專利名稱：一種聯(lián)合收割機駕駛操縱試驗臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種駕駛模擬器，特別是關于一種某型號聯(lián)合收割機駕駛操縱試驗臺。
背景技術：
駕駛模擬器是利用虛擬現(xiàn)實仿真技術營造一個虛擬的駕駛訓練環(huán)境，人們通過駕 駛模擬器的操作部件與虛擬的環(huán)境進行交互，從而進行駕駛訓練。廣義上的駕駛模擬器包 括汽車駕駛模擬器、飛機駕駛模擬器以及船舶駕駛模擬器等等。相對于其他駕駛模擬器，汽 車駕駛模擬器是應用最為廣泛的。汽車駕駛模擬器，又稱為汽車模擬駕駛仿真系統(tǒng)，是一種 能正確模擬汽車駕駛動作，獲得實車駕駛感覺的仿真設備。它集合了虛擬現(xiàn)實技術、機械傳 動技術、計算機圖形學、三維實時渲染技術、計算機接口技術和數(shù)據(jù)通信技術等先進技術， 能根據(jù)駕駛者輸入的加速、剎車或轉向等信號按數(shù)學方法計算出車輛的預期行為，并通過 視頻和音頻設備反饋給駕駛者。借助于駕駛模擬器，能對汽車駕駛員-道路(環(huán)境)相互 作用關系進行研究，也能對駕駛人員進行訓練。由于具有安全性高、再現(xiàn)性好、可開發(fā)性強 和成本低等顯著特點，近年來，研究開發(fā)型駕駛模擬器已成為國際上的一個重要發(fā)展方向。聯(lián)合收割機作為農業(yè)機械中重要的一類，對于農業(yè)產業(yè)的發(fā)展起著關鍵性的作 用。改革開放以來，特別是自上世紀90年代起，我國農業(yè)機械裝備總量穩(wěn)步增長，農業(yè)機械 作業(yè)水平逐步提高。我國農業(yè)機械化，尤其是聯(lián)合收割機的巨大發(fā)展，大大提高了農業(yè)勞動 生產率，提升了農業(yè)的綜合生產能力，加快了傳統(tǒng)農業(yè)向現(xiàn)代農業(yè)轉變。但是中國的聯(lián)合 收割機的設計水平遠遠落后于國外。駕駛室是駕駛員的作業(yè)場所，在駕駛室的設計中，應用 人機工程學，其目的就是使所設計的駕駛室不僅能滿足駕駛員的作業(yè)要求，而且能使駕駛 員操作方便、舒適、安全，減少體力疲勞和精神負擔。如果界面設計不合理，駕駛員在操作過 程中，就會以人類固有的柔韌性和適應性，總是努力使自己順應車內布置，使包含人在內的 整個系統(tǒng)盡可能地良好，從而使人在不知不覺中產生駕駛疲勞，效率下降，很容易產生判斷 失誤和操作失誤，引發(fā)交通事故。如果人長期在震動劇烈、噪音嚴重的環(huán)境下工作，會嚴重 影響人的生理健康。研究開發(fā)農業(yè)裝備駕駛室虛擬人機工程學設計與評價系統(tǒng)，可以使農 業(yè)裝備生產企業(yè)設計人員方便地對農業(yè)裝備駕駛室的人機界面進行設計與評價，以改善產 品性能，縮短產品生產周期，降低生產成本，具有較好的經濟效益。聯(lián)合收割機駕駛操縱試 驗臺作為農業(yè)裝備駕駛室虛擬人機工程學設計與評價系統(tǒng)的一部分，是重要的交互試驗平 臺。

發(fā)明內容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠真實再現(xiàn)聯(lián)合收割機駕駛作業(yè)的聯(lián) 合收割機駕駛操縱試驗臺。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案一種聯(lián)合收割機駕駛操縱試驗臺，其 特征在于它包括一聯(lián)合收割機駕駛室、一信號采集單元、一信號處理單元和一虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；所述聯(lián)合收割機駕駛室包括若干駕駛室元部件、若干傳感器和一底座；所述駕駛室元 部件包括卸糧離合、主離合、轉向盤、制動踏板、油門踏板、座椅、手油門、熄火拉線、換擋手 柄、無極變速手柄、割臺升降手柄和撥禾輪升降手柄，各所述駕駛室元部件根據(jù)聯(lián)合收割機 駕駛室人機界面中各個操縱元件的布置裝配在所述底板上；各所述駕駛室元部件上均安裝 有所述傳感器，各所述傳感器依次連接所述信號采集單元、信號處理單元和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)； 所述虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中設置有虛擬聯(lián)合收割機模型和虛擬場景模型；所述信號采集單元采集 各所述駕駛室元部件上的傳感器信號，并通過串口輸出到所述信號處理單元，所述信號處 理單元將標定處理后的所述傳感器信號傳給所述虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，從而驅動所述虛擬聯(lián)合收 割機模型同步運動。所述駕駛室元部件還包括離合踏板和預留手柄。