宮喚春

（燕京理工學(xué)院）

我國汽車中長期發(fā)展規(guī)劃[1-2]明確指出，汽車行業(yè)向著智能化、電動化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化這新“四化”方向發(fā)展。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，智能汽車成為研究的熱點和汽車產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展的目標。智能汽車技術(shù)[3]涉及車輛、電學(xué)、計算機、自動化、通信及機械等多個學(xué)科交叉融合，目前關(guān)于智能汽車實訓(xùn)測試的教學(xué)平臺還非常少，雖然實車實驗臺能夠滿足一段時間的實驗教學(xué)需求，但是隨著技術(shù)的不斷升級，實驗臺面臨設(shè)備更新與改造等問題，會造成資源的浪費，因此，開發(fā)智能汽車虛擬實訓(xùn)仿真平臺用于智能汽車實訓(xùn)教學(xué)是非常必要的。文章利用PanoSim軟件[4-5]開發(fā)了智能汽車虛擬實訓(xùn)平臺用于智能汽車實訓(xùn)教學(xué)。

1 智能汽車虛擬仿真實訓(xùn)平臺開發(fā)

PanoSim軟件[6-7]包括各類車輛系統(tǒng)動力學(xué)模塊、三維行駛模塊、道路環(huán)境模塊、交通信息模塊、車載感應(yīng)裝置模塊、導(dǎo)航通信模塊、MATLAB/Simulink可視化仿真模塊、數(shù)據(jù)圖像回放處理等模塊集成一體的實時仿真測試的車輛虛擬系統(tǒng)。該軟件基于車輛實驗數(shù)據(jù)和物理參數(shù)建立虛擬仿真模型，利用虛擬現(xiàn)實方法模擬各類道路交通環(huán)境和車輛運行工況，通過PanoSim中提供的各類高精度攝像頭、V2X無線通信系統(tǒng)和雷達裝置模型，加載完成車輛動力學(xué)性能測試與仿真、車輛電控系統(tǒng)集成開發(fā)、ADAS系統(tǒng)設(shè)計與研發(fā)及道路交通信息系統(tǒng)感知設(shè)計與測試等多項實驗項目。

根據(jù)智能汽車實訓(xùn)項目以及每個項目需要設(shè)置的模塊，利用PanoSim創(chuàng)建實驗流程[8]。整個實驗流程為：創(chuàng)建實驗（新建實驗、選擇場景、天氣光照）→進入實驗主界面（Forward按鈕）→設(shè)置實驗參數(shù)（添加實驗車輛、設(shè)置駕駛信息、設(shè)置交通工況、配置傳感器、配置交通元素）→啟動實驗（Start按鈕、自動生成Simulink模型）→分析實驗結(jié)果（仿真數(shù)據(jù)報表、仿真動畫回放）。

1）創(chuàng)建實驗：利用軟件提供的模塊創(chuàng)建虛擬實訓(xùn)項目，設(shè)置實訓(xùn)車輛以及各類交通道路環(huán)境，并設(shè)置干擾車輛以及交通信號裝置；

2）進入實驗主界面：選取相關(guān)加載實驗項目，并進入?yún)?shù)設(shè)置界面；

3）設(shè)置實驗參數(shù)：選取虛擬實訓(xùn)測試路面并加載車輛信息，添加橫向或縱向車輛駕駛信息模塊參數(shù)，加裝導(dǎo)航與無線通信以及高速攝像頭等感應(yīng)裝置，獲取虛擬實訓(xùn)中交通流變化及車輛行人等干擾信息，合理設(shè)置交通信號裝置及標識牌等裝置，精確呈現(xiàn)逼真的交通運行環(huán)境；

4）啟動實驗：對所選實驗車輛進行各項虛擬測試；

5）分析實驗結(jié)果：測試結(jié)束后，利用軟件提供的分析功能對仿真測試數(shù)據(jù)進行報表分析，并在分析數(shù)據(jù)過程中播放仿真測試動畫，掌握車輛實驗過程中動態(tài)變化過程。

