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一文详解汽车驾驶模拟技术的概念、组成与应用

导语

随着汽车智能技术的发展，传统的实车实路测试已无法满足日益增长的研究需求。得益于虚拟仿真技术的进步，作为一种安全、经济性好的汽车验证工具，驾驶模拟技术已经在汽车智能技术研发中的重要手段。本文将详细介绍汽车驾驶模拟技术的概念、组成及应用，帮助您更好地了解驾驶模拟技术并应用到您的研究中。

汽车驾驶模拟技术，也被称为汽车驾驶仿真，或虚拟驾驶。是指利用现代高科技手段如：三维图像即时生成技术、汽车动力学仿真物理系统、大视场显示技术（如多通道立体投影系统）、六自由度运动平台（或三自由度运动平台）、用户输入硬件系统、立体声音响、中控系统等，让体验者在一个虚拟的驾驶环境中，感受到接近真实效果的视觉、听觉和体感的汽车驾驶体验。适用于研究机构进行汽车工程、交通工程、人因工程研究的需要以及作为汽车研究领域的模拟实验平台。

使用驾驶模拟技术替代实车试验的原因是实车试验具有以下劣势：现实交通环境下无法确保车辆和试验人员的安全，尤其是某些技术需在极端工况下完成验证；较难获得可重复的试验用交通场景和交通流；试验周期长、成本高昂。而驾驶模拟技术凭借场地固定、场景可设置、费效低等优势，可以很好地解决以上问题。

什么是驾驶模拟器？

驾驶模拟会用到驾驶模拟器，驾驶模拟器分为开发型和训练型驾驶模拟器。训练型主要用于驾驶员培训工作。开发型可应用于汽车新技术及驾驶员特性研究，在保留驾驶员操作特点的同时，完成相关的人车交互试验。使用驾驶模拟技术研究汽车智能技术的常见做法是把相关硬件嵌入驾驶模拟器中，实现硬件-驾驶人在环验证，进行驾驶人主观评价及算法验证。此外，可以把诸如眼动仪、驾驶人检测设备等安装在驾驶模拟器中，用于研究智能技术条件下的驾驶人反应特性。

驾驶模拟器主要由视景仿真系统、汽车驾驶模拟舱、运动平台、驾驶模拟软件四个部分组成：

视景仿真系统

高分辨率,实时渲染,精准路况模拟带来沉浸式驾驶体验。如投影环幕、液晶显示器、LED屏、球舱Dome、VR头盔等。

汽车驾驶模拟舱

智能反馈调控、模块化灵活配置,可定制以适配不同实验需求。有实车改装、台架式、概念型、单座型、柔性台架等类型。

运动平台

配合驾驶仿真软件实现视角与场景转换,带来真实运动仿真效果。有四轴三自由度、七轴六自由度、六自由度Stewart、八轴滑轨、轨道式等多种类型。

驾驶模拟软件

精确定义交通场景要素,实时呈现动力学仿真。

驾驶模拟器的硬件

汽车驾驶模拟器的硬件部分主要由模拟舱、视景系统、运动平台构成，每个部分的规格与配置可以根据用户的不同需求进行配置。

下图案例中，驾驶舱采用实车改装，运动平台采用Stewart结构的六自由度运动平台，视景系统采用投影仪加金属环幕的环幕投影方案。

驾驶模拟器硬件示意图

汽车驾驶模拟舱类型繁多，可以根据自己的技术需求、实验室空间和预算情况选择不同的方案，比如真车模拟舱、台架式模拟舱、概念型模拟舱还有单座模拟舱等。

驾驶模拟舱

真车模拟舱

对任意真车进行改造，打造真车模拟舱。支持部分结构重塑，包括IP台、仪表屏、中控屏、后视镜、方向盘、扶手箱等，重塑后，无论外观还是触感，均达到真车品质。

台架式模拟舱

台架式模拟舱采用框架式设计，覆盖件和部分结构可拆卸，用户可根据自己每次测试的不同需求安装第三方部件，进行实验测试。

台架式模拟舱可以选配运动平台、部分智能座舱功能以及部分柔性可调机构。

标准单座模拟舱

该模拟舱特点体积小，对空间要求较低，适合实验室空间有限的用户。模拟舱采用汽车级的座舱外壳以及真车座椅，舱内采用高性能驾驶模拟套件，包括高级力反馈方向盘、踏板、档位以及电子总成。

