用于紧急交通状况处理能力训练的模拟驾驶技术研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 9 4 4.9MB 77 页 15积分
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摘 要
随着我国经济快速发展，道路交通迅速提高，但交通参与者的交通安全意识
还比较低下，交通违法现象多。缺乏经验的驾驶员面对紧急交通状况手足无措而
造成交通事故，给个人和社会带来经济损失。
汽车驾驶培训中，驾驶员是在规定的而且简单道路交通状况下练习驾驶，目
前还没有紧急交通状况处理能力训练科目。驾驶员在实际道路驾驶中因为经验不
足而付出代价。为了增加驾驶员对紧急交通状况的处理能力，减少交通事故，需
要建立有效的紧急交通状况处理能力训练系统。本文提出了建立以模拟驾驶器为
基础的紧急道路交通状况处理能力训练系统，通过随机构建复杂交通状况的模拟
训练方法，来提高驾驶员的实际道路交通状况处理能力。
本文通过对造成驾驶员易发交通事故的典型紧急交通状况的分析，提出了紧
急道路交通状况处理能力训练模拟系统的需求和构建原则，讨论了整个系统的软
硬件总体架构和设计开发流程。通过 CAD 软件，设计完成了模拟驾驶器的机械结
构、模拟驾驶传感器和通讯控制电路，建立了全部的虚拟道路场景和行人车辆的
素材库。
在此基础上，通过对驾驶车辆的类型、质量、运动状态的测量、分析和判断，
提出了使用多项随机函数来实时生成紧急道路交通状况虚拟场景的方法，使用
VB.net 设计了信号采集、变换、处理、通讯以及对虚拟场景的动作控制和信号反
馈控制，实现了逼真的驾驶视觉和心里感觉。
在对驾驶车辆周边道路环境实时检测的基础上，动态构建交通障碍物、行驶
车辆、非机动车、行人等多种影响元素，通过对车辆的动力学、运动学分析计算，
实现了驾驶车辆在驾驶员采取处理操作措施时，车辆的运行路线和碰擦状态，实
现了对驾驶员操作正确性的判断和结果虚拟展现。
通过驾驶-紧急路况构建-操作-结果体验的循序路线，使驾驶员在过程中不断
地体验随机出现的交通状况，有效的训练了驾驶员的紧急状况处理能力。
本系统通过开发制作，形成了较完善的模拟训练系统，经历了多次试用和改
进，最终应用到多个交通安全教育基地和驾校，验证了本文提出的设计计算方法
的正确性，以及系统的实用性。
关键词：紧急交通状况 模拟驾驶器 动态虚拟场景 驾驶训练
ABSTRACT
With China's rapid economic development, road traffic flow has been greatly
improved, but traffic participant's awareness of traffic safety is still relatively low, the
Traffic violation phenomenon is prevalent. Inexperienced drivers has no idea what to
do with one 's hands and feet when they face emergency traffic, thus causing traffic
accidents and bringing economic loss to the individual and society.
In driver's education, drivers practice driving in stipulated and simple traffic
conditions. So far there is still no training to improve emergency traffic handling
ability.the driver pay a price for driving in the practical road because of inexperience.
In order to increase the driver’s emergency traffic handling capability, and reduce
traffic accidents. It is need to establish effective emergency traffic processing ability
training system. This paper came up with establish emergency traffic processing
ability training system based on driving simulator. Through the simulation training
methods of random building complex traffic, to improve the driver's processing power
of actual road traffic.
This paper is based on the analysis of typical emergency traffic conditions which
are dangerous to traffic accidents. So the demand and building principles of a
simulation training system for improving the drivers’ ability to deal with emergency
traffic conditions are present in this paper. It contains the mechanical structure of the
driving simulator and the circuit of sensors of Simulated Driving Device and
communication controlling model. And there is material database which contains all
the virtual road scenarios and walking people/driving cars.
On this basis, through measurement, analysis and judgment the type, quality and
motion state of the driving, puts forward a method that real-time generation
emergency road traffic virtual scene use Number of random function in virtual
scene .design the signal acquisition, transform, processing, communications, control
the virtual action and signal feedback control with vb.net , realized visual and felt of
the realistic driving.
