4D叉车考核模拟器仿真研究

张静 王海荣 翟光辉 曹乐乐

【摘 要】本文介绍了国产杭叉CPC（D） R30叉车4D考核模拟器设计开发和关键仿真技术。该型模拟器是按照《场（厂）内专用机动车辆安全管理人员和操作人员考核大纲TSG N6001-2012》的技术要求设计，在功能上既可以满足叉车作业人员进行操作取证的考核要求也可以满足叉车作业人员进行日常模拟训练的需要。模拟器在建模设计、虚拟现实、运动系统仿真技术、3D立体视景技术、六自由度平台等方面有深入的研究。

【关键词】 叉车 考核 视景系统 建模和仿真

1 前言

本文介绍的4D叉车考核模拟器是按《场（厂）内专用机动车辆安全管理人员和操作人员考核大纲》TSG N6001-2012的技术要求设计的全任务模拟器。其主要功能是通过叉车数学建模和仿真计算对某型叉车动态操作性能进行仿真，通过虚拟现实技术和半物理仿真设备对叉车操作环境进行高逼真度仿真，同时采用叉车考核专家系统对模拟操作进行智能评分。该模拟系统即可用于叉车操作员培训，也可以用于叉車操作员的考核。采用模拟训练方法可以大大缩短专用叉车驾驶员培训周期、降低培训成本，保证训练安全并实现了节能减排。采用模拟器和计算机专家考核系统可以保证训练质量和考核的公正性。模拟器能覆盖95%以上的基本训练课目和训练大纲规定的所有特情处置功能。目前，国内外尚无同类仿真与训练模拟研究成果。

2 系统整体设计思想

根据模拟器对叉车模拟训练和考核的功能需求，仿真系统在硬件组成和设计上参照由中华人民共和国交通部颁发的《JT/T 378 -2005 汽车模拟驾驶培训模拟器-行业标准、国家规范要求》对模拟器的要求。4D叉车考核模拟器由座室模拟分系统、运动平台分系统、视景模拟分系统、声音模拟分系统、计算机及网络分系统、叉车性能仿真分系统、综合环境模拟分系统、教员台分系统和辅助分系统等组成。系统在设计上采用模块化结构，硬件设计实现标准化、通用化。系统有较大的二次开发余度，各仿真软件模块根据用户需求留有扩展接口。关键系统（如叉车性能仿真系统等）的软件包具有再次开发能力。

3 分系统设计及关键技术

根据模拟器整机总体技术指标要求，主要分系统的设计如下。

3.1 驾驶室模拟分系统

模拟器要满足该型叉车驾驶员的模拟训练和考核的需要，座室设备要有很高的逼真度。模拟驾驶室安装在六自由度运动平台上，整个模拟器按照1：1模拟杭叉CPC（D） R30的外形及部分内部结构，其内部布局及所有部件的尺寸和外观均与实装叉车一致。其中驾驶室内的操作结构（方向盘、操作杆、钥匙、手刹、座椅等）均为原厂订购，车体部分（主要是车架）为钢板等比例仿制，车轮、配重为玻璃钢仿制。

驾驶盘设备采用杭叉R30原厂配件总成，结合微型磁粉制动器（CD-HSY-50 DC24V）、微型拉杆电子尺（KTM-50）组成转向信号采集控制单元。采集叉车转向实时数据至计算机。计算机根据不同路况及载荷输出至磁粉制动器模拟转向力矩。

油门踏板采用杭叉R30原厂配件总成，结合微型拉杆电子尺（KTM-50）组成叉车油门信号，实时采集油门数据至计算机。

行车制动踏板采用杭叉R30原厂配件总成，结合微型拉杆电子尺（KTM-50）组成叉车制，实时采集行车制动数据至计算机。

驻车制动手柄采用杭叉R30原厂配件总成，结合微动开关组成驻车制动信号采集单元。将驻车制动器状态传输至计算机。

换档、换向操纵手柄采用杭叉R30原厂配件以及部分变速箱配件，另外结合吸盘电磁铁。CNQSE1-P59/34 及接近开关，组成换档、换向操纵及信号采集单元。采集换档、换向实时数据至计算机。

