專利名稱：基于快速控制原型的開發(fā)型汽車駕駛模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于快速控制原型的開發(fā)型汽車駕駛模擬方法，屬于汽車模擬駕駛技 術(shù)領(lǐng)域。技術(shù)背景目前，開發(fā)型駕駛模擬器的基本結(jié)構(gòu)如圖l所示，包括車輛實物(或者駕駛艙實物)、 車輛ii動仿真系統(tǒng)、視景生成系統(tǒng)、投影系統(tǒng)以及各系統(tǒng)之間的軟硬件接口。其中，車輛 運動仿真系統(tǒng)是整個駕駛模擬器的關(guān)鍵組成，其軟硬件結(jié)構(gòu)直接影響整個駕駛模擬器的技術(shù)水平和應(yīng)用范圍。該系統(tǒng)的基本功能為利用駕駛艙傳輸至仿真計算機的駕駛員操作信 號，計算駕駛模擬者所在車輛及參與模擬車輛的運動狀態(tài)，并將狀態(tài)信息實時發(fā)送至視景 生成系統(tǒng)。已有車輛運動仿真系統(tǒng)的硬件皆釆用單一計算機平臺，軟件多由基于Windows平臺的 匯編、(:或0++語言開發(fā)，其仿真代碼編制復(fù)雜，開發(fā)周期長，開發(fā)成本也相對較高。以 QM-I工型汽車駕駛模擬器為例(程秀生等.汽車駕駛模擬器的研制.吉林工業(yè)大學學報， No. 1, 1991:64 70.)，其車輛運動仿真程序采用Z-80匯編語言編寫，盡管采用模塊化 設(shè)計思想，但其編寫難度不言而喻，調(diào)試和維護難度較大。其他，基于0++面向?qū)ο缶幊?技術(shù)的車輛運動仿真軟件，雖然其編程難度比起匯編語言大大簡化，但其描述動態(tài)系統(tǒng)的 能力遠不如Matlab/Simulink或Labview等專用建模軟件，對軟件的維護和修改也較為復(fù) 雜。更重要的是，隨著駕駛模擬器在新型電控系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用日漸增多，已有的駕駛模 擬器，尤其是車輛運動仿真系統(tǒng)的原技術(shù)方案，已經(jīng)不能滿足快速開發(fā)電控系統(tǒng)的要求第一，已有駕駛模擬器的車輛運動仿真程序，使用流式編程語言，不適合描述車輛和 控制器等動態(tài)環(huán)節(jié)較多的系統(tǒng)，導(dǎo)致建模難度大、開發(fā)效率低；第二，已有駕駛模擬器不適用于對道路、交通流或車輛進行建模，不能快速驗證電控 系統(tǒng)在不同道路、交通流和車輛上的應(yīng)用效果；第三，電控系統(tǒng)開發(fā)中，V型開發(fā)模式的應(yīng)用日漸普及。該模式中，；決速控制原型作 為一種將控制算法快速轉(zhuǎn)化實時控制器的技術(shù)手段，是V型開發(fā)模式中不可或缺的環(huán)節(jié)。 己有的駕駛模擬器結(jié)構(gòu)因不具備快速原型功能，極大限制了駕駛模擬技術(shù)與V型開發(fā)模式 的融合，阻礙了電控系統(tǒng)開發(fā)，尤其是駕駛員輔助系統(tǒng)開發(fā)，在駕駛模擬器上的應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種基于快速控制原型的開發(fā)型汽車駕駛模擬方法，用于設(shè)計適 用于車輛電控系統(tǒng)開發(fā)過程的駕駛模擬器，尤其是適用于駕駛輔助系統(tǒng)開發(fā)的駕駛模擬 器，并降低開發(fā)型駕駛模擬器的開發(fā)難度，提高其開發(fā)效率。本發(fā)明提出的基于快速控制原型的開發(fā)型汽車駕駛模擬方法，包括以下步驟(1) 在監(jiān)控計算機上生成XPC實時內(nèi)核，并將該實時內(nèi)核寫到移動存儲器上；(2) 將上述移動存儲器插入快速控制原型器，快速控制原型器從移動存儲器中讀取 實時內(nèi)核，為快速控制原型器中駕駛仿真模型的運行提供軟件支持；(3) 在上述監(jiān)控計算機中編譯駕駛仿真模型，將該駕駛仿真模型通過以太網(wǎng)下載至 上述快速控制原型器；(4) 采集駕駛模擬者的操縱信號，將操縱信號通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線傳輸至快速 