作者：徐亮，石娟，鄭英東，郭魁元，秦孔建

單位：中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司

[摘要]駕駛模擬器的種類較多，成本較貴，如何根據(jù)使用需求選擇合適的駕駛模擬器是當(dāng)前很多汽車企業(yè)面臨的難題。而對(duì)駕駛模擬器進(jìn)行科學(xué)和系統(tǒng)性的評(píng)價(jià)是進(jìn)行汽車駕駛模擬器采購(gòu)選型的基礎(chǔ)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外還缺乏系統(tǒng)性的汽車駕駛模擬器評(píng)價(jià)方法。本文重點(diǎn)研究并提出了一套汽車駕駛模擬器主客觀評(píng)價(jià)方法，并將主客觀評(píng)價(jià)評(píng)分結(jié)果進(jìn)行加權(quán)綜合得到總體評(píng)分。所提出的評(píng)價(jià)方法可以應(yīng)用在駕駛模擬器選型之中，為企業(yè)進(jìn)行駕駛模擬器采購(gòu)以及后續(xù)的設(shè)備檢定提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：駕駛模擬器，評(píng)價(jià)，主客觀，逼真度

前言

汽車駕駛模擬器一般由車輛實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、聲音模擬系統(tǒng)、運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)、集成信息管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成[1] 。它將真實(shí)的駕駛員與虛擬車輛、虛擬場(chǎng)景組成駕駛員在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，通過逼真地模擬車輛在各種工況下的車輛狀態(tài)，并通過視覺、體感、觸感反饋和聲效等方式讓駕駛員對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行主客觀性能評(píng)估。其特點(diǎn)在于避免了對(duì)真實(shí)駕駛員行為和駕駛員主觀評(píng)價(jià)的建模，而當(dāng)前這兩方面是很難有效建模。通過這種方式，能夠讓整套測(cè)試系統(tǒng)與實(shí)車測(cè)試結(jié)果更為一致，從而實(shí)現(xiàn)更為有效的測(cè)試。相較實(shí)車測(cè)試，除了縮短測(cè)試成本和周期以外，同時(shí)測(cè)試可控性和可觀性更強(qiáng)，能夠設(shè)置各種測(cè)試場(chǎng)景，可以實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)極限測(cè)試，能存儲(chǔ)更為豐富的數(shù)據(jù)類型。

通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀表明，目前有關(guān)駕駛模擬器的評(píng)價(jià)研究較少，給駕駛模擬器的選型帶來(lái)了困難。通過實(shí)地考察多臺(tái)駕駛模擬器，以及調(diào)研國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，總結(jié)并提出了一套汽車駕駛模擬器主客觀評(píng)價(jià)方法。

1、駕駛模擬器發(fā)展現(xiàn)狀

汽車駕駛模擬器的研究很早就已經(jīng)開展，最早是從上個(gè)世紀(jì)60年代開始。第一個(gè)階段是靜態(tài)駕駛模擬器階段：在1965年，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)出版一篇報(bào)告，報(bào)告[2]中提到駕駛員坐在一個(gè)靜止的駕駛艙內(nèi)，艙前是投影儀系統(tǒng)，放映真實(shí)場(chǎng)景的彩色電影。一年后，美國(guó)人力資源研究組織開發(fā)了一套類似的系統(tǒng)[3]。

第二個(gè)階段是動(dòng)態(tài)駕駛模擬器階段。這個(gè)階段，駕駛艙可以具備較小行程的運(yùn)動(dòng)。1970年代早期，德國(guó)汽車公司大眾有限公司開發(fā)的駕駛模擬器，是采用一塊屏幕安裝在駕駛員座椅前，沒有駕駛艙，駕駛員座椅放置在一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，具備俯仰、側(cè)傾和橫擺三個(gè)自由度。1980年，美國(guó)交通和聯(lián)邦公路管理局，決定通過資助基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組建完全交互式駕駛模擬器的可行性研究。1985年，戴姆勒-奔馳在柏林-馬林費(fèi)爾德研究中心[4]，建設(shè)了第一次以六足并聯(lián)機(jī)構(gòu)為運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)的駕駛模擬器。從此，在1990年代，馬自達(dá)[5]、通用[6]、福特[7]、雷諾[8]、寶馬等車企都開始建設(shè)具備全運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的交互式仿真的駕駛模擬器。同時(shí)期，多家國(guó)家研究機(jī)構(gòu)，如日本汽車研究所[9]、英國(guó)交通研究實(shí)驗(yàn)室[10]等，也開始紛紛建設(shè)自家的駕駛模擬器。另外，許多大學(xué)也開始建設(shè)駕駛模擬器，比較有代表性的是美國(guó)愛荷華大學(xué)駕駛模擬器[11]，它采用的是波音737飛行模擬器所使用的六足運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。中國(guó)吉林大學(xué)于1996年建成了包含6個(gè)自由度的駕駛模擬器[12]，用于車輛性能設(shè)計(jì)、車載控制系統(tǒng)開發(fā)等方面。


