【专家分享】如何打造一款专业驾驶模拟器? | 51TECH

驾驶模拟器是计算机辅助运动学和动态模拟应用的最复杂场景之一。专业驾驶模拟器仿真测试已日益广泛地用于车辆控制系统研究、驾驶员操纵行为研究、驾驶员驾考培训以及适应于不同驾驶行为下的道路交通设计等的众多工程方向。当前,在智能座舱功能研究、自动驾驶技术研发等领域应用更是十分必要。

相比实车驾驶,驾驶模拟器优势明显,尤其是结合51Sim-One仿真平台所构建的高拟真场景后,可实现过程可控、可重复、可标准化,场景的可编程和多功能,最终有效提高研发效率,缩短研发周期。

目前,驾驶模拟器种类众多,如何选择一款专业驾驶模拟器用于研发或者专业培训?今天,51WORLD车辆与交通事业部驾驶模拟器产品负责人陈德灏,通过实际项目案例,带你了解专业驾驶模拟器的标准维度有哪些?为你硬核解析如何能做好一款专业驾驶模拟器。

 

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驾驶模拟器包含些什么?

                                                                                            ▲ 智能网联测试中心驾驶模拟器及模块矩阵

驾驶模拟器系统包含很多模块:运动平台、显示模块、体感算法、操作输入模块、座椅及安全带模块、DMS、生理监测模块、车载信息系统、人机交互系统等。凡是车上有的都可以装上去,车上没有的也可以装上去,这完全取决于用户想要将驾驶模拟器用来做什么。

与娱乐驾驶模拟器只注重爽快不同,专业驾驶模拟器更关注仿真的准确。一台完备的专业驾驶模拟器,前六个模块是必须的,其余可称为功能附加模块。我将重点从运动平台、显示模块、体感算法、操作输入这四大基础模块进行解析。

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四大核心模块

1.运动平台

“运动平台能动就行了吗?”

                                                             ▲ 自研运动平台

目前,最常见的一种运动平台结构是Stewart平台。最初用于航空模拟,因其刚度大、承载能力强、位置误差不累计等特点被广泛运用。

此平台具有六个自由度,可以表达三维空间下所有的运动状态,我们在设计驾驶模拟器时目前采用这种结构,其构成部件分为上下平台、12个万向节、6个伺服电动缸、1个电气柜。

需要重点说明的是,51WORLD驾驶模拟器的运动执行构件采用的是伺服电动缸,而不是传统的液压缸或气缸。与传统液压缸、气缸相比,电动缸不需要液压油或空气作为介质,其性能不易受到外部环境的影响,也不需要类似液压系统这样复杂的泵和阀门等,因此具有结构简单、精度高、响应快、稳定性高等优点。

                                                                                                            ▲ 直线式、折返式电动缸结构图①

常规电动缸由电机驱动丝杠,带动螺母进行直线往复运动,在伺服电机选用一样的情况下,精度和噪声取决于丝杠螺母的选用以及支撑部件的加工精度。如果选用质量较差的丝杠螺母,不但初期精度差、噪声大,在长时间使用后,情况会愈加恶化,且会出现电机负载增加甚至过载的情况。因此,精度和噪声是一项重要参数指标,不但保证了常规使用工况,也算是一种对于设备寿命的一种保证。51WORLD选用研磨级丝杠,精度可以达到0.1mm。

                                                                                                                                                                                                         ▲ 运动平台简化结构图

在具备了良好的硬件基础后,运动平台需要实现在空间中按照要求运动到特定位姿,则必须使用到运动学的正反解运算。运动学反解是将运动平台的空间位置解算到每个电动缸的长度,进行联动控制。运动学正解则是将每个电动缸的长度联立计算出运动平台的空间位置,这样就可以实现整体的闭环控制。需要说明的是,运动学反解具有唯一解,但是运动学正解还没有一个统一的方法,目前51WORLD通过一定的算法已经实现了在有约束的空间条件下的正解计算。在联立线性方程组,提取雅可比系数矩阵后,通过牛顿迭代法多次迭代,能够获得误差可以忽略的正解。

 

2.显示模块

“显示屏幕越大越好吗?”

