专利名称：一种联合收割机驾驶操纵试验台的制作方法
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联合收割机驾驶操纵试验台。
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。联合收割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。改革开放以来，特别是自上世纪90年代起，我国农业机械装备总量稳步增长，农业机械 作业水平逐步提高。我国农业机械化，尤其是联合收割机的巨大发展，大大提高了农业劳动 生产率，提升了农业的综合生产能力，加快了传统农业向现代农业转变。但是中国的联合 收割机的设计水平远远落后于国外。驾驶室是驾驶员的作业场所，在驾驶室的设计中，应用 人机工程学，其目的就是使所设计的驾驶室不仅能满足驾驶员的作业要求，而且能使驾驶 员操作方便、舒适、安全，减少体力疲劳和精神负担。如果界面设计不合理，驾驶员在操作过 程中，就会以人类固有的柔韧性和适应性，总是努力使自己顺应车内布置，使包含人在内的 整个系统尽可能地良好，从而使人在不知不觉中产生驾驶疲劳，效率下降，很容易产生判断 失误和操作失误，引发交通事故。如果人长期在震动剧烈、噪音严重的环境下工作，会严重 影响人的生理健康。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。联合收割机驾驶操纵试 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联合收割机驾驶作业的联 合收割机驾驶操纵试验台。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种联合收割机驾驶操纵试验台，其 特征在于它包括一联合收割机驾驶室、一信号采集单元、一信号处理单元和一虚拟现实系统；所述联合收割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 部件包括卸粮离合、主离合、转向盘、制动踏板、油门踏板、座椅、手油门、熄火拉线、换挡手 柄、无极变速手柄、割台升降手柄和拨禾轮升降手柄，各所述驾驶室元部件根据联合收割机 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联合收割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，从而驱动所述虚拟联合收 割机模型同步运动。所述驾驶室元部件还包括离合踏板和预留手柄。各所述驾驶室元部件根据联合收割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卸粮离合、主离合、离合踏板、熄火拉线和换挡手柄采用微 动开关来输出它们的操作信号；所述制动踏板、油门踏板、手油门、无级变速手柄、割台升降 手柄和拨禾轮升降手柄采用多圈电位器来输出它们的操作信号；所述转向盘采用精度较高 的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。采用换挡工字板来规范所述换挡手柄的行程，所述换挡工字板为一块开设有工字 槽的金属板，所述工字槽包含四个档位。所述制动踏板通过一拨杆与所述离合踏板的传动轴连接，所述传动轴两端与左、 右支撑板连接，所述左、右支撑板固定在所述底板上；所述拨杆的摆动端连接一连杆，所述 连杆固定连接所述多圈电位器的轴，所述多圈电位器固定在所述右支撑板上。所述虚拟联合收割机模型为首先利用Urographies NX软件按照实际联合收割机 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联合驾 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，组装成一套联合收割机驾 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 中实现联合收割机驾驶员的实际操作过程，能够模拟真实的联合收割机驾驶室人机界面， 获取驾驶员的操纵行为，可以使农业装备生产企业设计人员方便地对联合收割机驾驶室的 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、本发明应用Visual C++, net结合Vega Prime软件开发的虚拟现实交互程 序，可以随时更换场景模型，便于不同试验要求的更改。3、本发明精度和灵敏度较高，能够 真实再现联合收割机的驾驶作业，进而开展相关人机工程学试验。
图1是本发明的总体结构框2是本发明联合收割机驾驶室的硬件布置图
5
