摘 要

随着近几年交通运输的快速发展，城市交通拥挤现象越来越普遍，随之而来的交通安全问题也越来越多，在这种情况下，驾驶员的响应特征受到人们的关注程度也随之增加。其中，疲劳程度可以很好的反应驾驶员的生理与心理状态，对于不同的疲劳程度制定相应的驾驶策略并判定驾驶员是否应当继续驾驶行为。研究得到的驾驶员响应特征参数，可以为跟驰、碰撞与紧急制动等情况下的高级驾驶辅助系统提供参考。

而随着虚拟现实技术的发展，虚拟驾驶的应用也越来越广泛，为新车型开发与车辆性能研究提供了有力帮助。运用虚拟驾驶技术，搭建虚拟驾驶平台，通过驾驶模拟器与数据采集系统，对驾驶员在不同的虚拟实验场景的响应特征进行分析研究。相较于传统的自然驾驶研究方法与道路试验，高效，经济，安全，可重复性高。

关键词：驾驶模拟器，虚拟驾驶，Unity 3D

Abstract

With the rapid development of transportation in recent years, urban traffic congestion has become more and more common, and traffic safety problems have become more and more. In this case, the response characteristics of drivers have also been paid more attention. Among them, the fatigue level can reflect the driver's psychological and psychological state very well, formulate corresponding driving strategies for different fatigue levels and determine whether the driver should continue driving behavior. The characteristic parameters of driver response obtained from the study can provide reference for advanced driving assistant system in car-following, collision and emergency braking.

With the development of virtual reality technology, the application of virtual driving is more and more extensive, which provides a powerful help for the development of new models and the research of vehicle performance. The virtual driving platform is built by using virtual driving technology. The response characteristics of drivers in different virtual experimental scenes are analyzed and studied through driving simulator and data acquisition system. Compared with the traditional natural driving research methods and road tests, it is efficient, economical, safe and repeatable.

Key words: driving simulator, virtual driving, Unity 3D

目录

第1章绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究目的及意义 1

1.3驾驶模拟器简介 2

第2章视景系统的设计与实现 3

2.1虚拟引擎Unity 3D简介 3

2.2虚拟场景构成 3

2.3静态环境模块的搭建 3

2.4动态环境模块的搭建 5

2.5质心的确定 6

2.6悬挂系统与车轮碰撞体 6

2.7控制程序 7

第3章实验场景设计 9

3.1触发器 9

3.2紧急避撞场景 9

3.3超车场景 11

第4章驾驶模拟器与信息采集设备 13

4.1驾驶模拟器 13

4.2信息采集 13

第5章驾驶模拟器离合与制动 16

5.1离合装置 16

5.2盘式制动器 16

结论 17

参考文献 18

致谢 21

第1章 绪论

1.1研究背景

近年来，汽车产业保持飞速发展的势头，我国人均汽车保有量持续上升，但是人均0.14辆的保有量，仍远远少于美日韩等发达国家，所以在可以预见的未来，我国的汽车产业还将会取得长足的发展。而汽车在给人们带来便利的同时，也带来了如拥堵、车祸等各种交通问题。汽车本质上是为人服务的，诸多问题中的核心关切就在于驾驶员的安全保障，为此，人们热衷于研究各种方式方法来对驾驶员的人身安全进行保护，包括安全气囊、ABS防抱死系统以及近年来立足于高端市场，逐步进入中端市场的高级驾驶辅助系统。驾驶员的响应特征，尤其是驾驶员在各种情况下的生理与心理状态，是作为高级驾驶辅助系统设计生产的重要依据与参数。

而为了保证汽车行驶的安全性，国内外采取了各种方法对驾驶员响应特征进行了分析研究，主要包括：自然驾驶实验、道路试验测试、模拟驾驶实验、微观交通仿真。根据“人——车——交通环境”控制环中三要素的代表方式（真实要素或虚拟要素）可以对上述研究方法进行界定，自然驾驶实验即在真实环境下，通过传感器对驾驶员在无干扰情况下进行数据采集；道路试验测试中，交通环境为虚拟要素，而人、车均为真实要素；模拟驾驶实验中只有人是真实要素；微观交通仿真中人、车、交通环境均为虚拟要素。一般来说，研究方法中真实要素越多，虚拟要素越少，其研究评估的有效性越好，而可控性越差；研究方法中真实要素越少，虚拟要素越多，则其研究评估的可控性越好，有效性越差。

