摘 要

随着人们对驾照的需求增加，模拟驾驶和模拟考试的研究发展迅速。本实验使用Unity3D这个专业的游戏编辑器，使用虚拟现实的技术，完成了模拟驾驶的功能。包括车辆模型的创建、前进和转向功能、车灯、后视镜功能，通过这些功能交互，完成坡道定点起步、倒车入库、侧方停车、直角转弯和S弯道，模拟真实科目二的驾驶情况。经过多次软件测试，该系统可以真实完整的模拟科目二考试情况。这个虚拟模拟驾驶系统有很好的理论意义和应用价值，并有非常良好的推广前景。

关键词：Unity3D;虚拟现实;科目二;模拟驾驶

Abstract

With the increasing demand for driver's license, the research on simulation driving and test develops rapidly. This experiment uses unity3d, a professional game editor, and virtual reality technology to complete the function of driving simulation. Including the creation of vehicle model, forward and steering functions, lights, rear-view mirror functions, through these functions interaction, to complete the ramp fixed-point start, reverse storage, side parking, right angle turn and S-bend, simulate the driving situation of real subject 2. After several software tests, the system can simulate the second examination of subjects. This virtual driving simulation system has a very good theoretical significance and application value, and has a very good prospect of promotion.

Keywords:Unity3D;virtual reality;Subject 2;Simulated driving

第1章 绪论

1.1课题研究的的内容

本课题要求采用 Unity3D 引擎，完成一个虚拟驾驶系统的设计。场景搭建方面，按照驾驶证考试科目二的要求，搭建侧方停车，倒车入库，坡道行驶，S 型弯道行驶以及直角转弯五个项目的对应场地。同时，要求制作一个小轿车的模型，编写脚本，让它能够按照要求实现前进后退转弯等功能。最后利用整个系统，模拟实现一遍驾驶证考试科目二的流程。

1.2国内外研究现状

随着虚拟现实技术的飞速发展，特别是计算机图形学技术的成熟，虚拟驾驶已经在国外得到了应用，从最初的航空驾驶训练到车辆虚拟训练。上世纪70年代中期，美国有500多所驾校配备了虚拟驾驶模拟器。在西欧、日本等国政府，除了将大量资金用于虚拟驾驶模拟器的开发之外，还将使用虚拟驾驶模拟器对驾驶员进行测试，包括预防事故的能力。

20世纪80年代以后，汽车的运动性能有了很大的提高。因此，仿真驾驶员的开发已经达到了对系统（人、车、环境）进行安全性分析的阶段。同时，它也逐渐成为虚拟驾驶研究的主要研究内容之一。德国、日本和美国的汽车制造商也开发了汽车模拟装置。1985年，梅赛德斯-奔驰率先开发出最大的六自由度驾驶模拟系统，开创了多自由度驾驶模拟系统的先河。随后，瑞典VDI公司还成功开发了一种小型驾驶模拟仿真系统，并将其应用于瑞典车辆和交通的开发和研究领域。1989年，大众汽车公司通过更新计算机运行速度和可视化快速生成技术，提高了原模拟器的性能，并将其应用到新产品开发中。1991年，日本马自达公司成功开发了一种基于跑车的模拟器。然后，在1993年，福特成功地开发了新一代的模拟器。1995年，日本汽车研究所成功开发了一种具有体感模拟功能的模拟器。通用汽车公司于1989年开始投资开发模拟器。到目前为止，其第二代产品开发成功，性能达到世界领先水平。1993年，爱荷华大学投入巨资开发虚拟驾驶模拟器。1996年开始对模拟器进行进一步改进，达到国家先进的虚拟驾驶模拟器水平。

到目前为止，德国、日本、美国等国家的主要汽车制造商已经在自己的研究实验室开发出了新一代的开发模拟器。同时，他们也一直在对汽车运动学仿真模型进行改进研究，包括对汽车六自由度的研究以及先进的成像和实时渲染技术在视觉仿真中的应用，从而呈现出更加逼真的虚拟驾驶环境。同时，一些国家在训练驾驶视景仿真的研究和开发方面也取得了很大的进展。一些大型汽车企业大多采用大屏幕显示的特点进行虚拟驾驶技术，从而呈现出相对高品质的视觉图像。这些大公司的驾驶可视化仿真大多采用虚拟现实技术，大屏幕显示，为虚拟驾驶模拟器系统提供了良好的可视化窗口。

