叉車(chē)仿真訓(xùn)練模擬器

1、叉車(chē)仿真訓(xùn)練模擬器概述 一般來(lái)說(shuō)，凡是需要有一個(gè)或一組熟練人員進(jìn)行操作、控制 管理或 決策的工作，例如汽車(chē) 飛機(jī) 船舶的駕駛，外科手術(shù)、消防、各類(lèi)工業(yè)設(shè) 備的操作等都需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的職業(yè)技能訓(xùn)練。過(guò)去的職業(yè)訓(xùn)練基本上都在實(shí) 際系統(tǒng)中進(jìn)行。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 多媒體技術(shù)、自動(dòng) 控制技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心和操縱控制臺(tái)為基礎(chǔ) 構(gòu)成的各種模擬仿真訓(xùn)練器已成為當(dāng)今重大生產(chǎn)設(shè)備或過(guò)程控制設(shè)備操作人 員上崗工作 培訓(xùn)的必備手段，受到國(guó)內(nèi)外工業(yè)界的高度重視，并在航 天航空、火力及核能發(fā)電、石油化工、軍事、航海等許多領(lǐng)域得到廣泛使 目前，模擬仿真訓(xùn)練器已逐步成為培訓(xùn)飛機(jī)、 汽車(chē)、

2、船舶等駕駛?cè)藛T 的重要設(shè)備之一。 叉車(chē)、堆高機(jī)、正面吊是冶金、制造、港口、水電、建筑、鐵路貨場(chǎng)、 倉(cāng)儲(chǔ)中心等部門(mén)裝卸貨物的主要設(shè)備，也是容易出安全事故的設(shè)備。這些 叉車(chē)駕駛的操作涉及到財(cái)產(chǎn)與生命安全，對(duì)操作人員的素質(zhì)要求愈來(lái)愈 高。由于它們可應(yīng)用在不同行業(yè)領(lǐng)域，其種類(lèi)繁多，操作技術(shù)多樣，在 生產(chǎn)過(guò)程中不僅要完成駕駛操作，更要與其他工種人員協(xié)調(diào)一致地完成吊裝 等裝卸工藝動(dòng)作，如操作不當(dāng)而引起的破壞程度和危險(xiǎn)性都會(huì)大大增加。 這一切都為車(chē)輛司機(jī)的培養(yǎng)和訓(xùn)練工作帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技 術(shù)的迅速發(fā)展和企業(yè)生產(chǎn)管理水平的提高，人們 迫切需要一種安全、快 速、高效的培訓(xùn)方式， 集虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)？計(jì)算

3、機(jī)仿真技術(shù)？多媒體技術(shù)、 自動(dòng)化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品 叉車(chē)駕駛操作仿真模擬器的 研制和開(kāi)發(fā)就應(yīng)運(yùn)而生。 叉車(chē)駕駛操作仿真模擬器相對(duì)于目前傳統(tǒng)的操作培訓(xùn)方式，具有很多突 出的優(yōu)點(diǎn)： 1）安全性好。使用仿真訓(xùn)練機(jī)可以模擬高速、重載以及其它非常危險(xiǎn)的 環(huán) 境以實(shí)現(xiàn)有安全保障的訓(xùn)練，杜絕事故隱患，減少事故損失。 2）經(jīng)濟(jì)性好。仿真訓(xùn)練機(jī)的成本遠(yuǎn)低于實(shí)際叉車(chē)設(shè)備。在訓(xùn)練過(guò)程中， 仿真訓(xùn)練 還可以免除實(shí)機(jī)操作中的油耗、電耗及零部件的磨損。同時(shí), 機(jī)使用周期 長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)不可忽略。 3）適用面廣。在仿真訓(xùn)練機(jī)軟件系統(tǒng)中，可以方便地設(shè)定各種訓(xùn)練條件 和 參數(shù)，模擬不同的使用工況和環(huán)境條件