起升操纵杆、倾斜操纵杆以及多路阀均采用杭叉R30原厂配件总成，结合微型拉杆电子尺。（KTM-50）组成叉车货叉起升、倾斜信号采集单元。采集起升、倾斜实时数据至计算机。

仪表总成及开关为用杭叉R30原厂配件，仪表有计时表、油温表水温表等；开关主要是启动开关、转向灯开关、大小灯开关、喇叭、熄火拉杆等。

采用杭叉R30原厂座椅，模拟器系统配置1个座位，无考试员座椅。并在座椅上添加红外检测和安全带信号检测，以判断作业人员是否身体探出车外及是否系安全带。接口系统用于驾驶室设备信号的采集和驱动。

3.2运动平台系统

系统采用六自由度电动平台，运动平台系统的结构形式为Stewart的6-6型结构，主要由六只电动作动器、三组上复合铰链、三组下复合铰链、运动平台上台体、固定基座等部分组成。模拟叉车纵向、升降、横向、俯仰、横滚和航向的六自由度运动，为驾驶员提供瞬时过载感觉，并对颠簸等特殊效果进行仿真，由于视景系统不在平台之上，所以不模拟加速和减速及转弯过载，模拟效果使驾驶员感觉与真实叉车驾驶室内的运动感觉接近。运动平台系统由运动系统、电动作动器驱动控制系统、计算机监控系统、安全及应急回路控制系统、动力站系统五个子系统组成，最大动载荷达到1吨，通过协调控制电动作动器，运动平台带动驾驶室实现空间的六自由度运动。该平台系统具有完善的故障监控和安全保护功能，保证模拟室内的人员和设备的安全。

3.3视景分系统

模拟器视景系统包括视景显示系统和图像生成系统组成。视景显示系统采用背投立体成像显示系统。最大水平视场角达150°，最大垂直视场角达70°。图像生成系统采用国际上先进的基于PC的图像生成计算机，为显示系统提供实时生成的动态视景信号。

（1）视景系统的技术指标：3通道立体显示（单通道分辨率1920×1200像素）；景色内容不混叠；计算和显示象素尺寸的最小分辨率小于3弧分；亮度分析；投影机选用专业工程投影机，该机采用DLP CINMEA方案，最高支持1920*1200分辨率，亮度5000流明，提供鲜亮而清晰的显示画面。最大滞后或传输延迟不超过120毫秒。

（2）视景系统的组成：视景分系统包括视景数据库、成像子系统和显示子系统。视景库包括五个场景的数据库，分为场地驾驶模拟、道路驾驶模拟两大类。

场地驾驶场景制作符合国家场地车辆考试大纲要求；道路驾驶场景符合国家交通法对于道路行驶要求。视景成像子系统由视景成像计算机、视景管理软件等组成。视景计算机采用基于PC架构的HP图像工作站，视景管理软件采用专用UNITY3D软件来实现。图像生成系统为视景显示系统提供3个通道（6路）的1920×1200@60Hz信号源，具有多种亮度条件下视觉仿真效果。

视景显示子系统采用6台DPE-Vision 4500投影机和150度3D背投硬幕。

3.4叉车性能仿真分系统

叉车性能仿真分系统负责对叉车进行建模和仿真计算，输出叉车的仿真性能参数，该系统是模拟器的核心软件系统。

叉车系统的功能，主要包括发动机模型、运动方程模型、悬挂和车轮系统模型、操纵系统模型、燃油系统模型、风阻模型等主要仿真数学模型。

运用层次化、模块化的建模方法，结合untiy3D的物理引擎，计算叉车运动的操纵和运动特性；建立叉车工作装置数学模型，模拟工作装置运行过程。

3.4.1模拟功能

本系统主要完成如下几个模拟功能：

叉车基本性能模拟（包括动力性能、不同载荷下的加/减速性能、操纵性能），叉车起步、憋车、抖动、加减速、刹车、换挡、转弯、前进后退；不同载荷情况的行驶、爬坡等。

工作装置功能模拟，货叉升降，门板倾斜，搬运货物。叉车场内搬运货物模拟，根据《场（厂）内专用机动车辆安全管理人员和操作人员考核大纲》中要求模拟叉车场地内搬运货物。叉车道路行驶模拟，根据《场（厂）内专用机动车辆安全管理人员和操作人员考核大纲》中要求模拟不同道路上叉车的行驶。

