CN105788400B - 一种特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种特种车辆人‑机‑环境综合模拟实验系统，该系统包括实验舱，控制中心，及分别与控制中心连接的六自由度运动单元、温湿度控制单元、气压调控单元、配气单元、乘员操控单元、视景单元、音响单元、舱室环境监测单元、人体工效测试单元；其中实验舱与六自由度运动单元连接，实验舱内设有乘员操控单元、视景单元及音响单元，在实验舱内的乘员近体位处设有舱室环境监测单元和人体工效测试单元；实验舱的内部空间还与温湿度控制单元、气压调控单元以及配气单元联接，使实验舱内形成一个温湿度、气压和有害气体环境的调节空间。本发明具有综合实验的能力，能够更加真实有效地进行单因素及复合因素的人‑机‑环境综合模拟实验研究。

Description

一种特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统

技术领域

本发明属于特种车辆人-机-环境系统工程领域，具体涉及一种人在回路的特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统。

背景技术

计算机及相关技术的飞速发展，使得人们利用仿真实验设施进行模拟研究所获得的收益越来越大，该研究手段已经贯穿于武器装备研究、设计、生产、实验、鉴定、操作、训练、战斗使用等各个方面。现有模拟实验系统多集中于单个因素的模拟，如驾驶训练模拟、温度环境模拟、低气压环境模拟、六自由运动环境模拟等。如装甲车辆训练模拟器，装甲车辆训练模拟器是地面训练模拟器重应用较早、具有典型意义的模拟器，以坦克训练模拟器为代表，从单科目训练、整车综合训练发展到了分布式交互仿真训练，既可以针对乘员进行单独的训练，也可以通过指挥控制台进行各个训练模块的综合训练。如俄罗斯加加林国家航天员科研训练中心有多个模拟器，包括用来练习飞行程序和全套操作系统的综合模拟设备，能够模拟全部的飞行过程，可以模拟飞船的结构及舱内系统的布局、训练航天员掌握飞行程序及舱载设备的操作，此外还有助于模拟载人飞船上货物和设备的分布情况，有助于舱内操作规程和飞行程序的制定、有助于进行航天技术试验的模拟训练以及培训飞控中心的工作人员。

在人机工效研究领域，也建立了一些模拟器进行了座舱布局的人机工效研究。如发明专利“一种座舱模拟操纵试验台人机工效测评系及测评方法”，可以对比不同座舱布局和信息显示环境下的人机工效，实现对各相关部件的人机工效检查和辅助设计功能。

特种车辆人-机-环境系统工程要求运用系统工程的理论和方法研究人-机-环境系统中人、机、环境各要素本身的性能，以及之间的相互关系、相互作用以及协调方式，寻求最优组合方案，以使系统的总体性能达到最佳状态。但现有模拟器仅从部分角度实现了系统的模拟，并不能真实反应系统的人-机-环境状态，不能满足深入研究人、机、环境三要素特征及相互作用关系的条件，无法实现特种车辆人-机-环境系统综合模拟的方案。

建立多因素的人-机-环境综合模拟实验系统，可以帮助研究人员搞清楚各影响因素对乘员工效影响的贡献率，为工程设计提供理论依据和设计参数，是提高乘载员工效，体现“以人为本”的设计思想所需。如何将这些影响因素真实模拟并可以动态改变，以提供研究平台是人-机-环境系统综合评价与舱室内部环境控制技术研究的关键。目前，实现特种车辆人-机-环境多因素综合模拟的实验系统尚未见报导。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种系统采用网络技术，构建分布式计算机仿真硬件环境，利用六自由度运动平台控制技术、环境控制技术、虚拟现实技术等可同时模拟特种车辆在各种环境条件下的外部视景、运动状态以及舱内温湿度、气压、噪声、有害气体等内部环境等的特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统，最大程度的为研究人员提供了人在回路的驾驶员-车辆-环境模拟综合体系。

本发明的技术方案是：一种特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统，该系统包括实验舱，控制中心，以及分别与控制中心连接的六自由度运动单元、温湿度控制单元、气压调控单元、配气单元、乘员操控单元、视景单元、音响单元、舱室环境监测单元、人体工效测试单元；其中实验舱与六自由度运动单元连接，实验舱内设有乘员操控单元、视景单元以及音响单元，在实验舱内的乘员近体位处设舱室环境监测单元和人体工效测试单元；实验舱的内部空间还与温湿度控制单元、气压调控单元以及配气单元联接，使实验舱内形成一个温湿度、气压和有害气体环境的调节空间。

上述六自由度运动单元其组成包括运动平台机械结构、以及与该运动平台机械结构分别连接的气源设备和控制柜；其中运动平台机械结构的上端与实验舱的下端连接，运动平台机械结构的下端固定于实验大厅的地面上；所述控制柜通过以太网与控制中心连接；所述六自由度运动单元模拟车辆在行驶过程中所产生的车体姿态变化、速度和加速度变化，其接收乘员操控单元的车辆姿态变化及速度、加速度状态信息，通过动感模型解算出每个自由度上的运动指令，接收控制达到所期望的运动姿态。

