半實(shí)物仿真檔位機(jī)構(gòu)在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用

解志紅，趙 剛，劉小軍，游小嘉，張 義，楊似瓊

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原030006）

0 引言

部隊(duì)對模擬訓(xùn)練系統(tǒng)裝備在質(zhì)與量的需求上逐步升級，訓(xùn)練強(qiáng)度也逐步加大，對模擬訓(xùn)練裝備的真實(shí)度，模擬裝備電氣化、信息化的要求越來越高［1-2］。目前模擬設(shè)備在實(shí)訓(xùn)仿真性能真實(shí)度和信息化等方面，均已無法滿足部隊(duì)需求。其模訓(xùn)設(shè)備只能進(jìn)行基本操作技能訓(xùn)練，對駕駛員作出簡單的動(dòng)作，既無法感受裝備的實(shí)際操作性能，也無法感知由于路面、天氣、時(shí)間等因素對車輛帶來的影響，實(shí)訓(xùn)真實(shí)度差，且由于缺少電氣和信息化功能接口，更無法實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)及體驗(yàn)視景系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下強(qiáng)烈的沉浸式感知戰(zhàn)場環(huán)境［3］。如采取實(shí)裝訓(xùn)練方式，基于裝備使用壽命、完好率等要求，無法保證訓(xùn)練時(shí)效問題，尤其在生疏地形和極端氣候條件下進(jìn)行駕駛訓(xùn)練的實(shí)踐機(jī)會較少，并且對實(shí)裝的損耗較大［4］。因此，部隊(duì)實(shí)訓(xùn)中，對高真實(shí)度、高信息化程度的新型模擬作訓(xùn)裝備的需求迫切。

本文研究的檔位機(jī)構(gòu)是各種駕駛艙模擬系統(tǒng)中的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)模擬仿真訓(xùn)練的必要裝備。本文主要開展了某型模擬檔位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，并針對該型模擬訓(xùn)練裝置的通用技術(shù)要求、訓(xùn)練真實(shí)度、裝置的應(yīng)用性，以及模擬動(dòng)作的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。

1 模擬訓(xùn)練裝置的通用技術(shù)要求

模擬訓(xùn)練裝置需要復(fù)現(xiàn)實(shí)際裝備的操作特性，實(shí)現(xiàn)每一個(gè)操作動(dòng)作與實(shí)裝的一致性，操作方式、操作力感等需與實(shí)際裝備保持高度一致，才能實(shí)現(xiàn)模擬訓(xùn)練對實(shí)際訓(xùn)練的高效仿真［5-7］。該模擬訓(xùn)練裝置將每一個(gè)動(dòng)作轉(zhuǎn)化為可測量的電氣信號，并使用電信號驅(qū)動(dòng)視景系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)操作動(dòng)作與視景動(dòng)作的閉環(huán)控制。訓(xùn)練裝置應(yīng)占用最小的操作空間，實(shí)現(xiàn)模擬檔位機(jī)構(gòu)的特有性能。其操作靈活，使用方便，安全可靠等指標(biāo)也是模擬訓(xùn)練裝備必備的技術(shù)要求。

1.1 訓(xùn)練真實(shí)度的要求

訓(xùn)練真實(shí)度是模擬裝置的必要條件，需要保證操作力感、操作動(dòng)作、操作習(xí)慣、操作時(shí)間等參數(shù)必須正確、規(guī)范，與實(shí)際的裝置一致。在操作動(dòng)作、操作感受實(shí)現(xiàn)中，不可能使用實(shí)裝的機(jī)構(gòu)，必須進(jìn)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化，既要真實(shí)的復(fù)現(xiàn)操作動(dòng)作，又需具備將操作動(dòng)作轉(zhuǎn)化為可測量參數(shù)的條件。

