叉車仿真訓(xùn)練模擬器

1、叉車仿真訓(xùn)練模擬器概述一般來說，凡是需要有一個(gè)或一組熟練人員進(jìn)行操作、控制、管理或決策的工作，例如汽車、飛機(jī)、船舶的駕駛，外科手術(shù)、消防、各類工業(yè)設(shè)備的操作等都需要進(jìn)行專門的職業(yè)技能訓(xùn)練。過去的職業(yè)訓(xùn)練基本上都在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多媒體技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心和操縱控制臺(tái)為基礎(chǔ)構(gòu)成的各種模擬仿真訓(xùn)練器已成為當(dāng)今重大生產(chǎn)設(shè)備或過程控制設(shè)備操作人員上崗工作、培訓(xùn)的必備手段，受到國內(nèi)外工業(yè)界的高度重視，并在航天航空、火力及核能發(fā)電、石油化工、軍事、航海等許多領(lǐng)域得到廣泛使用。目前，模擬仿真訓(xùn)練器已逐步成為培訓(xùn)飛機(jī)、汽車、船舶等駕駛?cè)藛T的

2、重要設(shè)備之一。叉車、堆高機(jī)、正面吊是冶金、制造、港口、水電、建筑、鐵路貨場、倉儲(chǔ)中心等部門裝卸貨物的主要設(shè)備，也是容易出安全事故的設(shè)備。這些叉車駕駛的操作涉及到財(cái)產(chǎn)與生命安全，對(duì)操作人員的素質(zhì)要求愈來愈高。由于它們可應(yīng)用在不同行業(yè)領(lǐng)域，其種類繁多，操作技術(shù)多樣，在生產(chǎn)過程中不僅要完成駕駛操作，更要與其他工種人員協(xié)調(diào)一致地完成吊裝等裝卸工藝動(dòng)作，如操作不當(dāng)而引起的破壞程度和危險(xiǎn)性都會(huì)大大增加。這一切都為車輛司機(jī)的培養(yǎng)和訓(xùn)練工作帶來極大的挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和企業(yè)生產(chǎn)管理水平的提高，人們迫切需要一種安全、快速、高效的培訓(xùn)方式，集虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)？計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)？多媒體技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等先進(jìn)

3、技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品一一叉車駕駛操作仿真模擬器的研制和開發(fā)就應(yīng)運(yùn)而生。叉車駕駛操作仿真模擬器相對(duì)于目前傳統(tǒng)的操作培訓(xùn)方式，具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)：1）安全性好。使用仿真訓(xùn)練機(jī)可以模擬高速、重載以及其它非常危險(xiǎn)的環(huán)境以實(shí)現(xiàn)有安全保障的訓(xùn)練，杜絕事故隱患，減少事故損失。2）經(jīng)濟(jì)性好。仿真訓(xùn)練機(jī)的成本遠(yuǎn)低于實(shí)際叉車設(shè)備。在訓(xùn)練過程中，還可以免除實(shí)機(jī)操作中的油耗、電耗及零部件的磨損。同時(shí)，仿真訓(xùn)練機(jī)使用周期長，維護(hù)簡單，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢不可忽略。3）適用面廣。在仿真訓(xùn)練機(jī)軟件系統(tǒng)中，可以方便地設(shè)定各種訓(xùn)練條件和參數(shù)，模擬不同的使用工況和環(huán)境條件；在同一套硬件系統(tǒng)中，配置不同類型的叉車仿真訓(xùn)練機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用

