（計算機應用技術專業(yè)論文）虛擬駕駛系統(tǒng)的物理仿真關鍵技術研究.pdf

中文摘要 中文摘要 虛擬駕駛系統(tǒng)是數(shù)字媒體領域的熱點應用之一，它覆蓋了計算機圖形學、 3 d 渲染、物理仿真等多個領域的方法和技術，在數(shù)字娛樂、交通仿真、汽車工 業(yè)研發(fā)、國防建設等領域有著廣泛的應用價值。本文針對虛擬駕駛系統(tǒng)中的物 理仿真關鍵技術進行研究，完成了以下主要工作： 1 汽車動力學物理仿真的建模方法 本文設計并實現(xiàn)了基于剛體的車輛物理模型，采用車體框架、輪胎與懸掛 彈簧相結合的方法建立了較為完整的汽車物理模型，并與幾何模型、行為模型 相互結合，搭建了虛擬駕駛系統(tǒng)的完整框架。 2 汽車動力學物理仿真的核心技術方法與實現(xiàn)流程 本文研究并實現(xiàn)了針對汽車駕駛過程中各類物理效果的仿真機制，對加速、 減速、制動、轉向、懸掛、漂移、側翻等物理效果進行了完整的動力學仿真機 制研究，設計并實現(xiàn)了針對各個物理效果的計算方法。 3 虛擬駕駛系統(tǒng)中的物理仿真模塊與調試工具 在完成方法研究的基礎上，本文設計并實現(xiàn)了不同地形條件下虛擬駕駛系 統(tǒng)的物理仿真模塊，針對數(shù)據(jù)結構、計算參數(shù)、交互機制、控制流程進行了較 為全面的研究，并在此基礎上開發(fā)了集操控與調試于一體的軟件系統(tǒng)，可用于 汽車物理仿真的參數(shù)調試與效果審查。 本文工作既可滿足數(shù)字娛樂領域賽車類游戲的應用要求，也可經(jīng)過修改完 善后用于其他領域，本文研究成果具有穩(wěn)定性和通用性，軟件開發(fā)試驗結果證 明了本文研究工作的有效性。 關鍵字 數(shù)字媒體技術虛擬駕駛系統(tǒng)物理仿真汽車動力學實時渲染 a b s t r a c t a b s t r a c t v i m j a ld r i v i n gs y s t e mi so n eo ft h eh o ta p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do fd i g i t a lm e d i a ， i tc o v e r sc o m p u t e r g r a p h i c s ，3 dr e n d e r i n g ，p h y s i c a ls i m u l a t i o na n dt h eo t h e rm e t h o d s a n d t e c h n i q u e s 。i th a st h ev a l u eo faw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nd i g i t a l e n t e r t a i n m e n t ，t r a f f i cs i m u l a t i o n ，a u t o m o t i v ei n d u s t r yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，a n d t h en m i o n a ld e f e n s e i nt h i sp a p e r , t h ek e yt e c h n o l o g yf o rp h y s i c so fav i r t u a ld r i v i n g s y s t e mh a sb e e nr e s e a r c h e d ，c o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gm a j o rt a s k s ： a ) v e h i c l ed y n a m i c sp h y s i c a ls i m u l a t i o nm o d e l i n gm e t h o d s t h i sp a p e r d e s i g n sa n dr e a l i z e st h ep h y s i c a lm o d e lb a s e do nr i g i dv e h i c l e s ，i ti s b a s e do nb o d yf l a m e ，t i r e sa n ds u s p e n s i o ns p r i n gc o m b i n e dm e t h o d st oe s t a b l i s ht h e c o m p l e t ep h y s i c a lm o d e l ，a n dt h e c a rw i t hg e o m e t r i cm o d e l ，b e h a v i o rm o d e l c o m b i n i n gv i r t u a ld r i v i n gs y s t e m ，b u i l d sac o m p l e t ef r a m e w o r k b ) t h ec o r et e c h n o l o g i e so fp h y s i c a lm e t h o d sa n dp r o c e s s e so fv e h i c l e d y n a m i c ss i m u l a t i o n t h i sp a p e rs t u d ya n dr e a l i z et h ec a rd r i v i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nm e c h a n i s mo f p h y s i c a le f f e c t so fa c c e l e r a t i o n ，d e c e l e r a t i o n ，b r a k e ，s t e e r i n g ，s u s p e n s i o n ，d r i f t ，s i d e e f f e c to ft h ep h y s i c ss u c ha sd o u b l ec o m p l e t e d y n a m i cs i m u l a t i o nm e c h a n i s m r e s e a r c h ，d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ne a c hp h y s i c a le f f e c t so fc a l c u l a t i o nm e t h o d s c ) v i r t u a ld r i v i n gp h y s i c ss i m u l a t i o ns y s t e mm o d u l e sa n dd e b u g g i n gt o o l s o nc o m p l e t i o nm e t h o do nt h eb a s i so ft h er e s e a r c h ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n d r e a l i z e sad i f f e r e n tt e r r a i nv i r t u a ld r i v i n gs y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ep h y s i c a l s i m u l a t i o n m o d u l e ，a c c o r d i n gt o d a t as t r u c t u r e ，t h ec a l c u l a t e dp a r a m e t e r s ，t h e i n t e r a c t i o nm e c h a n i s ma n dc o n t r o lp r o c e s sw e r es t u d i e da n dd e v e l o p e do nt h eb a s i s o fi n t e g r a t i n gm a n i p u l a t i o na n dd e b u g g i n gi no n eo ft h es o f t w a r es y s t e m ，a n dc a nb e u s e di na u t o m o b i l es i m u l a t i o np a r a m e t e r sa d j u s t m e n ta n de x a m i n a t i o nr e s u l t s t h i sw o r kc a ns a t i s f yt h ed i g i t a le n t e r t a i n m e n tf i e l da p p l i c a t i o no f r a c i n gg a m e ， c a na l s ob em o d i f i e dp e r f e c tf o ro t h e rf i e l d s ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h es t a b i l i t ya n d u n i v e r s a l i t y , t h ea c h i e v e m e n t s i ns o f t w a r ed e v e l o p m e n tt e s tr e s u l t sp r o v et h e i i a b s t r a c t e f f e c t i v e n e s so ft h i sr e s e a r c hw o r k k e y w o r d d i g i t a lm e d i at e c h n o l o g y , v i r t u a ld r i v i n gs y s t e m ，p h y 7 s i c a ls i m u l a t i o n ，v e h i c l e d y n a m i c s ，r e a l t i m er e n d e r i n g i i i 圖目錄 圖目錄 圖1 1 物理引擎功能示意圖6 圖1 2 物理引擎基本結構7 圖l - 3 物理學世界模塊結構圖7 圖1 4 碰撞檢測模塊架構示意圖8 圖1 5 碰撞檢測模塊流程圖8 圖2 1 汽車物理仿真模型功能定義圖1 3 圖2 2 汽車傳動系統(tǒng)示意圖1 5 圖2 3 神龍轎車發(fā)動機轉矩特性曲線1 6 圖2 4 制動力系數(shù)與滑移率的關系：1 7 圖2 5 不同精細程度的車身外形抽象1 9 圖2 6 車身與輪胎坐標系示意圖2 0 圖2 7 軌跡說明圖2 2 圖2 8 b o xa c t o r 物理抽象示例2 3 圖2 9 汽車物理模型示意圖2 4 圖2 1 0 物理仿真系統(tǒng)結構設計2 5 v i 圖目錄 圖3 1 虛擬駕駛系統(tǒng)功能結構圖2 8 圖3 2 虛擬駕駛系統(tǒng)結構設計示意圖3 0 圖3 3 車輛轉向控制處理流程3 2 圖3 4 車輛模型中的部件組織關系3 3 圖3 5 車輛部件管理模式設計3 3 圖3 6 虛擬駕駛系統(tǒng)物理仿真處理流程3 4 圖3 7 渲染引擎與物理引擎集成3 9 圖4 1 物理參數(shù)調整示意圖4 1 圖4 2 漂移示意圖4 2 圖4 3 顛簸示意圖4 3 v n 表目錄 表目錄 表2 1 虛擬駕駛系統(tǒng)中的汽車建模層次與邏輯關系1 4 n 南開大學學位論文版權使用授權書 本人完全了解南開大學關于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定， 同意如下各項內容：按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版 本；學校有權保存學位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、 掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學校有權提供目錄檢索以及提供 本學位論文全文或者部分的閱覽服務；學校有權按有關規(guī)定向國家有 關部門或者機構送交論文的復印件和電子版：在不以贏利為目的的前 提下，學?？