1.2 模擬裝置信息化的要求

在整體外形、交互方式與實(shí)裝保持一致的基礎(chǔ)上，模擬裝置具有將實(shí)際操作動(dòng)作轉(zhuǎn)變?yōu)殡姎庑盘柕墓δ埽畔?shí)時(shí)傳遞，可以實(shí)現(xiàn)電氣化與信息化。模擬訓(xùn)練裝置的電氣化將訓(xùn)練動(dòng)作轉(zhuǎn)化為可測量的角度信號、位移信號，通過加裝電位計(jì)、編碼器、接近開關(guān)、按鈕開關(guān)等測量器件，將動(dòng)作轉(zhuǎn)化為電氣信號參數(shù)輸出。在模擬裝置中，具備可采集的電氣化的參數(shù)和輸出接口，可以實(shí)現(xiàn)模擬裝置的信息化和網(wǎng)絡(luò)化［8］。

2 檔位機(jī)構(gòu)的新穎性與應(yīng)用性分析

2.1 新穎性分析

本文研究的檔位機(jī)構(gòu)新穎性強(qiáng)，它通過機(jī)械傳動(dòng)和軟件處理將檔位交變轉(zhuǎn)換為電信號輸出，實(shí)現(xiàn)了模擬駕駛艙狹小空間內(nèi)的仿真模擬訓(xùn)練，并實(shí)時(shí)反應(yīng)于視景計(jì)算機(jī)上，達(dá)到模擬實(shí)裝的訓(xùn)練目的。該檔位機(jī)構(gòu)在陸軍戰(zhàn)術(shù)對抗仿真及裝備效能評估系統(tǒng)模擬器等多型模擬裝置中通用［9］。

2.2 創(chuàng)造性分析

該檔位機(jī)構(gòu)應(yīng)用左右、前后兩垂直軸的機(jī)械聯(lián)動(dòng)原理，使駕駛員能夠左右移動(dòng)、前后推拉進(jìn)行換擋動(dòng)作訓(xùn)練。該機(jī)構(gòu)在自動(dòng)檔位時(shí)具有鎖緊功能，通過拉銷組合方式進(jìn)行鎖定或解除，打破了調(diào)心軸承方式的小范圍轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了大范圍內(nèi)的多個(gè)檔位的交替變換。

2.3 實(shí)用性分析

該檔位機(jī)構(gòu)適用于模擬訓(xùn)練系統(tǒng)駕駛艙的多種檔位模擬機(jī)構(gòu)，檔位設(shè)置為“川”字分布以8檔位為主要研究對象，但是可以通過適當(dāng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)5檔、7檔等多功能調(diào)節(jié)檔位的變化，可應(yīng)用于多種型號的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中［10］。

3 模擬檔位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

某型模擬檔位機(jī)構(gòu)共有8個(gè)檔位，分自動(dòng)擋和手動(dòng)擋兩種操作方式。如何實(shí)現(xiàn)操作的真實(shí)模擬和高電氣化程度難度較大。本文研究的模擬檔位機(jī)構(gòu)主要通過對實(shí)際裝備的功能分割和機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化，完成模擬檔位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)。將外觀、操作部件與實(shí)裝保持一致，操作方式、操作力感等參數(shù)通過機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)操作動(dòng)作復(fù)現(xiàn)。機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化中，既有實(shí)際的操作動(dòng)作，又同時(shí)將動(dòng)作轉(zhuǎn)化為電氣信號參數(shù)。為了保證戰(zhàn)術(shù)仿真訓(xùn)練的真實(shí)度，模擬裝置的操作力感、操作動(dòng)作、操作習(xí)慣、操作時(shí)間等參數(shù)必須正確、規(guī)范，與實(shí)際的裝置一致。在整體外形、交互方式等與實(shí)裝保持一致的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了信息實(shí)時(shí)傳遞，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)實(shí)裝機(jī)構(gòu)的模擬功能。將實(shí)際的操作動(dòng)作轉(zhuǎn)變?yōu)殡姎庑盘枺?qū)動(dòng)視景系統(tǒng)完成相應(yīng)轉(zhuǎn)變，完成訓(xùn)練模擬。