圖1 NADS駕駛模擬器

第三個(gè)階段是帶導(dǎo)軌大行程動(dòng)態(tài)駕駛模擬器，即大幅增加了駕駛艙水平運(yùn)動(dòng)的行程（包含前向、側(cè)向、橫擺三個(gè)方向）。在愛荷華大學(xué)開發(fā)的駕駛模擬器基礎(chǔ)上，TRW公司對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，并將改進(jìn)后的駕駛模擬器命名為“國(guó)家高級(jí)汽車駕駛模擬器（NADS）[13]”。如圖1所示，它將駕駛艙放置在一個(gè)直徑為7.3 米的圓形艙內(nèi)，圓形艙則安裝在六足運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，六足運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)下是雙軸滑軌，具備19 米的水平縱向和側(cè)向行程，以及330°的橫擺角行程。豐田駕駛模擬器受NADS S駕駛模擬器影響，在東富士技術(shù)中心的駕駛模擬器采用類似的方案，不同的是在側(cè)向運(yùn)動(dòng)行程上增至25米，縱向行程上增至35米。

近些年，涌現(xiàn)越來(lái)越多各種設(shè)計(jì)類型的駕駛模擬器，主要體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)越來(lái)越多樣化。德國(guó)航天航空局（DLR R）設(shè)計(jì)的駕駛模擬器[14]如圖2所示。Ansible motion公司的駕駛模擬器[15]如圖3 所示。VI-grade駕駛模擬器[16]如圖4 所示。Anthony Best Dynamics（ABD）駕駛模擬器[17]如圖5所示。其中DLR的這種設(shè)計(jì)是將作動(dòng)器的鉸接到駕駛艙頂部，使旋轉(zhuǎn)點(diǎn)盡可能接近駕駛員頭部。Ansible motion模擬器，將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)分成了三層，從而將車輛六向運(yùn)動(dòng)由三層運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。VI-grade 的駕駛模擬器采用兩層，下部采用三足機(jī)構(gòu)，進(jìn)行低頻大行程運(yùn)動(dòng)，上部采用六足機(jī)構(gòu)，進(jìn)行高頻小行程運(yùn)動(dòng)。ABD駕駛模擬器沒有采用分層的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，而是采用8 個(gè)楔形機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)放置在一個(gè)長(zhǎng)導(dǎo)軌通過磁力驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)側(cè)向較大范圍運(yùn)動(dòng)。



2、駕駛模擬器評(píng)價(jià)方法國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Ansible motion 的工程師Kia認(rèn)為駕駛模擬器的評(píng)價(jià)可以從兩個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)，一方面從駕駛模擬器各個(gè)軟硬件組成部分評(píng)價(jià)，另一方面通過試駕進(jìn)行評(píng)價(jià)。提到軟硬件系統(tǒng)可分為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、應(yīng)用工具、視景系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)等幾大類進(jìn)行評(píng)價(jià)；其中，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包含評(píng)價(jià)子類有運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、駕駛艙內(nèi)輔助運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（座椅、主動(dòng)安全帶），應(yīng)用工具包含聯(lián)合仿真環(huán)境、圖像生成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。試駕主觀評(píng)價(jià)，主要通過平順性、操控性、制動(dòng)性等幾大類評(píng)價(jià)。

Anthony Best Dynamics 的工程師Adrian博士重點(diǎn)提到了駕駛模擬器運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的性能評(píng)價(jià)和一些試駕項(xiàng)目以進(jìn)行駕駛模擬器性能評(píng)估。關(guān)于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的性能，提出通過行程、頻率響應(yīng)特性、延遲時(shí)間、線性度、一致性、摩擦、噪音、故障率等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。行程這一方面，需要結(jié)合評(píng)價(jià)車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即車輛在不同自由度上的行程范圍，同時(shí)需要考慮復(fù)合行程，即運(yùn)動(dòng)平臺(tái)同時(shí)在進(jìn)行多個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)的行程范圍。頻率響應(yīng)特性也需要結(jié)合車輛各個(gè)方向?qū)嶋H頻率分析需求。延遲時(shí)間需要盡可能小，尤其是需要小于人類所能感受的滯后時(shí)間。關(guān)于如何進(jìn)行駕駛模擬器試駕，以便進(jìn)行評(píng)估，Adrian 博士提到首先需要有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員進(jìn)行足夠長(zhǎng)時(shí)間的駕駛，這樣才能有效評(píng)估。質(zhì)量好的駕駛模擬器，當(dāng)車輛參數(shù)改變幅度較小時(shí)，例如1-2% ，試駕時(shí)就能讓駕駛員感受到；質(zhì)量不好的駕駛模擬器，即使車輛參數(shù)改動(dòng)幅度很大時(shí)，很多時(shí)候駕駛員試駕時(shí)也不能感受到。