圖1示出智能汽車虛擬實訓(xùn)仿真平臺系統(tǒng)組成圖，該系統(tǒng)主要由攝像頭、計算機顯示系統(tǒng)、圖像處理器、中央控制系統(tǒng)組成。它通過高速攝像頭采集車輛運行時環(huán)境及道路情景等圖像信號，并將信號由中央控制系統(tǒng)生成虛擬場景畫面；在虛擬實訓(xùn)仿真時拍攝虛擬場景圖像，實時采集各傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)及圖像信息輸送到圖像處理器進行分析處理，并通過計算機顯示系統(tǒng)呈現(xiàn)出車輛仿真測試路徑及各種性能曲線，便于教師教學(xué)和學(xué)生分析實驗過程。圖1中設(shè)置的高速攝像頭可以在1 ms內(nèi)將路面實時信息和圖像傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，有效解決了信息傳輸延遲的問題[9]。

圖1 智能汽車虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)原理圖

利用MATLAB/Simulink軟件[10]，教師在上課以及學(xué)生在虛擬實訓(xùn)過程中可以任意調(diào)取不同類型的智能車輛加載到PanoSim軟件中進行虛擬測試和開發(fā)，獲取實驗數(shù)據(jù)和虛擬測試實時圖像；通過回放功能可以了解車輛在實驗過程中的運行姿態(tài)和軌跡，對改進智能車輛技術(shù)提供參考依據(jù)。圖2示出智能汽車虛擬仿真平臺車輛選取界面圖，教師和學(xué)生可以通過雙擊各模塊獲取車輛參數(shù)信息以及算法，在線完成參數(shù)的修改和控制算法的更新，便于智能汽車技術(shù)的優(yōu)化改進設(shè)計。該平臺中參數(shù)設(shè)置與算法編制直觀、操作簡便，有利于學(xué)生了解智能汽車各系統(tǒng)的基本參數(shù)和算法，提高學(xué)習(xí)效率。

圖2 智能汽車虛擬實訓(xùn)仿真平臺車輛選取界面圖

文章設(shè)計的智能汽車虛擬仿真平臺主要由車輛模型、雷達模型和車輛自適應(yīng)控制模塊組成。車輛模型提供了皮卡、小轎車、SUV等常見車型，用戶可將CAD格式的車輛外形文件導(dǎo)入系統(tǒng)中使用；自適應(yīng)控制模塊用于設(shè)置巡航車速輸入信號，并將制動輪缸壓力和節(jié)氣門開度作為自適應(yīng)控制模塊的輸出信號；雷達模型主要根據(jù)相對距離和相對角度判斷要跟蹤的目標，確保車輛安全行駛，雷達模塊由毫米波雷達、激光雷達、超聲波雷達組成，利用反射波信息和雷達的物理模型聯(lián)合建模，高精度呈現(xiàn)雷達信號探測傳播的機理以及模擬環(huán)境對雷達探測的影響。

文章開發(fā)的智能汽車虛擬實訓(xùn)仿真平臺中還包括V2X（Vehicle toX）無線通信系統(tǒng)[11]，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車與外界之間的信息交互，準確獲取交通環(huán)境信息、路面車輛行人信息、交通信號等參數(shù)或圖像，為目標測試車輛提供高效安全的駕駛信息以及車載導(dǎo)航信息等，降低交通擁堵率，提高駕駛舒適性。圖3示出V2X無線通信系統(tǒng)工作原理圖，該系統(tǒng)采用協(xié)作式傳感器定義相關(guān)虛擬實訓(xùn)測試和車載與外界信息交互建模的應(yīng)用層協(xié)議，利用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)置多個控制算法、車載交互信息的范圍和處理速度，并將多個通信性能指標組合，形成綜合優(yōu)化仿真，確保車輛與外界信息交互的高精度與高效率。