各所述駕駛室元部件根據(jù)聯(lián)合收割機駕駛室人機界面中各個操縱元件輸出的信 號類型選定合適的傳感器所述卸糧離合、主離合、離合踏板、熄火拉線和換擋手柄采用微 動開關來輸出它們的操作信號；所述制動踏板、油門踏板、手油門、無級變速手柄、割臺升降 手柄和撥禾輪升降手柄采用多圈電位器來輸出它們的操作信號；所述轉向盤采用精度較高 的光電編碼器來輸出它的操作信號，所述光電編碼器有360個柵格，每旋轉一個角度輸出 一個脈沖；所有所述傳感器均采用5V電源供電，各個所述傳感器為并聯(lián)電路。采用換擋工字板來規(guī)范所述換擋手柄的行程，所述換擋工字板為一塊開設有工字 槽的金屬板，所述工字槽包含四個檔位。所述制動踏板通過一撥桿與所述離合踏板的傳動軸連接，所述傳動軸兩端與左、 右支撐板連接，所述左、右支撐板固定在所述底板上；所述撥桿的擺動端連接一連桿，所述 連桿固定連接所述多圈電位器的軸，所述多圈電位器固定在所述右支撐板上。所述虛擬聯(lián)合收割機模型為首先利用Urographies NX軟件按照實際聯(lián)合收割機 尺寸進行精確建模，通過第三方軟件轉化為能夠應用到所述虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行實時操作仿 真的虛擬模型；然后用虛擬現(xiàn)實建模軟件MultiGen Creator對所述虛擬模型進行層級結 構劃分、添加dof 節(jié)點和運動特性；最后在Vega Prime API中用相應函數(shù)對dof 節(jié)點的運 動方向和速度進行控制。本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明在已有某型號聯(lián)合駕 駛室內部各元部件的基礎上，將各駕駛室元部件進行裝配設計，組裝成一套聯(lián)合收割機駕 駛室人機交互界面，并通過傳感器將該駕駛室與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建立關聯(lián)，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 中實現(xiàn)聯(lián)合收割機駕駛員的實際操作過程，能夠模擬真實的聯(lián)合收割機駕駛室人機界面， 獲取駕駛員的操縱行為，可以使農業(yè)裝備生產企業(yè)設計人員方便地對聯(lián)合收割機駕駛室的 人機界面進行設計與評價，以改善產品性能，縮短產品生產周期，降低生產成本，具有較好 的經濟效益。2、本發(fā)明應用Visual C++, net結合Vega Prime軟件開發(fā)的虛擬現(xiàn)實交互程 序，可以隨時更換場景模型，便于不同試驗要求的更改。3、本發(fā)明精度和靈敏度較高，能夠 真實再現(xiàn)聯(lián)合收割機的駕駛作業(yè)，進而開展相關人機工程學試驗。


圖1是本發(fā)明的總體結構框2是本發(fā)明聯(lián)合收割機駕駛室的硬件布置圖
5
圖3是本發(fā)明換擋工字板的結構示意4是本發(fā)明制動踏板的安裝示意5是本發(fā)明控制聯(lián)合收割機模型實時運動的流程示意圖
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本進行詳細的描述。如圖1所示，本發(fā)明包括一聯(lián)合收割機駕駛室1、一信號采集單元2、一信號處理單 元3和一虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)4。聯(lián)合收割機駕駛室1包括若干駕駛室元部件5、若干傳感器6和 一底座7，各駕駛室元部件5裝配在底座7上，且各駕駛室元部件5上均安裝有傳感器6。各 傳感器6依次連接信號采集單元2、信號處理單元3和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)4。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)4中 設置有虛擬聯(lián)合收割機模型8和虛擬場景模型9，各駕駛室元部件5通過傳感器6驅動虛擬 現(xiàn)實系統(tǒng)4中的虛擬聯(lián)合收割機模型8同步運動，從而在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)4中實現(xiàn)聯(lián)合收割 機駕駛員的實際操作過程。下面詳細說明本發(fā)明的具體設計過程1)聯(lián)合收割機駕駛操縱試驗臺的硬件安裝設計①聯(lián)合收割機駕駛室1的硬件總體設計如圖2所示，駕駛室元部件5包括卸糧離合10、主離合11、離合踏板12、轉向盤13、 制動踏板14、油門踏板15、座椅16、手油門17、熄火拉線18、換擋手柄19、無極變速手柄20、 割臺升降手柄21、撥禾輪升降手柄22和預留手柄23，各駕駛室元部件5主要根據(jù)農業(yè)生產 中常用聯(lián)合收割機駕駛室人機界面中各個操縱元件的布置固定在底板7上，并運用人機工 程學的知識進行改進。