CN101859500B - 一种拖拉机驾驶操纵试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种拖拉机驾驶操纵试验台，其特征在于：它包括一拖拉机驾驶室、一信号采集单元、一信号处理单元和一虚拟现实系统；拖拉机驾驶室包括若干驾驶室元部件、若干传感器和一底座；各驾驶室元部件根据拖拉机驾驶室人机界面中各个操纵元件的布置装配在底板上；各驾驶室元部件上均安装有传感器，各传感器依次连接信号采集单元、信号处理单元和虚拟现实系统；虚拟现实系统中设置有虚拟拖拉机模型和虚拟场景模型；信号采集单元采集各驾驶室元部件上的传感器信号，并通过串口输出到信号处理单元，信号处理单元将标定处理后的传感器信号传给虚拟现实系统，从而驱动虚拟拖拉机模型同步运动。本发明的精度和灵敏度较高，能够真实再现拖拉机的驾驶作业，进而开展相关人机工程学试验，填补了国内本领域研究中的一项空白。
Description
技术领域
本发明涉及一种驾驶模拟器，特别是关于一种某型号拖拉机驾驶操纵试验台。
背景技术
驾驶模拟器是利用虚拟现实仿真技术营造一个虚拟的驾驶训练环境，人们通过驾驶模拟器的操作部件与虚拟的环境进行交互，从而进行驾驶训练。广义上的驾驶模拟器包括汽车驾驶模拟器、飞机驾驶模拟器以及船舶驾驶模拟器等等。相对于其他驾驶模拟器，汽车驾驶模拟器是应用最为广泛的。汽车驾驶模拟器，又称为汽车模拟驾驶仿真系统，是一种能正确模拟汽车驾驶动作，获得实车驾驶感觉的仿真设备。它集合了虚拟现实技术、机械传动技术、计算机图形学、三维实时渲染技术、计算机接口技术和数据通信技术等先进技术，能根据驾驶者输入的加速、刹车或转向等信号按数学方法计算出车辆的预期行为，并通过视频和音频设备反馈给驾驶者。借助于驾驶模拟器，能对汽车-驾驶员-道路(环境)相互作用关系进行研究，也能对驾驶人员进行训练。由于具有安全性高、再现性好、可开发性强和成本低等显著特点，近年来，研究开发型驾驶模拟器已成为国际上的一个重要发展方向。
拖拉机作为农业机械中重要的一类，对于农业产业的发展起着关键性的作用。近年来，拖拉机的大量投入使用，对减轻农民负担、促进我国农村经济发展起到了巨大的推动作用。政府补贴的力度加大，使得更多农户购买并驾驶拖拉机，从农业部的统计数据来看，2006年全国拖拉机拥有量达到了1728.34万台，已经达到较高的农机化程度。农村物质文化水平不断提高，驾驶人员对驾驶室提出了越来越高的要求，已不满足于在驾驶室里只是完成操纵动作，而且还要求在驾驶过程中，能够减轻疲劳，舒适方便，进而提高作业效率，保证驾驶员的身体安全和健康。拖拉机作业环境恶劣，连续高负荷工作时间长、行走速度慢、环境温度高、灰尘多、噪声大、驾驶员工作单调乏味，而且企业设计水平不足，过多控制成本，使得一些意外事故和驾驶员职业病频繁发生。这些事故的原因主要是主观性违法违章，也有一部原因是驾驶室的设计不合理，导致驾驶员误操作或者不能及时制止事故发生。研究开发农业装备驾驶室虚拟人机工程学设计与评价系统，可以使农业装备生产企业设计人员方便地对农业装备驾驶室的人机界面进行设计与评价，以改善产品性能，缩短产品生产周期，降低生产成本，具有较好的经济效益。拖拉机驾驶操纵试验台作为农业装备驾驶室虚拟人机工程学设计与评价系统的一部分，是重要的交互试验平台。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够真实再现拖拉机驾驶作业的拖拉机驾驶操纵试验台。