汽車駕駛模擬器（VehicleSimulator）是一種能正確模擬汽車駕駛動作，獲得實車駕駛感覺的仿真設備。汽車駕駛模擬器，又稱為汽車模擬駕駛仿真系統，它集了傳感器技術、計算機技術、三維實時動畫技術、計算機接口技術、人工智能技術、數據通信技術、網絡技術、多媒體技術等先進技術。

借助于駕駛模擬器，能對汽車―駕駛員―道路（環境）相互作用關系進行研究，也能對駕駛人員進行訓練。汽車駕駛模擬器駕駛安全性高、再現性好、可方便地設定各種條件，及時糾正駕駛中的錯誤，無油耗經濟性高等優點，正在廣泛被推廣使用。

為獲得與實車相同的駕駛感覺駕駛模擬裝置具有實車操作的效果，有轉向操作、啟動、換檔操作，剎車、離合、油門等手腳配合的操作等。同時三維模擬駕駛仿真畫面，同步實時對應變化，從而使駕駛人員產生“沉浸感”、“交互性”與“實時性”。

汽車駕駛模擬器由五部分組成：試驗車的方向盤、油門腳踏、剎車腳踏、離合器腳踏以及換檔控制手柄等，這五個控制部分的底部均安裝了傳感器。每個汽車控制部件發生動作，各傳感器都會產生相應的脈沖信號或模擬信號輸入PLC。PLC將控制信號輸入送入圖形生成器，圖形生成器改變圖像與場景切換和平移速度，以達到汽車模擬駕駛的目的。

在駕駛模擬器上增加模擬動力和換檔動態模擬系統,以加強換檔訓練,增強換檔操作的實際感和訓練效果,以及“五大機件"協調操作的效果。而增加的模擬動力、增加模擬阻力、轉向的回正力、路面的振動以及儀表的變化等都將由PLC控制器發出指令，執行器動作產生。

主動式三維汽車駕駛模擬器是一種能正確模擬汽車駕駛操作,并能在主要性能上獲得與實車相同感覺的汽車駕駛訓練教學設備,它是應用計算機三維成像、多媒體以及網絡通訊等當前的先進技術研制成功的高新技術產品,可用于裝備各類汽車駕駛學校和駕駛培訓中心,以提高汽車駕駛員的培訓質量和效率。

1.駕駛模擬器的構成

圖1為駕駛模擬器系統的組成框圖。對于不同用途的模擬裝置,系統構成稍有不同,但都包括觸感（操縱）模擬系統、運動系統、視景系統和音響系統等組成部分。

圖1駕駛模擬器系統的組成框圖

觸感（操縱）模擬系統按照某基本車型的操縱機構、手柄以及開關儀表等形式布置，駕駛區的布置必須滿足人機工學的要求。操縱系統采用與實車完全相同的操縱機構。各操縱桿、方向盤等均采用汽車配件,其內部之間的位置關系和力感與實車相似。在各個操縱機構的部件上，安置各種傳感器，測量操縱機構的位移量、轉角及開關量。轉角、轉速編碼器或電阻式位移傳感器，因簡單、可靠而被廣泛使用。

視景系統由兩部分構成，一部分是一系列汽車駕駛的常規顯示儀表與指示燈，另一部分是場景，即提供一個與地理位置相對應的連續的駕駛室外景。在整個駕駛過程中,視景系統將提供道路、路旁的建筑、車輛、山川、田野等景象。視景系統能提供白晝、夜間和雨霧、冰雪天氣等。還能體現出景物的紋理、濃淡、陰影、光照、能見度等視覺特性。本系統采用DirectX來實時生成三維圖像。視景系統由視景數據庫(地、景文件)、控制管理模塊、3D渲染模塊、顯示模塊組成，視景數據庫存儲地景數據。

駕駛場景包括基礎駕駛訓練與道路駕駛訓練場景。基礎駕駛訓練如起步、換檔、倒車入庫等,其特點是每項訓練有特定的場景要求,場景較簡單。道路駕駛訓練場景是在各種道路上的訓練,如干線、支線、城市道路、山路、高速公路、夜間駕駛)、冰雪道路駕駛等等,特點必須滿足交通規則，并及時判斷運動狀態。

運動系統由各種執行器組成，實現各種運動狀態對駕駛員的反饋，如不同路面的振動、突然加速使人的前傾、猛的剎車使人的后仰等的動態駕駛感。

音響系統模擬實際車輛行駛中發出的聲音，如發動機轟鳴聲、猛的剎車的尖叫聲、喇叭聲等，聲光景像的配合，能使人身入其境。音響系統還作為訓練情況的通報、違反交通規則、操縱不當的提醒等作用。

2．汽車駕駛模擬器控制系統[5][6]