上述运动平台机械结构包括固定于实验大厅地面的呈三角形三顶点排布的三块支撑板以及固定于每两个支撑板之间的连接体，且每个支撑板分别与两个电动作动筒的下端连接，每两个支撑板之间相邻的电动作动筒的上端通过铰链支座连接；所述电动作动筒设有机械刹车、绝对位置开关和空气弹簧支撑结构；所述六自由度运动单元通过铰链支座与实验舱的底板相连。

上述实验舱配备有设于实验大厅的登车桥和缓冲舱，同时配有行吊设备。

上述温湿度控制单元包括室内机组、室外机组、加湿器、风管以及控制柜；室内机组的制冷压缩机对冷媒进行加压液化，通过铜管将冷媒输送到室外机组进行散热降温，然后再通过铜管回输到室内机组进行减压膨胀，对实验舱内空气进行循环降温；室内机组内备有电加热器，用于对舱内空气进行循环加热；风管用于连接室内机组和实验舱，加湿器与风管连接，湿空气进入风管后进入实验舱，调节舱内湿度；控制柜采用PLC控制器完成对室内机组、室外机组以及加湿器的电气控制；所述温湿度控制单元根据仿真任务的虚拟环境要求，控制实验舱内实现相应的温湿度条件，用以模拟湿热地区、寒区、常温地区以及干旱地区多种气候条件下的舱室内温湿度环境；所述温湿度控制单元可单独运行以实现对实验舱的温湿度控制，并可实现温湿度调控速率的调节；温湿度控制单元与控制中心连接，同时接收控制中心的统一控制管理。

上述气压调控单元包括两台真空泵和调控控制单元，两台真空泵组采取并联方式，为一用一备方式，并且可实现两台真空泵同时开启；两台真空泵的吸入口汇总后接入风管，经过真空泵压缩后的气体经冷却和消音后外排，其外排的排气管接总体的废气排放管，真空泵的冷却水直接接自来水，通过电动阀控制，最后的冷却水排到蓄水池；所述气压调控单元选择既能独立工作也能通过以太网接口与控制中心交互的方式，控制中心实现对气压调控单元的实时控制，同时接收气压调控单元工作状态和实时监控数据；气压调控单元模拟低压环境时，开启真空泵降低舱内压力，调控控制单元根据其自身所设的压力传感器和压差传感器的反馈情况，通过调节真空泵的工作台数及真空调节阀门进气流量实现舱内压力的控制；所述实验舱的舱体还设置有确保实验人员安全的负压安全阀。

上述配气单元包括配气控制计算机、配气数据库、配气设备；配气控制计算机通过以太网与控制中心相连，根据乘员操控动作，实时调取配气数据库的相应数据，解算成每种气体的释放量，通过RS485总线连接配气设备并将所需释放量数据下发至配气设备，控制每种气体按计算量进行释放；释放出的气体混合后通过气管输送至实验舱中，模拟出所需的作业环境。

上述乘员操控单元采用与实物比例为1：1的仿真操纵界面，包括座椅以及分别与AVR单片机电连接的模拟操纵件、模拟操作面板、模拟观瞄设备、模拟仪表板的显示设备、模拟报警任务的报警设备，其中各部分模拟仿真功能体与实车一致；最后通过AVR单片机采集操控信息发送至控制中心；所述视景单元包括视景控制计算机，显示器、模拟观瞄设备、投影机以及投影幕，其中显示器、模拟观瞄设备、投影机分别与视景控制计算机连接，视景控制计算机连接控制中心；视景单元通过控制中心调用虚拟视景场景，生成视频信号送往实验舱内，通过模拟观瞄设备显示，实现乘员所看到的视景及虚拟场景全景视景，以及模拟气象条件及白天、黄昏、夜晚的景象，使模拟试验具有高度沉浸感；所述音响单元包括音响控制计算机和音箱；音响控制计算机与控制中心连接；音响单元模拟装甲车辆在战场或训练场中的各种环境声音；所述舱室环境监测单元由数据处理计算机以及分别与数据处理计算机连接的信号传感器、信号采集器组成；舱室环境监测单元对实验舱内环境参数监测，包括对舱内O₂、CO、NO₂、SO₂、H₂S、NH₃、CO₂和VOC这8种气体以及噪声、振动、冲击、气压、温度、湿度、风速和照度进行监测、采集、存储和处理。

上述人体工效测试单元测试实验人员运动轨迹以及人体生理参数实时监测，并实时显示、存储记录；所述人体工效测试单元包括生理指标测试仪、人体表面肌电测试仪以及脑电测试仪；生理指标测试仪、人体表面肌电测试仪和脑电测试仪通过各自的采集传感器采集人体相应指标信号，通过以太网发送至控制中心；其中，生理指标测试仪采集实验人员的体温、呼吸、脉搏、心电、血压和血氧饱和度信号，人体表面肌电测试仪采集人体肌电信号，脑电测试仪采集脑电信号。

上述控制中心包括控制柜、监控台、控制计算机，用以实现对整个模拟实验系统的控制功能和管理功能；其中控制计算机设于在控制柜内，人员通过监控台对控制计算机进行操作和监控，控制计算机通过以太网实现对六自由度运动单元、温湿度控制单元、气压调控单元、配气单元、乘员操控单元、视景单元、音响单元、舱室环境监测单元以及人体工效测试单元的任务调配与管理。