3.4.2实现方案

叉车系统的仿真建模是系统仿真的核心技术，本系统基于叉车考核模拟器建立了完整的动力学和运动学的数学模型，该模型将庞大而复杂的叉车运动系统通过抽象和简化后，离散成物理上和功能上相对独立的子系统，分为发动机、传动系、转向系、制动系等四个模块，并分别得出各模块的仿真模型以及叉车速度和转向的仿真模型。基于以上模型开发的叉车驾驶模拟器能够准确模拟出叉车驾驶和叉车搬运货物的操作，与实车驾驶情况基本相符。

通过所建立的动力学模型，可以得到以驾驶员控制的油门、离合器、制动器踏板位置和变速器档位为参数的叉车行驶速度以及以方向盘转角为参数的叉车行驶方向。在运动学模型中，以动力学模型计算出的叉车速度和行驶方向为参数，又可以得到叉车在虚拟世界的瞬时位置坐标。

然后使用untiy3D作为开发平台，untiy3D中的车轮碰撞器（WheelCollider）用来模拟车辆运动，车轮碰撞器是unity内部一种特殊的地面车辆碰撞器，具有内置的碰撞检测、车辆物理引擎和一个基于滑移的轮胎摩擦模型；将上面论文中得到的参数和WheelCollider中的接口数据进行对接，即可准确的模拟车辆运动的行驶状况。

3.5计算机及网络系统

计算机及网络分系统是仿真系统的软件运行平臺，要求满足仿真计算机和数据通信的实时性和可靠性。

（1）计算机配置，仿真计算机采用HP Z820图形工作站计算机，支持操作系统（Windows7）。

（2）网络设备配置，无线路由器，型号为D-Link DIR-850L，千兆交换机，型号为DGS-1024D。

融合器配置，DVI/VGA/HDMI/CVBS信号输入，大规模可扩容72路，视频信号支持到280路实时处理，36路DVI输出；单通道最高支持速率4.95Gbps.处理多路高清信号；网口和串口RS-232通讯控制，并开放控制协议。输入：分辨率支持到1920×1200@60HZ及1080P等高清，向下兼容所有标准分辨率，特殊分辨率可定制；支持到4K×2K等超高分辨率；输出：DVI-I接口高清DVI输出，兼容HDMI，VGA输出；支持M*N方式融合。调节技术：几何校正支持整体调整、局部调整，支持可选像素点、线、面调整；融合带从0-100%范围可自定义；调试支持1000M网口调试。

软件部分：软件支持开机后台自启动，且支键盘热键直接调用场景模式；加权限管理，可指定控制主机连接及控制不；同拼接器，软件支持同步和异步操作管理，支持矩阵控制和联动开窗功能，对支持音频的矩阵可以实现音频同步切换以及音量和静音控制。

4 结语

基于以上各模块相互连接作用，实现了叉车虚拟驾驶仿真系统，该系统较好地模拟了叉车驾驶操作及其在三维场景下行驶的真实感，能够充分体现出驾驶员的操作过程和实操体验，同时可模拟出驾驶员某些不正确操作对汽车行驶状况的影响。通过该系统对叉车作业人员进行培训和考核，可使他们较好较快的掌握叉车驾驶和操作技能，更好更快的投入到叉车作业工作中去，达到了模拟教学的目的。

参考文献：

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*项目资助信息：上海市质量技术监督局公益项目2013-56。