一种开放式驾驶模拟器的视景系统运动跟随校正方法技术方案

本发明专利技术公开了一种开放式驾驶模拟器的视景系统运动跟随校正方法，运动平台采集模块实时采集运动平台当前时刻的位置、姿态信息；校正参数计算模块根据运动平台采集模块采集的当前时刻的运动平台位置、姿态以及视景系统的各个截取通道参数，计算出每个截取通道相对于观察点的相对运动量，图像渲染引擎模块根据上述相对运动量，在计算每一帧需要输出的图像内容时，直接修改进行透视变换的截取通道相对于观察点的位置、欧拉角，使得输出显示的图像内容能够跟随运动平台的运动过程。本发明专利技术使得采用开放式布置方案的驾驶模拟器的视景系统能够跟随运动平台的运动过程，从而使驾驶员的视觉与体感相一致。

【技术实现步骤摘要】
一种开放式驾驶模拟器的视景系统运动跟随校正方法
本专利技术属于驾驶模拟器应用
，具体一种开放式驾驶模拟器的视景系统运动跟随校正方法。
技术介绍
汽车驾驶模拟器在车型开发、车载电子系统验证、交通行为研究、驾驶培训等领域有着越来越广泛的应用。传统的带有运动模拟系统的驾驶模拟器多是将投影屏幕、投影仪、经改装后的真实车辆都布置在封闭的驾驶模拟舱内，利用多自由度运动模拟系统带动整个模拟舱运动，可以为驾驶员提供十分逼真的驾驶感受，但是其成本也是非常高的。相比之下，开放式驾驶模拟器在场地内设置固定的投影屏幕，将投影仪直接固定在场地内，不再随运动模拟系统运动，将经改装的真实车辆直接固定在运动模拟系统上，可以省去模拟舱的建造成本，降低对场地、投影仪、运动模拟系统等设备的要求，因此可以大大节省驾驶模拟器的开发、研制成本。但是，开放式驾驶模拟器将视景系统的显示设备固定在场地内也带来了一定的问题，因为驾驶模拟舱固定在运动模拟系统的动平台(以下简称运动平台)上，驾驶员会随着运动平台不断运动，而投影屏幕始终固定不动，因此在驾驶员操作模拟器时运动平台与视景系统的显示设备之间会不断进行相对运动，导致驾驶员观察屏幕时的位置和方向不断变化，因此会出现驾驶员由运动模拟系统得到的体感与由投影屏幕得到的视觉感受不一致的情况，这不但会使驾驶员感到驾驶不适，而且也会使驾驶模拟器的沉浸感大大降低，严重影响驾驶模拟器的应用效果。因此，在开放式驾驶模拟器中应对视景系统的图像显示内容进行校正，使其能够跟随运动平台的位置、姿态变化，从而保证驾驶员观察图像内容感受到的视觉变化与运动模拟系统为其提供的体感协调、一致，这将大大降低驾驶模拟器的研制成本，为驾驶模拟器在更多领域内的应用提供更多的可能。目前国内、外采用开放式布置方案并具有运动模拟系统的汽车驾驶模拟器还很少，从已有的文献资料来看提出需要对开放式驾驶模拟器的视景系统进行运动跟随校正的还几乎没有。
技术实现思路
本专利技术提出了一种开放式驾驶模拟器的视景系统运动跟随校正方法，使采用开放式布置方案的驾驶模拟器的视景系统能够跟随运动平台的运动过程，从而使驾驶员的视觉与体感相一致，保证开放式的布置方案也能获得与封闭式的驾驶模拟器相接近的沉浸感，降低驾驶模拟器的开发成本、扩展应用领域。在驾驶模拟器的视景系统进行图像渲染时，利用观察点代表模拟器中驾驶员眼睛，利用进行透视投影变换的截取通道代表了驾驶员的视区范围，所以在图像渲染过程中截取通道的投影参考点位置应与观察点位置重合，并且截取通道的范围应根据模拟器投影屏幕的边界和投影参考点的位置进行计算。对于屏幕随运动平台一起运动的驾驶模拟器，屏幕与驾驶员始终保持相对静止，所以截取通道与驾驶员眼睛位置也是种保持相对静止。