鄭玲玲　郭學(xué)立　羅蘭

摘 要：吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了開發(fā)型駕駛模擬器系統(tǒng)人機(jī)交互能力不足，本文開展了人機(jī)交互控制系統(tǒng)優(yōu)化研究，采用鍵盤硬件控制方式，利用模塊化設(shè)計(jì)思路，利用嵌入式工控機(jī)平臺(tái)，搭建任務(wù)及指令執(zhí)行器系統(tǒng)，并建立相應(yīng)的功能模塊，包括鍵盤、人機(jī)界面、主控單元、功能數(shù)據(jù)庫(kù)等。解決了多平臺(tái)并發(fā)仿真中存在的數(shù)據(jù)通信、時(shí)鐘同步、仿真監(jiān)控問題，優(yōu)化了集成平臺(tái)的性能。

關(guān)鍵詞：駕駛模擬器 人機(jī)交互控制 優(yōu)化

吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了開發(fā)型駕駛模擬器系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、命令繁多，主要由動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、聲響系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、交通仿真系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，能夠?yàn)轳{駛員提供真實(shí)的人-車操作界面，并在模擬器上復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)工況，另外它還支持任意嵌入實(shí)物的試驗(yàn)，為駕駛模擬器開發(fā)嵌入式系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。模擬器通過嵌入式開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了嵌入式臺(tái)架與駕駛模擬器的數(shù)據(jù)集成。搭建了制動(dòng)嵌入式模型，實(shí)現(xiàn)了嵌入式臺(tái)架傳感、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的標(biāo)定與建模。解決了多平臺(tái)并發(fā)仿真中存在的數(shù)據(jù)通信、時(shí)鐘同步、仿真監(jiān)控問題，優(yōu)化了集成平臺(tái)的性能。

目前的模擬器系統(tǒng)人機(jī)交互能力不足，模擬器系統(tǒng)的配置、集成及各個(gè)子系統(tǒng)控制主要是在監(jiān)控系統(tǒng)中手工輸入命令字串的方式進(jìn)行，例如在切換車輛場(chǎng)景時(shí)，需要在嵌入式軟件中人工鍵入二十余條代碼，這樣既浪費(fèi)時(shí)間，又容易出現(xiàn)鍵入錯(cuò)誤，同時(shí)對(duì)操作人員的要求過高，不適合于設(shè)備交付客戶使用，更難進(jìn)行后期二次開發(fā)。

針對(duì)上述問題，本文開展了人機(jī)交互控制系統(tǒng)優(yōu)化研究，采用鍵盤硬件控制方式，利用模塊化設(shè)計(jì)思路，保證各模塊可單獨(dú)使用，并用于課外實(shí)驗(yàn)、大創(chuàng)項(xiàng)目中，腳本數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)實(shí)際操作平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以保證科研人員進(jìn)行快速二次開發(fā)，提高模擬器系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)模擬器的整體需求，本文完成的功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。利用工控機(jī)平臺(tái)，搭建任務(wù)及指令執(zhí)行器系統(tǒng)，并建立相應(yīng)的功能模塊，包括鍵盤、人機(jī)界面、主控單元、功能數(shù)據(jù)庫(kù)等。本文基于UniButton工控機(jī)嵌入式平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互模塊與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，并將對(duì)應(yīng)的指令命令送入到模擬器中。數(shù)據(jù)庫(kù)利用工控機(jī)編寫，內(nèi)容包含車輛行駛過程中的環(huán)境、動(dòng)力等多參數(shù)變量的數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能不同分為以下三個(gè)方面：運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)、仿真數(shù)據(jù)庫(kù)以及情景數(shù)據(jù)庫(kù)。利用RS232、CAN總線方式將指令傳輸至PLC控制器和駕駛模擬器端，利用InterNet總線將指令送至運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及其它輔助部件，并將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)返回任務(wù)指令端進(jìn)行分析。

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，完成了外接鍵盤設(shè)計(jì)、任務(wù)指令執(zhí)行器研發(fā)及功能數(shù)據(jù)庫(kù)編寫等內(nèi)容。工控機(jī)平臺(tái)即嵌入式控制單元，用于建立指令按鍵與指令對(duì)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系；并根據(jù)指令按鍵的觸發(fā)查找與指令按鍵具有對(duì)應(yīng)關(guān)系的指令對(duì)象，建立指令對(duì)象集，將采集當(dāng)前車輛的各項(xiàng)參數(shù)與指令對(duì)象集對(duì)比，并根據(jù)指令對(duì)象集修改采集的當(dāng)前車輛的各項(xiàng)參數(shù)形成執(zhí)行命令；根據(jù)該執(zhí)行命令控制汽車駕駛模擬器進(jìn)行模擬。