本发明的有益效果：本发明在实验操作时，由控制中心进行任务设置与管理，由视景单元模拟车辆作业时的外界环境，操控系统结合路面状况和乘载员的操控动作，进行模型解算，指令六自由度运动单元产生摇摆和振动，同时通过气压、温湿度、音响、配气单元对实验舱室内空气环境进行模拟，从而为乘载员提供视、听、触、动等感官剌激，产生实车作业时的整体模拟效果，形成人在回路中的驾乘仿真。监测系统对舱室内的气体环境、照明、振动、冲击、噪声以及乘载员的操作过程和人体生理指标进行实时监测记录，采集实验数据和图像资料以供分析处理，从而完成对不同任务负荷、不同操作环境条件下操控人员作业工效研究。

本发明不仅具有一般车辆驾驶训练模拟器的功能，更重要的是还具有舱室内有害气体模拟、环境控制（温湿度、气压）、视景模拟显示、在线监测、人体生理参数测量等功能，具有综合实验的能力，能够更加真实有效地进行单因素及复合因素的人-机-环境综合模拟实验研究。

本发明首次实现了六自由度运动、温湿度、低气压、有害气体等单因素及复合因素的综合模拟，最大程度的为研究人员提供了特种车辆人-机-环境综合模拟体系，填补了特种车辆人-机-环境综合研究模拟条件的空白，可开展不同任务负荷、不同操作环境下的人-机-环境模拟实验，为特种车辆人-机-环境研究提供了新的技术手段。

本发明实验系统的建立可为多种特种车辆舱室内部环境的控制技术研究、人机界面优化设计、乘员作业工效研究和生命保障产品研制提供平台，为特种车辆的设计与改进提供技术参数，以寻求安全、高效、舒适的最佳总体方案，也可用于特种车辆车载设备的实验考核。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1是特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统组成框图；

图2是本发明实验大厅的一层布局示意图；

图3是本发明实验大厅的二层布局示意图；

图4是六自由度运动单元运动平台机械结构示意图。

附图标记说明：1、六自由度运动单元；3、温湿度控制单元；4、气压调控单元；5、配气单元；6、乘员操控单元；7、视景单元；8、音响单元；9、舱室环境监测单元；10、人体工效测试单元；1-1、运动平台机械结构；1-2、气源设备；1-3、运动单元控制柜；2-1、实验舱体；2-2、登车桥；2-3、缓冲舱；2-4、行吊设备；7-1、投影机；7-2、投影幕；11-1、电源柜；11-2、控制中心控制柜；11-3、操作台。

具体实施方式

实施例1：

本发明提供了一种特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统，该系统包括实验舱，控制中心，以及分别与控制中心连接的六自由度运动单元1、温湿度控制单元3、气压调控单元4、配气单元5、乘员操控单元6、视景单元7、音响单元8、舱室环境监测单元9、人体工效测试单元10；其中实验舱与六自由度运动单元1连接，实验舱内设有乘员操控单元6、视景单元7以及音响单元8，在实验舱内的乘员近体位处设舱室环境监测单元9和人体工效测试单元10；实验舱的内部空间还与温湿度控制单元3、气压调控单元4以及配气单元5联接，使实验舱内形成一个温湿度、气压和有害气体环境的调节空间。

本发明在实验操作时，由视景单元模拟车辆作业时的外界环境，操控系统结合路面状况和乘载员的操控动作，进行模型解算，指令运动系统产生摇摆和振动，同时通过气压、温湿度、音响、配气单元对实验舱室内空气环境进行模拟，从而为乘载员提供视、听、触、动等感官剌激，产生实车作业时的整体模拟效果，形成人在回路中的驾乘仿真。监测系统对舱室内的气体环境、照明、振动、冲击、噪声以及乘载员的操作过程和人体生理指标进行实时监测记录，采集实验数据和图像资料以供分析处理，从而完成对不同任务负荷、不同操作环境条件下操控人员作业工效研究。

本发明不仅具有一般车辆驾驶训练模拟器的功能，更重要的是还具有舱室内有害气体模拟、环境控制（温湿度、气压）、视景模拟显示、在线监测、人体生理参数测量等功能，具有综合实验的能力，能够更加真实有效地进行单因素及复合因素的人-机-环境综合模拟实验研究。

本发明首次实现了六自由度运动、温湿度、低气压、有害气体等单因素及复合因素的综合模拟，最大程度的为研究人员提供了特种车辆人-机-环境综合模拟体系，填补了特种车辆人-机-环境综合研究模拟条件的空白，可开展不同任务负荷、不同操作环境下的人-机-环境模拟实验，为特种车辆人-机-环境研究提供了新的技术手段。

实施例2：

在实施例1的基础上，所述六自由度运动单元1其组成包括运动平台机械结构1-1、以及与该运动平台机械结构分别连接的气源设备和控制柜；其中运动平台机械结构的上端与实验舱的下端连接，运动平台机械结构的下端固定于实验大厅的地面上；所述气源设备与控制柜连接，控制柜与控制中心连接；所述六自由度运动单元1用于模拟车辆在行驶过程中所产生的车体姿态变化、速度和加速度变化，六自由度运动单元接收乘员操控单元的车辆姿态变化及速度、加速度状态信息，通过动感模型解算出每个自由度上的运动指令，接收控制达到所期望的运动姿态，同时接受模拟系统主机信号，实现单独正弦、随机和冲击波形的再现，并实现不同量级的各个自由度的组合运动以及不同路面谱的模拟。

