CN109686165A - 一种多运动平台的列车轻量化模拟系统及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多运动平台的列车轻量化模拟系统及其构建方法，驾驶模拟平台和舒适度模拟平台均包括固定有座位的振动台和VR设备；振动台分别连接对应的电脑主机，每台电脑主机与各VR头盔显示器连接通过三维场景可视化处理器同步显示对应的三维场景，接收来自操作手柄的操作信息，并发送给运动学仿真处理模块；运动学仿真处理模块根据操作手柄的操作信息产生相应的振动信息，振动台控制模块根据振动信息后控制对应的振动台步产生相应的振动；图像处理模块根据将振动后的图像信息同步反馈到相应的VR头盔显示器，生物测量设备实时监测受试乘客生理信息来反映乘客的乘坐舒适度。本发明具有体积小、质量轻，沉浸感高、临场感高等特点。

Description

一种多运动平台的列车轻量化模拟系统及其构建方法

技术领域

本发明涉及列车模拟技术领域，具体为一种多运动平台的列车轻量化模拟系统及其构建方法。

背景技术

目前市面上存在的列车模拟器，多采用大型单个六自由度运动平台，并在上面放置物理驾驶室，在驾驶室内装备2D显示投影仪和屏幕用于模拟列车运行司机室所见视景。这类模拟器的主要用途为火车司乘人员培训和驾驶体验。该类驾驶模拟器造价高，体积大，无法搬运，沉浸感和临场感不足。更为重要的是，此类模拟器从物理结构上只能用于单独的驾驶仿真或乘坐体验，无法同时模拟列车驾驶和乘坐体验。

随着高铁的大量普及，人们越来越关注乘坐的舒适度。已经不能满足目前我国高速铁路快速发展的需求。因此，研究一种造价便宜，轻量化，高沉浸感的列车模拟器具有积极意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够大规模培训高铁驾驶员和实验室大规模进行旅客列车综合舒适度验证和评价，且轻量化，高沉浸感，高临场感的多运动平台的列车轻量化模拟系统及其构建方法。技术方案如下：

一种多运动平台的列车轻量化模拟系统，包括驾驶模拟平台、舒适度模拟平台、运动学仿真处理模块和显示终端；

所述驾驶模拟平台包括固定有驾驶座位的车头振动台、以及供驾驶员驾驶操作的操作手柄和VR头盔，所述舒适度模拟平台包括固定有多个乘客座位的车厢振动台，以及供每位受试乘客使用的VR头盔和生物测量仪；

所述车头振动台和车厢振动台分别连接一台对应的电脑主机，每台电脑主机与显示终端连接，并与各VR头盔显示器连接通过三维场景可视化处理器同步实时显示对应的三维场景；

各台电脑主机通过局域网同步，且电脑主机内设有信息接收模块、图像处理模块和振动台控制模块；

信息接收模块接收来自驾驶模拟平台的操作手柄的操作信息，并发送给运动学仿真处理模块；

运动学仿真处理模块产生相应的振动信息，并将振动信息发送给振动台控制模块和图像处理模块；

振动台控制模块收到振动信息后控制对应的车头振动台和车厢振动台同步产生相应的振动；

图像处理模块收到振动信息后生成振动后的图像信息，并将其同步反馈到相应的VR头盔显示器和显示终端；

生物测量设备实时监测受试乘客生理信息来反映乘客的乘坐舒适度。

进一步的，所述车厢振动台数量根据需要模拟的车厢数量来确定。

更进一步的，所述三维场景包括根据实际场景模拟出的包含图像、光照、振动和环境信息的列车驾驶室内部、列车运行场景及列车乘客车厢内部的虚拟场景。

更进一步的，所述车头振动台和车厢振动台为六自由度运动平台。

一种多运动平台的列车轻量化模拟系统的构建方法，包括：

A：场景建模：

A1：列车驾驶室建模：利用三维建模软件，根据列车驾驶室内部场景，对列车内部的组成部分进行三维建模，包括开关、按钮、操纵杆、显示屏、以及各种操作手柄的建模

A2：列车运行场景建模：采集需要试验的列车运行线路的参数和沿线环境，根据其线路场景参数建立和配置不同的列车运行场景；

A3：列车乘客车厢内部环境建模：通过照片拍摄，进行数字化及图像拼接生成车厢内部场景，来完成车厢内部环境建模；并将列车运行时收集的光照、噪声及振动数据，导入到场景中；

