ＳＳＮ　１００６—７Ｉ６７　西　实验室研究与探索　

Ｉ　ＥＳＥＡＲＣＨ　ＡＮＩ）ＥＸ｝）ＬＯＲＡ　ｒｌ０Ｎ　ｉＮ　ｉ　Ａｊ３０ＲＡＴＯＲＹ　第３５卷笫１１期２０Ｉ６年１　Ｉ　Ｊ　ＶｆＪ１．３５　Ｎｏ．１】　Ｎｏｖ．２０ｌ６　

基于ＬａｂＶＩＥＷ的虚拟３Ｄ驾驶仿真系统　

文　矗，　陈晶田　

（华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉４３００７４）　

摘　要：基于ＬａｂＶＩＥＷ开发了一种虚拟３Ｄ驾驶仿真系统，利用单片机ＳＴＣ８９Ｃ５２　

通过串行通信来采集传感器数据并发送至上位机ＬａｂＶＩＥＷ，上位机程序基于汽车　

动力学、ＬａｂＶＩＥＷ　３Ｄ、ＬａｂＳＱＬ来完成系统的显示和反馈、测试实验表明，系统能　

较好地完成驾驶系统的基本指标，满足预期要求．　

关键词：ＬａｂＶＩＥＷ；３Ｄ仿真系统；传感器；汽车动力学　

中图分类号：ＴＪ　７６５．４　文献标志码：Ａ　

文章编号：ｌ００６—７ｌ６７（２０１　６）Ｉ】一０ｌ０３—０４　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＬａｂＶＩ　ＥＷ　ｉｎ　ａ　Ｖｉｒｔｕａｌ　３　Ｄ　

Ｄｒｉｖｉｎｇ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　

Ｎ　Ｙａｏ．　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ（）ｆｌｔ　ａｌ　ａｌｌ（］Ｅｌｅ（。ｔｒｏｎｉ，￣・ＩＩｌｆＯＩ　ｍａｔｉｏｎ，Ｈｕａｚｌｌｏｎｇ　ＣＨＥＮ．１ｉｎｇ—ｔｉａｎ　

Ｕｎｉｖｅ！‘ｓｉｌｙ　ｏｆ　Ｓｔ‘ｔｅｌｉｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｔ。ｔＩＩＩｏｌｏｇｙ．Ｗｕｈａｎ　４３００７４．Ｃ　ｌｌａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｔｌｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｖｉｉ‘ｔｕａ］ｒｅａｌｉｔ．ｙ　ｔｅｅｈｍＩｌｏｇｙ．Ｉｌ１Ｐ　ａＩｉｐｌｉ￣‘ａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｉｉ’ｔｕａｌ　３Ｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ＩｌｌＯｒｅ　ａｌｌｄ　ｍｏｒｅ　

ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ．Ａ３Ｄ　ｖｉｒｔｕａｌ（／ｒｉｖｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｖｅｈ）ｐｅｄ　ｂａｓｅｄ‘＇ｌｌ　Ｉ，ａｈＶＩＥＷ．￣ｌｌｌｄ　ａ　Ｉｌｌｉ（　ｒｔ＇（’ｏｎｔｒｏｌｌｅｔ’ＳＴＣ８９Ｃ５２　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　

ａｃｑｕｉｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｄａｔａ　ｂｙ　ｓｅｔ‘ｉａｌ（＇Ｏ１１ｍｍｎｉ￣・ａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａＩ。Ｐ　ｓｅｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｉ，ａｈＶＩＥ￣　．Ｔｈｅ　Ｉ＋ａＩ＞ＶＩＥ￣＇　ｐｌ’（】ｇｒ１３１１１（＇ｏｎｌｐｌｅｔｅｓ　ｔｈｅ　

ｓｙｓｔｅｍ’ｓ　ｄｉｓｐｌａｙ　ａｌ（（１　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｂａｓｅｄ（Ｉｎ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｄｙｎａｎｆｉ（　ｓ．ＬａｈＶｌＥＷ　３　Ｄ　ａｎｄ　ｌｍｌ，ＳＱｌ“３Ｄ　Ｖｈ　ｔｕａｌ　；Ｖｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｈｓ　

ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ（・ａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｌ１ｒｉｍｍ‘Ｙ　ｒｅｑｕｉｔ’ＰＩｌｌｅｎｔｓ　ｏｌ　ｔｈｅ（１ｒｉｖｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｓａｔｉｓｆ．ｖ　ｔｈｅ（１ｅｍａｎ（Ｉｓ　ｆｏｒ　

ｖｉｒｔｕａｌ　ｄｒｉｖｉｎｇ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＬａｂＶＩＥ￣，　：３　Ｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｔｎ１　ｓｙｓｔｅｍ；ｓｅｎｓｏｌ’ｓ；ｖｅｈｉｔ　ｈ　ｄｙｎａｔｎｉｔ　Ｓ　

