飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器研究

趙 旺，郝 佳，吳其俊

(1.海軍駐西南地區(qū)軍械代表室，重慶 400023)(2.海軍裝備部艦船辦公室，北京 100071)(3.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

飛機牽引車是機場調(diào)度飛機必不可少的一種專用地面設(shè)備[1]，近年來在可搭載飛機的艦船上的應(yīng)用也越來越多。對其操作人員的培訓(xùn)存在培訓(xùn)經(jīng)費高、風(fēng)險大等問題。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)和仿真都應(yīng)用于對現(xiàn)實世界的模擬，但是虛擬現(xiàn)實技術(shù)具備多感性、沉浸性、交互性、自主性等特點，比非虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)里的仿真技術(shù)有更大優(yōu)勢[2]。目前國內(nèi)外對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與應(yīng)用已經(jīng)相當廣泛[3-4]。

對飛機牽引車操作人員進行培訓(xùn)時，引入基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器，能夠起到減少經(jīng)費、規(guī)避風(fēng)險，提高培訓(xùn)效率的作用[5-6]。通過模擬真實操作情景，給牽引車操作人員提供身臨其境的操作體驗，提高牽引車操作人員的培訓(xùn)效率和安全性[7-8]。

本文通過對飛機牽引車總體功能的分析，提出了飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器的初步設(shè)計方案，對其進行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)研制了其軟硬件集成平臺。

1 功能設(shè)計

1.1 設(shè)備組成和培訓(xùn)要求

車體和抱輪機構(gòu)是飛機牽引車的兩大組成部分。工作時車體參與操作的部件有方向盤、加速踏板、制動踏板、駐車制動器手柄、功能旋鈕、拉桿等。

由于飛機牽引車在性能、尺寸、操作規(guī)程等方面具有一定的特殊性，因此飛機牽引車操作人員除了需掌握一般車輛駕駛技術(shù)外，還需要對飛機牽引車的駕駛和相關(guān)操作技巧進行一些特殊的培訓(xùn)[9]。這是因為：首先飛機牽引車配備了可轉(zhuǎn)向座椅，牽引車抱輪前駕駛員面向飛機進行操作，當牽引車完成抱輪后，牽引車和飛機成為一體，牽引車座椅轉(zhuǎn)向180°，駕駛員背對飛機駕駛，對牽引車-飛機連接體的運行規(guī)律缺乏認知，容易發(fā)生碰撞事故；其次抱輪機構(gòu)用于抱起飛機前輪，并將飛機與牽引車固定連接，在抱輪操作時，牽引車與飛機對準精度要求較高，新手容易發(fā)生抱輪失敗的情況；最后由于飛機牽引車功能較多，功能旋鈕和拉桿有20多個，要熟練掌握各個旋鈕和拉桿的具體位置和功能需要長時間的培訓(xùn)。

1.2 主要功能

為了確保獲得令人滿意的培訓(xùn)效果，飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器的功能應(yīng)該體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的趨勢，使學(xué)員獲得充分的交互性和沉浸感，其設(shè)備總體上也要具有一定的擴展性[10]。飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器的主要功能包括：

1)逼真的駕駛和操作環(huán)境。系統(tǒng)具有真實、完整且和實際飛機牽引車尺寸規(guī)格相一致的飛機牽引車模擬器，比如方向盤、制動踏板、功能旋鈕、加速踏板、滅火器等，具有與現(xiàn)實相同的培訓(xùn)環(huán)境。

2)齊全的飛機牽引車培訓(xùn)功能。飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器應(yīng)具有清晰度極高的視覺感受，模擬飛機牽引車的結(jié)構(gòu)組成及其工作機理，用經(jīng)過科學(xué)計算的物理引擎模擬車身、抱輪結(jié)構(gòu)的物理運動，基于飛機牽引車操作安全規(guī)程，判斷學(xué)員操作是否正確，記錄學(xué)員的操作歷史。

3)多任務(wù)流程培訓(xùn)。針對飛機牽引車的主要工作任務(wù)，培訓(xùn)學(xué)員的操作能力，使學(xué)員具備處理常規(guī)飛機牽引、入庫、出庫等操作步驟和技巧。

4)充分的視覺和聽覺沉浸效果。采用高分辨率液晶屏幕和多屏拼接技術(shù)實現(xiàn)大視角視覺展示。視角選擇時，可自由切換駕駛員視角、上帝視角、指揮員視角等多重視角，從多維度、多角度展現(xiàn)并記錄培訓(xùn)過程以及培訓(xùn)場景。聽覺方面，在現(xiàn)實條件下，錄制飛機牽引車工作時的環(huán)境聲音，特別是飛機發(fā)動機巨大的噪聲、飛機牽引車的報警音等。

