汽车驾驶模拟器:一种驾驶训练的教学设备-中文百科频道

介绍

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一种计算机仿真技术，通过给用户提供视觉、听觉、触觉等各种直观而自然的实时感知交互手段，方便用户操作，增加用户对现实的认知能力。虚拟现实技术集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理技术等的最新发展成果，广泛应用于军事、航空航天、自动控制、医疗康复、教育娱乐等领域。

汽车驾驶模拟器（Vehicle Driving Simulator，VDS）将虚拟现实技术应用于汽车驾驶系统中，通过计算机技术产生汽车行驶过程中的虚拟视景、音响效果和运动仿真，使驾驶员沉浸到虚拟驾驶环境中，产生实车驾驶感觉，从而体验、认识和学习现实世界中的汽车驾驶，既能安全、有效地提高驾驶员技术水平，又能降低各种费用。汽车驾驶模拟器作为交通安全系统的重要组成部分，能够提高驾驶员的安全意识，降低事故发生率，正日益受到国内外交通安全领域的广泛关注。

用途前景

方向

模拟驾驶环境几乎完全“克隆”真实学车环境，能够消除驾驶初学者的恐惧心理，适时规范驾驶者的操作，为驾校驾驶培训的有力帮助.曾纪国,战守义.《基于PC的廉价主被动驾驶模拟器的设计与实现》.系统仿真学报,2005,17(5):1092-1096.

曾纪国，研究方向：汽车驾驶模拟器及交通仿真】

应用范围

早在20世纪70年代，世界各先进国家就已普遍应用汽车驾驶模拟器这一先进的手段来培训学员，并在有关法规上加以认可。据有关资料统计，1982年全日本培训驾驶员240多万人，其中90%都是借用驾驶模拟器来实现培训计划的。目前，我国汽车驾驶培训行业采用驾驶模拟器的普及率非常低，培训仍是以师傅带徒弟的方式为主，训练效率比较低，投入较大。

公安部统计数据显示，我国每年交通事故50万起，因交通事故死亡人数均超过数万人，相当于一个小型县，居世界第一，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。每年因交通事故所造成的经济损失达数百亿元。2006年我国因车祸死亡人数为8.9万人，平均每天就有二三百人丧生车祸，远远多于汽车保有量高得多的美国。而且，态势越来越严重，2007年全世界交通事故死亡人数为50万人。其中，中国交通事故死亡人数为10.4万人,超过总人数的20%。

仅仅09年上半年，一个北京市单单因为酒后驾车而导致死亡的就有97人，而全国的车祸数据也在不断的“刷新”着记录，“杭州飙车案”，“南京酒后驾车案”，“河南灵宝案”无不时时刻刻的刺激着人们对安全驾车的体会，数据显示，道路伤害所造成的负担更多地落在年轻人身上。年轻人缺乏认识和经验，这意味着他们更易出现超速、驾驶时不佩戴安全带或头盔、酒后驾车等危险行为。

近年来，随着机动车保有量的增加，道路里程的延伸，道路交通愈趋复杂，交通事故有愈演愈烈的趋势。其中新驾驶员的交通事故率占有相当大的比重。根据一项研究发现，与有经验的驾驶员相比，新驾驶员更容易发生交通事故，而使用廉价的驾驶模拟器就能有效地降低交通事故的发生，因此开发价格低廉且能满足驾驶培训需要的驾驶模拟器具有非常积极的意义。

用途及前景

使用驾驶模拟器进行训练可以减少1/3的实车训练时间，减少交通事故，减少环境污染，减少汽车的油耗、磨损以及教练的指导时间。另外驾驶模拟器可以在室内进行，不受天气、时间等的影响，便于管理和维护，因而维护费用也可以降低许多。

代替真车训练时间根据2005年3月1号由交通部制定的《机动车驾驶员培训教学大纲》，每个学员上模拟器训练10个学时，就等同于实车驾驶训练3小时。

使用主动型汽车驾驶模拟器可以代替真车20%～30%的训练时间，而使用被动型驾驶模拟可以代替真车5%左右的训练时间。如果在不减少真车训练时间的情况下，那么将极大地提高学习效率，使得学员很快进入状态（教练少生气，学员少挨骂）。

节能环保，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（约人民币：660,000.00元），此外，模拟器还不排废气，无车辆磨损，非常环保。

