田順 谷亞蒙 魏朗 劉晶郁 關(guān)闖

（長(zhǎng)安大學(xué)，西安 710064）

1 前言

駕駛模擬器主要分為訓(xùn)練型和科研型[1]。訓(xùn)練型模擬器主要用于對(duì)駕駛員的駕駛技能訓(xùn)練和安全教育，目前已經(jīng)得到了大規(guī)模應(yīng)用?？蒲行湍M器作為各大車(chē)企和科研機(jī)構(gòu)的主流開(kāi)發(fā)模擬器，可應(yīng)用于駕駛行為、汽車(chē)新技術(shù)以及“人-車(chē)-路”交通特性的研究，在保留駕駛員操作特點(diǎn)的同時(shí)，可完成相關(guān)的人車(chē)交互試驗(yàn)[2]。駕駛模擬器是集車(chē)輛實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、聲光系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)于一體的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真設(shè)備[3]。主要的硬件包括：主控計(jì)算機(jī)（計(jì)算汽車(chē)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）、視景計(jì)算機(jī)（產(chǎn)生虛擬場(chǎng)景）、交換機(jī)、投影設(shè)備、虛擬場(chǎng)景顯示屏、實(shí)車(chē)模型及待測(cè)硬件。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和沉浸感水平，科研型駕駛模擬器可分為低等級(jí)、中等級(jí)和高等級(jí)駕駛模擬器[1]。駕駛模擬器的研發(fā)投入與其保真度、沉浸感正相關(guān)[4]。低等級(jí)駕駛模擬器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要有固定的座椅、固定的屏幕、帶有力反饋的轉(zhuǎn)向盤(pán)和踏板、聲光系統(tǒng)等。其視景系統(tǒng)多為被動(dòng)式，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際需要，通常采用一個(gè)或多個(gè)屏幕。具體的成本投入根據(jù)屏幕數(shù)量、操縱機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)度的不同而有差別。中等級(jí)駕駛模擬器具有較為完整的整車(chē)模型，其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通常具有較少的自由度。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，可?shí)現(xiàn)縱向、橫向、橫擺等運(yùn)動(dòng)[5]。此類模擬器有些采用全尺寸艙，有些則將較為精準(zhǔn)的操縱機(jī)構(gòu)安裝在自制的半尺寸車(chē)體上。高級(jí)駕駛模擬器的運(yùn)動(dòng)有多個(gè)自由度，一般不少于6個(gè)自由度；為了獲得更大的水平工作空間，采用主動(dòng)式視景系統(tǒng)，即視景屏幕能適應(yīng)模型車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)車(chē)輛當(dāng)前行駛狀態(tài)實(shí)時(shí)生成三維場(chǎng)景，呈現(xiàn)200°及以上的逼真視景[2]。

最近10年，駕駛模擬技術(shù)有了新的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也呈多樣性。本文主要研究國(guó)內(nèi)外駕駛模擬器的發(fā)展歷程以及駕駛模擬技術(shù)的最新應(yīng)用，為利用駕駛模擬器開(kāi)展研究的科研人員提供思路。

2 高等級(jí)駕駛模擬器的發(fā)展歷程

20世紀(jì)70年代初，德國(guó)大眾汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)出世界上第一套駕駛模擬器[6]，該模擬器由具有較少自由度的運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，僅包含橫擺、側(cè)傾、俯仰3個(gè)自由度[7]，固定在平臺(tái)駕駛位置前方的單一、平面的屏幕組成視覺(jué)成像系統(tǒng)為駕駛者提供場(chǎng)景。除此之外，在模擬平臺(tái)沒(méi)有布置額外的汽車(chē)功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。隨后，受大眾公司的啟發(fā)，瑞典國(guó)家道路與交通研究所（VTI）積極參與駕駛模擬器的開(kāi)發(fā)，于1984年研發(fā)出第一代駕駛模擬器VTI-Ⅰ[8]。一個(gè)獨(dú)立的汽車(chē)駕駛艙可在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行側(cè)向、橫擺、側(cè)傾和俯仰模擬運(yùn)動(dòng)，即運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)包含4個(gè)自由度[9]。同年，德國(guó)聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)設(shè)計(jì)了與VTI-Ⅰ具有相同自由度并由液壓裝置驅(qū)動(dòng)的駕駛模擬器[10]。

1985年，基于Stewart博士提出的Stewart結(jié)構(gòu)[11]（見(jiàn)圖1），德國(guó)戴勒姆-奔馳公司開(kāi)發(fā)了世界首套具有6自由度運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)的駕駛模擬器，應(yīng)用獨(dú)創(chuàng)的液壓六足裝置，車(chē)身可實(shí)現(xiàn)橫擺、側(cè)傾、俯仰、垂直、縱向、橫向等6個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)[12]。模擬駕駛艙為穹頂結(jié)構(gòu)，內(nèi)部嵌入6個(gè)陰極射線管（Cathode Ray Tube，CRT）投影儀，可呈現(xiàn)180°逼真視景，開(kāi)啟了高保真、多運(yùn)動(dòng)自由度高級(jí)駕駛模擬器的開(kāi)發(fā)之路。該模擬器于1993年被升級(jí)為“先進(jìn)駕駛模擬器”，與之前的設(shè)計(jì)最大的不同在于實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在橫向的延伸，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓足在橫向?qū)崿F(xiàn)了高達(dá)5.6m的偏移[13]。日本汽車(chē)研究所、日產(chǎn)公司也分別于1996年、1999年開(kāi)發(fā)了類似結(jié)構(gòu)的液壓裝置驅(qū)動(dòng)的6自由度駕駛模擬器[14]。歐洲的寶馬公司[15]和雷諾公司[16]分別在2003、2004年開(kāi)發(fā)出了全尺寸6自由度駕駛模擬器。

