一种叉车作业训练模拟器的制作方法

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本发明属于仿真模拟技术领域，具体涉及一种叉车作业训练的模拟器。

背景技术：

一般来说，凡是需要有一个或一组熟练人员进行操作、控制、管理或决策的工作，例如汽车、飞机、船舶的驾驶，外科手术、消防、各类工业设备的操作等都需要进行专门的职业技能训练。过去的职业训练基本上都在实际系统中进行。而随着计算机技术、虚拟现实技术、多媒体技术、自动控制技术的飞速发展和广泛应用，以计算机系统为核心和操纵控制台为基础构成的各种模拟仿真训练器已成为当今重大生产设备或过程控制设备操作人员上岗工作、培训的必备手段，受到国内外工业界的高度重视，并在航天航空、火力及核能发电、石油化工、军事、航海等许多领域得到广泛使用。目前，模拟仿真训练器已逐步成为培训飞机、汽车、船舶等驾驶人员的重要设备之一。

叉车、堆高机、正面吊是冶金、制造、港口、水电、建筑、铁路货场、仓储中心等部门装卸货物的主要设备，也是容易出安全事故的设备。这些叉车驾驶的操作涉及到财产与生命安全，对操作人员的素质要求愈来愈高。由于它们可应用在不同行业领域，其种类繁多，操作技术多样，在生产过程中不仅要完成驾驶操作，更要与其他工种人员协调一致地完成吊装等装卸工艺动作，如操作不当而引起的破坏程度和危险性都会大大增加。这一切都为车辆司机的培养和训练工作带来极大的挑战。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种叉车作业训练模拟器，符合安全、快速、高效的培训方式，集虚拟现实技术、计算机仿真技术、多媒体技术、自动化技术等先进技术于一体。

本发明的技术方案为：一种叉车作业训练模拟器，总体结构包括硬件平台和软件模块。

硬件平台包括

(1)模拟驾驶舱：外形尺寸和布局与真实叉车完全相同，在模拟驾驶舱中装配有与实车完全相同的各种可操纵机构，包括方向盘、离合器踏板、刹车踏板、油门踏板、三根货叉操作杆、刹车手柄、换向操纵杆、换挡操纵杆、转向灯开关、点火开关、仪表盘，以便给学员带来最接近真实的驾驶感受；

(2)操纵控制系统：包括了驾驶者控制叉车运动的基本操纵部件：方向盘、油门、离合、刹车、档位、换向以及货叉操纵杆，另外还有点火开关、转向指示灯的辅助性操作部件的信号实时采集与控制；是叉车驾驶操作训练模拟系统能否真正逼真模拟驾驶环境的最基本前提，是整个叉车驾驶操作训练模拟系统的核心部分之一。由于本系统要求与真实叉车完全操作感受尽量一致，因而在没有力和反馈装置的条件下，对于叉车运动控制的模拟主要由实车部件中的方向盘、油门、离合、刹车、档位和货叉操纵杆操作来完成。驾驶员对操纵部件的操作经过传感器和接口，将操纵部件的模拟量包括方向盘转动的角度、油门的开度、离合器的状态、刹车的状态经过A/D转换发送给计算机系统进行处理，同时把系统处理的实时数据包括档位参数、速度的数字量经过D/A转换发送到车体部分显示仪表系统上，进而调整视景显示，使驾驶员实时观察驾驶车辆的运行情况；

(3)仪表系统：采用实车的仪表盘，负责车内仪表面板包括计时表、转向灯、燃油表、预热指示灯的实时更新；

(4)多媒体计算机：实现实时交互与漫游且要同时输出屏幕；

(5)音响系统：音响系统模拟行车过程中的环境音响，音响系统需要模拟的声音包括马达轰鸣、风响，其中马达轰鸣的声音可由发动机转速负载来决定，而车胎的音响、风响，可由车速、转弯角度来决定，对于计算机实时视景系统，需要用计算机生成合成所应发出的声音，它接受来自根据车辆动力学仿真计算出车辆运行车速、振动和驾驶员对油门、档位等相应参数值，用计算机生成模拟声音，然后在通过声响处理系统同音响设备连接，配合车辆的行驶，产生相应的声响效果，使驾驶员产生沉浸感；