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种拖拉机驾驶操纵试验台，其特征在于：它包括一拖拉机驾驶室、一信号采集单元、一信号处理单元和一虚拟现实系统；所述拖拉机驾驶室包括若干驾驶室元部件、若干传感器和一底座；所述驾驶室元部件包括驾驶座、动力输出操纵手柄、驻车制动操纵手柄，四轮驱动操纵手柄、离合踏板、梭式换挡手柄、熄火拉线、方向盘、点火开关、手油门、制动踏板、油门踏板、差速锁踏板、副变速杆、主变速杆、副离合操纵手柄、提升操纵手柄和多路阀操纵手柄，各所述驾驶室元部件根据拖拉机驾驶室人机界面中各个操纵元件的布置装配在所述底板上；各所述驾驶室元部件上均安装有所述传感器，各所述传感器依次连接所述信号采集单元、信号处理单元和虚拟现实系统；所述虚拟现实系统中设置有虚拟拖拉机模型和虚拟场景模型；所述信号采集单元采集各所述驾驶室元部件上的传感器信号，并通过串口输出到所述信号处理单元，所述信号处理单元将标定处理后的所述传感器信号传给所述虚拟现实系统，从而驱动所述虚拟拖拉机模型同步运动。
各所述驾驶室元部件根据拖拉机驾驶室人机界面中各个操纵元件输出的信号类型选定合适的传感器：所述动力输出操纵手柄、驻车制动操纵手柄、四轮驱动操纵手柄、梭式换挡手柄、熄火拉线、点火开关、离合踏板、差速锁踏板、副变速杆、主变速杆、副离合操纵手柄、提升操纵手柄和多路阀操纵手柄采用微动开关来输出它们的操作信号；所述制动踏板、脚油门和手油门采用多圈电位器来输出它们的操作信号；所述转向盘采用光电编码器来输出它的操作信号，所述光电编码器有360个栅格，每旋转一个角度输出一个脉冲；所有所述传感器均采用5V电源供电，各个所述传感器为并联电路。
在连接所述差速锁踏板的输出轴上设置一段凹槽，所述输出轴穿过与所述底板连接的套筒，所述套筒上设置有一个孔，所述孔中放入一个限位钢球，所述限位钢球有一半在所述凹槽中，一半在所述孔中，所述限位钢球外有压紧弹簧和螺栓；所述输出轴和套筒上分别固定有一支撑板，两所述支撑板之间设置有一拉紧弹簧。
在连接所述四轮驱动操纵手柄的输出轴上设置一段凹槽，所述输出轴穿过与所述底板连接的套筒，所述套筒上设置有一个孔，所述孔中放入一个限位钢球，所述限位钢球有一半在所述凹槽中，一半在所述孔中，所述限位钢球外有压紧弹簧和螺栓。
采用联轴器对所述光电编码器与所述转向盘进行连接。
采用主副换挡工字板来规范所述副变速杆和主变速杆的行程，所述主副换挡工字板为一块开设有两个工字槽的金属板，每个所述工字槽包含四个档位；同时，在所述副变速杆和主变速杆底部拉有弹簧。
所述虚拟拖拉机模型为首先利用Unigraphics NX软件按照实际拖粒机尺寸进行精确建模，通过第三方软件转化为能够应用到所述虚拟现实系统进行实时操作仿真的虚拟模型；然后用虚拟现实建模软件MultiGen Creator对所述虚拟模型进行层级结构划分、添加dof节点和运动特性；最后在Vega Prime API中用相应函数对dof节点的运动方向和速度进行控制。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在已有某型号拖拉机驾驶室内部各元部件的基础上，将各驾驶室元部件进行装配设计，组装成一套拖拉机驾驶室人机交互界面，并通过传感器将该驾驶室与虚拟现实系统建立关联，在虚拟现实系统中实现拖拉机驾驶员的实际操作过程，该试验台能够模拟真实的拖拉机驾驶室人机界面，获取操纵者的操纵行为，从而可以使农业装备生产企业设计人员方便地对拖拉机驾驶室的人机界面进行设计与评价，以改善产品性能，缩短产品生产周期，降低生产成本，具有较好的经济效益。