但是在开放式驾驶模拟器中，运动平台的运动导致驾驶员与投影屏幕之间产生了相对运动，截取通道的投影参考点位置不再与驾驶员眼睛位置重合，截取通道相对于驾驶员的姿态也会不断变化，上述位置和姿态的变化导致了驾驶员观察屏幕时产生了斜视作用，因此在图像渲染计算时，截取通道与观察点的相对位置不再是固定不变的，应不断校正截取通道相对于观察点的位置、姿态，抵消上述斜视作用的产生。本专利技术提出的开放式驾驶模拟器的视景系统运动跟随校正方法，计算出运动平台的运动，导致的视景系统图像渲染引擎中截取通道相对于观察点的位置、姿态变化，在图像渲染引擎的帧循环过程中不断更新截取通道相对于观察点的位置、姿态便可抵消斜视作用的产生，实现运动跟随校正过程。本专利技术是采用如下技术方案实现的，结合附图：一种开放式驾驶模拟器的视景系统运动跟随校正方法，其利用运动跟随系统实现开放式驾驶模拟器视景系统的运动跟随，所述运动跟随系统由运动平台采集模块1、校正参数计算模块2、图像渲染引擎模块3组成，该运动跟随方法包括以下步骤：步骤一、运动平台采集模块1实时采集运动平台9当前时刻的位置、姿态信息；步骤二、校正参数计算模块2根据所述步骤一采集的当前时刻运动平台9的位置、姿态以及视景系统的各个截取通道5参数，计算出每个截取通道相对于观察点的相对运动量，计算过程包括以下步骤：步骤1、在初始化阶段建立计算过程中所需的坐标系，具体包括：投影场地坐标系11：投影场地坐标系11是计算过程中的全局坐标系，将投影场地坐标系11原点P选在运动模拟系统基座10的中心位置；运动平台坐标系8：运动平台坐标系8固结在运动模拟系统的运动平台9上，运动平台坐标系8的原点S固结在运动平台9的形心处，当运动平台9运动时，其坐标原点在投影场地坐标系11中的位置、坐标系相对于投影场地坐标系11的欧拉角也会不断变化；观察点坐标系7：观察点坐标系7的原点O代表驾驶员眼睛的位置，其坐标轴方向指向驾驶员的视线方向，观察点坐标系7相对于运动平台坐标系8的位置、姿态固定不变；透视变换坐标系6：透视变换坐标系6的原点C设置在运动平台9位于初始位置时与观察点坐标系7原点O重合的位置，为视景系统的图像渲染引擎进行透视变换的投影参考点；步骤2、获取运动平台采集模块1通过所述步骤一采集的数据，并计算运动平台坐标系8相对于投影场地坐标系11的位置、欧拉角；步骤3、根据所述步骤2计算得到的运动平台坐标系8相对于投影场地坐标系11的欧拉角，计算运动平台坐标系8相对于投影场地坐标系11的方向余弦矩阵；步骤4、计算观察点坐标系7原点O在投影场地坐标系11中的位置；步骤5、计算投影场地坐标系11相对于观察点坐标系7的方向余弦矩阵；步骤6、计算透视变换坐标系6原点C在观察点坐标系7中的位置；步骤7、计算透视变换坐标系6相对于观察点坐标系7的欧拉角；步骤8、向图像渲染引擎模块3输出计算结果，并跳转至所述步骤2。步骤三、图像渲染引擎模块3根据步骤二计算出的每个截取通道相对观察点坐标系7的运动量，在计算每一帧需要输出的图像内容时，直接修改进行透视变换的截取通道相对于观察点的位置、欧拉角，使得输出显示的图像内容能够跟随运动平台9的运动过程。