(6)教员控制台：主要用于相关数据的输入和输出，包括：学员信息录入、班级管理、培训内容设置、操作环境条件设定、操作过程的监视、记录和重演、分析与评分、考核成绩输出；

软件模块包括

(7)系统控制层：系统控制层主要控制整个模拟器的硬件，接收和发出各种控制信号，将相关传感器的模拟信号转变为数字信号或者把计算机控制指令转化为模拟信号，控制叉车驾驶训练模拟器的投影、司机操作的输入和输出信号、音响效果等；控制层软件主要包括：

A数据采集模块：能够采集各种模拟装置的信号，这些信号可以分为三个不同的类型：数字量、模拟量和开关量，

加速踏板、离合器踏板、行车制动踏板的踏板行程以及四根操纵杆分别反映供油量大小、离合器结合程度、制动力大小以及货叉移动和叉车前进后退，所以传感器应采集出的是连续变化的量，即模拟量，模拟量的采集要去抗干扰能力强，在设计中选择了线性位移传感器与相关机械连接组成。线性位移传感器的阻值变化特性为直线型，能够准确反映三踏板行程、货叉位移以及叉车前后运动距离的大小。

方向盘度采集模块采集转向盘的旋转的角度、方向，考虑在实际驾驶中转向盘要求有一定的间隙，在采集时，采集精度要高，所以选用以角位移传感器为与转向盘的转向立柱连接用于采集转向装置转角，选用的角位移传感器最大测量角度为900°；

对于模拟器上的点火开关、车灯开关的开关量，主芯片可通过光电隔离器与微动开关相连，提取开关量，并转换为标准逻辑电平进行处理；

B数据处理模块：在叉车操作模拟系统中，需要将采集到的无序的数据变成可用的有序的数据，为了不影响仿真系统的仿真效果，要使得数据处理模块的时间复杂度低、运算速度快、运算结果精确，可扩展，对于其他的系统也适用。

本系统中将各位移传感器采集到的电信号转换变为数字信号，利用接口函数采集该信号输入到数据处理程序模块进行分析计算，

对于各种开关量，则通过电信号转化，再通过编码器编码分通道通过数据采集函数与系统软件模块和系统之间进行数据交互；

对于方向盘所采用的角位移传感器角，则单独采用现场可编程逻辑阵列(FPGA)数据处理，FPGA不仅具有高精度的同步传输能力，而且具有速度高、体积小、抗干扰能力强的优点。由角位移传感器的传出的信号后送人FPGA处理器，在FPGA中进行计数处理，最后通过RS232与采集芯片通信，并传输到主控芯片；

C数据输出模块：在单片机输出计算机可识别的数字信号后，这些信号和叉车的参数一起作为叉车动力学模型的输入，计算出叉车当前的工况和各个构件的状态数据，这些数据被分别传送到视景、音响系统，作为它们各自运行的输入量，从而实现模拟系统的实时控制；

(8)操作层：基于对叉车驾驶训练模拟系统的流程和功能的分析，可以将叉车训练模拟系统的操作层主要分为叉车驾驶训练和叉车作业训练、叉车考试三大模块，为了帮助学员早日熟悉叉车的相关结构，还加入了叉车展示模块，此外，由于叉车作业的环境各不相同，本系统在叉车作业训练模块中增加了场景编辑器，方便用户对叉车作业场景编辑，也提高了本系统的可扩展性；

(9)教学监控与管理：教师通过教学监控与管理软件系统可实时了解学员的操作情况，还可通过教学管理软件调整教学内容，通过教员控制台主机实时显示和记录学员操作，并进行评判，教师端还可对学员、班级进行管理。