2、本发明采用主副换挡工字板来规范主变速杆和副变速杆的行程，主副换挡工字板为一块开设有两个工字槽的金属板，每个工字槽包含四个档位，这样，主变速杆和副变速杆的各有四个档位，组合使用便实现了拖拉机的16档模拟，再加上前进后退换挡手柄，使得拖拉机的全部32个档位均能实现。3、本发明应用Visual C++.net结合Vega Prime软件开发的虚拟现实系统，可以随时更换场景模型，便于不同试验要求的更改。4、本发明的精度和灵敏度较高，能够真实再现拖拉机的驾驶作业，进而开展相关人机工程学试验，填补了国内本领域研究中的一项空白。
附图说明
图1是本发明的总体结构框图
图2是本发明拖拉机驾驶室的硬件布置图
图3是本发明差速锁踏板的安装示意图
图4是本发明四轮驱动操纵手柄的安装示意图
图5是本发明转向盘的安装示意图
图6是本发明主副换挡工字板的结构示意图
图7是本发明控制虚拟拖拉机模型实时运动的流程示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括一拖拉机驾驶室1、一信号采集单元2、一信号处理单元3和一虚拟现实系统4。拖拉机驾驶室1包括若干驾驶室元部件5、若干传感器6和一底座7，各驾驶室元部件5装配在底座7上，且各驾驶室元部件5上均安装有传感器6。各传感器6依次连接信号采集单元2、信号处理单元3和虚拟现实系统4。虚拟现实系统4中设置有虚拟拖拉机模型8和虚拟场景模型9，各驾驶室元部件5通过传感器6驱动虚拟现实系统4中的虚拟拖拉机模型8同步运动，从而在虚拟现实系统4中实现拖拉机驾驶员的实际操作过程。
下面详细说明本发明的具体设计过程：
1)本发明的硬件安装设计
①拖拉机驾驶室1的硬件总体设计
拖拉机驾驶室1由角钢和铁板采用焊接以及螺栓固定等方法连接而成。为了便于以后驾驶室改造以及升级，所有部件均做成可拆卸结构，所采用的螺栓等均符合国家标准。底座7的骨架采用角钢焊接而成，长宽高为150mm×90mm×20mm，并在支撑面焊接承重梁，且底座7下部装有可锁地轮。支撑面覆盖5mm厚钢板，钢板表面覆有地胶。
如图2所示，驾驶室元部件5包括驾驶座10、动力输出操纵手柄11、驻车制动操纵手柄12、四轮驱动操纵手柄13、离合踏板14、梭式换挡手柄15、熄火拉线16、转向盘17、点火开关18、手油门19、制动踏板20、油门踏板21、差速锁踏板22、副变速杆23、主变速杆24、副离合操纵手柄25、提升操纵手柄26和多路阀操纵手柄27。各驾驶室元部件5根据某型号拖拉机驾驶室人机界面中各个操纵元件的布置固定在底板7上，并运用人机工程学的知识进行改进。同时，各驾驶室元部件5根据各个操纵元件输出的信号类型选定合适的传感器6：动力输出操纵手柄11、驻车制动操纵手柄12、四轮驱动操纵手柄13、离合踏板14、梭式换挡手柄15、熄火拉线16、点火开关18、差速锁踏板22、副变速杆23、主变速杆24、副离合操纵手柄25、提升操纵手柄26和多路阀操纵手柄27等在使用时最终都停在某一两个固定的位置，其输出的是点信号，因此采用微动开关28来输出它们的操作信号；而转向盘17、手油门19、制动踏板20和油门踏板21等输出的是连续变化的量，其中手油门19、制动踏板20和油门踏板21采用多圈电位器29来输出它们的操作信号；由于转向盘17输出的信号要求精度比较高，转向盘17所选用的传感器6采用精度较高的光电编码器30，光电编码器30有360个栅格，每旋转一个角度输出一个脉冲。所有传感器6均采用5V电源供电，且各个传感器6为并联电路。
②差速锁踏板22的安装及限位
