4D叉車考核模擬器仿真研究

張靜 王海榮 翟光輝 曹樂樂

【摘 要】本文介紹了國產(chǎn)杭叉CPC（D） R30叉車4D考核模擬器設(shè)計開發(fā)和關(guān)鍵仿真技術(shù)。該型模擬器是按照《場（廠）內(nèi)專用機動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，在功能上既可以滿足叉車作業(yè)人員進行操作取證的考核要求也可以滿足叉車作業(yè)人員進行日常模擬訓練的需要。模擬器在建模設(shè)計、虛擬現(xiàn)實、運動系統(tǒng)仿真技術(shù)、3D立體視景技術(shù)、六自由度平臺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（廠）內(nèi)專用機動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)計的全任務(wù)模擬器。其主要功能是通過叉車數(shù)學建模和仿真計算對某型叉車動態(tài)操作性能進行仿真，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)和半物理仿真設(shè)備對叉車操作環(huán)境進行高逼真度仿真，同時采用叉車考核專家系統(tǒng)對模擬操作進行智能評分。該模擬系統(tǒng)即可用于叉車操作員培訓，也可以用于叉車操作員的考核。采用模擬訓練方法可以大大縮短專用叉車駕駛員培訓周期、降低培訓成本，保證訓練安全并實現(xiàn)了節(jié)能減排。采用模擬器和計算機專家考核系統(tǒng)可以保證訓練質(zhì)量和考核的公正性。模擬器能覆蓋95%以上的基本訓練課目和訓練大綱規(guī)定的所有特情處置功能。目前，國內(nèi)外尚無同類仿真與訓練模擬研究成果。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計思想

根據(jù)模擬器對叉車模擬訓練和考核的功能需求，仿真系統(tǒng)在硬件組成和設(shè)計上參照由中華人民共和國交通部頒發(fā)的《JT/T 378 -2005 汽車模擬駕駛培訓模擬器-行業(yè)標準、國家規(guī)范要求》對模擬器的要求。4D叉車考核模擬器由座室模擬分系統(tǒng)、運動平臺分系統(tǒng)、視景模擬分系統(tǒng)、聲音模擬分系統(tǒng)、計算機及網(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)、教員臺分系統(tǒng)和輔助分系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)在設(shè)計上采用模塊化結(jié)構(gòu)，硬件設(shè)計實現(xiàn)標準化、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)計及關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)模擬器整機總體技術(shù)指標要求，主要分系統(tǒng)的設(shè)計如下。

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動平臺上，整個模擬器按照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)合微型磁粉制動器（CD-HSY-50 DC24V）、微型拉桿電子尺（KTM-50）組成轉(zhuǎn)向信號采集控制單元。采集叉車轉(zhuǎn)向?qū)崟r數(shù)據(jù)至計算機。計算機根據(jù)不同路況及載荷輸出至磁粉制動器模擬轉(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，實時采集油門數(shù)據(jù)至計算機。

行車制動踏板采用杭叉R30原廠配件總成，結(jié)合微型拉桿電子尺（KTM-50）組成叉車制，實時采集行車制動數(shù)據(jù)至計算機。

駐車制動手柄采用杭叉R30原廠配件總成，結(jié)合微動開關(guān)組成駐車制動信號采集單元。將駐車制動器狀態(tài)傳輸至計算機。

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、換向操縱及信號采集單元。采集換檔、換向?qū)崟r數(shù)據(jù)至計算機。

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、傾斜信號采集單元。采集起升、傾斜實時數(shù)據(jù)至計算機。

儀表總成及開關(guān)為用杭叉R30原廠配件，儀表有計時表、油溫表水溫表等；開關(guān)主要是啟動開關(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個座位，無考試員座椅。并在座椅上添加紅外檢測和安全帶信號檢測，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)備信號的采集和驅(qū)動。

3.2運動平臺系統(tǒng)