VI-grade運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)單位鷺宮制作所伊榮生認(rèn)為，關(guān)于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的評(píng)價(jià)，低頻受行程限值，中頻受速度限值，高頻受加速度限值，如果各個(gè)數(shù)值越大，對(duì)運(yùn)動(dòng)體感的依賴就越小。同時(shí)提出平臺(tái)設(shè)計(jì)的行程，需要分析汽車在各種道路駕駛時(shí)，三個(gè)自由度上（Z、Roll、Pitch）的行程范圍。另外，還分析了車輛在一般駕駛情況下，和一般路面行駛時(shí)，各個(gè)方向的加速度范圍。因此需要分析運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的加速度范圍滿足車輛一般駕駛情況下的加速度要求。

吉林大學(xué)管欣教授多年來(lái)一直從事駕駛模擬器的開發(fā)與研究，提出模擬器逼真度[12]的概念，用來(lái)描述模擬器駕駛感覺和實(shí)車駕駛感覺的一致情況。吉林大學(xué)段春光博士[12]認(rèn)為，改進(jìn)車輛動(dòng)力學(xué)模型，是提升模擬器逼真度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。通過將駕駛模擬器中的整車動(dòng)力學(xué)模型仿真數(shù)據(jù)與實(shí)車場(chǎng)地試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比是評(píng)價(jià)駕駛模擬器逼真度的方法之一。段博士主要進(jìn)行了滑行試驗(yàn)、縱向加速試驗(yàn)、制動(dòng)試驗(yàn)、操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方面的對(duì)比。另外，分析了影響模擬器逼真度幾個(gè)方面：車輛動(dòng)力學(xué)模型、仿真路面環(huán)境、硬件工作能力及子系統(tǒng)匹配。

英國(guó)利茲大學(xué)的Andrew 博士[18]研究了幾個(gè)駕駛模擬器關(guān)鍵子系統(tǒng)對(duì)駕駛模擬器有效性的影響，重點(diǎn)包含視景系統(tǒng)、前庭系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)。視景系統(tǒng)方面，顯示質(zhì)量非常重要，包含畫面分辨率，更新頻率，視角。這對(duì)于駕駛員估計(jì)車速、物體之間距離、車輛朝向以及側(cè)向控制有著重要意義。前庭系統(tǒng)方面，前庭系統(tǒng)主要與駕駛模擬器的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)，Harms[19]，Duncan[10]等研究表明，當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)固定式，駕駛員在駕駛模擬器上相對(duì)真實(shí)道路駕駛時(shí)，在車道上位置變化更大；Siegler，Reymond[20]等人研究表明，與僅提供視覺信息相比，當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)存在橫向運(yùn)動(dòng)提示時(shí)，駕駛員會(huì)執(zhí)行更大的轉(zhuǎn)向。關(guān)于音頻對(duì)駕駛模擬器試駕時(shí)駕駛員行為的影響還不是很明顯。

3、駕駛模擬器主觀評(píng)價(jià)方法

主觀評(píng)價(jià)重點(diǎn)通過視覺、體感、觸感、聲覺等分項(xiàng)評(píng)價(jià)，同時(shí)包含通過試駕進(jìn)行駕駛逼真度綜合評(píng)價(jià)。

3.1 視覺評(píng)價(jià)

駕駛模擬器多采用環(huán)幕投影顯示系統(tǒng)，根據(jù)環(huán)形屏幕角度的大小，通常有120 °至360° 不等。多通道虛擬三維投影顯示系統(tǒng)是目前非常流行的一種具有高度沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)以多通道視景同步技術(shù)、數(shù)字圖像邊緣融合技術(shù)、多通道亮度和色彩平衡技術(shù)為支撐。