目前,驾驶模拟器主流显示方式有三种:屏幕、环幕投影、VR。屏幕,是最常规的一种显示方式。有放在墙上的拼接屏,有落地大屏,也有跟随驾驶模拟器运动的三联屏。

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▲ 拼接屏与三联屏的适用环境

前两种方式比较适合于静态的或者运动幅度不大的驾驶模拟器,而对于运动幅度较大的驾驶模拟器来说,随动的三联屏是必须的。

这里涉及到一个重要判断指标视场角(FOV),简单理解即视野大小。虽然从展示维度看,拼接屏显得大气,落地大屏灵活简洁,但是从实际实用角度来看,这两种方式在FOV的提供上存在较大局限性。

                                  ▲ 三种屏幕显示方式的等效FOV示意

而FOV又决定了另一个重要因素:速度感。研究表明在驾驶过程中,人眼看到的画面FOV越大,速度感就越强。这也就是为什么经常会有体验者问一个问题:为什么感觉画面里面的车没有显示的时速那么快?然而,实际车辆仿真确实已经达到了相应的速度。错不在仿真也不在体验者,而是在于显示模块提供的FOV不够。加之,人眼余光的动态视觉比视网中心或焦点的动态视觉要好,就造成了视觉不匹配的问题。

                                                                                       ▲ 视觉敏感区示意图②

不过即使是三联屏也只能提供130度左右地横向FOV,相对于人眼超过180的FOV还是力有不逮,对于FOV不够的问题,环幕投影可以很好地解决。

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                                                                                    ▲ 环幕投影技术的适用环境

当然,在FOV足够的情况下,显示画面的真实性也很重要。这里的真实性不单单指画面内的场景、物件和真实接近,还指显示的画面内容的空间感知正确。其简单判断标准就是驾驶车辆时车道线的宽度以及延伸感知要正确。比如,把90FOV的画面显示在180FOV或者50FOV的显示单元上,两侧就会产生明显畸变,导致空间延伸感知的误判。

                                                                   ▲ VR显示与模拟器体感算法结合减轻晕动症的案例

对于VR技术的显示方式,因人而异。由于技术的限制,现在的VR头显依然会产生晕动症,然而产生的原因又比较复杂,体感不正确是一个比较重要的原因。实际项目中,51WORLD在给某国内一线车企做的5G远程乘坐项目用到了VR显示,通过在远程车辆上加装IMU、摄像头等设备,实时获得车辆的状态以及画面。通过体感算法将乘坐人员的体感和画面相匹配,可以有效减轻晕动症。

3.体感算法

“直接产生和车辆对应的加速度不就可以了?”

体感算法也叫做运动暗示(motion cueing) ,通过驾驶模拟器的运动将加速度施加到身体上,从而使驾驶员感受到印象深刻的真实加速度。

按照常规理解,驾驶模拟器具有六个自由度,直接产生和车辆对应的加速度不就可以了?然而由于驾驶模拟器的工作空间和执行器的动力学受限,无法进行长时间地加速,因此车辆的运动与驾驶模拟器的运动并非线性对应,而是通过其他的方法做弥补或者运动暗示,比如靠重力分量。

                                                                                                    ▲ 经典洗出算法③

上图中的模型是目前比较主流且实用的一个经典洗出模型,其中Tilt-Coordination就是将平移的低频分量转化为倾斜来表达,也就是通过倾斜后的重力分量来对直线加速度做个弥补。

然而,这样做并不意味着问题被解决了,在做倾斜协调的时候,会产生一些角速度,易被半规管感知,且当倾斜大于一定角度后,人所受的垂直于驾驶模拟器上平台的重力分量会明显小于重力而被耳石器感知。这些期望之外的运动信号会造成视觉系统和前庭系统之间存在传感器冲突,引发晕动症。不过有研究表明,当角速度<3°/s的时候,不易被人所感知。因此,有限的倾斜协调能在一定程度上弥补直线加速度的不足。我们的体感算法结合了经典洗出模型,在此基础上增加了低频加速度回中调整。根据不同的工况调整相应的参数,适应性调整角速度、倾斜协调幅度等功能,这样能够更好地利用驾驶模拟器的性能,提供更佳体感。

                                                                                          ▲ 前庭系统生理结构④

4.操作输入模块

“任意选择一款有反馈的输入模块就可以了吗?”

