2024年3月28日发(作者：长城房车最新款10万)
VR汽车驾驶操作系统的总体设计
1.1系统概述
虚拟现实技术是一门新兴的综合性信息技术，虽然发展时间不长，但其应用
广泛，已分布于军事领域、航空航天领域、CAD、教育培训、汽车应用、医学医
疗和娱乐等方面。在汽车驾驶人培训领域，虚拟现实技术的应用尚属少见。近年
来，随着电子信息技术、计算机科学技术的发展，虚拟现实技术在该领域的应
用引起了人们的重视。
湾流宜驾VR汽车驾驶操作系统(ONEW-550),能够真实的模拟汽车行驶过
程中的运动状态、视景和声音效果，使驾驶员沉浸到虚拟驾驶环境中，产生实车
驾驶感，从而体验、理解和学习现实世界中的汽车驾驶，有效地提升驾驶员技
术水平、安全意识，还能防止培训过程中事故的发生。
根据VR汽车驾驶操作系统的功能定位，其总体结构主要由硬件和软件两局
部组成。硬件设备由模拟驾驶舱、操纵控制系统、多自由度运动平台系统、VR头
盔显示系统、多媒体计算机及音响系统等构成。软件系统包括驾驶环境的计算机
实时动画生成，汽车行驶动态仿真，声响模拟，操作评估，数据管理，网络控
制，操作平台等。系统总体结构如下图。
操纵控制系统
汽车驾驶运动学/动
力学模型
信息显示与仪表系统
训绥者
场景模型生成处理
系统
视景系统
场景规则及智能体
管理系统
音响系统
系统总体结构关系图
1.2技术特点
当操作者实行训练时，系统中的多个传感器将获得汽车模拟驾驶过程中的参
数，反馈给计算机，计算机对数据实行处理分析，并在显示装置和音响上显示相
应的驾驶画面和汽车声音。汽车驾驶模拟设备具有以下技术。
1、实时真实画面渲染、实时控制系统。
2、空间定位追踪，精度小于1mm,画面延迟少于10ms。
3、实时汽车动力学建模、发动机仿真建模，完美模拟真实驾车感受。
4、全原厂汽车配件组装、真车实物传感器控制，响应速度少于10ms运动
平台，互动性力反馈。
5、多种驾驶操作技术、安全操作规范。
6、融多项高新技术于一体，表现代汽车驾驶训练之先进手段。
7、新型的VR汽车驾驶操作系统是一种安全、便利、低成本、高效率、高新
科技的汽车驾驶训练解决方案。
信号检测采集
硬件平台
信号分析
软件平台
人机交互界面
模拟驾驶
技术原理图
1.3VR汽车驾驶操作系统硬件平台设计
1.3.1模拟驾驶舱
本系统驾驶舱以爱丽舍手动挡车型为模板，驾驶舱的外形尺寸和布局与真实
汽车完全相同。设备尺寸：不大于(长×宽×高)2.2m×1.1m×11.5m,机柜：不
大于(长×宽×高)0.6m×0.6m×1.2m。在模拟驾驶舱中装配有与实车完全相同
的各种汽车原厂可操纵部件，如座椅、转向盘、安全带、驻车制动器操纵杆、手
动变速器操纵杆、自动变速器操纵杆、离合器踏板、制动踏板、加速踏板、转向
灯开关、大灯开关、灯光操纵杆、危险警报闪光灯开关、雨刮器操纵杆开关、
点火开关等，以便给学员带来最接近真实的驾驶感受。
1.3.2操纵控制系统
如下图，本系统包括了驾驶者控制汽车运动的基本操纵部件：转向盘、安全
带、驻车制动器操纵杆、手动变速器操纵杆或自动变速器操纵杆、离合器踏板、动
踏板、加速踏板，另外还有点火开关、转向指示灯等辅助性操作部件。这些部件
信号的实时采集与控制，是VR汽车驾驶操作系统能否逼真模拟实车驾驶环境的
基本条件，是整个VR汽车驾驶操作系统的核心局部之一。对于汽车运动控制的
模拟主要由实车部件中的转向盘、手动变速器操纵杆、离合器踏板、动踏板、