圖1 Stewart結(jié)構(gòu)

進(jìn)入21世紀(jì)后，為適應(yīng)汽車(chē)新技術(shù)和智能交通的發(fā)展，各大科研機(jī)構(gòu)和車(chē)企競(jìng)相研發(fā)更高自由度和保真度的高級(jí)駕駛模擬器。2003年，愛(ài)荷華大學(xué)聯(lián)合美國(guó)聯(lián)邦高速公路管理局（Federal Highway Administration，F(xiàn)HWA）開(kāi)發(fā)了當(dāng)時(shí)最大規(guī)模、最先進(jìn)的駕駛模擬器NADS-Ⅰ（見(jiàn)圖2），具有12自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[17]。該模擬器具有深度的再開(kāi)發(fā)潛力，可以進(jìn)行各種復(fù)雜的駕駛員-硬件在環(huán)試驗(yàn)，主要用于研究碰撞事故中的駕駛員因素以及交通風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)機(jī)制[18]。該模擬器的Stewart結(jié)構(gòu)安裝在橫縱導(dǎo)軌上（見(jiàn)圖2），可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的橫、縱2個(gè)方向的車(chē)-路交互。該模擬器最重要的特點(diǎn)是顯著地拓展了平臺(tái)基座X-Y系統(tǒng)的水平工作區(qū)[19]，可達(dá)20m×20m。除了傳統(tǒng)的專用液壓裝置，新增了轉(zhuǎn)盤(pán)和振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，基座X-Y系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，六足機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤(pán)和振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)均由液壓裝置驅(qū)動(dòng)。在穹頂內(nèi)部，全尺寸汽車(chē)結(jié)構(gòu)放置在六足裝置上方的轉(zhuǎn)盤(pán)上，配備了8個(gè)液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD），可提供360°全視角交通場(chǎng)景。由于模擬艙內(nèi)直接放置了整車(chē)，可以基于CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不需要試驗(yàn)人員安裝額外的車(chē)用傳感器，減少了工作量。

圖2 NADS-I駕駛模擬器

2006年，英國(guó)利茲大學(xué)開(kāi)發(fā)了UoLDS（見(jiàn)圖3），是當(dāng)今科研領(lǐng)域最先進(jìn)的駕駛模擬器之一，主要用于研究車(chē)輛的自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)安全性的影響、駕駛員認(rèn)知模式、道路安全設(shè)計(jì)等問(wèn)題[20]。該模擬器具有8自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，250°高清投影呈現(xiàn)逼真視景，8通道視覺(jué)信道以60 Hz頻率更新，內(nèi)置5個(gè)眼球跟蹤儀。

圖3 UoLDS駕駛模擬器

2008年，日本豐田東富士技術(shù)中心研發(fā)了高4.5m，內(nèi)徑7m的駕駛模擬器。它取代了NADS-Ⅰ，成為了當(dāng)今規(guī)模最大的汽車(chē)駕駛模擬器[21]。其結(jié)構(gòu)與NADS-Ⅰ非常相似，率先使用CarSim和TruckSim軟件代替汽車(chē)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，兩者最主要的區(qū)別在于平臺(tái)轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置[22]。豐田模擬器的汽車(chē)在穹頂結(jié)構(gòu)內(nèi)部做橫擺運(yùn)動(dòng)，而NADS-Ⅰ則是轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)整個(gè)穹頂結(jié)構(gòu)做橫擺運(yùn)動(dòng)。豐田模擬器旨在還原普通駕駛信息，實(shí)現(xiàn)加速度幅值高達(dá)0.3 g、頻率響應(yīng)至少4 Hz的真實(shí)駕駛體驗(yàn)。360°球面屏幕呈現(xiàn)逼真的視景，要求視覺(jué)呈現(xiàn)延遲為63ms，所以豐田模擬器具有更高的逼真度和沉浸感。該模擬器主要用于進(jìn)行在現(xiàn)實(shí)中太過(guò)危險(xiǎn)的駕駛測(cè)試，分析行車(chē)安全性，包括駕駛員困倦、疲勞、醉酒、身體不適和注意力不集中等駕駛行為[1]。

2010年，戴姆勒-奔馳公司新研制的高約4.5m、內(nèi)徑約7.5m、具有7個(gè)自由度的高級(jí)駕駛模擬器成功問(wèn)世[23]。電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取代了之前的液壓裝置。由于過(guò)高運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的物理限制，平臺(tái)很難實(shí)現(xiàn)橫、縱2個(gè)方向運(yùn)動(dòng)能力的加強(qiáng)，該模擬器平臺(tái)僅安裝在單一方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上，通過(guò)無(wú)摩擦的空氣軸承實(shí)現(xiàn)線性滑移[24]，可實(shí)現(xiàn)縱向加速度0.1 g/s。該模擬器可平行或垂直安裝在導(dǎo)軌上，進(jìn)行縱向或橫向的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，水平工作長(zhǎng)度為12.5m，主要用于研究汽車(chē)懸架技術(shù)（如自適應(yīng)阻尼系統(tǒng)）、車(chē)輛主動(dòng)安全技術(shù)、輔助駕駛技術(shù)等。