梢赃m當復制論文的部分或全部內容用于學術活動。 學位論文作者簽名：去恪笑 i 矽秒少年廠月棚 經(jīng)指導教師同意，本學位論文屬于保密，在年解密后適用 本授權書。 指導教師簽名：學位論文作者簽名： 解密時間：年月 日 各密級的最長保密年限及書寫格式規(guī)定如下： 南開大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師指導下，進行 研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本學位論文 的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、己公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的 作品的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集 體，均己在文中以明確方式標明。本學位論文原創(chuàng)性聲明的法律責任 由本人承擔。 學位論文作者簽名： 砌7 年歹月矽日 南開大學學位論文電子版授權使用協(xié)議 ( 請將此協(xié)議書裝訂于論文首頁) 論文系本人在 南開大學工作和學習期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過論文答辯。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作權人?，F(xiàn)本人同意將本作品收 錄于“南開大學博碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 。本人承諾：已提交的學位論文電子 版與印刷版論文的內容一致，如因不同而引起學術聲譽上的損失由本人自負。 本人完全了解直玨盔堂圖立焦羞王堡在! 焦廈堂焦論塞的筐理發(fā)洼! 同意 南開大學圖書館在下述范圍內免費使用本人作品的電子版： 本作品呈交當年，在校園網(wǎng)上提供論文目錄檢索、文摘瀏覽以及論文全文部分 瀏覽服務( 論文前1 6 頁) 。公開級學位論文全文電子版于提交1 年后，在校園網(wǎng)上允 許讀者瀏覽并下載全文。 注：本協(xié)議書對于“非公開學位論文”在保密期限過后同樣適用。 院系所名稱： 作者簽名： 學號： 日期：年月日 第一章緒論 第一章緒論 第一節(jié)研究背景 1 1 1 虛擬駕駛系統(tǒng)的發(fā)展歷史 汽車虛擬駕駛系統(tǒng)是利用計算機圖形學技術、3 d 渲染技術、物理仿真技術 以及其他數(shù)字媒體技術，以實時計算和物理仿真為主要手段，實現(xiàn)對汽車駕駛 過程的真實模擬，它能接受用戶的實時輸入( 通過鼠標、鍵盤、方向盤、游戲 桿等) ，由計算機計算得出汽車行駛過程中的虛擬視景、音響效果和運動仿真， 并通過視頻設備和音頻設備呈現(xiàn)給操作者，使駕駛員沉浸到虛擬駕駛環(huán)境中， 得到實車駕駛的感覺【1 】【2 1 。 在國外，虛擬駕駛最早出現(xiàn)在航空駕駛訓練中，隨著仿真技術的發(fā)展，特 別是計算機成像技術的成熟，虛擬駕駛才逐漸應用在汽車訓練中【引。在美國等一 些發(fā)達國家，早在2 0 世紀7 0 年代，汽車虛擬駕駛系統(tǒng)就己經(jīng)作為一種較為先 進的駕駛員培訓工具廣泛用于駕駛員培訓中心【4 】，西歐、日本等政府不僅投巨資 開發(fā)汽車駕駛訓練模擬器，還明文規(guī)定駕駛學校必須配置汽車駕駛訓練模擬器， 并采用汽車駕駛訓練模擬器來對駕駛員的駕駛能力進行測試，用來檢查駕駛員 的駕駛熟練程度以及對事故的防范能力等。美國在上一世紀8 0 年代中期就有4 0 0 多所汽車駕駛學校裝備了汽車駕駛模擬訓練器，大多數(shù)歐洲國家也相繼制定了 使用汽車駕駛訓練模擬器的法規(guī)【5 。刀。開發(fā)型虛擬駕駛系統(tǒng)現(xiàn)己成為研究汽車性 能，設計、開發(fā)汽車新產(chǎn)品【8 】探索“人一車一路系統(tǒng)”相互關系的主要工具，受 到了汽車工程領域內的極大關注，其主要形式是各種各樣的駕駛模擬器的研制。 從2 0 世紀8 0 年代以來，國外的各大汽車集團和汽車技術研究機構就開始 投入大量的人力、物力甚至應用國防及空間領域的高精技術來開發(fā)各類駕駛模 擬系統(tǒng)。其中，最具代表性的是德國戴姆勒一奔馳公司1 9 8 5 年在柏林研制成功 的六自由度開發(fā)型駕駛模擬器，該駕駛模擬器己成功地用于系列化高速轎車的 產(chǎn)品開發(fā)中，其性能代表著當時汽車駕駛模擬技術的最高水平 9 - 1 2 】。 我國在虛擬駕駛系統(tǒng)方面的研究起步較晚，經(jīng)歷了一個從引進國外產(chǎn)品到 自行研制的較漫長的發(fā)展過程。開始是引進捷克的點光源平板投影式仿真器， 第l 頁 第一章緒論 道路盤上的道路是用筆描繪而成的平面景象，無坡道；接著引進了美國的放電 影、被動式汽車仿真器，一個控制臺控制2 0 個座艙。到了2 0 世紀7 0 年代，中 國己有自己研制的點光源、轉盤機電式汽車模擬器?，F(xiàn)階段，隨著汽車保有量 的急劇增加，我國自行研制的訓練型主動式汽車駕駛模擬器技術己日趨成熟并 進入商品化階段，開發(fā)型汽車駕駛模擬器也有了長足發(fā)展，但是，總的說來， 還存在開發(fā)技術含量低，汽車視景與操縱動作脫節(jié)、遲后，“沉浸感”、“交互性” 與“實時性”不強，價格偏高等缺點。