3.1.1 環(huán)境特征逼真度

環(huán)境特征包含兩個(gè)方面：靜態(tài)環(huán)境特征和動(dòng)態(tài)環(huán)境特征。下面展示了不同軟件中渲染后的視景效果。評(píng)價(jià)時(shí)，根據(jù)環(huán)境特征逼真度，按照五分制分為非常差（0-1）、差（0-2）、中（2-3）、良（3-4）、優(yōu)（4-5）。其中，環(huán)境逼真度中如圖6所示，環(huán)境逼真度優(yōu)如圖7 所示。


3.1.2 視景流暢度

視景流暢度的評(píng)價(jià)主要是觀察視景的變化是否流暢，是否會(huì)出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，幀與幀的圖像是否能夠平滑過渡。流暢度主要與視景計(jì)算工作站的計(jì)算性能相關(guān)。根據(jù)視景流暢度，按照五分制進(jìn)行評(píng)分。

3.1.3 視景明亮度

視景明亮度，主要觀察并比較視景系統(tǒng)在額定工作情況下，視景效果和真實(shí)環(huán)境的明亮程度，過于明亮和過于昏暗都是不合適的。按照五分制進(jìn)行評(píng)分，越接近真實(shí)，評(píng)分越高。

3.1.4 視景拼接平滑度

數(shù)字圖像顯示在屏幕上，是由多塊數(shù)字圖像拼接而成，重點(diǎn)關(guān)注環(huán)形屏幕數(shù)字圖像之間拼接處是否平滑，有無(wú)相互覆蓋、重疊、有縫隙等現(xiàn)象，以及明亮程度是否一致等。同樣按照五分制進(jìn)行評(píng)分。

3.1.5 視景同步程度

駕駛模擬器顯示時(shí)，常采用多通道投影技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)不同步時(shí)，在試駕時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)環(huán)幕有些區(qū)域的圖像的幀已經(jīng)更新，有些區(qū)域還未更新。這一項(xiàng)性能的主觀評(píng)分按照五分制評(píng)分。

3.1.6 視景距離和速度逼真度

視景的距離和速度逼真度也是很重要的一項(xiàng)視景指標(biāo)。在評(píng)價(jià)視景距離逼真度時(shí)，比較視景中的道路兩旁的電線桿與實(shí)際道路兩旁

相同距離的電線桿，判斷視覺感受上是否一致。在評(píng)價(jià)視景速度逼真度時(shí)，主要根據(jù)駕駛艙內(nèi)儀表盤上的速度信息和環(huán)幕中的圖像變化，主觀評(píng)價(jià)是否與實(shí)車相應(yīng)速度下的感受一致。這一項(xiàng)性能評(píng)分采用五分制。

3.2體感評(píng)價(jià)

體感是通過駕駛員耳朵內(nèi)前庭進(jìn)行感受，前庭系統(tǒng)能夠感受線性加速度和角加速度。當(dāng)駕駛員在駕駛模擬器中駕駛時(shí)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)會(huì)模擬在實(shí)車道路上駕駛時(shí)的車體運(yùn)動(dòng)。

在進(jìn)行該項(xiàng)評(píng)價(jià)時(shí)，需要在空間比較開闊的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。下面所有的評(píng)價(jià)都按照五分制評(píng)分。

3.2.1 縱向和俯仰兩個(gè)方向的體感評(píng)價(jià)

縱向和俯仰兩個(gè)方向的體感評(píng)價(jià)，主要通過直線加速和制動(dòng)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)時(shí)，初始車速為40km/h 和80km/h，然后進(jìn)行緊急制動(dòng)（1s內(nèi)制動(dòng)到底）和緩慢制動(dòng)（10s 制動(dòng)到底）， 進(jìn)行加速（1s 內(nèi)加速到底）和緩慢加速（10s 內(nèi)加速到底）。在這些試驗(yàn)中，評(píng)價(jià)縱向和俯仰兩個(gè)方向的體感和實(shí)車駕駛時(shí)的一致性。

3.2.2 側(cè)向、側(cè)傾、橫擺三個(gè)方向的體感評(píng)價(jià)

側(cè)向、側(cè)傾、橫擺三個(gè)方向的體感評(píng)價(jià)，主要通過操縱轉(zhuǎn)向進(jìn)行評(píng)價(jià)，在虛擬動(dòng)態(tài)廣場(chǎng)上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)圓周試驗(yàn)，固定轉(zhuǎn)向角度90 °不變，逐漸增加車速。在虛擬試驗(yàn)場(chǎng)上，保持車速在40km/h左右，進(jìn)行繞樁試驗(yàn)（或稱蛇形試驗(yàn)）。在此試驗(yàn)中，評(píng)價(jià)側(cè)向、側(cè)傾、橫擺三個(gè)方向的體感與實(shí)車駕駛時(shí)的一致性。