以上的駕模擬器，一般均配有專門(mén)的控制室，便于對(duì)試驗(yàn)進(jìn)程的控制和數(shù)據(jù)采集，如圖4所示。

表1所示為21世紀(jì)國(guó)外代表性先進(jìn)駕駛模擬器性能和應(yīng)用領(lǐng)域的對(duì)比。以上幾款高自由度駕駛模擬器具有高度的二次開(kāi)發(fā)性，駕駛體驗(yàn)還原度高。但受結(jié)構(gòu)等物理因素限制，運(yùn)動(dòng)能力不足，占地空間大，成本高昂。以NADS、戴姆勒、UoLDS駕駛模擬器為例，其峰值加速度和水平運(yùn)動(dòng)空間的提高程度與研發(fā)投入極不匹配[25]。就其運(yùn)動(dòng)水平而言，目前所有高級(jí)駕駛模擬器均不能執(zhí)行基本的丁字路轉(zhuǎn)向加速運(yùn)動(dòng)，更不必考慮更復(fù)雜的綜合城市交通工況。

圖4 NADS-Ⅰ模擬器控制室

為解決當(dāng)前高等級(jí)模擬器性能水平與工作空間需求的矛盾，克服傳統(tǒng)Stewart結(jié)構(gòu)模擬器橫、縱方向車(chē)路耦合不足的缺點(diǎn)，輪式自走式多自由度高級(jí)駕駛模擬器的構(gòu)想應(yīng)運(yùn)而生。2002年，德國(guó)寶馬公司的一項(xiàng)專利率先對(duì)輪式自走模擬器作了描述[24]。該平臺(tái)至少有3個(gè)帶有實(shí)心橡膠輪胎的驅(qū)動(dòng)單元，每個(gè)車(chē)輪的引導(dǎo)角度為±180°。模擬艙內(nèi)一輛實(shí)車(chē)模型通過(guò)三曲柄機(jī)構(gòu)與平臺(tái)底座連接，實(shí)現(xiàn)側(cè)傾、俯仰和垂直運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)車(chē)輪可進(jìn)行前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的橫向、縱向和橫擺運(yùn)動(dòng)。德國(guó)于2015年實(shí)現(xiàn)了該概念駕駛模擬器的構(gòu)造（見(jiàn)圖5），國(guó)內(nèi)目前尚未引進(jìn)。

表1 21世紀(jì)國(guó)外代表性先進(jìn)駕駛模擬器

圖5 輪式自走式駕駛模擬器

過(guò)去的幾十年里，隨著電力伺服技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，駕駛模擬器的仿真水平和致動(dòng)能力不斷改進(jìn)（見(jiàn)圖6），致動(dòng)模式也逐漸從少自由度、液壓驅(qū)動(dòng)向多自由度、電力驅(qū)動(dòng)發(fā)展，使得模擬的受控環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的駕駛條件吻合度持續(xù)增強(qiáng)[25]。

圖6 駕駛模擬器的發(fā)展歷程

相較于國(guó)外，我國(guó)科研型駕駛模擬器的開(kāi)發(fā)起步較晚，但在高級(jí)駕駛模擬器上基本遵循了相似的發(fā)展規(guī)律。到20世紀(jì)70年代，我國(guó)才開(kāi)始自主研制點(diǎn)光源、轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)電式低水平駕駛模擬器。進(jìn)入80年代，清華大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院、空軍第二航空學(xué)校等高校積極參與研發(fā)，并開(kāi)發(fā)出一些初級(jí)產(chǎn)品[26]。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖形學(xué)的進(jìn)步，以吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)為代表的高校，開(kāi)始自主研發(fā)具有高自由度、高保真的高級(jí)駕駛模擬器。

1996年，吉林大學(xué)汽車(chē)動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（ADSL）研發(fā)出我國(guó)首臺(tái)6自由度駕駛模擬器[27]，其建設(shè)規(guī)模和性能設(shè)計(jì)指標(biāo)居世界前列，具有高度的可拓展性。該模擬器具有逼真的“駕駛員-車(chē)”交互界面，可實(shí)現(xiàn)“駕駛員-硬件”在環(huán)試驗(yàn)；基于經(jīng)濟(jì)可重復(fù)的交通場(chǎng)景，在安全可控的極限模擬工況下完成對(duì)汽車(chē)整車(chē)及其關(guān)鍵子系統(tǒng)的匹配、控制、分析和性能評(píng)價(jià)，以及用于道路安全評(píng)估、車(chē)用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、駕駛員安全特性等領(lǐng)域的研究[28]。2010年，該模擬器完成了動(dòng)力學(xué)模型的更新，拓展了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由度，運(yùn)動(dòng)能力和精度都得到增強(qiáng)。