如图4所示，所述运动平台机械结构包括固定于实验大厅地面的呈三角形三顶点排布的三块支撑板以及固定于每两个支撑板之间的连接体，且每个支撑板分别与两个电动作动筒的下端连接，每两个支撑板之间相邻的电动作动筒的上端通过铰链支座连接；所述电动作动筒设有机械刹车、绝对位置开关和空气弹簧支撑结构；所述六自由度运动单元1通过铰链支座与实验舱的底板相连。

所述实验舱配备有设于实验大厅的登车桥2-2和缓冲舱2-3，同时配有行吊设备2-4。

所述温湿度控制单元3包括室内机组、室外机组、加湿器、风管以及控制柜。室内机组的制冷压缩机对冷媒进行加压液化，通过铜管将冷媒输送到室外机组进行散热降温，然后再通过铜管回输到室内机进行减压膨胀，在蒸发器内对舱内空气进行循环降温；室内机组内备有电加热器，用于对舱内空气进行循环加热。风管用于连接室内机组和实验舱，加湿器与风管连接，湿空气进入风管后进入实验舱，调节舱内湿度。控制柜采用PLC控制器完成对各部件的电气控制。温湿度控制单元3根据仿真任务的虚拟环境要求，控制实验舱内实现相应的温湿度条件，用以模拟湿热地区、寒区、常温地区以及干旱地区多种气候条件下的舱室内温湿度环境；所述温湿度控制单元3能够单独运行以实现对实验舱的温湿度控制，并能够实现温湿度调控速率的调节；温湿度控制单元3与控制中心连接，也可接收控制中心的统一控制管理。

所述气压调控单元4包括两台真空泵和调控控制单元，两台真空泵组采取并联方式，为一用一备方式，并且可实现两台真空泵同时开启；两台真空泵的吸入口汇总后接入最近的风管，经过真空泵压缩后的气体经冷却和消音后外排，该外排的排气管接总体的废气排放管，泵的冷却水直接接自来水，通过电动阀控制，最后的冷却水排到实验大厅外的蓄水池；所述气压调控单元4既能独立工作也能通过以太网接口与控制中心交互，控制中心能够实现对气压调控单元的实时控制，同时接收气压调控单元工作状态和实时监控数据；所述气压调控单元4模拟低压环境时，开启真空泵降低舱内压力，调控控制单元根据压力传感器和压差传感器反馈情况，通过调节真空泵的工作台数及真空调节阀门进气流量来实现舱内压力的控制；所述实验舱的舱体还设置有确保实验人员安全的负压安全阀。

所述配气单元5包括配气控制计算机、配气数据库、配气设备组成；其中配气设备包括特气柜、配比柜、气瓶架、配气管等。配气控制计算机通过以太网与控制中心相连，根据乘员操控动作，实时调取配气数据库的相应数据，解算成每种气体的释放量，通过RS485总线下发至配气设备，实时控制特气柜（NO₂、SO₂、NH₃和H₂S等有毒气体）和气瓶架（CO₂气体）的开关，控制每种气体按计算量进行释放；释放出的气体通过配气管输送到配比柜，在柜中将各种气体进行混合，输送至实验舱中，模拟出所需的作业环境。

所述乘员操控单元6采用与实物比例为1：1的仿真操纵界面，包括座椅以及分别与AVR单片机电连接的模拟操纵件、模拟操作面板、模拟观瞄设备、模拟仪表板的显示设备、模拟报警任务的报警设备，其中各部分模拟仿真功能体与实车一致；最后通过AVR单片机采集操控信息发送至控制中心；所述视景单元7包括视景控制计算机，显示器、模拟观瞄设备、投影机以及投影幕，其中显示器、模拟观瞄设备、投影机分别与视景控制计算机连接，视景控制计算机连接控制中心；视景单元7通过控制中心调用虚拟视景场景，生成视频信号送往实验舱内，通过模拟观瞄设备显示，实现乘员所看到的视景及虚拟场景全景视景，以及模拟气象条件及白天、黄昏、夜晚的景象，使模拟试验具有高度沉浸感；所述音响单元包括音响控制计算机和音箱；音响控制计算机与控制中心连接；音响单元8模拟装甲车辆在战场或训练场中的各种环境声音；

所述舱室环境监测单元9由数据处理计算机以及分别与数据处理计算机连接的信号传感器、信号采集器组成；舱室环境监测单元9用于实现对实验舱内环境参数的监测，包括对舱内O₂、CO、NO₂、SO₂、H₂S、NH₃、CO₂和VOC这8种气体以及噪声、振动、冲击、气压、温度、湿度、风速和照度进行监测、采集、存储和处理。

所述人体工效测试单元10测试实验人员运动轨迹以及人体生理参数实时监测，并实时显示、存储记录；所述人体工效测试单元10包括生理指标测试仪、人体表面肌电测试仪以及脑电测试仪；生理指标测试仪、人体表面肌电测试仪和脑电测试仪通过各自的采集传感器采集人体相应指标信号，通过以太网发送至控制中心；其中，生理指标测试仪采集实验人员的体温、呼吸、脉搏、心电、血压和血氧饱和度信号，人体表面肌电测试仪采集人体肌电信号，脑电测试仪采集脑电信号。