1.2研究目的及意义

虚拟现实技术是一种能够创造和体验虚拟世界的计算机仿真技术。它可以利用计算机生成三维的、互动的、多源信息融合的动态场景，它利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生的电子信号，将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象，这些现象可以是现实中真真切切的物体，也可以是我们肉眼所看不到的物质，通过三维模型表现出来。同时，虚拟现实具有一切人类所拥有的感知功能，比如听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等感知系统，使用户仿佛置身于一个真实的世界；虚拟现实技术具有的超强的仿真系统，真正实现了人机交互，使人在操作过程中，可以随意操作并且得到环境最真实的反馈。它强大的交互功能也使其具有了承担科研任务的可能。

而随着虚拟现实技术的快速发展，其在汽车领域的应用也愈发广泛与成熟，为新车型开发与车辆性能研究提供了有力帮助。本研究的目的就在于运用虚拟驾驶技术，搭建虚拟驾驶平台，通过驾驶模拟器与数据采集系统，设计特定的虚拟场景（如跟驰、紧急避撞、超车等），并对驾驶员响应特征进行研究。即以虚拟驾驶为方法，来研究“驾驶员”在驾驶时的各个反应特征。

本研究的意义在于相较于传统的自然驾驶研究方法与道路试验，在对驾驶员响应特征的采集上更加高效，经济，安全，可重复性高。而技术的飞速发展也大大提升了其实验结果的有效性。

1.3驾驶模拟器简介

20世纪70年代，一些科研机构和汽车制造商开始尝试开发新的汽车技术，并利用模拟驾驶技术对驾驶员的安全特性进行研究。德国大众汽车公司是第一家开发和使用模拟驾驶技术的公司。

进入21世纪后，汽车智能技术的成熟与发展，使得虚拟驾驶的研发与应用更加实际可行， 各个高校与汽车企业在这一方面也取得了长足的发展 。相关的汽车智能技术主要包括无人驾驶技术、汽车主动安全技术 、及驾驶辅助系统。

相较于实车试验，使用驾驶模拟器技术主要有以下几点原因 ：实车实验在现实交通环境下无法确保车辆和试验人员的安全 ，尤其是在进行碰撞实验等极端工况时；模拟驾驶的虚拟场景可以重复使用，可以通过多次试验来保证实验数据的精确性；模拟驾驶试验可以很方便的设计出各类场景，试验的周期短、成本较低 。

驾驶模拟器主要分为训练型和开发型两种，训练型在驾驶培训得到广泛应用 。开发型主要用于汽车新技术的开发及驾驶员特性研究 ，在尽可能多的贴近真实驾驶环境的情况下，完成相关的人车交互试验。

驾驶模拟器主要由驾驶操作系统、驾驶舱座、虚拟现实系统、声光系统及数据采集系统组成 。主要硬件包括 ：投影装置 、计算机(设计虚拟场景并对车辆进行动力学仿真)、交换机、视屏、被验证的车辆及待测硬件。此外可根据试验需要安装相配套的传感器 ，如心电描记器、单目摄像头等。驾驶员的各项反应特性主要通过传感器来获得。

第二章 视景系统的设计与实现

2.1虚拟引擎Unity 3D简介

本次设计中选用Unity 3D软件进行建模，Unity 3D是Unity Technologies公司开发的多平台集成游戏开发工具，开发者可以轻松创建三维视频游戏、赋予建筑可视化、制作实时三维动画。作为一个全面整合的专业游戏引擎，具有多平台发布、生态圈良好，所见即所得等优点。

2.2虚拟场景构成

虚拟场景指的是计算机通过数字通讯技术勾勒出的数字化场景，在虚拟驾驶实验中是模拟驾驶平台的重要组成部分，其设计的真实性、合理性对实验数据的真实性与可靠性有着决定性的影响。因此，在构建虚拟场景时，应当尽可能的贴近真实环境。

虚拟场景主要由两大部分组成，分别是静态环境模块和动态环境模块。静态环境模块主要包括地形，树木，房屋等。而动态环境模块主要指的是车辆（AI车辆）。

2.3静态环境模块的搭建

Unity 3D软件的地形编辑功能足够完备，可以帮助我们快速的构建出虚拟场景的大致框架。

进入Unity 3D，点击Terrain Creat Terrain,在Inspector视图中对地形进行编辑，如图2.1所示。

图2.1 地形编辑菜单

点击绘制高度按钮，点击Brushes，选择合适的尺寸，可在地形中绘制出需要的丘陵起伏，点击Smooth Height按钮，柔和丘陵的高度差，如图2.2所示。

图2.2 设计山陵

选择Paint Texture Edit Textures Add Texture ，将资源包中的Grass拖入，x，y的尺寸全部设为1000，再选择Paint Texture Edit Textures Add Texture ，将资源包中的Dirt拖入，x，y的尺寸全部设为100，使用笔刷工具画出道路。效果如图2.3所示。