同濟(jì)大學(xué)于2011年開(kāi)發(fā)了具有8自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)高級(jí)駕駛模擬器[29]（見(jiàn)圖7），其駕駛模擬艙為穹頂剛性封閉結(jié)構(gòu)，后視鏡由3塊LCD屏幕組成。艙內(nèi)的實(shí)車(chē)模型采用RenaultMeganeⅢ，保留輪胎，移除了發(fā)動(dòng)機(jī)，其余與真車(chē)環(huán)境一致。5個(gè)投影儀安裝在駕駛艙，刷新頻率為60Hz，250°球面屏幕呈現(xiàn)逼真場(chǎng)景。法國(guó)公司OKTAL開(kāi)發(fā)的SCANER軟件為其提供軟件控制。該模擬器的水平工作空間為20m×5m，運(yùn)動(dòng)能力較強(qiáng)，代表我國(guó)交通安全仿真實(shí)驗(yàn)室的頂尖水平，主要用于開(kāi)展駕駛員行為模式、車(chē)輛安全技術(shù)、道路交通設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的研究。

圖7 同濟(jì)大學(xué)駕駛模擬器

2 中、低等級(jí)底座模擬器

高等級(jí)駕駛模擬器發(fā)展到今天，功能上已經(jīng)可以滿足大多數(shù)研究人員的試驗(yàn)需求，而為了讓更多的研究人員利用駕駛模擬技術(shù)，使用成本可接受、開(kāi)發(fā)難度適中的駕駛模擬器成為目前的趨勢(shì)之一。低自由度模擬器和固定底座模擬器越來(lái)越受到中、小型研究機(jī)構(gòu)的青睞，尤其是固定底座駕駛模擬器，目前已成為在各領(lǐng)域使用最為廣泛的模擬器類型。

低自由度模擬器的配置較為靈活，結(jié)構(gòu)形式也更為多樣。研究人員根據(jù)試驗(yàn)方案，首先確定試驗(yàn)中的車(chē)路主要交互需求，然后據(jù)其確定相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)自由度。圖8給出了一種2自由度模擬器，可以模擬車(chē)身縱向和橫擺2個(gè)自由度[30]。導(dǎo)軌下面的2個(gè)電機(jī)通過(guò)鋼帶實(shí)現(xiàn)車(chē)身的縱向運(yùn)動(dòng)，車(chē)體下方的獨(dú)立電機(jī)可實(shí)現(xiàn)車(chē)身的橫擺運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)基本的車(chē)身運(yùn)動(dòng)需求。

圖8 2自由度模擬器

起初，固定底座模擬器主要用于駕駛員培訓(xùn)，隨著中、高等級(jí)模擬器的發(fā)展，固定底座模擬器在融合中、高級(jí)駕駛模擬器的部分技術(shù)后，也在各方面取得了進(jìn)展，得到了廣大科技人員的青睞。主要原因是：駕駛員安全特性、城市交通安全等研究課題對(duì)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)特性要求不高，固定底座模擬器可以滿足相關(guān)試驗(yàn)需求；固定底座模擬器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，搭載的車(chē)用傳感器少，開(kāi)發(fā)、維護(hù)方面的投入較低。根據(jù)試驗(yàn)對(duì)沉浸感的要求程度以及試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，試驗(yàn)人員可以搭建不同沉浸程度的固定底座模擬器，如圖9所示。主要分為半尺寸駕駛模擬器和全尺寸駕駛模擬器[31]。其中，半尺寸駕駛模擬器根據(jù)試驗(yàn)需求也可以裝配不同數(shù)量的顯示屏；全尺寸模擬器一般裝配多個(gè)投影儀和環(huán)形屏幕，并配有整車(chē)，可以獲得更強(qiáng)的沉浸感，車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)可直接通過(guò)CAN總線采集。

圖9 固定底座模擬器

進(jìn)入21世紀(jì)，在軟件方面，為了提高場(chǎng)景編輯的方便性，日本的FORUM8為研究人員提供了便捷的VR實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)工具Uc-win Road，試驗(yàn)人員可以通過(guò)點(diǎn)擊輕松完成對(duì)駕駛場(chǎng)景的設(shè)置，但是該軟件在大規(guī)模場(chǎng)景建設(shè)方面弱于Multigen Creator，而利用法國(guó)的Silab也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的程序設(shè)置完成專業(yè)的場(chǎng)景設(shè)置，這些都無(wú)疑降低了運(yùn)用固定底座駕駛模擬器開(kāi)展研究的門(mén)檻，提高了場(chǎng)景編輯的方便性。

3 駕駛模擬器技術(shù)的最新應(yīng)用

傳統(tǒng)的駕駛模擬器主要應(yīng)用在汽車(chē)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)、駕駛心理學(xué)研究、交通設(shè)施優(yōu)化等領(lǐng)域[32-34]。近年來(lái)，隨著汽車(chē)智能技術(shù)的發(fā)展以及交通安全領(lǐng)域的迫切需求，駕駛模擬器在更多擴(kuò)展領(lǐng)域有了新的應(yīng)用，如無(wú)人車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)、高齡駕駛員行為模式研究等領(lǐng)域。同時(shí)，根據(jù)研究需要，研究人員也開(kāi)發(fā)出了聯(lián)合駕駛模擬器、可重構(gòu)駕駛模擬器等。

