六自由度汽车驾驶运动模拟器设计.docx

1、 六自由度汽车驾驶运动模拟器设计六自由度汽车驾驶运动模拟器设计 摘 要 汽车驾驶模拟器是一种用于汽车产品开发、“人车环境”交通特性研究或驾驶培训的重要工具。近年来，由于具有安全性高、再现性好、可开发性强、成本低等显著特点，研究开发驾驶模拟器已经成为国内外一个重要发展方向。本文在查阅国内外大量资料的基础上，结合老师的研究课题主要对六自由度汽车驾驶模拟器液压系统部分进行设计。六自由度汽车运动模拟器采用液压伺服阀控制液压缸来驱动模拟平台的运动，以实现汽车驾驶模拟器运动姿态模拟。本文主要进行机械机构的设计、液压伺服系统设计、液压泵站设计和液压缸的设计等。通过模拟器的机构设计和驱动液压伺服系统设计，结合

2、电气系统能够实现汽车在不同运行状态的模拟，当驾驶员坐在驾驶舱系统的座椅上进行模拟驾驶时，完全能够感受到实际汽车驾驶的各种体感，为实车训练驾驶提供了可替代的模拟平台；本设计也为今后的进一步研究及其在娱乐模拟器、动感电影等产业的实际推广和应用方面奠定了基础。关键词：汽车驾驶模拟器 六自由度运动平台 液压伺服系统 运动姿态控制 Abstract The Automobile-driving i an important tool which used for the development of auto mobile product and the study of the transportat

3、ion characteristics of“man-car-environment”or the driver training.In recent years,the study of the automobile-driving simulator used for development has become an important development direction in the world because of the notable characteristics of high safety,well reappearance of scene,easy to dev

4、elop and low cost.This article is based on searching the large quantity of information about at home and abroad,and combines with the teachers research task which mainly designs the part of 6-dof driving Simulator of hydraulic system.The 6-dof motion simulator adopts valves of hydraulic servo to con

5、trol actuator to drive the movement of driving simulation platform,and to achieve the movement posture simulation of the automobile driving simulator.This article is mainly about the designing of machine,the system of hydraulic servo,hydraulic pump station,and actuator and so on.According to the des

6、igning of agencies of simulator and hydraulic servo system,it can combines the electrical system which can bring out the imitation of cars in different movement conditions,when the driver simulating drive on the seat of cockpit system,you can feel the feeling of driving a true car,and it also offer

7、the simulator platform which can be replaced for true driving training.At the same time,this designing is also establishes for the further researches and the practice extension and use.Keywords:Driving-automobile simulator,6-dof of motion platform,the system of hydraulic servo,the control of campaig

8、n attitude 1 绪论绪论 1.1 引言引言 驾驶模拟器是一种用于汽车产品开发、“人车环境”交通特性研究或驾驶培训的重要工具。由于具有安全性高、再现性好、可开发性强、成本低等显著特点，近年来，研究开发型驾驶模拟器已成为国际上的一个重要发展方向。驾驶模拟器一般由硬件和软件两部分组成。以计算机成像的大型模拟器为例，其硬件系统一般包括驾驶舱、计算机、投射仪、显示屏、运动液压系统等，软件系统包括道路环境的计算机实时动画生成，汽车行驶动态仿真，声响模拟，网络控制，操作平台等。基本原理是由安装在驾驶舱的传感器将驾驶员的操纵信号传递到主控计算机，由主控计算机中的汽车模型软件计算出车辆瞬间的运动位置及

9、姿态，再将车辆运动参数不断地传到计算机图形工作站，由图像软件生成对应的连续变化的道路视景图，最后再由投射仪将视景图投射到驾驶舱正前方的屏幕上，以此同时，由主控计算机控制液压系统，使驾驶舱产生一定的运动，并模拟汽车噪声，给驾驶员一个接近真实的驾车感觉。这种模拟器规模大、造价高，主要用于汽车新产品的开发。如 Daimler-Benz 公司 80 年代建成的具有六个自由度的世界上规模最大的模拟器、美国交通部 93 年在 IOWA 大学建立的大型驾驶模拟器、我国吉林大学汽车动态模拟国家重点实验实 97 年研制的我国第一台大型驾驶模拟器 ADSL等。另外一种模拟器规模比较小，有的采用了静止的驾驶舱，极大

10、地降低了成本。这类模拟器主要用于道路交通的研究，在欧洲和日本应用比较多。如日本大板产业大学通过近 30 年的研究、不断开发完善的用于驾驶员行为研究的小型液压式驾驶模拟器、瑞典 VDI 80 年代投资建成的具有大的侧向位移的驾驶模拟器、日本汽车研究所（JARI）93 年建成的带有体感模拟系统的驾驶模拟器，英国利兹大学 1997 年开发成功的固定式汽车驾驶模拟器等。还有一种驾驶模拟器更为简单，只是用于驾驶培训。国内外都有较多产品。这种模拟器一般不能进行二次开发，因而不能用于研究。研究型的汽车驾驶模拟器主要应用于汽车动力学研究和道路交通问题的研究两个方面。一般说来，大型模拟器主要用于汽车动力学性能的