2 多參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

根據(jù)實(shí)際需求，首先開發(fā)了多參數(shù)的指令數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)包括運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)、仿真數(shù)據(jù)庫(kù)以及情景數(shù)據(jù)庫(kù)，所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中包括的指令對(duì)象集：車輛總體控制、車輛運(yùn)動(dòng)控制、車輛運(yùn)動(dòng)過程控制、車輛動(dòng)力學(xué)控制、模擬器聲響系統(tǒng)控制、路面交通系統(tǒng)控制、模擬器視景系統(tǒng)控制、模擬器座艙的感應(yīng)控制、投影系統(tǒng)的控制以及燈光系統(tǒng)的控制；所述仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中包括的指令對(duì)象集：模型調(diào)整控制、模擬器車型調(diào)整控制、天氣情況的控制、時(shí)刻控制、嵌入式模式、車輛行駛記錄控制以及車輛參數(shù)曲線；情景數(shù)據(jù)庫(kù)包括的指令對(duì)象集：駕駛員視點(diǎn)情況控制、試驗(yàn)場(chǎng)情況控制、智能控制以及引導(dǎo)車控制。

3 鍵盤端設(shè)計(jì)研發(fā)

根據(jù)模擬器需要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)三個(gè)人機(jī)交互控制模塊，分別對(duì)應(yīng)模擬器狀態(tài)操作、車輛行駛環(huán)境變化操作和車輛行駛路況操作，每個(gè)按鍵的尺寸為15mm×21mm×3mm，分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的一個(gè)功能，鍵盤與工控機(jī)嵌入式控制單元的通訊方式為RS232模式，并通過USB供電。實(shí)體鍵盤通過工控機(jī)平臺(tái)啟動(dòng)指令配置模塊將按鍵模板中的按鍵與指令對(duì)象建立或修改對(duì)應(yīng)關(guān)系，鍵盤模塊包括按照行排列的功能按鍵，每個(gè)功能按鍵下方設(shè)置對(duì)應(yīng)該功能按鍵的多個(gè)指令按鍵，所述交互模塊與所述功能數(shù)據(jù)庫(kù)建立一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所述功能按鍵與所在的交互模塊對(duì)應(yīng)功能數(shù)據(jù)庫(kù)功能指令集建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)功能按鍵被觸發(fā)時(shí)，工控機(jī)嵌入式控制單元通過判斷對(duì)應(yīng)關(guān)系，指向?qū)?yīng)的功能數(shù)據(jù)庫(kù)；當(dāng)指令按鍵被觸發(fā)時(shí)，工控機(jī)嵌入式控制單元通過判斷對(duì)應(yīng)關(guān)系，直接從指向的功能數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取相應(yīng)的指令。人機(jī)交互系統(tǒng)還包括有指令配置模塊，通過所述指令配置模塊對(duì)指令對(duì)象進(jìn)行修改以及建立新的指令對(duì)應(yīng)，所述修改包括指令對(duì)象以及功能數(shù)據(jù)庫(kù)與對(duì)應(yīng)功能按鍵的關(guān)系變更以及新加入的指令與指令按鍵建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。

運(yùn)行鍵盤實(shí)物如圖2所示。主要實(shí)現(xiàn)以下功能的操作：

1）車輛總體控制。完成模擬車輛的暫停、停止、運(yùn)行和復(fù)位功能。

2）車輛運(yùn)動(dòng)控制。駕駛艙底部位置、駕駛員登艙位置、駕駛艙中立位置和駕駛艙復(fù)位功能。

3）車輛運(yùn)動(dòng)過程控制。駕駛員的體感模擬方式、退出體感模式、測(cè)試開始和測(cè)試停止。

4）車輛動(dòng)力學(xué)控制。動(dòng)力學(xué)模式開始運(yùn)行、暫停、停止和復(fù)位。

5）模擬器聲響系統(tǒng)控制。聲響系統(tǒng)開啟、停止、音量加大和音量減小。

6）路面交通系統(tǒng)控制。交通系統(tǒng)的暫停、繼續(xù)工作、停止工作和重置。

7）模擬器視景系統(tǒng)控制。調(diào)整視景的高速、山區(qū)、小鎮(zhèn)和試驗(yàn)場(chǎng)景模式。

8）模擬器座艙的感應(yīng)控制。座艙力學(xué)感應(yīng)的模擬、關(guān)閉、停止和復(fù)位。

9）投影系統(tǒng)的控制。投影系統(tǒng)的打開、關(guān)閉、上電和下電。

10）燈光系統(tǒng)的控制。模擬環(huán)境門廳燈光開啟關(guān)閉和座艙內(nèi)的燈光開啟關(guān)閉。

仿真鍵盤實(shí)物圖如圖3所示，主要對(duì)工作過程中的仿真環(huán)境進(jìn)行控制，主要實(shí)現(xiàn)以下功能的操作：

1）模型調(diào)整控制。完成動(dòng)力學(xué)模型的切換，包括ASCL、A、B、C。

2）模擬器車型調(diào)整控制。包括H2、A、B、C車型。

3）天氣情況的控制。包括晴天、陰天、霧天、多云、小雨、大雨、小雪和大雪8種天氣情況。

4）時(shí)刻控制。包括清晨、中午、傍晚和午夜四個(gè)時(shí)間點(diǎn)。

5）嵌入式模式。包括聯(lián)合仿真、退出仿真、停止和復(fù)位。

6）車輛行駛記錄控制。包括開始、停止、入門和出門。

7）車輛主要參數(shù)曲線。包括車體狀態(tài)、懸架狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、變速箱狀態(tài)、駕駛信號(hào)、輪缸壓力、輪胎側(cè)偏、輪胎滑移及四個(gè)輪胎的受力曲線。