所述的一种开放式驾驶模拟器的视景系统运动跟随校正方法，其中，步骤2获取运动平台采集模块1通过所述步骤一采集的数据，并计算运动平台坐标系8相对于投影场地坐标系11的位置、欧拉角的具体过程为：所述步骤1建立的投影场地坐标系11的原点P与驾驶模拟器所采用的运动模拟系统控制器定义的设备坐标系13的原点重合，X轴方向一致，Y轴方向相反，Z轴方向相反，所述步骤1建立的运动平台坐标系8的原点S与运动模拟系统控制器定义的固结在运动平台9上的动坐标系12的原点重合，X轴方向一致，Y轴方向相反，Z轴方向相反；根据运动平台采集模块1提供的当前时刻运动模拟系统控制器定义的固结在运动平台9上的动坐标系12原点相对于运动模拟系统控制器定义的设备坐标系13的位置、欧拉角，得到运动平台坐标系8相对于投影场地坐标系11的位置、欧拉角为:式中，xE、yE、zE、φE、θE、ψE分别是由运动平台采集模块1反馈的运动模拟系统控制器定义的固结在运动平台9上的动坐标系12相对于运动模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开放式驾驶模拟器的视景系统运动跟随校正方法，其特征在于，利用运动跟随系统实现开放式驾驶模拟器视景系统的运动跟随，所述运动跟随系统由运动平台采集模块(1)、校正参数计算模块(2)、图像渲染引擎模块(3)组成，该运动跟随校正方法包括以下步骤：步骤一、运动平台采集模块(1)实时采集运动平台(9)当前时刻的位置、姿态信息；步骤二、校正参数计算模块(2)根据所述步骤一采集的当前时刻的运动平台(9)位置、姿态以及视景系统的各个截取通道(5)参数，计算出每个截取通道(5)相对于观察点的相对运动量，计算过程包括以下步骤：步骤1、在初始化阶段建立计算过程中所需的坐标系，具体包括：投影场地坐标系(11)：投影场地坐标系(11)是计算过程中的全局坐标系，将投影场地坐标系(11)原点P选在运动模拟系统基座(10)的中心位置；运动平台坐标系(8)：运动平台坐标系(8)固结在运动模拟系统的运动平台(9)上，运动平台坐标系(8)的原点S固结在运动平台(9)的形心处，当运动平台(9)运动时，其坐标原点在投影场地坐标系(11)中的位置、坐标系相对于投影场地坐标系(11)的欧拉角也会不断变化；观察点坐标系(7)：观察点坐标系(7)的原点O代表驾驶员眼睛的位置，其坐标轴方向指向驾驶员的视线方向，观察点坐标系(7)相对于运动平台坐标系(8)的位置、姿态固定不变；透视变换坐标系(6)：透视变换坐标系(6)的原点C设置在运动平台(9)位于初始位置时与观察点坐标系(7)原点O重合的位置，为视景系统的图像渲染引擎进行透视变换的投影参考点；步骤2、获取运动平台采集模块(1)通过所述步骤一采集的数据，并计算运动平台坐标系(8)相对于投影场地坐标系(11)的位置、欧拉角；步骤3、根据所述步骤2计算得到的运动平台坐标系(8)相对于投影场地坐标系(11)的欧拉角，计算运动平台坐标系(8)相对于投影场地坐标系(11)的方向余弦矩阵；步骤4、计算观察点坐标系(7)原点O在投影场地坐标系(11)中的位置；步骤5、计算投影场地坐标系(11)相对于观察点坐标系(7)的方向余弦矩阵；步骤6、计算透视变换坐标系(6)原点C在观察点坐标系(7)中的位置；步骤7、计算透视变换坐标系(6)相对于观察点坐标系(7)的欧拉角；步骤8、向图像渲染引擎模块(3)输出计算结果，并跳转至所述步骤2。步骤三、图像渲染引擎模块(3)根据步骤二计算出的每个截取通道相对观察点坐标系(7)的运动量，在计算每一帧需要输出的图像内容时，直接修改进行透视变换的截取通道相对于观察点的位置、欧拉角，使得输出显示的图像内容能够跟随运动平台(9)的运动过程。...