优选地，由于要满足实时交互与漫游且要同时输出五个屏幕，主机对显卡的要求较高，上述多媒体计算机采用1G显存和4G内存，处理器主频采用8.5GHz以上，接口微处理器部分的主控芯片采用16位的顶级单片机来实现控制信号的识别和数据采集，并通过windows串API函数，完成单片机与主机之间的数据通信。

优选地，所述音响系统采用的音频仿真系统软件采用基于windows环境的编制方法，windows操作系统使得应用程序与设备之间具有相对独立性，这种设备独立性又使得软件与硬件之问增添了许多中间层次，使得在windows平台上紧凑、实时的输入以及快速地生成声音变得十分困难，针对这种情况开发的基于windows的叉车驾驶模拟装置音频仿真系统，运用DirectX技术，能完全克服以上缺陷。

要仿真模拟叉车运行时的各种声音，要求这一套音频仿真系统必须达到如下的目标：

1)系统要能模拟出叉车运行时发出的所有声音；

2)系统对司机操纵的结果作出迅速的反应；

3)系统要对不同的声音进行混音，因为司机操纵叉车所发出的声音不是依次顺序发出的，可能有些声音彼此交叠在一起；

4)由于不同类型的叉车对应的声音不完全一样，这就要求系统有一定的灵活性和扩充性，以适应不同类型的叉车。

具体地，叉车展示模块主要负责对叉车的整车结构及相关部件、工具进行三维展示，帮助学员对叉车建立一个直观的印象，为后面驾驶操作的学习提供帮助。叉车展示模块不仅可以帮助学员学习，而且为叉车培训机构节约了大笔购买叉车的费用。

具体地，叉车驾驶训练模块将国家规定的叉车驾驶执照考试中桩考的科目进行了分解，以便初学者更容易的掌握叉车各种驾驶技巧，分解后的项目有：“8”字形行驶、侧方位移、通道驾驶、倒车入库，训练科目分等级，在训练环境的设计上与真实场地考试相同，同时本模块还提供了场地综合训练模块，学员可根据自己的需要选择相关科目进行组合训练也可以进行完整的场内行驶训练。

具体地，叉车作业模块将国家规定的叉车驾驶执照考试中作业考试的科目进行了分解，以便初学者更容易的掌握叉车各种驾驶技巧，分解后的项目有：起升载荷训练、堆卸箱训练等，在训练环境的设计上与真实场地考试相同，同时本模块还提供了作业场景编辑器，教员对系统中的作业场景进行修改也可根据本单位实际情况编辑相应的作业环境。

具体地，叉车考试模块包括叉车实际操作考试的所有内容，本模块中使用的桩杆、场地尺寸与真实情况完全相同，学员按规定的行驶线路，包括规定的属具，行驶和操作，其目的是考核学员对车辆的安全操控能力，考试内容分成场绕圈迂回考核、正逆迂回考核、拆垛作业考核、移库场地考核和综合场地考核几项。

具体地，教学监控与管理模块的具体功能如下：

a.教师可直接导入学员信息，避免大量账号信息输入繁琐的注册。

b.教师可对班级信息的方便管理，可修改和添加班级信息；

c.超级管理员可对学院信息和老师信息进行更改，还有权限设置；

d.学员根据学号输入登记上机，每位学生应有单独的训练记录条目；

e.可记录和查询学员在训练或考核中的失误次数或不规范操作的次数，包括吊具、车辆或货物碰到其它物体的次数,并可做出语音提示或评判；

f.可记录和查询学员在训练或考核中的平均作业效率；

g.可记录和查询学员的总体训练时间和每次上机的课时训练时间；

h.可记录和查询学员操作的作业运行轨迹；

i.可记录和查询学员在历次考核中的分数；

j.可打印学员的成绩报告单；

k.可进行训练条件的设定。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)安全性好。使用仿真训练机可以模拟高速、重载以及其它非常危险的环境以实现有安全保障的训练，杜绝事故隐患，减少事故损失。