我国虚拟驾驶领域的产品首先是由国外引进的。我国最初引进的设备包括点光源平投影驱动模拟设备。它的道路生成工具都是必须用钢笔画出来的。地形设计也存在不足，对坡道的要求相对较低。之后，中国又从美国引进了可以控制多个驾驶舱的虚拟驾驶仪器和相关技术。然而，虚拟驾驶等相关技术的应用，包括点光源和转台机电虚拟驾驶仿真等，都是从20世纪70年代开始的，鉴于我国在虚拟驾驶技术领域与发达国家存在巨大差距，制定了一系列虚拟驾驶技术的研究方案和目标。国家科学技术研究中心、国家自然科学基金委等部门也将虚拟驾驶的研究纳入了研究项目。

20世纪80年代以来，吉林工业大学、北京交通大学、哈尔滨工业大学等多所重点大学和单位积极投入自主研究，1996年，吉林工业大学成立了汽车动力学仿真领域国家重点实验室，它的ADSL驾驶模拟器是世界第二大基地。装甲部队工程学院开发了一种汽车驾驶模拟器骡子采用运动学仿真和实时CGI技术。南京大学软件新技术实验室开发了一种主动式三维虚拟驱动程序，利用三维人工智能生成场景技术。上世纪90年代末，昆明理工大学开发了一种基于网络的汽车驾驶模拟器，可以对感兴趣的车辆进行严密监控。2004年，北京交通大学信息技术学院成功研制了vr4驾驶模拟器，解决了“学生驾驶的人工环境”问题。

目前，随着我国汽车保有量的增加，虚拟驾驶模拟器的研究和开发可以用于大规模的汽车驾驶培训。因此，我国的虚拟驾驶模拟器已经逐步发展起来，但在视觉与控制的结合方面还存在一些问题，如缺乏沉浸感、交互性和实时性。我国对虚拟驾驶的研究需要进一步发展，逐步缩小与发展中国家的差距，实现更强大、更沉浸式的仿真技术。

1.3课题研究的方法

本项目打算使用Unity3D来开发。Unity3D是一个优秀的游戏引擎，目前大多数热门游戏都有它来设计完成。使用Unity3D可以设计2D游戏，也可以设计3D游戏，它是一个全面的跨平台游戏引擎。Unity目前主要是通过C#语言完成脚本代码的编写，Unity3D有一套完整的场景系统来模拟真实的环境，包括模型，光，摄影机等等。因为是跨平台引擎，场景模型可以由其他平台完成开发，Unity3D只需利用它即可，Unity3D提供光照系统，光照系统可以模拟灯光，太阳光，人造光源等，覆盖了现实生活中光的需求。Unity3D也提供摄像机系统，用来模拟人眼或是上帝视角，方面使用者的调试。

1.4课题研究的意义

随着中国经济的崛起，大家的生活水平都大大的提高了，车也变成了家家户户都买的起的一个交通工具。

随着拥有车辆的家庭增多，驾照也成了大家日益增长的需求。那么驾照考试的需求也就日益增多。模拟驾照考试也就应运而生，模拟驾照考试与真实的驾照考试相比有点也比较明显，主要由以下几点：

第一，模拟驾照考试可以随时随地规范考试着的汽车操作，汽车驾驶模拟器是基于模拟平台的，不需要过于庞大的场地和物资，可以随时随地模拟真车的操作，通过PC端的显示屏让操作者对汽车的基本构造、基础操作进行训练和通过进行模拟驾驶获得车辆驾驶的经验，从而最终使驾驶着能够通过最终的驾照考试。

第二，适当减小第一次驾驶车辆带来的恐惧感，真正的车辆驾驶涉及到现实的交互，可能因为自己的操作而造成不可挽回的后果。虚拟驾驶系统是模拟真实驾驶的，是学员有沉浸式的体验，减小学员内心的恐惧。特别是女性学员，我们都说女性是马路杀手，模拟驾驶就可以减少这种情况的发生，因为如果这种情况能在模拟环境中发生，学车者在真实的道路上行驶是内心就会有一个准备，从而减少交通事故的发生。例如出现了危险情况，通过不断反复练习平时真车不能实现的场景，当出现雾天、黑夜、雨天、雪天这样的恶劣天气时或者是行人突然跌倒，刹车失效的特殊情况时，学员事先有所准备，从而减小在现实情况下驾驶时遇到突发事件的反应时间和紧张感。