圖2汽車駕駛模擬器控制系統

汽車駕駛模擬器控制系統（圖2）由傳感器、PLC、動感執行裝置、場景系統、顯示等構成。PLC（可編程控制器）作為駕駛模擬器運行控制的主要單元，在接收傳感器發送駕駛員的各種操作信息后，根據程序設置與邏輯判斷，對場景系統、音響系統、儀表與指示燈等發出指令執行。根據輸入、出信號的不同與端口數量等，選用不同的PLC的型號。PLC通過R232口與場景系統協調顯示車輛狀態。

圖3視景系統結構圖

場景系統（圖3）是汽車駕駛模擬器的重要組成部分，它由場景數據庫、場景調度模塊、3D渲染模塊、顯示模塊等組成。

場景調度模塊根據模擬駕駛車當前的位置、方向等信息,對視景數據庫進行檢索,得到在景深范圍內駕駛員能觀察到的場景數據,并傳送給3D渲染模塊。3D渲染模塊把當前可見的場景映射到二維視圖(Viewport),送光柵顯示設備進行顯示。

3D渲染模塊和顯示模塊可由3D圖形加速卡獨立完成,故該模塊采用線程設計,以提高還原速度,保證實時性要求。三維圖形加速卡的選擇非常重要,它除了要支持Di2rect3D以外,還應包括以下主要功能:Z-緩存、顏色插值(也稱濃淡技術)和紋理映射,以得到逼真的視覺效果。

從操縱系統發來的實時數據,如變速器、離合器、制動器等實時量,發送給PLC處理，PLC將汽車動力學模型處理的數據(如速度、點火狀態和水溫狀態等)發送到操縱系統的模擬儀表盤上，從而構成信息流。為降低購置儀表面板的成本，加快狀態顯示速度，將儀表與指示燈（如速度表、轉向燈、油壓表等）直接顯示在顯示器的屏幕上，由PLC發信號使儀表面板的顯示實時更新。

音響系統除,模擬發動機啟動和各種運行時的聲音以及喇叭、剎車等聲音外，還有語音提示功能，當學員在操縱過程中出現失誤或違反交通規則時,語音提示系統負責相應的語音警告。

圖4為在華東汽車模擬駕駛器展覽會上展出的立體動態汽車模擬駕駛器的樣機，圖5動態汽車模擬駕駛器樣機的立體畫面圖。

圖4動態汽車模擬駕駛器的樣機及控制器

圖5汽車模擬駕駛器立體畫面

3．編碼器

每個汽車控制部件發生動作，各傳感器都會產生相應的模擬信號。通常這些模擬信號經由插在微機擴展槽上的數據采集板集中后，將它們經模數轉換器（A／D）轉換成對應的數字信號。

對于模擬駕駛操縱系統主要有點火開關、變速器（擋位開關）、轉向燈開關、手剎車等以及離合器、制動器、油門等，考慮簡化輸入電路與降低PLC的成本，盡量選用開關量與脈沖量。本文提出，將測量離合器、制動器、油門等位移量通過機構將其轉化為測量其繞轉軸的轉角量。因為轉角編碼器具有頻響高，分辨能力高，性能穩定，可靠，使用壽命長等特點，在本方案中采用編碼器作為轉角測量傳感器。

轉角編碼器是集光機電技術于一體的速度位移傳感器。圖6為光電編碼器原理圖。當旋轉編碼器軸帶動光柵盤旋轉時，經發光元件發出的光被光柵盤狹縫切割成斷續光線，并被接收元件接收產生初始信號。該信號經后繼電路處理后，輸出脈沖或代碼信號。

圖6光電編碼器原理圖

汽車方向盤順時針和逆時針旋轉時，其最大旋轉角度均為兩圈半，選用分辨率為360個脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖數為900個；旋轉式光電編碼器有絕對編碼器和增量編碼器兩種。增量編碼器是以脈沖形式輸出的傳感器，其碼盤比絕對編碼器碼盤要簡單得多且分辨率更高。當碼盤轉動時，它的輸出信號是相位差為90°的A相和B相脈沖信號以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產生的脈沖信號（它作為碼盤的基準位置，給計數系統提供一個初始的零位信號）。

從A，B兩個輸出信號的相位關系（超前或滯后）可判斷旋轉的方向。由圖7可見，當碼盤正轉時，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉時，A道脈沖比B道滯后π/2。實際電路是用A道整形波的下沿觸發單穩態產生的正脈沖與B道整形波相‘與’，當碼盤正轉時只有正向口脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增量編碼器是根據輸出脈沖源和脈沖計數來確定碼盤的轉動方向和相對角位移量，即判斷汽車方向盤旋轉方向與轉角。

圖7光電編碼器旋轉方向輸出信號

4．PLC輸入、出點的擴展

模擬駕駛操縱系統與車輛狀態信號很多，為節省PLC輸入點，采用矩陣的輸入出方法，擴展輸入點。PLC連線（如圖8）用這種掃描的方法只需4個輸出點和5個輸入點就可產生4*5=20個信號，比用一個個輸入點去接受控制一個個信號更具價格優勢，這樣只需利用PLC的一些指令達到分時采集20個信號的功能。

