鄭　錚，馮　柯，王　樸，申金星

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007）

一種重型卡車駕駛訓(xùn)練模擬器的設(shè)計(jì)與開發(fā)

鄭錚，馮柯，王樸，申金星

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007）

隨著仿真技術(shù)的進(jìn)步，駕駛訓(xùn)練模擬器在駕駛培訓(xùn)中能夠發(fā)揮更加重要的作用。主要完成了駕駛訓(xùn)練模擬器的整體設(shè)計(jì)、操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。駕駛訓(xùn)練模擬器基于半實(shí)物仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模擬了卡車駕駛的全過程，給受訓(xùn)人員提供了一個(gè)逼真的操縱環(huán)境和視覺場景，能夠達(dá)到提高駕駛訓(xùn)練水平的目的。

訓(xùn)練模擬器；操控機(jī)構(gòu)；CAN；視景仿真

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和部隊(duì)遂行任務(wù)日趨多樣化，對(duì)重型卡車及卡車駕駛?cè)藛T的需求越來越大。以重慶某公司生產(chǎn)的底盤車為例，其已經(jīng)廣泛應(yīng)用于粉粒物料運(yùn)輸車、混凝土攪拌車、軍用特種車、油罐車、自卸車、?；愤\(yùn)輸車等工程車輛上。這些重型車特別是軍用特種車輛、危化品運(yùn)輸車等對(duì)其駕駛員的技術(shù)要求很高，通過專用的駕駛模擬訓(xùn)練器對(duì)駕駛員進(jìn)行駕駛訓(xùn)練，可以降低實(shí)車訓(xùn)練安全風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約培訓(xùn)經(jīng)費(fèi)、提高培訓(xùn)效益。

駕駛模擬器可以完成駕駛訓(xùn)練中的所有科目和內(nèi)容，有利于駕駛培訓(xùn)的正規(guī)化、科學(xué)化和規(guī)范化，并具有節(jié)能、安全、經(jīng)濟(jì)、全天候和培訓(xùn)效率高等優(yōu)點(diǎn)［1］。本文針對(duì)重慶某公司生產(chǎn)的軍民兩用型重型卡車進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了該型卡車的駕駛訓(xùn)練模擬器，解決了特種車輛駕駛訓(xùn)練難以有效開展的問題。

1　總體設(shè)計(jì)

駕駛訓(xùn)練模擬器主要由操縱模擬機(jī)構(gòu)、顯示儀表、信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和視景軟件組成，如圖1所示。該駕駛訓(xùn)練模擬器的工作原理是：在固定的臺(tái)架中，布置與實(shí)車完全一致的駕駛操縱機(jī)構(gòu)，為學(xué)員提供一個(gè)逼真的操作環(huán)境。在駕駛席位正前方的液晶顯示器上，顯示視景計(jì)算機(jī)生成的動(dòng)態(tài)交通場景。學(xué)員坐在駕駛座椅上，通過方向盤及各種操縱機(jī)構(gòu)發(fā)出操縱指令，經(jīng)由調(diào)理電路后，通過CAN總線傳輸給視景計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)模擬駕駛訓(xùn)練。視景計(jì)算機(jī)中的軟件系統(tǒng)根據(jù)視景模型中車輛的實(shí)時(shí)車況，包括加速度、速度、油溫和氣壓等信號(hào)一并發(fā)送給虛擬儀表盤，虛擬儀表盤采用LabVIEW語言進(jìn)行開發(fā)，學(xué)員可以通過虛擬儀表盤了解車輛的性能、動(dòng)態(tài)，從而做出相應(yīng)的判斷。

圖1　駕駛席總體布局

2　操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

駕駛系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)主要包括了方向盤、變速檔、離合器、剎車、油門以及其他的翹板開關(guān)等。其中方向盤、踏板機(jī)構(gòu)、換擋機(jī)構(gòu)是操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其逼真程度直接影響到模擬器的訓(xùn)練效果。

2.1模擬方向盤設(shè)計(jì)

操控系統(tǒng)通過檢測(cè)方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)行駛轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在方向盤中心軸加工傳動(dòng)螺紋，帶動(dòng)磁鋼上下移動(dòng)，將方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為磁鋼的直線位移信號(hào)，提高了系統(tǒng)測(cè)量精度。實(shí)車方向盤雙向轉(zhuǎn)動(dòng)角度不超過900°，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條與限位塊控制方向盤的轉(zhuǎn)角范圍，將AH49E高精度線性霍爾傳感器成對(duì)安裝于滑塊兩端，構(gòu)成差分檢測(cè)，以信號(hào)幅值之差作為輸出，驅(qū)動(dòng)虛擬視景中布雷車的轉(zhuǎn)向動(dòng)作，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度與靈敏度。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2　轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原理圖