3.1 在無(wú)人車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)上的應(yīng)用

無(wú)人車(chē)是集環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、多種輔助駕駛功能于一體的綜合系統(tǒng)，涉及現(xiàn)代傳感器、計(jì)算機(jī)、無(wú)線通訊、人工智能和自動(dòng)控制等技術(shù)。無(wú)人車(chē)需具有實(shí)時(shí)感知外界交通場(chǎng)景的能力，并根據(jù)周?chē)h(huán)境設(shè)定軌跡，自動(dòng)完成既定目標(biāo)駕駛?cè)蝿?wù)。駕駛模擬技術(shù)可通過(guò)在場(chǎng)景中加入不同車(chē)速的外部車(chē)輛以及設(shè)置逼真的交通環(huán)境來(lái)提供足夠的交通信息，為任務(wù)的解決方案提供試驗(yàn)條件。值得一提的是，2017年1月，美國(guó)交通部指定了10個(gè)無(wú)人車(chē)技術(shù)測(cè)試試點(diǎn)單位，其中4個(gè)研究機(jī)構(gòu)使用駕駛模擬器作為測(cè)試手段[35]。

橫向運(yùn)動(dòng)策略和交叉口通過(guò)策略一直是無(wú)人車(chē)研究的難點(diǎn)。2011年，日本東京農(nóng)工大學(xué)的Wan等[36]利用6自由度駕駛模擬器研究了無(wú)人車(chē)超車(chē)過(guò)程中的橫、縱向最優(yōu)加速度算法。2016年，清華大學(xué)的Luo等[37]利用固定底座的駕駛模擬器驗(yàn)證了基于車(chē)輛短程通訊定位技術(shù)的路徑規(guī)劃策略，結(jié)果表明該策略可有效規(guī)避換道風(fēng)險(xiǎn)。同年，為了判斷交叉口交通交互形式的強(qiáng)度，北京理工大學(xué)的研究人員[38]研究了基于交通強(qiáng)度認(rèn)知的交叉口決策算法，結(jié)果表明，相較于有人駕駛車(chē)輛，利用此策略的無(wú)人車(chē)通過(guò)交叉路口的安全系數(shù)更高。

3.2 在高齡駕駛員行為模式研究上的應(yīng)用

為驗(yàn)證與評(píng)估高齡駕駛員行為表現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的合理性，以及確定高齡駕駛員與機(jī)動(dòng)車(chē)事故的關(guān)聯(lián)因素，澳大利亞的Lee等[39]進(jìn)行了高齡駕駛員駕駛特性研究，129名60歲左右的駕駛員自愿參加了此次研究。在模擬器環(huán)境下，通過(guò)合理的駕駛?cè)蝿?wù)測(cè)試高齡駕駛員的行為表現(xiàn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，得到了10種可靠的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景[40]用于評(píng)估高齡駕駛員安全特性測(cè)試。在一項(xiàng)關(guān)于高齡駕駛員的邏輯回歸分析如何影響自述碰撞事故數(shù)的駕駛模擬器試驗(yàn)中，研究結(jié)果表明，隨著年齡的增加，高齡駕駛員的駕駛技巧不斷削弱[40]。超過(guò)60%的參與者在過(guò)去1年至少發(fā)生1次機(jī)動(dòng)車(chē)事故，而且高齡駕駛員與交通事故發(fā)生有關(guān)的認(rèn)知能力，包括工作記憶、應(yīng)急決策和高速駕駛的自信心等，均嚴(yán)重下降。最近，新英格蘭大學(xué)交通中心[41]進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得知，在所有類型的交通事故中，絕大多數(shù)高齡駕駛員的死亡發(fā)生在道路交叉口機(jī)動(dòng)車(chē)碰撞事故中。Craig A[42]利用駕駛模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其原因在于高齡駕駛員在通過(guò)交叉路口時(shí)不傾向于觀察周?chē)h(huán)境，即缺乏發(fā)現(xiàn)潛在威脅的能力。

3.3 聯(lián)合駕駛模擬器應(yīng)用技術(shù)

聯(lián)合駕駛模擬技術(shù)在交通安全領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。研究表明，由于駕駛員缺乏必要的視覺(jué)信息，44%的交通傷亡事故發(fā)生在交叉路口，其中75%以上發(fā)生在城市道路[43]，因此，多車(chē)交互研究具有一定的必要性。此前，在一項(xiàng)考察車(chē)載視聽(tīng)反饋系統(tǒng)的作用的研究中[44]，該系統(tǒng)能為駕駛員實(shí)時(shí)提供其他駛近本十字路口車(chē)輛的速度和方位的可視化信息，但需要控制程序自動(dòng)生成其他靠近的車(chē)輛。而最新的研究中，2個(gè)駕駛模擬器的聯(lián)合使用確保了參與者和干擾者在同樣的虛擬環(huán)境中行車(chē)[44]。在另一項(xiàng)研究中，25組試驗(yàn)者分別通過(guò)已打開(kāi)視聽(tīng)告警顯示設(shè)備和關(guān)閉了該設(shè)備的路徑進(jìn)入模擬環(huán)境，每條路徑包含22個(gè)道路交叉點(diǎn)。參與者利用駕駛模擬器在某些交叉點(diǎn)保持速度或者減速靠近試驗(yàn)者。試驗(yàn)結(jié)果表明，相較于未配備視聽(tīng)顯示設(shè)備的車(chē)輛，安裝視聽(tīng)顯示設(shè)備的車(chē)輛能夠有效減少交通事故，提高交通效率[45]。Wolshon等[46]利用聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)模擬器考察同一交通環(huán)境下多駕駛員交互行駛的表現(xiàn)，來(lái)評(píng)估復(fù)雜交通環(huán)境的安全性。在一項(xiàng)基于聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)模擬駕駛技術(shù)的研究中，Dumitrescu等[47]利用千兆以太網(wǎng)連接的25臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)驗(yàn)證了協(xié)同的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistant Systems，ADAS）對(duì)駕駛員主觀感受的影響。