驾驶车辆时必备的三个输入模块:方向盘、踏板、排挡,对于驾驶模拟器来说也同样适用。

 

                                       ▲ 自研方向盘模块

对于驾驶车辆来说,方向盘的力反馈是必需的。驾驶员通过方向盘的力反馈可以感知到车辆行驶的状态、轮胎的抓地力、地面的起伏等等情况。因此,驾驶模拟器至少要选择一款带力反馈的方向盘。那么市面上这么多的力反馈方向盘,是不是随便选一款就能用了呢?答案是否定的,而且严格来说绝大多数力反馈方向盘都是不可用的。

                                                                                                      ▲ 市面上方向盘测试对比图⑤

上图是基于市面上常见的几款力反馈方向盘的测试,可见伺服电机驱动直接驱动方向盘在性能和手感上都明显优于其他方向盘,也只有达到这样程度的方向盘才能被用于仿真车辆的力反馈。

                                                                                                                                                                                                      ▲ 自研方向盘模块

51WORLD驾驶模拟器的方向盘模块是将方向盘直连伺服电机,通过伺服电机驱动产生力反馈。其工作原理是:伺服电机将编码器信号也就是方向盘转角值传递给驱动器,再传递给运动控制卡,最后输入给电脑。电脑根据输入的当前方向盘转角在车辆动力学中进行解算,算出一个力反馈值,之后将力矩信号传输给运动控制卡,运动控制卡对力矩信号进行处理后将力矩值输出给到伺服驱动器,伺服驱动器经过力矩环控制伺服电机产生对应力反馈。这样能够精准地提供力反馈,误差<1%,以及实现自动驾驶工况下的实时方向盘跟随。

                                     ▲ 自研踏板模块

力反馈对于踏板也很重要,驾驶行为的拟真性和踏板反馈的力度有直接关联。当油门踏板太轻则会造成驾驶员驾驶车辆偏快且不易控制车速,太重则会造成驾驶疲劳且同样影响车速的控制,制动踏板的力度也存在类似的影响。因此踏板的反馈力度需要和实车相接近。

                                                                                                                    ▲ 加速、制动踏板力-角度测试图

为了达到和实车相接近的反馈力度,我们使用高精度的压力传感器以及IMU对四款车的油门和制动踏板进行了测定,并对获取到的数据分析。经过计算和设计,51WORLD驾驶模拟器踏板力度处于实车测试覆盖力度范围的中间值,并且对于制动踏板是采用了一个多段力的设计,而非市面上大部分踏板的线性力,或者仅在末端增加一个很重的二段力设计。另外,驾驶模拟器踏板采用行程、初始角度、力度可调的设计,可以一定程度模拟不同的车辆脚感。

                              ▲ 自研排挡

排挡在自动挡车辆驾驶过程中使用频率是这三个输入模块中最低的,然而由于车辆需要前进、后退、驻车等功能又不可或缺。在普通使用场景中,市面上常规的排挡已经足够。但是由于客户的特殊需求,以及特殊的场景应用,51WORLD设计了上图中的排挡,功能类似序列挡,平推换挡,能自动回中,可输出三个信号,支持CAN总线通讯。

 

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三大判断维度与优化方案

判断一台驾驶模拟器专业与否有没有标准?有不少!但综合来看最重要,而且实现起来难度较大的有三大维度。

1.准确的体感

这一点至关重要,换句话说就是该剧烈时剧烈,该温柔时温柔。定性来说就是前庭系统感知的加速度需要和视觉系统的感知加速度相匹配。

                                                                                                 ▲ 载具运动转换到运动平台运动

在提取被模拟载具运动并将其转换到运动平台方面,由于体感算法用的模型涉及到拉氏变换以及大量参数的调优,使用门槛相对较高,所以有的驾驶模拟器厂家采用简化处理,只是简单对应加速度或者甚至是只和油门、刹车作对应。51WORLD对体感算法不做简化处理,而是将被模拟载具的运动完整提取出来,并转换到运动平台,且设有30+参数可以调整以适配驾驶模拟器在不同的驾驶工况下的运行。