０　引　言　

随着现代电子信息技术的发展，３Ｄ虚拟仿真技术　

存很多领域得到了日益广泛的　用。目前国内外关于　

３Ｄ模拟仿真多采用Ｖｉｓｕａｌ　Ｓｔｕｄｉｏ、Ｅｃｌｉｐｓｅ、３ＤＳ　ＭａＸ、　

Ｍａｙａ等软件协同开发，场景真实、效果逼真，但是程序　

多由文本语言产牛代码编写而成，导敛Ｔ作量大，程序　

的　观性也不皮好　、　

收稿日期：２０１６—０２—２４　

作者简介：史　（Ｉ９９５　

ｒ乜信息Ｉ　张　科学　

．ｒｅ１．：Ｉ　３Ｉ６３３７Ｉ９３２：Ｅ—ｌｌｌｉｌ　通信作者：陈　ＩＩＩ（１９７０　

方向为光电技术及心川　），　。河南新乡人，本科生．０、Ｉ　方向：光　

：ｗｅｎｙａｏ＠ｈｕｓｔ．ｅｄｕ．ｒＩ１　），史，黑龙江齐齐喻尔人，Ｉ　师，研究　

Ｔｆ｜Ｉ．：０２７￣３９６０６６８；Ｅ—ｍａｉｌ：＿Ｊｌｌ’ｈｅｎＯ０８＠Ｉ６３．¨＇　美　家仪器公司外发的ＬａｂＶ１ＥＷ软件，类似于　

ｃ　ＢＡＳＩＣ开发环境，但是相比其他计算机　占采Ｈｊ　

基于文本语寿的代码形式，ＬａｈＶＩＥＷ采Ｈｊ直观的图形　

化语言，也就是Ｇ语青‘，有庞大　数侔．采用数据流编　

程方式产生框　的形式，给编程Ｔ作带来了很大方便，　

从而可以缩短外发时问　。　

本文以东ＪｘＬ雪铁龙爱丽舍１．６　Ｌ轿乍为原　设计　

的３Ｄ甥驶仿真系统为例，介　ｒ　ＬａｂＶＩＥＷ　虚拟３Ｉ）　

仿真系统中的应用。　

１　系统原理　

设计该系统，需要解决的问题主要包括对３Ｄ模　

型的搭建和凋Ｈｊ、州ＬａｂＶＩＥＷ软件实现速度算法和方　

控制等。　

３Ｄ虚拟场景利用了ｔ维｝冬１形、网络技术以及数字　

摄影、测量等技术来实现　、在３ＤＳ　Ｍａｘ巾完成虚拟场　实　验　室　研　究　与　探　索　第３５卷　

景的建模并可转换为虚拟现实建模语言ＶＲＭＬ，利用　

ＶＲＭＩ　言『】ｒ以实观各功能，然后通过ＬａｂＶＩＥＷ中的　

３Ｄ控件来实现刈　３Ｄ场景的调用，使得３Ｄ虚拟驾驶　

呈现ｒ逼真的３Ｄ效果。　

速度算法　｝】利用汽车动力学模型　：根据汽车　

行驶过程中乃的平衡关系，汽年在直线行驶过程中受　

力与速度的关系为：　

＝　（Ｆ　Ｆ—Ｆ。一Ｆ）　（１）　

式中：　为汽车速度（ｍ／ｓ）；ｇ为重力加速度（９．８　

ｍ／ｓ　）；ｎ为旋转质量转换系数；Ｇ为整车总重量（Ｎ）；　

Ｆ　为汽车的驱动力（Ｎ）；Ｆ。为滚动阻力（Ｎ）；Ｆ　为坡　

度阻力（Ｎ）；Ｆ　为风阻力（Ｎ）。　

汽车在转向行驶过程ｒｌｆｌ’考虑转向力和离心力、脚　

刹制动器或手刹对汽车速度的影响，汽车行驶速度模　

型为：　

＝　（Ｆ　一Ｆ　Ｆｒ　Ｆ　一Ｆ　一Ｆｊ）（２）　

式中：　．为转向力和离心力在汽车行驶方向上的分　

肇；Ｆ．．为脚刹制动器或手刹所产生的制动力。　

对于汽车的坐标位置，需要知道汽车行驶的速度　

和汽　行驶的当前方向。假设汽车在平行于路面的平　

面上运动，汽车行驶方向模型可看作汽车转角与方向　

盘转角之间的函数关系为：　

ｄＯ＝　×２竹＝　＝半　（３）　

式中：０为汽车行驶方向转角；，为汽车转向半径与方　

向盘转角的系数，　为方向盘转角　

凶此，汽车行驶方‘向控制模型为：　

＝孚　（４）　（１￡　ｆ　、　

通过动力学理论解决了上述的３Ｄ场景的搭建、　

速度算法和方向控制问题，冉通过ＬａｂＶＩＥＷ完成整体　

的设计就比较容易　、　

２　系统设计　

３Ｄ驾驶仿真系统的设汁，涉及硬件、软件、数据库　

等，系统原理结构如罔ｌ所示　

圈　圈　传感器ｌＨ＿　Ｉ硬件系统Ｉ　Ｉ一　Ｉ。　。Ｉ　

降Ｉ　１　系统原理结构　

通过单片机ＳＴＣ８９Ｃ５２完成硬件系统的驱动、控　

