基于unity 3d模拟驾驶系统的实现与研究.docx
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基于unity3d模拟驾驶系统的实现与研究
摘要
随着汽车安全技术的发展,关于以驾驶员为研究对象的主动安全技术的研究也在不断深入。
基于驾驶员行为状态的主动安全技术,可以在原有汽车安全的基础上进一步提升汽车的安全性能,更好的保障驾乘人员的安全。
同时拥挤的城市道路交通已经成了一大严重问题,而车联网这一概念的出现,可以实现车-车、车-路和车-人的实时通信,可以在很大程度上缓解道路交通拥堵的问题,提升道路交通的通行能力。
因此对于以驾驶员为基础的主动安全技术和车联网技术的虚拟模拟驾驶过程的研究具有非常重要的研究价值,可以为主动安全技术和智能交通车联网的深入研究提供必要的数据支撑和理论支撑。
本文就是在为了研究基于驾驶员的主动安全和车联网两大研究方向上,开发了基于Unity3D的模拟驾驶平台。
在充分学习和研究了Unity3D搭建虚拟场景的原理和过程后,进行了模拟驾驶平台的虚拟场景的搭建,包括地形、道路和环境的建模,对驾驶员驾驶车辆进行建模和控制,对AI车辆进行建模并控制其在虚拟场景中在固定道路网上遵守交通规则随机行驶。
在查阅和分析了主流的主动安全的研究方向和驾驶员信息数据的采集方法后,在本模拟驾驶平台上搭建了几个特定的虚拟实验场景,用于实现不同的实验目的。
这些场景包括跟驰模型研究场景、超车模型研究场景、紧急避撞模型研究场景和多人联网模拟驾驶场景。
为了全面的采集实验过程中包括环境、驾驶员和车辆在内的所有有效信息,在本模拟驾驶平台上搭建了一套完整的信息采集系统,包括对车辆动态参数信息采集系统、驾驶员面部信息采集系统和驾驶员脑电信号采集系统。
通过在自主搭建的虚拟模拟驾驶平台上进行实验,依托驾驶故事背景的设计和逼真的虚拟驾驶场景,该驾驶模拟器可以很好的模拟驾驶员真实的驾驶过程。
同时通过在驾驶平台上搭建的信息采集系统,准确完整地采集了在模拟驾驶过程中包括环境、车辆和驾驶员在内的所有必要的信息数据,这些数据可以作为研究实验过程的数据支撑。
关键词:
驾驶模拟;驾驶员行为;Unity3D;车联网
TheImplementationandResearch
ofDrivingSimulationSystemBasedonUnity3D
Abstract
Withthedevelopmentofautomobilesafetytechnology,theresearchontheactivesafetytechnologywhichisbasedonthedriverastheresearchobjectisalsodeepening.Basedonthedriver'sbehavioroftheactivesafetytechnology,itcanenhancethesafetyperformanceofthecarfurtheronthefoundationoforiginalcar,andcanprotectthesafetyofoccupantsbetter.Atthesametime,urbancrowdedroadtraffichasbecomeaseriousproblem,andtheemergenceoftheconceptofcarnetworkingcanachievethecommunicationofvehicle-vehicle,vehicle-roadandvehicle-people,alleviatingroadtrafficcongestionoftheproblemgreatly,enhancingthetrafficcapacityofroadtraffic.Therefore,itisofgreatvaluetostudytheactivesafetytechnologyofdriverandvirtualsimulationdrivingprocessbasedonvehiclenetworkingtechnology.Itcanprovidethenecessarydatasupportandtheoreticalsupportforthein-depthresearchofactivesafetytechnologyandintelligenttransportationvehiclenetwork.