5)標準化及可拓展性。飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器在推廣和使用過程中，必然要面臨批量生產(chǎn)、模型替換、系統(tǒng)升級等需求，因此采用標準化的設(shè)計并預(yù)留相關(guān)拓展接口是非常有必要的。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)過程中，應(yīng)考慮對現(xiàn)有飛機牽引車型號進行封裝和標準化設(shè)計，在模型庫中為未來的飛機牽引車預(yù)留拓展空間;在物理設(shè)備選型時，也應(yīng)考慮相關(guān)接口具備可拓展性。

2 飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器的軟硬件設(shè)計

飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器的硬件包括等比例的飛機牽引車模型、控制設(shè)備、視景仿真系統(tǒng)、環(huán)繞音響等；軟件系統(tǒng)由虛擬現(xiàn)實背景、人機交互界面、飛機牽引車物理引擎、內(nèi)置音效系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器總體結(jié)構(gòu)

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1等比例飛機牽引車模型

以真實的飛機牽引車為原型進行等比例飛機牽引車模型設(shè)計，模型的總體尺寸、設(shè)備布局、外觀色彩等均與真實的飛機牽引車一致。模型建立選用了曲面功能較強的3D-Max建模方式，并對模型進行了合理簡化。

2.1.2控制設(shè)備

飛機牽引車操作培訓(xùn)最為核心的部分是設(shè)備的控制，而模擬系統(tǒng)的沉浸效果直接受到設(shè)備控制效果的影響。要實現(xiàn)對飛機牽引車運動的控制，需要培訓(xùn)人員與控制設(shè)備發(fā)生直接交互，因此控制設(shè)備的真實性尤為關(guān)鍵，有條件時，最好采購真實飛機牽引車的原廠配件進行組裝。由于控制設(shè)備較多，在接線時需要用到控制器擴展板，如圖2所示。

圖2 控制設(shè)備接線圖

2.1.3視景仿真系統(tǒng)

學(xué)員通過視景仿真系統(tǒng)可以看到虛擬的飛機牽引車作業(yè)圖像。該視景仿真系統(tǒng)的視景裝置由3塊大型LED顯示屏組成，如圖3 所示，可以形成視景廣角。

圖3 多屏顯示原理圖

2.1.4音響系統(tǒng)

飛機牽引車操作過程中發(fā)出的聲響以及環(huán)境聲音，均需要通過音響系統(tǒng)進行模擬。駕駛員的聽覺沉浸感直接由音響系統(tǒng)的音效質(zhì)量決定。音響系統(tǒng)模擬的聲音包括環(huán)境聲、飛機發(fā)動機聲音、飛機牽引車發(fā)動機聲音以及抱輪機構(gòu)升降時油缸與活塞桿發(fā)出的聲音，其中環(huán)境聲包括風(fēng)聲、人員聲、喇叭聲等。飛機發(fā)動機的聲音受到飛機工況影響；飛機牽引車本身的聲音受到車速和負載影響；輪胎的聲音受到車速、地面障礙物、轉(zhuǎn)彎角度影響；抱輪機構(gòu)升降時的聲響與飛機質(zhì)量有關(guān)。相關(guān)聲音的原始素材均在現(xiàn)場采集，基于飛機牽引車操作時的實際情況，經(jīng)由音響系統(tǒng)進行后期處理和拼接，然后傳輸給音響設(shè)備，與飛機牽引車視景仿真系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致后，形成完整統(tǒng)一的視聽感受。音響系統(tǒng)可以采用環(huán)繞立體音響，或采用駕駛員頭盔內(nèi)置音響，均可得到較好的體驗效果。

2.2 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)分為控制層、操作層與監(jiān)管層，各層由各自的子系統(tǒng)組成。

2.2.1控制層

模擬器全部硬件的控制均由控制層負責?？刂茖迂撠熓瞻l(fā)控制信號，接收旋鈕、方向盤、操縱桿和制動器的輸入信號，完成各類傳感器信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及計算機控制命令的數(shù)/模轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)模擬器視聽效果的控制等。控制層的軟件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出等3大模塊組成。

1) 數(shù)據(jù)采集模塊。

飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器需要采集的數(shù)據(jù)主要包括數(shù)字量和開關(guān)量2種不同的數(shù)據(jù)。

方向盤轉(zhuǎn)動的角度等數(shù)據(jù)需要通過方向盤轉(zhuǎn)動量采集模塊進行實時采集。方向盤是飛機牽引車的核心控制部分，需要很高的采集數(shù)據(jù)精度，因此在設(shè)計時直接采用高精度數(shù)字方向盤和腳踏板數(shù)字采集系統(tǒng)改裝而成。

模擬器上旋鈕、按鈕和拉桿等的控制數(shù)據(jù)為開關(guān)量，有20多個，在電路設(shè)計時需充分考慮開關(guān)量信號抖動問題，因此將開關(guān)量轉(zhuǎn)化成標準的邏輯電平進行處理。

