CN113192382A - 一种基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真方法，包括均安装在交互框架上的输入系统、车辆动力学模型库和输出系统；输入系统包括分别与车辆动力学模型库连接的定位模块、动作识别模块；车辆动力学模型库根据所选择车型不同，加载运行相应数学模型完成汽车虚拟运动；输出系统包括虚拟视景渲染模块和虚拟驾驶舱仿真模型库；虚拟驾驶舱仿真模型库和虚拟视景渲染模块分别与车辆动力学模型库相互连接。本基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真系统及方法，不仅使驾驶员产生置身于整个实车驾驶舱内的真实体验感，驾驶沉浸感增强，而且车内环境与车外视景动态匹配感、动力学运算结果与驾驶感更一致，增强驾驶员的训练效果。

Description

一种基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真系统及方法
技术领域
本发明涉及军事训练器材领域，具体涉及一种基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真系统及方法。
背景技术
为满足军事训练需求，部队配备了各型驾驶模拟训练器材，而现有模拟训练器材大部分采用半实物仿真操作模式。此种操作模式存在沉浸感不强，驾驶、射击、车长观察视界无变化，与实车观察视界不完全一致，驾驶舱内动态感受不变，车辆动力学运算结果与驾驶感不一致等问题，造成利用模拟器训练时体验感与实车存在差距，不利于部队快速形成战斗力，使训练人员体验较差。
发明内容
本发明提供一种基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真系统及方法，不仅使驾驶员产生置身于整个实车驾驶舱内的真实体验感，驾驶沉浸感增强，而且车内环境与车外视景动态匹配感、动力学运算结果与驾驶感更一致，增强驾驶员的训练效果。
为实现上述目的，本一种基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真系统，包括均安装在交互框架上的输入系统、车辆动力学模型库和输出系统；
所述输入系统包括定位模块、动作识别模块；定位模块用于将外部设备接收到的驾驶员头部及手或脚部位置信息转换为软件能够识别的结构化数据；动作识别模块用于将外部设备采集的驾驶员手部或脚部动作信号解算为软件能够使用的动作类型；
所述定位模块、动作识别模块作为输入分别与车辆动力学模型库连接；
车辆动力学模型库根据所选择车型不同，加载运行相应数学模型完成汽车虚拟运动，并将相应汽车虚拟运动反馈至交互框架上；
所述输出系统包括虚拟视景渲染模块和虚拟驾驶舱仿真模型库；
虚拟视景渲染模块用于在虚拟驾驶舱驾驶潜望镜中显示车辆外部三维场景，所述虚拟驾驶舱仿真模型库根据所选择车型不同，在三维训练场景中加载不同驾驶舱内部数字模型；
虚拟驾驶舱仿真模型库和虚拟视景渲染模块分别与车辆动力学模型库相互连接。
进一步的，还包括通用模型库用于向软件提供地形、地物等训练用三维模型支持，通用模型库与车辆动力学模型库连接。
一种基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真方法，具体包括以下步骤：
步骤1：首先驾驶员进入交互框架的驾驶舱内进行操作，由定位模块、动作识别模块将驾驶员头部及手或脚部位置的位置、动作信息数据传入至车辆动力学模型库中，车辆动力学模型库根据虚拟舱内各开关、模拟量是否触发进而确定是否触发相应动力学逻辑；
步骤2：车辆动力学模型库再根据车辆所处地形环境计算车辆各虚拟部件受力情况得出动力学结果驱动车辆运动，并将车辆运动信息反馈至交互框架的驾驶舱内；
