汽車(chē)駕駛模擬器（VehicleSimulator）是一種能正確模擬汽車(chē)駕駛動(dòng)作，獲得實(shí)車(chē)駕駛感覺(jué)的仿真設(shè)備。汽車(chē)駕駛模擬器，又稱為汽車(chē)模擬駕駛仿真系統(tǒng)，它集了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)技術(shù)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。

借助于駕駛模擬器，能對(duì)汽車(chē)―駕駛員―道路（環(huán)境）相互作用關(guān)系進(jìn)行研究，也能對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行訓(xùn)練。汽車(chē)駕駛模擬器駕駛安全性高、再現(xiàn)性好、可方便地設(shè)定各種條件，及時(shí)糾正駕駛中的錯(cuò)誤，無(wú)油耗經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)，正在廣泛被推廣使用。

為獲得與實(shí)車(chē)相同的駕駛感覺(jué)駕駛模擬裝置具有實(shí)車(chē)操作的效果，有轉(zhuǎn)向操作、啟動(dòng)、換檔操作，剎車(chē)、離合、油門(mén)等手腳配合的操作等。同時(shí)三維模擬駕駛仿真畫(huà)面，同步實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)變化，從而使駕駛?cè)藛T產(chǎn)生“沉浸感”、“交互性”與“實(shí)時(shí)性”。

汽車(chē)駕駛模擬器由五部分組成：試驗(yàn)車(chē)的方向盤(pán)、油門(mén)腳踏、剎車(chē)腳踏、離合器腳踏以及換檔控制手柄等，這五個(gè)控制部分的底部均安裝了傳感器。每個(gè)汽車(chē)控制部件發(fā)生動(dòng)作，各傳感器都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)或模擬信號(hào)輸入PLC。PLC將控制信號(hào)輸入送入圖形生成器，圖形生成器改變圖像與場(chǎng)景切換和平移速度，以達(dá)到汽車(chē)模擬駕駛的目的。

在駕駛模擬器上增加模擬動(dòng)力和換檔動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng),以加強(qiáng)換檔訓(xùn)練,增強(qiáng)換檔操作的實(shí)際感和訓(xùn)練效果,以及“五大機(jī)件"協(xié)調(diào)操作的效果。而增加的模擬動(dòng)力、增加模擬阻力、轉(zhuǎn)向的回正力、路面的振動(dòng)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(dòng)作產(chǎn)生。

主動(dòng)式三維汽車(chē)駕駛模擬器是一種能正確模擬汽車(chē)駕駛操作,并能在主要性能上獲得與實(shí)車(chē)相同感覺(jué)的汽車(chē)駕駛訓(xùn)練教學(xué)設(shè)備,它是應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維成像、多媒體以及網(wǎng)絡(luò)通訊等當(dāng)前的先進(jìn)技術(shù)研制成功的高新技術(shù)產(chǎn)品,可用于裝備各類汽車(chē)駕駛學(xué)校和駕駛培訓(xùn)中心,以提高汽車(chē)駕駛員的培訓(xùn)質(zhì)量和效率。

1.駕駛模擬器的構(gòu)成

圖1為駕駛模擬器系統(tǒng)的組成框圖。對(duì)于不同用途的模擬裝置,系統(tǒng)構(gòu)成稍有不同,但都包括觸感（操縱）模擬系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)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(chē)型的操縱機(jī)構(gòu)、手柄以及開(kāi)關(guān)儀表等形式布置，駕駛區(qū)的布置必須滿足人機(jī)工學(xué)的要求。操縱系統(tǒng)采用與實(shí)車(chē)完全相同的操縱機(jī)構(gòu)。各操縱桿、方向盤(pán)等均采用汽車(chē)配件,其內(nèi)部之間的位置關(guān)系和力感與實(shí)車(chē)相似。在各個(gè)操縱機(jī)構(gòu)的部件上，安置各種傳感器，測(cè)量操縱機(jī)構(gòu)的位移量、轉(zhuǎn)角及開(kāi)關(guān)量。轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速編碼器或電阻式位移傳感器，因簡(jiǎn)單、可靠而被廣泛使用。

視景系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，一部分是一系列汽車(chē)駕駛的常規(guī)顯示儀表與指示燈，另一部分是場(chǎng)景，即提供一個(gè)與地理位置相對(duì)應(yīng)的連續(xù)的駕駛室外景。在整個(gè)駕駛過(guò)程中,視景系統(tǒng)將提供道路、路旁的建筑、車(chē)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(jiàn)度等視覺(jué)特性。本系統(tǒng)采用DirectX來(lái)實(shí)時(shí)生成三維圖像。視景系統(tǒng)由視景數(shù)據(jù)庫(kù)(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(kù)存儲(chǔ)地景數(shù)據(jù)。