4、；在同一套硬件系統(tǒng)中，配置不 同類(lèi)型的叉車(chē)仿真訓(xùn)練機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。例如，一臺(tái)叉車(chē)駕駛操 作仿真模擬器可以同時(shí)擁有集裝箱正面吊運(yùn)機(jī)、集裝箱空箱堆高機(jī)兩種類(lèi) 型起重機(jī)的操作訓(xùn)練功能。 4）培訓(xùn)效果好。通過(guò)使用仿真訓(xùn)練機(jī), 可以大大縮短學(xué)員的整個(gè)培訓(xùn) 周期， 使學(xué)員在較短的時(shí)間內(nèi)完成培訓(xùn)任務(wù)。 另外，仿真訓(xùn)練機(jī)可以非常 方便地模擬出實(shí)際訓(xùn)練中很少遇到的突發(fā)性事件，培養(yǎng)學(xué)員準(zhǔn)確的判斷能 力、良好的心理素質(zhì)，以及正確處理緊急情況的能力，從而提高培訓(xùn)質(zhì) 量。 5）軟、硬件不斷升級(jí)。叉車(chē)駕駛操作仿真模擬器軟、硬件可以不斷升 級(jí)，維護(hù)方便，與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)新型叉車(chē)的產(chǎn)生和技術(shù)性能不斷提高的要 求。 在駕駛

5、操作仿真模擬器上對(duì)學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)時(shí), 教員可以方便地監(jiān)控學(xué)員 的學(xué)習(xí)狀態(tài)、安全意識(shí)、技術(shù)掌握的熟練程度，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以客觀(guān)地對(duì) 學(xué)員進(jìn)行操作評(píng)分。 雖然仿真訓(xùn)練不能完全代替實(shí)機(jī)的操作訓(xùn)練，但學(xué)員在仿真訓(xùn)練機(jī)上接 受訓(xùn)練后，獲得一定的操作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，再到實(shí)機(jī)上實(shí)習(xí)，這樣就可以較 快較好地掌握實(shí)際操作技術(shù)。 駕駛操作仿真模擬器將是現(xiàn)代職業(yè)培訓(xùn)不可缺少的工具和手段，日益受 到重 叉車(chē)仿真模擬系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) K叉車(chē)仿真模擬系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)組成 根據(jù)叉車(chē)駕駛操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的功能定位，其總體結(jié)構(gòu)主要由硬件 和軟件兩部分組成。硬件設(shè)備由模擬駕駛艙、操縱控制系統(tǒng) 儀表系統(tǒng) 多媒體計(jì)算機(jī)及音響系統(tǒng)、學(xué)員觀(guān)摩室等構(gòu)

6、成。軟件系統(tǒng)包括作業(yè)環(huán)境的 計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)生成, 叉車(chē)行駛動(dòng)態(tài)仿真，聲響模擬，操作評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)管 理，網(wǎng)絡(luò)控制，操作平臺(tái)等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖所示。 操縱控制系統(tǒng) 叉車(chē)駕駛運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng) 力學(xué)模型I -信息顯示與儀表系統(tǒng) 訓(xùn)練者 場(chǎng)景模型生成處理 系統(tǒng) 場(chǎng)景規(guī)則及智能休 管理系統(tǒng) 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)關(guān)系圖 2、駕駛操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 模擬駕駛艙 如圖所示， 駕駛艙的外形尺寸和布局與真實(shí)叉車(chē)完全相同。在模擬駕 駛艙中裝配有與實(shí)車(chē)完全相同的各種可操縱機(jī)構(gòu)，如方向盤(pán)、離合器踏板、 剎車(chē)踏板、油門(mén)踏板、三根貨叉操作桿、剎車(chē)手柄、換向操縱桿、換擋操 縱桿、轉(zhuǎn)向燈開(kāi)關(guān)、 點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、儀表盤(pán)等， 以便給學(xué)員帶來(lái)最

7、接近真實(shí)的 駕駛感受。 叉車(chē)駕駛操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)駕駛艙 操縱控制系統(tǒng) 如圖所示，本系統(tǒng)包括了駕駛者控制叉車(chē)運(yùn)動(dòng)的基本操縱部件：方向 盤(pán)、油門(mén) 離合、剎車(chē)、檔位、換向以及貨叉操縱桿，另外還有點(diǎn)火開(kāi) 關(guān)、轉(zhuǎn)向指示燈等輔助性操作部件。這些部件信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與控制是叉 車(chē)駕駛操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)能否真正逼真模擬駕駛環(huán)境的最基本前提，是整 車(chē)完全操作感受盡量一致，因而在沒(méi)有力和反饋裝置的條件下，對(duì)于叉車(chē) 運(yùn)動(dòng)控制的模擬主要由實(shí)車(chē)部件中的方向盤(pán)、油門(mén)、離合、剎車(chē)、檔位和貨 叉操縱桿操作來(lái)完成。 個(gè)叉車(chē)駕駛操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的核心部分之一。 由于本系統(tǒng)要求與真實(shí)叉 操作控制系統(tǒng)照片 C手制動(dòng) c喇叭 c左右轉(zhuǎn) c

