張靜 王海榮 翟光輝 曹樂樂

【摘 要】本文介紹了國(guó)產(chǎn)杭叉CPC（D） R30叉車4D考核模擬器設(shè)計(jì)開發(fā)和關(guān)鍵仿真技術(shù)。該型模擬器是按照《場(chǎng)（廠）內(nèi)專用機(jī)動(dòng)車輛安全管理人員和操作人員考核大綱TSG N6001-2012》的技術(shù)要求設(shè)計(jì)，在功能上既可以滿足叉車作業(yè)人員進(jìn)行操作取證的考核要求也可以滿足叉車作業(yè)人員進(jìn)行日常模擬訓(xùn)練的需要。模擬器在建模設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿真技術(shù)、3D立體視景技術(shù)、六自由度平臺(tái)等方面有深入的研究。

【關(guān)鍵詞】 叉車 考核 視景系統(tǒng) 建模和仿真

1 前言

本文介紹的4D叉車考核模擬器是按《場(chǎng)（廠）內(nèi)專用機(jī)動(dòng)車輛安全管理人員和操作人員考核大綱》TSG N6001-2012的技術(shù)要求設(shè)計(jì)的全任務(wù)模擬器。其主要功能是通過叉車數(shù)學(xué)建模和仿真計(jì)算對(duì)某型叉車動(dòng)態(tài)操作性能進(jìn)行仿真，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和半物理仿真設(shè)備對(duì)叉車操作環(huán)境進(jìn)行高逼真度仿真，同時(shí)采用叉車考核專家系統(tǒng)對(duì)模擬操作進(jìn)行智能評(píng)分。該模擬系統(tǒng)即可用于叉車操作員培訓(xùn)，也可以用于叉車操作員的考核。采用模擬訓(xùn)練方法可以大大縮短專用叉車駕駛員培訓(xùn)周期、降低培訓(xùn)成本，保證訓(xùn)練安全并實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。采用模擬器和計(jì)算機(jī)專家考核系統(tǒng)可以保證訓(xùn)練質(zhì)量和考核的公正性。模擬器能覆蓋95%以上的基本訓(xùn)練課目和訓(xùn)練大綱規(guī)定的所有特情處置功能。目前，國(guó)內(nèi)外尚無同類仿真與訓(xùn)練模擬研究成果。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思想

根據(jù)模擬器對(duì)叉車模擬訓(xùn)練和考核的功能需求，仿真系統(tǒng)在硬件組成和設(shè)計(jì)上參照由中華人民共和國(guó)交通部頒發(fā)的《JT/T 378 -2005 汽車模擬駕駛培訓(xùn)模擬器-行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家規(guī)范要求》對(duì)模擬器的要求。4D叉車考核模擬器由座室模擬分系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)分系統(tǒng)、視景模擬分系統(tǒng)、聲音模擬分系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)、叉車性能仿真分系統(tǒng)、綜合環(huán)境模擬分系統(tǒng)、教員臺(tái)分系統(tǒng)和輔助分系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用模塊化結(jié)構(gòu)，硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。系統(tǒng)有較大的二次開發(fā)余度，各仿真軟件模塊根據(jù)用戶需求留有擴(kuò)展接口。關(guān)鍵系統(tǒng)（如叉車性能仿真系統(tǒng)等）的軟件包具有再次開發(fā)能力。

3 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)模擬器整機(jī)總體技術(shù)指標(biāo)要求，主要分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如下。

3.1 駕駛室模擬分系統(tǒng)

模擬器要滿足該型叉車駕駛員的模擬訓(xùn)練和考核的需要，座室設(shè)備要有很高的逼真度。模擬駕駛室安裝在六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，整個(gè)模擬器按照1：1模擬杭叉CPC（D） R30的外形及部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部布局及所有部件的尺寸和外觀均與實(shí)裝叉車一致。其中駕駛室內(nèi)的操作結(jié)構(gòu)（方向盤、操作桿、鑰匙、手剎、座椅等）均為原廠訂購，車體部分（主要是車架）為鋼板等比例仿制，車輪、配重為玻璃鋼仿制。