還沒有真正意義上的一種大眾化的、容 易普及的汽車駕駛模擬器產(chǎn)品。 以上提到的虛擬駕駛系統(tǒng)均是光機電一體的模擬系統(tǒng)，它包括駕駛室或駕 駛艙、多媒體電腦中央控制系統(tǒng)等硬件系統(tǒng)和支持網(wǎng)絡的視景仿真軟件系統(tǒng)， 此類系統(tǒng)有著成本高，難推廣的特點。隨著計算機軟、硬件技術的飛速發(fā)展， 計算機硬件的價格不斷下降，性能不斷增強，軟件技術的逐步成熟，都為汽車 虛擬駕駛系統(tǒng)的研究、開發(fā)和應用提供了技術和經(jīng)濟的保障。在這種背景下， 本文提出在p cw i n d o w s 平臺上建立一套獨立的應用系統(tǒng)，基于商用3 d 圖形引 擎開發(fā)，憑借實時3 d 渲染畫面給予用戶真實生動的汽車交互體驗。 1 1 2 虛擬現(xiàn)實技術簡介 隨著科學技術的飛速發(fā)展，人類社會已經(jīng)跨入了信息時代。作為計算機技 術重要組成部分的計算機虛擬現(xiàn)實技術，因其有效性、經(jīng)濟性、安全性、直觀 性等特點受到了廣泛的采用，并且已經(jīng)在社會各個科學的應用領域中成為不可 或缺的技術手段。 1 1 2 1 虛擬現(xiàn)實技術及其特點 “虛擬現(xiàn)實技術 ( v i r t u a lr e a l i t yt e c h n i q u e ，簡稱v r ) 是19 8 9 年美國v p l 公司的創(chuàng)建人之一j a r o n l n a i e r 提出來的，國內也有人譯為“靈境”、“幻真 等， 國外與虛擬現(xiàn)實同類的術語，還有虛擬環(huán)境、人工現(xiàn)實及電腦空間等【l3 1 。所謂 “虛擬現(xiàn)實 ，是用計算機技術來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺 等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技能和某些設備對這 一生成的虛擬世界客體進行瀏覽和交互考察。這一定義強調的是：逼真的感覺、 自然的交互、個人的視點及迅速的響應【1 4 】 15 1 。 1 9 9 3 年，b u r d e ag 提出了針對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的3 i ，被認為是對虛擬現(xiàn)實技 第2 頁 第一蘋緒論 術的準確描述 1 6 】，這3 i 即是沉浸感( i m m e r s i o n ) 、構想性( i m a g i n a t i o n ) 和交互性 ( i n t e r a c t i o n ) 。 1 沉浸感( i m m e r s i o n ) 沉浸感是虛擬現(xiàn)實最主要的技術特征，是指用戶借助交互設備和自身的感 知覺系統(tǒng)，對虛擬環(huán)境的投入程度。用戶不僅可以通過視覺和聽覺，還可以通 過嗅覺和觸覺多維地感受到虛擬世界中所發(fā)生的一切，它們看上去是真的、聽 起來是真的、動起來也像是真的。使用者與虛擬環(huán)境中的各種對象的相互作用， 就如同在現(xiàn)實世界中的一樣，使人們能全方位地沉浸其中。當然，這也正是虛 擬現(xiàn)實技術追求的終極目標：力圖使用戶全身心地投入到計算機所創(chuàng)建的三維 虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一個部分，處于身臨其境的感覺狀態(tài)，而不僅 僅是旁觀者。 2 構想。l 生( i m a g i n a t i o n ) 構想性是指借助虛擬現(xiàn)實技術，使抽象概念具像化的程度。虛擬現(xiàn)實不僅 僅是一個媒體，一個高級用戶界面，它是為解決工程、醫(yī)學、軍事等方面的問 題而由開發(fā)者設計出來的應用軟件，它能以最直觀的方式表達設計者的思想。 比如在建造一座現(xiàn)代化的大廈之前，要對其結構做細致的構思。然而許多量化 的設計圖紙的讀者只能是極少數(shù)的內行人，而虛擬現(xiàn)實則可以用別樣方式同樣 反映出設計者的構思，只不過它的功能遠比那些呆板的圖紙生動和強大得多。 3 交互性( i n t e r a c t i o n ) 交互性主要是指用戶通過使用專門輸入和輸出設備，實現(xiàn)對模擬環(huán)境的考 察與操作的程度。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機交互是一種近乎自然的交互，用戶不 僅可以利用電腦鍵盤、鼠標進行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳 感設備進行交互。計算機能根據(jù)用戶的頭、手、眼、語言及身體的運動等輸入， 來調整系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像及聲音，使用戶達成對虛擬環(huán)境中的對象的考察或操作。 虛擬現(xiàn)實技術生成的模型并不是一個靜態(tài)的世界，也不是一個簡單的單向動態(tài) 世界，而是一個開放的動態(tài)世界，可以對用戶的輸入做出實時反應。例如用戶 可以用手去直接抓取和移動模擬環(huán)境中的物體，不僅有抓東西的感覺，還能感 到物體的重量；用戶可以像現(xiàn)實中一樣拿起一把虛擬的火炬，并在虛擬環(huán)境中 打開開關點燃它等等。虛擬現(xiàn)實技術將從根本上改變人與計算機系統(tǒng)的交互方 式。 第3 頁 第一章緒論 1 1 2 2 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展 虛擬現(xiàn)實技術是高度發(fā)展的計算機技術在各種領域應用過程中的結晶和反 映，不僅包括圖形學、圖像處理、模式識別、網(wǎng)絡技術、并行處理技術、傳感 技術及人工智能等高性能計算技術，而且涉及數(shù)學、物理、通信，甚至與氣象、 地理、美學、心理學和社會學等相關學科【1 7 】。