消除学员恐惧心理，新学员（尤其是女生），刚上真车时，由于手脚配合不协调，动作慌乱，因而有不同程度的恐惧心理。使用模拟器后，学员可以很好地掌握离合器、刹车、油门、档位、方向盘等的协调。例如危险情况（行人突然跌倒，刹车失效等），其他天气（如雨天、雪天、雾天、黑夜等），反复练习平时真车不能实现的场景，消除真车驾驶时遇到突发事件的紧张感。

减少真车损耗，新学员通过驾驶模拟器的熟练操作，可以减少由于学员误操作而带来的真车损耗。避免因不规范操作对发动机、变速箱等汽车部件的损害。

提高市场竞争力，率先引用科技教学方法，有效提升驾校的品牌形象，标示自己行业领导者的角色。

工作原理

模拟器的工作原理为：驾驶员操纵操作部件，使得与操作部件直接相连的传感器发生变化，从而引起电信号的变化。信号采集及处理子系统按照一定的精度定期采集传感器上的电信号，并进行滤波等处理。处理后的信号作为车辆动力学模型子系统的输入，经过车辆动力学模型模拟运算，计算出车辆的当前状态，例如发动机转速、发动机输出扭矩、车速、车辆当前的位置等信息。车辆动力学模型计算出的结果送入显示系统进行图形显示、送入音响系统进行声音模拟以及送入仪表系统进行仪表显示。

分类

简易汽车驾驶模拟器

简易汽车驾驶模拟器。安装了方向盘、离合器、油门、脚刹、手刹、档位、转向灯灯操作部件，但是没有配置电脑，也没有显示器，学员可以利用这种模拟器熟悉档位等部件的操作，是属于最简单的模拟器。

被动式汽车驾驶模拟器

被动式汽车驾驶模拟器。采用前面介绍的简易型驾驶模拟器，所不同的是在学员前方放置了录像播放装置，例如DVD等。训练的时候，DVD中播放已经录制好了教学录像，并播放操作提示语音，学员根据提示语音进行操作。但是播放的是录像，学员的操作不会对播放影像产生影响，故名被动。

单屏幕主动式汽车驾驶模拟器

单屏幕主动式汽车驾驶模拟器。在这种模拟器上，安装了方向盘、离合器、档位等操作部件，操作部件上还安装了传感器，传感器中的数据是通过传感器采集系统进行采集获取，然后输入计算机系统。在模拟器的内部安装有一台计算机，一个屏幕，学员在操作方向盘等部件的时候，屏幕上的图像会实时的跟着变化，并且会对学员的错误操作进行提示，例如换档未踩下离合器。由于用户的操作会对屏幕中显示的图像产生影响，故名主动式，又名互动式。这种模拟器不同厂家的硬件配置都差不多，主要区别在于软件的功能。

三屏幕主动式汽车驾驶模拟器

三屏幕主动式汽车驾驶模拟器。这种模拟器是在单屏幕主动式模拟器的基础上增加了2个屏幕，这样就使得显示的视角大于150度，视野更加宽广，沉浸感更强。

液压伺服体感模拟器

液压伺服体感模拟器。这种模拟器在主动式模拟器的基础上增加了液压伺服装置，可以产生运动体感，能够更加逼真地模拟驾驶的感受。不过这种模拟器造价较高，主要用于研究。这种模拟器的代表是美国爱荷华大学的动感模拟器。

汽车驾驶模拟器软件

基础驾驶

基础驾驶包括“原地驾驶训练”，“基础驾驶技能训练”，“初级训练场景”。

3.1.1原地驾驶

原地驾驶主要用于初级学员进行换档训练，练习换档时候与离合器的配置，目的是使得学员可以不低头就可以实现踩离合器和正确换档。

3.1.2基础驾驶技能训练

“基础驾驶技能训练”主要训练学员起步、停车、倒车以及通过控制离合器实现半联动驾驶，目的是使得学员熟练掌握半联动驾驶技能，为场地训练打下坚实的基础。

3.1.3初级训练场景

“初级训练场景”主要用于训练学员的初级道路驾驶技能，为道路训练打下坚实的基础。

场地驾驶

场地驾驶包括场地九项和倒库，即“桩考”，“侧方停车”，“坡道停车和起步”，“通过单边桥”，“曲线行驶”，“直角转弯”，“限速通过限宽门”，“连续通过障碍”，“百米加减档”，“起伏路驾驶”。对于这10项训练内容，大车和小车有不同的训练场景。所有的考核和评判严格按照公安部标准进行。

