虚拟驾驶模拟系统---操控系统模块（毕业论文）Word下载.doc

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虚拟现实通过计算机技术，模拟现实中的声音和图像。

它利用计算机强大的模拟仿真技术对世界上的物体和环境经行模拟，而且它还可以对人的听觉、触觉等的模拟让人可以通过虚拟现实技术在虚拟世界中找到如同在现实生活中的感觉。

虚拟现实技术的出现极大地推动了汽车虚拟驾驶系统的发展。

当今科技发展极为迅速，计算机的使用范围也越来越来广。

计算机仿真系统通过虚拟现实场景来模拟虚拟驾驶是当今汽车驾驶训练的新增热门发展方向。

它无视天气、场地和时间等因素，可以随时随地在计算机中进行训练，既高效、经济又环保。

这是一种行之有效的方法。

1.2汽车虚拟驾驶系统的种类

汽车虚拟驾驶系统是采用高科技手段如数据头盔、高速图形计算机或其他三维视觉通道，例如投影、立体声音响和三维位置跟踪器等构造出一种人工环境。

它具有模仿人的触觉、视觉、听觉、嗅觉等感知功能的能力，具有可使人能沉浸虚拟环境中并能如现实般操作的能力。

由于不同的需求将其分为开发型虚拟驾驶系统和训练型虚拟驾驶系统两种。

前一种主要是应用于开发新型车辆和改进旧式汽车的参数，有时也可对人-车-环境系统进行研究。

后种主要作为驾驶训练使用。

1.3国内外现状

在国外，美国和西方一些发达国家于上世纪70年代就已经开始研究和建立汽车虚拟驾驶系统。

1985年，德国奔驰公司研发了当时代表汽车虚拟驾驶系统最高水平技术的6自由度汽车模拟驾驶系统。

1989年，美国GM汽车公司开始研制开发性虚拟驾驶系统并且开发出第二代产品，它的性能指标在世界上处于领先水平。

1993年，美国FORD汽车公司的开发型虚拟驾驶系统也出现了。

1993年，美国阿依华车辆中心花费1300万美元开发汽车驾驶模拟系统。

1993年，美国交通部招标制造大型的驾驶模拟器。

1991年，日本马自达公司制造跑车型开发性驾驶模拟器。

1995年，日本汽车研究所成功研制出带有体感模拟系统的驾驶模拟器。

在国内，由于国情使然，其发展速度不及国外发达国家水平，而且购买昂贵，所以国内自主研究尤为重要。

在初期我国首先从捷克引进点光源平板投影式模拟器，在此基础上进行改进发展。

自20世纪80年代我国汽车驾驶模拟器发展尤为迅速，许多高校如清华大学、吉林工业大学等都开发出了一写初级产品，其中具有代表性的有北京航空航天大学研制的MCGI-9410T计算机成像系统和航空精密机械研究所研制的QM—CGI汽车驾驶训练模拟系统。

1996年，吉林工业大学建成汽车动态模拟国家重点实验室，该实验室是1989年获批的，1997年被列入国家重点实验室行列，并于2006年设计出大型的用于驾驶训练开发型汽车虚拟驾驶系统。

1.4课题研究的意义

虚拟驾驶系统的开发对于当今而言死非常有必要的。

中国是一个人口大国，虽然近来人口增长速度日渐减小，但是人口基数太过庞大所以人口增长依然很多。

因此，虚拟驾驶系统的开发具有重要的意义。

1.5本论文的内容

虚拟驾驶系统其中主要部分是操控系统，虚拟汽车的驾驶、预警等均由操控系统控制。

操控系统中不仅包括汽车的正常行驶、油门、刹车、离合，还包括灯光、播放虚拟环境中的立体声音等等。

设计步骤：

1）虚拟驾驶动力系统，包括方向盘、油门、刹车、离合等虚拟装置

虚拟汽车方向盘由键盘上、下、左、右键控制前进、倒退、左转、右转。

虚拟汽车动力系统分五档，档位由键盘上的数字控制键控制。

油门、刹车、离合可以使用字母控制键控制。

2）汽车预警装置

当虚拟汽车前方出现障碍物时，达到一定距离时会由预警系统发出警报，提示驾驶者前方不能通行。

3）制作及播放虚拟环境中的立体声音

汽车的发动机声、警报声等等虚拟环境声音需要专门编程以便更好的模拟现实中的声音。

2虚拟驾驶系统

虚拟驾驶系统的实现需要在个人PC机上实行，为了能满足驾驶训练的需要，总结现有技术条件选择合适的开发工具。

2.1虚拟驾驶系统的关键技术

虚拟驾驶系统在满足驾驶训练要求的基础上还应尽量使虚拟环境更加逼真，加强沉浸感，能带给驾驶员身临其境的感觉。

因此需要解决如下问题。

1）迅速提取数据

由于该系统涉及的内容量庞大且要求能够对于驾驶员的操作能够做出快速的反应，因此需要特别设计语言算法，节约系统反应时间，使其能够在最短的时间内做出反应提高精确度。

2）立体图像的生成和显示

个人PC机显示的视镜系统在双目立体视觉原理上需要分别渲染出左右眼图像，通过立体眼镜使得双眼能各自观察各自对应的图像不会出现双眼所观察的图像实现重合的现象。

3）场景中车辆的运动

驾驶员在虚拟驾驶系统中操控的车辆要能够完成如现实中前进、转弯、鸣笛、刹车等操作，虚拟场景中的车辆也要符合运动学规律。

4）实时三维图形生成技术

虚拟场景中的图像要能够实时改变，即图像的实时改变能够跟的上人眼的反应频率，不至于虚拟场景中会出现画面停滞或画面不连续的情况，这需要提高其更新的频率。

5）车辆的后视镜

虚拟场景中车辆的驾驶过程中需要用到后视镜的功能，因此要求在虚拟场景中要能实现后视镜的功能。

6）车辆的碰撞

当在虚拟现实场景中驾驶的车辆碰撞到其它物体时不能够出现重合现象，当出现碰撞时要能够发出警报或车辆损坏的状态。

2.2桌面虚拟现实技术及应用

虚拟现实技术利用了多媒体技术、计算机图形学、仿真技术、计算机网络技术、人工智能技术、多传感器技术和并行处理技术等多种技术来模拟人的视觉、触觉、听觉等感觉器官功能，让人们能够在虚拟场景中拥有如在现实生活中一般的感觉具有广阔的开发空间。