第三，提高学车者学习时间和学习效率，在现实生活中，如果我们要去学车，往往是多人共用一辆车，在其他人使用车辆时，我们只能等待，这样就会浪费大量的时间。使用模拟驾驶的驾驶器后，学车着可以自由选择驾驶时长，驾驶时间，而不用在等待中浪费时间。模拟驾驶训练还可以让学车者较为迅速滴对科目二项目内容和项目要求进行熟悉，当进行真实科目二考试训练时，便能有效地提高学习效率，让学车者能够进入学习状态。

第四，有效保护真实车辆，在现实生活中，错误的操作会对车辆造成不同程度的损伤，例如离合器的错误操作，为加大离合器的磨损，当磨损达到一定程度的时候，车辆功能会受到影响，而且更换离合器后，汽车功能也很难达到最佳状态，这也会在一定程度上影响学车者的学习体验。

1.5预期目标

虚拟驾驶是在虚拟环境中生成车辆驾驶场景、天气效果和动态模拟，使用户能够通过虚拟驾驶环境提供的视觉、听觉和触觉感知来模拟自己的驾驶体验，并通过虚拟驾驶中用户对人机交互设备的操作，将用户的操作转化为虚拟世界中的车辆驾驶行为。这个过程一直是循环的，形成了用户与虚拟驾驶界面的交互，从而达到了模拟器开发和虚拟驾驶培训的目的。

预期目标是模拟器能够正常模拟科目二考试时的场景。

对于未来的期望：虚拟模拟驾驶能可以有效的减少学车着在学车和进行驾照考试的路上走弯路，能让学车者掌握有效的驾驶车辆的技能，更容易、更方便、更快速在这个人人都渴望得到驾驶证的情况下获得自己的驾驶证。

第2章 设计思路

模拟驾驶系统主要分模型和功能两个大的方面，模型包括汽车模型，场景模型。根据现实生活中科目二考试的要求，汽车模型需要涉及车轮，方向盘，反射镜。场景模型有侧方停车，倒车入库，坡道行驶，S 型弯道行驶以及直角转弯五个大的场景模型。

2.1输入控制设备

在现实生活中是，输入操控设备有动力设备（离合器、油门踏板、制动踏板），控制设备（挂挡杆、方向盘），观察设备（车灯开关、仪表盘、雨刷开关），所以，在虚拟驾驶模拟器中，为了和驾驶真实车辆有一样的驾驶体验，我们需要选择合理的输入操控设备，来使虚拟模拟驾驶的实时功能和操控性得到保证。因此，虚拟驾驶系统的输入控制设备是保证整个系统正常运作的重中之重。

由于我的虚拟模拟驾驶功能的虚拟环境模拟设备是基于PC平台来开发，所以在有限的条件下，我会选择使用电脑的鼠标与键盘作为整的模拟驾驶系统的输入控制设备，将键盘得到的信号传送给整个虚拟驾驶系统，让这些信号对Unity中的汽车模型进行控制，完成与场景的交互。利用虚拟驾驶系统中的Unity的各个模块，如碰撞模块，C#代码模块将车辆的交互信息通过感觉、视觉和听觉传递给操作者，通过这种方式让操作者即使调整自己和车辆的状态，从而完成驾照考试科目二的模拟考试。

2.2 车辆组成成分及其功能

在现实生活中，车辆主要由动力系统（发动机），控制系统（方向盘，油门，刹车），观察系统（车灯，后视镜）等几部分组成。其中动力系统主要负责车辆的前进，完成车辆位置的变动，已达到与场景完成交互的目的，控制系统与动力系统联系紧密，在不同的场景中地形，车辆所需速度都有所不同，而控制系统和动力系统相结合，才能完成复杂的场景交互，观察系统是服务车辆操作者的，其主要目的将周围环境通过设备更好的呈现在车辆操作的视角里，以降低操作者的操作失误，让场景交互更加简单和顺利。

虚拟驾驶系统的目的是给人一种沉浸式的驾驶体验，所以这些设备不能缺失，而且功能上也必须与现实中一样或者无限接近，本设计就是要通过对现实中车辆的情况进行分析，通过电脑编程，使车辆模型能有现实生活中的物理效果。

2.3 车辆动力学模型

车辆物理学模型主要分前进与转向两个方面，车辆前进时，需要对车辆进行受力分析，车辆在正常道路上形式的受力分析如图2-1，

图 2-1 车辆的动力学模型

若要使车辆能够要道路上正常前进车辆相前里力要大于车辆因地形产生的相后的力。通过对车辆的受力分析，由牛顿第二定律得