一種重型卡車駕駛訓練模擬器的設計與開發

鄭　錚，馮　柯，王　樸，申金星

（解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇南京210007）

一種重型卡車駕駛訓練模擬器的設計與開發

鄭錚，馮柯，王樸，申金星

（解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇南京210007）

隨著仿真技術的進步，駕駛訓練模擬器在駕駛培訓中能夠發揮更加重要的作用。主要完成了駕駛訓練模擬器的整體設計、操縱機構設計、基于CAN總線的數據采集系統設計和軟件系統設計。駕駛訓練模擬器基于半實物仿真技術和虛擬現實技術，模擬了卡車駕駛的全過程，給受訓人員提供了一個逼真的操縱環境和視覺場景，能夠達到提高駕駛訓練水平的目的。

訓練模擬器；操控機構；CAN；視景仿真

隨著國民經濟的飛速發展和部隊遂行任務日趨多樣化，對重型卡車及卡車駕駛人員的需求越來越大。以重慶某公司生產的底盤車為例，其已經廣泛應用于粉粒物料運輸車、混凝土攪拌車、軍用特種車、油罐車、自卸車、危化品運輸車等工程車輛上。這些重型車特別是軍用特種車輛、危化品運輸車等對其駕駛員的技術要求很高，通過專用的駕駛模擬訓練器對駕駛員進行駕駛訓練，可以降低實車訓練安全風險、節約培訓經費、提高培訓效益。

駕駛模擬器可以完成駕駛訓練中的所有科目和內容，有利于駕駛培訓的正規化、科學化和規范化，并具有節能、安全、經濟、全天候和培訓效率高等優點［1］。本文針對重慶某公司生產的軍民兩用型重型卡車進行了研究，設計開發了該型卡車的駕駛訓練模擬器，解決了特種車輛駕駛訓練難以有效開展的問題。

1　總體設計

駕駛訓練模擬器主要由操縱模擬機構、顯示儀表、信號數據采集系統和視景軟件組成，如圖1所示。該駕駛訓練模擬器的工作原理是：在固定的臺架中，布置與實車完全一致的駕駛操縱機構，為學員提供一個逼真的操作環境。在駕駛席位正前方的液晶顯示器上，顯示視景計算機生成的動態交通場景。學員坐在駕駛座椅上，通過方向盤及各種操縱機構發出操縱指令，經由調理電路后，通過CAN總線傳輸給視景計算機，實現模擬駕駛訓練。視景計算機中的軟件系統根據視景模型中車輛的實時車況，包括加速度、速度、油溫和氣壓等信號一并發送給虛擬儀表盤，虛擬儀表盤采用LabVIEW語言進行開發，學員可以通過虛擬儀表盤了解車輛的性能、動態，從而做出相應的判斷。

圖1　駕駛席總體布局

2　操縱機構設計

駕駛系統操縱機構主要包括了方向盤、變速檔、離合器、剎車、油門以及其他的翹板開關等。其中方向盤、踏板機構、換擋機構是操縱機構設計的重點，其逼真程度直接影響到模擬器的訓練效果。

2.1模擬方向盤設計

操控系統通過檢測方向盤的轉動信號，實現行駛轉向。轉向機構在方向盤中心軸加工傳動螺紋，帶動磁鋼上下移動，將方向盤的轉動信號轉化為磁鋼的直線位移信號，提高了系統測量精度。實車方向盤雙向轉動角度不超過900°，轉向機構采用齒輪齒條與限位塊控制方向盤的轉角范圍，將AH49E高精度線性霍爾傳感器成對安裝于滑塊兩端，構成差分檢測，以信號幅值之差作為輸出，驅動虛擬視景中布雷車的轉向動作，進一步提高了測量精度與靈敏度。轉向機構原理如圖2所示。

圖2　轉向機構原理圖

AH49E線性霍爾傳感器內部集成了電壓發生器、電壓調整器、射極跟隨器和線性放大器，根據輸入磁感應強度，輸出與磁場強度成正比的連續電壓信號，具有精度高，體積小，線性度、靈敏性以及可靠性高的優點。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踏板機構設計

油門踏板、制動踏板與離合器踏板的輸出信號為連續變化的模擬量。踏板機構利用WDD35-D導電塑料角度傳感器采集轉動信號，將踏板的轉動量轉換為角度傳感器的輸出信號。踏板與一個扇形齒弧固定連接，齒弧與角度傳感器轉軸嚙合，放大了轉軸的轉動角度，提高了信號檢測精度，踏板安裝在同一根轉動軸上，利用回位彈簧產生反饋力。以油門踏板為例，根據實車測量結果，其行程約為37°，在踏板扇形齒弧側面加工導向槽，由固定在機架上的限位銷限制其行程。如圖3所示。

圖3　踏板機構結構圖

WDD35-D角度傳感器本質上是一個可調電阻，其阻值隨著中心軸的的轉動而改變。數據采集系統提供+5 V的供電電壓，分壓后的輸出信號與中心軸轉動角度呈線性關系，根據電壓大小可以計算踏板機構的轉動角度［2-3］。其電特性，見表2.