ThispaperistodevelopasimulationplatformbasedonUnity3Dinordertostudyactivesafetyandvehiclenetwork.AfterfullystudyingtheprincipleandprocessofbuildingavirtualsceneinUnity3D,thevirtualsceneofthesimulateddrivingplatformisbuilt,includingthemodelingofterrain,roadandenvironment,themodelingandcontrolofthedriver'sdrivingvehicle,modelingAIvehiclesandcontrollingthetrafficrulesinavirtualsceneonafixedroadnetwork.Afterexaminingandanalyzingthemainstreamactivesafetyresearchdirectionandthecollectionmethodofdriverinformationdata,severalspecificvirtualexperimentscenariosarebuiltonthesimulateddrivingplatformfordifferentexperimentalpurposes.Thesescenariosincludethefollowingmodel,theovertakingmodel,theemergencycollisionmodelandthemultiplayernetworksimulationdrivingscene.Inordertocollectalltheeffectiveinformationincludingtheenvironment,thedriverandthevehicleintheexperiment,acompleteinformationacquisitionsystemisbuiltonthesimulateddrivingplatform,includingthevehicledynamicparameterinformationacquisitionsystem,thedriver'sfacialinformationacquisitionsystemanddriverEEGsignalacquisitionsystem.
Thedrivingsimulatorcansimulatethedriver'srealdrivingprocessbyexperimentingonthevirtualsimulationdrivingplatformwiththebackgroundofdrivingandtherealisticvirtualdrivingscene.Atthesametime,throughtheinformationcollectionsystembuildingonthedrivingplatform,allthenecessaryinformationdatacanbeaccuratelyandcompletelycollected
includingtheenvironment,thevehicleandthedriverinthesimulateddrivingprocess.Thesedatacanbeusedasthedatasupportfortheresearchprocess.
KeyWords:
DrivingSimulation;DriverBehavior;Unity3D;VehicleNetworking
1绪论
1.1研究背景
自从1886年,德国人本茨和戴勒姆发明了汽车,人类就进入了汽车时代。
而在1913年,福特汽车公司建造了人类历史上的第一条汽车装配流水线,极大的推动了汽车工业的发展和汽车的普及[1]。
中国作为全世界汽车产、销第一大国,在2015年,汽车保有量
达到1.7亿辆[2]。
2016年中国汽车年产量2811.9万辆,相比2015年同比增长14.8%[3]。
随着汽车保有量的不断增加,道路交通问题也变得日益严峻。
公安部交管局的统计数据显示,2016年全国共发生6万起交通事故,死亡4.1万人。