【技术特征摘要】
1.一种开放式驾驶模拟器的视景系统运动跟随校正方法，其特征在于，利用运动跟随系统实现开放式驾驶模拟器视景系统的运动跟随，所述运动跟随系统由运动平台采集模块(1)、校正参数计算模块(2)、图像渲染引擎模块(3)组成，该运动跟随校正方法包括以下步骤：步骤一、运动平台采集模块(1)实时采集运动平台(9)当前时刻的位置、姿态信息；步骤二、校正参数计算模块(2)根据所述步骤一采集的当前时刻的运动平台(9)位置、姿态以及视景系统的各个截取通道(5)参数，计算出每个截取通道(5)相对于观察点的相对运动量，计算过程包括以下步骤：步骤1、在初始化阶段建立计算过程中所需的坐标系，具体包括：投影场地坐标系(11)：投影场地坐标系(11)是计算过程中的全局坐标系，将投影场地坐标系(11)原点P选在运动模拟系统基座(10)的中心位置；运动平台坐标系(8)：运动平台坐标系(8)固结在运动模拟系统的运动平台(9)上，运动平台坐标系(8)的原点S固结在运动平台(9)的形心处，当运动平台(9)运动时，其坐标原点在投影场地坐标系(11)中的位置、坐标系相对于投影场地坐标系(11)的欧拉角也会不断变化；观察点坐标系(7)：观察点坐标系(7)的原点O代表驾驶员眼睛的位置，其坐标轴方向指向驾驶员的视线方向，观察点坐标系(7)相对于运动平台坐标系(8)的位置、姿态固定不变；透视变换坐标系(6)：透视变换坐标系(6)的原点C设置在运动平台(9)位于初始位置时与观察点坐标系(7)原点O重合的位置，为视景系统的图像渲染引擎进行透视变换的投影参考点；步骤2、获取运动平台采集模块(1)通过所述步骤一采集的数据，并计算运动平台坐标系(8)相对于投影场地坐标系(11)的位置、欧拉角；步骤3、根据所述步骤2计算得到的运动平台坐标系(8)相对于投影场地坐标系(11)的欧拉角，计算运动平台坐标系(8)相对于投影场地坐标系(11)的方向余弦矩阵；步骤4、计算观察点坐标系(7)原点O在投影场地坐标系(11)中的位置；步骤5、计算投影场地坐标系(11)相对于观察点坐标系(7)的方向余弦矩阵；步骤6、计算透视变换坐标系(6)原点C在观察点坐标系(7)中的位置；步骤7、计算透视变换坐标系(6)相对于观察点坐标系(7)的欧拉角；步骤8、向图像渲染引擎模块(3)输出计算结果，并跳转至所述步骤2；步骤三、图像渲染引擎模块(3)根据步骤二计算出的每个截取通道相对观察点坐标系(7)的运动量，在计算每一帧需要输出的图像内容时，直接修改进行透视变换的截取通道相对于观察点的位置、欧拉角，使得输出显示的图像内容能够跟随运动平台(9)的运动过程。2.如权利要求1所述的一种开放式驾驶模拟器的视景系统运动跟随校正方法，其特征在于，所述步骤2获取运动平台采集模块(1)通过所述步骤一采集的数据，并计算运动平台坐标系(8)相对于投影场地坐标系(11)的位置、欧拉角的具体过程为：所述步骤1建立的投影场地坐标系(11)的原点P与驾驶模拟器所采用的运动模拟系统控制器定义的设备坐标系(13)的原点重合，X轴方向一致，Y轴方向相反，Z轴方向相反，所述步骤1建立的运动平台坐标系(8)的原点S与运动模拟系统控制器定义的固结在运动平台(9)上的动坐标系(12)的原点重合，X轴方向一致，Y轴方向相反，Z轴方向相反；根据运动平台采集模块(1)提供的当前时刻运动模拟系统控制器定义的固结在运动平台(9)上的动坐标系(12)原点相对于运动模拟系统控制器定义的设备坐标系(13)的位置、欧拉角，得到运动平台坐标系(8)相对于投影场地坐标系(11)的位置、欧拉角为:式中，xE、yE、zE、φE、θE、ψE分别是由运动平台采集模块(1)反馈的运动模拟系统控制器定义的固结在运动平台(9)上的动坐标系(12)相对于运动模拟系统控制器定义的设备坐标系(13)的位置、欧拉角，xP、yP、zP、φP、θP、ψP分别是经解算后，运动平台坐标系(8)原点S相对于投影场地坐标系(11)的位置、欧拉角。3.如权利要求1所述的一种开放式驾驶模拟器的视景系统运动跟随校正方法，其特征在于，所述步骤3计算得到的运动平台坐标系(8)相对于投影场地坐标系(11)的方向余弦矩阵为：

【专利技术属性】
技术研发人员：管欣，洪峰，贾鑫，田磊，段春光，赵旗，郭学立，罗兰，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22