由于差速锁踏板22工作在两个位置，原始位置和工作位置(差速位置)，因此踩下差速锁踏板22之后松开脚，它自己能够回到原来的位置，故采用下面的技术方案来实现：
如图3所示，在连接差速锁踏板22的输出轴31上加工出一段凹槽，输出轴32穿过与底板7连接的套筒32，套筒32上加工出一个孔，孔中放入一个限位钢球33，限位钢球33有一半在凹槽中，一半在孔中，限位钢球33外有压紧弹簧34和螺栓35，防止限位钢球33从凹槽中脱出。输出轴31和套筒32上分别固定有一支撑板36，两支撑板36之间设置有一拉紧弹簧37。工作时，限位钢球33只能在凹槽中移动，这样就限制了差速锁踏板22的移动范围，起到限位作用。当踩下差速锁踏板22时，拉紧弹簧37被拉长；当松开差速锁踏板22时，在拉紧弹簧37的作用下，差速锁踏板22又回到原来的位置。
③四轮驱动操纵手柄13的安装及限位
由于四轮驱动操纵手柄13工作在两个位置，四轮驱动位置和非四轮驱动位置，两个位置都是固定的，故通过下面的技术方案来实现：
如图4所示，在连接四轮驱动操纵手柄13的输出轴38上加工出一段凹槽，输出轴38穿过与底板7连接的套筒39，套筒39上加工出一个孔，孔中放入一个限位钢球40，限位钢球40有一半在凹槽中，一半在孔中，限位钢球40外有压紧弹簧41和螺栓42，防止限位钢球40从凹槽中脱出。工作时，限位钢球40只能在凹槽中移动，这样就限制了四轮驱动操纵手柄13的移动范围，起到限位作用。
④转向盘17操作信号的输出
转向盘17采用光电编码器30来输出其操作信号，光电编码器30的轴需要与转向盘17的传动轴同轴连接以正确采集信号，为了保持同轴度，故采用联轴器43对光电编码器30与转向盘输出轴44进行连接(如图5所示)。
⑤换挡位置的固定
在拖拉机上，换挡手柄连接的是变速器，通过变速器中的锁紧装置使变速杆固定在档位上，由于本发明并没有变速器，因此需要有固定副变速杆23和主变速杆24的装置。如图6所示，本发明采用主副换挡工字板45来规范副变速杆23和主变速杆24的行程，主副换挡工字板45为一块开设有两个工字槽46的金属板，每个工字槽46包含四个档位。同时，在副变速杆23和主变速杆24的底部拉有弹簧，使得换挡操作具有力感，并实现了自动回位。这样，副变速杆23和主变速杆24的各有四个档位，组合使用便实现了拖拉机的16档模拟，再加上前进后退换挡手柄，使得拖拉机的全部32个档位均能实现。
2)本发明的信号采集
硬件设计完成后，需要由信号采集单元2采集各驾驶室元部件5上的传感器信号，并通过串口输出到信号处理单元3，信号处理单元3将标定处理后的传感器信号传给虚拟现实系统4，从而实现各驾驶室元部件5对模拟拖拉机模型的实时运动控制。信号采集单元2的设计过程如下：
试验台电路板共计有27个信号输出口，其中24个开关信号和3个模拟信号。将全部信号储存在10个字节中(16进制)，其中转向盘17的模拟信号占用两个字节，数据为±32768，精度1度；制动和油门标定在上位机；24个开关信号共分配在4个字节中，按传感器规定的顺序进行连接和定义(见表1)。
表1传感器顺序定义
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 88 | 转向盘高8位 | 高8位 | 制动 | 油门 | 99 | 数字24-31 | 16-22 | 8-15 | 0-7 |
将电路板信号以9600bps的传输速度输出，通过R232串口接入信号处理单元3。
3)拖拉机驾驶室1对虚拟拖拉机模型8的运动控制