駕駛場(chǎng)景包括基礎(chǔ)駕駛訓(xùn)練與道路駕駛訓(xùn)練場(chǎng)景。基礎(chǔ)駕駛訓(xùn)練如起步、換檔、倒車(chē)入庫(kù)等,其特點(diǎn)是每項(xiàng)訓(xùn)練有特定的場(chǎng)景要求,場(chǎng)景較簡(jiǎn)單。道路駕駛訓(xùn)練場(chǎng)景是在各種道路上的訓(xùn)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(diǎn)必須滿足交通規(guī)則，并及時(shí)判斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由各種執(zhí)行器組成，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)駕駛員的反饋，如不同路面的振動(dòng)、突然加速使人的前傾、猛的剎車(chē)使人的后仰等的動(dòng)態(tài)駕駛感。

音響系統(tǒng)模擬實(shí)際車(chē)輛行駛中發(fā)出的聲音，如發(fā)動(dòng)機(jī)轟鳴聲、猛的剎車(chē)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(xùn)練情況的通報(bào)、違反交通規(guī)則、操縱不當(dāng)?shù)奶嵝训茸饔谩?/p>

2．汽車(chē)駕駛模擬器控制系統(tǒng)[5][6]

圖2汽車(chē)駕駛模擬器控制系統(tǒng)

汽車(chē)駕駛模擬器控制系統(tǒng)（圖2）由傳感器、PLC、動(dòng)感執(zhí)行裝置、場(chǎng)景系統(tǒng)、顯示等構(gòu)成。PLC（可編程控制器）作為駕駛模擬器運(yùn)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(shè)置與邏輯判斷，對(duì)場(chǎng)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(hào)的不同與端口數(shù)量等，選用不同的PLC的型號(hào)。PLC通過(guò)R232口與場(chǎng)景系統(tǒng)協(xié)調(diào)顯示車(chē)輛狀態(tài)。

圖3視景系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

場(chǎng)景調(diào)度模塊根據(jù)模擬駕駛車(chē)當(dāng)前的位置、方向等信息,對(duì)視景數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索,得到在景深范圍內(nèi)駕駛員能觀察到的場(chǎng)景數(shù)據(jù),并傳送給3D渲染模塊。3D渲染模塊把當(dāng)前可見(jiàn)的場(chǎng)景映射到二維視圖(Viewport),送光柵顯示設(shè)備進(jìn)行顯示。

3D渲染模塊和顯示模塊可由3D圖形加速卡獨(dú)立完成,故該模塊采用線程設(shè)計(jì),以提高還原速度,保證實(shí)時(shí)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(yīng)包括以下主要功能:Z-緩存、顏色插值(也稱濃淡技術(shù))和紋理映射,以得到逼真的視覺(jué)效果。

從操縱系統(tǒng)發(fā)來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),如變速器、離合器、制動(dòng)器等實(shí)時(shí)量,發(fā)送給PLC處理，PLC將汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型處理的數(shù)據(jù)(如速度、點(diǎn)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(pán)上，從而構(gòu)成信息流。為降低購(gòu)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(zhuǎn)向燈、油壓表等）直接顯示在顯示器的屏幕上，由PLC發(fā)信號(hào)使儀表面板的顯示實(shí)時(shí)更新。

音響系統(tǒng)除,模擬發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和各種運(yùn)行時(shí)的聲音以及喇叭、剎車(chē)等聲音外，還有語(yǔ)音提示功能，當(dāng)學(xué)員在操縱過(guò)程中出現(xiàn)失誤或違反交通規(guī)則時(shí),語(yǔ)音提示系統(tǒng)負(fù)責(zé)相應(yīng)的語(yǔ)音警告。

圖4為在華東汽車(chē)模擬駕駛器展覽會(huì)上展出的立體動(dòng)態(tài)汽車(chē)模擬駕駛器的樣機(jī)，圖5動(dòng)態(tài)汽車(chē)模擬駕駛器樣機(jī)的立體畫(huà)面圖。

圖4動(dòng)態(tài)汽車(chē)模擬駕駛器的樣機(jī)及控制器

圖5汽車(chē)模擬駕駛器立體畫(huà)面

3．編碼器

每個(gè)汽車(chē)控制部件發(fā)生動(dòng)作，各傳感器都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的模擬信號(hào)。通常這些模擬信號(hào)經(jīng)由插在微機(jī)擴(kuò)展槽上的數(shù)據(jù)采集板集中后，將它們經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A／D）轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。