4、。例如，一臺(tái)叉車駕駛操作仿真模擬器可以同時(shí)擁有集裝箱正面吊運(yùn)機(jī)、集裝箱空箱堆高機(jī)兩種類型起重機(jī)的操作訓(xùn)練功能。4）培訓(xùn)效果好。通過使用仿真訓(xùn)練機(jī)，可以大大縮短學(xué)員的整個(gè)培訓(xùn)周期，使學(xué)員在較短的時(shí)間內(nèi)完成培訓(xùn)任務(wù)。另外，仿真訓(xùn)練機(jī)可以非常方便地模擬出實(shí)際訓(xùn)練中很少遇到的突發(fā)性事件，培養(yǎng)學(xué)員準(zhǔn)確的判斷能力、良好的心理素質(zhì),以及正確處理緊急情況的能力，從而提高培訓(xùn)質(zhì)量。5）軟、硬件不斷升級(jí)。叉車駕駛操作仿真模擬器軟、硬件可以不斷升級(jí)，維護(hù)方便，與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)新型叉車的產(chǎn)生和技術(shù)性能不斷提高的要求。在駕駛操作仿真模擬器上對(duì)學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)時(shí)，教員可以方便地監(jiān)控學(xué)員的學(xué)習(xí)狀態(tài)、安全意識(shí)、技術(shù)掌握的熟練程度，

5、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以客觀地對(duì)學(xué)員進(jìn)行操作評(píng)分。雖然仿真訓(xùn)練不能完全代替實(shí)機(jī)的操作訓(xùn)練，但學(xué)員在仿真訓(xùn)練機(jī)上接受訓(xùn)練后，獲得一定的操作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，再到實(shí)機(jī)上實(shí)習(xí)，這樣就可以較快較好地掌握實(shí)際操作技術(shù)。駕駛操作仿真模擬器將是現(xiàn)代職業(yè)培訓(xùn)不可缺少的工具和手段，日益受到重叉車仿真模擬系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)1、叉車仿真模擬系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)組成根據(jù)叉車駕駛操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的功能定位，其總體結(jié)構(gòu)主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件設(shè)備由模擬駕駛艙、操縱控制系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、多媒體計(jì)算機(jī)及音響系統(tǒng)、學(xué)員觀摩室等構(gòu)成。軟件系統(tǒng)包括作業(yè)環(huán)境的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)畫生成，叉車行駛動(dòng)態(tài)仿真，聲響模擬，操作評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)管理，網(wǎng)絡(luò)控制，操作平臺(tái)等。系統(tǒng)

6、總體結(jié)構(gòu)如圖所示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)關(guān)系圖2、駕駛操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)模擬駕駛艙如圖所示，駕駛艙的外形尺寸和布局與真實(shí)叉車完全相同。在模擬駕駛艙中裝配有與實(shí)車完全相同的各種可操縱機(jī)構(gòu)，如方向盤、離合器踏板、剎車踏板、油門踏板、三根貨叉操作桿、剎車手柄、換向操縱桿、換擋操縱桿、轉(zhuǎn)向燈開關(guān)、點(diǎn)火開關(guān)、儀表盤等，以便給學(xué)員帶來最接近真實(shí)的駕駛感受。叉車駕駛操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)駕駛艙操縱控制系統(tǒng)如圖所示，本系統(tǒng)包括了駕駛者控制叉車運(yùn)動(dòng)的基本操縱部件：方向盤、油門、離合、剎車、檔位、換向以及貨叉操縱桿，另外還有點(diǎn)火開關(guān)、轉(zhuǎn)向指示燈等輔助性操作部件。這些部件信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與控制是叉車駕駛操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)能否

7、真正逼真模擬駕駛環(huán)境的最基本前提，是整個(gè)叉車駕駛操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的核心部分之一。由于本系統(tǒng)要求與真實(shí)叉車完全操作感受盡量一致，因而在沒有力和反饋裝置的條件下，對(duì)于叉車運(yùn)動(dòng)控制的模擬主要由實(shí)車部件中的方向盤、油門、離合、剎車、檔位和貨叉操縱桿操作來完成。操作控制系統(tǒng)照片,手制動(dòng)拉,喇叭開左右轉(zhuǎn)向0儀表(5鑰匙開關(guān)(6方向盤前后高低離合器腳制動(dòng)器,貨叉起(11門架前傾貨叉擴(kuò)(i3大小燈開（14）前后檔高低速轉(zhuǎn)換拉桿駕駛員對(duì)操縱部件的操作經(jīng)過傳感器和接口，將方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度、油門的開度、離合器的狀態(tài)、剎車的狀態(tài)等模擬量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換發(fā)送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，同時(shí)把系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如檔位參數(shù)、速度等

