自适应调整训练场景的驾驶模拟训练系统和方法与流程

本发明涉及驾驶模拟训练领域，具体而言涉及一种自适应调整训练场景的驾驶模拟训练系统和方法。

背景技术：

目前可用于训练的车辆和场地都很有限，学员通常需要花费较大的代价去学习驾驶，并且某些特殊地形或者环境条件下的训练根本无法展开，未经大量训练的学员在操作车辆时也容易引发较大的问题甚至伤亡，安全隐患差，如果投入大量车辆用于训练，车辆的成本和维修费相当高，同时还会产生较大的噪音污染和废气污染。概括来讲，现有的驾驶训练存在高成本、高危险、场地不足等限制。

另外，学员在训练时难免会出现差错，如果用实车训练，通常有两种选择，一是反复将实车转移至原场景，再由学员操作；二是反复练习当前整个场景段，以增加练习差错场景的次数。前者耗时费力，需要专业人员随时协助将实车转移至原场景，后者将会耗费太多的时间在已经熟练掌握的场景上，学员得不到针对性训练。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种自适应调整训练场景的驾驶模拟训练系统和方法，记录分析用户在驾驶过程中出现的异常行驶状态和无法行驶状态，针对性的在后续的训练场景中插入多次出现异常行驶状态或者无法行驶状态的虚拟视景场景，使用户以较高的效率和较短的时间得到更好的训练效果。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出自适应调整训练场景的驾驶模拟训练系统，包括驾驶运动模拟装置、安装有虚拟视景软件的计算机、数据采集装置、自适应调整装置；

所述驾驶运动模拟装置包括载具、运动模拟平台以及位置控制回路；

所述运动模拟平台包括相互平行的上平台和下平台，下平台固定在地面上，上平台和下平台之间连接设置有一伺服驱动机构；

所述载具内安装有若干个座椅、用于模拟真实车辆操作的操纵器、显示单元，载具固定安装在运动模拟平台的上平台之上；

所述虚拟视景软件包括虚拟视景生成模块、模型精简模块、虚拟视景存储模块、虚拟视景处理模块、虚拟视景设定模块、虚拟视景播放模块；

所述虚拟视景生成模块用以生成虚拟视景场景，生成的虚拟视景场景经模型精简模块精简后存储进虚拟视景存储模块，每种虚拟视景场景均具有其独立的编号、地形参数、环境参数；

所述虚拟视景设定模块用以让用户从虚拟视景存储模块中通过编号选取任意一种或者多种虚拟视景场景，将之组合成一种训练场景，发送给虚拟视景播放模块；

所述虚拟视景播放模块与显示单元连接，将接收到的训练场景通过显示单元以显示给用户；

所述数据采集装置包括安装在座椅上用于实时探测座椅所承受压力的压力传感器、用于采集当前操纵器操作参数的操纵器采集单元、用于采集当前虚拟视景场景的场景采集单元；

所述数据采集装置与虚拟视景处理模块连接，将采集到的当前操纵器的操作参数、座椅承受的压力以及当前虚拟视景场景，实时发送给虚拟视景处理模块，虚拟视景处理模块分析处理接收到的信息，判断在当前操纵器操作参数和座椅承受的压力条件下当前虚拟视景场景产生的变化，生成新的虚拟视景场景，并发送给虚拟视景播放模块，虚拟视景播放模块通过显示单元以显示给用户；

所述虚拟视景处理模块生成的新的虚拟视景场景的播放优先级高于虚拟视景设定模块中未播放的虚拟视景场景；

所述数据采集装置采集的当前操纵器的操作参数、以及当前虚拟视景场景同时发送给位置控制回路，位置控制回路将之分析处理后，生成当前虚拟视景场景和操纵器操作参数条件下运动模拟平台的运动状态指令，并且将运动状态指令解析成伺服驱动机构的运动指令；

所述伺服驱动机构与位置控制回路连接，响应于位置控制回路的运动指令，驱动上平台进行动作，使固定在上平台上的载具的运动状态与运动状态指令指定的运动状态相同；

使所述载具产生碰擦、侧滑、滑转、颠簸运动状态的运动状态指令被定义成异常行驶指令；

使所述载具产生熄火、离开当前虚拟视景场景、碰撞运动状态的运动状态指令被定义成无法行驶指令；

使所述载具保持平稳行驶状态的运动状态指令被定义成正常行驶指令；

所述自适应调整装置包括用于生成警告信号的警告模块、用于生成警示信号的警示模块、用于采集当前虚拟视景场景的虚拟视景采集模块、用于插入虚拟视景场景的虚拟视景插入模块；