控制原型器；(5) 快速控制原型器根據(jù)上述采集的操縱信號，利用駕駛仿真模型計算駕駛模擬者 所在車輛及參與模擬車輛的速度和方向，并將得到的速度和方向信號通過串行通訊總線發(fā) 送至視景生成系統(tǒng)，同時將得到的速度和方向信號通過以太網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)控計算機；(6) 視景生成系統(tǒng)根據(jù)上述接收到的信號生成駕駛模擬者所在車輛前方的視景圖像， 并將圖像投射至駕駛模擬者所在車輛前方的屏幕上；(7) 上述監(jiān)控計算機接收上述信號后將信號顯示，并根據(jù)駕駛模擬者或開發(fā)人員對 駛模擬者所在車輛的運行性能、電控系統(tǒng)控制性能的要求，對駕駛仿真模型進行修改；(8) 重復(fù)步驟(3) (7)，直至滿足駕駛模擬者或開發(fā)人員的要求。 上述方法中，駕駛仿真模型劃分為駕駛控制模塊、道路模塊、交通流模塊、傳感器模塊、車輛模塊、視景接口模塊、駕駛操作接口模塊和監(jiān)控接口模塊，其信號連接關(guān)系如下(1) 駕駛操作接口模塊，采集控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線上的駕駛模擬者操縱信號，并將 信號發(fā)送至駕駛控制模塊；(2) 道路模塊根據(jù)道路模型同時向車輛模塊和傳感器模塊發(fā)送道路坡度、道路曲率、 路面附著系數(shù)信息；(3) 交通流模塊根據(jù)交通流模型計算參與模擬車輛的速度和方向信息，并將信息同 時發(fā)送至傳感器模塊和視景接口模塊；(4) 傳感器模塊，根據(jù)交通流模塊發(fā)送的車輛速度和方向信息，計算駕駛模擬者所 在車輛與參與模擬車輛之間的相對距離和速度信息；根據(jù)道路模塊發(fā)送的道路坡度、道路曲率和路面附著系數(shù)信息，計算駕駛模擬者所在車輛的車道線信息；根據(jù)車輛模塊輸出的 發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輪速、橫向加速度、縱向加速度和橫擺角速度，分別計算相應(yīng)傳感器的輸出 信息；最后將上述所有信息發(fā)送至駕駛控制模塊；(5) 駕駛控制模塊，根據(jù)上述傳感器模塊的信息，利用駕駛模擬者所在車輛電控系 統(tǒng)的控制算法，計算出期望駕駛模擬者的操縱信號；對上述接收的駕駛模擬者操縱信號進 行濾波，根據(jù)駕駛模擬者所在車輛電控系統(tǒng)的要求，用期望駕駛模擬者的操縱信號替代濾波后的信號，并發(fā)送至車輛模塊；(6) 車輛模塊，根據(jù)駕駛模擬者所在車輛的車輛縱橫向動力學模型，并根據(jù)上述接 收到的信息，計算出駕駛模擬者所在車輛的縱向速度、橫向速度、行駛方向、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、 輪速、橫向加速度、縱向加速度和橫擺角速度，并將信息同時發(fā)送至傳感器模塊、監(jiān)控接 口模塊和視景接口模塊；(7) 監(jiān)控接口模塊，將上述接收的信息發(fā)送至以太網(wǎng)，用于監(jiān)控計算機的信號實時 監(jiān)控，同時監(jiān)控接口模塊從以太網(wǎng)接收監(jiān)控計算機的監(jiān)控命令，用于控制駕駛仿真模型的 運行；(8) 視景接口模塊接收上述交通流模塊和車輛模塊的信息，并將信息發(fā)送至串行通 訊總線，用于生成視景圖像。本發(fā)明提出的基于快速控制原型的開發(fā)型汽車駕駛模擬方法，其優(yōu)點是第一，簡化 了開發(fā)型駕駛模擬器，尤其是車輛運動仿真系統(tǒng)的開發(fā)難度，提高了開發(fā)效率，降低了開 發(fā)成本；第二，與快速控制原型技術(shù)相結(jié)合的駕駛仿真模型適合描述車輛和控制器等動態(tài) 環(huán)節(jié)較多的系統(tǒng)，可增加車輛對象建模的細致程度，有效提高了駕駛模擬器的仿真精度； 第三，使用本發(fā)明方法的駕駛模擬器可應(yīng)用于車輛電控系統(tǒng)的V型開發(fā)模式，提高了駕駛模擬器在車輛電控系統(tǒng)開發(fā)中的適用性。