图3是本发明换挡工字板的结构示意4是本发明制动踏板的安装示意5是本发明控制联合收割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，本发明包括一联合收割机驾驶室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。联合收割机驾驶室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 设置有虚拟联合收割机模型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中的虚拟联合收割机模型8同步运动，从而在虚拟现实系统4中实现联合收割 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)联合收割机驾驶操纵试验台的硬件安装设计①联合收割机驾驶室1的硬件总体设计如图2所示，驾驶室元部件5包括卸粮离合10、主离合11、离合踏板12、转向盘13、 制动踏板14、油门踏板15、座椅16、手油门17、熄火拉线18、换挡手柄19、无极变速手柄20、 割台升降手柄21、拨禾轮升降手柄22和预留手柄23，各驾驶室元部件5主要根据农业生产 中常用联合收割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 其中卸粮离合10、主离合11、离合踏板12、熄火拉线18和换挡手柄19等在 使用时最终都停在某一两个固定的位置，它们输出的是点信号，所以采用微动开关24来输 出它们的操作信号；而转向盘13、制动踏板14、油门踏板15、手油门17、无级变速手柄20、 割台升降手柄21和拨禾轮升降手柄22输出的是连续变化的量，因此制动踏板14、油门踏板 15、手油门17、无级变速手柄20、割台升降手柄21和拨禾轮升降手柄22使用多圈电位器25 来输出它们的操作信号；由于转向盘13输出的信号要求精度比较高，所以转向盘13所选用 的传感器6采用精度较高的光电编码器26，光电编码器26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，各个传感器6为并联电路。上述实施例中，由于有些型号的联合收割机是自动挡，因此其不包含离合踏板12， 并且预留手柄23作为备用功能，有些型号的联合收割机也不包含预留手柄23。②换挡位置的固定在联合收割机上，换挡手柄连接的是变速器，通过变速器中的锁紧装置使换挡手 柄19固定在档位上，由于本发明并没有变速器，因此需要有固定换挡手柄19的装置。如图 3所示，本发明采用换挡工字板27来规范换挡手柄19的行程，换挡工字板27为一块开设有 工字槽28的金属板，工字槽28包含四个档位。③制动踏板14信号的输出制动踏板14近似是上下运动，输出的是连续变化的量，传感器6采用的是多圈电 位器25，多圈电位器25需要采集的是角度信号，这就需要将制动踏板14的上下运动转换成旋转运动，故采用下面的技术方案来实现如图4所示，制动踏板14通过一拨杆29与离合踏板12的传动轴30连接，传动轴 30两端与左、右支撑板31、32连接，左、右支撑板31、32固定在底板7上。拨杆29的摆动 端连接一连杆33，连杆33固定连接多圈电位器25的轴，多圈电位器25固定在右支撑板32 上。当踩下制动踏板14时，制动踏板14绕传动轴30向下转动，与此同时拨杆29也被带动 绕传动轴30转动，拨杆29带动连杆33绕多圈电位器25的轴转动，由于多圈电位器25的 轴与连杆33固定，无转动，从而多圈电位器25就有了角度信号。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采集传感器信号，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对虚拟联合收割机模型8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20个开关信号和7个模拟信号。将 全部信号储存在10个字节中(16进制)，其中转向盘的模拟信号占用两个字节，数据为 士32768，精度1度；制动踏板、油门踏板、手油门、无级变速手柄、割台升降手柄和拨禾轮升 降手柄标定在上位机；20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。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)联合收割机驾驶室1对虚拟联合收割机模型8的运动控制虚拟联合收割机模型8是本发明的重要组成部分，该模型以某型号联合收割机为 例，利用Unigraphics NX软件按照实际联合收割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；然后 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。下面以联合收 割机驾驶操纵试验台控制转向盘13的运动为例，详细说明本发明的主要流程(如图5所 示)
台
的信 士 648
7
II判断输入设备类型
if(m_nRealTestInputType = = 2) //判断输入设备是否为联合收割机试验
m_strcDriveHarvData = g_strcDriveHarvData ；// 传递信号数据 II读取联合收割机试验台传感器信号，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
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