對(duì)于模擬駕駛操縱系統(tǒng)主要有點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、變速器（擋位開(kāi)關(guān)）、轉(zhuǎn)向燈開(kāi)關(guān)、手剎車(chē)等以及離合器、制動(dòng)器、油門(mén)等，考慮簡(jiǎn)化輸入電路與降低PLC的成本，盡量選用開(kāi)關(guān)量與脈沖量。本文提出，將測(cè)量離合器、制動(dòng)器、油門(mén)等位移量通過(guò)機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)化為測(cè)量其繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角量。因?yàn)檗D(zhuǎn)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(zhǎng)等特點(diǎn)，在本方案中采用編碼器作為轉(zhuǎn)角測(cè)量傳感器。

轉(zhuǎn)角編碼器是集光機(jī)電技術(shù)于一體的速度位移傳感器。圖6為光電編碼器原理圖。當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器軸帶動(dòng)光柵盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)發(fā)光元件發(fā)出的光被光柵盤(pán)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(hào)。該信號(hào)經(jīng)后繼電路處理后，輸出脈沖或代碼信號(hào)。

圖6光電編碼器原理圖

汽車(chē)方向盤(pán)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，其最大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用分辨率為360個(gè)脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖數(shù)為900個(gè)；旋轉(zhuǎn)式光電編碼器有絕對(duì)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(pán)比絕對(duì)編碼器碼盤(pán)要簡(jiǎn)單得多且分辨率更高。當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的輸出信號(hào)是相位差為90°的A相和B相脈沖信號(hào)以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)（它作為碼盤(pán)的基準(zhǔn)位置，給計(jì)數(shù)系統(tǒng)提供一個(gè)初始的零位信號(hào)）。

從A，B兩個(gè)輸出信號(hào)的相位關(guān)系（超前或滯后）可判斷旋轉(zhuǎn)的方向。由圖7可見(jiàn)，當(dāng)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖比B道滯后π/2。實(shí)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(dāng)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)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(jì)數(shù)來(lái)確定碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和相對(duì)角位移量，即判斷汽車(chē)方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)角。

圖7光電編碼器旋轉(zhuǎn)方向輸出信號(hào)

4．PLC輸入、出點(diǎn)的擴(kuò)展

模擬駕駛操縱系統(tǒng)與車(chē)輛狀態(tài)信號(hào)很多，為節(jié)省PLC輸入點(diǎn)，采用矩陣的輸入出方法，擴(kuò)展輸入點(diǎn)。PLC連線（如圖8）用這種掃描的方法只需4個(gè)輸出點(diǎn)和5個(gè)輸入點(diǎn)就可產(chǎn)生4*5=20個(gè)信號(hào)，比用一個(gè)個(gè)輸入點(diǎn)去接受控制一個(gè)個(gè)信號(hào)更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)，這樣只需利用PLC的一些指令達(dá)到分時(shí)采集20個(gè)信號(hào)的功能。

圖8PLC輸入擴(kuò)展結(jié)構(gòu)接線原理圖

系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)：

Network1//NetworkTitle；//上電初始化；LDSM0.1；MOVW0,MW10；Network2//每個(gè)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(gè)

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(gè)；

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(gè)

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(gè)

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(guò)以上程序把20個(gè)輸入信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為M20.0—M22.3這20位內(nèi)存信號(hào)，也就是說(shuō)，這20位內(nèi)存信號(hào)就分別對(duì)應(yīng)于外部20個(gè)輸入。

在控制系統(tǒng)中應(yīng)用PLC程序?qū)崟r(shí)進(jìn)行過(guò)程控制的監(jiān)控或干涉，以提高系統(tǒng)可靠性。

5．小結(jié)

汽車(chē)道路駕駛訓(xùn)練是學(xué)汽車(chē)駕駛必要的過(guò)程，模擬汽車(chē)駕駛器是學(xué)駕駛有利工具，利用汽車(chē)駕駛訓(xùn)練模擬器可以部分代替實(shí)車(chē)訓(xùn)練，尤其是學(xué)習(xí)的初期，可以實(shí)現(xiàn)基本操作的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)，對(duì)于方向盤(pán)的操作手法、換檔操作、手腳配合、油離配合等進(jìn)行窒內(nèi)強(qiáng)化訓(xùn)練。這樣不僅使學(xué)員學(xué)到規(guī)范化的駕駛操作手法、降低了訓(xùn)練成本、節(jié)省汽油、縮短了初期訓(xùn)練的時(shí)間，而且有利于交通安全。

隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，的汽車(chē)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(guò)樣車(chē)實(shí)踐（圖4），證明將是一種實(shí)用可靠逼真且價(jià)格低廉值得推廣的方案。