虚拟现实可以将现实场景在个人PC机上模拟出来，让人在其中可以有在现实中一般的感受。

虚拟现实技术近几年发展很快，它高度的仿真功能深的人们青睐，在虚拟驾驶系统中它模拟人们的触觉和听觉等感官，让驾驶员能投入其中以得到需要的训练效果。

2.3虚拟驾驶系统

虚拟驾驶系统主要由视景子系统、操控子系统、音响子系统、车辆运动学子系统组成，操控系统是虚拟驾驶系统的“大脑中枢”。

虚拟场景中的车辆驾驶就是操控系统来控制的。

车辆操作过程中操控的方向盘、油门、刹车、离合器、档位等都是操控子系统来完成的。

在虚拟驾驶系统中的操控功能由PC机键盘来实现相应的动作。

虚拟场景中的声音靠音响子系统来完成。

车辆行驶过程中的轮胎摩擦声、汽车警报声、鸣笛声以及车辆碰撞声等虚拟环境中的声音都是音响子系统模拟执行的，营造出逼真的环境。

虚拟场景中的车辆运动规律则是由车辆运动学子系统完善，根据运动动力学来设计车辆行驶轨迹。

虚拟驾驶系统的主要功能模块如图2.1所示。

虚拟驾驶功能模块

操控子系统

车辆运动学子系统

音响子系统

视景子系统

帮助子系统

虚拟场景视觉的实现

车辆驾驶的控制

虚拟场景中声音的实现

决定车辆根据输入信号产生什么样的运动方式

对于该系统软件的介绍使用说明

图2.1虚拟驾驶系统的功能模块

2.4虚拟驾驶系统的开发环境

虚拟驾驶系统驾驶训练功能的实现是靠硬件部分和软件部分共同完成的。

虚拟驾驶系统的硬件配置主要包括高配置的电脑，立体眼镜，车辆驱动、刹车等装置。

其软件部分由于所需的性能要求较高选择MicrosoftVisual2010作为开发工具，图形开发引擎选择DirectX，由于虚拟驾驶系统中图形的开发需要的性能较高因而选用DirectX10.0c作为建模工具，DirectX10.0c将虚拟场景的模型建好后再导入MicrosoftVisual2010中。

两者兼容性能好，可以很好的实现所需的功能。

所以虚拟驾驶系统的开发工具我们选择MicrosoftVisual2010和Directx10.0c。

该开发平台具有如下特点：

1）具有面向对象的结构，效率高可以在最短的时间内完成相应的功能；

2）实时显示可以更改设置以便更好的显示所需要求；

3）可以使用其它的三维图形软件对虚拟现实所使用的图形模型经行建模；

4）能够连接外部设备，快捷方便的操控虚拟场景中的模型。

2.5虚拟驾驶系统的流程图

该虚拟驾驶系统开发语言采用C++，其中核心部分三三位图形程序的编写主要靠下列函数实现：

nIsDeviceAcceptable 可以判断图形设备的支持方式

nModifyDeviceSettings 可以修改图形设备的设置

nOnCreateDevice 能够进行图形设备创建与初始化

nOnResetDevice 可使图形设备复位

nOnFrameMove 改变当前帧的操作

nOnFrameRender 可以渲染当前帧的图像

nMsgProc 处理系统消息

nKeyboardProc 处理键盘消息

nOnGUIEvent 处理用户界面消息

nOnLostDevice 处理图形设备丢失

nOnDestroyDevice 处理图形设备释放

下面是几个回调函数的调用顺序：

启动程序：

InitApp→MsgProc→IsDeviceAcceptable→ModifyDeviceSettings→OnCreateDevice→OnResetDevice→渲染主循环

渲染主循环：

OnFrameMove→OnFrameRender

改变设备：

ModifyDeviceSettings→OnLostDevice→根据需要调用OnDestroyDevice→OnResetDevice→渲染主循环

绘制生成虚拟驾驶系统

虚拟驾驶系统建模

世界坐标系下的虚拟驾驶系统模型

视图坐标系下的虚拟驾驶系统模型

虚拟驾驶系统可视区域的确定

可视三维区域显示到屏幕

光照处理

图形纹理

世界坐标变换

取景变换

投影变换

视区变换

纹理映射、光栅化处理

图2.2虚拟驾驶系统视景显示过程

视角

相机位置

D

D*tan（fov/2）

前裁剪面

后裁剪面

图2.3透视投影原理图

图2.4汽车虚拟驾驶模拟系统的流程图

退出程序：

OnLostDevice→OnDestroyDevice

虚拟驾驶系统中的函数调用功能如下所示：

OnCreateDevice：

设置字体，经行视镜和世界矩阵的变换以及虚拟驾驶系统场景的渲染。

OnResetDevice：

虚拟场景中人物、车辆等动画设置，影像变换、装载网络模型以及灯光设置和后缓冲器。

OnLostDevice：

纹理和设备释放，去除网格