CN209044930U - 基于混合现实和多自由度运动平台的特种车辆驾驶训练模拟系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于混合现实和多自由度运动平台的特种车辆驾驶训练模拟系统，有效解决了传统训练模拟系统近距离物体会产生扭曲失真，没有真实模拟实装实车训练情况，训练的沉浸感和逼真度都有较大的差距的问题，以及使用VR系统只有支持手部在虚拟场景实体化，无法实体化其他设备或人体其他部位，在训练中操作设备极不方便，光照和实际光照差异较大，视角上下受限，导致人与座舱交互模拟与实际模拟情况差异较大，沉浸感质量较差，降低了车辆模拟器的实用性的问题。

Description

基于混合现实和多自由度运动平台的特种车辆驾驶训练模拟 系统

技术领域

本实用新型涉及特种车辆驾驶训练、运动平台测量和视景仿真应用领域，特别是一种基于混合现实和多自由度运动平台的特种车辆驾驶训练模拟系统。

背景技术

特种车辆基本上都是超宽或超长的，它们作用突出、价格昂贵、体积庞大的特点，对其驾驶员的驾驶技能形成以及训练周期、训练安全和训练保障等都提出了新的更高的要求，而现代信息技术的发展，使得利用先进技术手段来提高大型特种车辆驾驶训练质量成为可能。通过训练模拟系统可以较好地培养学员应对未来各种复杂驾驶环境的应变能力，大大降低实装驾驶训练带来的人多装备少、安全隐患大、事故发生率高、驾驶训练组织难度大、车辆机械磨损严重寿命降低等诸多问题。这项技术还可以推广到其他军用或民用特种车辆驾驶训练，更大限度地发挥“教为战、练为战”的效能，具有较高的经济效益和军事价值。

传统的实车实弹训练方式在对场地和经费的要求上给特种车辆驾驶人员培养带来很大负担，一些发达国家先后研制出采用先进的计算机成像技术、数字式视频信号传输技术和计算机网络技术的新一代特种车辆驾驶训练模拟系统。

国内基于运动平台的特种车辆驾驶训练模拟系统起步较晚，但近几年发展势头迅猛，在装甲兵、坦克等兵种训练中大多采用的还是不带运动平台或者带三自由度运动平台的特种驾驶训练模拟系统，虽然图形显示有了较大进步，投影方面仍然采用巨幅环形平面投影，这种投影对于远距离的环境和目标模拟的较为逼真，但近距离物体会产生扭曲失真，没有真实模拟实装实车训练情况，训练的沉浸感和逼真度都有较大的差距。

为了增强训练的沉浸感，基于虚拟现实技术开发的车辆模拟器有一定的优势，但是仍然存在一些不足：比如较为成熟的VR系统，在环境模拟上更为逼真，但在使用过程中只能感知虚拟信息，无法接受外部环境实体信息，支持人体手部在虚拟场景实体化，但无法实体化其他设备或人体其他部位，在训练中操作设备极不方便；光照系统上只是在一定程度上模拟光照，和实际光照差异较大；头部运动跟踪技术不够先进；固定视角的视频与裸眼观察内容在角度和深度上存在不易消除的误差，存在不能下视、视觉受限等问题。这些问题导致人与座舱交互模拟与实际模拟情况差异较大，沉浸感质量较差，降低了车辆模拟器的实用性。

实用新型内容

基于上述所述沉浸感较低的问题，本实用新型提供了一种基于混合现实和多自由度运动平台的特种车辆驾驶训练模拟系统，有效解决了传统训练模拟系统近距离物体会产生扭曲失真，没有真实模拟实装实车训练情况，训练的沉浸感和逼真度都有较大的差距的问题，以及使用VR系统只有支持手部在虚拟场景实体化，无法实体化其他设备或人体其他部位，在训练中操作设备极不方便，光照和实际光照差异较大，视角上下受限，导致人与座舱交互模拟与实际模拟情况差异较大，沉浸感质量较差，降低了车辆模拟器的实用性的问题。

