摘 要

传统的汽车实验存在一些缺点，如易受时间、天气、场地的影响，多次实验效率低、成本高，并且对驾驶员存在一定的安全隐患。随着计算机技术的高速发展，模拟驾驶系统成为汽车领域的研究重点。模拟驾驶系统通过提供逼真的模拟驾驶环境以让驾驶员有沉浸感，完成实验采集到真实有效的数据，能替代实车实验的部分实验项目或作为实车实验前的参考，这对于提高实验效率和降低实验成本意义重大。

本文提出利用场景建模软件Unity3D结合道路建设插件EasyRoads3D设计制作模拟驾驶系统道路场景的构想，构建的场景将主要用于脑电实验。需要建立两个场景，模仿测试环境的道路场景和模仿真实环境的道路场景。前者要求转弯半径可调，入弯前有提示，进出弯道时间可记录输出，因此其对弯道的准确度要求高。此场景通过多种弯道半径场景切换、制作入弯提示标志和使用脚本和触发进行构建。而后者对场景的真实度要求高。此场景通过导入更精美的贴图和资源来进行制作。依靠Unity3D和EasyRoads3D强大的场景建模功能成功完成了道路场景的设计制作。制作的场景经实际运行测试相关功能正常工作，所得结果准确，场景完全符合模拟驾驶实验的要求。

关键词：模拟驾驶；道路场景；Unity3D

Abstract

There are some disadvantages in traditional automobile experiment, such as easily being disturbed by time, weather and site, and inefficient and expensive because of multiple trials, and potential dangers for the drivers. With the rapid development of computer technologies, driving simulation system has become the focus in automobile research field. By providing lifelike simulated driving environment, the driving simulation system can make the driver feel involved and complete the experiment, and collect real and valid data. It can replace some items or can be reference for real automobile experiment, which is of great significance to increase efficiency and lower experiment cost.

In this paper, an idea was proposed to design and build road scenes which will mainly be used in electroencephalogram (EGG) experiment by the modeling software Untiy3D associated with the plug-in EasyRoads3D. Two scenes should be created, the one that was supposed to mimic test environment, and the other one the real environment. The design of the former scene required the adjustable radius of turn, warning before entering turn, recording and outputting the time that the car entered and left the turn, which required high accuracy of the turns. This scene would be created by switching between scenes of different turn radius, making warning signs for turns, and using scripts and triggers. The latter scene required higher realness. This scene would be created by importing and using better pictures and assets. The design of the scenes was completed by using the powerful modeling function of Unity3D and EasyRoads3D. The scenes were tested and they worked very well, the results were accurate, thus the scenes totally meet the request of driving simulation experiment.

Keywords: Driving simulation, Road scenes, Unity3D

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题的目的和意义 3

1.4 设计思路 3

第2章 软件与插件 4

2.1 Unity建模软件 4

2.1.1 插件功能 5

2.1.2 触发功能 5

2.1.3 工具刷 5

2.2 EasyRoads3D插件介绍 6

2.3 本章小结 6

第3章 模仿测试环境的道路场景 7

3.1 场景功能要求及设计思路 7

3.2 道路形状与转弯半径 7

3.3 道路建设 8

3.3.1 路径点系统 8

3.3.2 定量半径 10

3.3.3 路径点拟合弯道检验 11

3.3 入弯提示 13

3.3.1入弯标志制作 13

3.3.2入弯标志布置 13

3.4 弯道计时 14

3.4.1 脚本功能与使用 14

3.4.2 计时面板制作与布置 15

3.4.3 触发制作与布置 16

3.5 运行结果与小结 17

第4章 模仿真实环境的道路场景 19

4.1 场景设计思路 19

4.2 地形设计 19

4.2.1 地形高度设计 19

4.2.2 地形贴图绘制 20

4.3 道路建设 20

4.4 场景装饰 21

4.4.1 建筑物布置 21

4.4.2 树木绘制 22

4.5 运行结果与小结 23

第5章 结论与展望 25

5.1 结论 25

5.2 展望 25

致谢 26

参考文献 27

第1章 绪论

1.1 课题背景

1886年德国人本茨和戴姆勒发明了汽车，1913年福特汽车公司建造了世界上第一条汽车装配流水线，自此汽车开始商品化、平民化，人类真正告别马车时代迎来了汽车时代。截至2015年，全球汽车保有量已达12.82亿辆^[1]。

汽车市场竞争激烈，各大汽车公司也在加紧新型汽车的研发与测试。除了传统的汽车机械结构的研发改进外，脑控与智能驾驶汽车等新技术也越来越被各大汽车公司重视。国外高科技公司如谷歌和英伟达已经取得相当大的进展。汽车性能测试是汽车新技术研发的必经步骤，不论是针对汽车传统技术还是高新技术。目前的汽车测试通常是采用实车测试，驾驶员驾驶实验车完成各种测试项目并收集数据。这种方式存在一些缺点，如易受时间、天气、场地的影响，多次实验效率低、成本高，并且对驾驶员存在一定的安全隐患^[2]。随着现代计算机技术的飞速发展和硬件水平的提升，能完成大部分汽车实车测试项目的模拟驾驶得到了各大汽车公司的重视。