加速踏板和辅助性操作部件来完成。
1：1真车还原
中控方向、踏板
6大功能键
视角定位视角切换灯光考试
操作控制系统照片
驾驶者的操作经过传感器和接口，将方向盘转动的角度、油门的开度、离合
器的状态、刹车的状态等数据量经过A/D转换发送给计算机系统实行处理，同时
把系统处理的实时数据如档位参数、速度等数字量经过DIA转换发送到软件系统
中，进而调整视景显示，使驾驶者感受到的操作与汽车运动状态与实车驾驶一致，
并能实时360度观察驾驶道路的场景，达到沉浸式与真实驾驶同样的效
果。
方向盘
方向杆转角
操作评价
油门踏板
离合踏板
刹车踏板
传
感
器
及
各
接
油门拉杆位移
离合拉杆位移
刹车拉杆位移
操纵杆位移
场景渲染
实时控制
当前档位
换向、换
挡杆
操作部件信号流程图
1.3.3多自由度运动平台系统
多自由度运动平台是由多支电动缸，上、下万向铰链和上、下两个平台组成，
下平台固定在基础上，借助多只电动缸的伸缩运动，完成上平台在空间多个自由
度的运动，从而能够模拟出各种空间运动姿态。多自由度运动平台涉及到机械、
液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理等
一系列高科技领域，所以多自由度运动平台是控制领域水平的标志性象征。主要
包括平台的空间运动机构、空间运动模型、液压系统、控制系统。能够完美模拟
汽车在行驶过程中的各种位置状态，如：上坡后仰、下坡前倾、转弯侧身、点火
时车身抖动，甚至半联动状态下车辆的点头，与驾驶实车时感觉一致，给学员带
来真实的驾驶感受。
多自由度运动平台额定有效载荷：300kg,输入频率为0.2Hz,幅值为每个自
由度最大位移响应电信号5%的方波信号，运动系统响应方波信号的滞后时间不
大于20ms。运动系统的最低固有频率大于50Hz。工作频率范围：0Hz～10Hz;
对一个频率为0.2Hz,幅值为最大位移相对应电信号5%的方波输入信号来说，多
自由度运动试验平台每一个自由度位移的响应，要求无超调量或超调量不大于
5%,超调次数不大于1。平台系统一次连续工作时间不低于24小时；使用寿
命≥40000小时；平均无故障时间MTBF≥4000小时；机械故障平均维修时间
MTTR
≤1小时；电气故障平均维修时间MTTR≤0.5小时。
1.3.4VR头盔显示系统
VR汽车驾驶视觉头盔不但能追踪用户头部的旋转，还能追踪用户头部的移
动，如：前后移动，左右侧移动。头盔追踪方式如下列图，同时头盔追踪延时响
应10ms。通过红外位置捕捉功能，可捕捉的位移范围不小于4.0m×4.0m×3.0m;
并可实行水平360度、垂直360度全方位角度侦测，最小精度为0.1度。视景显
示屏材质为OLED,分辨率为1920×1080,显示清晰度1080P以上，重量440
克。使用者配带视觉头盔无需学习，与现实中用双眼看世界感觉一致。
追踪头部旋转追踪头部移动
头盔追踪示意图
1.3.5实物传感控制系统
实物传感器控制，响应速度少于10ms。精确捕捉训练者操作时的转向盘、
手动变速器操纵杆、离合器踏板、制动踏板、加速踏板等数据，如方向、速度、
距离，记录分析其操作，精确的采集信息。
1.3.6计算机系统
在本汽车驾驶仿真系统中，因为要满足实时交互与漫游且要实时传感数据传
输，主机对显卡的要求较高，所以需要采用1G显存和4G内存，处理器主频采