目前，v r 作為- - i q 新興的技術， 其應用己從游戲機和主題游樂園擴展到了工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學和軍事等多個領域 【l8 1 。虛擬現(xiàn)實是一項難度很大的綜合技術，要達到逼真的多種感覺和實時的自 然交互是非常不容易的。例如：逼真的立體視感( 沉浸感) 需要寬視野和高分辨率 的顯示設備，而現(xiàn)有的頭盔顯示器不僅分辨率低、價格貴，而且?guī)г陬^上更是 不方便；又如，要對大型地理數(shù)據(jù)( 如地形圖) 進行三維瀏覽和交互處理，往 往響應時間很慢；至于觸覺反饋或嗅覺設備離實用更有很大距離，等等。虛擬 現(xiàn)實技術演變發(fā)展史大體上可以分為四個階段：有聲、形、動態(tài)的模擬是蘊涵 虛擬現(xiàn)實思想的第一階段( 1 9 6 3 年以前) 、虛擬現(xiàn)實萌芽為第二階段( 1 9 6 3 年一 1 9 7 2 年) 、虛擬現(xiàn)實概念的產(chǎn)生和理論初步形成為第三階段( 1 9 7 3 年一1 9 8 9 年) 、 虛擬現(xiàn)實理論進一步的完善和應用為第四階段( 1 9 9 0 年一至今) 吼2 4 】。 1 1 3 物理仿真技術的發(fā)展與應用 虛擬現(xiàn)實本質上是客觀世界的仿真或映射，虛擬現(xiàn)實的模型則是客觀世界 中物體或對象的代表，而現(xiàn)實中的物體均有自己的物理屬性，因此虛擬現(xiàn)實技 術的進步離不開物理仿真的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術允許用戶通過輸入設備操縱虛 擬環(huán)境的虛擬物體，虛擬環(huán)境會相應地反應，產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。例如：向 空中拋出物體，物體不應懸浮在空中，而應當做拋物運動，最終落于地面。因 為重物不僅具有一定外形，而且具有一定質量并且受到地心引力的作用。物理 仿真在提高虛擬現(xiàn)實環(huán)境交互性、真實感方面效果顯著【2 5 1 ，其目的就是實現(xiàn)虛 擬世界中的物理效果，使得虛擬世界具有真實感。 1 1 3 1 物理仿真的理論基礎 這些理論基礎主要有：動力學、數(shù)值計算、碰撞檢測。動力學提供了物理 學對現(xiàn)實力學現(xiàn)象的數(shù)學描述，這種描述是定量的、可計算的，在剛體動力學 中，這些運動規(guī)律是用常微分方程描述的【2 6 】。數(shù)值計算提供了解運動微分方程 的手段，目前有許多微分方程數(shù)值計算方法，有的速度很快，有的精度很高， 第4 頁 第一蘋緒論 但很難保證計算速度快的同時精確度很高：碰撞檢測用于一類非貫穿性約束力 學現(xiàn)象的實現(xiàn)【2 7 】，現(xiàn)實中的物體大多是不能相交的，當運動中相遇即發(fā)生碰撞， 根據(jù)現(xiàn)實物體材料性質，碰撞前速度不同，碰撞后的運動狀態(tài)也不相同。 1 剛體運動 剛體描述了現(xiàn)實世界中一大類物體，變形很小，或者在運動中變形忽略不 記的物體都可以抽象成剛體。剛體的運動由質心的平移運動和繞質心的旋轉運 動合成。相應的有兩套運動微分方程組，描述剛體的質心運動規(guī)律的方程組： m 掣= 馳m ( 1 1 ) 即f = m a 的合力形式，加速度是位移對時間的二階導數(shù)和描述剛體繞質心 的轉動規(guī)律的方程組： 了d l ( t ) ：巧( f ) ：刪 ( 1 2 ) d tp 。 、。 l ( t ) 為剛體的角動量，即l ( t ) = i ( t ) ( t ) ，i ( t ) 是慣性張量，6 0 ( t ) 是角速度；慣性 張量用來描述物體的質量分布，相同形狀的物體，質量分布不同，產(chǎn)生的旋轉 運動也各不相同。當力的作用通過剛體的質心時，剛體受到的力矩為零，不產(chǎn)生 旋轉運動；當作用線偏離質心時，會產(chǎn)生一個作用于質心的力和一個力矩，剛 體會同時作平移和旋轉運動。 2 微分方程數(shù)值解 高階微分方程能降階轉化成一階微分方程，一階微分方程的數(shù)學形式是 jy ( x ，y h( 1 3 ) 【y ( x o ) 2 y o 微分方程數(shù)值解的一個主要方法是將x 按照步長h 離散，則x k - x 。+ k 。，k = 0 ， 1 ，n ，建立遞推表達式y(tǒng) k = y k - l + h t ( x k - r ，y k - r ；x k - l ，y k - 1 ) 。計算y l ， y ：，y ，y 。，例如有歐拉法，及其改進形式，龍格一庫塔方法，自適應步 長的龍格一庫塔方法。 3 碰撞檢測 碰撞檢測就是要檢測空間中的幾何形體是否相交，只針對物體的幾何屬性， 碰撞檢測中簡單幾何形體的碰撞容易檢測，凸體的碰撞容易檢測【2 8 1 ，而復雜幾 何形體、凹體不易檢測或非常耗時。如球體的碰撞檢測 2 9 】，只需測試兩個球的 球心距是否大于兩個球的半徑之和，如果大于，沒碰撞，小于等于則碰撞。對 第5 頁 第一章緒論 于形狀復雜的一些物體的碰撞檢測，采用層次包圍盒的方法能提高效率，整個 物體由一個大的包圍盒包裹住，物體再分成兩部分，各自用一個包圍盒再包住， 這樣細分下去，到每個包圍盒只包括一個簡單幾何體。這形成了一棵包圍盒二 叉樹，碰撞檢測時，如果兩棵樹的根節(jié)點( 根節(jié)點是包圍盒) 不相交，兩物體不相 交，否則，層次遍歷兩棵二叉樹；如果檢測到葉節(jié)點的包圍盒相交，則要檢測 簡單幾何體。在不同的軟件應用中，對于碰撞檢測的要求不同。在一些三維c a d 軟件中，提供干涉檢查，可以很好的檢測復雜零部件是否發(fā)生干涉，及時修正 設計缺陷。