AH49E線性霍爾傳感器內(nèi)部集成了電壓發(fā)生器、電壓調(diào)整器、射極跟隨器和線性放大器，根據(jù)輸入磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出與磁場強(qiáng)度成正比的連續(xù)電壓信號(hào)，具有精度高，體積小，線性度、靈敏性以及可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。其電特性，見表1.

表1　AH49E線性霍爾傳感器電特性（TA=25℃，1m T=10Gs）

2.2踏板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

油門踏板、制動(dòng)踏板與離合器踏板的輸出信號(hào)為連續(xù)變化的模擬量。踏板機(jī)構(gòu)利用WDD35-D導(dǎo)電塑料角度傳感器采集轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，將踏板的轉(zhuǎn)動(dòng)量轉(zhuǎn)換為角度傳感器的輸出信號(hào)。踏板與一個(gè)扇形齒弧固定連接，齒弧與角度傳感器轉(zhuǎn)軸嚙合，放大了轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，提高了信號(hào)檢測(cè)精度，踏板安裝在同一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，利用回位彈簧產(chǎn)生反饋力。以油門踏板為例，根據(jù)實(shí)車測(cè)量結(jié)果，其行程約為37°，在踏板扇形齒弧側(cè)面加工導(dǎo)向槽，由固定在機(jī)架上的限位銷限制其行程。如圖3所示。

圖3　踏板機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

WDD35-D角度傳感器本質(zhì)上是一個(gè)可調(diào)電阻，其阻值隨著中心軸的的轉(zhuǎn)動(dòng)而改變。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供+5 V的供電電壓，分壓后的輸出信號(hào)與中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度呈線性關(guān)系，根據(jù)電壓大小可以計(jì)算踏板機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度［2-3］。其電特性，見表2.

表2　WDD35-D角度傳感器電特性

2.3換擋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該型特種車輛具有八個(gè)前進(jìn)擋，一個(gè)爬坡?lián)?，一個(gè)倒退擋，換擋機(jī)構(gòu)要為操縱桿提供十個(gè)駐留位置，當(dāng)操縱桿到達(dá)某一擋位時(shí)產(chǎn)生一定閉鎖力，阻止其繼續(xù)前進(jìn)；在換擋過程中還要有一定反饋力，使其產(chǎn)生回位的趨勢(shì)。換擋機(jī)構(gòu)操縱桿端部內(nèi)嵌了鋼珠和彈性體，正常情況下鋼珠被彈性體壓緊并卡在導(dǎo)向凹槽內(nèi)，滿足了閉鎖力要求；前后換擋時(shí)，與操縱桿相連接的兩個(gè)彈簧分別壓縮與拉緊，提供回位的反饋力。

換擋機(jī)構(gòu)將十個(gè)OH137開關(guān)型霍爾傳感器布置于各擋位區(qū)間，分別檢測(cè)換擋手柄端部的磁場信號(hào)，確定當(dāng)前的擋位狀態(tài)，若每一個(gè)傳感器均無信號(hào)變化，則判定換擋手柄置于空擋。其電特性，見表3.

表3　OH137開關(guān)型霍爾傳感器電特性（TA=25℃）

OH137霍爾開關(guān)傳感器由反壓保護(hù)器、電壓調(diào)整器、電壓發(fā)生器、施密特觸發(fā)器、差分放大器以及集電極開路輸出級(jí)組成，擁有較大的工作范圍，可在4.5～24 V內(nèi)正常工作，將磁場信號(hào)轉(zhuǎn)換為階躍輸出信號(hào)。無外部磁場激勵(lì)的情況下，電路輸出高電平，當(dāng)換擋機(jī)構(gòu)切換到某一擋位時(shí)，嵌在手柄端部的圓柱形磁鋼逐漸靠近電路板上的傳感器，磁場強(qiáng)度逐漸上升至BOP，傳感器輸出低電平；磁鋼遠(yuǎn)離傳感器過程中，當(dāng)磁場減弱至BRP時(shí)，傳感器信號(hào)恢復(fù)高電平；如果換擋手柄處于某一位置不變，傳感器將輸出持續(xù)的低電平。單排擋位檢測(cè)電路如圖4所示。OH137磁電轉(zhuǎn)換特性如圖5所示。