11、研究；而中小型模拟器，更多的是用于研究道路交通问题。近年来，随着虚拟现实(VR)技术的迅速发展，在汽车驾驶模拟系统开发的过程中引入了虚拟现实技术。虚拟现实技术自 1989 年美国计算机科学家 JaronLanier 提出后，发展十分迅速，并广泛应用于军事、航空航天、自动控制、医疗康复、教育娱乐等各个领域。虚拟现实的本质是客观事物在计算机上的一种仿真实现，“是一种由计算机全部或部分生成的多维感觉环境，给参与者产生各种感官信息，如视觉、听觉、触觉等，使参与者有身临其境的感觉，能体验、接受和认识客观世界中的客观事物”，虚拟现实具有“沉浸(Immersion)交互(Interaction)构想(Ima

12、gination)”三个基本特征。虚拟现实技术应用于汽车驾驶模拟系统中，就是通过计算机产生汽车行驶过程中的虚拟视景、音响效果和运动仿真，使驾驶员沉浸到虚拟驾驶环境中，并有实车驾驶的感觉，驾驶员根据虚拟驾驶环境提供的视觉、听觉、触觉感受，构想其驾驶动作，操纵模拟驾驶舱中的操纵机构，计算机根据驾驶员的操作状态，改变汽车在虚拟环境中的状态，其过程的不断循环，构成驾驶员虚拟驾驶环境之间的交互作用，实现汽车的虚拟驾驶，从而体验、认识和学习现实世界中的汽车驾驶。基于虚拟现实技术的汽车驾驶模拟系统极大地提高了系统的主动性、交互性和沉浸感等性能，给驾驶员更逼真的驾驶环境，对驾驶模拟器的各种应用提供了更为逼真的

13、效果。1.2 国内外发展现状国内外发展现状 1.2.1 国内外研究和发展概述国内外研究和发展概述 早在七十年代，美国等一些发达国家就把汽车驾驶仿真系统作为一种较为先进的汽车仿真工具广泛应用于产品设计开发、车辆和交通评价以及作为驾驶员培训工具应用于驾驶员培训中心。因此，不仅一些高等院校开发驾驶模拟系统，很多著名的汽车公司也投巨资开发驾驶模拟系统。这些模拟系统主要是面向产品开发和性能评价的，因而技术先进，造价也相对较高。例如，1985 年奔驰汽车公司首先建立了世界上规模最大的具有六个自由度的模拟器，并成功的应用于系列化高速轿车的开发中。瑞典的 VDI 也投资建立了规模较小的驾驶模拟器，用于车辆和交

14、通系统的评价和开发。位于美国盐湖城的 I-Sim 公司开发了主要用于卡车和大型车辆司机驾驶训练的驾驶模拟器。美国的 Hyperion 公司开发了包括 VRS(Vection Reality System)系统在内的可以应用于车辆交通研究和驾驶训练应用的多个系列的模拟器。在国内，为改变我国驾驶训练的落后状况，我国曾先后引进了一些国外的驾驶模拟器，如由美国多轮公司进口的 L-300 被动式汽车驾驶模拟系统是比较有代表性的设备。但由于早期设备大多为被动式，并且不太适合我国的实际情况。同时又由于设备价格较贵，难以在国内推广使用。在这种情况下，我国也有一些公司开发了驾驶模拟系统，但大多数仍然是被动式的；

15、有些产品虽然已经是主动式的，但由于早期选用的开发工具和开发环境落后，难以真正实现三维图形技术，有速度慢、真实感差、系统升级困难等难以克服的缺点，因而难以形成推广规模。近年来，由于技术水平的发展，国内有许多家单位又开始了驾驶模拟器的研制和推广，主要集中在大专院校和科研院所。与此同时，与汽车驾驶模拟器的发展状况相似，国内对航海船舶模拟器、飞行模拟器、特种车辆（如坦克）驾驶模拟装置等的开发也都进入了一个新的阶段。而这些领域内的模拟装置在很多技术上都有共同点，可以相互借鉴，例如这些模拟装置都采用相同的开发技术和开发工具来实现其虚拟场景和控制的模拟；系统基本结构流程也都类似。在所有这些因素的带动下，越来

16、越多的业内人士已经认识到模拟装置的重要性，并在此领域内作了很多卓有成效的工作。在国内较早进行驾驶训练模拟器工程开发和商业应用的有中国航空精密机械研究所、吉林大学、南京大学、装甲兵工程学院、解放军汽车指挥学院、华中理工大学等。吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室在郭孔辉院士的领导下，从八十年代开始进行汽车驾驶仿真相关领域的研究工作，建成并投入使用了国内首创、有世界先进水平的主要用于工程应用的驾驶模拟系统。南京大学计算机系、装甲兵工程学院、昆明理工大学等单位近几年在驾驶训练模拟器研究方面也取得了很大进步，已经能够满足基本的使用要求，并且开始应用于驾驶训练。1.2.2 驾驶模拟器的应用和发驾驶模拟器的应用和发展展 驾驶模拟器装置根据其用途、性能、要求等方面的不同，基本上可以分为两类：一类用于产品开发和人-车-环境系统等基础研究的模拟装置（开发型驾驶模拟器或驾驶仿真器）；另一类是用于安全教育、交通规则教育和驾驶训练的模拟装置。它们都被用来模拟真实的车辆驾驶和运行过程，系统的基本组成原理也大致相同，但他们的应用领域、技术水平、成本以及由此产生的效果却有很大差别。开发型驾驶模拟器 开发型驾驶模拟器（