汽車駕駛模擬器（VehicleSimulator）是一種能正確模擬汽車駕駛動作，獲得實車駕駛感覺的仿真設備。汽車駕駛模擬器，又稱為汽車模擬駕駛仿真系統(tǒng)，它集了傳感器技術、計算機技術、三維實時動畫技術、計算機接口技術、人工智能技術、數(shù)據(jù)通信技術、網(wǎng)絡技術、多媒體技術等先進技術。

借助于駕駛模擬器，能對汽車―駕駛員―道路（環(huán)境）相互作用關系進行研究，也能對駕駛人員進行訓練。汽車駕駛模擬器駕駛安全性高、再現(xiàn)性好、可方便地設定各種條件，及時糾正駕駛中的錯誤，無油耗經(jīng)濟性高等優(yōu)點，正在廣泛被推廣使用。

為獲得與實車相同的駕駛感覺駕駛模擬裝置具有實車操作的效果，有轉向操作、啟動、換檔操作，剎車、離合、油門等手腳配合的操作等。同時三維模擬駕駛仿真畫面，同步實時對應變化，從而使駕駛人員產(chǎn)生“沉浸感”、“交互性”與“實時性”。

汽車駕駛模擬器由五部分組成：試驗車的方向盤、油門腳踏、剎車腳踏、離合器腳踏以及換檔控制手柄等，這五個控制部分的底部均安裝了傳感器。每個汽車控制部件發(fā)生動作，各傳感器都會產(chǎn)生相應的脈沖信號或模擬信號輸入PLC。PLC將控制信號輸入送入圖形生成器，圖形生成器改變圖像與場景切換和平移速度，以達到汽車模擬駕駛的目的。

在駕駛模擬器上增加模擬動力和換檔動態(tài)模擬系統(tǒng),以加強換檔訓練,增強換檔操作的實際感和訓練效果,以及“五大機件"協(xié)調操作的效果。而增加的模擬動力、增加模擬阻力、轉向的回正力、路面的振動以及儀表的變化等都將由PLC控制器發(fā)出指令，執(zhí)行器動作產(chǎn)生。

主動式三維汽車駕駛模擬器是一種能正確模擬汽車駕駛操作,并能在主要性能上獲得與實車相同感覺的汽車駕駛訓練教學設備,它是應用計算機三維成像、多媒體以及網(wǎng)絡通訊等當前的先進技術研制成功的高新技術產(chǎn)品,可用于裝備各類汽車駕駛學校和駕駛培訓中心,以提高汽車駕駛員的培訓質量和效率。

1.駕駛模擬器的構成

圖1為駕駛模擬器系統(tǒng)的組成框圖。對于不同用途的模擬裝置,系統(tǒng)構成稍有不同,但都包括觸感（操縱）模擬系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)和音響系統(tǒng)等組成部分。

圖1駕駛模擬器系統(tǒng)的組成框圖

觸感（操縱）模擬系統(tǒng)按照某基本車型的操縱機構、手柄以及開關儀表等形式布置，駕駛區(qū)的布置必須滿足人機工學的要求。操縱系統(tǒng)采用與實車完全相同的操縱機構。各操縱桿、方向盤等均采用汽車配件,其內部之間的位置關系和力感與實車相似。在各個操縱機構的部件上，安置各種傳感器，測量操縱機構的位移量、轉角及開關量。轉角、轉速編碼器或電阻式位移傳感器，因簡單、可靠而被廣泛使用。

視景系統(tǒng)由兩部分構成，一部分是一系列汽車駕駛的常規(guī)顯示儀表與指示燈，另一部分是場景，即提供一個與地理位置相對應的連續(xù)的駕駛室外景。在整個駕駛過程中,視景系統(tǒng)將提供道路、路旁的建筑、車輛、山川、田野等景象。視景系統(tǒng)能提供白晝、夜間和雨霧、冰雪天氣等。還能體現(xiàn)出景物的紋理、濃淡、陰影、光照、能見度等視覺特性。本系統(tǒng)采用DirectX來實時生成三維圖像。視景系統(tǒng)由視景數(shù)據(jù)庫(地、景文件)、控制管理模塊、3D渲染模塊、顯示模塊組成，視景數(shù)據(jù)庫存儲地景數(shù)據(jù)。

駕駛場景包括基礎駕駛訓練與道路駕駛訓練場景?；A駕駛訓練如起步、換檔、倒車入庫等,其特點是每項訓練有特定的場景要求,場景較簡單。道路駕駛訓練場景是在各種道路上的訓練,如干線、支線、城市道路、山路、高速公路、夜間駕駛)、冰雪道路駕駛等等,特點必須滿足交通規(guī)則，并及時判斷運動狀態(tài)。

運動系統(tǒng)由各種執(zhí)行器組成，實現(xiàn)各種運動狀態(tài)對駕駛員的反饋，如不同路面的振動、突然加速使人的前傾、猛的剎車使人的后仰等的動態(tài)駕駛感。