虚拟拖拉机模型8是本发明的重要组成部分，该模型以某型号拖拉机为例，利用Unigraphics NX软件按照实际拖拉机尺寸进行精确建模，通过第三方软件转化为能够应用到虚拟现实系统4进行实时操作仿真的虚拟模型。
在Vega Prime虚拟现实软件中，一个可控制的dof(degree of freedom自由度)节点，代表了一个vpPart。因此，要实现对各驾驶室元部件5的运动控制，先用虚拟现实建模软件MultiGen Creator对虚拟模型进行层级结构划分、添加dof节点和运动特性；并在Vega Prime API中用相应函数对dof节点的运动方向和速度进行控制。下面以拖拉机驾驶操纵试验台控制转向盘17的运动为例，详细说明本发明的主要流程(如图7所示)：
//判断输入设备类型
if(m_nRealTestInputType＝＝1)//判断输入设备是否为拖拉机驾驶操纵试验台
m_strcDriveTracData＝g_strcDriveTracData；//传递信号数据
//读取拖拉机驾驶操纵试验台传感器信号，并进行标定
x＝(BYTE)(Read_lpBuffer[In88+2])；//从相应地址内读取转向盘传感器的信号
dFangxiang＝360*x/240；//将单位转化为度
if(dFangxiang＞648)dFangxiang＝648；
else if(dFangxiang＜-648)dFangxiang＝-648；//将传感器信号限定在±648内
dFangxiang＝450*360*dFangxiang/240/648；//转换后转向盘范围±450°
g_strcDriveTracData.m_Fangxiang＝dFangxiang；
//找到转向盘节点
vpObject*m_tractor；//定义拖拉机obj
m_tractor＝vpObject::find(″myObject_Tractor″)；//找到拖拉机模型
vsDOF*m_SteerDof； //定义转向盘dof
vsNode*myNode； //定义节点
myNode＝m_tractor-＞find_named(″steer″)；//在拖拉机模型中找到名为“steer”的节点
if(myNode&&myNode-＞isOfClassType(vsDOF::getStaticClassType()))
m_SteerDof＝(vsDOF*)myNode；//将node节点转化为vsDOF类
//给转向盘模型的dof添加运动控制
m_dSteeringAng＝-tractordata.m_Fangxiang；//转向盘模型转角赋值
m_SteerDof-＞setRotateH(m_dSteeringAng，false)；//控制转向盘模型dof绕Z轴转动
在虚拟现实系统4中设计拖拉机作业场景，选取不同百分位拖拉机驾驶员在驾驶试验台上进行驾驶操纵，在某一作业过程中利用其他辅助测试仪器监测驾驶员的生理、心理和行为等特征，进行人机工程学分析，用于改进驾驶室的设计。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (6)