技术方案是，包括驾驶仿真舱、训练控制台、音响系统、多自由度运动平台和MR头盔，所述MR头盔由头盔和固定在头盔前端的MR头显构成，还包括电液伺服系统和平台控制器，该六自由度平台包括下平台和置于下平台正上方的上平台，上下平台之间布置有电液伺服系统的六个液压缸，所述液压缸的两端分别万向铰接在上下平台上，所述驾驶仿真舱固定在上平台上，还包括混合现实装置，所述混合现实装置包括双目立体视觉模块、空间定位装置和混合现实主机，所述空间定位装置包括安装在驾驶仿真舱对角位置的两个定位基站，定位基站扫描识别MR头显上的位置追踪传感器，从而获得位置和方向信息，MR头显将其位置和方向信息传递给安装在头盔上的混合现实主机，所述双目立体视觉模块安装在MR头显前端中部，其将获得的视频信息传递给虚拟现实主机，所述虚拟现实主机将混合后的视频信息传递给给MR头显呈现给使用者。

本实用新型采用多自由度运动平台配合仿真驾驶舱真实模拟特种车辆在不同路面条件驾驶状态反馈，采用混合现实技术和源于实装的工况噪音系统，给驾驶员创设具有较强的视觉、听觉、触觉和加速度冲击力，加入了混合现实装置，使特种车辆驾驶训练具有逼真的代入感和沉浸感。

附图说明

图1为本实用新型多自由度运动平台结构图。

图2为本实用新型多自由度运动平台立体图。

图3为本实用新型驾驶仿真舱和训练控制台的结构图。

图4为本实用新型驾驶仿真舱内部布置图。

图5为本实用新型控制原理图。

图6为本实用新型头盔示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1至图6给出，本实用新型的技术方案是，包括驾驶仿真舱1、训练控制台2、音响系统、多自由度运动平台和MR头盔，所述MR头盔由头盔和固定在头盔前端的MR头显构成，其特征在于，还包括电液伺服系统和平台控制器，该六自由度平台包括下平台3和置于下平台3正上方的上平台4，上下平台之间布置有电液伺服系统的六个液压缸5，所述液压缸5的两端分别万向铰接在上下平台上，所述驾驶仿真舱1固定在上平台4上，还包括混合现实装置，所述混合现实装置包括双目立体视觉模块、空间定位装置和混合现实主机，所述空间定位装置包括安装在驾驶仿真舱对角位置的两个定位基站，定位基站扫描识别MR头显上的位置追踪传感器，从而获得位置和方向信息，MR头显将其位置和方向信息传递给安装在头盔上的混合现实主机，所述双目立体视觉模块安装在MR头显前端中部，其将获得的视频信息传递给虚拟现实主机，所述虚拟现实主机将混合后的视频信息传递给给MR头显呈现给使用者。

所述万向铰接为球铰接。

六个液压缸5每两个为一组，同一组的两个液压缸5呈一定角度对称布置，三组液压缸5在圆周上均布设置。

还包括底座6，所述下平台3和底座6之间设有转动连接在底座6上的丝杠7，所述丝杠7的一端连接有减速电机8，所述丝杠7经丝杠螺母9连接在下平台3下侧面上，所述丝杠7径向两侧的下平台3经滑块10滑动连接在底座6上。设置丝杠机构，使得当需要调节驾驶仿真舱前后位置时，可以启动减速电机，丝杠转动经丝杠螺母驱动下平台带动驾驶仿真舱移动。