圖4　單排擋位檢測(cè)電路

圖5　OH137磁電轉(zhuǎn)換特性圖

3　基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)操作特性的逼真度取決于兩個(gè)方面：一是正確選擇傳感器，將其精確安裝，減少偏心、間隙以及定位誤差，保證傳感器檢測(cè)精度；二是開發(fā)高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行整流、濾波與降噪處理，還原真實(shí)、準(zhǔn)確的操縱信息［4］。

該重型卡車駕駛訓(xùn)練模擬器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部件的微處理器、CAN控制器、CAN收發(fā)器以及相應(yīng)的調(diào)理電路組成。系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)類型選用相應(yīng)的傳感器檢測(cè)操縱部件的動(dòng)作，將位置、速度、加速度等物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)過調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、CAN通信接口，由微處理器識(shí)別、采集，通過CAN總線發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)虛擬三維場景，實(shí)現(xiàn)駕駛場景的輸出，其組成包括模擬操作部件—傳感器—調(diào)理電路—節(jié)點(diǎn)微處理器（MCU）—CAN控制器—CAN收發(fā)器—CAN總線，采集各路數(shù)字量、模擬量輸入信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　CAN通信原理圖

數(shù)據(jù)采集任務(wù)表如表4所示。

表4　數(shù)據(jù)采集任務(wù)表

3.2數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總線的通信需求與控制策略，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目與類型；根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，明確所有通信節(jié)點(diǎn)的信號(hào)通道數(shù)、數(shù)據(jù)類型、字節(jié)長度及其傳輸速率；根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目與數(shù)據(jù)特點(diǎn)，確定報(bào)文幀類型以及標(biāo)識(shí)符分配方案，包括報(bào)文優(yōu)先級(jí)的定義、報(bào)文源地址與目標(biāo)地址的編碼、數(shù)據(jù)保留位制定等，以優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)程，縮短數(shù)據(jù)發(fā)送、讀取與延遲時(shí)間，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與可靠性；根據(jù)系統(tǒng)通信需求，對(duì)8字節(jié)的數(shù)據(jù)域進(jìn)行空間分配［5］。

表5所示的5個(gè)數(shù)據(jù)幀為駕駛操作信號(hào)（離合器踏板、制動(dòng)踏板、油門踏板、方向盤、手油門）向視景計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議，源設(shè)備地址編碼為B0，目標(biāo)設(shè)備地址為E4，優(yōu)先級(jí)為00110，通信方式為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，所以幀類型為01，標(biāo)識(shí)符的所有元素組成了數(shù)據(jù)幀的ID：0x06 01 E4B0，DLC含義是數(shù)據(jù)長度碼，一般為四位，定義的應(yīng)用層協(xié)議使用的數(shù)據(jù)場長度為8字節(jié)，所以DLC編碼為0x08.

表5　駕駛席MCU節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀示例

4　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1基于LabVIEW的虛擬儀表盤設(shè)計(jì)

該重型卡車儀表盤包括指示燈、按鍵開關(guān)以及雙針氣壓表、轉(zhuǎn)速表、車速里程表等指針式儀表，涉及到開關(guān)量、模擬量、脈沖量信號(hào)的輸入與輸出。如采用實(shí)裝儀表盤，會(huì)造成系統(tǒng)成本過高、驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、開發(fā)周期長的問題，影響模擬訓(xùn)練的經(jīng)濟(jì)性。

LabVIEW軟件具有強(qiáng)大的界面修飾控件庫與功能完善的函數(shù)工具包，可以自定義應(yīng)用軟件前面板，因此被稱作“儀器儀表界面”［6］。操控系統(tǒng)選用工控機(jī)作為硬件平臺(tái)，利用計(jì)算機(jī)便捷的圖形編程環(huán)境開發(fā)基于LabVIEW語言的虛擬儀表盤，設(shè)計(jì)逼真的儀表顯示界面（見圖7），利用VISA通信模塊讀取串口字節(jié)數(shù)據(jù)，截取駕駛席處理單元發(fā)送的操縱信號(hào)字符串，按照通信協(xié)議進(jìn)行解析與處理，利用數(shù)據(jù)處理函數(shù)進(jìn)行分析，計(jì)算踏板踩下行程、方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度等操作數(shù)據(jù)以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、底盤車行駛速度、氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力等技術(shù)狀態(tài)，將運(yùn)算結(jié)果作為輸入端，驅(qū)動(dòng)前面板指示燈、儀表等顯示控件［7］，虛擬儀表盤程序框圖如圖8所示。