模拟驾驶，又称汽车驾驶仿真，或汽车虚拟驾驶。模拟驾驶让体验者在一个虚拟的驾驶环境中，使其感受接近真实效果的视觉、听觉和体感的汽车驾驶体验^[3]。模拟驾驶系统的组成包括汽车动力学模型、视景仿真系统和配套的软硬件系统。其中视景仿真系统对模拟驾驶系统的逼真度和功能性影响最大，是模拟驾驶系统研究的重点。

1.2 国内外研究现状

国外很早就有模拟驾驶的概念了。模拟驾驶最早应用于飞机。早在1910年，法国ANTIONETTE公司就利用驾驶模拟器辅助飞行员完成飞行训练^[4]。之后随着汽车产业的发展，驾驶模拟器又被广泛运用于汽车驾驶训练。受制于时代科技，所谓的驾驶模拟器只不过是用于向驾驶员展示交通事故，以起到警示作用,如1934年MILESamp;VINCENT公司开发的模拟驾驶样机。直到20世纪60年代初才出现了第一台真正意义上的汽车驾驶模拟器FHWA Highway Driving Simulator。而后随着计算机技术的飞速发展，由驾驶模拟器和虚拟场景结合的模拟驾驶系统得以实现。发达国家很早就将汽车模拟驾驶系统作为培训工具，如日本早在1970年就立法规定汽车培训机构应配备模拟驾驶系统^[5]。

20世纪70年代后，汽车的运动性能得到了很大的提升，模拟驾驶系统也开始应用在车辆安全性分析领域^[6]。国外也开始研究多自由度的汽车驾驶模拟器，美国、德国、日本等国的企业与高校投入大量资金进行研制。1985年，奔驰汽车公司率先开发大规模的六自由度模拟驾驶系统，开创了多自由度模拟驾驶系统的先河。紧接着，瑞典的VDI公司研制了小规模的模拟驾驶系统，用在瑞典车辆研发及交通控制领域。1989年，大众公司利用高速计算机和视景快速生成技术为原有模拟驾驶系统进行升级，将其用在新型汽车的开发中。1995年，日本开发了带体感模拟的模拟驾驶系统，其仿真程度更高。

进入21世纪后，汽车驾驶模拟器更多的应用于安全辅助驾驶系统的研发上，如智能巡航控制等^[7]。较为出色的有2008年德国慕尼黑大学研制的FTM汽车驾驶模拟器和2010年奔驰汽车公司对其原有驾驶模拟器进行改进升级的新型驾驶模拟器，后者拥有360度环绕屏幕和长达12米的纵向可移动轨道，能模拟多种驾驶行为，如变更车道和在坡道及坑洼路面行驶等^[8]。

国内对于汽车模拟驾驶的研究起步较晚，并且经历了一个从国外引进到自行研发的过程。最早是引进捷克的点光源平板投影仿真器，而后又引进美国的被动式仿真器，如从美国多伦公司的L-30式被动汽车仿真器^[9]。直到20世纪70年代，中国才拥有了自主研发汽车驾驶模拟器，但由于开发工具和环境较落后，研发的模拟器仿真度较差。随着计算机技术的发展，到上世纪90年代，国内才出现了自主研发的高仿真度的汽车驾驶模拟器。国内研究模拟驾驶系统的主要是各大高校，包括武汉理工大学、装甲兵工程学院、长安大学、哈尔滨工程大学、吉林大学和同济大学等国内知名高校。

昆明理工大学的曾纪国和熊坚等人研制的模拟驾驶器，包含视景系统、计算机控制系统和驾驶舱等，其具有较高的真实度和良好的交互性，已在高速公路设计的成果检验和评定、交通控制与管理研究、交通事故现场重现等方面有所应用，但其存在无法实时查看相关实验数据的缺点^[10]。

长安大学的陈涛研发了人-车-环境协同运行的视景仿真平台，其利用Creator软件构建了道路的三维模型，基于Vega API和OpenGL图形引擎开发了视景仿真系统。主要组成是模拟驾驶操作平台、视景仿真系统和数据采集系统。通过该平台，驾驶员可使用模拟驾驶平台在虚拟场景内进行各种仿真实验，研究人员便可根据动态仿真的过程得到相应的数据以进行分析研究。

哈尔滨工程大学的薛涵使用Virtools工具开发了汽车仿真驾驶系统，该系统通过对车辆进行运动分析，能对驾驶员的行为和车辆的行驶状态做实时监测^[11]。利用多通道同步渲染与输出技术可以模拟车辆前后视野，使系统更加真实。