8、儀表 C鑰匙開(kāi)關(guān) c方向盤(pán) C “前后高低 C離合器 c腳制動(dòng)器 C “貨叉起 C “門(mén)架前傾 C “貨叉擴(kuò) c大小燈開(kāi) C前后檔 C高低速轉(zhuǎn)換拉桿 駕駛員對(duì)操縱部件的操作經(jīng)過(guò)傳感器和接口,將方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度、 油門(mén)的開(kāi)度 離合器的狀態(tài)、剎車(chē)的狀態(tài)等模擬量經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換發(fā)送給計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，同時(shí)把系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如檔位參數(shù)、速度等數(shù)字量 經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換發(fā)送到車(chē)體部分顯示儀表系統(tǒng)上，進(jìn)而調(diào)整視景顯示，使 駕駛員實(shí)時(shí)觀(guān)察駕駛車(chē)輛的運(yùn)行情況。 操作部件信號(hào)流程圖 儀表系統(tǒng) 儀表系統(tǒng)采用實(shí)車(chē)的儀 表盤(pán)，負(fù)責(zé)車(chē)內(nèi)儀表面板 如計(jì)時(shí)表 轉(zhuǎn)向燈、燃油 表、預(yù)熱指示燈等的實(shí)時(shí) 更新。儀表系統(tǒng)如右圖所 叉

9、車(chē)駕駛操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)儀表系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 在本叉車(chē)駕駛仿真系統(tǒng)中, 由于要滿(mǎn)足實(shí)時(shí)交互與漫游且要同時(shí)輸出五 個(gè)屏幕，主機(jī)對(duì)顯卡的要求較高，因此需要采用1G顯存和4G內(nèi)存，處理 器主頻采用8.5GHz以上。接口微處理器部分的主控芯片采用16位的頂 級(jí)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) 控制信號(hào)的識(shí)別和數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)windows串API函 數(shù)，完成單片機(jī)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。 音響系統(tǒng) w i ndows 操作 音響系統(tǒng)模擬行車(chē)過(guò)程中的環(huán)境音響，它是使駕駛員產(chǎn)生沉浸感的重要 因素。音響系統(tǒng)需要模擬的聲音有馬達(dá)轟鳴 風(fēng)響等，其中馬達(dá)轟鳴的聲 音可由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)載來(lái)決定，而車(chē)胎的音響、風(fēng)響，可由車(chē)速 轉(zhuǎn)彎角度 來(lái)決定

10、。對(duì)于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)視景系統(tǒng)，需要用計(jì)算機(jī)生成合成所應(yīng)發(fā)出的聲 音，它接受來(lái)自根據(jù)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算出車(chē)輛運(yùn)行車(chē)速、振動(dòng)和駕駛員 對(duì)油門(mén) 檔位等相應(yīng)參數(shù)值，用計(jì)算機(jī)生成模擬聲音，然后在通過(guò)聲響 處理系統(tǒng)同音響設(shè)備連接，配合車(chē)輛的行駛，產(chǎn)生相應(yīng)的聲響效果。 音頻仿真系統(tǒng)軟件采用基于windows環(huán)境的編制方法。 系統(tǒng) 使得應(yīng)用程序與設(shè)備之間具有相對(duì)獨(dú)立性，這種設(shè)備獨(dú)立性又使得軟 件與硬件之問(wèn)增添了許多中間層次，使得在windows平臺(tái)上緊湊、實(shí)時(shí)的 輸入以及快速地生成聲音變得十分困難。針對(duì)這種情況開(kāi)發(fā)的基于 windows的叉車(chē)駕駛模擬裝 置音頻仿真系統(tǒng)，運(yùn)用DirectX技術(shù)，能完全 克服以上缺陷

11、。 要仿真模擬叉車(chē)運(yùn)行時(shí)的各種聲音，要求這一套音頻仿真系統(tǒng)必須達(dá)到 如下的目標(biāo): D系統(tǒng)要能模擬出叉車(chē)運(yùn)行時(shí)發(fā)出的所有聲音； 2）系統(tǒng)對(duì)司機(jī)操縱的結(jié)果作出迅速的反應(yīng)； 3）系統(tǒng)要對(duì)不同的聲音進(jìn)行混音，因?yàn)樗緳C(jī)操縱叉車(chē)所發(fā)出的聲音不是 依次順序發(fā)出的, 可能有些聲音彼此交疊在一起; 4）由于不同類(lèi)型的叉車(chē)對(duì)應(yīng)的聲音不完全一樣，這就要求系統(tǒng)有一定的 靈 活性和擴(kuò)充性，以適應(yīng)不同類(lèi)型的叉車(chē) 教員控制臺(tái) 教員控制臺(tái)主要用于相關(guān)數(shù)據(jù)的輸入和輸出，如：學(xué)員信息錄入 班 級(jí)管理 培訓(xùn)內(nèi)容設(shè)置、操作環(huán)境條件設(shè)定 操作過(guò)程的監(jiān)視、記錄和重 演、分析與評(píng)分 考核成績(jī)輸出等。 3、叉車(chē)仿真模擬系統(tǒng)的軟件模塊設(shè)計(jì) 叉