所述控制中心包括控制柜、监控台、控制计算机，用以实现对整个模拟实验系统的控制功能和管理功能；其中控制计算机设于在控制柜内，人员通过监控台对控制计算机进行操作和监控，控制计算机通过以太网实现对六自由度运动单元1、温湿度控制单元3、气压调控单元4、配气单元5、乘员操控单元6、视景单元7、音响单元8、舱室环境监测单元9以及人体工效测试单元10的任务调配与管理。

本发明实验系统的建立可为多种特种车辆舱室内部环境的控制技术研究、人机界面优化设计、乘员作业工效研究和生命保障产品研制提供平台，为特种车辆的设计与改进提供技术参数，以寻求安全、高效、舒适的最佳总体方案，也可用于特种车辆车载设备的实验考核。

以下进一步详述本发明各个单元的结构组成和功能：

1）概述

本发明提供的特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统，从系统构成、实验室布局、各系统功能设计等方面进行了总体方案设计。

2）组成

系统由六自由度运动单元1、实验舱、温湿度控制单元3、气压调控单元4、配气单元5、乘员操控单元6、视景单元7、音响单元8、舱室环境监测单元9、人体工效测试单元10和控制中心等11部分组成，组成框图见图1。

3）布局

实验大厅，是台体/舱室的工作区域，通高11.2米，实验大厅的系统设备布置分为一层和二层，一层布局主要包括：大厅中心安装六自由度运动单元的运动平台机械结构1-1,运动平台机械结构1-1与实验舱通过底板连接，实验舱内安装乘员操控单元6、视景单元7、音响单元8，在乘员近体位安装有舱室环境监测单元9、人体工效测试单元10，实验舱内形成一个温湿度、气压和有害气体环境的调节空间，布局图见图2。

实验大厅的右下角是运动平台控制室，安装有六自由度运动单元的气源设备1-2和运动单元控制柜1-3。大厅的左下角是气压调控和温湿度控制室，安装有温湿度控制单元3、气压调控单元4的主要机械结构。大厅的左下角外侧，建有独立的配气室，安装有配气单元5的主要机械机构。大厅的左上角放置了登车桥2-2和缓冲舱2-3，同时配有行吊设备2-4。大厅的右上角为宽5.7m、高4.8m的大门，为设备安装时的主要出入口。

控制中心处于气压调控和温湿度控制室上方的二层，布局示意图见图3。控制中心与实验大厅同跨度，是系统运行管理、数据监视和过程控制的地方。主要包括电源柜11-1、控制中心控制柜11-2、操控台11-3以及视景单元的投影结构，包括投影机7-1、投影幕7-2。

4）各单元功能与主要组成

（1）六自由度运动单元

六自由度运动单元用于模拟车辆在行驶过程中所产生的车体姿态变化、速度和加速度变化。六自由度运动单元接收乘员操控单元的车辆姿态变化及速度、加速度等状态信息，通过动感模型解算出每个自由度上的运动指令，接收控制达到所期望的运动姿态。同时可接受模拟系统主机信号，实现单独正弦、随机和冲击波形的再现，不同量级的各个自由度的组合运动以及不同路面谱的模拟。

六自由度运动单元主要包含运动平台机械结构、气源设备和控制柜组成。运动平台机械结构主要包含三块支撑板和之间的连接结构、6个电动作动筒和上部连接铰链支座组成。

六自由度运动单元通过三块支撑板固定在地面上，支撑板通过化学螺栓和地面的混凝土相联结；电动作动筒，含机械刹车、绝对位置开关和空气弹簧支撑结构，是六自由度运行的主要执行机构；六自由度运动单元通过上部连接铰链与实验舱的底板相连。

（2）实验舱

实验舱用于模拟乘员的作业空间，营造气压、温湿度、有害气体等模拟环境的空间，实验舱体2-1安装于六自由度运动平台上，舱体内安装乘员操控界面、音响设备和监测仪器，舱体上开设气压单元、温湿度单元配气单元的管路接口以及舱内设备与其它单元连接的线路接口。实验舱能够承受系统工作的动静载荷和温湿度和压力变化。

实验舱通过底板与六自由度运动单元的上铰链连接，实验舱由壳体和底板支撑结构组成，实验舱壳体直线段为多半圆柱形，封头采用多半标准椭圆形封头。底板是以框架结构为主要承力单元，在框架上面铺设钢板。舱壳同底板的连接形式为螺接，便于设备进出。

实验舱配套有登车桥和缓冲舱。登车桥主要为台阶式扶梯，平时放置于实验大厅的左上角，人员出入实验舱时，人工或电动方式将登车桥与实验舱对接。登车桥与实验舱之间安装机械和电子互锁装置，保证机械连接的可靠和控制逻辑的实现。缓冲舱主要为工作人员提供一种全封闭式温湿度渐变环境，从而减轻工作人员直接进入工作区系统因温湿度差别较大产生的冲击。

（3）温湿度控制单元

温湿度控制单元主要根据仿真任务的虚拟环境要求，控制实验舱内实现相应的温湿度条件，可模拟湿热地区、寒区、常温地区、干旱地区等多种气候条件下的舱室内温湿度环境，温湿度调控速率可调。温湿度控制单元可单独运行实现对实验舱的温湿度控制，也可接收控制中心的统一控制管理。