本实用新型中，各主要组成部分如下：

（一）驾驶仿真舱

驾驶仿真舱主体采用钢骨架、玻璃钢蒙皮或金属蒙皮的结构，外壳采用汽车喷涂工艺，驾驶舱内安装有仪表台、方向盘、各类踏板、司机座椅、排档杆、安全带、手制动器等与驾驶操作有关的各类设备，内部布局尽量与原型车一致，各操作部件的位置、尺寸、外观、颜色、操作方法与实装相应部件相同。舱内所有设备、操纵装置及各种仪表均与实车相同，对车辆模型的各档位最高车速、最大爬坡度、最高空载转速、最低稳定转速等机动性能做高质量仿真，可模拟实车驾驶的全部操纵功能，包括起动、发动机加温、停车、平稳加速、稳速行驶、转向及原地转向、倒车、上下斜坡，并能设置故障和采取应急措施。这些操纵装置和仪表与训练控制台相连接。驾驶视景符合实装视场；驾驶操作流程与实装一致，实现和实装近似一致的操作流程和操作体验。舱内包含多陀螺仪系统，用来确定驾驶仿真舱的实时姿态；包含网络模块，与MR头显连接，通过无线传输的方式与训练控制台进行通信；

（二）多自由度运动平台

多自由度运动平台由电液伺服系统和平台控制器组成。本系统可以采用六自由度运动平台，但不限于六自由度运动平台。

多自由度平台是由六支液压缸、上下各六个万向铰接头和上下两个平台组成，下平台固定在基座上，借助六支液压缸的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。六自由度平台是一种六自由度电液伺服系统，为驾驶仿真舱提供安装平台，通过伺服驱动器控制六台电机协调运动，进行六自由度体感仿真，提供模拟产生不同地表构造和硬度的地形上的车辆运动和振动效果，产生逼真的车辆各向加速度、各类振动、侧倾、俯仰和侧滑等体感效果，使受训人员有身临其境的体验，提高训练的沉浸感和效果。本实用新型的六自由度运动平台，将下平台装在底座上，且通过丝杠螺母和丝杠的配合可以有效的调节驾驶仿真舱到屏幕之间的距离，更加有利于将模拟训练者的视觉感受调节到最佳，使用丝杠进行无极调节，可以精确的调节距离的远近，其中的减速电机可以是由伺服电机连接减速器构成。

（三）训练控制台

训练控制台集多任务、多屏输出、无线数据传输等功能于一体，具有训练课目设置、紧急情况处置、战场机动对抗、驾驶训练监控、系统组网训练和系统考核评估等功能。电液伺服系统连接在训练控制台上，受训练控制台控制。

训练课目设置能够提供行驶场地有障碍跑道、有标识和无标识的雷区、水域、垂直障碍、铁路和机场装载场、车场和基础驾驶道路等。

紧急情况处置能够模拟各种故障和紧急情况，如发动机起火、功率损失、转向、制动失灵、履带脱落、发动机机油和传动液压油泄漏以及发动机超速等。考核评估对受训驾驶员的技能水平进行分析，能回放场景，设置故障，可采用预编程序场景或自由行驶场景。

战场机动对抗能够为受训人员提供带有战术背景的对抗训练环境；根据上级命令进行战场机动、战场部署、作战行动。

系统训练监控设有模拟器总开关和主要部件技术状况的检查装置。教员可借助显示器和各种检测仪表监视受训人员的全部操作动作、发动机工况、车辆行驶速度以及档排和转向操纵装置的使用是否正确。教员可从控制台设置不同的行驶阻力和动力装置故障并能通过车内通话器与受训人员联络。

系统训练组网采用组件化技术，能与其他训练系统联合使用，实现多系统协同训练。

系统考核评估主要进行系统分析、构建评估指标体系，建立评估模型主要包括明确评估方法、选择评估方法的模型软件、建立系统效能和作战效能评估模型等，给出评估结果、提出改进建议。

训练控制台是整个训练系统的主机，来处理系统需要的所有数据。

场景画面模拟能够模拟训练场景环境，通过无线传输方式，将数据传给MR头显，MR头显将训练场景环境叠加到真实的环境中去，从而加深沉浸感。

（四）MR混合现实系统

MR混合现实系统由MR头显、基站定位系统、双目摄像等组成。主要用于最大限度的提高受训人员的驾驶沉浸感和逼真度，重点解决VR系统完全虚拟缺乏真实环境、AR系统视角局限和虚景与实景结合不紧密逼真不够的诸多问题，实现驾驶舱战斗实景、操纵时手部动作、操控面板、虚拟视窗外部虚景以及虚拟空情信息之间的有机融合。