圖3 V2X無線通信系統(tǒng)工作原理圖

2 智能汽車虛擬仿真實訓(xùn)平臺應(yīng)用

利用文章開發(fā)的智能汽車虛擬實訓(xùn)仿真平臺在一段長500 m、寬8.5 m的單向雙車道上進行智能汽車實訓(xùn)測試。道路交通環(huán)境中設(shè)置一輛測試車和一輛干擾車，測試車安裝有激光雷達，干擾車位于測試車前方30 m處，兩車初始速度為50 km/h，實驗時間為10 s，測試車距離干擾車50 m時開始減速直至停止狀態(tài)，測試車在AEB控制算法下完成緊急制動。啟動PanoSim軟件創(chuàng)建上述虛擬實驗場景，通常操控軟件控制面板設(shè)置各車輛信息、雷達模型、道路環(huán)境加載等信息，并為目標車輛和干擾車輛添加相關(guān)車速信息，具體仿真實驗界面創(chuàng)建過程，如圖4所示。啟動實驗時，MATLAB/Simulink會主動創(chuàng)建傳感器模塊，按照選取的傳感器類型對應(yīng)產(chǎn)生相關(guān)控制算法。教師授課時可以通過顯示相關(guān)參數(shù)和算法對實訓(xùn)內(nèi)容進行講解，學(xué)生操作時可以在線完善算法，修改相關(guān)參數(shù)，尋找智能汽車最優(yōu)設(shè)計方案，使得實訓(xùn)過程簡單直觀，利于教學(xué)質(zhì)量的提升。

圖4 智能汽車虛擬仿真實訓(xùn)創(chuàng)建過程

相關(guān)實訓(xùn)車輛參數(shù)、道路環(huán)境標志選取完成后，利用工具欄添加干擾車輛信息并設(shè)置干擾車輛車速、相關(guān)傳感器參數(shù)以及控制算法，完成虛擬實驗場景的布置，為后續(xù)虛擬測試奠定基礎(chǔ)。

圖5示出添加干擾車輛參數(shù)及運行環(huán)境示意圖。利用圖5中的工具欄可以設(shè)置道路長度、寬度、路面條件及車道等參數(shù)。對各車輛模型、雷達模型、通信系統(tǒng)等信息加載設(shè)置，滿足虛擬實驗條件后即可啟動虛擬仿真實驗。通過顯示系統(tǒng)分析智能車輛運行測試，仿真結(jié)束后可以調(diào)取相關(guān)性能曲線及參數(shù)，也可以通過回放虛擬實驗視頻，仔細分析被測車輛運行的軌跡及外界環(huán)境對車輛的影響，為改進完善智能汽車系統(tǒng)提供參考依據(jù)。整個虛擬仿真過程可視化強、操控簡便，易于教師授課；把智能汽車復(fù)雜的控制系統(tǒng)通過虛擬仿真系統(tǒng)準確呈現(xiàn)出來，有利于學(xué)生理解智能汽車的控制技術(shù)與測試方法。

圖5 干擾車輛設(shè)置及運行環(huán)境加載示意圖

實驗結(jié)束后，可以調(diào)取相關(guān)車輛測試曲線或數(shù)據(jù)等信息，便于分析整個實驗過程中車輛的運行情況。圖6示出虛擬實訓(xùn)仿真車輛速度變化曲線，通過設(shè)置工具欄的選項獲取更多車輛測試過程的曲線。分析不同階段的性能曲線和數(shù)據(jù)有助于了解車輛在測試過程中性能和參數(shù)的變化，為優(yōu)化設(shè)計智能汽車相關(guān)裝置提供依據(jù)。

圖6 智能汽車虛擬實訓(xùn)仿真車速變化曲線

3 結(jié)論

針對智能汽車涉及多個學(xué)科且控制系統(tǒng)復(fù)雜，相關(guān)實驗設(shè)備和測試平臺匱乏的問題，文章利用PanoSim軟件建立了智能汽車虛擬實訓(xùn)仿真平臺，用于智能汽車相關(guān)實驗課程的教學(xué)。該系統(tǒng)包括車輛系統(tǒng)模型、通信系統(tǒng)模型、顯示系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)及道路環(huán)境模型，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)信息即可啟動相關(guān)實驗，實驗過程直觀、可視性強，還可以在線改變參數(shù)和算法，有利于智能汽車技術(shù)的測試和設(shè)計；創(chuàng)新了實踐教學(xué)模式，有利于學(xué)生提高實踐操作能力，為智能汽車領(lǐng)域的教學(xué)提供了堅實的平臺。