温湿度控制单元主要由室内机组、室外机组、风管、加湿器、控制柜等部分组成。室内机组包括风机、电加热器、蒸发器、压缩机等。室外机组包括冷凝器、冷凝风机、储液器等。室内机组和室外机组通过铜管连接。舱体通过风管与室内机组相连形成主循环系统，设备与管道内气体通过风机进行循环。

（4）气压调控单元

气压调控单元可模拟平原地区常压环境以及海拔5千米以内（54kPa）高原地区低气压环境，减压、复压速率可调，可保持某一压力范围的动态平衡，也可实现压力的动态变化。气压调控单元能独立工作，也能通过以太网接口与控制中心交互，控制中心可实现对气压调控单元的实时控制，同时接收气压调控单元工作状态和实时监控数据。

气压调控单元主要由两台真空泵和调控控制单元组成，两台真空泵组采用并联方式，一用一备，保证可靠性，在特殊情况下可以两台泵同时开启。两台真空泵的吸入口汇总后接入最近的风管，经过真空泵压缩后的气体经冷却和消音后直接外排，排气管接总体的废气排放管。泵的冷却水直接接自来水，通过电动阀控制，最后的冷却水排到蓄水池。

模拟低压环境时，开启真空泵降低舱内压力，调控控制单元根据压力传感器和压差传感器反馈情况，通过调节真空泵的工作台数及真空调节阀门进气流量来实现舱内压力的精确控制。舱体设置负压安全阀，以确保试验人员安全。

（5）配气单元

配气单元可对CO、NO₂、SO₂、H₂S、NH₃、CO₂和O₂共7种气体按比例进行配制，采用连续配气方式模拟车辆行驶过程中发动机尾气向车内渗漏，其中O₂单独配送。

配气单元主要由配气控制计算机、配气数据库、配气设备组成；其中配气设备包括特气柜、配比柜、气瓶架、配气管等。

配气控制计算机通过以太网与控制中心相连，根据乘员操控动作，实时调取配气数据库的相应数据，解算成每种气体的释放量，通过RS485总线下发至配气设备，实时控制特气柜（NO₂、SO₂、NH₃和H₂S等有毒气体）和气瓶架（CO₂气体）的开关，控制每种气体按计算量进行释放；释放出的气体通过配气管输送到配比柜，在柜中将各种气体进行混合，输送至实验舱中，模拟出所需的作业环境。

（6）操控系统

乘员操控单元采用与实物比例为1：1的仿真操纵界面，包括座椅以及各乘员所对应的操纵、显示、观瞄、报警设备等，按×××工程车辆舱内实际布局安装，各部分模拟仿真功能与实车基本一致，完成对某型工程车辆乘员（车长、炮长、驾驶员）进行专业技术和协同模拟训练，包括驾驶（发动、起车、换档、制动、驾驶等动作）模拟、射击（实现火控系统操作动作过程和功能）模拟、指挥（实现车长对内、对外指挥和通信等操作过程的功能模拟）合练等内容。

（7）视景单元

视景单元用于实现乘员所看到的视景及舱外全景视景，场景包括实验场、越野路、高原公路、冰雪路、沙漠和海滩地等，场景内容包括灯光、建筑物、田野、河流、道路、地形地貌等，并能模拟能见度、云、雾、雨、雪等气象条件及白天、黄昏、夜晚的景象，使模拟试验具有高度沉浸感。视景单元的工作原理为：其主要包括虚拟视景生成模块（视景控制计算机）动力学仿真模块（显示器）、投影机和投影幕。虚拟视景生成模块根据控制中心任务设置调用虚拟视景场景，生成视频信号通过一个VGA矩阵切换器分成两部分，一部分通过视频信号线送往实验舱内，通过模拟观瞄设备呈现在乘员眼前，一部分送往投影机通过投影幕显示。动力性仿真模块根据乘员的操作动作驱动动力学模型进行实力动力学解算，通过以太网发送车体的六自由度运行信息，驱动视景和六自由度运动单元运行。

（8）音响单元

模拟器音响单元主要模拟装甲车辆在战场或训练场中的各种环境声音，包括：履带车辆发动机噪声、履带着地声、调炮声、射击声、爆炸声、装弹声、机枪发射声、警报声、电台电波噪声等。音响单元的工作原理为：其主要包括声音仿真模块（音响控制计算机）和播放模块（音箱）。声音仿真模块采用OpenAL格式，与虚拟视景生成模块绑定实现声效的调用与模拟，生成的声效通过播放模块在实验舱内的乘员位播放。

（9）舱室环境监测单元

舱室环境监测单元用于实现对舱内环境参数的监测，可对舱内0₂、CO、N0₂、S0₂、H₂S、NH₃、C0₂和VOC8种气体以及噪声、振动、冲击、气压、温度、湿度、风速和照度进行监测、采集、存储和处理。

舱室环境监测单元主要由信号传感器、信号采集器和数据处理计算机组成。数据处理计算机主要包含PC104处理机和环境监测工控机。PC104处理机负责对数字量数据信号（RS485接口）的解包处理，同时采集处理中低速变化的气体、气压、温度、湿度、光照度、风速等物理模拟量信号，处理后的所有参数数据通过以太网实时发送给环境监测工控机，工控机完成各部分相应的任务，并通过以太网将数据发送给任务控制计算机，实现数据的共享。