8、數(shù)字量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換發(fā)送到車體部分顯示儀表系統(tǒng)上，進(jìn)而調(diào)整視景顯示，使駕駛員實(shí)時(shí)觀察駕駛車輛的運(yùn)行情況。叉車駕駛操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)儀表系統(tǒng)操作部件信號(hào)流程圖儀表系統(tǒng)儀表系統(tǒng)采用實(shí)車的儀表盤， 負(fù)責(zé)車內(nèi)儀表面板如計(jì)時(shí)表、轉(zhuǎn)向燈、燃油表、預(yù)熱指示燈等的實(shí)時(shí)更新。儀表系統(tǒng)如右圖所示：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在本叉車駕駛仿真系統(tǒng)中，由于要滿足實(shí)時(shí)交互與漫游且要同時(shí)輸出五個(gè)屏幕，主機(jī)對(duì)顯卡的要求較高，因此需要采用1G顯存和4G內(nèi)存，處理器主頻采用8.5GHz以上。接口微處理器部分的主控芯片采用16位的頂級(jí)單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的識(shí)別和數(shù)據(jù)采集， 并通過windows用API函數(shù)，完成單片機(jī)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。音響系統(tǒng)音

9、響系統(tǒng)模擬行車過程中的環(huán)境音響，它是使駕駛員產(chǎn)生沉浸感的重要因素。音響系統(tǒng)需要模擬的聲音有馬達(dá)轟鳴、風(fēng)響等，其中馬達(dá)轟鳴的聲音可由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)載來決定，而車胎的音響、風(fēng)響，可由車速、轉(zhuǎn)彎角度來決定。對(duì)于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)視景系統(tǒng)，需要用計(jì)算機(jī)生成合成所應(yīng)發(fā)出的聲音，它接受來自根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算出車輛運(yùn)行車速、振動(dòng)和駕駛員對(duì)油門、檔位等相應(yīng)參數(shù)值，用計(jì)算機(jī)生成模擬聲音，然后在通過聲響處理系統(tǒng)同音響設(shè)備連接，配合車輛的行駛，產(chǎn)生相應(yīng)的聲響效果。音頻仿真系統(tǒng)軟件采用基于windows環(huán)境的編制方法。windows操作系統(tǒng)使得應(yīng)用程序與設(shè)備之間具有相對(duì)獨(dú)立性，這種設(shè)備獨(dú)立性又使得軟件與硬件之問增添了許多中

10、間層次，使得在windows平臺(tái)上緊湊、實(shí)時(shí)的輸入以及快速地生成聲音變得十分困難。針對(duì)這種情況開發(fā)的基于windows的叉車駕駛模擬裝置音頻仿真系統(tǒng)，運(yùn)用DirectX技術(shù)，能完全克服以上缺陷。要仿真模擬叉車運(yùn)行時(shí)的各種聲音，要求這一套音頻仿真系統(tǒng)必須達(dá)到如下的目標(biāo)：1）系統(tǒng)要能模擬出叉車運(yùn)行時(shí)發(fā)出的所有聲音；2）系統(tǒng)對(duì)司機(jī)操縱的結(jié)果作出迅速的反應(yīng)；3）系統(tǒng)要對(duì)不同的聲音進(jìn)行混音，因?yàn)樗緳C(jī)操縱叉車所發(fā)出的聲音不是依次順序發(fā)出的，可能有些聲音彼此交疊在一起；4）由于不同類型的叉車對(duì)應(yīng)的聲音不完全一樣，這就要求系統(tǒng)有一定的靈活性和擴(kuò)充性，以適應(yīng)不同類型的叉車教員控制臺(tái)教員控制臺(tái)主要用于相關(guān)數(shù)據(jù)的輸