情景鍵盤實(shí)物圖如圖4所示，主要對(duì)工作過程中的情景參數(shù)進(jìn)行控制，主要實(shí)現(xiàn)以下功能的操作：

1）駕駛員視點(diǎn)情況控制。包括視點(diǎn)的前移、后移、左移、右移、上移、下移、側(cè)傾程度增加減小、俯仰程度增加減小、橫擺程度增加減小等。

2）試驗(yàn)場(chǎng)情況控制。包括雙移線情況下不同車速度控制、蛇形路段車速控制、緊急避障的車速控制、直線路段的車速控制、雙扭線區(qū)和圓周區(qū)的車速控制。

3）智能控制。車輛的縱向、側(cè)向控制，車道保持情況及偏離預(yù)警。

4）引導(dǎo)車控制。引導(dǎo)車停止、勻速、變道等。

按鍵模板通過工控機(jī)嵌入式控制單元啟動(dòng)指令配置模塊將按鍵模板中的按鍵與指令對(duì)象建立或修改對(duì)應(yīng)關(guān)系。鍵盤包括三個(gè)實(shí)體的交互模塊，交互模塊包括按照行排列的功能按鍵，每個(gè)功能按鍵下方設(shè)置對(duì)應(yīng)該功能按鍵的多個(gè)指令按鍵，功能按鍵與指令按鍵具有一定的間距，交互模塊與功能數(shù)據(jù)庫(kù)建立一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，三個(gè)功能數(shù)據(jù)庫(kù)分別對(duì)應(yīng)三個(gè)交互模塊，功能按鍵與所在的交互模塊對(duì)應(yīng)功能數(shù)據(jù)庫(kù)下的功能指令集建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)功能按鍵被觸發(fā)時(shí)，工控機(jī)嵌入式控制單元通過判斷對(duì)應(yīng)關(guān)系，指向?qū)?yīng)的功能數(shù)據(jù)庫(kù)；當(dāng)指令按鍵被觸發(fā)時(shí)，工控機(jī)嵌入式控制單元通過判斷對(duì)應(yīng)關(guān)系，直接從指向的功能數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取相應(yīng)的指令。每個(gè)交互模塊具有總按鍵，當(dāng)總按鍵觸發(fā)時(shí)，工控機(jī)嵌入式控制單元通過判斷對(duì)應(yīng)關(guān)系指向所在的功能數(shù)據(jù)庫(kù)。三個(gè)交互模塊只能單獨(dú)啟用，當(dāng)超過兩個(gè)總按鍵被按下時(shí)，選擇后觸發(fā)的總按鍵對(duì)應(yīng)的交互模塊。

人機(jī)交互系統(tǒng)還包括有指令配置模塊，通過指令配置模塊對(duì)指令對(duì)象進(jìn)行修改以及建立新的指令對(duì)應(yīng)，修改包括指令對(duì)象以及功能數(shù)據(jù)庫(kù)與對(duì)應(yīng)功能按鍵的關(guān)系變更以及新加入的指令與指令按鍵建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。從而實(shí)現(xiàn)修改與擴(kuò)展，用于適應(yīng)不同的操作需求。

按鍵模板具有擴(kuò)展功能，通過所述指令配置模塊建立新的指令對(duì)象，并通過嵌入式控制單元將其放入對(duì)應(yīng)的功能數(shù)據(jù)庫(kù)，以及通過嵌入式控制單元查找功能數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)的功能按鍵下空余的指令按鍵，按照從上到下的排列順序?qū)⑿碌闹噶顚?duì)象與空余的指令按鍵建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，若新建立的指令對(duì)象所對(duì)應(yīng)的指令對(duì)象集所在的功能數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)的功能按鍵中指令按鍵已滿，則擴(kuò)展功能按鍵，若功能按鍵無法擴(kuò)展，則發(fā)出警告提醒。

4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)搭建

利用工控機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在控制平臺(tái)搭建了人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)主控單元對(duì)任務(wù)指令器的命令控制及狀態(tài)顯示。人機(jī)交互界面圖如下圖所示。主要包括對(duì)實(shí)時(shí)、動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、圖像、仿真監(jiān)控、記錄器和聲響系統(tǒng)的監(jiān)控等，并對(duì)重要參數(shù)可以在界面中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

基金項(xiàng)目：吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目（汽車駕駛模擬器人機(jī)交互控制系統(tǒng)優(yōu)化，SYXM2021b053）。

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