B：场景三维可视化渲染：利用三维可视化引擎实时渲染铁路，列车，建筑物，铁路周边环境，天气特效以及列车内部环境，建立与真实驾驶室操作环境、列车运行环境、客车内部环境一致的三维虚拟环境；

C：VR可视化引擎视景仿真：将构建的三维模型导入VR可视化引擎进行仿真，制作虚拟场景；

D：配置VR操作环境：

D1：规划选择实验区：将车头振动台和每个车厢振动台依次放置，将座椅固定于各振动台上，将两台主机分别与显示终端，及各自的振动台和VR显示屏连接；

D2：安装定位装置：放置VR设备的定位装置以定位操作手柄和VR头盔；

D3：初始化VR头盔和操作手柄，并将VR头盔和操作手柄配对。

本发明的有益效果是：本发明可以同时进行驾驶室和乘客车厢的模拟仿真，可大幅降低列车驾驶模拟和综合舒适度试验成本，使铁路局进行大规模培训高铁驾驶员和实验室大规模进行旅客列车综合舒适度验证和评价成为可能，且具有体积小、质量轻，沉浸感高、临场感高等特点。

附图说明

图1为本发明多运动平台的列车轻量化模拟系统构建方法流程图。

图2为本发明多运动平台的列车轻量化模拟系统构中振动台配置示意图。

图3为本发明多运动平台的列车轻量化模拟系统构驾驶模拟仿真反馈流程图。

图4为本发明多运动平台的列车轻量化模拟系统构舒适度仿真流程图。

图5为本发明多运动平台的列车轻量化模拟系统振动台同步原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明的多运动平台的列车轻量化模拟系统，包括驾驶模拟平台、舒适度模拟平台、运动学仿真处理模块和显示终端；所述驾驶模拟平台包括固定有驾驶座位的车头振动台、以及供驾驶员驾驶操作的操作手柄和VR头盔，所述舒适度模拟平台包括固定有多个乘客座位的车厢振动台，以及供每位受试乘客使用的VR头盔和生物测量仪。其中，车厢振动台数量根据需要模拟的车厢数量来确定。本实施例的车头振动台和车厢振动台为六自由度运动平台。

所述车头振动台和车厢振动台分别连接一台对应的电脑主机，每台电脑主机与显示终端连接，并与各VR头盔显示器连接通过三维场景可视化处理器同步实时显示对应的三维场景；其中，三维场景包括根据实际场景模拟出的包含图像、光照、振动和环境信息的列车驾驶室内部、列车运行场景及列车乘客车厢内部的虚拟场景。

各台电脑主机通过局域网同步，且电脑主机内设有信息接收模块、图像处理模块和振动台控制模块。信息接收模块接收来自驾驶模拟平台的操作手柄的操作信息，并发送给运动学仿真处理模块；运动学仿真处理模块产生相应的振动信息，并将振动信息发送给振动台控制模块和图像处理模块；振动台控制模块收到振动信息后控制对应的车头振动台和车厢振动台同步产生相应的振动；图像处理模块收到振动信息后生成振动后的图像信息，并将其同步反馈到相应的VR头盔显示器和显示终端；生物测量仪实时监测受试乘客生理信息来反映乘客的乘坐舒适度。

如图1所示，系统的构建方法如下：

1）场景建模：

①列车驾驶室建模：利用三维建模软件，根据列车驾驶室内部场景，对列车内部的组成部分进行三维建模；建模主要完成列车主操纵台的建模，包括开关、按钮、操纵杆、显示屏、以及各种操作手柄。

②列车运行场景建模：采集需要试验的列车所运行线路的参数和沿线环境，根据其线路场景参数建立和配置不同的列车运行场景；

③列车乘客车厢内部环境建模：利用室内全景技术完成车内环境建模。室内全景技术利用实景照片建立虚拟环境，按照照片拍摄→数字化→图像拼接→生成场景的模式来完成车厢内部环境建模。将在列车运行时收集的列车数据，如光照、噪声、振动等数据导入场景，利用三维可视化引擎实时渲染，建立与客车内部环境完全一致的三维虚拟场景，以提高沉浸感和临场感。