系統(tǒng)采用六自由度電動平臺，運動平臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式為Stewart的6-6型結(jié)構(gòu)，主要由六只電動作動器、三組上復(fù)合鉸鏈、三組下復(fù)合鉸鏈、運動平臺上臺體、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動，為駕駛員提供瞬時過載感覺，并對顛簸等特殊效果進行仿真，由于視景系統(tǒng)不在平臺之上，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叉車駕駛室內(nèi)的運動感覺接近。運動平臺系統(tǒng)由運動系統(tǒng)、電動作動器驅(qū)動控制系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)、安全及應(yīng)急回路控制系統(tǒng)、動力站系統(tǒng)五個子系統(tǒng)組成，最大動載荷達到1噸，通過協(xié)調(diào)控制電動作動器，運動平臺帶動駕駛室實現(xiàn)空間的六自由度運動。該平臺系統(tǒng)具有完善的故障監(jiān)控和安全保護功能，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)。最大水平視場角達150°，最大垂直視場角達70°。圖像生成系統(tǒng)采用國際上先進的基于PC的圖像生成計算機，為顯示系統(tǒng)提供實時生成的動態(tài)視景信號。

（1）視景系統(tǒng)的技術(shù)指標：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；投影機選用專業(yè)工程投影機，該機采用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)。視景庫包括五個場景的數(shù)據(jù)庫，分為場地駕駛模擬、道路駕駛模擬兩大類。

場地駕駛場景制作符合國家場地車輛考試大綱要求；道路駕駛場景符合國家交通法對于道路行駛要求。視景成像子系統(tǒng)由視景成像計算機、視景管理軟件等組成。視景計算機采用基于PC架構(gòu)的HP圖像工作站，視景管理軟件采用專用UNITY3D軟件來實現(xiàn)。圖像生成系統(tǒng)為視景顯示系統(tǒng)提供3個通道（6路）的1920×1200@60Hz信號源，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DPE-Vision 4500投影機和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)負責對叉車進行建模和仿真計算，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)動機模型、運動方程模型、懸掛和車輪系統(tǒng)模型、操縱系統(tǒng)模型、燃油系統(tǒng)模型、風阻模型等主要仿真數(shù)學模型。

運用層次化、模塊化的建模方法，結(jié)合untiy3D的物理引擎，計算叉車運動的操縱和運動特性；建立叉車工作裝置數(shù)學模型，模擬工作裝置運行過程。

3.4.1模擬功能

本系統(tǒng)主要完成如下幾個模擬功能：

叉車基本性能模擬（包括動力性能、不同載荷下的加/減速性能、操縱性能），叉車起步、憋車、抖動、加減速、剎車、換擋、轉(zhuǎn)彎、前進后退；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，搬運貨物。叉車場內(nèi)搬運貨物模擬，根據(jù)《場（廠）內(nèi)專用機動車輛安全管理人員和操作人員考核大綱》中要求模擬叉車場地內(nèi)搬運貨物。叉車道路行駛模擬，根據(jù)《場（廠）內(nèi)專用機動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力學和運動學的數(shù)學模型，該模型將龐大而復(fù)雜的叉車運動系統(tǒng)通過抽象和簡化后，離散成物理上和功能上相對獨立的子系統(tǒng)，分為發(fā)動機、傳動系、轉(zhuǎn)向系、制動系等四個模塊，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確模擬出叉車駕駛和叉車搬運貨物的操作，與實車駕駛情況基本相符。

通過所建立的動力學模型，可以得到以駕駛員控制的油門、離合器、制動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。在運動學模型中，以動力學模型計算出的叉車速度和行駛方向為參數(shù)，又可以得到叉車在虛擬世界的瞬時位置坐標。

然后使用untiy3D作為開發(fā)平臺，untiy3D中的車輪碰撞器（WheelCollider）用來模擬車輛運動，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、車輛物理引擎和一個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)進行對接，即可準確的模擬車輛運動的行駛狀況。

3.5計算機及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

計算機及網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)是仿真系統(tǒng)的軟件運行平臺，要求滿足仿真計算機和數(shù)據(jù)通信的實時性和可靠性。

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

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

融合器配置，DVI/VGA/HDMI/CVBS信號輸入，大規(guī)?？蓴U容72路，視頻信號支持到280路實時處理，36路DVI輸出；單通道最高支持速率4.95Gbps.處理多路高清信號；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，向下兼容所有標準分辨率，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、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：軟件支持開機后臺自啟動，且支鍵盤熱鍵直接調(diào)用場景模式；加權(quán)限管理，可指定控制主機連接及控制不；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)動開窗功能，對支持音頻的矩陣可以實現(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景下行駛的真實感，能夠充分體現(xiàn)出駕駛員的操作過程和實操體驗，同時可模擬出駕駛員某些不正確操作對汽車行駛狀況的影響。通過該系統(tǒng)對叉車作業(yè)人員進行培訓和考核，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，達到了模擬教學的目的。

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*項目資助信息：上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局公益項目2013-56。