表2　WDD35-D角度傳感器電特性

2.3換擋機構設計

該型特種車輛具有八個前進擋，一個爬坡擋，一個倒退擋，換擋機構要為操縱桿提供十個駐留位置，當操縱桿到達某一擋位時產生一定閉鎖力，阻止其繼續前進；在換擋過程中還要有一定反饋力，使其產生回位的趨勢。換擋機構操縱桿端部內嵌了鋼珠和彈性體，正常情況下鋼珠被彈性體壓緊并卡在導向凹槽內，滿足了閉鎖力要求；前后換擋時，與操縱桿相連接的兩個彈簧分別壓縮與拉緊，提供回位的反饋力。

換擋機構將十個OH137開關型霍爾傳感器布置于各擋位區間，分別檢測換擋手柄端部的磁場信號，確定當前的擋位狀態，若每一個傳感器均無信號變化，則判定換擋手柄置于空擋。其電特性，見表3.

表3　OH137開關型霍爾傳感器電特性（TA=25℃）

OH137霍爾開關傳感器由反壓保護器、電壓調整器、電壓發生器、施密特觸發器、差分放大器以及集電極開路輸出級組成，擁有較大的工作范圍，可在4.5～24 V內正常工作，將磁場信號轉換為階躍輸出信號。無外部磁場激勵的情況下，電路輸出高電平，當換擋機構切換到某一擋位時，嵌在手柄端部的圓柱形磁鋼逐漸靠近電路板上的傳感器，磁場強度逐漸上升至BOP，傳感器輸出低電平；磁鋼遠離傳感器過程中，當磁場減弱至BRP時，傳感器信號恢復高電平；如果換擋手柄處于某一位置不變，傳感器將輸出持續的低電平。單排擋位檢測電路如圖4所示。OH137磁電轉換特性如圖5所示。

圖4　單排擋位檢測電路

圖5　OH137磁電轉換特性圖

3　基于CAN總線的數據采集系統設計

3.1數據采集系統硬件設計

模擬訓練系統操作特性的逼真度取決于兩個方面：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，保證傳感器檢測精度；二是開發高精度的數據采集系統，對傳感器輸出信號進行整流、濾波與降噪處理，還原真實、準確的操縱信息［4］。

該重型卡車駕駛訓練模擬器數據采集系統各部件的微處理器、CAN控制器、CAN收發器以及相應的調理電路組成。系統根據信號類型選用相應的傳感器檢測操縱部件的動作，將位置、速度、加速度等物理量轉換為電信號，并經過調理電路、A/D轉換電路、CAN通信接口，由微處理器識別、采集，通過CAN總線發送相應的信號，以驅動虛擬三維場景，實現駕駛場景的輸出，其組成包括模擬操作部件—傳感器—調理電路—節點微處理器（MCU）—CAN控制器—CAN收發器—CAN總線，采集各路數字量、模擬量輸入信號。數據采集系統結構如圖6所示。

圖6　CAN通信原理圖

數據采集任務表如表4所示。

表4　數據采集任務表

3.2數據通信協議設計

根據系統總線的通信需求與控制策略，統計網絡節點的數目與類型；根據系統設計需求，明確所有通信節點的信號通道數、數據類型、字節長度及其傳輸速率；根據節點數目與數據特點，確定報文幀類型以及標識符分配方案，包括報文優先級的定義、報文源地址與目標地址的編碼、數據保留位制定等，以優化數據傳輸進程，縮短數據發送、讀取與延遲時間，提高數據傳輸的實時性與可靠性；根據系統通信需求，對8字節的數據域進行空間分配［5］。

表5所示的5個數據幀為駕駛操作信號（離合器踏板、制動踏板、油門踏板、方向盤、手油門）向視景計算機節點發送的數據，根據應用層協議，源設備地址編碼為B0，目標設備地址為E4，優先級為00110，通信方式為點對點，所以幀類型為01，標識符的所有元素組成了數據幀的ID：0x06 01 E4B0，DLC含義是數據長度碼，一般為四位，定義的應用層協議使用的數據場長度為8字節，所以DLC編碼為0x08.