圖7　虛擬儀表盤前面板

根據(jù)重型卡車的訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)我們?cè)O(shè)置了車輛起步和停車、百米換擋駕駛、坡道起步、8子路駕駛、直角轉(zhuǎn)向限制路、進(jìn)出車庫、蝶形移位、公路掉頭、限制路駕駛等科目，根據(jù)車輛行駛經(jīng)常遇到的狀況，設(shè)計(jì)了超車、會(huì)車、倒車、多車編隊(duì)、定點(diǎn)?？俊⒊鞘械缆否{駛、高速公路駕駛等模擬場景，具備各種訓(xùn)練科目、道路條件、天候條件選擇功能。同時(shí)，模擬器具備考核評(píng)判功能，能夠及時(shí)正確的評(píng)定成績，考核與訓(xùn)練過程可以全程回放，能夠復(fù)現(xiàn)訓(xùn)練全景。如圖9所示。

圖8　虛擬儀表盤程序框圖

儀表盤的逼真度很大程度上影響了訓(xùn)練效果，LabVIEW官方“封裝管理器”（VIPackage Manager，VIPM）是該軟件儀器界面編輯的強(qiáng)大工具包［8］。計(jì)算機(jī)通過安裝金屬風(fēng)格控件庫，可得到系列化的儀表、按鈕、開關(guān)、圖表等自定義控件，可以對(duì)其進(jìn)一步編輯，也可在應(yīng)用程序中直接調(diào)用。基于LabVIEW的虛擬儀表盤界面逼真、可裁剪，避免了儀表盤驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)工作，并顯著提高了人機(jī)交互效果。

4.2視景仿真軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該重型卡車駕駛訓(xùn)練模擬器軟件系統(tǒng)主要采用Unity引擎開發(fā)。根據(jù)仿真需求，選擇了3D max和Unity進(jìn)行相應(yīng)的場景建模和實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)渲染。針對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，提出了地表渲染以及景物建模的優(yōu)化技術(shù)［9］。通過分析車輛駕駛模擬器的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)渲染系統(tǒng)，針對(duì)其中的碰撞檢測(cè)和環(huán)境特效，做了深入的研究和分析，分別提出了基于自定義包圍盒和Tripod法的碰撞檢測(cè)方法，并且構(gòu)造了基于粒子系統(tǒng)的降雨系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制模型。整個(gè)軟件系統(tǒng)基于先進(jìn)的車輛動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)開發(fā)，方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)力變化、車輛操控反應(yīng)、道路反饋信息和車輛的技術(shù)性能仿真度較高。

圖9　駕駛訓(xùn)練視景圖

5　結(jié)束語

通過實(shí)踐證明，基于半實(shí)物仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)筑的某重型卡車駕駛訓(xùn)練模擬器能夠真實(shí)地模擬卡車駕駛的全過程，給受訓(xùn)人員一個(gè)逼真的操縱環(huán)境和視覺場景，具備與實(shí)際車輛基本一致的現(xiàn)場感覺。其既考慮了模擬器開發(fā)設(shè)計(jì)的成本，又充分考慮了模擬器與實(shí)車操作的差異性，平衡了開發(fā)成本與逼真程度這一矛盾，取得了較好的效果。

［1］魏明，曹正清，龔家偉，等.駕駛訓(xùn)練模擬器的設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2004，（03）：157-160，9.

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Design and Developmentof Heavy Trucks'Driving Training Simulator

ZHENG Zheng，F(xiàn)ENG Ke，WANG Pu，SHEN Jin-xin
（Field Engineering College，PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China）

With the development of the simulation technology，driving training simulator can play amore important role in driving training.This paparmainly completed the overall design of driving training simulator，the design of operatingmechanism，data acquisition system based on CAN bus and software system.Based on hardware-in-theloop simulation technology and virtual reality technology，the driving training simulator simulates the whole process of truck driving，provides a realistic manipulation environment and visual scene to the trainees，so that it can achieve the purpose of raise the level of driving training.

training simulator；operatingmechanism；CAN；visual simulation

TP391.9

A

1672-545X（2016）05-0052-04

2016-02-01

鄭錚（1988-），男，山東濟(jì)南人，碩士研究生，研究方向：裝備訓(xùn)練與指揮。