3.2.3 垂向、俯仰、側(cè)傾三個(gè)方向的體感評(píng)價(jià)

垂向、俯仰、側(cè)傾三個(gè)方向的體感評(píng)價(jià)，主要通過在虛擬試驗(yàn)場(chǎng)上進(jìn)行平順性試驗(yàn)評(píng)價(jià)，如圖8 所示。固定車速30km/h，在平順性測(cè)試試驗(yàn)場(chǎng)上進(jìn)行試駕，評(píng)價(jià)垂向、俯仰、側(cè)傾三個(gè)方向的體感與實(shí)車駕駛時(shí)的一致性。


圖8平順性虛擬試驗(yàn)場(chǎng)

3.3 觸感評(píng)價(jià)

觸感反饋主要通過方向盤力反饋、制動(dòng)踏板力反饋、加速踏板力反饋、座椅和安全帶力反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了讓駕駛員沉浸感更強(qiáng)，在駕駛艙內(nèi)所受的力也需盡量保持和實(shí)車駕駛時(shí)一致。而所有力反饋中，方向盤力反饋?zhàn)顬橹匾?，駕駛員在試駕時(shí)需要判斷是否存在方向盤的回正力矩和路感反饋力矩。

方向盤力反饋，主要進(jìn)行三種工況下試驗(yàn)評(píng)價(jià)：1.原地轉(zhuǎn)向；2. 蛇形試驗(yàn)；3. 比利時(shí)路面上試驗(yàn)。

制動(dòng)踏板力反饋、加速踏板力反饋、座椅縱向力反饋、安全帶力反饋，與縱向和俯仰兩個(gè)方向的體感評(píng)價(jià)試驗(yàn)工況一樣，在此過程中進(jìn)行制動(dòng)踏板力反饋、加速踏板力反饋、座椅縱向力反饋和安全帶力反饋評(píng)價(jià)。

座椅側(cè)向力反饋，和側(cè)向、側(cè)傾、橫擺三個(gè)方向的體感評(píng)價(jià)試驗(yàn)工況一樣，在此過程中進(jìn)行座椅側(cè)向力反饋評(píng)價(jià)。

3.4 聲覺評(píng)價(jià)

聲覺評(píng)價(jià)最重要是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音，胎噪，風(fēng)聲等。

在評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)聲音，將檔位置于空擋，然后逐漸加大加速踏板行程，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)聲音是否增加。

在評(píng)價(jià)胎噪和風(fēng)聲時(shí)，將檔位置于D 檔，然后逐漸加大加速踏板行程，在車速逐漸增加時(shí)，觀察胎噪和風(fēng)聲是否隨之增加。

3.5 駕駛逼真度主觀評(píng)價(jià)

駕駛逼真度主觀評(píng)價(jià)是一種綜合評(píng)價(jià)，是對(duì)駕駛模擬器視覺評(píng)價(jià)、體感評(píng)價(jià)、觸感評(píng)價(jià)、聲覺評(píng)價(jià)的綜合。

在進(jìn)行該項(xiàng)評(píng)價(jià)時(shí)，將選擇城市道路虛擬場(chǎng)景、高速公路虛擬場(chǎng)景、鄉(xiāng)村道路虛擬場(chǎng)景、山地道路虛擬場(chǎng)景。讓駕駛員在四種類型的虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行駕駛。最后比較與實(shí)際道路駕駛的主觀感受。與實(shí)際道路越接近，認(rèn)為駕駛逼真度越高。此項(xiàng)評(píng)分也采用五分制。

4、駕駛模擬器客觀評(píng)價(jià)方法

對(duì)駕駛模擬器的客觀評(píng)價(jià)，主要是基于駕駛模擬器相關(guān)子系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。駕駛模擬器的客觀評(píng)價(jià)分為兩類，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

4.1 硬件系統(tǒng)

4.1.1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

關(guān)于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，需要根據(jù)實(shí)際的平臺(tái)性能參數(shù)和相關(guān)測(cè)試報(bào)告進(jìn)行評(píng)價(jià)。主要評(píng)價(jià)如下關(guān)鍵方面：1. 行程范圍；主要判斷駕駛模擬器運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的各個(gè)自由度方向行程是否大于乘用車一般駕駛時(shí)行程。其中乘用車在駕駛時(shí)，垂向上的行程大多在±100mm 范圍內(nèi)，側(cè)傾方向上的行程大多小于5°，俯仰方向的行程大多小于5°，考慮體感運(yùn)動(dòng)算法的影響，側(cè)傾方向和俯仰方向的行程大于6°即可滿足要求；

