为什么DiL仿真总失败？手把手教你实现高效动态仿真

Dotrust东信创智

于 2025-06-20 17:16:29 发布

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文章标签：汽车

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在汽车研发过程中，为满足不同研发阶段和目标的需求，广泛采用了多种仿真工具和技术。其中，驾驶员在环（Driver in the Loop，简称DiL）作为关键的人机交互验证技术，可通过虚拟环境对驾驶体验、车辆响应和人机交互进行高效验证。

DiL通过动态驾舱、视听系统、相关人车检测等设备，在虚拟情境中重现“人-车-环境”在真实驾驶情境中的交互作用，并可以研究整个“人-车-环境”系统中涉及的因素，包括实际存在和虚拟存在。

一、DiL的构建

1.1真实的驾驶过程

如图所示，驾驶员观测到真实场景，做出自己的驾驶策略，表现为对方向盘、踏板、换挡手柄的驾驶操作，该操作传递至车辆动力学中，汽车产生对应行驶运动，在运动过程中所产生的一系列体感反馈则由座舱整体传递回驾驶员，形成闭环。

1.2通过DiL重现“人-车-环境”

重现真实驾驶情境中交互作用过程，主要包括复刻建模和情景重现。复刻建模即试验场景、车辆动力学、传感器数据等研究内容的建模；情景重现是将虚拟的场景、动力学等表现重构于现实，使得驾驶员可以接收到真实情景相似的信息。

在DiL“人-车-环境”的架构里，“人”是实际存在的，“车”是剥离动力学的物理壳体模型，“环境”则是完全由场景软件虚拟呈现，故建模内容为汽车动力学建模和场景建模。

通过场景软件构建和渲染场景信息，显示设备将该信息传递给驾驶员，实现真实场景的替换；
通过驾驶套件替换实际车辆的方向盘、踏板等装置采集驾驶员的驾驶操作，并输入至车辆动力学中，输出汽车位姿，即实现了对实际车辆的替换；
整合各环节输入输出，通过视听系统、运动平台、力反馈、实体座椅等在现实中呈现出虚拟情景的信息，以获得真实的驾驶体验，实现情景重现。

二、硬件的选取和介绍

DiL中的核心硬件部分，包括用于采集驾驶员输出的驾驶套件（驾驶模拟器）、输出场景信息的视觉系统、输出体感的运动平台。除情境再现必要的硬件外还可包括连接控制器等实体器件的实时系统；用于驾驶员监测的人因系统；音响耳机等听觉设备等。

2.1驾驶套件

方向盘、踏板等采集驾驶员输入的狭义驾驶模拟器设备，可统称为驾驶套件，大致可分为三种：游戏类、工业类和实车拆卸。

游戏类方向盘具有较好的外观手感，完善的驱动，性价比高且易获取等优势，是快速建立DiL系统的首选方案。

相比于游戏类，工业类方向盘往往不注重外观，具有更完善的功能和更好的可调性，性能更强。可支持CAN总线通讯，实时配置阻尼、摩擦、刚度、反馈力矩等。

实车拆卸的驾驶套件可以完美契合研究目标，若非采用线控转向的实车部件，需额外借助传感器采集驾驶输出信号，并通过执行器来模拟力反馈。

2.2运动平台

运动平台（或称动感平台）是DiL产生体感的发生部分，独立于上位机软件模型运算，因此对于无需体感模拟的仿真目标可不选配运动平台。运动平台从运动方式上可分为驱动缸类、位移类。

驱动缸类由若干个驱动缸带动座舱运动带来体感，对于角度和角速度有较好的模拟效果，是最常用的运动平台形式，通常选用响应快、噪音小的电缸，常见有三轴、四轴、六轴，图为六轴电缸运动平台。

位移类可在横纵向发生位移，对轴向加速度有较好的模拟效果，但没有模拟角度和角速度的自由度，因此通常耦合六轴运动平台使用以确保体感完整。常见形式为轨道式、绳索牵拉式、磁气悬浮式等。图为轨道式运耦合六轴运动平台。

2.3视景系统

视景系统是重现场景，将画面输出给驾驶员的显示设备。由于显示画面与真实场景总是存在区别，在场景构建完成后，如何将场景显示得接近真实就显得尤为重要，其中速度感是驾驶员驾驶感受的重要体验，而较大的侧向场景运动角速度是速度感主要来源，因此提升视景系统的水平视场角（FOV）尤为重要。

常见的DiL视景系统大致有四类：荧屏类、投屏类、CAVE系统、VR。

不同比例的显示屏、拼接屏可归为荧屏类，其特点是亮度高，无需暗室，若规模较小则可挂载运动平台上。其中，三联屏的FOV可达130°。

大型场景显示可选用投屏类，通过设计环幕或球幕，其视场角可达180°以上，如图为环幕方案。

CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）是VR技术的一种，在实验空间内布置投影或显示器，具有极大的水平和垂直视场角，是一种可多人同时验证的沉浸式驾驶模拟验证方案，如图为VTD的CAVE仿真方案。