所述警告模块响应于无法行驶指令，生成警告信号；

所述警示模块响应于异常行驶指令，生成警示信号；

所述虚拟视景采集模块与警告模块、警示模块连接，响应于警告信号和/或警示信号，采集当前虚拟视景场景，并将采集的虚拟视景场景发送给虚拟视景插入模块；

所述虚拟视景插入模块响应于警告信号，自适应地在后续的虚拟视景场景中插入m次采集的虚拟视景场景；

所述虚拟视景插入模块响应于警示信号，自适应地在后续的虚拟视景场景中插入n次采集的虚拟视景场景；

所述m、n均为大于零的正整数。

基于前述自适应调整训练场景的驾驶模拟训练系统，本申请还提及一种自适应调整训练场景的驾驶模拟训练方法，该方法包括：

步骤1、选取一种或者多种虚拟视景场景，合成训练场景，用户操作驾驶模拟训练系统模拟行驶在该训练场景中；

步骤2、数据采集装置采集当前虚拟视景场景中的地形参数和环境参数、操纵器操作参数、座椅所受的压力，将之发送给位置控制回路和虚拟视景处理模块；

步骤3、位置控制回路和虚拟视景处理模块结合动力学模型进行动力学分析，判断出车辆在当前情形下的行驶状态和视景变化，同时进行以下两个操作：1)位置控制回路生成运动状态指令，驱动伺服驱动机构运动，使载具的运动状态与运动状态指令指定的运动状态相同，2)虚拟视景处理模块生成新的虚拟视景场景，并且将之通过显示单元以显示给用户；

步骤4、分析判断运动状态指令的性质，选择以下三种情形中的任意一种：

1)如果是无法行驶指令，生成警告信号，自适应调整装置响应于警告信号，自适应地在后续的虚拟视景场景中插入m次当前虚拟视景场景；

2)如果是异常行驶指令，生成对应的警示信号，自适应调整装置响应于警示信号，自适应地在后续的虚拟视景场景中插入n次当前虚拟视景场景；

3)如果是正常行驶指令，不生成任何信号，继续在当前训练场景中训练。

由以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

记录分析用户在驾驶过程中出现的异常行驶状态和无法行驶状态，针对性的在后续的训练场景中插入多次出现异常行驶状态或者无法行驶状态的虚拟视景场景，使用户以较高的效率和较短的时间得到更好的训练效果。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的自适应调整训练场景的驾驶模拟训练系统的结构示意图。

图2是本发明的位置控制回路的结构示意图。

图3是本发明的驾驶运动模拟装置的结构示意图。

图4是本发明的运动模拟平台的结构示意图。

图5是本发明的自适应调整训练场景的驾驶模拟训练方法的流程图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

本发明提及一种自适应调整训练场景的驾驶模拟训练系统，除了能够从视觉和体感上同时再现驾驶真实装甲车时的操作感，还能够记录分析用户在驾驶过程中不熟练或者容易出错的场景，将该场景自适应地插入后续的场景之中，使用户得到具有一定针对性的训练。

该驾驶模拟训练系统包括驾驶运动模拟装置100、安装有虚拟视景软件200的计算机、数据采集装置300和自适应调整装置400。

驾驶运动模拟装置100用于模拟实现车辆的运动状态变化，使用户从体感上感受真实车辆的操作，驾驶运动模拟装置100包括载具101、运动模拟平台102和位置控制回路103。

载具101是参照真实的车辆结构，同比例缩小或者仅选取驾驶位形成。当然，载具101也可以和真实车辆同一结构，以达到最大的真实度，但此种方案成本较高。

载具101安装在运动模拟平台102上，运动模拟平台能够实现六自由度的运动过程，由此携带位于其上的载具101实现六自由度的运动。

用户所在的载具101内设置有一操纵器101b，和载具101类似，操纵器101b可以选择和真实车辆一样的配置、或者采用带有体感反馈回路的模拟操纵器来尽可能达到最大的操作真实感。

载具101里还具有一仪表单元，仪表单元用以实时显示当前操纵器101b操作参数以及载具101的模拟运动参数。

通过以上各种结构件，使用户从视觉和体感上两方面同时感觉正操作真实的车辆行驶在真实的场景中。

运动模拟平台102包括相互平行的上平台102b和下平台102a，下平台102a固定在地面上，或者先在地面上固定设置一基座，下平台102b安装在该基座上，便于拆卸移运和日常保养。