3.4 可重構(gòu)駕駛模擬器的應(yīng)用

ADAS對(duì)車(chē)輛的影響越來(lái)越復(fù)雜，使得越來(lái)越難以理解與分析其功效及其與駕駛員間的相互作用。駕駛模擬器可提供可重復(fù)、安全、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)環(huán)境用于開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證汽車(chē)新系統(tǒng)及其子系統(tǒng)。然而，駕駛模擬器通常為特定目標(biāo)設(shè)計(jì)和建造，以便在預(yù)定義的環(huán)境中支持特定的分析任務(wù)。此類型的駕駛模擬器用來(lái)適應(yīng)和支持新功能或應(yīng)用程序時(shí)非常復(fù)雜、耗時(shí)，因此往往不可行。為了增加二次開(kāi)發(fā)的靈活性，專為適應(yīng)多種特定新功能的可重構(gòu)駕駛模擬技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[48]。各種仿真模型、軟件和硬件組件構(gòu)成駕駛模擬器需要的多種組合以適應(yīng)不同的特定目標(biāo)[49]。此外，還有不同層次的細(xì)節(jié)模型，從簡(jiǎn)單的低保真度模型到其各自的復(fù)雜高端模型。同時(shí)，硬件組件包含能實(shí)現(xiàn)ADAS測(cè)試下不同功能和特定層面的模擬器設(shè)置?？芍貥?gòu)駕駛模擬器具有兼容軟件和硬件的接口和可靠的檢查機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置的一致性。2007年，中佛羅里達(dá)大學(xué)的研究人員[50]研發(fā)了實(shí)車(chē)模型可更換的可重構(gòu)駕駛模擬器，為多學(xué)科交叉的交通工程領(lǐng)域提供科研平臺(tái)。2013年，擁有德國(guó)最龐大電軌網(wǎng)絡(luò)的柏林運(yùn)輸公司[50]開(kāi)發(fā)了BVG駕駛模擬器，其可根據(jù)特定技術(shù)目標(biāo)重置運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)，用于研究有軌電車(chē)駕駛員的行為模式。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，針對(duì)相應(yīng)的研究需求，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各種級(jí)別的駕駛模擬器。高保真、沉浸感強(qiáng)的駕駛模擬器為智能交通和汽車(chē)智能技術(shù)等領(lǐng)域提供了安全、可重復(fù)、經(jīng)濟(jì)的驗(yàn)證和開(kāi)發(fā)技術(shù)。除此之外，駕駛模擬器的應(yīng)用在以下2個(gè)方面需要進(jìn)一步探討：

a.有效性難以確定。駕駛模擬器應(yīng)用存在的問(wèn)題之一是其有效性。雖然計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖形技術(shù)不斷發(fā)展，現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜性仍不能完全被復(fù)制，駕駛模擬器的實(shí)際運(yùn)行速度與環(huán)境細(xì)節(jié)量成反比。此外，受限于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的精確度和模擬操作水平，高級(jí)駕駛模擬器的橫、縱運(yùn)動(dòng)的保真度差。大量研究表明，駕駛模擬器的顯示行駛速度大于實(shí)際道路行駛速度。Riemersma[51]和Harms[52]利用可X、Y方向移動(dòng)的高等級(jí)駕駛模擬器在農(nóng)村、城市的直線和曲線道路上模擬行駛，與實(shí)際道路行駛相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了兩者的速度差異顯著，并且橫向位置變化大。在一項(xiàng)利用VTI駕駛模擬器驗(yàn)證其有效性和逼真度的研究中，對(duì)比使用同一模擬器的不同研究項(xiàng)目，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在防撞預(yù)警系統(tǒng)和視覺(jué)增強(qiáng)系統(tǒng)測(cè)試中均出現(xiàn)較低現(xiàn)實(shí)水平，即模擬結(jié)果與實(shí)際情況完全不相符。所以，利用駕駛模擬器得到的結(jié)果在與現(xiàn)實(shí)世界的行為符合程度上難以確定。

b. 駕駛模擬的不適性（Driving Simulator Sick?ness）。模擬駕駛的不適性是增強(qiáng)真實(shí)駕駛體驗(yàn)、保真度和沉浸感的嚴(yán)重阻礙，這一癥狀在不同模擬器或同一模擬器的不同參與者之間差異顯著。不適范圍從輕微暈眩、惡心到嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)失調(diào)、嘔吐不止。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因包括：控制回路的滯后和延遲，即不恰當(dāng)?shù)目刂品答佇畔蠼档土塑?chē)載系統(tǒng)的可控性和穩(wěn)定性；未能在模擬器計(jì)算系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)貙?duì)車(chē)輛建模以及未能準(zhǔn)確地匹配模擬器和實(shí)際車(chē)輛的動(dòng)態(tài)特性；控制負(fù)載因素，例如阻尼；運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)因素，如Barrett和Thornton[53]提出固定底座駕駛模擬器的操作者更容易出現(xiàn)不適，因?yàn)椴僮髡咴谝曈X(jué)上感知車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的改變，但從未感受到相應(yīng)的物理加速度或位置變化；視覺(jué)系統(tǒng)因素，如顯示方式、目視水平視野、場(chǎng)景細(xì)節(jié)、視頻幀率和顯示失真等；座艙環(huán)境因素，如模擬艙關(guān)閉后，艙內(nèi)溫度和濕度的控制等。以上可能因素為開(kāi)發(fā)真正意義上的高沉浸感模擬器提供了方向。