圖l是已有的一般開發(fā)型駕駛模擬器的結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明提出的基于快速控制原型的開發(fā)型汽車駕駛模擬器結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本發(fā)明方法中駕駛仿真模型的模塊結(jié)構(gòu)圖。圖1 圖2中，l是投影屏幕，2是車輛實物，3是控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線，4是快速控 制原型器，5是監(jiān)控計算機，6是視景生成系統(tǒng)，7是投影系統(tǒng)，8是串行通訊總線，9是 以太網(wǎng)總線，IO是視頻傳輸線，ll是硬件接口。
具體實施方式
以下結(jié)合一個實施例，詳細介紹本發(fā)明的內(nèi)容轎車開發(fā)型駕駛模擬器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，l是投影屏幕，2是車輛實物，3是控制 器局域網(wǎng)絡(luò)總線，4是快速控制原型器，5是監(jiān)控計算機，6是視景生成系統(tǒng)，7是投影系 統(tǒng)，8是串行通訊總線，9是以太網(wǎng)總線，IO是視頻傳輸線。表l為基于快速控制原型的 轎車開發(fā)型駕駛模擬器關(guān)鍵硬件型號列表。表l轎車開發(fā)型駕駛模擬器關(guān)鍵硬件型號名稱硬件型號備注車輛實物尼桑騏達車僅去掉發(fā)動機，保留原車電子系統(tǒng)快速控制原型器研祥810型工控機監(jiān)控計算機研祥810型工控機視景計算機組合式臺式計算機系統(tǒng)內(nèi)存1G，顯卡內(nèi)存128M投影儀松下PT-PX7703200流明，寬高比為4:3投影屏幕布 屏寬高比為4:3以自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的控制算法開發(fā)為例，說明本發(fā)明提出的基于快速控制原型的轎車開發(fā)型駕駛模擬方法(1) 在監(jiān)控計算機5上生成XPC實時內(nèi)核，并將該實時內(nèi)核寫到移動存儲器上；本 示例中移動存儲器為索尼3. 5寸軟盤。(2) 將上述移動存儲器插入快速控制原型器4，快速控制原型器4從移動存儲器中 讀取實時內(nèi)核，為快速控制原型器4中駕駛仿真模型的運行提供軟件支持；(3) 在上述監(jiān)控計算機5中編譯駕駛仿真模型，將該駕駛仿真模型通過以太網(wǎng)9下 載至上述快速控制原型器4;駕駛仿真模型的駕駛控制模塊中包含自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的 控制算法。(4) 采集駕駛模擬者的操縱信號，將操縱信號通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線3傳輸至快 速控制原型器4;(5) 快速控制原型器4根據(jù)上述采集的操縱信號，利用駕駛仿真模型計算駕駛模擬 者所在車輛及參與模擬車輛的速度和方向，并將得到的速度和方向信號通過串行通訊總線 8發(fā)送至視景生成系統(tǒng)6，同時將得到的速度和方向信號通過以太網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)控計算機5;(6) 視景生成系統(tǒng)6根據(jù)上述接收到的信號生成駕駛模擬者所在車輛前方的視景圖 像，并利用投影系統(tǒng)7將圖像投射至駕駛模擬者所在車輛前方的屏幕上；(7) 上述監(jiān)控計算機5接收上述信號后將信號顯示，并根據(jù)駕駛模擬者判斷自適應(yīng) 巡航控制算法的跟車性能；如不滿足駕駛模擬者的要求，修改駕駛仿真模型中自適應(yīng)巡航 控制算法的結(jié)構(gòu)或參數(shù)；(8) 重復(fù)步驟(3) (7)，直至滿足自適應(yīng)巡航控制算法的跟車性能滿足駕駛模 擬者的要求。如上文所述，本發(fā)明的駕駛模擬器包括一個基于快速控制原型的車輛運動仿真系統(tǒng)。 車輛運動仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵是在快速控制原型器上運行的駕駛仿真模型。