VR头显设备需场景软件适配虚拟现实功能，最为便捷且节约空间，FOV可达120°以上。如图为使用VR头显设备驾驶模拟的示例。

2.4其他硬件

若DiL用于连接实车上的控制器执行器，则需添加实时系统及收发器用于关联实车硬件。

若DiL用于人机交互，则需添加对应设备，如监测摄像头、眼动仪、语音识别等设备。

对于某些需求和研究，需要驾驶过程的“听声辨位”来增强对交通环境感知，可使用耳机或音响阵列。

三、软件工具与平台

DiL涉及的关键软件包括动力学软件、场景软件和辅助工具（衔接、驱动）。车辆动力学软件可保证仿真准确性，场景软件提供视觉、场景精细度等，辅助工具实现可开发性和实时性等。

3.1车辆动力学软件

车辆动力学软件是重现车辆动力学的工具，可结合汽车开发V流程，实现各阶段的任务。Vector DYNA4是一款适用于乘用车和商用车的综合性仿真工具，可以对车辆运动控制和智能驾驶控制的被测系统进行功能和性能的闭环虚拟驾驶仿真测试，作为虚拟驾驶测试平台可以开放地集成到CANoe或第三方测试系统中。

3.2场景软件

场景软件用于搭建虚拟情境中的场景，相比于车辆动力学软件的场景，往往具有更丰富强大的功能和渲染效果，可以实现环境气候、交通流、地形地貌的模拟，并提升互动性。常用的场景软件有：VTD、rFpro、UE等。

3.3交互平台

上述各软硬件将现实中的汽车、场景复刻建模后，各模型能根据输入正确计算输出，但彼此间并不能直接通讯，需借助交互平台或插件实现数据交互。

对于带有实车硬件的工程项目，需借助收发器接受和仿真实车电子信号，通常交互平台使用成熟的汽车电子开发与验证工具链，如Vector、NI等；而对于无实车硬件，精度需求较低的在线仿真工程项目，可使用Matlab&Simulink、Python、插件调用等方法实现软硬件连接。

四、优化与调试

DiL工程建立后，可直接对标实车数据判断DiL的准确性，但由于模拟器和实车的结构差异以及数据测量方法差异，需进行额外的优化调试工作。其中体感、方向盘力反馈、踏板调校影响驾驶体验的主观感受，本节的内容为方向盘力反馈和踏板力曲线的介绍。

DiL中的方向盘和踏板没有实际车辆传动中机械的齿轮背隙等结构，其输出为驾驶套件的采集数据，会导致驾驶套件过于灵敏、抖动过多等问题出现，因此需参考实际情况和驾驶员主观驾驶习惯设置死区（deadband）以及力传递曲线，如图为一种制动踏板位移和踏板力对应关系曲线。

应用案例分析

5.1 静态DiL项目

该项目欲搭建DiL以实现控制器联调、动力学调校。采用DYNA4搭建待验证车型的车辆动力学，实现虚拟动力学建模；定制UE场景，包括赛道、试验场等，实现虚拟场景建模；NI VeriStand作为软硬件连接的中枢，实现软硬件交互；硬件包括NI PXI系统、CAN通讯驾驶套件、座椅及框架、曲面显示器等，通过显示器显示驾驶画面、驾驶套件反馈，重构驾驶场景。

如图，我们使用NI工具链作为核心连接工具，以上位机VeriStand作为管控平台。下位机及板卡负责驾驶模拟器、动力学模型、控制器的信号交互，在NI VeriStand中配置和调用这些信号，实现驾驶员和虚拟动力学的交互。

①经常修改的变量仿真信号（如挡位、连接请求等）通过VeriStand面板搭建，具有便捷和统一管理的优势；常量和复杂逻辑（如握手信号），通过LabView或Simulink搭建和编译，再集成至VeriStand，具有逻辑结构清晰的优势。完成信号搭建后，需在Mapping中将该仿真信号关联真实总线，实现信号发送和接收。

②在本方案中，我们选用CAN通讯驾驶模拟器，通过在Simulink中搭建交互模型来配置驾驶模拟器参数，具体内容包括连接模式、起止限位、期望扭矩等不经常更改的量；对于摩擦、阻尼、力反馈比例等经常修改的量则在面板中搭建。

③DYNA4下载到下位机后，每次更换车辆参数只需通过更新参数文件和模型更新，即可实现在线仿真。

④驾驶模拟器的输出同样可使用Simulink处理，如单位转换，自定义踏板力曲线和死区设置。