汽車虛擬駕駛培訓系統的設計開發

董春俠++司占軍

摘要：目前，虛擬現實技術已廣泛應用于汽車行業之中，汽車虛擬駕駛培訓系統逐步成為虛擬駕駛領域的重要研究方向。該文基于Unity3D開發引擎開發一個面向于無駕駛經驗者的駕駛培訓系統。前期結合多媒體技術和3D建模技術制作環境素材，其次利用Unity3D實現訓練場景的搭建，最終編寫C#、JavaScript腳該語言實現其多樣化的交互功能。虛擬駕駛培訓系統的開發不僅可以讓用戶體驗到近似真實的視、聽感受，還具有節能、安全、高效的駕駛訓練效果，具有一定的應用價值以及廣闊的市場發展空間。

關鍵詞：虛擬駕駛；駕駛培訓；三維模型 ；Unity3D

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）26-0088-03

Research and Development of Vehicle Virtual Driving Training System

DONG Chun-xia， SI Zhan-jun

（School of Packaging and Printing Works， Tianjin University of science and technology， Tianjin 300222， China）

Abstract： At present， virtual reality technology has been widely used in the automotive industry， automobile virtual driving training system has gradually became an important research direction in the field of virtual driving. In this paper， a driving training system was developed for non-driving experience based on Unity3D development engine. Firstly， the environment material was produced by multimedia technology and 3D modeling technology. Secondly， the training scene was set up by Unity3D software. Finally， the diversified interactive function of the system was realized through the preparation of C#， JavaScript scripting language. The development of virtual driving training system not only allows users to experience the visual and auditory perception， but also has the effect of energy saving， safe and efficient driving training. This research has a certain application value and broad market development space.

Key words： Virtual driving ；Driving-training ；3D modeling ；Unity3D

1 簡介

虛擬駕駛訓練系統是虛擬現實、計算機成像和其他現代高科技技術的組合[1]。在虛擬駕駛環境中，用戶體驗貼近駕駛的真實體驗。用戶和虛擬駕駛環境相互作用，實現汽車駕駛的虛擬訓練[2]。隨著計算機技術的飛速發展，駕駛模擬系統得到了極大的發展，仿真精度和逼真度也不斷提高，推動了虛擬駕駛系統的不斷優化，并將有一個很好的前景。

2 虛擬駕駛培訓系統的優勢

1）標準化教學方法。由于教練員和地區的不同，在教學上會有差異，缺乏統一的教學管理模式。虛擬駕駛培訓系統可以遵循專家的統一教學[3]。如果學生使用它來練習，他們將能夠掌握正確的駕駛姿勢，鍛煉身體的協調和操作的連續性。

2）縮短的培訓周期和提高的培訓效率。據研究，實體車訓練的平均時間利用率在初始階段為10-20%，中期為30-40%，后期為50%。在保證相同的訓練效果的前提下，虛擬駕駛訓練系統可以減少30%的訓練時間[4]，提高了教學的速度和安全性。

3）熱情高。虛擬駕駛訓練系統對學習有積極的影響，可以提高用戶的學習積極性，同時有助于減少用戶在操作實體車時的壓力。

4）低成本、節能環保。與實體車相比，仿真培訓可以減少汽油的使用以及各種類型的成本，有利于達到環保節能的目的[5]。

3 設計思路

該系統的目標受眾是缺乏駕駛經驗但要學習駕駛技能的人。本系統使用PhotoShop、Audio、3D Studio Max和Unity3D完成制作，在微軟系統平臺上發布，輸入設備為鍵盤和鼠標，輸出設備為顯示器和音頻設備。

3.1 設計原理

1）具備友好的人機交互和用戶體驗。

讓駕駛用戶在模擬駕駛器中浸入式地體驗模擬駕駛的行為，沉浸在計算機創造出的模擬三維環境之中，還原模擬實車駕駛的完美體驗，即要滿足虛擬現實的“3I”特征：沉浸感、交互性和構想性。

2）確保模擬系統在PC機上運行的流暢性。

在計算機性能可以承受的范圍內盡可能地提高駕駛環境的仿真程度，優化場景渲染特征、簡化算法機制、提高顯示速度和質量。

3）提高系統的商業可行性。

在硬件和軟件的選擇方面，應滿足通用性、可擴展性原則，比如，在場景設計上，應該設計些大眾認可并熟知的模型和情境；在輸入輸出設備上，要預留API，為未來可能運用到的技術提供拓展的空間[6]。

3.2 設計準備

模擬駕駛系統的內容遵循最新規定—機動車駕駛被許可人的申請和使用規定。結合用戶的需求，開發場景分為六個，包括：開始駕駛、交叉路口左轉、換車道、調頭行駛、逆向停車、平行停車。

該系統的功能分為兩部分：駕駛控制和提示功能。駕駛控制功能包括：轉向燈控制、車輛速度控制、手動換檔功能和離合器功能。提示功能包括：通過GUI的界面按鈕，提示用戶如何操作；在模擬場景中，用戶可以得到駕駛提示信息，指示用戶如何進行操作系統，這些信息也解釋了一些交通規則。