进行场地训练时，如果考试不合格，则系统自动将车辆退回到起点位置，方便学员重新进行训练和考试。

3.2.1桩考

“桩考”考核机动车驾驶人操控车辆完成侧方移位、倒车入库和正确判断车身空间位置的能力。

从起点倒入乙库停正，再经过二进二退移位到甲库停正，前进穿过乙库至路上，倒入甲库停正，前进返回起点。

评判及提示语有：倒桩考试开始，倒桩考试结束，不按规定路线、顺序行驶，碰擦桩杆，车身出线，移库不入，中途熄火，中途调整车身位置。

3.2.2侧方停车

“侧方停车”让驾驶员掌握将整车正确停于路右车位（库）中的技能，以适应日常驾驶生活中临时停车的需要。

驾驶人员驾驶车辆在不碰，擦库位桩杆，车轮不压碰车道边线，库位边线的情况下，通过一进一退，将整车移入右侧车库位中。

评判及提示语有：侧方停车考试开始，侧方停车考试结束，车辆在入库后车身出线，碰擦桩杆，行驶中轮胎触轧车道边线，中途调整车身位置。

3.2.3坡道停车和起步

考核机动车驾驶人在坡道上驾驶车辆的技能，准确判断车辆的位置，正确使用制动、挡位和离合器，以适应在上坡路段停车与起步的需要。核驾驶员上坡路的驾御车辆的能力，正确的固定地点靠边停稳车辆的能力，以准确适用档位和离合器的能力，以适应在上坡路段等候放行时的操作需要。

机动车驾驶人应通过视觉和感觉及时判断坡道的坡度大小、长短及路宽等道路情况，采取正确的操作方法，控制车辆平稳停车和起步。做到转向正确，换挡迅速，操纵加速踏板、驻车制动器和离合器踏板的动作准确协调。

评判及提示语有：“坡道定点停车和起步”考试开始，“坡道定点停车和起步”考试结束，车辆停止后，汽车前保险杠距离桩杆线超过50厘米，车辆保险杠未停于桩杆线上，前后超过20厘米，不超过50厘米，车辆停止后，车身距离路边缘线30厘米以上，起步时后溜大于30厘米，起步时后溜小于30厘米。