同時，各駕駛室元部件5根據(jù)各個操縱元件輸出的信號類型選定合 適的傳感器6 其中卸糧離合10、主離合11、離合踏板12、熄火拉線18和換擋手柄19等在 使用時最終都停在某一兩個固定的位置，它們輸出的是點信號，所以采用微動開關24來輸 出它們的操作信號；而轉向盤13、制動踏板14、油門踏板15、手油門17、無級變速手柄20、 割臺升降手柄21和撥禾輪升降手柄22輸出的是連續(xù)變化的量，因此制動踏板14、油門踏板 15、手油門17、無級變速手柄20、割臺升降手柄21和撥禾輪升降手柄22使用多圈電位器25 來輸出它們的操作信號；由于轉向盤13輸出的信號要求精度比較高，所以轉向盤13所選用 的傳感器6采用精度較高的光電編碼器26，光電編碼器26有360個柵格，每旋轉一個角度 輸出一個脈沖。所有傳感器6均采用5V電源供電，各個傳感器6為并聯(lián)電路。上述實施例中，由于有些型號的聯(lián)合收割機是自動擋，因此其不包含離合踏板12， 并且預留手柄23作為備用功能，有些型號的聯(lián)合收割機也不包含預留手柄23。②換擋位置的固定在聯(lián)合收割機上，換擋手柄連接的是變速器，通過變速器中的鎖緊裝置使換擋手 柄19固定在檔位上，由于本發(fā)明并沒有變速器，因此需要有固定換擋手柄19的裝置。如圖 3所示，本發(fā)明采用換擋工字板27來規(guī)范換擋手柄19的行程，換擋工字板27為一塊開設有 工字槽28的金屬板，工字槽28包含四個檔位。③制動踏板14信號的輸出制動踏板14近似是上下運動，輸出的是連續(xù)變化的量，傳感器6采用的是多圈電 位器25，多圈電位器25需要采集的是角度信號，這就需要將制動踏板14的上下運動轉換成旋轉運動，故采用下面的技術方案來實現(xiàn)如圖4所示，制動踏板14通過一撥桿29與離合踏板12的傳動軸30連接，傳動軸 30兩端與左、右支撐板31、32連接，左、右支撐板31、32固定在底板7上。撥桿29的擺動 端連接一連桿33，連桿33固定連接多圈電位器25的軸，多圈電位器25固定在右支撐板32 上。當踩下制動踏板14時，制動踏板14繞傳動軸30向下轉動，與此同時撥桿29也被帶動 繞傳動軸30轉動，撥桿29帶動連桿33繞多圈電位器25的軸轉動，由于多圈電位器25的 軸與連桿33固定，無轉動，從而多圈電位器25就有了角度信號。2)本發(fā)明的信號采集硬件設計完成后，需要由信號采集單元2采集傳感器信號，通過串口輸出到信號 處理單元3，信號處理單元3將標定處理后的傳感器信號傳給虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)4，從而實現(xiàn)各 駕駛室元部件5對虛擬聯(lián)合收割機模型8的實時運動控制。信號采集單元2的設計過程如 下試驗臺電路板共計有27個信號輸出口，其中20個開關信號和7個模擬信號。將 全部信號儲存在10個字節(jié)中(16進制)，其中轉向盤的模擬信號占用兩個字節(jié)，數(shù)據(jù)為 士32768，精度1度；制動踏板、油門踏板、手油門、無級變速手柄、割臺升降手柄和撥禾輪升 降手柄標定在上位機；20個開關信號共分配在4個字節(jié)中，按傳感器規(guī)定的順序進行連接 和定義。將電路板信號以9600bps的傳輸速度輸出，通過R232串口接入信號處理單元3。3)聯(lián)合收割機駕駛室1對虛擬聯(lián)合收割機模型8的運動控制虛擬聯(lián)合收割機模型8是本發(fā)明的重要組成部分，該模型以某型號聯(lián)合收割機為 例，利用Unigraphics NX軟件按照實際聯(lián)合收割機尺寸進行精確建模，通過第三方軟件轉 化為能夠應用到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)4進行實時操作仿真的虛擬模型。在Vega Prime虛擬現(xiàn)實軟件中，一個可控制的dof (degree of freedom自由度) 節(jié)點，代表了一個vpPart。因此，要實現(xiàn)對各駕駛室元部件5的運動控制，先用虛擬現(xiàn)實建 模軟件MultiGen Creator對虛擬模型進行層級結構劃分、添加dof節(jié)點和運動特性；然后 在Vega Prime API中用相應函數(shù)對dof節(jié)點的運動方向和速度進行控制。下面以聯(lián)合收 割機駕駛操縱試驗臺控制轉向盤13的運動為例，詳細說明本發(fā)明的主要流程(如圖5所 示)
臺
的信 士 648
7
II判斷輸入設備類型
if(m_nRealTestInputType = = 2) //判斷輸入設備是否為聯(lián)合收割機試驗