步骤3：最后虚拟视景渲染模块、虚拟驾驶舱仿真模型库根据车辆运动姿态及驾驶员动作姿态显示驾驶潜望镜中视景及舱内各开关、模拟量变化。
与现有技术相比，本一种基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真系统及方法，通过定位模块、动作识别模块作为输入系统将数据传送到车辆动力学模型库，结合通用模型库提供的地形数据等信息及虚拟驾驶舱仿真模型库提供的开关、模拟量位置数据进行动力学受力计算，并利用计算结果驱动虚拟车辆运动，虚拟视景渲染模块、虚拟驾驶舱仿真模型库将仿真结果渲染在交互框架的显示设备上，不仅使驾驶员产生置身于整个实车驾驶舱内的真实体验感，驾驶沉浸感增强，而且车内环境与车外视景动态匹配感、动力学运算结果与驾驶感更一致，增强驾驶员的训练效果。
附图说明
图1是本发明的整体连接示意图；
图2是本发明的车辆单车模型；
图3是本发明的车辆横向受力误差计算示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本一种基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真方法包括均安装在交互框架上的输入系统、车辆动力学模型库和输出系统；
交互框架是本算法的基础框架，并且将驾驶员的驾驶舱放置在交互框架上；
所述输入系统包括定位模块、动作识别模块；定位模块用于将外部设备接收到的驾驶员头部及手或脚部位置信息转换为软件能够识别的结构化数据；动作识别模块用于将外部设备采集的驾驶员手部或脚部动作信号解算为软件能够使用的动作类型；
所述定位模块、动作识别模块作为输入分别与车辆动力学模型库连接；
车辆动力学模型库根据所选择车型不同，加载运行相应数学模型完成汽车虚拟运动，并将相应汽车虚拟运动反馈至交互框架上；汽车虚拟运动可包括车辆加电、启动、起车、转向、熄火等流程，并驱动虚拟车辆变速箱、发动机、悬架等虚拟部件进行相应运动。
所述输出系统包括虚拟视景渲染模块和虚拟驾驶舱仿真模型库；
虚拟视景渲染模块用于在虚拟驾驶舱驾驶潜望镜中显示车辆外部三维场景，所述虚拟驾驶舱仿真模型库根据所选择车型不同，在三维训练场景中加载不同驾驶舱内部数字模型；
虚拟驾驶舱仿真模型库和虚拟视景渲染模块分别与车辆动力学模型库相互连接。
进一步的，还包括通用模型库用于向软件提供地形、地物等训练用三维模型支持，通用模型库与车辆动力学模型库连接；
一种基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真方法，具体包括以下步骤：
步骤1：首先驾驶员进入交互框架的驾驶舱内进行操作，由定位模块、动作识别模块将驾驶员头部及手或脚部位置的位置、动作信息数据传入至车辆动力学模型库中，车辆动力学模型库根据虚拟舱内各开关、模拟量是否触发进而确定是否触发相应动力学逻辑；
步骤2：车辆动力学模型库再根据车辆所处地形环境计算车辆各虚拟部件受力情况得出动力学结果驱动车辆运动，并将车辆运动信息反馈至交互框架的驾驶舱内；
步骤3：最后虚拟视景渲染模块、虚拟驾驶舱仿真模型库根据车辆运动姿态及驾驶员动作姿态显示驾驶潜望镜中视景及舱内各开关、模拟量变化。
车辆动力学模型库中采用动力学进行分析，动力学主要研究作用于物体的力与物体运动的关系，车辆动力学模型一般用于分析车辆的平顺性和车辆操纵的稳定性。对于装甲车辆来说，研究车辆动力学，主要是研究车辆履带或轮胎及相关部件的受力情况。比如纵向速度控制，通过控制履带或轮胎转速实现；横向航向控制，通过控制履带间差速或轮胎转角实现。
现对车辆动力学模型进行更细致分解，具体包括以下步骤：
步骤一：受力分解
正常情况下，车辆上的作用力沿着三个不同的轴分布：纵向上的力包括驱动力和制动力，以及滚动阻力和拖拽阻力作滚摆运动；横向上的力包括转向力、离心力和侧风力，车辆绕轴作俯仰运动；竖直方向的力包括车辆上下震荡施加的力，绕轴作偏摆或转向运动。