上平台102b和下平台102a之间连接设置有一伺服驱动机构102c，通过该伺服驱动机构102c使上平台实现六自由度的运动过程。

载具101安装在上平台102b之上，跟随上平台102b运动。

载具101内设置有若干个座椅、用于模拟真实车辆操作的操纵器101b、用于显示虚拟视景场景的显示单元101a，载具101和操纵器101b的结构在前已经描述过，此处不再赘述，本处仅说明显示单元101a的相关设置。应当理解，为了达到最真实的效果，显示单元101a通常采用与真实车辆视觉相近或者相同的显示器，而由于近年来虚拟现实技术的进步，此处，我们还可以采用基于虚拟现实技术的显示设备，例如头戴式虚拟现实显示设备等，达到更好的显示效果。

伺服驱动机构102c具有多样性，我们可以采用现有技术所提及的六自由度运动平台，也可以根据车辆的行进特性调整参数，构造最合适的运动模拟平台。

结合图4、图5，下面为一伺服驱动机构102c的示例之一，伺服驱动机构102c包括该示例但不仅限于此。

伺服驱动结构102c包括第一电动缸、第二电动缸、第三电动缸、第四电动缸、第五电动缸、第六电动缸，前述所有电动缸的一端通过虎克铰安装在上平台上，另一端通过虎克铰安装在下平台102a上。

第一电动缸与下平台102a的铰接点被定义成a点，第二电动缸与下平台102a的铰接点被定义成a’点，a点和a’点无限接近。

第三电动缸与下平台102a的铰接点被定义成b点，第四电动缸与下平台102a的铰接点被定义成b’点，b点和b’点无限接近。

第五电动缸与下平台102a的铰接点被定义成c点，第六电动缸与下平台102a的铰接点被定义成c’点，c点和c’点无限接近。

上平台102b与下平台102a一一垂直对应的位置也布设有相互临近的a点和a’点、b点和b’点、c点和c’点，其中，a点与a点对应，b点和b点对应，c点和c点对应，a’点与a’点对应，b’点与b’点对应，c’点与c’点对应。

第一电动缸与上平台102b的铰接点为b点，第二电动缸与上平台102b的铰接点为c点。

第三电动缸与上平台102b的铰接点为a点，第四电动缸与上平台102b的铰接点为c’点。

第五电动缸与上平台102b的铰接点为a’点，第六电动缸与上平台102b的铰接点为b’点。

a点、b点、c点形成一三角形，该三角形的外切圆将下平台102a包含在内。

位置控制回路103同伺服驱动机构102c，可以采用现有技术中的位置控制回路，也可以调整其中的参数以使其更适合车辆的运动姿态，以下是其中一种位置控制回路103的示例：

结合图3，位置控制回路103包括主控机103a、d/a转换单元103b、控制器103c、传感器组103d、a/d转换单元103e。

主控机103a、d/a转换单元103b、控制器103c、伺服驱动机构102c依次连接，传感器组103d、a/d转换单元103e、主控机103a依次连接。

主控机103a生成运动状态指令，将之解析成伺服驱动机构102c的运动指令，运动指令经d/a转换单元103b转换后发送至控制器103c，控制器103c根据接收到的运动指令驱动伺服驱动机构102c动作，使载具101的运动状态与运动状态指令指定的运动状态相同。

传感器组103d安装在载具101上，实时探测载具101的运动状态及位置姿势，并将探测结果经a/d转换单元103e转换后反馈给主控机103a。主控机103a将接收到的传感器组103d反馈的结果与运动状态指令相比较，生成误差指令，误差指令经d/a转换单元103b转换后发送至控制器103c。

传感器组103d可以采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪。

结合上述示例中的伺服驱动机构102c和位置控制回路103，我们阐述下本申请所提及的驾驶运动模拟装置100的运动过程。

位置控制回路103运用动力学模型进行动力学分析，判断生成一运动状态指令，再反向计算出运动模拟平台各关节连杆相应的位置和速度，这成为运动综合或运动学的逆向问题。需要设定不同的坐标系，确定坐标变换矩阵，推导出运动学方程，建立系统数学模型(欧拉角定理)，这是实现模拟运动平台自动控制的关键问题。此处可采用x，y，z，α，β，γ坐标系，其中，x代表水平移动，y代表垂直移动，z代表上下，α代表俯仰角，β代表倾侧角，γ代表转向角。

位置控制回路103需要实时发送前述六个电动缸的运动指令，同时检测载具101的实际姿态(速度、位置信息等)，构成对运动模拟平台102数字式闭环控制，通过计算确保六只电动缸的协调动作以及控制精度。