图2.3 贴图与道路绘制

房屋与树木的建模较为复杂，对此我们可以充分利用Unity 3D软件开放度较高的优点，使用资源库中已有的模型以达到快速、高效建模的目的。将房屋与树木模型导入Assets后，依次放置到相应位置，为与已创建地形相适应，可在Scale中对模型的尺寸进行调整，并通过调整Position中的y坐标以使得模型与地形底面紧贴。如图2.4所示。

图2.4 树木与房屋

2.4动态环境模块的搭建

导入资源库中的汽车模型，并调整其大小与方向，与地形相贴合，并给其添加Rigidbody组件，Rigidbody组件可以让一个物体受到物理影响。比如添加Rigidbody组件后，物体会立马对重力作出反应。如果物体上还添加了Collider，物体在受到碰撞时也会移动。对汽车模型赋予刚体组件是其他一切操作的前提，我们将重力设置为1200KG并勾选Use Gravity选项，如图2.5所示。

图2.5 刚体组件

2.5质心的确定

建模后，在加速或者转弯的时候，汽车非常容易发生翻转，对此我们需要设置质心来解决这一问题。质心是汽车模型所有受到的力的交汇点，其相应的计算是通过附加到刚体上的碰撞器来进行。同时，我们可以设定当车辆的翻转角度超过70度并维持一段时间后为翻车失控状态，其速度、角速度、引擎牵引力均为0，实验终止。

建立一个新的游戏对象（比如可以创建一个cube）并将它拖拽到汽车模型上。重新设置Center Of Mass，在检查面板右边的齿轮上选择“Reset’”，可以通过拖拽，或键入一个位置将质心位置确定为（0,0.1,0.65）。Unity软件自带第一人称视角和第三人称视角，在实际操作过程中，可以对相机的位置进行设置以获得不同视角的驾驶体验。

2.6悬架系统与车轮碰撞体

我们将汽车上车架（或承载式车身）与车桥或车轮之间的一切传力连接装置称为悬架系统，主要用于传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，在经过起伏较大的路面时，可以缓冲路面不平带来的冲击与震动，保护汽车的元器件，提升驾驶的平顺性与舒适性。悬挂系统主要由弹性元件、传力机构、横向稳定杆以及减震元件等组成，。弹性元件主要有扭杆弹簧、螺旋弹簧、空气弹簧以及钢板弹簧等类别，螺旋弹簧和扭杆弹簧的使用比较广泛，少数高级轿车则会使用空气弹簧。

在模拟驾驶过程中，要保证车轮贴近底面行驶，不会出现很大的、反物理特性的竖直方向移动，这主要通过对车辆模型的悬挂系统和车轮碰撞体进行设置来实现。

车轮碰撞体是一种车辆模型所特有的特殊碰撞体。它有内置的碰撞检测、车轮物理系统及有摩擦特性的参考体。除了车轮，该碰撞体也可用于其他的游戏对象。为避免汽车发生弹跳与抖动，我们主要对车轮碰撞器的目标位置，阻尼器和弹簧进行设置。（悬挂到达目标位置的速度与弹簧力度成正比；阻尼器的数值越大，悬挂弹簧移动速度就越慢。目标位置指的是悬挂在其方向上静止时的距离。其值为1时悬挂为完全压缩状态，值为0时悬挂为完全伸展状态，默认值为0，这与常规的汽车悬挂状态相匹配。）

我们可以新建一个空物体，将其拖拽到车辆上，名字设置为Car，给Car加上刚体特性，Mass（质量）设置为1500kg，然后给车辆模型添加Box Collider，再在Car里新建一个空物体Wheels，在Wheels下面新建一个空物体 front Left，作为左前轮的碰撞器，将其与车轮匹配好后，复制front Left，移动到右边作为右前轮的碰撞器，操作过程中需要避免移动Y轴，相应地进行操作，依次完成对四个车轮碰撞器的设置。对Wheel Collider设置如下图所示。

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