11、入和輸出，如：學(xué)員信息錄入、班級(jí)管理、培訓(xùn)內(nèi)容設(shè)置、操作環(huán)境條件設(shè)定、操作過程的監(jiān)視、記錄和重演、分析與評(píng)分、考核成績輸出等。3、叉車仿真模擬系統(tǒng)的軟件模塊設(shè)計(jì)叉車操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的軟件部分是本模擬器系統(tǒng)的核心內(nèi)容，它主要由系統(tǒng)控制層、叉車操作層和教學(xué)監(jiān)控與管理三大部分組成。每個(gè)部分又分別包含若干子系統(tǒng)。若干參數(shù)設(shè)置根據(jù)機(jī)型本身特點(diǎn)而獨(dú)立設(shè)置。叉車操作訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)圖叉車模擬器軟件系統(tǒng)一模擬仿真服務(wù)器系統(tǒng)控制層 T 視景仿真系統(tǒng)-音效仿真系統(tǒng)叉車模擬器操作層 I模擬控制臺(tái)r 訓(xùn)練管理服務(wù)器教學(xué)監(jiān)控與管理層學(xué)員管理服務(wù)器學(xué)員管理客戶端學(xué)員訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)控制層軟件系統(tǒng)控制層主要控制整

12、個(gè)模擬器的硬件，接收和發(fā)出各種控制信號(hào),將相關(guān)傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)或者把計(jì)算機(jī)控制指令轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào),控制叉車駕駛訓(xùn)練模擬器的投影、司機(jī)操作的輸入和輸出信號(hào)、音響效果等;控制層軟件主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊。在本節(jié)中，只是簡單的描述各模塊的功能，在本文2.5中將會(huì)對(duì)本系統(tǒng)信號(hào)采集、處理和傳輸進(jìn)行詳細(xì)分析1本系統(tǒng)要求能夠采集各種模擬裝置的信號(hào)，這些信號(hào)可以分為三個(gè)不同的類型：數(shù)字量、模擬量和開關(guān)量。加速踏板、離合器踏板、行車制動(dòng)踏板（三踏板）的踏板行程以及四根操縱桿分別反映供油量大小、離合器結(jié)合程度、制動(dòng)力大小以及貨叉移動(dòng)和叉車前進(jìn)后退，所以傳感器應(yīng)采集出的是連

13、續(xù)變化的量，即模擬量。模擬量的采集要去抗干擾能力強(qiáng)，在設(shè)計(jì)中選擇了線性位移傳感器與相關(guān)機(jī)械連接組成。線性位移傳感器的阻值變化特性為直線型，能夠準(zhǔn)確反映三踏板行程、貨叉位移以及叉車前后運(yùn)動(dòng)距離的大小。方向盤度采集模塊采集轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)的角度、方向。考慮在實(shí)際駕駛中轉(zhuǎn)向盤要求有一定的間隙，在采集時(shí)，采集精度要高，所以選用了以角位移傳感器為與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向立柱連接用于采集轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)角，選用的角位移傳感器最大測量角度為900。對(duì)于模擬器上的點(diǎn)火開關(guān)、車燈開關(guān)等開關(guān)量，主芯片可通過光電隔離器與微動(dòng)開關(guān)相連，提取開關(guān)量，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平進(jìn)行處理。2）數(shù)據(jù)處理模塊在叉車操作模擬系統(tǒng)中，需要將采集到的無序的數(shù)據(jù)變成可用的有序的數(shù)據(jù)。為了不影響仿真系統(tǒng)的仿真效果，要使得數(shù)據(jù)處理模塊的時(shí)間復(fù)雜度低、運(yùn)算速度快、運(yùn)算結(jié)果精確，可擴(kuò)展，對(duì)于其他的系統(tǒng)也適用。本系統(tǒng)中將各位移傳感器采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，利用接口函數(shù)采集該信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)處理程序模塊進(jìn)行分析計(jì)算。對(duì)于各種開關(guān)量，則通過電信號(hào)轉(zhuǎn)化，再通過編碼器編碼分通道通過數(shù)據(jù)采集函數(shù)與系統(tǒng)軟件模塊（程序）和系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。對(duì)于方向盤所采用的角位移傳感器角，則單獨(dú)采用現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)PGA不僅