表5　駕駛席MCU節點發送數據幀示例

4　軟件系統設計

4.1基于LabVIEW的虛擬儀表盤設計

該重型卡車儀表盤包括指示燈、按鍵開關以及雙針氣壓表、轉速表、車速里程表等指針式儀表，涉及到開關量、模擬量、脈沖量信號的輸入與輸出。如采用實裝儀表盤，會造成系統成本過高、驅動電路復雜、開發周期長的問題，影響模擬訓練的經濟性。

LabVIEW軟件具有強大的界面修飾控件庫與功能完善的函數工具包，可以自定義應用軟件前面板，因此被稱作“儀器儀表界面”［6］。操控系統選用工控機作為硬件平臺，利用計算機便捷的圖形編程環境開發基于LabVIEW語言的虛擬儀表盤，設計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數據，截取駕駛席處理單元發送的操縱信號字符串，按照通信協議進行解析與處理，利用數據處理函數進行分析，計算踏板踩下行程、方向盤轉動角度等操作數據以及發動機轉速、底盤車行駛速度、氣動系統工作壓力等技術狀態，將運算結果作為輸入端，驅動前面板指示燈、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

根據重型卡車的訓練標準我們設置了車輛起步和停車、百米換擋駕駛、坡道起步、8子路駕駛、直角轉向限制路、進出車庫、蝶形移位、公路掉頭、限制路駕駛等科目，根據車輛行駛經常遇到的狀況，設計了超車、會車、倒車、多車編隊、定點停靠、城市道路駕駛、高速公路駕駛等模擬場景，具備各種訓練科目、道路條件、天候條件選擇功能。同時，模擬器具備考核評判功能，能夠及時正確的評定成績，考核與訓練過程可以全程回放，能夠復現訓練全景。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大工具包［8］。計算機通過安裝金屬風格控件庫，可得到系列化的儀表、按鈕、開關、圖表等自定義控件，可以對其進一步編輯，也可在應用程序中直接調用。基于LabVIEW的虛擬儀表盤界面逼真、可裁剪，避免了儀表盤驅動電路的設計工作，并顯著提高了人機交互效果。

4.2視景仿真軟件系統設計

該重型卡車駕駛訓練模擬器軟件系統主要采用Unity引擎開發。根據仿真需求，選擇了3D max和Unity進行相應的場景建模和實時驅動渲染。針對系統實時性要求，提出了地表渲染以及景物建模的優化技術［9］。通過分析車輛駕駛模擬器的實時驅動渲染系統，針對其中的碰撞檢測和環境特效，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法的碰撞檢測方法，并且構造了基于粒子系統的降雨系統和實時控制模型。整個軟件系統基于先進的車輛動力學模型設計開發，方向盤的轉動力變化、車輛操控反應、道路反饋信息和車輛的技術性能仿真度較高。

圖9　駕駛訓練視景圖

5　結束語

通過實踐證明，基于半實物仿真技術和虛擬現實技術構筑的某重型卡車駕駛訓練模擬器能夠真實地模擬卡車駕駛的全過程，給受訓人員一個逼真的操縱環境和視覺場景，具備與實際車輛基本一致的現場感覺。其既考慮了模擬器開發設計的成本，又充分考慮了模擬器與實車操作的差異性，平衡了開發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.駕駛訓練模擬器的設計與開發［J］.計算機仿真，2004，（03）：157-160，9.

［2］陳振生.現代新型傳感器技術及應用［J］.華通技術，2003，（04）:7-15.

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［4］張錫富.傳感器［M］.北京:機械工業出版社，1993：208-209.

［5］金有娟.基于虛擬儀器技術的汽車儀表盤設計［J］.機械研究與應用，2012，（06）:135-137.

［6］李軍.檢測技術與儀表［M］.北京：中國輕工業出版社，2000：29-31.

［7］張琦，周祖安.履帶式工程車模擬器數據采集與傳輸的設計與實現［J］.中國工程機械學報，2006，（03）:9-13.

［8］崔世輝.汽車CAN網絡應用層協議的研究與實現［D］.合肥：合肥工業大學，2011.

［9］魏明.汽車駕駛訓練模擬器視景系統軟件的研究與開發［D］.北京：中國農業大學，2002.

Design and Developmentof Heavy Trucks'Driving Training Simulator

ZHENG Zheng，FENG 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，山東濟南人，碩士研究生，研究方向：裝備訓練與指揮。