音響系統(tǒng)模擬實際車輛行駛中發(fā)出的聲音，如發(fā)動機轟鳴聲、猛的剎車的尖叫聲、喇叭聲等，聲光景像的配合，能使人身入其境。音響系統(tǒng)還作為訓練情況的通報、違反交通規(guī)則、操縱不當?shù)奶嵝训茸饔谩?/p>

2．汽車駕駛模擬器控制系統(tǒng)[5][6]

圖2汽車駕駛模擬器控制系統(tǒng)

汽車駕駛模擬器控制系統(tǒng)（圖2）由傳感器、PLC、動感執(zhí)行裝置、場景系統(tǒng)、顯示等構成。PLC（可編程控制器）作為駕駛模擬器運行控制的主要單元，在接收傳感器發(fā)送駕駛員的各種操作信息后，根據(jù)程序設置與邏輯判斷，對場景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、儀表與指示燈等發(fā)出指令執(zhí)行。根據(jù)輸入、出信號的不同與端口數(shù)量等，選用不同的PLC的型號。PLC通過R232口與場景系統(tǒng)協(xié)調顯示車輛狀態(tài)。

圖3視景系統(tǒng)結構圖

場景系統(tǒng)（圖3）是汽車駕駛模擬器的重要組成部分，它由場景數(shù)據(jù)庫、場景調度模塊、3D渲染模塊、顯示模塊等組成。

場景調度模塊根據(jù)模擬駕駛車當前的位置、方向等信息,對視景數(shù)據(jù)庫進行檢索,得到在景深范圍內駕駛員能觀察到的場景數(shù)據(jù),并傳送給3D渲染模塊。3D渲染模塊把當前可見的場景映射到二維視圖(Viewport),送光柵顯示設備進行顯示。

3D渲染模塊和顯示模塊可由3D圖形加速卡獨立完成,故該模塊采用線程設計,以提高還原速度,保證實時性要求。三維圖形加速卡的選擇非常重要,它除了要支持Di2rect3D以外,還應包括以下主要功能:Z-緩存、顏色插值(也稱濃淡技術)和紋理映射,以得到逼真的視覺效果。

從操縱系統(tǒng)發(fā)來的實時數(shù)據(jù),如變速器、離合器、制動器等實時量,發(fā)送給PLC處理，PLC將汽車動力學模型處理的數(shù)據(jù)(如速度、點火狀態(tài)和水溫狀態(tài)等)發(fā)送到操縱系統(tǒng)的模擬儀表盤上，從而構成信息流。為降低購置儀表面板的成本，加快狀態(tài)顯示速度，將儀表與指示燈（如速度表、轉向燈、油壓表等）直接顯示在顯示器的屏幕上，由PLC發(fā)信號使儀表面板的顯示實時更新。

音響系統(tǒng)除,模擬發(fā)動機啟動和各種運行時的聲音以及喇叭、剎車等聲音外，還有語音提示功能，當學員在操縱過程中出現(xiàn)失誤或違反交通規(guī)則時,語音提示系統(tǒng)負責相應的語音警告。

圖4為在華東汽車模擬駕駛器展覽會上展出的立體動態(tài)汽車模擬駕駛器的樣機，圖5動態(tài)汽車模擬駕駛器樣機的立體畫面圖。

圖4動態(tài)汽車模擬駕駛器的樣機及控制器

圖5汽車模擬駕駛器立體畫面

3．編碼器

每個汽車控制部件發(fā)生動作，各傳感器都會產(chǎn)生相應的模擬信號。通常這些模擬信號經(jīng)由插在微機擴展槽上的數(shù)據(jù)采集板集中后，將它們經(jīng)模數(shù)轉換器（A／D）轉換成對應的數(shù)字信號。

對于模擬駕駛操縱系統(tǒng)主要有點火開關、變速器（擋位開關）、轉向燈開關、手剎車等以及離合器、制動器、油門等，考慮簡化輸入電路與降低PLC的成本，盡量選用開關量與脈沖量。本文提出，將測量離合器、制動器、油門等位移量通過機構將其轉化為測量其繞轉軸的轉角量。因為轉角編碼器具有頻響高，分辨能力高，性能穩(wěn)定，可靠，使用壽命長等特點，在本方案中采用編碼器作為轉角測量傳感器。

轉角編碼器是集光機電技術于一體的速度位移傳感器。圖6為光電編碼器原理圖。當旋轉編碼器軸帶動光柵盤旋轉時，經(jīng)發(fā)光元件發(fā)出的光被光柵盤狹縫切割成斷續(xù)光線，并被接收元件接收產(chǎn)生初始信號。該信號經(jīng)后繼電路處理后，輸出脈沖或代碼信號。

圖6光電編碼器原理圖

汽車方向盤順時針和逆時針旋轉時，其最大旋轉角度均為兩圈半，選用分辨率為360個脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖數(shù)為900個；旋轉式光電編碼器有絕對編碼器和增量編碼器兩種。增量編碼器是以脈沖形式輸出的傳感器，其碼盤比絕對編碼器碼盤要簡單得多且分辨率更高。當碼盤轉動時，它的輸出信號是相位差為90°的A相和B相脈沖信號以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生的脈沖信號（它作為碼盤的基準位置，給計數(shù)系統(tǒng)提供一個初始的零位信號）。