2. 復(fù)合運(yùn)動(dòng)行程范圍；主要判斷運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在進(jìn)行幾個(gè)方向復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)（急加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等行駛工況下）的行程范圍。3. 加速度范圍；主要判斷駕駛模擬器的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)各個(gè)方向加速度是否大于乘用車駕駛時(shí)的車體加速度。研究表明：乘用車在行駛時(shí)，前后加速度一般小于10m/s2；左右加速度一般小于5m/s2；垂向加速度一般小于10m/s2；4. 頻率響應(yīng)帶寬；主要判斷駕駛模擬器的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在各個(gè)方向上的頻率帶寬是否滿足要求。5. 頻響一致性；主要判斷駕駛模擬器的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在不同行程上，頻率響應(yīng)曲線是否較為一致。6.延遲性能；主要判斷駕駛模擬器的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在不同方向上的延遲響應(yīng)時(shí)間。7. 平臺(tái)負(fù)載能力；在不影響平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)性能時(shí)，負(fù)載能力是越大越好，意味著駕駛艙里面可以裝置更多設(shè)備；8.噪音；主要判斷運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，噪音強(qiáng)度大小。9. 平臺(tái)故障率。主要判斷運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在10 年內(nèi)的故障發(fā)生情況。

4.1.2 駕駛艙

駕駛艙也是關(guān)系到駕駛模擬器沉浸感的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。主要通過如下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：1. 駕駛員操縱機(jī)構(gòu)（制動(dòng)踏板、加速踏板、換擋機(jī)構(gòu)、方向盤）是否與實(shí)車一致。2. 駕駛艙內(nèi)儀表盤顯示的功能是否和實(shí)車儀表盤一致。3. 是否安裝后視鏡。4. 是否有駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。5. 是否安裝轉(zhuǎn)向燈操作桿。

4.1.3 視景硬件系統(tǒng)

視景硬件系統(tǒng)，主要包含環(huán)屏、投影儀、圖像渲染工作站。在進(jìn)行視景系統(tǒng)客觀評(píng)價(jià)時(shí)，主要評(píng)價(jià)如下方面：1. 投影儀的刷新頻率。2. 環(huán)形屏幕上的畫面分辨率。3. 投影儀最大亮度。

4.1.4 實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)

實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能決定了仿真模型和圖像渲染的計(jì)算時(shí)間。計(jì)算性能出眾的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)，將會(huì)有效縮短延遲時(shí)間。實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)的評(píng)價(jià)主要通過：1.CPU 核數(shù)；2.CPU 主頻；3.I/O接口類型和數(shù)量。

4.2 軟件系統(tǒng)

4.2.1 中控系統(tǒng)

關(guān)于中控系統(tǒng)，主要評(píng)價(jià)功能是否齊全，是否包含如下功能：1. 仿真監(jiān)控與管理功能；

2. 數(shù)據(jù)記錄和管理功能；3.配置各個(gè)子系統(tǒng)的功能；4. 開啟各個(gè)系統(tǒng)的功能；5. 系統(tǒng)故障診斷功能。

4.2.2 仿真建模軟件關(guān)于仿真建模軟件，主要評(píng)價(jià)內(nèi)容如下：

1. 仿真模型是否齊全，如車輛動(dòng)力學(xué)模型、駕駛員模型、車輛傳感器模型、車輛控制器模型、交通環(huán)境模型、道路模型。2. 仿真模型能否實(shí)時(shí)仿真。3.軟件兼容性。4. 軟件是否支持模塊化和用戶自定義。

4.2.3 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制和體感運(yùn)動(dòng)算法軟件

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制軟件對(duì)于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的準(zhǔn)確快速控制是非常重要的。重點(diǎn)評(píng)價(jià)項(xiàng)目包含：1. 體感運(yùn)動(dòng)算法類型是否豐富，以便適應(yīng)用戶不同的應(yīng)用需求；2. 是否支持用戶配置體感運(yùn)動(dòng)算法參數(shù)。

4.2.4 視景渲染軟件

視景渲染軟件的評(píng)價(jià)項(xiàng)目包含：1. 是否能實(shí)現(xiàn)多通道同步高清輸出。2. 是否支持各種天氣配置。3. 是否支持動(dòng)態(tài)陰影效果；4. 是否支持物理光源仿真，如車輛各種燈光效果模擬；