2)经济性好。仿真训练机的成本远低于实际叉车设备。在训练过程中，还可以免除实机操作中的油耗、电耗及零部件的磨损。同时，仿真训练机使用周期长，维护简单，经济优势不可忽略。

3)适用面广。在仿真训练机软件系统中，可以方便地设定各种训练条件和参数，模拟不同的使用工况和环境条件；在同一套硬件系统中，配置不同类型的叉车仿真训练机模块，实现一机多用。例如，一台叉车驾驶操作仿真模拟器可以同时拥有集装箱正面吊运机、集装箱空箱堆高机两种类型起重机的操作训练功能。

4)培训效果好。通过使用仿真训练机，可以大大缩短学员的整个培训周期，使学员在较短的时间内完成培训任务。另外，仿真训练机可以非常方便地模拟出实际训练中很少遇到的突发性事件，培养学员准确的判断能力、良好的心理素质，以及正确处理紧急情况的能力，从而提高培训质量。

5)软、硬件不断升级。叉车驾驶操作仿真模拟器软、硬件可以不断升级，维护方便，与时俱进，适应新型叉车的产生和技术性能不断提高的要求。

在驾驶操作仿真模拟器上对学员进行培训时，教员可以方便地监控学员的学习状态、安全意识、技术掌握的熟练程度，计算机系统可以客观地对学员进行操作评分。

虽然仿真训练不能完全代替实机的操作训练，但学员在仿真训练机上接受训练后，获得一定的操作经验和技术，再到实机上实习，这样就可以较快较好地掌握实际操作技术。

附图说明

图1为本发明实施例中系统总体结构关系图；

图2为本发明实施例中操作部件信号流程图；

图3为本发明实施例中叉车操作训练虚拟现实系统软件层次结构图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

根据叉车驾驶操作训练模拟系统的功能定位，其总体结构主要由硬件和软件两部分组成。硬件设备由模拟驾驶舱、操纵控制系统、仪表系统、多媒体计算机及音响系统、教员控制台等构成。软件系统包括作业环境的计算机实时动画生成，叉车行驶动态仿真，声响模拟，操作评价，数据管理，网络控制，操作平台等。系统总体结构如图1所示。

驾驶操作训练模拟系统硬件平台设计

(1)模拟驾驶舱

驾驶舱的外形尺寸和布局与真实叉车完全相同。在模拟驾驶舱中装配有与实车完全相同的各种可操纵机构，如方向盘、离合器踏板、刹车踏板、油门踏板、三根货叉操作杆、刹车手柄、换向操纵杆、换挡操纵杆、转向灯开关、点火开关、仪表盘等，以便给学员带来最接近真实的驾驶感受。

(2)操纵控制系统

本系统包括了驾驶者控制叉车运动的基本操纵部件：方向盘、油门、离合、刹车、档位、换向以及货叉操纵杆，另外还有点火开关、转向指示灯等辅助性操作部件。这些部件信号的实时采集与控制是叉车驾驶操作训练模拟系统能否真正逼真模拟驾驶环境的最基本前提，是整个叉车驾驶操作训练模拟系统的核心部分之一。由于本系统要求与真实叉车完全操作感受尽量一致，因而在没有力和反馈装置的条件下，对于叉车运动控制的模拟主要由实车部件中的方向盘、油门、离合、刹车、档位和货叉操纵杆操作来完成。

驾驶员对操纵部件的操作经过传感器和接口，将方向盘转动的角度、油门的开度、离合器的状态、刹车的状态等模拟量经过A/D转换发送给计算机系统进行处理，同时把系统处理的实时数据如档位参数、速度等数字量经过D/A转换发送到车体部分显示仪表系统上，进而调整视景显示，使驾驶员实时观察驾驶车辆的运行情况。操作部件信号流程图如图2所示。