m_strcDriveHarvData = g_strcDriveHarvData ；// 傳遞信號數(shù)據(jù) II讀取聯(lián)合收割機試驗臺傳感器信號，并進行標定
x = (BYTE) (Read_lpBuffer[In88+2]) ；//從相應地址內讀取轉向盤傳感器
號
dFangxiang = 360*x/240 ；// 將單位轉化為度 if (dFangxiang > 648)dFangxiang = 648 ； else if (dFangxiang < -648) dFangxiang = -648 ；// 將傳感器信號限定在
內dFangxiang = 450*360*dFangxiang/240/648 ；//轉換后轉向盤范圍 士450°g_strcDriveHarvData. m_Fangxiang = dFangxiang ；//找到轉向盤節(jié)點vpObject*m_harvester ；// 定義聯(lián)合收害 1]機 objm_harvester = vpObject: :find(" myObject_Harvester" ) ；//找至丨J聯(lián)合 收割機模型vsDOF*m_SteerDof ；//定義轉向盤 dofvsNode*myNode ；// 定義節(jié)點myNode = m_harvester_ > find_named(〃 steer" );//在聯(lián)合收割機模型 中找到名為“steer” 的節(jié)點if (myNodeMmyNode- > isOfClassType (vsDOF: getStaticClassType ()))m_SteerDof = (vsDOF*) myNode ； // 將 node 節(jié)點轉化為 vsDOF 類//給轉向盤dof添加運動控制m_dSteeringAng = -harvesterdata. m_Fangxiang -J/角!!武i m_SteerDof- > setRotateH(m_dSteeringAng, false) ；//控制轉向盤 dof 繞 Z軸轉動在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)4中設計聯(lián)合收割機作業(yè)場景，選取不同聯(lián)合收割機拖拉機駕駛員在駕駛試驗臺上進行駕駛操縱，在某一作業(yè)過程中利用其他輔助測試儀器監(jiān)測駕駛員的 生理、心理和行為等特征，進行人機工程學分析，用于改進駕駛室的設計。本發(fā)明僅以上述實施例進行說明，各部件的結構、設置位置、及其連接都是可以有 所變化的，在本發(fā)明技術方案的基礎上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件進行的改進和等同 變換，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權利要求
一種聯(lián)合收割機駕駛操縱試驗臺，其特征在于它包括一聯(lián)合收割機駕駛室、一信號采集單元、一信號處理單元和一虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；所述聯(lián)合收割機駕駛室包括若干駕駛室元部件、若干傳感器和一底座；所述駕駛室元部件包括卸糧離合、主離合、轉向盤、制動踏板、油門踏板、座椅、手油門、熄火拉線、換擋手柄、無極變速手柄、割臺升降手柄和撥禾輪升降手柄，各所述駕駛室元部件根據(jù)聯(lián)合收割機駕駛室人機界面中各個操縱元件的布置裝配在所述底板上；各所述駕駛室元部件上均安裝有所述傳感器，各所述傳感器依次連接所述信號采集單元、信號處理單元和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；所述虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中設置有虛擬聯(lián)合收割機模型和虛擬場景模型；所述信號采集單元采集各所述駕駛室元部件上的傳感器信號，并通過串口輸出到所述信號處理單元，所述信號處理單元將標定處理后的所述傳感器信號傳給所述虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，從而驅動所述虛擬聯(lián)合收割機模型同步運動。
2.如權利要求1所述的一種聯(lián)合收割機駕駛操縱試驗臺，其特征在于所述駕駛室元 部件還包括離合踏板和預留手柄。