5. 是否支持反光效果，如濕滑路面反光。6.是否包含物理表面材質(zhì)建模，從而支持雷達(dá)模型的探測(cè)。7. 虛擬仿真場(chǎng)景，交通元素和道路類型是否覆蓋了中國(guó)典型道路交通環(huán)境。

5、駕駛模擬器主客觀評(píng)價(jià)方法應(yīng)用

案例

根據(jù)文中所建立的汽車駕駛模擬器主客觀評(píng)價(jià)方法對(duì)一款駕駛模擬器進(jìn)行逐項(xiàng)評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)的結(jié)果如下表1和表2。同時(shí)設(shè)置了各個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的權(quán)重，權(quán)重的設(shè)置是根據(jù)該項(xiàng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的重要程度。其中評(píng)分中分子為所得分，分母為該項(xiàng)評(píng)分滿分的分值。

表1主觀評(píng)價(jià)結(jié)果


因篇幅關(guān)系，不再將評(píng)價(jià)子項(xiàng)的客觀評(píng)價(jià)結(jié)果一一列出，僅按照大類列出。

表2客觀評(píng)價(jià)結(jié)果


下面列出了部分硬件性能數(shù)據(jù)作為客觀評(píng)價(jià)結(jié)果的評(píng)分依據(jù)，如表3、表4和表5。

表3投影儀性能參數(shù)


表4運(yùn)動(dòng)平臺(tái)單方向工作行程


表5運(yùn)動(dòng)平臺(tái)最大速度和最大加速度


前文提到車輛在運(yùn)行過程中，常常不是單一運(yùn)動(dòng)形式，而是復(fù)合運(yùn)動(dòng)形式，例如轉(zhuǎn)向時(shí)，同時(shí)存在橫擺運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，因此需要判斷復(fù)合運(yùn)動(dòng)的行程，如圖9 所示。有一些平臺(tái)在單一方向上的運(yùn)動(dòng)行程滿足要求，但是復(fù)合運(yùn)動(dòng)行程較小。


圖9轉(zhuǎn)向時(shí)橫擺運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的頻率響應(yīng)特性是運(yùn)動(dòng)平臺(tái)十分重要的性能特征。圖10 中描述的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)頻率響應(yīng)特性的測(cè)量方法。測(cè)量前，將加速度計(jì)和陀螺儀安裝在駕駛員座椅正下方的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上。測(cè)試時(shí)，選擇合適的負(fù)載，如200kg。輸入信號(hào)推薦采用對(duì)數(shù)正弦掃頻信號(hào)。在輸入輸出幅頻特性曲線上，選取-3dB時(shí)的頻率點(diǎn)，作為頻率帶寬；在輸入輸出相頻特性曲線上，選取90 °相位滯后的頻率點(diǎn)，以此計(jì)算滯后時(shí)間。


圖10運(yùn)動(dòng)平臺(tái)頻率響應(yīng)測(cè)量方法表6

6運(yùn)動(dòng)平臺(tái)各個(gè)方向頻率特性和延遲時(shí)間


表6中，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的頻響特性參數(shù)為負(fù)載在200kg下的測(cè)量數(shù)據(jù)。