(3)仪表系统：仪表系统采用实车的仪表盘，负责车内仪表面板如计时表、转向灯、燃油表、预热指示灯等的实时更新。

(4)多媒体计算机：在本叉车驾驶仿真系统中，由于要满足实时交互与漫游且要同时输出五个屏幕，主机对显卡的要求较高，因此需要采用1G显存和4G内存，处理器主频采用8.5GHz以上。接口微处理器部分的主控芯片采用16位的顶级单片机来实现控制信号的识别和数据采集，并通过windows串API函数，完成单片机与主机之间的数据通信。

(5)音响系统：模拟行车过程中的环境音响，它是使驾驶员产生沉浸感的重要因素。音响系统需要模拟的声音有马达轰鸣、风响等，其中马达轰鸣的声音可由发动机转速负载来决定，而车胎的音响、风响，可由车速、转弯角度来决定。对于计算机实时视景系统，需要用计算机生成合成所应发出的声音，它接受来自根据车辆动力学仿真计算出车辆运行车速、振动和驾驶员对油门、档位等相应参数值，用计算机生成模拟声音，然后在通过声响处理系统同音响设备连接，配合车辆的行驶，产生相应的声响效果。

音频仿真系统软件采用基于windows环境的编制方法。windows操作系统使得应用程序与设备之间具有相对独立性，这种设备独立性又使得软件与硬件之问增添了许多中间层次，使得在windows平台上紧凑、实时的输入以及快速地生成声音变得十分困难。针对这种情况开发的基于windows的叉车驾驶模拟装置音频仿真系统，运用DirectX技术，能完全克服以上缺陷。

要仿真模拟叉车运行时的各种声音，要求这一套音频仿真系统必须达到如下的目标：

1)系统要能模拟出叉车运行时发出的所有声音；

2)系统对司机操纵的结果作出迅速的反应；

3)系统要对不同的声音进行混音，因为司机操纵叉车所发出的声音不是依次顺序发出的，可能有些声音彼此交叠在一起；

4)由于不同类型的叉车对应的声音不完全一样，这就要求系统有一定的灵活性和扩充性，以适应不同类型的叉车。

(6)教员控制台：主要用于相关数据的输入和输出，如：学员信息录入、班级管理、培训内容设置、操作环境条件设定、操作过程的监视、记录和重演、分析与评分、考核成绩输出等。

叉车操作训练模拟系统的软件部分是本模拟器系统的核心内容，它主要由系统控制层、叉车操作层和教学监控与管理三大部分组成。每个部分又分别包含若干子系统。若干参数设置根据机型本身特点而独立设置。系统软件模块层次结构如图3所示。

(7)系统控制层主要控制整个模拟器的硬件，接收和发出各种控制信号，将相关传感器的模拟信号转变为数字信号或者把计算机控制指令转化为模拟信号，控制叉车驾驶训练模拟器的投影、司机操作的输入和输出信号、音响效果等；控制层软件主要包括：数据采集模块、数据处理模块、数据输出模块。

1)数据采集模块

本系统要求能够采集各种模拟装置的信号，这些信号可以分为三个不同的类型：数字量、模拟量和开关量。

加速踏板、离合器踏板、行车制动踏板(三踏板)的踏板行程以及四根操纵杆分别反映供油量大小、离合器结合程度、制动力大小以及货叉移动和叉车前进后退，所以传感器应采集出的是连续变化的量，即模拟量。模拟量的采集要去抗干扰能力强，在设计中选择了线性位移传感器与相关机械连接组成。线性位移传感器的阻值变化特性为直线型，能够准确反映三踏板行程、货叉位移以及叉车前后运动距离的大小。

方向盘度采集模块采集转向盘的旋转的角度、方向。考虑在实际驾驶中转向盘要求有一定的间隙，在采集时，采集精度要高，所以选用了以角位移传感器为与转向盘的转向立柱连接用于采集转向装置转角，选用的角位移传感器最大测量角度为900°。

对于模拟器上的点火开关、车灯开关等开关量，主芯片可通过光电隔离器与微动开关相连，提取开关量，并转换为标准逻辑电平进行处理。

2)数据处理模块

在叉车操作模拟系统中，需要将采集到的无序的数据变成可用的有序的数据。为了不影响仿真系统的仿真效果，要使得数据处理模块的时间复杂度低、运算速度快、运算结果精确，可扩展，对于其他的系统也适用。