駕駛盤設(shè)備采用杭叉R30原廠配件總成，結(jié)合微型磁粉制動(dòng)器（CD-HSY-50 DC24V）、微型拉桿電子尺（KTM-50）組成轉(zhuǎn)向信號(hào)采集控制單元。采集叉車轉(zhuǎn)向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)不同路況及載荷輸出至磁粉制動(dòng)器模擬轉(zhuǎn)向力矩。

油門踏板采用杭叉R30原廠配件總成，結(jié)合微型拉桿電子尺（KTM-50）組成叉車油門信號(hào)，實(shí)時(shí)采集油門數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)。

行車制動(dòng)踏板采用杭叉R30原廠配件總成，結(jié)合微型拉桿電子尺（KTM-50）組成叉車制，實(shí)時(shí)采集行車制動(dòng)數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)。

駐車制動(dòng)手柄采用杭叉R30原廠配件總成，結(jié)合微動(dòng)開關(guān)組成駐車制動(dòng)信號(hào)采集單元。將駐車制動(dòng)器狀態(tài)傳輸至計(jì)算機(jī)。

換檔、換向操縱手柄采用杭叉R30原廠配件以及部分變速箱配件，另外結(jié)合吸盤電磁鐵。CNQSE1-P59/34 及接近開關(guān)，組成換檔、換向操縱及信號(hào)采集單元。采集換檔、換向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)。

起升操縱桿、傾斜操縱桿以及多路閥均采用杭叉R30原廠配件總成，結(jié)合微型拉桿電子尺。（KTM-50）組成叉車貨叉起升、傾斜信號(hào)采集單元。采集起升、傾斜實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)。

儀表總成及開關(guān)為用杭叉R30原廠配件，儀表有計(jì)時(shí)表、油溫表水溫表等；開關(guān)主要是啟動(dòng)開關(guān)、轉(zhuǎn)向燈開關(guān)、大小燈開關(guān)、喇叭、熄火拉桿等。

采用杭叉R30原廠座椅，模擬器系統(tǒng)配置1個(gè)座位，無考試員座椅。并在座椅上添加紅外檢測(cè)和安全帶信號(hào)檢測(cè)，以判斷作業(yè)人員是否身體探出車外及是否系安全帶。接口系統(tǒng)用于駕駛室設(shè)備信號(hào)的采集和驅(qū)動(dòng)。

3.2運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用六自由度電動(dòng)平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式為Stewart的6-6型結(jié)構(gòu)，主要由六只電動(dòng)作動(dòng)器、三組上復(fù)合鉸鏈、三組下復(fù)合鉸鏈、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上臺(tái)體、固定基座等部分組成。模擬叉車縱向、升降、橫向、俯仰、橫滾和航向的六自由度運(yùn)動(dòng)，為駕駛員提供瞬時(shí)過載感覺，并對(duì)顛簸等特殊效果進(jìn)行仿真，由于視景系統(tǒng)不在平臺(tái)之上，所以不模擬加速和減速及轉(zhuǎn)彎過載，模擬效果使駕駛員感覺與真實(shí)叉車駕駛室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)感覺接近。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、安全及應(yīng)急回路控制系統(tǒng)、動(dòng)力站系統(tǒng)五個(gè)子系統(tǒng)組成，最大動(dòng)載荷達(dá)到1噸，通過協(xié)調(diào)控制電動(dòng)作動(dòng)器，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)駕駛室實(shí)現(xiàn)空間的六自由度運(yùn)動(dòng)。該平臺(tái)系統(tǒng)具有完善的故障監(jiān)控和安全保護(hù)功能，保證模擬室內(nèi)的人員和設(shè)備的安全。

3.3視景分系統(tǒng)

模擬器視景系統(tǒng)包括視景顯示系統(tǒng)和圖像生成系統(tǒng)組成。視景顯示系統(tǒng)采用背投立體成像顯示系統(tǒng)。最大水平視場(chǎng)角達(dá)150°，最大垂直視場(chǎng)角達(dá)70°。圖像生成系統(tǒng)采用國(guó)際上先進(jìn)的基于PC的圖像生成計(jì)算機(jī)，為顯示系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)生成的動(dòng)態(tài)視景信號(hào)。