步骤二：增设条件
在单车模型假设的前提下，再做如下假设即可简单搭建车辆的动力学模型：首先只考虑纯侧偏轮胎特性，忽略轮胎力的纵横向耦合关系；再用单车模型来描述车辆的运动，不考虑载荷的左右转移；最后忽略横纵向空气动力学；
如图2所示，OXYZ为固定于车身的车辆坐标系，OXY为固定于地面的惯性坐标系。单车模型的车辆具有2个自由度：绕Z轴的横摆运动，和沿X轴的纵向运动。纵向指沿物体前进方向，横向(或侧向)指垂直纵向方向。
根据牛顿第二定律，分别沿X轴、Y轴和Z轴作受力分析：
在X轴方向上：
max＝Fxf+Fxr
在Y轴方向上：
may＝Fyf+Fyr
在Z轴方向上：
Figure BDA0002984129150000041
步骤三：横向受力误差
横向误差的表达式为：
Figure BDA0002984129150000051
因此实现车辆在X、Y、Z方向上的六自由度动力学方程组建立。
本一种基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真系统及方法，实现车辆动力学的运动性能仿真，通过定位模块、动作识别模块作为输入系统将数据传送到车辆动力学模型库，结合通用模型库提供的地形数据等信息及虚拟驾驶舱仿真模型库提供的开关、模拟量位置数据进行动力学受力计算，并利用计算结果驱动虚拟车辆运动，虚拟视景渲染模块、虚拟驾驶舱仿真模型库将仿真结果渲染于显示设备上，不仅使驾驶员产生置身于整个实车驾驶舱内的真实体验感，驾驶沉浸感增强，而且车内环境与车外视景动态匹配感、动力学运算结果与驾驶感更一致，增强驾驶员的训练效果。

Claims (3)

1.一种基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真系统，其特征在于，包括均安装在交互框架上的输入系统、车辆动力学模型库和输出系统；
所述输入系统包括定位模块、动作识别模块；定位模块用于将外部设备接收到的驾驶员头部及手或脚部位置信息转换为软件能够识别的结构化数据；动作识别模块用于将外部设备采集的驾驶员手部或脚部动作信号解算为软件能够使用的动作类型；
所述定位模块、动作识别模块作为输入分别与车辆动力学模型库连接；
车辆动力学模型库根据所选择车型不同，加载运行相应数学模型完成汽车虚拟运动，并将相应汽车虚拟运动反馈至交互框架上；
所述输出系统包括虚拟视景渲染模块和虚拟驾驶舱仿真模型库；
虚拟视景渲染模块用于在虚拟驾驶舱驾驶潜望镜中显示车辆外部三维场景，所述虚拟驾驶舱仿真模型库根据所选择车型不同，在三维训练场景中加载不同驾驶舱内部数字模型；
虚拟驾驶舱仿真模型库和虚拟视景渲染模块分别与车辆动力学模型库相互连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真系统，其特征在于，还包括通用模型库用于向软件提供地形、地物等训练用三维模型支持，通用模型库与车辆动力学模型库连接。
3.一种基于沉浸式人机交互的车辆机动性仿真方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：首先驾驶员进入交互框架的驾驶舱内进行操作，由定位模块、动作识别模块将驾驶员头部及手或脚部位置的位置、动作信息数据传入至车辆动力学模型库中，车辆动力学模型库根据虚拟舱内各开关、模拟量是否触发进而确定是否触发相应动力学逻辑；
步骤2：车辆动力学模型库再根据车辆所处地形环境计算车辆各虚拟部件受力情况得出动力学结果驱动车辆运动，并将车辆运动信息反馈至交互框架的驾驶舱内；
步骤3：最后虚拟视景渲染模块、虚拟驾驶舱仿真模型库根据车辆运动姿态及驾驶员动作姿态显示驾驶潜望镜中视景及舱内各开关、模拟量变化。
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