在转换到运动平台之后,通过运动学的正反解来保证运动平台能按照要求进行运行也是十分重要,这在上一部分运动平台中有所阐述。需要强调的是,驾驶模拟器的旋转中心并不能直接使用传统意义上的机械结构中心,对此我们做了一定调整,将驾驶模拟器的旋转中心做了变换到前庭系统位置,以保证前庭系统感知到的线性加速度和角速度不会混入错误的分量,这个转换至少需要具备六自由度的模拟器才能完成。由于旋转中心只有一个,理论上只能照顾到一名驾乘人员,因此不推荐有两名驾乘人员同时在驾驶模拟器上进行测试。

对于以上功能的整合,51WORLD研发了一款驾驶模拟器控制软件Allspark,其可以将不同的载具运动数据转换成运动平台的运动数据,控制驾驶模拟器产生准确的体感。通过这款软件向上可以对接不同的仿真平台,向下可以对接不同的驾驶模拟器。相当于在各个仿真平台以及驾驶模拟器之间架起了桥梁。

2.足够低的延迟

根据专业测试,延迟在150ms以上会略微感到延迟;延迟在100ms-150ms的区间,取决于不同人本身敏感程度,且需要在比较高的阶跃加速度工况下才能被感知;而低于100ms的延迟,则几乎无法被感知。因此,驾驶模拟器至少需要做到延迟150ms以内,当然越低越好。

                                                                                                                                                   ▲ 驾驶模拟器延迟测试

需要说明的是,这个延迟不是指上位机将指令给到运动控制器,运动控制器反馈收到指令的时间差。而是指上位机发送运动指令,直到驾驶模拟器完成运动指令的时间差。这其中包括了上位机信号到运动控制器的传输延迟,运动控制器对信号做滤波后产生的延迟,机械时间常数、电气时间常数决定的延迟等,这个延迟会比想象中大不少。

驾驶模拟器的延迟是各个模块综合作用的结果,因此降低延迟展现的是综合能力。我们的驾驶模拟器延迟在40ms-80ms左右,大幅低于人可以感知的延迟阈值,可以保证体感的实时性。

3.真实的触感

这里的触感不是指座椅或者方向盘皮质的感觉,而是指操控方向盘、脚踩踏板的时候受到的反馈触感。准确的方向盘力反馈以及合适的踏板力度可以有助于驾驶员做出和实车接近的驾驶行为。这种高水平的真实性对于获得准确的数据至关重要,尤其当涉及到驾驶员在环测试时,真实体验是至关重要的。这一切的前提是要有好的基础,即好的方向盘和踏板模块,伺服直驱方向盘以及多段力可调节踏板则能够提供接近实车的反馈。

                                                                                                               ▲ EPS工作模型⑥

还需说明的是,方向盘力反馈数值的仿真。方向盘力反馈在很多车辆动力学软件或者车辆游戏中都存在,但都有一个问题,即没有电子助力转向(EPS)。这就造成驾驶员感到方向盘特别灵活,高速时方向盘偏重,低速时方向盘偏轻的问题。而EPS的算法又属于各转向厂家的专门技术,想要获取又比较难。我们在实际开发过程中增加了与车速、方向盘转速、阻尼、惯量等相关增益计算,已经能改善一部分缺少EPS的问题,从而达到与真实驾驶相当接近的体验。

要做好一台专业的驾驶模拟器显然不容易。51WORLD车辆与交通事业部硬件组专家将高性能运动平台以及高规格视觉系统等能力相结合,为客户提供“能对车辆配置的最小变化作出反应”的专业模拟器解决方案。

 

资料引用:

①http://tsubaki.cn/power-transmission/linear-actuator/electro-mechanical/power-cylinder/cds

②https://zhuanlan.zhihu.com/p/27501402

③Arai S , Kondo H , Goto H , et al. Evaluation of motion with washout algorithm for flight simulator using tripod parallelmechanism[C]// Mechatronics and Machine Vision in Practice (M2VIP), 2012 19th International Conference. IEEE, 2012

④Nikolce Murgovski. Vehicle modelling and washout filter tuning for the chalmers vehicle simulator. Master’s thesis, Chalmers University of Technology, Goteborg - Sweden, 2007

⑤http://www.racingfr.com/forum/index.phpshowtopic=48669

⑥https://wenku.baidu.com/view/9b4de6c29ec3d5bbfd0a7449.html

 

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