模擬檔位機(jī)構(gòu)不僅保持了實(shí)際裝備的外觀特征，還在操作方式上與實(shí)裝保持高度一致。其操作動(dòng)作直接反饋為數(shù)字信號，不但實(shí)現(xiàn)了模擬訓(xùn)練裝置的信息化，而且與視景系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，提供了各種地形條件和氣候環(huán)境，搭建了駕駛員與車輛運(yùn)動(dòng)情景的感官交流平臺，形成一種人在路上的訓(xùn)練模式，更好地完成了包含車長、炮長等乘員的配合性訓(xùn)練，最終達(dá)到仿真訓(xùn)練的目的［11］。

3.1 操作動(dòng)作一致性的實(shí)現(xiàn)

通過對實(shí)際裝備的功能分割，保留部分操作部件，復(fù)現(xiàn)了實(shí)際裝置的所有操作參數(shù)，并將相應(yīng)的操作參數(shù)轉(zhuǎn)化為可以測量的轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號。在模擬機(jī)構(gòu)中，采用將檔位操作動(dòng)作，轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號；圓柱齒輪與扇形齒弧組成轉(zhuǎn)動(dòng)副，將檔位前后推拉的動(dòng)作轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，轉(zhuǎn)動(dòng)件與電位計(jì)連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的電氣化轉(zhuǎn)化。將相應(yīng)的電氣信號參數(shù)匹配操作動(dòng)作，從而完成模擬環(huán)境下操作訓(xùn)練。

3.1.1外觀與操作動(dòng)作一致性設(shè)計(jì)

該檔位機(jī)構(gòu)操控運(yùn)動(dòng)軌跡呈“川”字分布，即“Pt”檔置中，自動(dòng)檔位置左，手動(dòng)檔位置右，利用雙軸傳動(dòng)、彈簧銷定位、拉銷鎖緊等方式實(shí)現(xiàn)了操作手柄沿著左右、前后雙自由度的擺動(dòng)軌跡。如圖1～圖3所示，實(shí)現(xiàn)了手自一體包括D、H、N、R1、R2、Pt、“+”、“-”共8個(gè)檔位的檔位轉(zhuǎn)換。同時(shí)，通過按壓或松開拉銷組合加力板對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行即時(shí)解除或鎖定，使檔位模擬機(jī)構(gòu)在每一個(gè)自動(dòng)檔位都能夠保持鎖定功能，提高了操作的安全性和機(jī)構(gòu)的可靠性。

圖1 外形示意圖1

3.1.2操作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)

該檔位機(jī)構(gòu)應(yīng)用左右、前后兩垂直軸的機(jī)械聯(lián)動(dòng)原理，使駕駛員能夠左右移動(dòng)、前后推拉進(jìn)行換擋動(dòng)作訓(xùn)練。該機(jī)構(gòu)在自動(dòng)檔位時(shí)具有鎖緊功能，通過拉銷組合方式進(jìn)行鎖定或解除，打破了調(diào)心軸承方式的小范圍轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了大范圍內(nèi)的多個(gè)檔位的交替變換。

底座（13）固定于基體（5）底部，左右轉(zhuǎn)軸系（12）通過軸承支撐于底座（13）上。左右轉(zhuǎn)軸（12）滿足內(nèi)環(huán)機(jī)構(gòu)（7）的左右轉(zhuǎn)動(dòng)，即滿足駕駛員在自動(dòng)檔區(qū)域、手動(dòng)檔區(qū)域、Pt檔區(qū)域之間的切換要求；手柄桿（上）（15）、手柄桿（下）（16）與前后轉(zhuǎn)軸（17）固定。前后轉(zhuǎn)軸（17）的轉(zhuǎn)動(dòng)性能滿足機(jī)構(gòu)在自動(dòng)檔區(qū)域的D檔、H檔、N檔、R1檔、R2檔之間的切換或在手動(dòng)檔區(qū)域的“+”“-”檔間的切換；前后轉(zhuǎn)軸左側(cè)安裝大齒輪（22）和鎖定座（18）。大齒輪（22）與其下方小齒輪（23）嚙合，小齒輪與電位計(jì)同軸固聯(lián)。手柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)電位計(jì)工作，并采集數(shù)據(jù)；前后轉(zhuǎn)軸（17）右側(cè)安裝有撥銷1（8）、撥銷2（9）；檔位板（3）固定于基體（5）上方，檔位板上的“川”型區(qū)域限定了機(jī)構(gòu)在指定的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，如圖4～圖6所示。