用8.5GHz以上。接口微处理器局部的主控芯片采用16位的顶级单片机来实现控
制信号的识别和数据采集，并通过windows串API函数，完成单片机与主机
之间的数据通信。
1.3.7音响系统
音响系统模拟行车过程中的环境音响，它是使驾驶者产生沉浸感的重要因素。
音响系统需要模拟的声音有马达轰鸣、风响等，其中马达轰鸣的声音可由发动机
转速负载来决定，而车胎的音响、风响，可由车速、转弯角度来决定。对于计算
机实时视景系统，需要用计算机生成、合成所应发出的声音，它接受来自根据车
辆动力学仿真计算出车辆运行车速、振动和驾驶者对油门、档位操作等相对应参
数值，用计算机生成模拟声音，然后在通过声响处理系统同音响设备连接，配合
车
辆的行驶，产生相对应的声响效果。
音频仿真系统软件采用基于windows环境的编制方法。windows操作系统
使得应用程序与设备之间具有相对独立性，这种设备独立性又使得软件与硬件之
问增添了很多中间层次，使得在windows平台上紧凑、实时的输入以及快速地生
成声音变得十分困难。针对这种情况开发的基于windows的汽车驾驶模拟装
置音频仿真系统，使用DirectX技术，能完全克服以上缺陷。
要仿真模拟汽车运行时的各种声音，要求这个套音频仿真系统必须达到如下
的目标。
①系统要能模拟出汽车运行时发出的所有声音；
②系统对驾驶者操纵的结果做出迅速的反应；
③系统要对不同的声音实行混音，因为驾驶者操纵汽车所发出的声音不是
依次顺序发出的，可能有些声音彼此交叠在一起；
④因为不同类型的汽车对应的声音不完全一样，这就要求系统有一定的灵
活性和扩充性，以适合不同类型的汽车。
1.3.8教员控制台
教员控制台主要用于相关数据的输入和输出，如：学员信息录入、培训内容
设置、操作环境条件设定、操作过程的监视、记录和重演、分析与评分、考核成
绩输出等。VR驾驶模拟器教员台具有如下功能。
教员端管理系统有下述功能。
①监控，选择虚拟设备，向其发送训练或考试任务。每台设备应能够接受
不同类型的训练课程，或进入不同的模式。
②课程设计，能够对课程内容实行设置，应包括：课程名称、任务等，并
可方便的添加和删除。应能够查看课程信息：选择一个节点，显示出该节点的详
细信息。
训练科目、训练场地等。在选择一个操作节点时，可显示出该节点的详细信息。
③任务设计，能够对任务内容实行设置，包括：任务名称、目的、类型、
④学员管理，可新建修改学员信息、删除信息等。
⑤成绩管理，能够查看所管理的学员课程成绩单、学员考试成绩单、任务
详细成绩单。能以文字报告、参数曲线，显示训练结果。
⑥系统设置，可修改登录密码、设置公差等级等具体参数。
⑦网络连接：系统采用千兆网络通讯技术实现网络化，提升培训效率；应
用便捷、移动方便、管理灵活。等等。
投影仪
训练管理服务器
悬挂式投影幕布
教练端管理系统功能表
1
基本功能
通过教学控制机能够同时实现单个或多个VR驾驶
模拟设备的控制与监控，并能够对学员实行全面的
管理，如：班次、学员信息及成绩、培训项目、培
训科目、驾驶操作回放等。
建立标准驾驶操作技能库，作为学员驾驶训练的参
考，也能够将准确的驾驶方法示范给学员，供学生
实行网路学习。
教练机能够实现远程对VR驾驶模拟设备开关机、
任务设置与终止，并能够按学员等级实行不同阶段
的训练难易设定，以便对学员循序渐进的培训，从
易至难的过程。
系统在模拟驾驶考试完毕后可立即生成考试结果
及评定，并上传至数据库实行保存，可随时实行查