为了解决日益严重的交通问题,欧美、日本等国都投入大量资金用于智能交通系统(IntelligentTransportationsystem,简称ITS)和将驾驶员引入在环的汽车主动安全技术的实验研究[4]。
1.2研究目的及意义
本文研究的目的是为了在Unity3D虚拟环境下创建模拟驾驶平台,以便在后续的科研项目中,完成《基于人-车-路-环境识别与信息交互的四轮独立驱动电动汽车纵向避碰预警与协同控制》的项目研究。
此外本系统可以配合一些驾驶员信息采集系统,诸如:
(1)SmartEye眼动仪,
(2)表情识别系统,(3)操纵信息传感器:
驾驶员的操纵信息,(4)BioPac生理记录仪:
脑电心电和皮电等生理信号。
各个记录模块和采集设备进行信息的同步采集,以便于后续的数据分析。
可以适应多种关于人-车-路-环境的科研实验[5]。
本文研究的意义在于,可以在搭建完成的平台上,通过设计的多种不同的驾驶场景,在实验模式下,同时采集驾驶员和驾驶环境的多源信息,对采集的信息进行分析,确定不同类型驾驶员的不同行为模式,确立驾驶环境因素和驾驶员驾驶行为之间的相互映射关系,建立一个完整的基于多源信息融合下的驾驶员的驾驶模型。
得出的研究结果可以为汽车的主动安全设计提供可靠的参考依据。
1.3驾驶模拟器简介
汽车驾驶模拟器,是能准确、真实的模拟车辆运动特性,同时给驾驶员在视觉、听觉等感官上产生较真实的驾驶体验的驾驶平台。
目前,按照驾驶模拟器的用途,可以将驾驶模拟器分为两类。
一类是用于对驾驶员进行驾驶培训用的训练型驾驶模拟器;另一类是科研院所、汽车公司等用来进行汽车新技术的研究,例如上文中提到的为了解决日
益严重的交通问题而进行的智能交通系统和将驾驶员引入在环的实验研究,这一类驾驶模拟器被称为研究型或开发性驾驶模拟器[6-9]。
训练型驾驶模拟器,如图1.1所示,是国内某公司生产的ZG-601MDB型汽车驾驶模拟器。
随着汽车生产制造成本的降低,小型家用汽车越发的普及,随之而来的驾驶培训相关的资源就会越发的紧张,驾驶场地、训练车辆等都会成为匮乏资源。
而训练型驾驶模拟器就可以很好的缓解这些资源紧张的问题,虽然后者不能完全替代真实的驾驶训练,但是还是可以对驾驶训练起到一定程度的辅助作用,尤其是对汽车驾驶一无所知的学员,可以通过驾驶模拟器进行最初的理论教学。
图1.1ZG-601MDB型汽车驾驶模拟器
Fig.1.1MDBZG-601typevehicledrivingsimulator
研究型驾驶模拟器,如图1.2所示,是丰田汽车的驾驶模拟器,该模拟驾驶器是7.1
米高的圆顶形,拥有360摄像、摄影功能,可以掌握汽车每一时刻的位置。
该模拟驾驶器可以评估司机在各种情况下的表现,例如驾驶时睡着了,或是忽略了道路安全标志等。
像丰田汽车的这种大型研究型驾驶模拟器虽然精确度高,功能完善,但是造价昂贵,只适用于大型汽车厂商用于产品开发和新型技术的研究。
还有一种小型的研究型驾驶模拟器,是针对特定的实验要求而设计的,由于小型驾驶模拟器的设计制造成本相比大型的研究型驾驶模拟器要低很多,因此更适用于高校的学术研究。
而本文开发设计的正式此种小型驾驶模拟器,如图1.3所示。
当前,研究型驾驶模拟器的研究对象,主要包括人、车、路和环境这几个要素。
对于人的研究,即车辆的驾驶者,主要是研究驾驶员在特定驾驶场景中的驾驶行为,还有驾驶员在驾驶时生理和心理上的变化状况。
特别是对有可能出现危险的情况的研究,包括疲劳驾驶,危险驾驶行为(驾驶时打电话,酒后驾驶等)。
图1.2丰田汽车的驾驶模拟器
Fig.1.2Toyotamotordrivingsimulator
图1.3驾驶模拟器
Fig.1.3Motordrivingsimulator
进行以上研究,可以了解驾驶员驾驶车辆时的生理、心理等驾驶状态信息数据,进而可以在车辆安全性能设计时的进一步优化提供参考数据,同时可以开发出一套驾驶员安全辅助驾驶系统,可以在一定程度上避免因为驾驶员的危险驾驶行为而引发的交通事故[10]。
韩国标准科学研究院,在模拟驾驶平台上,进行了对老年人驾驶行为状态的研究,采集了老年人的脑电图(EEG)、心电图(ECG)、皮肤电响(ECG)和皮肤温度(SKT),利用这些采集到的生理、心理数据,对老年人的驾驶行为特点进行了分析,给为老年人驾驶车辆制定安全规范提供了理论依据[11],。
台湾国立交通大学也通过在模拟驾驶平台上的实验,采集了驾驶员的脑电图(EEG)还有眼动电图(EOG),从而利用采集到的数据分析了驾驶员的驾驶行为特点[12],如图1.4所示。