制、外部中断、监听、档位的选择以及方向灯操作等，８　位Ａ／Ｄ采集电位传感器数据并传输到上位机　

ＬａｂＶＩＥＷ进行处理。软什系统包括Ｉ，ａｂＶＩＥＷＬａｂＳＱＬ　

对数据库的调川、ＬａｂＶＩＥＷ　３Ｄ控件的使用和３Ｉ）场景　

产生、变换　。　、硬件部分和软件部分通过渊用　

ＬａｂＶＩＥＷ　ＶＩＳＡ使硬件传输的数据解析为方向蕊、刹　

车、油门的数据，进行反馈ｊ｛　通过算法控制ＬａｂＶ１ＥＷ　

中的汽车前进、倒退和转弯等动作。　

硬件系统主要由厅向盘、刹车和油门等组成，实物　

图如图２所示。　

２　馊件系统装置芟物Ｉ矧　

下位机需要完成人机对话，并能够从传感器获取　

数据，并能与上位机进行稳定的串口通信，把数据准确　

及时传输到电脑上进行处理。驾驶操作的数据是通过　

电位传感器和Ａ／Ｄ芯片采集，由单片机ＳＴＣ８９Ｃ５２控　

制，该单片机价格便宜，技术成熟，编程厅便，比较适合　

做本项目的主控单元　。驱动原理图如图３所示。　

在单片机采集程序中，采用传感器数据的变化来判断　

事件并实现数据传输，程序流程网如图４所示　、　

图３　动电路原理　

上位机实现埘数据冉处理以及给　｝｛ｊ户呈现视觉反　

馈，采用ＬａｂＶ１ＥＷ进行界而的编写。３Ｄ场景的搭建　

要完成对于３Ｄ模块的凋用和３Ｄ界面的展现。３Ｄ模　

型模块由ＬａｂＶＩＥＷ　ｉ维图片控件和由３ＤＳ　Ｍａｘ生成　

的模型一起构成，并且这一模块被完全集成到ＩＮＩＴ．ｖｉ　

子Ｖｌ中，方便渊用。３Ｄ模型生成模块处图５　文　矗，等：基于１．ａｂＶＩＥ￣　的虚拟３　Ｄ驾驶仿真系统　

串口初始化，硬件　数据初始化　

ＡＤ初始化，选择ＡＤ　通道并采集数据，　数据保存在数组里　

ｙ－　

到上位机　ｌ　

冬１　４　系统硬什程序流程罔　

砸耍　‘　ｔＡｄｄ（　Ｉ　ｆ　！竺竺！　ｊ　

５　３Ｄ模　成模块　

任３Ｄ场景制作ｃｌ｜＇采用ＬａｂＶＩＥＷ　３Ｄ控件涮州　

３ＤＳ　Ｍａｘ的－ｊ维模型，完成场景的制作。采用结构化　

编程：分为３Ｄ模型生成、３Ｄ场景控制及３Ｄ汽车的移　

动等部分。　

通过生产者／消费者模式米达到各个模块之问的　

数据交流，然后ｌ＿ｔｉ　Ｌａｌ　ＪＶＩＥＷ完成数据的接收、处理、分　

析以及反馈，实现车的运动操作　。。　

数据处理、分析要完成数据的处理和各种行为的　

响应，使用＿ｒ　个循环结构。第一个循环使用了生产　

者和状态机，实现了硬件的数据接收并做了处理和控　

制程序；第二个循环是将３Ｄ场景控制及汽车的移动　

转化后的数据进行反馈控制，采用动力学原理利用积　

分算法计算移动的ＸＹ轨迹坐标，算法程序如图６所　

示；第　个循环进行事件产生及规则判定模块。通过　

获取第一循环和第二循环产生的数据进行判断，通过　

对全局变量的使川实现了三个循环之问的信息反馈　

系统也可进行交通常识考试，通过ＬａｂＶＩＥＷ　ｆ１１数　

据库控件ｌａｂＳＱＩ　来调用Ａｃｃｅｓｓ数据库实现考题内容　

渎入。题库渊Ｈｊ模块如图７所示　

３　系统测试　

３　Ｄ驾驶仿真系统测试包括对于系统的体验测试　６坐怀化　苒泣　

￡　竺　堡　兰　曼：　：塑塑墅！　团圆一　

匡　囹　ｌ　

７题库洲川卡｝ｌ块　

平¨数据测试、　

体验测试过程主要包括通过ＰＣ端捕接上＿方向　

盘、刹车、ｆｌ｝１　。利用串口和ＬａｂＶＩＥＷ接收数据并实现　

驾车等基本功能，并反馈信息给刚户　．　同时为了保　

证良好的川户体验，特别做了左、中、有　屏　．左屏　

代表左视镜，　屏代表　视镜、－ｔ屏　爪如图８（ａ）所　

刀÷。体验驾驶中人行道未减速操作不合格则系统报　

错，如图８（ｂ）所示　．　

（Ｉ１）驾驶界Ｉ＾ｆ报｝持　

８体验洲试　

，