询、打印。
教练可通过教学投影设备能够实行理论知识的教
学及标准操作录像回放，并能够随时调取学员训练
记录实行重现、查看。
2
辅助教学功能
3
任务设定功能
4
模拟考核评定功能
5
扩展功能
配置单表
编号
1
设备名称
教师设置及监控计
算机(含显示器)
音响系统
无线网卡
选配
4
教学投影设备
幕布
打印机
分辨率不小于1024*768,
亮度不低于3500流明。
100寸电动
A4激光打印机
1
1
1
台
套
台
性能及技术要求
工业控制型计算机。CPU：
i5;内存：4G;硬盘容量
500G
2.1声道，模拟各类作业环境音效
TP-LINK
数量 单位
1
套
2
3
1
1
套
套
5
6
1.4VR汽车驾驶操作系统的软件模块设计
VR汽车驾驶操作系统的软件局部是本系统的核心内容，它主要由系统控制
层、汽车操作层和教学监控与管理三绝大局部组成。每个局部又分别包含若干子
系统。包括爱丽舍手动挡、自动挡两个机型模块。每个机型模块整体一致，若干
参
数设置根据机型本身特点而独立设置。
系统控制层
模拟仿真服务器
视景仿真系统
音效仿真系统
驾驶舱仿真系统
汽车模拟器操作层
模拟控制台
训练管理服务器
学员管理服务器
学员管理客户端
学员训练数据库
教学监控与管理层
VR汽车驾驶操作系统软件层次结构图
视景仿真系统)
(音响仿真系统
(汽车模拟器)
模拟仿真服务
器
学 员
学员管理客
户 端
训练管理服务器)
系统数据库
学员管理服务器)
教 员
VR汽车驾驶操作系统软件框图
1.4.1 系 统 控 制 层 软 件
系统控制层主要控制硬件，接收和发出各种控制信号，将相关传感器的模拟
信号转变为数字信号或者把计算机控制指令转化为模拟信号，控制 VR 汽车驾驶
操作的投影、学员操作的输入和输出信号、音响效果等；控制层软件主要包括：
数据采集模块、数据处理模块、数据输出模块。
①数据采集模块
本系统要求能够采集各种模拟装置的信号，这些信号能够分为三个不同的类
型：数字量、模拟量和开关量。
加速踏板、离合器踏板、行车制动踏板(三踏板)的踏板行程以及操纵杆分别
反映供油量大小、离合器结合水准、制动力大小以及汽车行驶状态，所以传感器
应采集出的是连续变化的量，即模拟量。模拟量的采集要去抗干扰水平强，在设
计中选择了线性位移传感器与相关机械连接组成。线性位移传感器的阻值变化特
性为直线型，能够准确反映三踏板行程、汽车行驶状态和距离的大小。
转向盘度采集模块采集转向盘的旋转的角度、方向。考虑在实际驾驶中转向
盘要求有一定的间隙，在采集时，采集精度要高，所以选用了以角位移传感器为
与转向盘的转向立柱连接用于采集转向装置转角，选用的角位移传感器最大测量
角度为900°。
对于模拟器上的点火开关、车灯开关等开关量，主芯片可通过光电隔离器与
微动开关相连，提取开关量，并转换为标准逻辑电平实行处理。
②数据处理模块
在VR汽车驾驶操作系统中，需要将采集到的无序的数据变成可用的有序的
数据。为了不影响仿真系统的仿真效果，要使得数据处理模块的时间复杂度低、
运算速度快、运算结果精确，可扩展，对于其他的系统也适用。
本系统中将各位移传感器采集到的电信号转换变为数字信号，利用接口函数
采集该信号输入到数据处理程序模块实行分析计算。
对于各种开关量，则通过电信号转化，再通过编码器编码分通道通过数据采
集函数与系统软件模块(程序)和系统之间实行数据交互。