内dFangxiang = 450*360*dFangxiang/240/648 ；//转换后转向盘范围 士450°g_strcDriveHarvData. m_Fangxiang = dFangxiang ；//找到转向盘节点vpObject*m_harvester ；// 定义联合收害 1]机 objm_harvester = vpObject: :find(" myObject_Harvester" ) ；//找至丨J联合 收割机模型vsDOF*m_SteerDof ；//定义转向盘 dofvsNode*myNode ；// 定义节点myNode = m_harvester_ > find_named(〃 steer" );//在联合收割机模型 中找到名为“steer” 的节点if (myNodeMmyNode- > isOfClassType (vsDOF: getStaticClassType ()))m_SteerDof = (vsDOF*) myNode ； // 将 node 节点转化为 vsDOF 类//给转向盘dof添加运动控制m_dSteeringAng = -harvesterdata. m_Fangxiang -J/角!!武i m_SteerDof- > setRotateH(m_dSteeringAng, false) ；//控制转向盘 dof 绕 Z轴转动在虚拟现实系统4中设计联合收割机作业场景，选取不同联合收割机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。
权利要求
一种联合收割机驾驶操纵试验台，其特征在于它包括一联合收割机驾驶室、一信号采集单元、一信号处理单元和一虚拟现实系统；所述联合收割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卸粮离合、主离合、转向盘、制动踏板、油门踏板、座椅、手油门、熄火拉线、换挡手柄、无极变速手柄、割台升降手柄和拨禾轮升降手柄，各所述驾驶室元部件根据联合收割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联合收割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，从而驱动所述虚拟联合收割机模型同步运动。
2.如权利要求1所述的一种联合收割机驾驶操纵试验台，其特征在于所述驾驶室元 部件还包括离合踏板和预留手柄。
3.如权利要求2所述的一种联合收割机驾驶操纵试验台，其特征在于各所述驾驶室 元部件根据联合收割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 器所述卸粮离合、主离合、离合踏板、熄火拉线和换挡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、手油门、无级变速手柄、割台升降手柄和拨禾轮升降手柄 采用多圈电位器来输出它们的操作信号；所述转向盘采用精度较高的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。
4.如权利要求1或2所述的一种联合收割机驾驶操纵试验台，其特征在于采用换挡 工字板来规范所述换挡手柄的行程，所述换挡工字板为一块开设有工字槽的金属板，所述 工字槽包含四个档位。
5.如权利要求3所述的一种联合收割机驾驶操纵试验台，其特征在于采用换挡工字 板来规范所述换挡手柄的行程，所述换挡工字板为一块开设有工字槽的金属板，所述工字 槽包含四个档位。
6.如权利要求3或5所述的一种联合收割机驾驶操纵试验台，其特征在于所述制动 踏板通过一拨杆与所述离合踏板的传动轴连接，所述传动轴两端与左、右支撑板连接，所述 左、右支撑板固定在所述底板上；所述拨杆的摆动端连接一连杆，所述连杆固定连接所述多 圈电位器的轴，所述多圈电位器固定在所述右支撑板上。
7.如权利要求1或2或3或5所述的一种联合收割机驾驶操纵试验台，其特征在于所 述虚拟联合收割机模型为首先利用Unigraphics NX软件按照实际联合收割机尺寸进行精 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。
8.如权利要求4所述的一种联合收割机驾驶操纵试验台，其特征在于所述虚拟联合 收割机模型为首先利用Unigraphics NX软件按照实际联合收割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。
9.如权利要求6所述的一种联合收割机驾驶操纵试验台，其特征在于所述虚拟联合 收割机模型为首先利用Unigraphics NX软件按照实际联合收割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。
全文摘要
本发明涉及一种联合收割机驾驶操纵试验台，其特征在于它包括一联合收割机驾驶室、一信号采集单元、一信号处理单元和一虚拟现实系统；联合收割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联合收割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，从而驱动虚拟联合收割机模型同步运动。本发明精度和灵敏度较高，能够真实再现联合收割机的驾驶作业，进而开展相关人机工程学试验。
文档编号G09B9/04GK101872558SQ20101020449
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月11日 优先权日2010年6月11日
发明者仇莹, 宋正河, 徐琳琳, 徐静, 朱忠祥, 李坤, 毛恩荣, 胡风生, 谢斌, 陈越洋, 黄毅 申请人:中国农业大学