本發(fā)明提出的駕駛 仿真模型的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，利用Matlab/Simulink軟件搭建完成，包括駕駛控制模 塊、道路模塊、交通流模塊、傳感器模塊、車輛模塊、視景接口模塊、駕駛操作接口模塊 和監(jiān)控接口模塊,具體描述如下(1) 駕駛操作接口模塊采集控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線上的駕駛模擬者操縱信號(包括油門開度、制動壓力、方向盤轉(zhuǎn)角和檔位信號)，并將信號發(fā)送至駕駛控制模塊；(2) 道路模塊根據(jù)道路模型同時向車輛模塊和傳感器模塊發(fā)送道路坡度、道路曲率、 路面附著系數(shù)信息；本示例中，道路模型包含兩部分，分別為長度7公里的高速公路和長 度3公里的城市道路。(3) 交通流模塊根據(jù)交通流模型計算參與模擬車輛的速度和方向信息，并將信息同 時發(fā)送至傳感器模塊和視景接口模塊；本示例中，交通流模塊共包括三輛參與模擬車輛， 可模擬高速公路交通流和城市道路交通流。(4) 傳感器模塊根據(jù)交通流模塊發(fā)送的模擬車輛的速度和方向信息，計算雷達輸出 的相對距離和相對速度信息；根據(jù)道路模塊發(fā)送的道路坡度、道路曲率和路面附著系數(shù)信 息，計算車載相機的車道線信息；根據(jù)車輛模塊輸出的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輪速、橫向加速度、 縱向加速度和橫擺角速度，分別模擬車載傳感器的信息；并將上述信息發(fā)送至駕駛控制模 塊；(5) 駕駛控制模塊根據(jù)傳感器模塊的輸出信息利用電控系統(tǒng)的控制算法計算出期望 駕駛模擬者的操縱信號，并對上述接收的駕駛模擬者操縱信號進行濾波，根據(jù)電控系統(tǒng)要 求用期望駕駛模擬者的操縱信號替代濾波后的信號，并發(fā)送至車輛模塊；(6) 車輛模塊根據(jù)車輛縱橫向動力學模型，利用接收到的上述信息，計算出駕駛模 擬者所在車輛的縱向速度、橫向速度、行駛方向、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輪速、橫向加速度、縱向 加速度和橫擺角速度，并將信息同時發(fā)送至傳感器模塊、信號監(jiān)控模塊和視景接口模塊；(7) 信號監(jiān)控模塊將上述接收的信息發(fā)送至以太網(wǎng)，用于監(jiān)控計算機的信號實時監(jiān) 控，同時信號監(jiān)控模塊從以太網(wǎng)接收監(jiān)控計算機的監(jiān)控命令，用于控制接收仿真模型的運 行；(8) 視景接口模塊接收上述交通流模塊和車輛模塊的信息，并將信息發(fā)送至串行通 訊總線，用于生成視景圖像。
權(quán)利要求
1、一種基于快速控制原型的開發(fā)型汽車駕駛模擬方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)在監(jiān)控計算機上生成xPC實時內(nèi)核，并將該實時內(nèi)核寫到移動存儲器上；(2)將上述移動存儲器插入快速控制原型器，快速控制原型器從移動存儲器中讀取實時內(nèi)核，為快速控制原型器中駕駛仿真模型的運行提供軟件支持；(3)在上述監(jiān)控計算機中編譯駕駛仿真模型，將該駕駛仿真模型通過以太網(wǎng)下載至上述快速控制原型器；(4)采集駕駛模擬者的操縱信號，將操縱信號通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線傳輸至快速控制原型器；(5)快速控制原型器根據(jù)上述采集的操縱信號，利用駕駛仿真模型計算駕駛模擬者所在車輛及參與模擬車輛的速度和方向，并將得到的速度和方向信號通過串行通訊總線發(fā)送至視景生成系統(tǒng)，同時將得到的速度和方向信號通過以太網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)控計算機；(6)視景生成系統(tǒng)根據(jù)上述接收到的信號生成駕駛模擬者所在車輛前方的視景圖像，并將圖像投射至駕駛模擬者所在車輛前方的屏幕上；(7)上述監(jiān)控計算機接收上述信號后將信號顯示，并根據(jù)駕駛模擬者或開發(fā)人員對駛模擬者所在車輛的運行性能、電控系統(tǒng)控制性能的要求，對駕駛仿真模型進行修改；(8)重復(fù)步驟(3)～(7)，直至滿足駕駛模擬者或開發(fā)人員的要求。