3.2.4 通过单边桥

考核机动车驾驶人员对所驾驶的车辆能准确运用方向，并对所有车轮位置的直线行驶轨迹的正确判断和掌握车辆不平行运行技术。

驾驶员要正确掌握方向，将甲、乙两桥分别用左、右边轮压于轮下，平稳顺畅通过，用一档（含）以上档位。（单侧前后车轮一次通过左、右单边桥。）

评判及提示语有：“通过单边桥”考试开始，“通过单边桥”考试结束，有一车轮未上桥，行驶中出现一个车轮掉下桥面，未通过单边桥。

3.2.5曲线行驶

考核驾驶远方向的运用与对车辆轨迹运行的掌握。

机动车驾驶人驾驶车辆从弯道的一端前进驶入，减速换挡，以低挡低速从另一端驶出。行驶中不得轧弯道边缘线，转向自如。

评判及提示语有：“曲线行驶”考试开始，“曲线行驶”考试结束，车轮驶出边缘线，车轮压路边缘线，中途调整车身位置。

3.2.6直角转弯

考核驾驶员急弯路段迅速运用方向对车辆内轮差距进行正确判断。

机动车驾驶人驾驶车辆按规定的线路低速行驶，由左向右或者由右向左直角转弯，一次通过，中途不得停车。

评判及提示语有：“直角转弯”考试开始，“直角转弯”考试结束，车轮触轧突出点或者驶出边缘线，中途调整车身位置，车轮触轧道路边缘线，借助倒车完成。

3.2.7限速通过限宽门

考核驾驶员在一定的车速下对车身位置的正确判断能力。

机动车驾驶人驾驶车辆以不低于20公里/小时的速度，从三门之间穿越，不得碰擦悬杆。

评判及提示语有：“限速通过限宽门”考试开始，“限速通过限宽门”考试结束，时速低于20公里/小时通过，不按规定路线、顺序行驶，碰擦限宽门悬杆。

3.2.8连续通过障碍

考核机动车驾驶人驾驶车辆通过连续障碍时，对车轮行驶轨迹和内、外轮差的判断能力。

除小型车辆用一挡外，其他车辆用二挡（含）以上挡位，将车骑于圆饼之上通过，车轮不得碰、擦、轧圆饼，并且不得超、轧两侧路边缘线。

评判及提示语有：“通过连续障碍”考试开始，“通过连续障碍”考试结束，不按规定路线行驶的，车轮驶出边缘线，车轮压路边缘线，压圆饼，碰、擦圆饼。

2.9百米加减档

考核机动车驾驶人操纵车辆挡位的熟练程度。

机动车驾驶人驾驶车辆由起点线起步，在百米内完成从最低挡逐级加至最高挡，再从最高挡逐级减至二挡。

评判及提示语有：“百米加减挡”考试开始，“百米加减挡”考试结束，未完成规定加、减挡，越级换挡。

3.2.10起伏路驾驶

考核驾驶员掌握起伏（凹凸）路的驾驶要领和对起伏（凹凸）路面进行正确判断的能力，并做到制动、离合器、档位三者配合适当。

车辆正常行驶在障碍物前20米内制动减速，用低档（一档）或使用半联动通过，保证车辆平稳安全的通过障碍。

评判及提示语有：“起伏路驾驶”考试开始，“起伏路驾驶”考试结束，车速控制不当，车辆严重跳跃，通过起伏路前不减速，通过起伏路前过早减速。

综合训练

综合训练中，设置了“城市道路”，“高速公路”，“乡村道路”等训练场景。在各训练场景中，又设置了各种危险情况，如行人横穿公路，行人滑倒，侧风等。

综合训练中，严格按照公安部科目三考试要求进行判别和提示，判别和提示语音参见后附表格。

3.1城市道路

城市道路场景中设置了立交桥、十字路口、丁字路口、环形岛、环城路、隧道等内容。

3.2高速公路

场景中有收费站、超车道、行车道、出口等交通标志牌，车距确认、隧道、高速公路出入口等内容。

3.3乡村道路、山区道路、泥泞路

设置了急弯、陡坡，泥泞路，漫水路等场景。

网络互联

通过中央控制台，可以连接40台驾驶舱进行联网训练。中央监控台由高性能计算机、、打印机、100M网络交换机等组成。监控计算机可以监控任意一台模拟器，监视窗口将显示与被监视模拟器完全一样的画面，并实时图形显示其“五大”操作件——方向盘、离合器、脚制动、油门及手制动当前的状态；另外档位、喇叭、转向灯、点火开关等的状态也通过图示表示出来。

理论知识

采用最新（2007年4月公布的最新标准，四选一）标准化试题，题库里共有1500道试题。

2010年7月最新增加了2010年题库，满足不同地区的考试需要。

教学视频

丰富的教学录像功能，利用该功能，可以播放汽车培训教学录像。例如，系统提供最新的8种交通警察手势信号（原交通警察手势为11种）教学录像，离合器工作原理录像等等。

系统设置

可以对系统进行相应设置，如增加删除教学录像，修改扣分模式和错误分值，修改方向盘灵敏度系数等。

回放功能

训练结束后，学员可以以俯视的方式查看最后3分钟的驾驶过程，从而仔细分析错误驾驶发生的原因，以便以后改正。

训练记录

训练完毕后，学员可以查看训练过程中所出现的错误动作，并且可以将训练成绩及错误明细表作为历史记录保持下来。

面向交通安全的驾驶模拟器的特点

1、具有良好的沉浸感、交互性及多感知性

2、实现交通危险场景的虚拟仿真

3、针对不同受众的驾驶安全意识培训体系

4、扩展性能强，能适用于不同的场所

应用展望

随着相关基础学科、技术和社会需求的发展，驾驶模拟器呈现以下发展趋势：

1、结合传感器网络技术进行实际路网的交通模拟。随着交通系统传感器网络的逐步推广和完善，未来可将虚拟驾驶系统与实际的道路系统相结合，如Google等开发的三维地图网络，针对城市的实际交通环境，训练驾驶员的驾驶技能，熟悉道路标志，避免新手不熟悉道路情况的发生。结合交通传感器网络，如车速限制监控器、闯红灯监控器、道路通信网络等，加入实际道路车流和行人，增加十字路口闯红灯的体验及虚拟的交警检查和罚款等互动练习，使驾驶员熟悉交通安全法规和城市交通环境，更好地提高驾驶员的安全意识。