6、結(jié)論
本文回顧了駕駛模擬器的發(fā)展歷程，研究了國(guó)內(nèi)外駕駛模擬器評(píng)價(jià)方法，在此基礎(chǔ)上總結(jié)并提出了一套汽車駕駛模擬器主客觀評(píng)價(jià)方法，并將該方法應(yīng)用在了一款駕駛模擬器實(shí)際評(píng)價(jià)中，結(jié)果表明該評(píng)價(jià)方法能夠較為合理的反映駕駛模擬器性能，而且可操作性強(qiáng)。當(dāng)前在評(píng)價(jià)過程中所選擇的權(quán)重，隨著研究的深入，以及不同的需求，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，這也是后續(xù)可以繼續(xù)展開的研究點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]LEEWS,KIMJH,ChoJH.Adrivingsimulatorasavirtualrealitytool[C].IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.Leuven,Belgium:IEEE,1998:71-76
[2]Wojcik,C.K.&Hulbert,S.F.Thedrivingsimulator–aresearchtool[J].Papernumber65-WA/HUF-13,AmericanSocietyofMechanicalEngineers,1965
[3]McKnight,A.J.&Hunter,H.G.Anexperimentalevaluationofadriversimulatorforsafetytraining[J].HumanResourcesResearchOrganization,Alexandria,VA,USA,1966:No.66-9
[4]Drosdol,J.&Panik,F.TheDaimler-Benzdrivingsimulator:atoolforvehicledevelopment[R].SAETechnicalPaperSeries850334,SocietyofAutomotiveEngineers,Warrendale,PA,USA,1985
[5]Suetomi,T.,Horiguchi,A.,Okamoto,Y.&&Hata,S.TheDrivingSimulatorwithlargeamplitudemotionsystem[R].SAeTechnicalPaperSeries910113.SocietyofAutomobileEngineers,Warrendale,PA,USatheDesignandValidationofDrivingSimulators,Valencia,Spain,21stMay1996.
[6]Bertollini,G.P.,Johnston,C.M.,Kuiper.J.W.,Kukula,J.C.,Kulczycka,M.A.&Thomas,W.E.TheGeneralMotorsdrivingsimulator[R].SocietyofAutomobileEngineers,Warrendale,PA,USA,1994
[7]Greenberg,J.A.&&Park,T.J.TheForddrivingsimulator[R].SAeTechnicalPaperSeries940176.SocietyofAutomobileEngineers,Warrendale,PA,USA,1994
[8]Reymond,G.&&Kemeny,A.MotioncueingintheRenaultdrivingsimulator[J].VehicleSystemDynamics,2000:34(4),pp.249-259.
[9]Soma,H.,Hiramatsu,K.,Satoh,K.andUno,H.SystemarchitectureoftheJARidrivingsimulatoranditsvalidation[C].ProceedingsoftheSymposiumontheDesignandValidationofDrivingSimulators,Valencia,Spain,21stMay1996
[10]Duncan,B.CalibrationtrialsoftheTRldrivingsimulator[R].TRlReportPA/3079/95.TransportResearchLaboratory,Crowthorne,U.K,1995
[11]Freeman,J.S.,WatsonG.,Papelis,Y.E.,Lin,T.C.,Tayyab,A.,Romano,R.A.&Kuhl,J.G.TheIowaDrivingSimulator:animplementationandapplicationoverview[R].SAeTechnicalPaperSeries950174.SocietyofAutomobileEngineers,Warrendale,PA,USA,1995
[12]段春光.汽車性能模擬器逼真度關(guān)鍵問題研究[D].吉林大學(xué)，2017DuanChunguang.Researchonkeyissuesoffidelityofautomobileperformancesimulator[D].JilinUniversity,2017
[13]Chen,L.D.,Papelis,Y.,Watson,G.andSolis,D.(2001).NADsattheUniversityofIowa:atoolfordrivingsafetyresearch[C].Proceedingsofthe1stHuman-CenteredTransportationSimulationConference,Iowa,4th––7thNovember2001
[14]Suikat,R(2005).ThenewdynamicdrivingsimulatoratDLR[C].ProceedingsoftheDrivingSimulationConference-NorthAmerica,Orlando,30thNovember––2ndDecember2005
[15]AnsibleMotionLimited.AnsibleMotionbrochure[EB/OL].https://www.ansiblemotion.com/ansible-motion-driver-in-the-loop-automotive-simulator-brochure,2019
[16]VI-gradeGmbH.DimDYNAMIcSimulator[EB/OL].https://www.vi-grade.com/en/products/dim-dynamic-simulator/,2019
[17]AnthonyBestDynamicsLtd.ABd aVDsBrochure[EB/OL].https://www.abdynamics.com/en/applications/lab-and-track-testing/driver-in-the-loop-simulation,2019
[18]AndrewJamson.MotionCueinginDrivingSimulatorsforResearchApplications[D].TheUniversityofLeedsInstitute,20100
[19]Harms,L.(1993).Drivingperformanceonarealroadandinadrivingsimulator:resultsofavalidationstudy[R].InGale,A.G.,Brown,I.D.,Haslegrave,C.M.&&Taylor,S.P.(Eds.):VisioninVehiclesIV.Elsevier,NorthHolland.
[20]Siegler,I.,Reymond,G.,Kemeny,A.&&Berthoz,A.Sensorimotorintegrationinadrivingsimulator:contributionofmotioncueinginelementarydrivingtasks[C].ProceedingsoftheDrivingSimulationConference(DSC2001),5th––7thSeptember2001

作者：徐亮
單位：中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司
學(xué)位：工學(xué)博士
研究方向：智能網(wǎng)聯(lián)汽車測(cè)試
聯(lián)系方式：022-84379666-6872
E-mail：xuliang@catarc.ac.cn