圖8PLC輸入擴展結構接線原理圖

系統的軟件實現：

Network1//NetworkTitle；//上電初始化；LDSM0.1；MOVW0,MW10；Network2//每個循環周期MW10加1；LDSM0.0；INCWMW10；AW>=MW10,8

MOVW0,MW10

Network3//輸出掃描變化；LDSM0.0；LPS；AW=MW10,1；=Q0.0；LRD；AW=MW10,3

=Q0.1ï¼›LRDï¼›AW=MW10,5ï¼›=Q0.2ï¼›LPPï¼›AW=MW10,7ï¼›=Q0.3ï¼›

Network4//q0.0掃描線上輸入有B1\B2\B3\B4\B5五個

LDQ0.0ï¼›LPSï¼›AI0.0ï¼›SM20.0,1ï¼›LRDï¼›ANI0.0ï¼›RM20.0,1ï¼›LRDï¼›AI0.1ï¼›SM20.1,1ï¼›LRDï¼›ANI0.1ï¼›RM20.1,1ï¼›LRDï¼›AI0.2ï¼›SM20.2,1ï¼›LRDï¼›ANI0.2ï¼›RM20.2,1

LRDï¼›I0.3ï¼›SM20.3,1ï¼›LRDï¼›ANI0.3ï¼›RM20.3,1ï¼›LRDï¼›AI0.4ï¼›SM20.4,1ï¼›LPP

ANI0.4ï¼›RM20.4,1

Network5//q0.1掃描線上輸入有B6、B7、B8、B9、B10五個；

LDQ0.1ï¼›LPSï¼›AI0.0ï¼›SM20.5,1ï¼›LRDï¼›ANI0.0ï¼›RM20.5,1ï¼›LRDï¼›AI0.1ï¼›SM20.6,1ï¼›LRDï¼›ANI0.1ï¼›RM20.6,1ï¼›LRDï¼›AI0.2ï¼›SM20.7,1ï¼›LRDï¼›ANI0.2ï¼›RM20.7,1

LRDï¼›AI0.3ï¼›SM21.0,1ï¼›LRDï¼›ANI0.3ï¼›RM21.0,1ï¼›LRDï¼›AI0.4ï¼›SM21.1,1ï¼›LPP

ANI0.4ï¼›RM21.1,1ï¼›

Network6//q0.2掃描線上輸入有B11、12、B13、B14、B15五個

LDQ0.2ï¼›LPSï¼›AI0.0ï¼›SM21.2,1ï¼›LRDï¼›ANI0.0ï¼›RM21.2,1ï¼›LRDï¼›AI0.1ï¼›SM21.3,1ï¼›LRDï¼›ANI0.1ï¼›RM21.3,1ï¼›LRDï¼›AI0.2ï¼›SM21.4,1ï¼›LRDï¼›ANI0.2ï¼›RM21.4,1

LRDï¼›AI0.3ï¼›SM21.5,1ï¼›LRDï¼›ANI0.3ï¼›RM21.5,1ï¼›LRDï¼›AI0.4ï¼›SM21.6,1ï¼›LPP

ANI0.4ï¼›RM21.6,1ï¼›

Network7//q0.3掃描線上輸入有B16、B17、B18、B19、B20五個

LDQ0.3ï¼›LPSï¼›AI0.0ï¼›SM21.7,1ï¼›LRDï¼›ANI0.0ï¼›RM21.7,1ï¼›LRDï¼›AI0.1ï¼›SM22.0,1ï¼›LRDï¼›ANI0.1ï¼›RM22.0,1ï¼›LRDï¼›AI0.2ï¼›SM22.1,1ï¼›LRDï¼›ANI0.2ï¼›RM22.1,1

LRDï¼›AI0.3ï¼›SM22.2,1ï¼›LRDï¼›ANI0.3ï¼›RM22.2,1ï¼›LRDï¼›AI0.4ï¼›SM22.3,1ï¼›LPP

ANI0.4ï¼›RM22.3,1

通過以上程序把20個輸入信號分別轉換為M20.0—M22.3這20位內存信號，也就是說，這20位內存信號就分別對應于外部20個輸入。

在控制系統中應用PLC程序實時進行過程控制的監控或干涉，以提高系統可靠性。

5．小結

汽車道路駕駛訓練是學汽車駕駛必要的過程，模擬汽車駕駛器是學駕駛有利工具，利用汽車駕駛訓練模擬器可以部分代替實車訓練，尤其是學習的初期，可以實現基本操作的標準化教學，對于方向盤的操作手法、換檔操作、手腳配合、油離配合等進行窒內強化訓練。這樣不僅使學員學到規范化的駕駛操作手法、降低了訓練成本、節省汽油、縮短了初期訓練的時間，而且有利于交通安全。

隨著電子技術與計算機仿真技術的發展，的汽車駕駛模擬器將不斷出現，本文提出的基于PLC的駕駛模擬器控制方法，通過樣車實踐（圖4），證明將是一種實用可靠逼真且價格低廉值得推廣的方案。