本系统中将各位移传感器采集到的电信号转换变为数字信号，利用接口函数采集该信号输入到数据处理程序模块进行分析计算。

对于各种开关量，则通过电信号转化，再通过编码器编码分通道通过数据采集函数与系统软件模块(程序)和系统之间进行数据交互。

对于方向盘所采用的角位移传感器角，则单独采用现场可编程逻辑阵列(FPGA)数据处理，FPGA不仅具有高精度的同步传输能力，而且具有速度高、体积小、抗干扰能力强的优点。由角位移传感器的传出的信号后送人FPGA处理器，在FPGA中进行计数处理，最后通过RS232与采集芯片通信，并传输到主控芯片。

3)数据输出模块

在单片机输出计算机可识别的数字信号后，这些信号和叉车的参数一起作为叉车动力学模型的输入，计算出叉车当前的工况和各个构件的状态数据。这些数据被分别传送到视景、音响等系统，作为它们各自运行的输入量,从而实现模拟系统的实时控制。

(8)操作层软件模块：基于对叉车驾驶训练模拟系统的流程和功能的分析，可以看到叉车训练模拟系统操作层主要分为叉车驾驶训练和叉车作业训练、叉车考试三大模块。为了帮助学员早日熟悉叉车的相关结构，在本系统中特意加入了叉车展示的模块。此外，由于叉车作业的环境各不相同，本系统在叉车作业训练模块中提供了场景编辑器，方便用户对叉车作业场景编辑，也提高了本系统的可扩展性。

1)系统功能设计

叉车驾驶训练模拟系统必须符合国家叉车驾驶执照考试的相关规定并满足叉车驾驶员训练的相关需求，根据本项目前期的调研和分析，叉车驾驶训练模拟系统功能及描述如下表。

叉车驾驶训练模拟系统功能及描述

2)叉车展示模块

叉车展示模块主要负责对叉车的整车结构及相关部件、工具进行三维展示，帮助学员对叉车建立一个直观的印象，为后面驾驶操作的学习提供帮助。叉车展示模块不仅可以帮助学员学习，而且为叉车培训机构节约了大笔购买叉车的费用。

3)叉车驾驶训练模块

叉车驾驶训练模块将国家规定的叉车驾驶执照考试中桩考的科目进行了分解，以便初学者更容易的掌握叉车各种驾驶技巧。分解后的项目有：“8”字形行驶、侧方位移、通道驾驶、倒车入库等。训练科目分等级，在训练环境的设计上力求与真实场地考试相同，同时本模块还提供了场地综合训练模块，学员可根据自己的需要选择相关科目进行组合训练也可以进行完整的场内行驶训练。

4)叉车作业训练模块

叉车作业模块将国家规定的叉车驾驶执照考试中作业考试的科目进行了分解，以便初学者更容易的掌握叉车各种驾驶技巧。分解后的项目有：起升载荷训练、堆卸箱训练等。在训练环境的设计上力求与真实场地考试相同，同时本模块还提供了作业场景编辑器，教员对系统中的作业场景进行修改也可根据本单位实际情况编辑相应的作业环境。

5)叉车考试模块

叉车考试模块包括叉车实际操作考试的所有内容，本模块中使用的桩杆、场地尺寸与真实情况完全相同。学员按规定的行驶线路(包括规定的属具)行驶和操作，其目的是考核学员对车辆的安全操控能力。考试内容分成场绕圈迂回考核、正逆迂回考核、拆垛作业考核、移库场地考核和综合场地考核几项。

(9)教学监控与管理模块：教师通过教学监控与管理软件系统可实时了解学员的操作情况，还可通过教学管理软件调整教学内容等等。通过教员控制台主机实时显示和记录学员操作，并进行评判。教师端还可对学员、班级进行管理。

教学管理软件具体功能如下：