Dynamic set up the many kinds of influence elements such as traffic barriers,
vehicles, the motor vehicle, pedestrians of, On the basis of real-time detection the
roads surrounding of the drive vehicle. With calculation and analysis of the vehicle
dynamics, realized the vehicle route and rubbed state while the driver took measures
and the virtual show of the accuracy of judgment and operation results.
Through the experience of driving- set up emergency traffic- operating-
practicing, the driver’s emergency ability improved.
With creation of the system, perfect simulation training system has been formed.
After the repeated trials and improvements, finally it is applied to multiple traffic
safety education base and driving training school, that's been validated that the
structure calculation method of this paper and applicability of the System.
Key Words: Traffic emergency，Driving simulator，Dynamic virtual
scene，Driving training
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ................................................... 1
§1.1 研究背景和意义 ..........................................1
§1.1.1 课题背景 ............................................1
§1.1.2 课题的意义 ..........................................2
§1.2 国内外现状 ..............................................3
§1.2.1 国外研究现状 ........................................3
§1.2.2 国内研究现状 ........................................4
§1.3 本文主要研究内容与组织架构 ..............................5
§1.4 本章小结 ................................................6
第二章 紧急交通状况训练系统技术方案 ............................ 7
§2.1 系统的要求 ..............................................7
§2.2 系统的总体架构 ..........................................8
§2.3 系统的开发流程 ..........................................9
§2.4 系统的软件开发工具 .....................................13
§2.5 本章小结 ...............................................15
第三章 紧急交通状况训练系统硬件实现 ........................... 16
§3.1 机械结构 ...............................................16
§3.2 传感器系统 .............................................20
§3.2.1 传感器的类型 .......................................20
§3.2.2 传感器的设计 .......................................21
§3.3 驾驶操作信号转换过程 ...................................24
§3.4 本章小结 ...............................................25
第四章 紧急交通状况训练系统场景构建 ........................... 26
§4.1 驾驶车辆模型的建立 .....................................26
§4.1.1 驾驶车辆物理模型的建立 .............................26
§4.1.2 驾驶车辆动力学模型的建立 ...........................28
§4.1.3 驾驶车辆运动过程仿真 ...............................31
§4.2 道路的构建 .............................................37