1.一种拖拉机驾驶操纵试验台，其特征在于：它包括一拖拉机驾驶室、一信号采集单元、一信号处理单元和一虚拟现实系统；所述拖拉机驾驶室包括若干驾驶室元部件、若干传感器和一底板；所述驾驶室元部件包括驾驶座、动力输出操纵手柄、驻车制动操纵手柄，四轮驱动操纵手柄、离合踏板、梭式换挡手柄、熄火拉线、方向盘、点火开关、手油门、制动踏板、油门踏板、差速锁踏板、副变速杆、主变速杆、副离合操纵手柄、提升操纵手柄和多路阀操纵手柄，各所述驾驶室元部件根据拖拉机驾驶室人机界面中各个操纵元件的布置装配在所述底板上；在连接所述差速锁踏板的第一输出轴上设置一段第一凹槽，所述第一输出轴穿过与所述底板连接的第一套筒，所述第一套筒上设置有一个第一孔，所述第一孔中放入一个第一限位钢球，所述第一限位钢球有一半在所述第一凹槽中，一半在所述第一孔中，所述第一限位钢球外有压紧弹簧和螺栓；所述第一输出轴和第一套筒上分别固定有一支撑板，两所述支撑板之间设置有一拉紧弹簧；在连接所述四轮驱动操纵手柄的第二输出轴上设置一段第二凹槽，所述第二输出轴穿过与所述底板连接的第二套筒，所述第二套筒上设置有一个第二孔，所述第二孔中放入一个第二限位钢球，所述第二限位钢球有一半在所述第二凹槽中，一半在所述第二孔中，所述第二限位钢球外有压紧弹簧和螺栓；各所述驾驶室元部件上均安装有所述传感器，各所述传感器依次连接所述信号采集单元、信号处理单元和虚拟现实系统；所述虚拟现实系统中设置有虚拟拖拉机模型和虚拟场景模型；所述信号采集单元采集各所述驾驶室元部件上的传感器信号，并通过串口输出到所述信号处理单元，所述信号处理单元将标定处理后的所述传感器信号传给所述虚拟现实系统，从而驱动所述虚拟拖拉机模型同步运动。
2.如权利要求1所述的一种拖拉机驾驶操纵试验台，其特征在于：各所述驾驶室元部件根据拖拉机驾驶室人机界面中各个操纵元件输出的信号类型选定合适的传感器：所述动力输出操纵手柄、驻车制动操纵手柄、四轮驱动操纵手柄、梭式换挡手柄、熄火拉线、点火开关、离合踏板、差速锁踏板、副变速杆、主变速杆、副离合操纵手柄、提升操纵手柄和多路阀操纵手柄采用微动开关来输出它们的操作信号；所述制动踏板、油门踏板和手油门采用多圈电位器来输出它们的操作信号；所述方向盘采用光电编码器来输出它的操作信号，所述光电编码器有360个栅格，每旋转一个角度输出一个脉冲；所有所述传感器均采用5V电源供电，各个所述传感器为并联电路。
3.如权利要求2所述的一种拖拉机驾驶操纵试验台，其特征在于：采用联轴器对所述光电编码器与所述方向盘进行连接。
4.如权利要求1或2或3所述的一种拖拉机驾驶操纵试验台，其特征在于：采用主副换挡工字板来规范所述副变速杆和主变速杆的行程，所述主副换挡工字板为一块开设有两个工字槽的金属板，每个所述工字槽包含四个档位；同时，在所述副变速杆和主变速杆底部拉有弹簧。
5.如权利要求1或2或3所述的一种拖拉机驾驶操纵试验台，其特征在于：所述虚拟拖拉机模型为首先利用Unigraphics NX软件按照实际拖拉机尺寸进行精确建模，通过第三方软件转化为能够应用到所述虚拟现实系统进行实时操作仿真的虚拟模型；然后用虚拟现实建模软件MultiGen Creator对所述虚拟模型进行层级结构划分、添加dof节点和运动特性；最后在Vega Prime API中用相应函数对dof节点的运动方向和速度进行控制。
6.如权利要求4所述的一种拖拉机驾驶操纵试验台，其特征在于：所述虚拟拖拉机模型为首先利用Unigraphics NX软件按照实际拖拉机尺寸进行精确建模，通过第三方软件转化为能够应用到所述虚拟现实系统进行实时操作仿真的虚拟模型；然后用虚拟现实建模软件MultiGen Creator对所述虚拟模型进行层级结构划分、添加dof节点和运动特性；最后在Vega Prime API中用相应函数对dof节点的运动方向和速度进行控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20111005 Termination date: 20130611 |