三維c a d 軟件檢測碰撞是精確度非常高，但速度不高，啟動干涉檢 查等待l 2 s 得出結果，而在虛擬現(xiàn)實3 d 模擬器項目中，碰撞檢測耗時l s 將使畫 面停頓，真實性大打折扣，這時碰撞檢測的速度是關鍵，用戶操縱一虛擬物體 與另一物體碰撞，畫面上就要實時顯示出來【3 們。 1 1 3 2 物理引擎簡介 虛擬現(xiàn)實中的物理仿真是通過物理引擎來實現(xiàn)的，物理引擎接受的輸入是 由外界調用模塊傳遞過來的場景信息以及場景中物體的位置信息。根據(jù)調用模 塊的不同，可能輸出三種計算結果：場景與物體以及物體之間是否發(fā)生碰撞、 碰撞發(fā)生的具體位置以及發(fā)生碰撞后物體的具體位置；并將計算結果傳送給調 用模塊【3 1 1 。其功能如圖1 1 所示。 圖1 1 物理引擎功能示意圖 物理引擎自場景系統(tǒng)中獲得場景信息，并且獲得場景中物體的位置信息等 數(shù)據(jù)進行計算，判斷場景與物體之間以及物體與物體之間是否發(fā)生了碰撞，如 果發(fā)生了碰撞則計算出碰撞后各物體的精確位置并將位置信息傳遞給渲染引擎 模塊，由渲染模塊將其渲染輸出到屏幕上；判斷出物體將要發(fā)生碰撞，則將該 信息傳遞給人工智能模塊，人工智能模塊由該信息進行路徑規(guī)劃以及制定躲避 策略。 第6 頁 第一章緒論 任何物理引擎都必須滿足牛頓力學三定律，即必須構建在現(xiàn)實物理世界的 基礎之上。此外，由物理引擎的功能所決定，物理引擎的核心便是碰撞檢測模 塊。由此可知物理引擎系統(tǒng)由兩部分組成，如圖1 2 所示。 圖1 2 物理引擎基本結構 物理學世界模塊，是現(xiàn)實世界的抽象模型。一般來講，物理學世界包含兩 個部分，一個是剛體物理學世界，一個是柔體物理學世界。在力的作用下，體 積和形狀都不發(fā)生改變的物體稱作剛體。剛體按照其運動特征可以分為平動、 定軸轉動、平面運動、定點運動和一般運動等形式。在一般情況下，運動剛體 上各點的軌跡、速度和加速度是各不相同的，但彼此之間存在著一定的關系。 體積和形狀在力的作用下能夠發(fā)生變化的物體稱作柔體，柔體在運動過程中， 其上各點的軌跡、速度和加速度隨時發(fā)生變化。物理學世界的模塊結構如圖1 3 所示。 圖1 3 物理學世界模塊結構圖 碰撞檢測模塊是物理引擎的核心模塊，是建立在物理學世界基礎上的，由 初步碰撞檢測、精確碰撞檢測和精確求交三個基本模塊組成，如圖1 4 所示。 第7 頁 第一章緒論 【3 2 - 3 6 圖1 4 碰撞檢測模塊架構示意圖 初步碰撞檢測、逐步求精模塊、精確求交模塊之間流程關系如圖1 5 所示 圖1 5 碰撞檢測模塊流程圖 第二節(jié)本文的研究目標及重點 本文主要研究虛擬駕駛系統(tǒng)中的物理仿真模塊，物理仿真是保證虛擬駕駛 第8 頁 第一章緒論 具有真實感( 構想性) 的前提和基礎。本文研究工作涉及到汽車動力學方法和 技術的學習與應用，物理仿真模型的建立與實施，物理仿真效果的計算方法設 計與評估，以及物理仿真模型與3 d 渲染引擎和其他第三方技術的集成應用。 本文研究工作的重點體現(xiàn)在以下三個方面： 1 汽車動力學仿真模型的設計與實現(xiàn)。 汽車是一個復雜的機械系統(tǒng)，如何在計算機上模擬出真實汽車駕駛操作的 感受，并讓汽車表現(xiàn)出合理的物理反映是本文的核心工作。本文以汽車駕駛過 程中的動力學為主要研究基礎，以行駛過程中輪胎、車身的運動變化軌跡為主 要研究對象，期望建立支撐各類汽車行駛中物理效果的動力學仿真模型。 2 虛擬駕駛中的物理仿真系統(tǒng)架構設計與實現(xiàn)。 物理仿真的計算結果必須在3 d 虛擬世界中以可視化的方式體現(xiàn)出來，這就 要求物理仿真系統(tǒng)必須與3 d 渲染系統(tǒng)有良好的集成機制，3 d 渲染系統(tǒng)負責管 理3 d 場景和車輛的幾何模型，并負責接收用戶輸入。物理仿真系統(tǒng)提供各類訪 問接口供3 d 渲染系統(tǒng)調用，根據(jù)3 d 渲染系統(tǒng)提供的用戶操控信息和3 d 場景 信息進行實時的物理仿真計算，并將計算結果實時傳遞給3 d 渲染系統(tǒng)以更新車 輛集合模型的位置、方向等信息。 物理仿真系統(tǒng)架構設計中包括了對底層第三方物理引擎的封裝，對車輛物 理模型的數(shù)據(jù)管理與參數(shù)管理，對仿真計算方法的封裝與調用，以及與3 d 渲染 引擎的集成和通信。 3 基于人機交互機制的虛擬駕駛物理仿真調試工具開發(fā)。 從前面的介紹我們可以知道，虛擬汽車駕駛系統(tǒng)的應用前景相當廣泛。從 技術角度看，軟件的開發(fā)是此類系統(tǒng)的重要組成部分，而基于人機交互機制的 物理仿真則是該軟件系統(tǒng)的技術關鍵和難點。本文的重點工作之一便是如何在 計算機上虛擬出真實汽車駕駛操作的感受，并讓虛擬汽車根據(jù)人員的操作表現(xiàn) 出合理的物理反映，通過不斷的仿真調試進一步讓虛擬汽車的物理性質和真實 汽車藍本的物理參數(shù)相接近。本文使用p h y s x 作為物理引擎，使用t r i n i g y 作為 渲染引擎，將人機交互機制、3 d 場景管理、實時物理仿真與車輛模型的3 d 實 時渲染相結合，實現(xiàn)了完整的汽車物理仿真展示與參數(shù)調試軟件系統(tǒng)。 第9 頁 第一章緒論 第三節(jié)本文內容的安排 本文的組織結構如下： 。第一章緒論：簡要介紹汽車虛擬駕駛系統(tǒng)的背景，物理仿真的研究現(xiàn)狀， 說明本文研究目的及意義，并對內容安排作了簡要說明，最后提供了本文重要 術語表。 第二章汽車動力學仿真模型與方法設計：這一部分介紹了汽車動力學的重 要屬性，及其邏輯性描述，并在此基礎上建立汽車動力學仿真模型。 第三章虛擬駕駛系統(tǒng)框架與物理仿真實現(xiàn)：本章詳細介紹了虛擬駕駛系統(tǒng) 框架設計，包括系統(tǒng)框架設計和重要支撐模塊設計，隨后描述了物理仿真實現(xiàn) 框架的構成，最后著重介紹了如何將物理仿真與實時渲染進行集成。 