§4.2.1 道路模型的建立 .....................................37
§4.2.2 道路模型库 .........................................38
§4.3 虚拟驾驶环境的构建 .....................................39
§4.3.1 动态模型建立 .......................................40
§4.3.2 静态模型建立 .......................................42
§4.4 场景模型的优化方法 .....................................43
§4.4.1 动态物体的优化方法 .................................43
§4.4.2 静态模型的优化方法 .................................45
§4.5 本章小结 ...............................................47
第五章 驾驶员应急处理能力训练技术 ............................. 48
§5.1 道路紧急交通状况设置流程 ...............................48
§5.2 驾驶车辆状态判断 .......................................49
§5.2.1 紧急状况定义 .......................................49
§5.2.2 驾驶车辆位置检测。 .................................53
§5.2.3 驾驶车辆所在道路的确定 .............................53
§5.3 紧急交通状况的实现 .....................................55
§5.3.1 紧急交通状况的类型 .................................55
§5.3.2 道路紧急交通状况实时生成 .......................... 58
§5.4 紧急交通状况的训练 .....................................61
§5.4.1 紧急交通状况的训练设置 .............................61
§5.4.2 事故仿真 ...........................................63
§5.5 本章小结 ...............................................65
第六章 紧急交通状况训练系统应用 ............................... 66
§6.1 系统简介 ...............................................66
§6.2 系统应用 ...............................................67
第七章 总结与展望 ............................................ 68
§7.1 总结 ...................................................68
§7.2 展望 ...................................................69
参考文献 ...................................................... 70
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................ 73
致 谢 ....................................................... 74
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 研究背景和意义
§1.1.1 课题背景
随着社会的进步，我国的经济得到了快速的发展，人民的生活水平有了很大
的提高，随之，人们对于商品的需求也在与日俱增，汽车作为高档消费品，也随
着市场经济的不断发展逐步走进了普通大众的生活，截止到 2010 年底，全国汽车
保有量达 9085 万辆，摩托车保有量为 10000 万辆，分别占全国机动车总量的
43.88%,48.03%,机动车的主要构成部分，与 2009 年底相比，汽车、摩托车分别增
加1466 万辆、547 万辆，分别增长 19.25%、5.79%[1]。
汽车的快速增加对道路交通安全带来了诸多的隐患,公安部统计数据显示，我
国因交通事故死亡人数均超过数万人，每 5分钟就有一人丧身车轮，每 1分钟都
会有一人因为交通事故而伤残[2]。2010 年我国的交通事故达 390 万起，比去年增
长35.9%，直接经济损失达 9.3 亿，伤亡人数达 30 万。
有以上的数据可知，我国的交通事故造成的经济损失和人员伤亡数相当严重，
研究者对我国的交通事故分析发现，大部分的交通事故是由于人的原因造成的，
其中有的是因机动车驾驶员的疏忽大意、违章行驶、操作失误；有的是因行人、
非机动车驾驶员不遵守交通规则所致[3]。另外，由于人们受生活环境、作业环境、
社会环境以及人的心理素质、生理条件的制约，同时，人们受传统交通观念、出
行习惯的影响，但在短期内难以有较大的转变，人们的交通意识转变速度与道路
交通的发展、机动化水平的提高以及交通管理的要求不协调，成为困扰交通安全
的主要因素。最为突出的就是机动车驾驶员引发的事故，直接影响到我国的道路
交通安全[4]。
1．从驾驶员方面分析。由于机动车驾驶员数量以及增长速度过高，群体文化