2、建立不同驾驶员的模拟驾驶行为数据库。建立驾驶员紧急情况下心理素质考核评价体系是减少交通事故的重要手段之一。在紧急情况下，驾驶员的心理反应及行为对于是否发生交通事故起着决定性的作用。应用驾驶模拟器可设定不同的训练场景和道路交通危险工况，如突发车祸、异常天气、自身生理不适等，由不同类型驾驶员（不同性别、年龄、驾龄等）驾驶车辆，测量驾驶员的心理、生理反应，记录并分析此类数据，针对不同类型驾驶员建立驾驶特征数据库，指导驾驶员的驾车行为。

3、实现特大道路交通事故现场的快速三维重构。利用计算机图形技术，结合无线信息传输技术，能实现特大交通事故信息的快速收集，并传递到公安交警指挥中心，结合车辆特征、道路环境及驾驶员数据库等，采用3D成像技术，对交通事故现场进行快速重现，结合驾驶员在驾驶模拟器上的训练档案，有利于公安系统对交通事故的分析和侦破。

4、建立统一的软件开发规范和系统管理平台。随着驾驶模拟技术的发展，有必要研发一个统一的软件开发规范，为各个厂家的产品提供标准的开发环境，从而提高开发效率、促进行业的有序发展。建立统一的系统管理平台，建立健全完整的城市立体地图和车型数据库，便于对车辆性能、交通状况、道路条件、信号配时等数据进行日常更新维护，有利于面向对象的二次开发。

5、与智能交通系统（Intelligent Transportation System，ITS）相结合。智能交通系统包含智能车辆安全技术等领域，能很好地改善交通拥挤、重特大事故频发等现状。但智能交通系统投资较大、规划复杂，涉及到城市规划、路桥建设等重大工程。结合驾驶模拟器的虚拟现实技术及智能车辆的安全技术，在虚拟现实的环境下进行交通安全研究，能减少智能交通系统的工程成本，提高研发效率。

D动感汽车模拟器

特点介绍

4D系列汽车模拟驾驶技术是虚拟现实技术在学习驾驶领域的具体应用，利用虚拟现实技术的经济性、安全性及逼真性等特点，对用户进行交通、驾驶知识的训练、休闲场所娱乐和驾驶技能的锻炼，广泛用于学习，休闲，娱乐，3D汽车驾驶模拟器是现实生活中的训练装备。

4D系列汽车模拟器在国内外满足客户现实生活上的运用，产品技术先进，品质好，在国内国际同类产品的竞争中占据优势，创新的3D驾驶网络为客户提供了良好的驾驶体验与社区交流增值服务功能。

主要特征有：

★采用变频式控制电机传动，节能环保，低功耗，系统稳定；

★三屏幕显示，3D视野动感逼真，平台动态感灵敏度强；

★安装简单、容易、灵活操作练习；

★外观新颖，软件场景真实，按照真车驾驶要求设计。

★丰富的个性化软件设置功能，纯三维软件界面，美观大方；

系统简介

4D系列汽车模拟器是我公司自行研发的新一代驾驶模拟系统，它涉及视景仿真、机械设计、仪器仪表、嵌入计算机、实时网络数据传输、数据图象处理、自动控制、人体工效学等技术，自主软件开发及单片机开发，整个系统可以实现驾驶知识、休闲娱乐，支持多样赛车软件，与其它模拟驾驶系统相比，系统具有场景逼真、实用性强、性价比高等特点。

结构描述

4D系列汽车模拟器采用真车部件为用户提供仿真操作的环境，方向盘、油门、离合器、刹车、档位、仪表操作方法与真车相似，平台结构强，适合长时间运行，外观新颖，每一个操作信号通过数据采集模块的同步的传感系统传给控制计算机，系统对数据进行分析处理后，实现实时图像转变，并通过相应的仿真装置，实现力反馈和位移等的模拟，使用者操作时有与真车驾驶基本相同的感觉。