合肥工业大学的王文龙利用OpenGL建立了虚拟实验场景，使用ADAMS/VIEW模块构建了汽车整车模型，进行了车辆操纵稳定性方面的研究。不过该系统基于ADAMS软件开发，缺少相应的实体建模功能，因此视景仿真效果较差^[12]。而武汉理工大学的陈先桥、高嵩等人基于OGRE图像引擎和ODE物理引擎进行建模而研制的模拟驾驶系统，功能相对完善且仿真度相比以往的模拟驾驶系统有了较大提高。

国内研发的模拟驾驶系统较为出色的是装甲兵工程学院的MUL-QJM模拟驾驶系统和吉林大学的ADSL模拟驾驶系统^[13]。MUL-QJM模拟驾驶系统采用了实时的CIG技术用于产生仿真视景，搭配用于动力学仿真的汽车动力学模型，可很好地运用在交通工程、车辆安全和人机交互工程的研究。ADSL模拟驾驶系统则建成于1995年，其可对汽车整车及部件做全面的性能分析、评定，功能强大，性能优异，并且在2010年进行了系统升级，其动力学自由度增加到42个，且做了多处优化，总体性能大幅提高，代表了国内汽车模拟驾驶系统的最高水平。

1.3 课题的目的和意义

本课题的目的便是设计构建模拟驾驶的道路场景作为脑电实验的实验环境。脑电实验对道路场景的要求根据实验需要而不同。本设计将设计两个道路场景，第一个将作为转弯相关脑电实验的实验环境，其要求场景尽量简单、可控，并能实现记录车辆通过弯道所用时间的功能。第二个场景则用在对场景真实度要求更高的实验中，场景真实度和丰富度对实验数据影响较大。本设计通过提供逼真的模拟驾驶环境以让驾驶员有沉浸感，完成实验并采集到真实有效的数据，这对于提高实验效率和降低实验成本意义重大。

1.4 设计思路

本课题主要内容为设计完成模仿测试环境的椭圆环形道路场景（要求转弯半径可调，入弯前有提示，车辆出入弯道时间可记录输出）和模仿真实环境的封闭道路场景。前者的设计主要围绕弯道进行，对弯道半径的准确度和相关功能运行的要求很高。而后者更注重于场景的真实性，对场景内容的真实度和丰富度要求更高。两者的构建过程大体相同，有联系而又有所不同，将在下文中详细介绍。

第2章 软件与插件

2.1 Unity建模软件

目前大多数广泛使用的模拟驾驶场景，其开发平台多是基于OpenGL、DirectX等引擎，然而这些引擎都是基于图形渲染的底层，开发的模拟驾驶场景真实度不够，很难带给驾驶者以沉浸感。有些开发团队则使用Creator、Vega和Big World等商业视景软件进行开发，虽然场景真实度得到了提高，但存在开发成本高和难以二次开发的问题^[14]。经过综合比较本设计决定使用Unity3D作为模拟场景建模软件。

Unity3D是Unity Technologies开发的一个让使用者轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型应用开发工具，拥有全面整合的专业游戏引擎^[15]。Unity3D具有许多优点，如界面友好操作简单；相比于OpenGL和DirectX等构建的场景更加真实，内置特效种类多精细度高；相比于Creator和Vega等则开发成本低， Unity3D对于个人和小团体的版本功能齐全而且是完全免费的, 场景也可用于二次开发，进一步降低成本；兼容性和拓展性强，Unity3D支持3ds Max和Maya等软件的资源，支持MonoDevelop和C的脚本，应用可发布于Windows、Mac、Wii和移动平台，Unity Asset商店还有大量的资源和插件。使用Unity3D作为模拟驾驶场景设计软件是非常合适的。

图2.1 Unity界面

Unity3D功能种类繁多，将在本设计中重点使用的是插件、触发和工具刷功能。

2.1.1 插件功能

插件是Unity的拓展，能为Unity带来更丰富的功能，如道路建设、城市建设、地形建设（河流、山地等）等。Unity自身难以实现的，都能通过使用插件简单容易地制作出来，且效果更好。本设计将用到道路建设插件EasyRoads3D。

图2.2 EasyRoads3D道路建设插件

2.1.2 触发功能

触发是Unity场景制作的重要部分。利用不同的脚本制作不同的触发，就能在场景中实现不同的功能。其常常用于制作计时器和激活事件。

2.1.3 工具刷

工具刷是制作Unity地形的重要工具。其可用于绘制简单地形、绘制地形贴图和绘制地面物体（主要是树木）。工具刷可以调整绘制范围和绘制密度，以加强细节制作。

图2.3 工具刷

2.2 EasyRoads3D插件介绍

EasyRoads3D是Unity地形工具分类下的一款插件，用于在Unity场景中建立道路。EasyRoads3D可以建设各种道路，其拥有数个道路贴图，包括城市道路、乡村土路；也可以建设各种路口，丁字形或者十字形等；还可以为道路设置侧面物体（Side Objects）如栏杆和路灯等，使场景更加真实。EasyRoads3D兼容性和拓展性强，除了它自带的资源，还可以导入外部资源，以建设更加真实丰富的道路场景。它强大而方便的功能对本设计是有用而重要的。

图2.4 EasyRoad3D道路场景

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