第四章實現(xiàn)與評測：本章詳細介紹了工程實施環(huán)境、數(shù)據(jù)準各環(huán)境，并提 供截圖說明功能實現(xiàn)效果。 第五章總結與展望：本章是論文的最后一部分，總結了全文，并指出下一 步的工作方向。 。 第四節(jié)術語表 奪虛擬現(xiàn)實：即v i s u a lr e a l i t y ，簡稱v r ，詳細介紹見1 1 1 節(jié)。與之相關 的，常使用到的是v r 系統(tǒng)，即虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，指實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實環(huán)境的計算機軟 件系統(tǒng)。 令物理仿真：即能使仿真對象能夠在虛擬世界中按照物理規(guī)律運動的仿真 方法。 物理引擎：物理引擎是提供物理模擬仿真效果的第三方開發(fā)工具包。 令實體( e n t i t y ) ：e n t i t y 是v i s i o n 引擎中的對象管理單元，形式上為一個 c + + 類。與普通的c + + 類相比，e n t i t y 通過繼承e n t i t y 基類，實現(xiàn)了在系統(tǒng)運行 流程中的初始化、更新、釋放和消息發(fā)送功能，既可以用來實現(xiàn)虛擬場景中可 見的客觀對象，又可以作為邏輯上的控制對象使用。 令行為體( a c t o r ) ：a c t o r 是p h y s x 中的特殊物理層抽象結構，是整個物 理模擬過程中的主角，所有的物理特性都施加在a c t o r 上。a c t o r 包括一些空間 屬性，如位置和朝向。 第1 0 頁 第一章緒論 奪動力學：動力學是理論力學的一個分支學科，它主要研究作用于物體的 力與物體運動的關系。 令第三方引擎：是指提供仿真效果的第三方開發(fā)工具包。 攝像機：攝像機是三維圖形渲染中的觀察點，根據(jù)觀察點位置的不同， 可分為第一人稱視角( 觀察點在主角的眼睛位置) ，第三人稱視角( 觀察點一般 跟隨主角運動) 等類型。 第1 1 頁 第二章汽車動力學仿真模型與方法設計 第二章汽車動力學仿真模型與方法設計 第一節(jié)方法層次與功能定義 虛擬駕駛系統(tǒng)需要在視覺和物理兩個層次實現(xiàn)對汽車的仿真方法設計，對 用戶而言，需要提供高沉浸感、高構想性、高交互性的虛擬現(xiàn)實應用體現(xiàn)。其 中高沉浸感是指虛擬駕駛環(huán)境中的汽車在視覺上貼近真實，高構想性是指汽車 在駕駛過程中的運動變化軌跡符合自然世界的物理規(guī)律，高交互性是指汽車虛 擬駕駛必須提供良好的人機交互手段。為實現(xiàn)良好的虛擬駕駛模擬，必須完成 以下建模工作 1 幾何建模與3 d 實時渲染 幾何建模是指構建汽車的3 d 幾何模型，一個完整的汽車模型可包括車體、 輪胎、玻璃、車門、前車蓋、后備箱、雨刷、車內駕駛面板等部件，幾何建模 實現(xiàn)了對汽車組成結構的分解，并以實體集合的方式將各個部件相互整合，形 成完整的汽車模型。 3 d 實時渲染能為用戶提供高沉浸感的汽車視覺仿真，汽車的幾何模型配以 絢麗的紋理貼圖設計可使得用戶獲得完整的汽車模型視覺體驗。 幾何建模也是汽車力學仿真的載體，通過為不同部件輔以合理的物理屬性， 可實現(xiàn)對汽車3 d 模型的實時物理仿真計算。 2 物理建模與實時物理仿真計算 虛擬駕駛的真實性在于汽車駕駛過程中運動狀態(tài)的控制與變化必須符合現(xiàn) 實世界中的物理規(guī)律，不同的駕駛動作在不同的路況對汽車模型應有符合物理 規(guī)律的形態(tài)變化，如加速、制動、漂移、轉彎等。為實現(xiàn)高構想性的虛擬駕駛， 必須實現(xiàn)功能完整的汽車物理建模。 物理建模對影響汽車運動變化過程的力學體系進行研究，定義了重要的物 理參數(shù)以及相應的計算方法，針對諸如輪胎摩擦力、發(fā)動機轉數(shù)與輸出功率、 汽車減速距離等各類參數(shù)定義其計算方法，并設計實時計算過程。 物理建模的復雜程度決定了一個3 d 汽車模型的完整物理屬性，進一步也 為虛擬駕駛的行為建模提供了邏輯前提。 第1 2 頁 第二章汽車動力學仿真模型與方法設計 3 行為建模與人機實時交互 所謂行為建模是指虛擬駕駛系統(tǒng)必須定義并實現(xiàn)較為完整的人機交互機 制，人機交互機制提供了用戶可操控的指令，例如通過鼠標、鍵盤或者游戲桿 輸入加速或制動指令，控制汽車行進軌跡和行進速度等。沒有實時交互就無法 實現(xiàn)真正意義的虛擬駕駛。 行為建模的簡繁程度往往依賴于汽車本身的功能，對自然世界中的一輛汽 車而言，其人機交互功能主要體現(xiàn)在駕駛艙內的各種操控接口，其中既有影響 汽車運動狀態(tài)的檔位、加油、剎車制動、控制轉速等交互機制，同時也有雨刷、 車燈、前蓋與后備箱、車窗玻璃、車內音響、車內后視鏡等非物理仿真的人機 交互機制。所有非物理仿真的人機交互機制可以通過預定程序或播放動畫來體 現(xiàn)，但是所有與汽車運動狀態(tài)有關的人機交互必須立足于汽車的物理建模才能 實現(xiàn)。 綜上所述，在虛擬駕駛系統(tǒng)中，必須實現(xiàn)汽車的幾何建模、物理建模和行 為建模，其中物理建模是影響汽車虛擬駕駛用戶體驗的關鍵所在，本文主要研 究基于汽車幾何建模成果的物理仿真方法。 本文工作以解決汽車的物理建模和實時物理仿真技術為主，圖2 1 描述了 本文內容所覆蓋的汽車物理仿真功能與汽車物理模型組成。 圖2 1 汽車物理仿真模型功能定義圖 汽車最基本的功能包括啟動、加速、轉向等，在仿真中除了模擬這幾項基 第1 3 頁 第二章汽車動力學仿真模型與方法設計 本功能，還應添加其他一些擴展的功能，包括懸掛、漂移等。 