对于转向盘所采用的角位移传感器角，则单独采用现场可编程逻辑阵列
(FPGA)数据处理，FPGA不但具有高精度的同步传输水平，而且具有速度高、体
积小、抗干扰水平强的优点。由角位移传感器的传出的信号后送人FPGA处
理器，在FPGA中实行计数处理，最后通过RS232与采集芯片通信，并传输到
主控芯片。
③数据输出模块
在单片机输出计算机可识别的数字信号后，这些信号和汽车的参数一起作为
汽车动力学模型的输入，计算出汽车当前的工况和各个构件的状态数据。这些数
据被分别传送到视景、音响等系统，作为它们各自运行的输入量，从而实现模拟
系统的实时控制。
1.4.2VR汽车驾驶操作系统的软件模块
基于对VR汽车驾驶操作系统的流程和功能的分析，能够看到VR汽车驾驶
操作系统操作层主要分为基础训练讲解、科目二场地驾驶技能训练、科目三实际
道路驾驶技能训练三大模块。软件主界面如下图。
欢迎使用汽车驾驶模拟器
基础讲解 科目二 科目三
(转动方向盘送择不同菜单)
确认(油门)
VR汽车驾驶操作系统主界面
①系统功能设计
学员在实行驾驶训练前能够实行“手把手”的引导学习模式，能够在虚拟的场
景中看到系统提供的车辆行驶轨迹。
训练过程中提供实时汽车驾驶距离、速度和方向等提示，学员根据这些数据
的图形化提示即时纠正驾驶车辆方向、速度。
模拟系统提供了标准的驾驶技能训练课程：汽车基本操作、汽车驾驶人考试
科目二训练、汽车驾驶人考试科目三训练及模拟科目训练。
可实行训练车型的选择、训练场地选择、训练项目选择、考试场景定制、模
拟驾驶过程中的实时数据显示。
VR汽车驾驶操作系统符合国家汽车驾驶执照考试的相关规定并满足汽车驾
驶员训练的相关要求，根据本项当前期的调研和分析，VR汽车驾驶操作系统功
能及描绘如表。
VR汽车驾驶操作系统功能及描绘
VR汽车驾驶操作系统
功能
功能描绘
坐姿规范及座椅调节，安全带，后视镜，六大开关(大
灯开关、灯光操纵杆操作规范、危险警报闪光灯开关、
雨刮器操纵杆开关、空调压缩开关、点火开关),仪表
盘，转向盘，驻车制动器操纵杆，手动变速器操纵杆，
自动变速器操纵杆，离合器踏板，制动踏板，加速踏板
等操作
训练项目：倒车入库，侧方位停车，坡道定点停车与起
步，直角转弯，曲线行驶
训练科目：上车准备及起步，靠边停车，直线行驶左(右)
急转弯，变更车道，通过路口，超车，通过学校区域。
通过人行横道，通过公交站台，掉头，通过路口(灯控)
。
加减档操作，照明不良，照明良好，会车，整体操作(熄
火、档位、转向灯、压车道线)
模拟科目：模拟高速行驶、模拟市区行驶、模拟山区道
路行驶
基础训练讲解
科目二场地训练
科目三实际道路训练
实际道路模拟项目训练
②基础训练讲解模块
基础训练讲解模块主要负责对汽车结构、相关部件操作功能实行说明，为后
面驾驶操作的学习提供协助。基础训练讲解模块界面如下图。
欢迎使用汽车驾驶模拟器
坐姿规范与
座椅调节
安全带
后视镜 六大开关
驻车制动器
手动变速器
操纵(手刹)
操纵杆
仪表盘 转向盘
自动变速器
操纵杆
离合器踏板
制动踏板 加速(油门)
(刹车)
踏板
确认(油门) 返回(刹车)
(转动方向盘选择不同菜单)
基础训练讲解模块界面
③科目二场地训练模块
科目二场地训练模块将国家规定的考试科目，实行场景建模，在设计上与真
实场地考试项目大小尺寸相同，以便初学者更容易的掌握相关驾驶技巧，同时本