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的駕駛仿真模型劃分為駕駛控制 模塊、道路模塊、交通流模塊、傳感器模塊、車輛模塊、視景接口模塊、駕駛操作接口模 塊和監(jiān)控接口模塊，其信號連接關(guān)系如下(1) 駕駛操作接口模塊，采集控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線上的駕駛模擬者操縱信號，并將 信號發(fā)送至駕駛控制模塊(2) 道路模塊根據(jù)道路模型同時向車輛模塊和傳感器模塊發(fā)送道路坡度、道路曲率、 路面附著系數(shù)信息；(3) 交通流模塊根據(jù)交通流模型計算參與模擬車輛的速度和方向信息，并將信息同 時發(fā)送至傳感器模塊和視景接口模塊；(4) 傳感器模塊，根據(jù)交通流模塊發(fā)送的車輛速度和方向信息，計算駕駛模擬者所 在車輛與參與模擬車輛之間的相對距離和速度信息；根據(jù)道路模塊發(fā)送的道路坡度、道路 曲率和路面附著系數(shù)信息，計算駕駛模擬者所在車輛的車道線信息根據(jù)車輛模塊輸出的 發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輪速、橫向加速度、縱向加速度和橫擺角速度，分別計算相應(yīng)傳感器的輸出 信息；最后將上述所有信息發(fā)送至駕駛控制模塊；(5) 駕駛控制模塊，根據(jù)上述傳感器模塊的信息，利用駕駛模擬者所在車輛電控系 統(tǒng)的控制算法，計算出期望駕駛模擬者的操縱信號；對上述接收的駕駛模擬者操縱信號進行濾波，根據(jù)駕駛模擬者所在車輛電控系統(tǒng)的要求，用期望駕駛模擬者的操縱信號替代濾 波后的信號，并發(fā)送至車輛模塊；(6) 車輛模塊，根據(jù)駕駛模擬者所在車輛的車輛縱橫向動力學模型，并根據(jù)上述接 收到的信息，計算出駕駛模擬者所在車輛的縱向速度、橫向速度、行駛方向、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、 輪速、橫向加速度、縱向加速度和橫擺角速度，并將信息同時發(fā)送至傳感器模塊、監(jiān)控接 口模塊和視景接口模塊；(7) 監(jiān)控接口模塊，將上述接收的信息發(fā)送至以太網(wǎng)，用于監(jiān)控計算機的信號實時 監(jiān)控，同時監(jiān)控接口模塊從以太網(wǎng)接收監(jiān)控計算機的監(jiān)控命令，用于控制駕駛仿真模型的 運行；(8) 視景接口模塊接收上述交通流模塊和車輛模塊的信息，并將信息發(fā)送至串行通 訊總線，用于生成視景圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于快速控制原型的開發(fā)型汽車駕駛模擬方法，屬于汽車模擬駕駛技術(shù)領(lǐng)域。首先利用監(jiān)控計算機生成的實時內(nèi)核建立快速控制原型器的軟件平臺，并編譯和下載駕駛仿真模型。其次，快速控制原型器接收駕駛模擬器的操縱信號后，計算所有模擬車輛的速度和方向，同時發(fā)送視景計算機和監(jiān)控計算機，分別用于生成視景圖像和對監(jiān)控駕駛模擬過程。最后，駕駛模擬者或開發(fā)人員根據(jù)駕駛模擬者所在車輛及電控系統(tǒng)的性能要求，對駕駛仿真模型進行修改，重復(fù)駕駛模擬器過程，直至滿足駕駛模擬者或開發(fā)人員的要求。本發(fā)明的優(yōu)點是，簡化了開發(fā)型駕駛模擬器，降低了開發(fā)成本，且適用于車輛電控系統(tǒng)的V型開發(fā)模式。
文檔編號G09B9/04GK101325010SQ20081011717
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者吳利軍, 張德兆, 易世春, 李克強, 李升波, 楊馥瑞, 王建強 申請人:清華大學