一种基于单片机和DirectX的汽车模拟驾驶系统的研究与实现

论文摘要

汽车模拟驾驶系统是利用计算机技术、控制技术、声像技术、机械工程技术和车辆工程技术等多种技术对车辆的行驶及相关环境进行模拟,使学员可以在室内进行逼真的车辆驾驶学习。它可取代驾驶培训中实车训练中的部分科目与内容,提高学员驾驶技术,有利于减少交通事故的发生率,并具有节能、安全、经济、高效等优点。本文主要论述了一种基于单片机和DirectX等技术的汽车模拟驾驶系统的实现,研究内容主要包括模拟驾驶椅子系统和视景子系统的实现以及它们之间的数据通信等。模拟驾驶椅子系统主要由单片机控制装置、变频器振动控制装置、操纵控制装置和相关机械装置四部分组成。本文主要研究了单片机控制装置和变频器振动控制装置。其中,单片机控制装置以STC89LE516AD为核心,辅以数据采集电路、数据通信电路等,完成了驾驶信息的采集和通信。变频器振动装置由变频器、交流电机和相关机械装置等构成。首先,PC机根据采集到的驾驶信号经动力学模型计算,然后,将计算得出的运动数据通过变频器控制相应的电机,进而控制相关的机械装置,从而驱使驾驶椅运动。视景子系统由3DS MAX7、VC++和DirectX开发。首先,通过对汽车动力学面向对象分析,以汽车动力学和运动学理论为基础,采用面向对象技术和数学建模的方法建立了汽车动力学模型。然后,根据所建立的汽车动力学对象数学模型,建立汽车运动仿真模型。最后,采用Visual C++和DirectX SDK开发软件,运用DirectX提供的函数库编写了模拟驾驶系统动力学模型及视景渲染部分的程序。在导入了由3DSMAX7场景建模工具建立的3D场景模型后便完成了视景子系统。通过整个系统连接后的验证,较好地实现了模拟驾驶系统对其视景子系统和模拟驾驶椅子系统的各项要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 模拟驾驶系统的分类及国内外的发展水平
• 1.2.1 模拟驾驶系统的分类
• 1.2.2 国外的发展水平
• 1.2.3 国内的发展水平
• 1.2.4 本模拟驾驶系统的主要特点
• 1.3 本文研究的主要内容和组织结构
• 1.3.1 本文主要研究内容
• 1.3.2 论文组织
• 1.4 本章小结
• 第二章 系统的总体实施方案
• 2.1 汽车模拟驾驶系统的总体实施方案
• 2.1.1 模拟驾驶椅子系统
• 2.1.2 视景子系统
• 2.2 本章小结
• 第三章 模拟驾驶椅子系统的设计
• 3.1 模拟驾驶椅子系统的组成及工作原理
• 3.2 单片机控制装置
• 3.2.1 单片机控制装置的总体设计
• 3.2.2 系统微控制器及其选型
• 3.2.3 主机电路设计
• 3.2.4 数据采集模块设计
• 3.2.5 数据存储模块设计
• 3.2.6 数据通信模块设计
• 3.2.7 其它电路设计
• 3.2.8 模拟驾驶椅子系统总体电路设计
• 3.3 上位机通信
• 3.3.1 串口通信方案的选择
• 3.3.2 上位机通信软件的设计
• 3.4 变频器
• 3.4.1 变频控制的基本原理
• 3.4.2 使用变频控制的优点
• 3.4.3 SAMCO-e型变频器的端子接线图
• 3.4.4 SAMCO-e型变频器的操作
• 3.4.5 SAMCO-e型变频器的编程
• 3.5 本章小结
• 第四章 汽车模拟驾驶系统动力学模型的建立
• 4.1 汽车动力学概述
• 4.2 汽车模拟驾驶系统动力学模型分析
• 4.2.1 汽车静止、起动、直线运动过程中的受力分析
• 4.2.2 汽车转向控制分析
• 4.2.3 汽车加速度a、速度v和发动机转速n的计算
• 4.2.4 计算汽车位置及姿态变化
• 4.3 汽车动力、传动系统的建模及操纵动力学仿真模型
• 4.4 汽车动力学模型面向对象的主要类编程实现
• 4.5 本章小结
• 第五章 视景子系统的设计
• 5.1 视景系统介绍
• 5.2 视景软件的开发方法和三维图形接口库的选用
• 5.2.1 Win32 API
• 5.2.2 DirectX
• 5.2.3 游戏引擎介绍
• 5.2.4 开发模拟驾驶系统的游戏引擎
• 5.3 视景子系统实现方法的比较
• 5.4 视景子系统总体设计
• 5.5 3DS场景建模
• 5.5.1 场景内容
• 5.5.2 建立3D静态场景
• 5.5.3 建立天空模型
• 5.5.4 虚拟方向盘及速度仪表盘
• 5.5.5 后视镜
• 5.5.6 雾化处理
• 5.6 汽车模拟驾驶系统的操纵控制及通信
• 5.7 三维视景系统初始化及图形渲染
• 5.7.1 视景系统的坐标系统和旋转矩阵
• 5.7.2 视景仿真子系统初始化
• 5.8 引入汽车动力学模型
• 5.9 碰撞检测和地形匹配
• 5.9.1 汽车模拟驾驶场景中的碰撞检测
• 5.9.2 碰撞检测预处理
• 5.9.3 碰撞检测算法
• 5.9.4 汽车模拟驾驶场景中的地形匹配
• 5.10 声响系统
• 5.11 视景子系统运行效果及测试
• 5.11.1 视景子系统运行效果实例
• 5.11.2 动力学模型测试
• 5.12 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 本文结论
• 6.2 研究工作中的不足
• 6.3 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间参加的科研项目和公开发表的论文
• 攻读学位期间参加的科研项目
• 攻读学位期间公开发表的论文
• 附录