[1]Slob J J.State-of-the-Art Driving Simulators,a Literature Survey[R].Eindhoven:DCTReport,2008,107:6-7.

[2]Chen L K,Ulsoy A G.Identification of a Driver Steering Model,and Model Uncertainty,from Driving Simulator Data[J].Journal of Dynamic Systems,Measurement and Control,2001,123(4):623-629.

[3]LeeW S,Kim JH.A Driving Simulatorasa Virtual Toll[C]//Proceedings of International Conference on Robotics&Automation,Leuven,Belgium,1998.

[4]Blana E.A Survey of Driving Research Simulator Around the World[R].Leeds:ITSWorking Paper,1996.

[5]David H W,Allen J C.A Survey of Mid-Level Driving Simulator[J].SAETechnicalPaper,Number950172,1995.

[6]Richter B.Driving Simulator Studies:The Influence of Vehicle Parameters on Safety in Critical Situations[J].SAE Technical Paper,Number741105,1974.

[7]Nordmark S.Driving Simulators,Trends and Experiences[C]//Driving Simulation Conference,Paris,France,1994.

[8]Nordmark S,Jansson H,Sehammar H,et al.The New VTI Driving Simulator.Multi Purpose Moving Base with High Performance Linear Motion[C]// Driving Simulation Conference,Paris,France,2004.

[9]Nilsson L.The VTI Driving Simulator[R].Linkoping:VTI Report150,1989.

[10]Meywerk M.Driving Simulator Mars.[EB/OL].[2007-02-21].http://www.hsu-hh.de/meywerk.

[11]Stewart D.A Platform with Six Degrees of Freedom[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,1965,180(1):371-386.

[12]Drosodl J,Panik F.The Daimler-Benz Driving Simulator a Tool for Vehicle Development[J].SAE Technical Paper No.850334,1985.

[13]KadingW.The Advanced Daim ler-Benz Driving Simulator[R].Tokyo:Society of Automotive Engineersof Japan,1995.

[14]Yoshimoyo K,Suetomi T.The History of Research and Development of Driving Simulators in Japan[J].Journal of Mechanical Systems for Transportation and Logistics,2008,1(2):159-169.

[15]Alexlander H,Josef N.Applications to Driving Simulation and Their Requirements to the Tool[C]//Motion Simulation Conference,Braunschweig,2007.

[16]Dagdelen M,Reymond G,Kemeny A,et al.MPC Based Motion Cueing Algorithm:Development and Application to The Ultimate Driving Simulator[C]//Conférence Simulation De Conduite,2004:221-233.

[17]Haug E J.Feasability Study and Conceptual Design of a National Advanced Driving Simulator[M].Iowa City:University of Iowa,1995.

[18]Mcdolad A D,Schwarz C,Lee J D,et al.Real-time Detection of Drowsiness Related Lane Departures Using Steering Wheel Angle[J].Proceedings of the Human Factors and Ergo-Nomics Society AnnualMeeting.Boston:Sage Publications,2012,56(1):2201-2205.

[19]Clark A J,Sparks H V,Carmein JA.Unique Features and Capabilities of the NADS Motion System[C/CD]//Proceedings of the 17th International Technical Conference on the Enhanced Safety ofVehicles.Netherland,2001.

[20]Jamson H.Driving Me Round the Bend–Behavioural Studies Using the New University of Leeds Driving Simulator[C]// 2nd Motion Simulator Conference,Braunschweig,Germany,2007.

[21]Challen J.Reality bytes:Driving Simulators[M].2008:50-53.

[22]Murano T,Yonrkara T,Aga M,etal.DevelopmentofHigh-Performance Driving Simulator[J].SAE International Journalof Passenger Cars-Mechanical Systems,2009,2(1):661-669.

[23]Crivellaro C,Franco JM V.Methodology for Getting a 7 Degree of Freedom Vehicular Model for Active Suspension Control System Design:2007-01-2676[R].Michigan:SAE TechnicalPaper,2007.

[24]Alexander B.Feasibility Analysis and Design of Wheeled Mobile Driving Simulators for Urban Traffic Simulation[M].New York:VDI-Verlag,2015.

[25]Huesmann A,Nauderer J.Applications to Driving Simulation and Their Requirements to The Tool[C]//Motion Simulation Conference,Braunschweig,2007.

[26]孫顯營(yíng)，熊堅(jiān).車(chē)輛駕駛模擬器的發(fā)展綜述[J].交通科技，2001（6）：48-50.