（1）視景系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：3通道立體顯示（單通道分辨率1920×1200像素）；景色內(nèi)容不混疊；計(jì)算和顯示象素尺寸的最小分辨率小于3弧分；亮度分析；投影機(jī)選用專業(yè)工程投影機(jī)，該機(jī)采用DLP CINMEA方案，最高支持1920*1200分辨率，亮度5000流明，提供鮮亮而清晰的顯示畫面。最大滯后或傳輸延遲不超過120毫秒。

（2）視景系統(tǒng)的組成：視景分系統(tǒng)包括視景數(shù)據(jù)庫、成像子系統(tǒng)和顯示子系統(tǒng)。視景庫包括五個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)庫，分為場(chǎng)地駕駛模擬、道路駕駛模擬兩大類。

場(chǎng)地駕駛場(chǎng)景制作符合國(guó)家場(chǎng)地車輛考試大綱要求；道路駕駛場(chǎng)景符合國(guó)家交通法對(duì)于道路行駛要求。視景成像子系統(tǒng)由視景成像計(jì)算機(jī)、視景管理軟件等組成。視景計(jì)算機(jī)采用基于PC架構(gòu)的HP圖像工作站，視景管理軟件采用專用UNITY3D軟件來實(shí)現(xiàn)。圖像生成系統(tǒng)為視景顯示系統(tǒng)提供3個(gè)通道（6路）的1920×1200@60Hz信號(hào)源，具有多種亮度條件下視覺仿真效果。

視景顯示子系統(tǒng)采用6臺(tái)DPE-Vision 4500投影機(jī)和150度3D背投硬幕。

3.4叉車性能仿真分系統(tǒng)

叉車性能仿真分系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)叉車進(jìn)行建模和仿真計(jì)算，輸出叉車的仿真性能參數(shù)，該系統(tǒng)是模擬器的核心軟件系統(tǒng)。

叉車系統(tǒng)的功能，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、運(yùn)動(dòng)方程模型、懸掛和車輪系統(tǒng)模型、操縱系統(tǒng)模型、燃油系統(tǒng)模型、風(fēng)阻模型等主要仿真數(shù)學(xué)模型。

運(yùn)用層次化、模塊化的建模方法，結(jié)合untiy3D的物理引擎，計(jì)算叉車運(yùn)動(dòng)的操縱和運(yùn)動(dòng)特性；建立叉車工作裝置數(shù)學(xué)模型，模擬工作裝置運(yùn)行過程。

3.4.1模擬功能

本系統(tǒng)主要完成如下幾個(gè)模擬功能：

叉車基本性能模擬（包括動(dòng)力性能、不同載荷下的加/減速性能、操縱性能），叉車起步、憋車、抖動(dòng)、加減速、剎車、換擋、轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)后退；不同載荷情況的行駛、爬坡等。

工作裝置功能模擬，貨叉升降，門板傾斜，搬運(yùn)貨物。叉車場(chǎng)內(nèi)搬運(yùn)貨物模擬，根據(jù)《場(chǎng)（廠）內(nèi)專用機(jī)動(dòng)車輛安全管理人員和操作人員考核大綱》中要求模擬叉車場(chǎng)地內(nèi)搬運(yùn)貨物。叉車道路行駛模擬，根據(jù)《場(chǎng)（廠）內(nèi)專用機(jī)動(dòng)車輛安全管理人員和操作人員考核大綱》中要求模擬不同道路上叉車的行駛。