任何一項具體的汽車運動物理仿真功能都需要定義一個或多個相關的物理 參數(shù)，更為重要的是能夠實時計算并分析所有相關的物理參數(shù)，并在此基礎上 為虛擬駕駛提供完整的物理仿真效果。表2 1 描述了本節(jié)所述幾個模型之間的 關系，以及物理仿真模型所實現(xiàn)的基本功能。 表2 1 虛擬駕駛系統(tǒng)中的汽車建模層次與邏輯關系 層次模型名稱模型內容模型功能 高交互性，體現(xiàn) 高行為建模向用戶提供的車輛駕駛操作方式 應用的自由靈活 高構想性，體現(xiàn) 中 物理建模車輛行駛的物理參數(shù)定義和計算方法 物理的貼近真實 車輛部件3 d 幾何模型、紋理貼圖以及預 高沉浸感，體現(xiàn) 低幾何建模 定動畫視覺的虛擬仿真 本文研究工作基于以下幾點假設： 1 汽車模型被抽象為一個車身、一個懸掛彈簧和四個輪胎組成，每個部分 均被當做獨立實體，每個實體在虛擬駕駛過程中均無任何機械磨損。 2 汽車模型為前輪驅動模式，不考慮汽車行駛過程中的空氣動力學屬性， 默認空氣阻力為零。制動為剎車與手剎結合。 3 不考慮汽車輪胎的損耗，假定輪胎與地面之間的摩擦力系數(shù)為恒定值。 4 不限制路面情況，既路面可有高低起伏回轉曲折，遵守地球引力規(guī)律。 5 不考慮發(fā)動機損耗、油耗等變化因素，假定油量充足、發(fā)動機正常。 第二節(jié)汽車動力學物理仿真建模方法 虛擬駕駛系統(tǒng)的汽車動力學物理仿真的關鍵在于定義影響汽車動力學特性 的參數(shù)體系，其中包括參數(shù)定義和計算方法定義，本文研究工作集中針對汽車 駕駛過程中的動力學特性開展研究工作，本節(jié)主要介紹物理仿真參數(shù)的概念、 邏輯含義和技術方法。 第1 4 頁 第二章汽車動力學仿真模型與方法設計 2 2 1 汽車動力學屬性分析 在駕駛過程中，汽車的動力學屬性主要體現(xiàn)為以下幾個方面： 2 2 1 1 汽車行駛的驅動力和制動力 汽車行駛的驅動力來源于發(fā)動機，通過離合器將動力傳動到檔位變速箱， 然后經(jīng)主減速器，再經(jīng)過差速器傳遞動力到驅動車輪，從而驅動汽車前進。如 圖2 2 所示。 圖2 2 汽車傳動系統(tǒng)示意圖 在離合器合攏的前提下，如果變速箱已掛檔，汽車發(fā)動機的動力將逐步帶 動變速齒輪副，最終帶動車輪滾動。發(fā)動機輸出扭矩( 即圖2 2 中的驅動扭矩) 與發(fā)動機轉速和油門開度有關，油門開度在虛擬仿真中可作為常量看待，對任 何一種型號的汽車均可計算出發(fā)動機轉速和輸出扭矩的關系圖。利用這樣的關 系圖可在虛擬駕駛系統(tǒng)中建立起發(fā)動機轉速和輸出扭矩之間的計算關聯(lián)，從而 為實時評估計算汽車模型的速度奠定基礎。圖2 3 選自參考文獻 3 7 】，是某款神 龍汽車在油門開到最大時，發(fā)動機轉速和輸出扭矩的關系圖。 第1 5 頁 第二章汽車動力學仿真模型與方法設計 昌 冬 暮 刀x1 0 r l m 如 圖2 3 神龍轎車發(fā)動機轉矩特性曲線 車輛的前進動力由發(fā)動機輸出扭矩來實現(xiàn)，輸出扭矩是最直接體現(xiàn)車輛動 力的關鍵物理參數(shù)。該物理參數(shù)決定了最終作用于車輪和地面之間的車輛動力 的大小。對于前驅型汽車模型而言，主要的制動只在前輪，包括啟動、加速、 剎車等，轉向則只需控制前輪的方向即可，由前輪提供牽引方向。 漂移是汽車駕駛過程中的一種運動狀態(tài)變化過程，是指車頭的指向與車身 實際運動方向之間產(chǎn)生較大的夾角，使車身側滑過彎。當后輪失去大部分( 或者 全部) 抓地力，同時前輪能保持抓地力( 最多只能失去小部分，最好是獲得額外 的抓地力) ，這時只要前輪有一定的橫向力，車就甩尾，即產(chǎn)生漂移。產(chǎn)生漂移 的條件就是控制車輪與地面的摩擦系數(shù)，在自然環(huán)境中，加以手剎可促進漂移 產(chǎn)生。 針對汽車的驅動力和制動力，本文設定物理仿真參數(shù)如下： 1 扭矩、扭矩曲線與怠速 扭矩是最直接體現(xiàn)車輛動力的關鍵物理參數(shù)，單位是牛頓米( n m ) 。該 物理參數(shù)決定了最終作用于車輪和地面之間的車輛動力的大小。 當今汽車主要采用內燃機作為發(fā)動機，其特性在于不同轉速時所表現(xiàn)的扭 矩不同，需要定義一個“扭矩曲線”，體現(xiàn)出發(fā)動機在不同轉速下所表現(xiàn)出來的 扭矩變化情況。在程序實現(xiàn)過程中，這個扭矩曲線可用多個離散的“發(fā)動機轉 速區(qū)間：輸出扭矩”數(shù)值對進行模擬。 怠速是指在汽車未掛檔情況下，發(fā)動機轉速為某個固定值，根據(jù)扭矩曲線， 可實現(xiàn)怠速的物理仿真。 第1 6 頁 第二章汽車動力學仿真模型與方法設計 2 變速箱傳動比 圖2 1 描述的汽車傳動系統(tǒng)示意圖中體現(xiàn)了變速箱傳動比對汽車前進驅動 力的影響作用。一般手動擋汽車包括4 - _ 6 個檔位，每個檔位的傳動比都不相同。 傳動比是體現(xiàn)發(fā)動機動力輸出傳動效率的關鍵參數(shù)，在真實情況下，由于 機械摩擦的存在使得傳動效率永遠不等于1 0 0 。本文研究工作假設傳動效率 為1 0 0 ，檔位信息由不同的傳動比體現(xiàn)，作為先驗知識保存在配置文件中。 3 制動扭矩 汽車的制動是指向車輪施加與車輪轉動方向相反的力，既克服發(fā)動機輸出 扭矩的驅動作用，在物理仿真中利用制動力參數(shù)或制動扭矩進行計算。 制動效率可用制動力參數(shù)巾表示，依據(jù)制動力參數(shù)可實時計算汽車在剎車 過程中的制動扭矩變化情況。制動力參數(shù)由與滑移率s 有關，滑移率是指車輪 在制動時，車身速度與車輪轉動的切線速度之間的差異率，根據(jù)汽車領域的研 究成果，通常這個值控制在1 5 2 0 之間。圖2 4 顯示了制動力參數(shù)與滑移率 的對應關系曲線，本文選擇該曲線中段，并以直線線段模擬該段曲線，取巾= s + 0 6 8 。 當汽車的速度下降為零時，必須將制動扭矩設為零，否則將導致車輪向