2) 數(shù)據(jù)處理模塊。

飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器將傳感器采集得到的混雜數(shù)據(jù)變成有序的、可識別的數(shù)據(jù)，通過這樣的處理，可以有效提升系統(tǒng)計算速度及正確性，大大提升物理引擎仿真效果。系統(tǒng)將采集得到的數(shù)字信號直接傳輸至數(shù)據(jù)處理程序里進行仿真，將采集得到的開關(guān)量進行電信號轉(zhuǎn)化，利用編碼器編碼實現(xiàn)分通道，通過數(shù)據(jù)采集函數(shù)與VRP(虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺)系統(tǒng)的軟件模塊以及系統(tǒng)之間開展數(shù)據(jù)的交互。

3) 數(shù)據(jù)輸出模塊。

控制器輸出相關(guān)操作的數(shù)字信號，物理引擎就可以計算出飛機牽引車的實時工作狀態(tài)，同時得到其速度、加速度等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)進一步計算得到牽引車目前所處的位置和牽引車的姿態(tài)，將這些計算結(jié)果輸出至視聽系統(tǒng)，通過視聽系統(tǒng)獲得逼真的視聽效果。

2.2.2操作層

操作層是為牽引車進行牽引飛機出機庫和入機庫培訓(xùn)項目而設(shè)計的，分為牽引車駕駛、牽引車抱輪、牽引飛機等科目。操作層、控制層和監(jiān)管層之間通過數(shù)據(jù)接口實時收發(fā)數(shù)據(jù)。飛機牽引車模擬器如圖4所示。

圖4 飛機牽引車模擬器

2.2.3監(jiān)管層

作為飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器軟件系統(tǒng)重要組成部分之一的監(jiān)管層，主要負責培訓(xùn)過程的監(jiān)控與管理。老師可以經(jīng)由監(jiān)管層判斷學(xué)生的操作步驟和操作時機是否正確，熟練度是否滿足培訓(xùn)要求，然后按照監(jiān)管結(jié)果對培訓(xùn)項目進行合理的調(diào)整。飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器具有實時顯示并記錄學(xué)員操作的功能、操作評判功能。監(jiān)管層包括以下4個分系統(tǒng):

1)場景設(shè)定系統(tǒng)。 可按照培訓(xùn)需求，設(shè)定相應(yīng)的場景，如牽引飛機入機庫和牽引飛機出機庫培訓(xùn)等不同培訓(xùn)場景。

2)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。 可記錄學(xué)員個人信息和培訓(xùn)過程，如學(xué)員的姓名、工作單位等；記錄牽引車運動的路線、記錄抱輪機構(gòu)和飛機機輪的對接次數(shù)、記錄任務(wù)完成所需的時間等。

3)失敗判定系統(tǒng)。判定培訓(xùn)過程中飛機牽引車發(fā)生操作失敗的情形，在本模塊中可以設(shè)定任務(wù)用時過長、飛機牽引車或飛機發(fā)生碰撞等任務(wù)失敗的情形。

4)環(huán)境設(shè)定系統(tǒng)。管理培訓(xùn)項目中的環(huán)境，如模擬陰天、晴雨天、霧天等。

3 結(jié)束語

本文在研制飛機牽引車操作培訓(xùn)模擬器的過程中，解決了人員實時操作、物理引擎實時計算以及多屏顯示的協(xié)調(diào)控制問題，搭建了一套具有高度沉浸感的培訓(xùn)平臺。本平臺可用于飛機牽引車駕駛員的虛擬培訓(xùn)和能力考核，在特情、險情處理培訓(xùn)方面，具有零風(fēng)險的優(yōu)勢。后期將基于此平臺開發(fā)多車同時牽引的網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)平臺。

參考文獻：

[1] 朱建軍，王同建，呂景忠.飛機牽引車液壓系統(tǒng)分析[J].液壓與機床，2008(3):107-109, 112.

[2] 何圣華，袁清珂，唐成華. 應(yīng)用虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量[J]. 礦山機械，2004(1)：62-65.

[3] 陳永科,芮杰.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在戰(zhàn)時心理訓(xùn)練系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].兵器裝備工程學(xué)報,2017(6):161-164.

[4] 單家元，孟秀云，丁燕. 半實物仿真[M]. 北京：國防工業(yè)出版社,2008:83-86.

[5] 曹光敏，丁高耀，張志堅，等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的叉車操作訓(xùn)練模擬器研究[J]. 港口裝卸，2012(4)：25-28.

[6] IKED A. Study of driver characteristics using driving simulation considerations of difference in accident avoidance performance due to age[J]． JSAE Rev，2002( 23) : 219-222.

[7] 張宏，康樂. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在模擬汽車駕駛中的應(yīng)用[J]. 科技風(fēng)，2012(1)：114.

[8] 黃金鋒，陶偉，趙罡，等. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人機工程中的應(yīng)用要求標準研究[J].中國艦船研究, 2008，3(5): 49-53.

[9] 王志，包小光，齊向陽，等.新型無桿飛機牽引車總體設(shè)計[J].起重運輸機械, 2006(1):30-32.

[10] 許偉建. 新型汽車駕駛模擬器原理及實現(xiàn)[J].計算機時代, 2005(2) : 19-21.