從A，B兩個輸出信號的相位關系（超前或滯后）可判斷旋轉的方向。由圖7可見，當碼盤正轉時，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉時，A道脈沖比B道滯后π/2。實際電路是用A道整形波的下沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的正脈沖與B道整形波相‘與’，當碼盤正轉時只有正向口脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增量編碼器是根據(jù)輸出脈沖源和脈沖計數(shù)來確定碼盤的轉動方向和相對角位移量，即判斷汽車方向盤旋轉方向與轉角。

圖7光電編碼器旋轉方向輸出信號

4．PLC輸入、出點的擴展

模擬駕駛操縱系統(tǒng)與車輛狀態(tài)信號很多，為節(jié)省PLC輸入點，采用矩陣的輸入出方法，擴展輸入點。PLC連線（如圖8）用這種掃描的方法只需4個輸出點和5個輸入點就可產(chǎn)生4*5=20個信號，比用一個個輸入點去接受控制一個個信號更具價格優(yōu)勢，這樣只需利用PLC的一些指令達到分時采集20個信號的功能。

圖8PLC輸入擴展結構接線原理圖

系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)：

Network1//NetworkTitle；//上電初始化；LDSM0.1；MOVW0,MW10；Network2//每個循環(huán)周期MW10加1；LDSM0.0；INCWMW10；AW>=MW10,8

MOVW0,MW10

Network3//輸出掃描變化；LDSM0.0；LPS；AW=MW10,1；=Q0.0；LRD；AW=MW10,3

=Q0.1；LRD；AW=MW10,5；=Q0.2；LPP；AW=MW10,7；=Q0.3；

Network4//q0.0掃描線上輸入有B1\B2\B3\B4\B5五個

LDQ0.0；LPS；AI0.0；SM20.0,1；LRD；ANI0.0；RM20.0,1；LRD；AI0.1；SM20.1,1；LRD；ANI0.1；RM20.1,1；LRD；AI0.2；SM20.2,1；LRD；ANI0.2；RM20.2,1

LRD；I0.3；SM20.3,1；LRD；ANI0.3；RM20.3,1；LRD；AI0.4；SM20.4,1；LPP

ANI0.4；RM20.4,1

Network5//q0.1掃描線上輸入有B6、B7、B8、B9、B10五個；

LDQ0.1；LPS；AI0.0；SM20.5,1；LRD；ANI0.0；RM20.5,1；LRD；AI0.1；SM20.6,1；LRD；ANI0.1；RM20.6,1；LRD；AI0.2；SM20.7,1；LRD；ANI0.2；RM20.7,1

LRD；AI0.3；SM21.0,1；LRD；ANI0.3；RM21.0,1；LRD；AI0.4；SM21.1,1；LPP

ANI0.4；RM21.1,1；

Network6//q0.2掃描線上輸入有B11、12、B13、B14、B15五個

LDQ0.2；LPS；AI0.0；SM21.2,1；LRD；ANI0.0；RM21.2,1；LRD；AI0.1；SM21.3,1；LRD；ANI0.1；RM21.3,1；LRD；AI0.2；SM21.4,1；LRD；ANI0.2；RM21.4,1

LRD；AI0.3；SM21.5,1；LRD；ANI0.3；RM21.5,1；LRD；AI0.4；SM21.6,1；LPP

ANI0.4；RM21.6,1；

Network7//q0.3掃描線上輸入有B16、B17、B18、B19、B20五個

LDQ0.3；LPS；AI0.0；SM21.7,1；LRD；ANI0.0；RM21.7,1；LRD；AI0.1；SM22.0,1；LRD；ANI0.1；RM22.0,1；LRD；AI0.2；SM22.1,1；LRD；ANI0.2；RM22.1,1

LRD；AI0.3；SM22.2,1；LRD；ANI0.3；RM22.2,1；LRD；AI0.4；SM22.3,1；LPP

ANI0.4；RM22.3,1

通過以上程序把20個輸入信號分別轉換為M20.0—M22.3這20位內存信號，也就是說，這20位內存信號就分別對應于外部20個輸入。

在控制系統(tǒng)中應用PLC程序實時進行過程控制的監(jiān)控或干涉，以提高系統(tǒng)可靠性。

5．小結

汽車道路駕駛訓練是學汽車駕駛必要的過程，模擬汽車駕駛器是學駕駛有利工具，利用汽車駕駛訓練模擬器可以部分代替實車訓練，尤其是學習的初期，可以實現(xiàn)基本操作的標準化教學，對于方向盤的操作手法、換檔操作、手腳配合、油離配合等進行窒內強化訓練。這樣不僅使學員學到規(guī)范化的駕駛操作手法、降低了訓練成本、節(jié)省汽油、縮短了初期訓練的時間，而且有利于交通安全。

隨著電子技術與計算機仿真技術的發(fā)展，的汽車駕駛模擬器將不斷出現(xiàn)，本文提出的基于PLC的駕駛模擬器控制方法，通過樣車實踐（圖4），證明將是一種實用可靠逼真且價格低廉值得推廣的方案。