此处也可以采用数字缸，如此便可取消了前述的电动缸、传感器组103d、a/d转换103e和d/a转换103b等诸多环节，它是将传感器、数字阀等全部做到油缸内部，形成自动位置反馈和速度反馈。数字缸可以直接接受计算机发出的数字脉冲信号进行可靠的工作。

虚拟视景软件200包括虚拟视景生成模块201、模型精简模块202、虚拟视景存储模块203、虚拟视景处理模块204、虚拟视景设定模块205、虚拟视景播放模块206。

虚拟视景生成模块201用以生成虚拟视景场景，生成的虚拟视景场景经模型精简模块202精简后存储进虚拟视景存储模块203，每种虚拟视景场景均具有其独立的编号、地形参数、环境参数，此处可提供一些关键词，例如山地、颠簸等级、风向、风力等级、雨雪等级、道路尺寸等。

虚拟视景设定模块205用以让用户从虚拟视景存储模块203中通过编号或者关键词选取任意一种或者多种虚拟视景场景，将之组合成一种训练场景，发送给虚拟视景播放模块206，以此实现针对性的训练。

虚拟视景播放模块206与显示单元101a连接，将接收到的训练场景通过显示单元101a以显示给用户。

而要实现前述驾驶模拟训练方法中的体感变化和视觉变化，本驾驶模拟训练系统还需要设置一数据采集装置300，以采集包括场景参数、操纵器参数、载具内载人情况等信息，收集的信息越多，模拟的真实性就越强，但同时，需要运算的过程也越长，计算量越大。

结合图2，综合考虑信息收集和运算速度，本申请设置的数据采集装置300包括安装在座椅上用于实时探测座椅所承受压力的压力传感器301、用于采集当前操纵器操作参数的操纵器采集单元302、用于采集当前虚拟视景场景的场景采集单元303。

数据采集装置300与虚拟视景处理模块205连接，将采集到的当前操纵器的操作参数、座椅承受的压力以及当前虚拟视景场景，实时发送给虚拟视景处理模块205，虚拟视景处理模块205分析处理接收到的信息，判断在当前操纵器操作参数和座椅承受的压力条件下当前虚拟视景场景产生的变化，生成新的虚拟视景场景，并发送给虚拟视景播放模块206，虚拟视景播放模块206通过显示单元以显示给用户。

如前所述，虚拟视景处理模块205生成的新的虚拟视景场景的播放优先级高于虚拟视景设定模块204中未播放的虚拟视景场景。

数据采集装置300采集的当前操纵器的操作参数、以及当前虚拟视景场景同时发送给位置控制回路103，位置控制回路103将之分析处理后，生成当前虚拟视景场景和操纵器操作参数条件下运动模拟平台102的运动状态指令，并且将运动状态指令解析成伺服驱动机构102c的运动指令。

伺服驱动机构102c与位置控制回路103连接，响应于位置控制回路103的运动指令，驱动上平台102b进行动作，使固定在上平台102b上的载具101的运动状态与运动状态指令指定的运动状态相同。

在前述结构的基础上，我们在该驾驶模拟训练系统上另外设置一自适应调整装置400，自适应调整装置400包括用于生成警告信号的警告模块401、用于生成警示信号的警示模块402、用于采集当前虚拟视景场景的虚拟视景采集模块403、用于插入虚拟视景场景的虚拟视景插入模块404.

在描述自适应调整装置400的工作原理之前，我们先将前述位置控制装置103生成的运动状态指令做一个分类，将之分为三类：

第一类，异常行驶指令，其包括一切模拟车辆发生异常行驶，但并未停止行驶或者离开当前虚拟视景场景的运动状态指令，例如碰擦、侧滑、滑转、颠簸等。

第二类，无法行驶指令，其包括一切模拟车辆停止行驶或者已经离开当前虚拟视景场景，训练场景无法继续的运动状态指令，例如熄火、离开当前场景、碰撞等。

第三类，正常行驶指令，其包括一切模拟车辆保持平稳行驶状态的运动状态指令。

而自适应调整装置400的工作原理正是基于判别以上三类运动状态指令，判断用户通过该场景时是否出现了异常，如果出现异常，则抓取当前虚拟视景场景，再自适应地插入后续的训练场景中，使用户有机会在同一个训练场景的训练中得到更多关于其弱项的训练。

具体实现原理如下：

警告模块401响应于无法行驶指令，生成警告信号；警示模块402响应于异常行驶指令，生成警示信号；当运动状态指令为正常行驶指令时，不生成任何信号，车辆继续按当前训练场景的编排练习。