3.4.2實(shí)現(xiàn)方案

叉車系統(tǒng)的仿真建模是系統(tǒng)仿真的核心技術(shù)，本系統(tǒng)基于叉車考核模擬器建立了完整的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)學(xué)模型，該模型將龐大而復(fù)雜的叉車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通過抽象和簡(jiǎn)化后，離散成物理上和功能上相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，分為發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系等四個(gè)模塊，并分別得出各模塊的仿真模型以及叉車速度和轉(zhuǎn)向的仿真模型?；谝陨夏Ｐ烷_發(fā)的叉車駕駛模擬器能夠準(zhǔn)確模擬出叉車駕駛和叉車搬運(yùn)貨物的操作，與實(shí)車駕駛情況基本相符。

通過所建立的動(dòng)力學(xué)模型，可以得到以駕駛員控制的油門、離合器、制動(dòng)器踏板位置和變速器檔位為參數(shù)的叉車行駛速度以及以方向盤轉(zhuǎn)角為參數(shù)的叉車行駛方向。在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中，以動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出的叉車速度和行駛方向?yàn)閰?shù)，又可以得到叉車在虛擬世界的瞬時(shí)位置坐標(biāo)。

然后使用untiy3D作為開發(fā)平臺(tái)，untiy3D中的車輪碰撞器（WheelCollider）用來模擬車輛運(yùn)動(dòng)，車輪碰撞器是unity內(nèi)部一種特殊的地面車輛碰撞器，具有內(nèi)置的碰撞檢測(cè)、車輛物理引擎和一個(gè)基于滑移的輪胎摩擦模型；將上面論文中得到的參數(shù)和WheelCollider中的接口數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接，即可準(zhǔn)確的模擬車輛運(yùn)動(dòng)的行駛狀況。

3.5計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)是仿真系統(tǒng)的軟件運(yùn)行平臺(tái)，要求滿足仿真計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。

（1）計(jì)算機(jī)配置，仿真計(jì)算機(jī)采用HP Z820圖形工作站計(jì)算機(jī)，支持操作系統(tǒng)（Windows7）。

（2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置，無線路由器，型號(hào)為D-Link DIR-850L，千兆交換機(jī)，型號(hào)為DGS-1024D。

融合器配置，DVI/VGA/HDMI/CVBS信號(hào)輸入，大規(guī)?？蓴U(kuò)容72路，視頻信號(hào)支持到280路實(shí)時(shí)處理，36路DVI輸出；單通道最高支持速率4.95Gbps.處理多路高清信號(hào)；網(wǎng)口和串口RS-232通訊控制，并開放控制協(xié)議。輸入：分辨率支持到1920×1200@60HZ及1080P等高清，向下兼容所有標(biāo)準(zhǔn)分辨率，特殊分辨率可定制；支持到4K×2K等超高分辨率；輸出：DVI-I接口高清DVI輸出，兼容HDMI，VGA輸出；支持M*N方式融合。調(diào)節(jié)技術(shù)：幾何校正支持整體調(diào)整、局部調(diào)整，支持可選像素點(diǎn)、線、面調(diào)整；融合帶從0-100%范圍可自定義；調(diào)試支持1000M網(wǎng)口調(diào)試。

軟件部分：軟件支持開機(jī)后臺(tái)自啟動(dòng)，且支鍵盤熱鍵直接調(diào)用場(chǎng)景模式；加權(quán)限管理，可指定控制主機(jī)連接及控制不；同拼接器，軟件支持同步和異步操作管理，支持矩陣控制和聯(lián)動(dòng)開窗功能，對(duì)支持音頻的矩陣可以實(shí)現(xiàn)音頻同步切換以及音量和靜音控制。

4 結(jié)語

基于以上各模塊相互連接作用，實(shí)現(xiàn)了叉車虛擬駕駛仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)較好地模擬了叉車駕駛操作及其在三維場(chǎng)景下行駛的真實(shí)感，能夠充分體現(xiàn)出駕駛員的操作過程和實(shí)操體驗(yàn)，同時(shí)可模擬出駕駛員某些不正確操作對(duì)汽車行駛狀況的影響。通過該系統(tǒng)對(duì)叉車作業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)和考核，可使他們較好較快的掌握叉車駕駛和操作技能，更好更快的投入到叉車作業(yè)工作中去，達(dá)到了模擬教學(xué)的目的。

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