（10）人体工效测试单元

人体工效测试单元主要用于测试实验人员生理参数的变化情况及运动轨迹，每测点包含体温、呼吸、脉搏、心电（心率）、血压、血氧饱和度、肌电图（10通道）和脑电图共8个项目，用于人体生理参数实时监测，并实时显示、存储记录；1台人体运动捕捉仪，用于对人体的体位变化、肢体运动范围及人体动作规律进行记录和分析处理。生理指标变化和运动轨迹监控图像可在控制中心显示屏实时显示。

人体工效测试单元采用生理指标测试仪采集体温、呼吸、脉搏、心电（心率）、血压和血氧饱和度信号，采用人体表面肌电测试仪采集人体肌电信号，采用脑电测试仪采集脑电信号。

（11）控制中心

控制中心是整个实验系统运行与管理的核心单元，是系统控制、检测的中心，主要控制柜、监控台和控制计算机组成，用于实现对整个系统的控制功能和管理功能。系统可对系统的运行状态和各种参数进行实时监控；能对各种异常情况声光报警，自动指示故障部位；能对突发情况进行紧急处理，对运动单元进行直接控制等。还具有开机自检、在线监测、实时显示、数据采集记录、同步显示、回放、事后综合数据处理分析、实验报告生成、数据转存等功能。

综上，本发明系统的首次实现了六自由度运动、温湿度、低气压、有害气体等单因素及复合因素的综合模拟，最大程度的为研究人员提供了特种车辆人-机-环境综合模拟体系，填补了特种车辆人-机-环境综合研究模拟条件的空白，可开展不同任务负荷、不同操作环境下的人-机-环境模拟实验，为特种车辆人-机-环境研究提供了新的技术手段。

本发明的工作原理为：本发明在实验操作时，由控制中心进行任务设置与管理，由视景单元模拟车辆作业时的外界环境，乘员操控单元结合路面状况和乘载员的操控动作，进行模型解算，指令六自由度运动单元产生摇摆和振动，同时通过气压、温湿度、音响、配气单元对实验舱室内空气环境进行模拟，从而为乘载员提供视、听、触、动等感官剌激，产生实车作业时的整体模拟效果，形成人在回路中的驾乘仿真。舱室环境监测单元、人体工效测试单元分别对舱室内的气体环境、照明、振动、冲击、噪声以及乘载员的操作过程和人体生理指标进行实时监测记录，采集实验数据和图像资料以供分析处理，从而完成对不同任务负荷、不同操作环境条件下操控人员作业工效研究。

本发明根据特种车辆人-机-环境真实状况，实现了具有高度沉浸感的特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统；该系统根据任务需要，实现特种车辆在寒区、湿热地区、高原地区、平原地区等不同环境要求的动感仿真模拟、环境模拟、人员作业模拟，在此条件下开展不同任务负荷的人机工效实验，为车辆人机界面优化设计、舱室内环境控制、乘员作业能力提升数据参数和理论依据。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统，其特征在于：该系统包括实验舱，控制中心，以及分别与控制中心连接的六自由度运动单元（1）、温湿度控制单元（3）、气压调控单元（4）、配气单元（5）、乘员操控单元（6）、视景单元（7）、音响单元（8）、舱室环境监测单元（9）、人体工效测试单元（10）；其中实验舱与六自由度运动单元（1）连接，实验舱内设有乘员操控单元（6）、视景单元（7）以及音响单元（8），在实验舱内的乘员近体位处设舱室环境监测单元（9）和人体工效测试单元（10）；实验舱的内部空间还与温湿度控制单元（3）、气压调控单元（4）以及配气单元（5）联接，使实验舱内形成一个温湿度、气压和有害气体环境的调节空间；所述温湿度控制单元（3）包括室内机组、室外机组、加湿器、风管以及控制柜；室内机组的制冷压缩机对冷媒进行加压液化，通过铜管将冷媒输送到室外机组进行散热降温，然后再通过铜管回输到室内机组进行减压膨胀，对实验舱内空气进行循环降温；室内机组内备有电加热器，用于对舱内空气进行循环加热；风管用于连接室内机组和实验舱，加湿器与风管连接，湿空气进入风管后进入实验舱，调节舱内湿度；控制柜采用PLC控制器完成对室内机组、室外机组以及加湿器的电气控制；

所述温湿度控制单元（3）根据仿真任务的虚拟环境要求，控制实验舱内实现相应的温湿度条件，用以模拟湿热地区、寒区、常温地区以及干旱地区多种气候条件下的舱室内温湿度环境；所述温湿度控制单元（3）可单独运行以实现对实验舱的温湿度控制，并可实现温湿度调控速率的调节；温湿度控制单元（3）与控制中心连接，同时接收控制中心的统一控制管理。

2.如权利要求1所述的一种特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统，其特征在于：所述六自由度运动单元（1）其组成包括运动平台机械结构（1-1）、以及与该运动平台机械结构（1-1）分别连接的气源设备和控制柜；其中运动平台机械结构（1-1）的上端与实验舱的下端连接，运动平台机械结构（1-1）的下端固定于实验大厅的地面上；所述控制柜通过以太网与控制中心连接；