重庆大学通过驾驶模拟平台,对参与实验的驾驶员进行了心电信号的信息采集和分析,确定了心电信号和疲劳驾驶之间
的直接关系[13]。
图1.4驾驶员生理数据采集
Fig.1.4Theacquisitionofpilotphysiologicaldata
对于汽车的开发和研究,在某些汽车性能的测试上,不利用汽车驾驶模拟器是比较困难的。
比如对汽车动力学模型的优化,新产品在各种极限驾驶情况下的性能和临界工况等,在超高速情况下的汽车稳定性等。
这些测试的环境都非常极端,对驾驶员存在很大的安全隐患。
但是在汽车驾驶模拟器上就不会有这种问题。
从1985年5月10日,第一个驾驶模拟器在Berlin-Marienfelde建成,接着各个汽车公司,诸如美国福特、日本三菱等都建立了自己的大型模拟驾驶器,用于新产品的研发测试。
关于路和环境,主要指的是车内环境和车外一切有可能影响到驾驶员驾驶行为的外在因素。
车内环境包括车内和驾驶员直接接触的空气温度、湿度,车内的仪表、车座和操纵杆等。
车外环境包括道路,道路上行驶的车辆和行人,道路上的各种不同的交通信号等等[14]。
1.4驾驶模拟器国内外研究现状
1.4.1驾驶模拟器国外发展历史和研究现状
驾驶模拟器,最早的应用不是在汽车上,而是在飞机上。
是在1910年,法国公司ANTIONETTE利用模拟驾驶器进行飞行员的飞行训练。
后来随着汽车的发展,驾驶模拟器就被应用于了汽车的驾驶训练。
在1934年,MILES&VINCENT公司开发了一台模拟驾驶样机,向驾驶员展示了当时频发的交通事故,用来警示驾驶员要安全驾驶。
在20世纪60年代初期,作为真正意义上的第一台汽车驾驶模拟器:
FHWAhighwaydriving
simulator才出现[15]。
之后,随着计算机技术的快速发展,使得高精度的模拟驾驶器和更
加真实的虚拟场景得以实现。
到20世纪70年代,汽车驾驶模拟器已经开始应用于驾驶培训学校,作为培训驾驶员一个重要工具了。
欧洲、日本也都开始了自己的驾驶模拟器研发,从此驾驶模拟器得到了快速的发展。
1985年5月10日,梅赛德斯-奔驰公司在德国柏林研制出了第一台大型的六自由度开发型驾驶模拟器,也在后来成功的应用于了奔驰公司的产品开发中,该驾驶器的各项性能也达到了当时驾驶模拟器的最高水平[16]。
此后奔驰也一直努力在这个领域保持着领先地位。
在同一年的瑞典,VDI公司建成了一个规模相对较小的模拟驾驶器,被应用于车辆和交通系统的研发。
此外日本的丰田和马自达也都开发了自己的驾驶模拟器,用于汽车铲平的开发和研究。
20世纪90年代初期,美国的汽车制造商也都开始了自己的驾驶模拟器的研发制造。
1993年,福特汽车研发了自己的模拟驾驶器,被应用于硬件在环(Hardwareintheloop)的研究。
1989年,德国大众引进了新的计算机视景成像技术,对原有的驾驶模拟器进行了升级,并将其应用在了新产品的研发上。
1991年,马自达公司研制了应用于跑车研发的驾驶模拟器,该模拟器配备了当时最好的计算机处理器和图形处理器,具备非常完善的动力学模型和逼真虚拟视景。
进入21世纪后,驾驶模拟器越来越多的被应用于安全辅助驾驶系统的研究例如智能巡航控制等。
VanDriel在TNO即使模拟系统上,对交通堵塞辅助系统进行了评估。
2008年,德国慕尼黑大学研发的FTM驾驶模拟器,具有210度水平视角的虚拟视景投影系统、6自由度运动平台,该驾驶模拟器被应用于汽车控制系统的研究[17]。
2010年,梅赛德斯奔驰对其原有的大型驾驶模拟器进行了升级,升级后的模拟驾驶器具有360度环形屏幕,12米长的纵向移动轨道,可模拟高速动态驾驶行为,例如变换车道和在不平整道路上行驶等,如图1.5所示。
图1.5奔驰公司大型驾驶模拟器
Fig.1.5LargedrivingsimulatorinMercedes-Benz
1.4.2驾驶模拟器国内发展历史和研究现状
驾驶模拟器在国内的发展相比国外要相对较晚,从最开始的从国外引进到后来的自主研发,经历了一个较长的时期。
最早引进捷克的是点光源平板投影式仿真器,后来引进美国的被动式汽车仿真器。
20世纪70年代,中国才有了自主研制的点光源、转盘机电式汽车模拟器。
到90年代,由于计算机技术的高速发展,国内开始出现自主研制的仿真度较高的汽车驾驶模拟器[18]。