4 制作過程

4.1 制作駕駛場景素材

在開發之前，有必要對交通規則和駕駛行為進行調查和分析，結合目標用戶的特點，設計和開發仿真系統框架的層次和功能框架；其次，利用多媒體軟件來制作和處理模擬駕駛系統所需的模型、動畫和其他多媒體資源；3Ds Max軟件制作汽車車身模型和場景模型，并導入到Unity3D重作為預置文件。此外，在Unity3D中制作地形、場景模型和其他材料制作和設計。

4.2 編碼實現

4.2.1 汽車駕駛控制

我們在獲得從3DMAX中導入并整理的Perfab汽車文件之后，首先我們需要定義并設計出此車體的質心（Center Of Mass）并設置其剛體；其次通過了解本車體的尺寸等特性，設計本車的懸掛系統，懸掛是另一個影響賽車的重要因素，它的功能是使輪胎和地面之間的摩擦力達到最大；其次針對每個輪胎加入車輪碰撞器（Wheel Collider）；最后就是設置速度，轉彎和傳動檔位轉置，在此應該將其進行微調，以保證可以模擬真實駕駛的較為低速的情境。

4.2.2 交互制作

1）添加觸發器。添加觸發器的目的是讓用戶駕駛模擬汽車抵達終點處結束任務，因此可以在終點添加一個觸發器，用戶觸發后跳轉至另外一個場景畫面。值得注意的是，觸發器有三種不同的觸發形式，function OnTriggerEnter、OnTriggerExit和OnTriggerStay。在停車任務，需要用戶將車輛完全停在觸發器內部才能完成任務，在這種情況下運用OnTriggerStay觸發器。此外還需要將Inspector面板中的level字符串改成a，這樣做的好處是不用每次都新建腳本文件實現跳轉，一個腳本就實現了跳轉功能，并且可以應用在不同的情境中。

2）添加雙攝像機切換的功能。通過第一視角和第三視角的切換，用戶可以更好地完成駕駛模擬任務，以及更好地模擬真實駕駛的情境。

3）添加手動換擋功能。通過在屏幕的左上角出現一組具有換擋作用的GUI滑塊，用戶對滑塊進行撥動，實現切換不同的檔位，改變駕駛的速度。具體代碼如下：

由于滑塊的兩端所出現的滑塊值vSliderValue不同，初始態的值為0終點的值為10，所以當用戶將滑塊滑動到另一端時，vSliderValue值變為10，則激發該位置的檔位，若用戶依次滑動滑塊，則檔位也將依次增加，速度也依次增加，達到換擋的目的。

4）控制左右轉向燈。為了更好地模擬駕駛情境，需要用戶控制轉向燈的開啟和關閉，并需要在規定的時間打燈轉向，例如起步前、轉向前還有變道前。具體的實現形式就是：當用戶按下鍵盤的規定按鍵后，通過GUI函數的調用，在顯示屏上顯示出轉向燈的提示。

5）添加模擬駕駛提示功能。模擬駕駛系統中，最為重要的一項功能便是提示功能，在合適的情境下給用戶以操作提示，或者交規說明，可以更好地讓用戶理解到如何在真實的駕駛環境下正確的駕駛和操作。

4.2.3 設計并制作GUI

使用Unity作為平臺編寫腳本來實現以下幾點：1）制作系統首頁及關卡選擇頁面，2）需要將每個關卡串聯起來，3）在用戶模擬訓練的界面，需要存在有提示信息，指導用戶該如何操作。Unity有一個非常強大的GUI腳本API，它允許使用腳本快速創建簡單的菜單和GUI。一個好的用戶界面，可以給用戶良好的用戶體驗，提高仿真培訓的效率。

4.3 功能測試和發布

Unity基本版允許把游戲部署為一個獨立的應用程序（Windows和Mac），加載完游戲場景文件后和最終發布成EXE應用文件。測試也是非常重要的一部分部分。系統生成之后，邀請目標用戶，并觀察其在進行模擬測試的時候是否存在認知障礙和停頓，根據收集的數據進行系統的完善和優化。

5 結束語

本文基于跨平臺開發引擎Unity3D，設計開發了一款針對于提高駕駛學員駕駛技巧和駕駛興趣的的模擬駕駛培訓系統，本系統具有很強的模擬感，和更加真實的場景反饋。該系統有利于非駕駛經驗的人提高駕駛技能和駕駛興趣。此外，它不僅有利于推動學校開展統一教學，提高教學效率，而且在安全和環境保護中有著重要的作用。

參考文獻：

[1] 張彤. 基于Quest3D的汽車虛擬駕駛培訓系統的研究[D]. 焦作： 河南理工大學， 2012.

[2] 羅冠. 虛擬人的運動生成及控制技術研究[D]. 西安： 西北工業大學， 2004.

[3] 玉昭. 河北駕培：科技興駕增效節能[N]. 中國交通報， 2007-07-27B03.

[4] 祖國忠. “模擬+實車”組訓模式在汽車駕培業的應用概述[J]. 中國商界：上半月， 2009（6）： 73，75.

[5] 宋亦奇. 虛擬現實藝術與視覺欲望的釋放[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業大學， 2009.

[6] 曾林森. 基于Unity3D的跨平臺虛擬駕駛視景仿真研究[D]. 長沙： 中南大學， 2013.