标配中控屏和三联屏视景仿真系统，采用虚拟后视镜方案，即在三联屏上呈现画中画形式的虚拟后视镜。

概念型模拟舱

类似概念车的具有未来感的汽车模拟舱，包括概念型汽车外形、内饰、座椅、车门等，车门、车窗、座椅支持软件控制。

概念型模拟舱既可以用于汽车的前瞻性研究，也可以用于参观体验和形象展示等。

柔性台架模拟舱

针对需要进行多车型模拟驾驶测试的用户，SIMLAB研发了柔性台架模拟舱。这款模拟舱能够实现座舱空间结构的全面调节，以适应不同车型的模拟驾驶测试需求。

SIMLAB柔性台架模拟舱

核心交互部件

但驾驶舱内部技术方案有很大的通用性，特别是核心交互部件，例如方向盘力反馈电机、工效踏板、挡位操作机构、手刹机构等，以及一些智能座舱和驾驶辅助功能。

驾驶模拟器的核心交互部件

方向盘力反馈电机

方向盘的转向力反馈手感是驾驶模拟沉浸感的最基本保障，我们选用高性能伺服电机，采用高级力反馈控制算法，模拟真车实路的驾驶手感。

转向扭矩测试机构

驾驶人转动方向盘的扭力是重要的驾驶行为参数。该参数能够深刻反映驾驶人的状态：专注度、应激反应等指标。通过分析方向盘扭矩的变化特征，可以有效评估驾驶者的即时专注水平及其面对突发情况时的反应灵敏度。同时此数据也可作为自动驾驶时人车控制权博弈时重要判断数据。

方向盘机械停止机构

在科研级驾驶模拟舱中，无法还原真车在转向角度上的物理限制，驾驶人无法判断转向是否已经达到最大幅度，会出现与力反馈电机进行持续博弈的情况，影响驾驶任务执行，导致实验无法持续。

工效踏板

即便是在真车模拟舱中，原车踏板难以精准复刻真实道路驾驶过程中的力反馈体验，尤其是刹车踏板。我们经过多年的技术迭代，成功实现了高仿真的力反馈工效踏板。

换挡机构

换挡机构支持档杆式、旋钮式和怀档式等。

手刹

可以选配多种方案，支持机械手刹或者电子手刹，也可以定制按钮、怀档等特殊手刹方式。

主动安全带

在预紧安全带基础上增加了电机，配合智能驾驶，调整不同人体织带松弛量，在人眼偏离道路时抖动织带，在发生碰撞前收紧织带等。

抬头显示HUD

在汽车智能化的浪潮中，HUD抬头显示技术已成为提升驾驶体验的关键因素。

物理后视镜

虚拟仿真用于提供驾驶员后方视野的物理反射镜。

交互屏幕

汽车中集成的触摸屏或显示屏，用于显示车辆信息、娱乐内容和控制车辆功能。

声音仿真

使用3D音响系统进行行车时的环境音仿真。

座椅震动

座椅振动可以用于主动安全带提醒，或者作为人机交互的一种方式。有座椅振动技术方案，振动器数量和预埋位置均可定制，支持多种振动模式，例如不同强度、不同振动顺序等。

智能座舱选配件

模拟舱可选配多种智能座舱配置方案，例如可编程氛围灯、车窗软件控制、座椅调节软件控制、方向盘调节软件控制、DMS模组、驾驶人表情监测模组等。

驾驶模拟器的软件

驾驶模拟仿真软件是汽车驾驶模拟系统的重要技术组成部分，不但需要呈现逼真的视觉仿真，还要承担动力学模型、自动驾驶、人机交互以及智能座舱等功能性支持。

SILAB驾驶模仿真软件由德国WIVW（乌兹堡交通科学研究所）研发。WIVW诞生于著名的德国乌兹堡大学的科研团队，于1998年开始开发汽车驾驶模拟仿真软件SILAB，最新版本已经更新到7.2。因其逼真视觉仿真效果和强大的功能被世界的著名高校、研究机构和企业使用。SILAB软件可以和驾驶模拟硬件完美结合，呈现逼真的驾驶模拟仿真感受。