模块还提供了场地综合训练模块，学员可根据自己的需要选择相关科目实行组合
训练也能够实行完整的场内行驶训练。科目二场地训练模块界面及局部训练场景
如下图。
欢迎使用汽车驾驶模拟器
坡道停车
倒车入库
和起步
直角转弯 曲线行驶
侧方停车 综合训练
(转动方向盘选择不同菜单)
确认(油门)返回(刹车)
科目二场地训练模块界面
④科目三实际道路训练模块
科目三场地训练模块将国家规定的考试操作：考试上车准备、起步、直线行
驶、加减挡位操作、变更车道、靠边停车、直行通过路口、路口左转弯、路口右
转弯、通过人行横道线、通过学校区域、通过公共汽车站、会车、超车、掉头、
夜间行驶，在训练环境的设计上力求与实际驾驶道路相同，以达到最好的训练效
果。科目三训练模块界面及局部训练场景如下图。
欢迎使用汽车驾驶模拟器
开始训练
训练记录 科目说明
确认(油门)返回(刹车)
科目三场地训练模块界面
科目三场地训练场景界面
⑤实际道路特殊情况驾驶训练模块
该模块包括了汽车在实际驾驶过程中，可能发生的各种意外事件、各种不同
的复杂路况、不同天气环境的驾驶模拟训练，增强学员对意外事件的处置水平，
减少实际驾驶所产生的交通事故。整个系统运行流畅、无卡顿效果。在实行驾驶
训练过程中，系统运行最低帧率数90帧/秒。本系统中的驾驶操作与现实动作实时
快速准确同步，操作同步延时响不大于10ms,移动位移精度不大于2mm。
动作可捕捉空间不小于(水平×纵向×高度)4.0m×4.0m×3.0m。
1.5详细配置清单
序号
设备名称
技术指标
单位
数量
1：操作训练硬件支撑系统
1
司机操作系统
包括：司机座椅、方向盘、操纵杆、脚板、
开关、指示灯、换挡机构等(车厂原厂配
套
1
置)。
2
3
4
5
6
司机室仪表数码显示屏等定制。
司机室附属设备
通过系统模拟，可采用软件模拟方式实
现。
承载训练软件模块与硬件控制系统。
工业用计算机能够流畅运行训练模块，画
面帧率不低于30,可连续48小时不停机
主控计算机(不
运行，性能不降低。
含显示器)
CPU：i5,内存：4G
显卡：1G以上显存
硬盘：320G
数据采集与传输
控制数据采集、指示灯控制。
系统
可保证连续无故障运行48小时
2.0声道系统
音响系统
数字登录系统 用户通过登陆系统，建立学员管理系统
套
1
台
1
套
套
套
1
1
1
2：VR视景系统
头盔同时追踪延时响应10ms。通过红外
位置捕捉功能，可捕捉的位移范围不小于
4.0m×4.0m×3.0m;并可实行水平360
度、垂直360度全方位角度侦测，最小精套
1
度为0.1度。视景显示屏材质为OLED。
分辨率为1920×1080,显示清晰度
1080P以上，重量440克。
支持头部及手部360度方位内的位移，旋
套
1
转等操作。
1
VR头盔
2
空间定位装置
3
VR多维度运动力
反馈系统
有效载荷重量：额定有效载荷：300kg,
输入频率为0.2Hz,幅值为每个自由度最
大位移响应电信号5%的方波信号，运动
系统响应方波信号的滞后时间不大于
20ms。运动系统的最低固有频率大于
套
50Hz。工作频率范围：0Hz～10Hz;对一
个频率为0.2Hz,幅值为最大位移相对应
电信号5%的方波输入信号来说，多维度
运动平台每一个自由度位移的响应，要求
无超调量或超调量不大于5%,超调次数
不
大于1。平台系统一次连续工作时间不低
1
更多推荐
驾驶,汽车,训练,系统,操作,模拟
发布评论