MR头显集成双目OLED显示屏、姿态传感器、光敏传感器组、双目摄像头和景象融合显示电路于一体。

基站定位系统安装在驾驶仿真舱内部左前和右后，工作时实时采集头显光敏传感器的反馈信息，经算法融合后得到头显在训练空间的三维位置信息和姿态信息。

在使用的过程中，双基站扫描MR头盔上的位置追踪传感器，将MR头盔的姿态和空间位置信息传递给混合现实主机，双目立体视觉模块获取的驾驶仿真舱内的仪表盘、操纵杆、手部动作的实景信息，传递给混合现实主机，混合现实主机同时接收来自训练控制台的驾驶视窗虚拟场景信息、空情信息、地面信息等虚拟信息，由景象融合显示电路把实景信息和虚景信息进行融合，将融合之后的混合视景信息传递给给MR头显以呈现给使用者。

本实用新型是在申请人2017年11月21号申请的基于多自由度运动平台和视景仿真的特种车辆驾驶训练模拟系统，申请号201721558917.9的实用新型专利基础上进行技术升级改进而来，主要增加MR混合现实系统，去掉平面视景系统，大大提升了受训人员的沉浸感。

在附图6中28为显示屏，可以显示实景信息与训练控制台发送来的虚景信息相结合的影像，呈献给受训者。29为双目摄像头，来获取仿真舱内的真实图像。30为固定装置，使头盔与受训者头部相结合，防止在姿态变换的过程中，头盔脱落。31为数据传输线，通过与仿真舱相连，通过仿真舱的网络模块接收与发送场景数据。

具体的，MR头显采用32颗光电传感器与定位器，360°全方位移动，准确带消费者进入真实的虚拟世界；110°接近人眼的大视角，高清2160*1200分辨率；90Hz高屏幕刷新率、可调节的镜头距离、可调整的瞳孔距离，亚毫秒级精准定位。每个红外传感器对应位置都由小的红外滤光片，这些红外窗口能够使红外信号更加清晰，定位更加精准。有线/无线双模准确定位追踪，每秒100帧的速率高速扫描定位区域内头显位置，360度移动追踪；低于20MS延迟的立体空间定位；简单带来同步的动作反馈；两个只需插上电源即可完成同步。简单易用，直观交互；

双基站激光定位模块采用SteamVR称霸世界的追踪技术进行空间定位，拥有低延迟、亚毫米级精确度与360度覆盖等特色。无论是站着、坐着，或是以在空间中走动的方式探索虚拟世界。Lighthouse由两个基站构成：每个基站里有一个红外LED阵列，两个转轴互相垂直的旋转的红外激光发射器。转速为10ms一圈。基站的工作状态是这样的：20ms为一个循环，在循环开始的时候红外LED闪光，10ms内X轴的旋转激光扫过整个空间，Y轴不发光；下10ms内Y轴的旋转激光扫过整个空间，X轴不发光。在基站的LED闪光之后就会同步信号，然后光敏传感器可以测量出X轴激光和Y轴激光分别到达传感器的时间。这个时间就正好是X轴和Y轴激光转到这个特定的，点亮传感器的角度的时间，于是传感器相对于基站的X轴和Y轴角度也就已知了；分布在头显上的光敏传感器的位置也是已知的，于是通过各个传感器的位置差，就可以计算出头显的位置和运动轨迹；激光扫过的同时，MR头盔开始计数，传感器接收到激光后，利用传感器位置和接收激光时间的关系，计算相对于激光发射器的准确位置。同一时间内激光束击中的光敏传感器足够多，就能形成一个3D的模型。不仅能探测出MR头盔的位置，还可以捕捉到MR头盔的方向；