2）场景三维可视化渲染：研究利用三维可视化引擎实时渲染铁路，列车，建筑物，铁路周边环境，渲染雨、雪等天气特效以及列车内部环境，建立与真实驾驶室操作环境、列车运行环境、客车内部环境完全一致的三维虚拟环境。

3）VR可视化引擎视景仿真：将制作的三维模型导入VR可视化引擎进行仿真，制作虚拟场景。

4）配置VR操作环境

①规划选择实验区：将运动平台顺序放置，依次是驾驶模拟场景运动平台，舒适度仿真运动平台，如图2振动台配置示意图所示。将座椅固定在振动台上，驾驶模拟场景运动平台上固定一张座椅，舒适度仿真模拟运动平台上固定2~3张座椅。将两台主机放在合适的位置，并分别与各自的运动平台和显示屏相连。

本实施例中，驾驶模拟平台利用固定装置将六自由度运动平台牢牢固定在地面上，使其不会产生额外的晃动和振动。将座椅固定在运动平台中间靠前位置，模拟列车驾驶位，使其可以随着运动平台的振动产生相应的振动，在座椅周边做相应的防护措施，以保证驾驶人的安全。将电脑放置在合适的位置，与六自由度运动平台连接起来。

舒适度模拟平台与驾驶模拟平台一样也由六自由度运动平台，图像处理器，三维场景可视化处理器，机构运动学仿真处理器，显示设备以及VR设备组成。不同之处在于，运动平台上安装更多的座椅以进行列车不同位置的舒适度评估。如果需要进行地铁列车舒适度的仿真，则需要在振动平台上搭建扶手架，安装吊环，以进行站立舒适度的评估。

座椅的安装方式和需要进行舒适度评估的客车车厢的座椅排列方式一样，以达到更加真实的仿真效果。如果为动车则在两侧安装并列的横向座椅，如果为地铁列车则在两侧放置纵向的连排座椅，并且在运动平台上纵向安装四根立柱，分别位于运动平台两侧，纵向对齐安装，然后在上面纵向搭建两根钢管，固定好以后在上面安装吊环，以进行地铁列车站立舒适度的仿真。

按照模拟列车的车厢数量准备相应数量的运动平台，头车的运动平台比其他乘客车厢的运动平台小一些，因为上面只需固定一把模拟驾驶位的座椅。

将所有的运动平台依图2方式排列，依次为头车驾驶模拟平台和车厢舒适度仿真平台。每一个平台对应相应的电脑主机和显示器，每一个运动平台与其对应的电脑主机相连，电脑主机与显示设备相连，与显VR头盔同步实时显示三维场景。

②安装定位装置：将VR设备的定位装置放置在合适的位置，以方便定位VR手柄和头盔；

③头盔初始化：打开VR环境配置软件，将头盔初始化；

④操作手柄初始化：将头盔初始化后，再将操作手柄初始化。并将手柄和头戴式设备配对。

如图5所示，利用局域网技术将所有电脑主机同步，以使他们控制的运动平台同步，实现不同运动平台完成同一时刻同一列车不同车厢的舒适度仿真同步。

运动学仿真处理器接收来自驾驶模拟模块的操作信息，调用已有的关于列车振动的算法和路线数据库，产生相应的振动信息，通过局域网反馈到振动台控制模块。图像处理模块在接收到振动信息后，通过处理器计算，生成振动后的图像信息，并将其同步反馈到相应的头盔显示器和显示终端。

完成视景仿真和操作环境配置以后就可以进行相应的驾驶模拟和舒适度仿真。

司机乘坐在驾驶位，佩戴好VR头盔，手持操作手柄。受试乘客佩戴智能腕表、心率血压等生物测量设备实时监测乘客的生理信息。受试旅客佩戴好VR设备后乘坐在固定好的座椅上，或站立在运动平台上以进行舒适度仿真。