3.如權利要求2所述的一種聯(lián)合收割機駕駛操縱試驗臺，其特征在于各所述駕駛室 元部件根據(jù)聯(lián)合收割機駕駛室人機界面中各個操縱元件輸出的信號類型選定合適的傳感 器所述卸糧離合、主離合、離合踏板、熄火拉線和換擋手柄采用微動開關來輸出它們的操 作信號；所述制動踏板、油門踏板、手油門、無級變速手柄、割臺升降手柄和撥禾輪升降手柄 采用多圈電位器來輸出它們的操作信號；所述轉向盤采用精度較高的光電編碼器來輸出它 的操作信號，所述光電編碼器有360個柵格，每旋轉一個角度輸出一個脈沖；所有所述傳感 器均采用5V電源供電，各個所述傳感器為并聯(lián)電路。
4.如權利要求1或2所述的一種聯(lián)合收割機駕駛操縱試驗臺，其特征在于采用換擋 工字板來規(guī)范所述換擋手柄的行程，所述換擋工字板為一塊開設有工字槽的金屬板，所述 工字槽包含四個檔位。
5.如權利要求3所述的一種聯(lián)合收割機駕駛操縱試驗臺，其特征在于采用換擋工字 板來規(guī)范所述換擋手柄的行程，所述換擋工字板為一塊開設有工字槽的金屬板，所述工字 槽包含四個檔位。
6.如權利要求3或5所述的一種聯(lián)合收割機駕駛操縱試驗臺，其特征在于所述制動 踏板通過一撥桿與所述離合踏板的傳動軸連接，所述傳動軸兩端與左、右支撐板連接，所述 左、右支撐板固定在所述底板上；所述撥桿的擺動端連接一連桿，所述連桿固定連接所述多 圈電位器的軸，所述多圈電位器固定在所述右支撐板上。
7.如權利要求1或2或3或5所述的一種聯(lián)合收割機駕駛操縱試驗臺，其特征在于所 述虛擬聯(lián)合收割機模型為首先利用Unigraphics NX軟件按照實際聯(lián)合收割機尺寸進行精 確建模，通過第三方軟件轉化為能夠應用到所述虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行實時操作仿真的虛擬模 型；然后用虛擬現(xiàn)實建模軟件MultiGen Creator對所述虛擬模型進行層級結構劃分、添加 dof節(jié)點和運動特性；最后在Vega Prime API中用相應函數(shù)對dof節(jié)點的運動方向和速度 進行控制。
8.如權利要求4所述的一種聯(lián)合收割機駕駛操縱試驗臺，其特征在于所述虛擬聯(lián)合 收割機模型為首先利用Unigraphics NX軟件按照實際聯(lián)合收割機尺寸進行精確建模，通過 第三方軟件轉化為能夠應用到所述虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行實時操作仿真的虛擬模型；然后用虛 擬現(xiàn)實建模軟件MultiGen Creator對所述虛擬模型進行層級結構劃分、添加dof節(jié)點和運動特性；最后在Vega Prime API中用相應函數(shù)對dof節(jié)點的運動方向和速度進行控制。
9.如權利要求6所述的一種聯(lián)合收割機駕駛操縱試驗臺，其特征在于所述虛擬聯(lián)合 收割機模型為首先利用Unigraphics NX軟件按照實際聯(lián)合收割機尺寸進行精確建模，通過 第三方軟件轉化為能夠應用到所述虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行實時操作仿真的虛擬模型；然后用虛 擬現(xiàn)實建模軟件MultiGen Creator對所述虛擬模型進行層級結構劃分、添加dof節(jié)點和運 動特性；最后在Vega Prime API中用相應函數(shù)對dof節(jié)點的運動方向和速度進行控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聯(lián)合收割機駕駛操縱試驗臺，其特征在于它包括一聯(lián)合收割機駕駛室、一信號采集單元、一信號處理單元和一虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；聯(lián)合收割機駕駛室包括若干駕駛室元部件、若干傳感器和一底座；各駕駛室元部件上均安裝有傳感器，各傳感器依次連接信號采集單元、信號處理單元和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中設置有虛擬聯(lián)合收割機模型和虛擬場景模型；信號采集單元采集各駕駛室元部件上的傳感器信號，并通過串口輸出到信號處理單元，信號處理單元將標定處理后的傳感器信號傳給虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，從而驅動虛擬聯(lián)合收割機模型同步運動。本發(fā)明精度和靈敏度較高，能夠真實再現(xiàn)聯(lián)合收割機的駕駛作業(yè)，進而開展相關人機工程學試驗。
文檔編號G09B9/04GK101872558SQ20101020449
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權日2010年6月11日
發(fā)明者仇瑩, 宋正河, 徐琳琳, 徐靜, 朱忠祥, 李坤, 毛恩榮, 胡風生, 謝斌, 陳越洋, 黃毅 申請人:中國農業(yè)大學