圖4 內(nèi)部組成圖

圖5 內(nèi)環(huán)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖1

圖6 內(nèi)環(huán)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖2

3.2 模擬動(dòng)作電氣化的實(shí)現(xiàn)

底座（13）固定于基體（5）底部，左右轉(zhuǎn)軸系（12）通過軸承支撐于底座（13）上。左右轉(zhuǎn)軸（12）滿足內(nèi)環(huán)機(jī)構(gòu)（7）的左右轉(zhuǎn)動(dòng)，即滿足駕駛員在自動(dòng)檔區(qū)域、手動(dòng)檔區(qū)域、Pt檔區(qū)域之間的切換要求；手柄桿（上）（15）、手柄桿（下）（16）與前后轉(zhuǎn)軸（17）固定。前后轉(zhuǎn)軸（17）的轉(zhuǎn)動(dòng)性能滿足機(jī)構(gòu)在自動(dòng)檔區(qū)域的D檔、H檔、N檔、R1檔、R2檔之間的切換或在手動(dòng)檔區(qū)域的“+”“-”檔間的切換；前后轉(zhuǎn)軸左側(cè)安裝大齒輪（22）和鎖定座（18）。大齒輪（22）與其下方小齒輪（23）嚙合，小齒輪與電位計(jì)同軸固聯(lián)。手柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)電位計(jì)工作，并采集數(shù)據(jù)。

4 模擬檔位裝置的功能驗(yàn)證

該模擬檔位裝置的功能驗(yàn)證參照圖4～圖6作如下敘述：

1）自動(dòng)檔區(qū)域內(nèi)的換擋操作：手握手柄，壓下加力板，帶動(dòng)鎖銷組合內(nèi)的剎車?yán)K（內(nèi)）移動(dòng)，拉動(dòng)鎖銷（26）脫離鎖定孔；繼續(xù)用力推拉手柄，待球彈簧柱銷（21）頭部滑出柱銷定位窩時(shí)將手柄推拉到所需檔位，到位后，球彈簧柱銷（21）頭隨即滑進(jìn)柱銷定位窩內(nèi)。松開手柄加力板，鎖銷（26）自動(dòng)進(jìn)入相應(yīng)鎖定孔內(nèi)。

2）切換到Pt檔的操作：將手柄置于N檔，向右移動(dòng)手柄，到達(dá)中間Pt區(qū)域，隨即，向后拉動(dòng)手柄，進(jìn)入Pt檔。

3）切換到手動(dòng)檔的操作：將手柄置于H檔，向右移動(dòng)手柄，到達(dá)手動(dòng)區(qū)域，隨即，向前推動(dòng)手柄一次，表示手動(dòng)“+”檔一次，松手，擺桿（10）在拉簧（11）的作用下，自動(dòng)回位，同時(shí)擺桿內(nèi)的撥銷1（8）、撥銷2（9）帶動(dòng)檔位恢復(fù)到手動(dòng)區(qū)域中央，向前繼續(xù)推動(dòng)手柄一次，此時(shí)，累計(jì)“+”檔兩次，以此類推，或向后拉動(dòng)手柄進(jìn)入手動(dòng)“-”檔檔位，拉動(dòng)一次，“-”檔一次，以此類推。

5 結(jié)論

本文以某型模擬訓(xùn)練用檔位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究為出發(fā)點(diǎn)，分析了模擬訓(xùn)練裝置的通用設(shè)計(jì)要求，在模擬真實(shí)度和電氣化實(shí)現(xiàn)兩方面進(jìn)行半實(shí)物仿真模擬系統(tǒng)的研究與研發(fā)，并驗(yàn)證了研究的可行性。本研究闡述了該檔位機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)與具體的操作，研究成果對強(qiáng)化部隊(duì)駕駛員的模擬訓(xùn)練具有重要意義［12］。