在电脑上打开操作界面，司机可以根据从头盔显示设备看到的界面，按指示操作，启动动车组，操作手柄，驾驶列车。当司机通过操作手柄驾驶列车时，操作手柄的操作将会通过无线设备发送到电脑主机的信息接收模块，信息接收模块接收到这些信息后，由运动学仿真处理模块处理以后反馈到六自由度运动平台，六自由度运动平台接收运动信息后将产生相应的振动，固定在运动平台的司机也感受到相应的振动。

当驾驶模拟开始后，同步开始舒适度仿真，VR头盔显示车厢实时场景，旅客仿佛置身真实的车厢环境中，享受真实的乘车体验。根据上面提到的生物测量设备来反映乘客对列车噪声、环境、光照、振动等的感受，以此来反映乘客的乘坐舒适度。根据测量数据可以进行舒适度的评估，从而改良舒适度。

Claims (5)

1.一种多运动平台的列车轻量化模拟系统，其特征在于，包括驾驶模拟平台、舒适度模拟平台、运动学仿真处理模块和显示终端；

所述驾驶模拟平台包括固定有驾驶座位的车头振动台、以及供驾驶员驾驶操作的操作手柄和VR头盔，所述舒适度模拟平台包括固定有多个乘客座位的车厢振动台，以及供每位受试乘客使用的VR头盔和生物测量仪；

所述车头振动台和车厢振动台分别连接一台对应的电脑主机，每台电脑主机与显示终端连接，并与各VR头盔显示器连接通过三维场景可视化处理器同步实时显示对应的三维场景；

各台电脑主机通过局域网同步，且电脑主机内设有信息接收模块、图像处理模块和振动台控制模块；

信息接收模块接收来自驾驶模拟平台的操作手柄的操作信息，并发送给运动学仿真处理模块；

运动学仿真处理模块产生相应的振动信息，并将振动信息发送给振动台控制模块和图像处理模块；

振动台控制模块收到振动信息后控制对应的车头振动台和车厢振动台同步产生相应的振动；

图像处理模块收到振动信息后生成振动后的图像信息，并将其同步反馈到相应的VR头盔显示器和显示终端；

生物测量设备实时监测受试乘客生理信息来反映乘客的乘坐舒适度。

2.根据权利要求1所述的多运动平台的列车轻量化模拟系统，其特征在于，所述车厢振动台数量根据需要模拟的车厢数量来确定。

3.根据权利要求1所述的多运动平台的列车轻量化模拟系统，其特征在于，所述三维场景包括根据实际场景模拟出的包含图像、光照、振动和环境信息的列车驾驶室内部、列车运行场景及列车乘客车厢内部的虚拟场景。

4.根据权利要求1所述的多运动平台的列车轻量化模拟系统，其特征在于，所述车头振动台和车厢振动台为六自由度运动平台。

5.一种权利要求1所述的多运动平台的列车轻量化模拟系统的构建方法，其特征在于，包括：

A：场景建模：

A1：列车驾驶室建模：利用三维建模软件，根据列车驾驶室内部场景，对列车内部的组成部分进行三维建模，包括开关、按钮、操纵杆、显示屏、以及各种操作手柄的建模

A2：列车运行场景建模：采集需要试验的列车运行线路的参数和沿线环境，根据其线路场景参数建立和配置不同的列车运行场景；

A3：列车乘客车厢内部环境建模：通过照片拍摄，进行数字化及图像拼接生成车厢内部场景，来完成车厢内部环境建模；并将列车运行时收集的光照、噪声及振动数据，导入到场景中；

B：场景三维可视化渲染：利用三维可视化引擎实时渲染铁路，列车，建筑物，铁路周边环境，天气特效以及列车内部环境，建立与真实驾驶室操作环境、列车运行环境、客车内部环境一致的三维虚拟环境；

C：VR可视化引擎视景仿真：将构建的三维模型导入VR可视化引擎进行仿真，制作虚拟场景；

D：配置VR操作环境：

D1：规划选择实验区：将车头振动台和每个车厢振动台依次放置，将座椅固定于各振动台上，将两台主机分别与显示终端，及各自的振动台和VR显示屏连接；

D2：安装定位装置：放置VR设备的定位装置以定位操作手柄和VR头盔；

D3：初始化VR头盔和操作手柄，并将VR头盔和操作手柄配对。