[27]楊建森.面向主動(dòng)安全的汽車(chē)底盤(pán)集成控制策略研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

[28]王晶，劉小明，李德慧.駕駛模擬器現(xiàn)狀及應(yīng)用研究.汽車(chē)與船舶[J].2008（11）：160-164.

[29]涂輝招，李振飛，孫立軍.駕駛模擬器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)自由駕駛行為的影響分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，43（11）：1696-1702.

[30]AriouiH,Hima S,Nehaoua L.2 DOFLow Cost Platform for Driving Simulator: Modeling and Control[C]// 2009 International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.IEEE,Singapore,2009:1206-1211.

[31]Nehaoua L,Mohellebi H,Amouri A,et al.Design and Control of a Small-Clearance Driving Simulator[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2008,57(2):736-746.

[32]Groot SD,Ricote F C,Winter JC FD.The Effect of Tire Grip on Learning Driving Skill and Driving Style:A Driving Simulator Study[J].Transportation Research Part F Psychology&Behaviour,2012,15(4):413-426.

[33]清華大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)與人機(jī)界面實(shí)驗(yàn)室.虛擬現(xiàn)實(shí)駕駛模擬系統(tǒng)研制 [EB/OL].http://www.ie.tsinghua.edu.cn/～zhangwei/vrhit/research_project1.htm.

[34]Abdelgawad K,Gausemeier J,Dumitrescu R,et al.Networked Driving Simulation:Applications,State of the Art,and Design Considerations[J].Designs,2017,1(1):4.

[35]US Department of Transportation.U.S.Department of Transportation Designates 10 Automated Vehicle Proving Grounds to Encourage Testing of New Technologies[EB/OL].[2017-1-19].https://www.transportation.gov/briefingroom/dot1717.

[36]Wan L,Raksincharoensak P,NagaiM.Study on Automatic Driving System for Highway Lane Change Maneuver Using Driving Simulator[J].Journal of Mechanical Systems for Transportation and Logistics,2011,4(2):65-78.

[37]Luo Y,Xiang Y,Cao K,etal.A Dynamic Automated Lane Change Maneuver Based on Vehicle-To-Vehicle Communication[J]. Transportation Research Part C:Emerging Technologies,2016,62:87-102.

[38]Song W,Xiong G,Chen H.Intention-Aware Autonomous Driving Decision-Making in an Uncontrolled Intersection[J].Mathematical Problems in Engineering,2016,5(3):1-15.

[39]Lee H C,Lee A H,Cameron D,et al.Using a driving simulator to identify older drivers at inflated risk ofmotor vehicle crashes[J].Journal of Safety Research,2003,34(4):453-459.

[40]Levine R E,Brayley C R.Occupation as a Therapeutic Medium—A Contextual Approach to Performance Intervention[J].2001,592-631.

[41]Brayne C,Dufouil C,Ahmed A,et al.Very Old Drivers:Findings from a Population Cohort of People Aged 84 And Over[J].International Journal of Epidemiology,2000,29(4):704-707.

[42]Craig A S.Older Driver Simulator Based Intersection Training:The Evaluation of Training Effectiveness and Simulator Sickness[D]. Amherst: University of Massachusetts,2015.

[43]Maas J.SWOV–Institute for Road Safety Research in the Netherlands[J].IATSSResearch,2006,30(1):122-125.

[44]Nees M A,Walker B N.Auditory Displays for In-Vehicle Technologies[J].Rev Human Factors Ergonomics,2001:58-99.

[45]Houtebbos M,Winter JC F,Hale A R,et al.Concurrent Audio-Visual Feedback for Supporting Drivers at Intersections:A Study Using Two Linked Driving Simulators[J].Applied Ergonomics,2017,60:30-42.

[46]Wolshon B,Pande A.Traffic Engineering Handbook:Institute of Transportation Engineers[M].Hoboken,NY,USA:Wiley&Sons,2016:217-225.

[47]Dumitrescu R,Anacker H,Gausemeier J.Design Framework for the Integration of Cognitive Functions into Intelligent Technical Systems[J].Production Engineering,2013,7(1):111-121.

[48]Hassan B,Gausemeier J.Concept for a Task–Specific Reconfigurable Driving Simulator[J].New Library World,2013,114(11/12):542-549.

[49]Hassan B,Berssenbrugge J,Qaisi IA,etal.Reconfigurable Driving Simulator for Testing and Training of Advanced Driver Assistance Systems[C]//Proceedings of International Symp.on Assembly and Manufacturing(ISAM 2013),Xian,China,2013.

[50]Gue D,Klee H,Radwan E.Comparison of Lateral Control in a Reconfigurable Driving Simulator[C]// Driving Simulation,North America 2003(DSC- NA 2003),Dearborn,Michigan,USA,2003.

[51]Riemersma J B J,Van A R A,Hoekstra W,etal.The Validity of a Driving Simulator in Evaluating Speed-Reducing Measures[J].Traffic Engineering& Control,1990,31(7):416-420.

[52]Harms L.Driving Performance on a Real Road and in a Driving Simulator:Results of a Validation Study[C]//Proceedings of the 5th International Conference on Vision in Vehicles,Glasgow,USA,1993.

[53]Barrett G V,Thornton C L.Relationship Between Perceptual Style and Simulator Sickness[J].Journal of Applied Psychology,1968,52(4):304-308.