12、車(chē)操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的軟件部分是本模擬器系統(tǒng)的核心內(nèi)容，它主 要由系統(tǒng)控制層、叉車(chē)操作層和教學(xué)監(jiān)控與管理三大部分組成。每個(gè)部 分又分別包含若干子系統(tǒng)。若干參數(shù)設(shè)置根據(jù)機(jī)型本身特點(diǎn)而獨(dú)立設(shè)置。 叉車(chē)操作訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)控制層軟件 系統(tǒng)控制層主要控制整個(gè)模擬器的硬件，接收和發(fā)出各種控制信號(hào)， 將相關(guān)傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)或者把計(jì)算機(jī)控制指令轉(zhuǎn)化為模擬 信號(hào)，控制叉車(chē)駕駛訓(xùn)練模擬器的投影、司機(jī)操作的輸入和輸出信號(hào) 音響效果等；控制層軟件主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù) 輸出模塊。在本節(jié)中，只是簡(jiǎn)單的描述各模塊的功能，在本文2.5中將會(huì) 對(duì)本系統(tǒng)信號(hào)采集、處理和傳輸

13、進(jìn) 行詳細(xì)分析。 本系統(tǒng)要求能夠采集各種模擬裝置的信這些信號(hào)可以分為三個(gè)不同 型：數(shù)字量、模擬量和開(kāi)關(guān)量。 加速踏板、離合器踏板、行車(chē)制動(dòng)踏板（三踏板）的踏板行程以及四 根操縱桿分別反映供油量大小、離合器結(jié)合程度、制動(dòng)力大小以及貨叉移 動(dòng)和叉車(chē)前進(jìn)后退，所以傳感器應(yīng)采集出的是連續(xù)變化的量，即模擬量。 模擬量的采集要去抗干擾能力強(qiáng)，在設(shè)計(jì)中選擇了線(xiàn)性位移傳感器與相關(guān) 機(jī)械連接組成。線(xiàn)性位移傳感器的阻值變化特性為直線(xiàn)型，能夠準(zhǔn)確反映 三踏板行程、貨叉位移以及叉車(chē)前后運(yùn)動(dòng)距離的大小。 方向盤(pán)度采集模塊采集轉(zhuǎn)向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)的角度、方向。考慮在實(shí)際駕駛中 轉(zhuǎn)向盤(pán)要求有一定的間隙，在采集時(shí)，采集精度要高，所以

14、選用了以角位 移傳感器為與轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向立柱連接用于采集轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)角，選用的角位 移傳感器最大測(cè)量角度為900 o 對(duì)于模擬器上的點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、車(chē)燈開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)量，主芯片可通過(guò)光電隔 離器與微動(dòng)開(kāi)關(guān)相連，提取開(kāi)關(guān)量，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平進(jìn)行處理。 2）數(shù)據(jù)處理模塊 在叉車(chē)操作模擬系統(tǒng)中，需要將采集到的無(wú)序的數(shù)據(jù)變成可用的有序的 數(shù)據(jù)。 為了不影響仿真系統(tǒng)的仿真效果, 要使得數(shù)據(jù)處理模塊的時(shí)間復(fù)雜 度低、運(yùn)算速度快、運(yùn)算結(jié)果精確，可擴(kuò)展，對(duì)于其他的系統(tǒng)也適用。 本系統(tǒng)中將各位移傳感器采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，利用接口 函數(shù)采集該信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)處理程序模塊進(jìn)行分析計(jì)算。 對(duì)于各種開(kāi)關(guān)量，則通過(guò)電信號(hào)轉(zhuǎn)化，再通過(guò)編碼器編碼分通道通過(guò) 數(shù)據(jù)采集函數(shù)與系統(tǒng)軟件模塊（程序）和系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 對(duì)于方向盤(pán)所采用的角位移傳感器角，則單獨(dú)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列 （FPGA）數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)PGA不