国内最早的驾驶模拟器研发工作是在各个大学的科研院所开始的,最早开展模拟驾驶器研究的主要有吉林大学,同济大学,上海交通大学,装甲兵工程学院,中国农业大学,武汉理工大学等。
装甲兵工程学院研制的MUL-QJM汽车驾驶模拟器,采用了实时CIG技术用于生成虚拟视景,搭配实时汽车动力学模型进行汽车动力的仿真,可以很好的进行汽车的驾驶培训,也可以进行车辆安全、交通工程和人机工程的研究[19]。
昆明理工大学熊坚,曾纪国等人研发的模拟驾驶器,包括驾驶舱、视景系统、计算机控制系统等,并可应用于高速公路设计成果的检验及评价、交通控制和管理研究、交通事故再现等几个方面[20]。
武汉理工大学的高嵩、陈先桥等人,基于图像引擎OGRE和物理引擎ODE进行系统建模,并结合了汽车动力学模型,研制出了一个功能完善且高度仿真的驾驶模拟系统[21]。
国内领先的是吉林大学的汽车仿真与控制国家重点实验室(ADSL)开发的驾驶模拟器,如图1.6所示,最初建成在1995年年底,该驾驶模拟器可以对整车及部件进行全方位的性能分析、评价及验证。
因其强大的功能及优异的性能,综合性能处于世界第二。
2010年,吉林大学对其进行了全方位的系统升级,升级后其动力学模型的自由度达到了
42个,同时优化了转向系统模型、基于Unitire的车轮模型、解决了停车时的漂移问题,在总体性能上进一步提升了ADSL驾驶模拟器的性能[22]。
图1.6吉林大学ADSL驾驶模拟器
Fig.1.6ADSLdrivingsimulatorinJilinUniversity
1.5主要研究内容
本文为了完成《基于人-车-路-环境识别与信息交互的四轮独立驱动电动汽车纵向避碰预警与协同控制》的项目研究,在分析了国内外驾驶模拟器的研究现状和项目的实验需求,保证了实验的功能需求和尽量减少开发成本的前提下,选择了小型驾驶模拟器的研究和搭建。
主要研究内容如下:
第一章:
绪论。
讲述了交通问题的普遍存在和交通问题的严重性,分析了国内外驾驶模拟器的研究现状。
汽车主动安全和智能交通可以在很大程度上减少交通事故和交通堵塞,具有重要的研究意义。
第二章:
虚拟驾驶平台搭建。
主要对虚拟驾驶平台的搭建原理和过程进行了详细介绍。
包括虚拟场景中地形、道路、房屋和树木的建模,主控车辆和AI车辆的建模和控制,驾驶平台软件界面交互设计、驾驶平台数据信息采集系统的搭建。
第三章:
实验场景设计。
查阅分析了大量主动安全和智能交通相关的文献,总结了主动安全的主要研究方向,进而对应的设计了相应的实验场景,并对原理和过程进行了详细阐述,这些场景包括跟驰模型实验场景、超车模型实验场景和紧急避撞模型实验场景,多人联网的实验场景可用于进行智能交通和车联网相关的实验。
第四章:
实验设计。
对应不同的实验场景设计了实验故事背景、实验流程,并按照
实验流程进行实验,记录保存了实验过程中的数据信息,作为研究实验过程的数据来源。
2虚拟驾驶平台的搭建
2.1虚拟场景搭建平台Unity3D简介
Unity3D是由UnityTechnologies公司研发的虚拟现实引擎,由于其具有可视化编程界面、支持OpenGL和Direct11、集成了PhysX3.3物理系统等众多功能特点,所以在虚拟模拟仿真方面应用甚广[23]。
2.2虚拟场景构成
虚拟驾驶场景作为模拟驾驶平台的重要组成部分,场景的真实性、合理性会直接影响模拟驾驶的体验,对模拟驾驶实验的实验数据的真实性、可靠性产生极大的影响。
因此,在搭建模拟驾驶平台时,我们必须做到虚拟场景尽可能的接近现实环境,包括视觉
(外形、色彩等)、物理环境(地面材质、摩擦系数、重力和碰撞效果等)。
模拟驾驶场景的组成,大致包括:
建筑物模块,道路模块,AI车辆及行人模块和主动控制车辆模块四个部分,如图2.1所示[24-27]。
虚拟驾驶场景
静态环境模块
动态模型模块
地形
,树木
建筑物
道路
图2.1虚拟驾驶场景结构图
Fig.2.1Virtualdrivingscenestructure
2.3静态环境模块的搭建
2.3.1地形的搭建
Unity3D软件自带了强大的地形编辑系统,可以非常方便快捷的创建出我们想要的
任何地形,这就可以为我们搭建虚拟场景节省很多的时间。
首先我们要导入创建地形所需要的资源包,依次选择菜单栏中的Assets→ImportPackage
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