所述六自由度运动单元（1）模拟车辆在行驶过程中所产生的车体姿态变化、速度和加速度变化，其接收乘员操控单元（6）的车辆姿态变化及速度、加速度状态信息，通过动感模型解算出每个自由度上的运动指令，接收控制达到所期望的运动姿态。

3.如权利要求2所述的一种特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统，其特征在于：所述运动平台机械结构（1-1）包括固定于实验大厅地面的呈三角形三顶点排布的三块支撑板以及固定于每两个支撑板之间的连接体，且每个支撑板分别与两个电动作动筒的下端连接，每两个支撑板之间相邻的电动作动筒的上端通过铰链支座连接；所述电动作动筒设有机械刹车、绝对位置开关和空气弹簧支撑结构；所述六自由度运动单元（1）通过铰链支座与实验舱的底板相连。

4.如权利要求1所述的一种特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统，其特征在于：所述实验舱配备有设于实验大厅的登车桥（2-2）和缓冲舱（2-3），同时配有行吊设备（2-4）。

5.如权利要求1所述的一种特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统，其特征在于：所述气压调控单元（4）包括两台真空泵和调控控制单元，两台真空泵组采取并联方式，为一用一备方式，并且可实现两台真空泵同时开启；两台真空泵的吸入口汇总后接入风管，经过真空泵压缩后的气体经冷却和消音后外排，其外排的排气管接总体的废气排放管，真空泵的冷却水直接接自来水，通过电动阀控制，最后的冷却水排到蓄水池；

所述气压调控单元（4）选择既能独立工作也能通过以太网接口与控制中心交互的方式，控制中心实现对气压调控单元（4）的实时控制，同时接收气压调控单元（4）工作状态和实时监控数据；气压调控单元（4）模拟低压环境时，开启真空泵降低舱内压力，调控控制单元根据其自身所设的压力传感器和压差传感器的反馈情况，通过调节真空泵的工作台数及真空调节阀门进气流量实现舱内压力的控制；所述实验舱的舱体还设置有确保实验人员安全的负压安全阀。

6.如权利要求1所述的一种特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统，其特征在于：所述配气单元（5）包括配气控制计算机、配气数据库、配气设备；配气控制计算机通过以太网与控制中心相连，根据乘员操控动作，实时调取配气数据库的相应数据，解算成每种气体的释放量，通过RS485总线连接配气设备并将所需释放量数据下发至配气设备，控制每种气体按计算量进行释放；释放出的气体混合后通过气管输送至实验舱中，模拟出所需的作业环境。

7.如权利要求1所述的一种特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统，其特征在于：所述乘员操控单元（6）采用与实物比例为1：1的仿真操纵界面，包括座椅以及分别与AVR单片机电连接的模拟操纵件、模拟操作面板、模拟观瞄设备、模拟仪表板的显示设备、模拟报警任务的报警设备，其中各部分模拟仿真功能体与实车一致；最后通过AVR单片机采集操控信息发送至控制中心；

所述视景单元（7）包括视景控制计算机，显示器、模拟观瞄设备、投影机以及投影幕，其中显示器、模拟观瞄设备、投影机分别与视景控制计算机连接，视景控制计算机连接控制中心；视景单元（7）通过控制中心调用虚拟视景场景，生成视频信号送往实验舱内，通过模拟观瞄设备显示，实现乘员所看到的视景及虚拟场景全景视景，以及模拟气象条件及白天、黄昏、夜晚的景象，使模拟试验具有高度沉浸感；

所述音响单元包括音响控制计算机和音箱；音响控制计算机与控制中心连接；音响单元（8）模拟装甲车辆在战场或训练场中的各种环境声音；

所述舱室环境监测单元（9）由数据处理计算机以及分别与数据处理计算机连接的信号传感器、信号采集器组成；舱室环境监测单元（9）对实验舱内环境参数监测，包括对舱内O₂、CO、NO₂、SO₂、H₂S、NH₃、CO₂和VOC这8种气体以及噪声、振动、冲击、气压、温度、湿度、风速和照度进行监测、采集、存储和处理。

8.如权利要求1所述的一种特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统，其特征在于：所述人体工效测试单元（10）测试实验人员运动轨迹以及人体生理参数实时监测，并实时显示、存储记录；所述人体工效测试单元（10）包括生理指标测试仪、人体表面肌电测试仪以及脑电测试仪；生理指标测试仪、人体表面肌电测试仪和脑电测试仪通过各自的采集传感器采集人体相应指标信号，通过以太网发送至控制中心；

其中，生理指标测试仪采集实验人员的体温、呼吸、脉搏、心电、血压和血氧饱和度信号，人体表面肌电测试仪采集人体肌电信号，脑电测试仪采集脑电信号。

9.如权利要求1所述的一种特种车辆人-机-环境综合模拟实验系统，其特征在于：所述控制中心包括控制柜、监控台、控制计算机，用以实现对整个模拟实验系统的控制功能和管理功能；其中控制计算机设于在控制柜内，人员通过监控台对控制计算机进行操作和监控，控制计算机通过以太网实现对六自由度运动单元（1）、温湿度控制单元（3）、气压调控单元（4）、配气单元（5）、乘员操控单元（6）、视景单元（7）、音响单元（8）、舱室环境监测单元（9）以及人体工效测试单元（10）的任务调配与管理。