素质不高，安全驾驶技术水平不高，部分驾驶员缺乏职业道德，交通违法行为严
重，是发生交通事故的重要原因。驾驶员在行车过程中注意力分散、疲劳过度、
休息不充分、睡眠不足、酒后驾车、身体健康状况欠佳等潜在的心理、生理性原
因，造成反应迟缓而酿成交通事故。引发交通事故及造成损失的驾驶员主要违规
行为包括疏忽大意、超速行驶、措施不当、违规超车、不按规定让行这 5个因素。
其中疏忽大意、措施不当与驾驶员的驾驶技能、观察外界事物能力及心理素质等
用于紧急交通状况处理能力训练的模拟驾驶技术研究
2
有关，而超速行驶、违法超车、不按规定让行则主要是驾驶员主观上不遵守交通
法规或过失造成的，驾驶员驾驶技术生疏，情绪不稳定，也会引发交通事故[3]。
2．从骑车人的角度分析。不走非机动车道，抢占机动车道；路口、路段抢行
猛拐；对来往车辆观察不够；自行车制动系统失灵或根本就没有；骑车技术不熟
练，青少年骑车追逐嬉戏等均可造成交通事故的发生。
3．从行人的角度分析。不走人行横道、地下通道、天桥；翻越护栏、横穿和
斜穿路口；任意横穿机动车道，翻越中间隔离带；青少年或儿童突然跑到道路上，
对突然行进的车辆反应迟缓、不知所措；不遵守道路交通信号及各种标志等，从
而导致交通事故。
另外，车辆因素也是形成交通事故的原因。我国机动车种类多，动力性能差
别大，安全性能低，管理难度大。机动车在长期使用过程中处于各种各样的环境，
承受着各种应力，如外部的环境应力、内部功能应力和运动应力，以及汽车、总
成、部件等由于结构和使用条件，如道路气候、使用强度、行驶工况等的不同，
汽车技术状况参数将以不同规律和不同强度发生变化，或性能参数劣化，导致机
动车的性能不佳、机件失灵或零部件损坏，最终成为造成道路交通事故的直接因
素。
对于驾驶员来说，驾驶员自身原因引起的交通事故，是可控因素，而由其他
驾驶人、骑车人、行人和车辆自身引起的突发性紧急交通状况是外因，是驾驶员
所不能控制的。对此如何提高驾驶员的道路紧急交通状况处理能力训练就变得非
常重要。在实际道路上进行紧急交通状况处理训练中，发生事故是难免的，但对
于伤亡性事故而言，进行紧急交通状况处理能力训练要付出的代价实在太大，得
不偿失。随着虚拟现实技术和模拟驾驶技术的发展，使道路紧急交通状况处理能
力训练变的相当安全。
§1.1.2 课题的意义
本课题利用虚拟现实技术和模拟驾驶技术建立紧急交通状况处理能力训练的
模拟驾驶系统，通过此系统中的操作训练，来提高驾驶员处理紧急交通状况的能
力，以减少紧急交通状况下的交通事故。
采用虚拟现实技术建立虚拟驾驶场景并设计紧急交通状况，在进行紧急交通
状况处理能力训练时，由于驾驶操作不当而发生的交通事故现象，如碰撞的车辆
产生车辆变形、车辆的运动等零部件脱离等现象，在效果上根据真实的状况进行
仿真，给人以真实的感觉，使驾驶员铭记在心。但虚拟场景中的交通事故发生，
如车辆的损害等是不存在的，不涉及真实人员的伤亡等经济损失。
第一章 绪 论
3
同时使用模拟驾驶器进行紧急交通状况训练，可以减少环境污染，减少车辆
的磨损，也不受天气和时间的影响。减少汽车的油耗。据驾校实测数据：实车训
练1小时，耗油 4升，每一个学员利用驾驶模拟器学习 3个小时，这样每培训
一名学员就可以节油 12 升；按一年招生 1万人算，一年可节约 12 万升汽油，
此外，模拟器还不排废气，无车辆磨损。这样减少了车辆的油耗和损耗、相应了
我国节能环保提议。
§1.2 国内外现状
20 世纪以来，虚拟现实技术的出现和发展为汽车驾驶模拟器的研究和开发提
供了方法。驾驶模拟器由最初运用于航空驾驶训练之后，被迅速应用到汽车训练
中。
§1.2.1 国外研究现状
随着软硬件技术的发展和模拟器的价格降低，模拟器被越来越多的应用于驾
驶安全研究。软件的提升使得研究人员设计虚拟环境中特殊的测试情形成为可能。
现在，世界范围内的大学，研究机构和授权组织都是用模拟器进行安全研究[5]。汽
车驾驶模拟器能够安全的测量驾驶员在不安全甚至有生命威胁的情形下的反应。
使用驾驶模拟器代替在实路上驾驶，这类研究消除了错误的操作导致交通事故的
危险性，此外在模拟器上对新手驾驶员进行培训也排除错误操作的危险性并且允
许驾驶员经历一些设计好的危险场景。模拟器也被用来进行需要小心控制的实验
研究，其中实验变量与其他可能影响驾驶性能因素隔离。例如，利用驾驶模拟器
可以有效的评价道路标志设计，通过受测驾驶员的反应，可以定量的判断哪些道
路标志具有最好的满意度和最好的识别率。
日本的企业和高校 20 世纪 70 年代初时就开始进行驾驶模拟器的开发，并在
模拟器上开展交通安全实验进行交通安全特性的研究。1991 年日本马自达公司兴
建了跑车型开发型驾驶模拟器。
1995 年日本汽车研究所 JARI 也建成了带有体感模
拟系统的驾驶模拟器。日本的土木工程研究所的驾驶模拟器已经具有世界的中等
规模，驾驶模拟器主要用于道路线形的评价和改进，通过对现实道路场景的重现，
研究线形的设计方法[6]。日本香川大学近年也在驾驶模拟器上进行危险视景的研
究，该校设计和开发了虚拟安全教育系统[7]。该系统主要是供驾驶员进行培训，在
驾驶过程中进行虚拟的危险视景体验，检测驾驶员遇到危险时的应变能力以及对
摘要：

摘要随着我国经济快速发展，道路交通迅速提高，但交通参与者的交通安全意识还比较低下，交通违法现象多。缺乏经验的驾驶员面对紧急交通状况手足无措而造成交通事故，给个人和社会带来经济损失。汽车驾驶培训中，驾驶员是在规定的而且简单道路交通状况下练习驾驶，目前还没有紧急交通状况处理能力训练科目。驾驶员在实际道路驾驶中因为经验不足而付出代价。为了增加驾驶员对紧急交通状况的处理能力，减少交通事故，需要建立有效的紧急交通状况处理能力训练系统。本文提出了建立以模拟驾驶器为基础的紧急道路交通状况处理能力训练系统，通过随机构建复杂交通状况的模拟训练方法，来提高驾驶员的实际道路交通状况处理能力。本文通过对造成驾驶员易发...

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