虚拟视景采集模块403与警告模块401、警示模块402连接，响应于警告信号和/或警示信号，采集当前虚拟视景场景，并将采集到的虚拟视景场景发送给虚拟视景插入模块404。

虚拟视景插入模块404响应于警告信号，自适应地在后续的虚拟视景场景中插入m次采集的虚拟视景场景。

虚拟视景插入模块404响应于警示信号，自适应地在后续的虚拟视景场景中插入n次采集的虚拟视景场景。

此处m、n均为大于零的正整数。通常m被设置成大于n，这也是因为警告信号代表的是训练过程中出现了较为严重的问题，需要更加认真的对待、改正，练习次数增加的较多。

当然，以上运动状态指令的定义是可以另行设置的。

例如，在前述例子中，滑转、侧滑被看作异常行驶，也可以人为定义成无法行驶或者正常行驶，其余行驶状态也同样如此，由管理人员或者用户根据需要自行设置。

管理人员或者用户还可以根据载具101的运动状态作为基准生成警告信号或者警示信号，比如通过数据采集装置300反馈的载具101的姿态、位置来判断。

自适应调整装置还具有一记录模块405，该记录模块405用以详细记录用户在一次训练场景中出现的行驶状态的种类和数量，帮助用户掌握自己的训练情况。

为了识别不同的用户，自适应调整装置还具有一身份识别模块406，该识别方式可以选择指纹、刷卡、登陆口令等各种身份识别确认模块。

众所周知，在装甲车的行进已经操作过程中，是会产生一些音效的，例如发动机工作时传至驾驶员耳内的声音等，为了最真实的还原车辆实际操作体验，本申请还设置了用于模拟车辆行进和操作的声觉模拟装置。

声觉模拟装置包括安装在载具内的音响单元、以及安装在计算机中的音效存储模块、音效处理模块。

音效存储模块用以存储操作真实车辆时产生的若干种音效，该若干种音效与操纵器的操作动作一一对应。

数据采集装置300将当前操纵器101b的操作参数发送至音效处理模块，音效处理模块响应于接收到的数据采集装置300的反馈结果，调取对应的音效通过音响单元以播放给用户。

通过上述声觉模拟装置，能够让用户在操作驾驶模拟训练系统时从声觉上感受车辆操作，快速准确地掌握车辆运行时的声音，达到更好的训练效果。

基于前述自适应调整训练场景的驾驶模拟训练系统，本申请提出一种自适应调整训练场景的驾驶模拟训练方法，该方法包括：

步骤1、选取一种或者多种虚拟视景场景，合成训练场景，用户操作驾驶模拟训练系统模拟行驶在该训练场景中；

步骤2、数据采集装置300采集当前虚拟视景场景中的地形参数和环境参数、操纵器101b操作参数、座椅所受的压力，将之发送给位置控制回路103和虚拟视景处理模块205；

步骤3、位置控制回路103和虚拟视景处理模块205结合动力学模型进行动力学分析，判断出车辆在当前情形下的行驶状态和视景变化，同时进行以下两个操作：1)位置控制回路103生成运动状态指令，驱动伺服驱动机构102c运动，使载具101的运动状态与运动状态指令指定的运动状态相同，2)虚拟视景处理模块205生成新的虚拟视景场景，并且将之通过显示单元101a以显示给用户；

步骤4、分析判断运动状态指令的性质，选择以下三种情形中的任意一种：

1)如果是无法行驶指令，生成警告信号，自适应调整装置400响应于警告信号，自适应地在后续的虚拟视景场景中插入m次当前虚拟视景场景；

2)如果是异常行驶指令，生成警示信号，自适应调整装置400响应于警示信号，自适应地在后续的虚拟视景场景中插入n次当前虚拟视景场景；

3)如果是正常行驶指令，不生成任何信号，继续在当前训练场景中训练。

前述的自适应地在后续的虚拟视景场景中插入当前虚拟视景场景，指的是，每隔设定行驶距离后插入一次当前虚拟视景场景。

前述的设定行驶距离可以通过设置一设定模块来人为设置，优选的，设置为2公里，还可以选择为随机设置，增加训练的不可控性，提高用户训练效果。

从而，本发明提及一种自适应调整训练场景的驾驶模拟训练系统和方法，记录分析用户在驾驶过程中出现的异常行驶状态和无法行驶状态，针对性的在后续的训练场景中插入多次出现异常行驶状态或者无法行驶状态的虚拟视景场景，使用户以较高的效率和较短的时间得到更好的训练效果。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。