激光定位技术的优势，一是成本低，相对昂贵的红外动作捕捉摄像机，利用激光光塔进行动作捕捉的成本就相对低廉很多了。二是定位精度高，超高的定位精度意味着卓越的沉浸感。激光定位方案的精度可以达到毫米级别，也就成就了虚拟现实体验的震撼效果。

（五）音响系统

车体内饰的适当位置隐藏安装有5.1声道的音响系统，音响系统可模拟与实车相近的发动机工作噪声和训练音效环境。

驾驶仿真方舱外部也有一套5.1声道的音响系统，用于模拟外部训练环境声响。

本实用新型中的驾驶仿真舱、电液伺服系统和音响系统均经训练控制台控制。

所述驾驶仿真舱内所有设备、操纵装置及各种仪表均与实车相同，驾驶操作流程、操作体验与实装一致。

所述训练控制台集多自由度运动平台姿态控制、场景画面模拟、多任务处理、无线数据传输、电源控制系统等功能于一体，具有训练课目设置、紧急情况处置、战场机动对抗、驾驶训练监控、系统组网训练和系统考核评估等功能。电液伺服系统连接在训练控制台上，受训练控制台控制。

所述音响系统全方位模拟驾驶仿真方舱内部发动机工作噪声和外部环境声响。

本实用新型中的驾驶仿真舱、电液伺服系统和音响系统均经训练控制台控制。具体的，该电路原理控制系统为，包括一训练控制主机，训练控制主机和网络设备进行数据交互，网络设备和视景仿真主机、平台控制器和驾驶仿真舱进行数据交互，网络设备连接视景仿真主机，视景仿真主机经音效功放连接舱外音响系统，视景仿真主机连接虚拟现实主机，平台控制器连接电液伺服系统，UPS电源给训练控制主机、网络设备和平台控制器供电。其中训练控制台内包含训练控制主机、UPS电源、网络设备、平台控制器。网络设备为交换机。

Claims (4)

1.基于混合现实和多自由度运动平台的特种车辆驾驶训练模拟系统，包括驾驶仿真舱（1）、训练控制台（2）、音响系统、多自由度运动平台和MR头盔，所述MR头盔由头盔和固定在头盔前端的MR头显构成，其特征在于，还包括电液伺服系统和平台控制器，该六自由度平台包括下平台（3）和置于下平台（3）正上方的上平台（4），上下平台之间布置有电液伺服系统的六个液压缸（5），所述液压缸（5）的两端分别万向铰接在上下平台上，所述驾驶仿真舱（1）固定在上平台（4）上，还包括混合现实装置，所述混合现实装置包括双目立体视觉模块、空间定位装置和混合现实主机，所述空间定位装置包括安装在驾驶仿真舱对角位置的两个定位基站，定位基站扫描识别MR头显上的位置追踪传感器，从而获得位置和方向信息，MR头显将其位置和方向信息传递给安装在头盔上的混合现实主机，所述双目立体视觉模块安装在MR头显前端中部，其将获得的视频信息传递给虚拟现实主机，所述虚拟现实主机将混合后的视频信息传递给给MR头显呈现给使用者。

2.根据权利要求1所述的基于混合现实和多自由度运动平台的特种车辆驾驶训练模拟系统，其特征在于，所述万向铰接为球铰接。

3.根据权利要求1所述的基于混合现实和多自由度运动平台的特种车辆驾驶训练模拟系统，其特征在于，六个液压缸（5）每两个为一组，同一组的两个液压缸（5）呈一定角度对称布置，三组液压缸（5）在圆周上均布设置。

4.根据权利要求1所述的基于混合现实和多自由度运动平台的特种车辆驾驶训练模拟系统，其特征在于，还包括底座（6），所述下平台（3）和底座（6）之间设有转动连接在底座（6）上的丝杠（7），所述丝杠（7）的一端连接有减速电机（8），所述丝杠（7）经丝杠螺母（9）连接在下平台（3）下侧面上，所述丝杠（7）径向两侧的下平台（3）经滑块（10）滑动连接在底座（6）上。