险交通事件，通过评估驾驶人对于交通危险事件的处置方式，考核驾驶人对于农村地区低等级公路驾驶技能的掌握程度。

3　仿真平台软硬件开发

根据仿真平台功能组块，可将其划分为硬件和软件两个部分，其中硬件包括车辆驾驶仿真器、控制台及辅助系统，软件为模拟驾驶相关程序。

3.1仿真平台硬件开发

3.1.1仿真平台硬件系统构建

车辆驾驶仿真器是重要的人机交互界面，由车体结构及附属设备子系统、数据采样及输出子系统、视景仿真子系统、声音仿真子系统、六自由度运动子系统5个部分组成（如图2所示）。

图2　低等级公路驾驶体验训练仿真平台硬件系统的组成

（1）车体结构及附属设备子系统。采用真车的实际结构作为仿真器车体的结构，主要保留真车的框架、外观部件、座椅、操纵设备、车轮。车体底部安装一个连接框架，通过该框架实现车体与运动系统上平台的连接。附属设备子系统是指配置模拟驾驶必需的操控部件。

（2）数据采样及输出子系统。操控部件的信息采样在不具备数字化接口的操控部件上加装传感器，如方向盘、油门踏板、制动踏板等，并通过接口电路与采样控制系统相连。信号输出分为模拟量输出和数字量输出。其中，模拟量输出信号不低于4路，包括发动机转速表、车速表、里程表。数字量输出信号不低于16路，包括组合仪表上的各类指示灯等。

（3）视景仿真子系统。在模拟驾驶过程中，司机通过视景系统可看到的视景画面包括前向视景、后视镜视景，并且各个视景画面保持同步。

（4）声音仿真子系统。音效系统由主控计算机控制，音量大小可通过仪表面板直接控制。在驾驶座舱内安装扬声器组形成环绕声场，提高体验者的环境沉浸感。

（5）六自由度运动子系统。考虑到车辆的运动特点，采用六自由度运动平台，该平台可提供笛卡尔坐标系内的纵向、横向、垂向3个自由度平动，仰俯、侧倾、偏航3个自由度转动。

3.1.2控制台及辅助系统开发

控制人员可在控制台上对一台或多台驾驶仿真器进行控制与管理。控制台采用四联控制台，配备系统电源总控面板、运动平台紧急按钮、8台55.88 cm（22英寸）液晶显示器、KVM等设备，1人即可完成全部操作。显示内容包括1个主控界面、2个前向画面、3个后视镜画面、1个管理系统界面和1个CCTV监控系统画面。

仿真主控计算机负责完成仿真运算、采样控制、声音仿真等功能，对外还可提供与管理人员控制系统、其他模拟平台的通信。仿真主控计算机采用工控机，其外围设备包括数据采集卡、5.1立体声音效系统等，分别完成操作动作采样、仪表台输出控制、声音仿真等功能。

系统管理计算机负责管理程序运行、学员数据信息保存，是管理员控制模拟平台的交互终端。

3.2仿真平台软件开发

仿真平台软件系统主要完成道路视景仿真、驾驶过程逻辑驱动、运动平台控制等功能。软件系统首先根据驾驶者的输入（方向盘转角、油门、制动）等控制信息解算车辆的运动姿态，根据交通流逻辑处理模块的输出（交通流状况、信号灯、道路信息等），由视景驱动模块完成实时渲染处理，同时控制运动平台实施相应动作，呈现给驾驶者以逼真的仿真驾驶环境。

按照功能构成，软件系统可分为视景仿真子系统、车辆仿真子系统和主控管理子系统，各子系统又包括若干功能模块（如表1所示）。