[发明专利]一种地下矿用铰接车的驾驶模拟系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种驾驶模拟系统，特别是一种地下矿用铰接车的驾驶模拟系统。

背景技术

在地下采矿行业，无轨运输车辆的爬坡能力和运输效率远远高于有轨运输车辆，随着我国矿业水平的进步，采用无轨运输车辆已经成为地下矿山行业的发展趋势，提高地下车辆智能化控制水平是进一步提高矿山车辆运输效率的重要技术发展方向，但现今对车辆智能驾驶技术的研究一般要对真实车辆的改装或配置，在公路或特定环境中进行试验，现实因素是实车实验成本高，周期长并且危险性大，并且实验过程不可再现。使用车辆驾驶模拟在虚拟场景中进行车辆的进行智能化研究是一个新的研究方向，在虚拟的环境下对车辆的驾驶行为及相关因素进行预演，确保车辆能智能化的安全行驶。

现有技术中，驾驶模拟系统也较多，文献1【《基于OGRE和ODE的驾驶模拟系统的设计与实现》】（交通信息与安全，2006，1（24）：101）报道了一种基于OGRE和ODE的驾驶模拟系统设计方法，通过OGRE来渲染出车辆的驾驶环境，以ODE为工具结合汽车动力学模型模拟车辆运动，实现了一个可通过外围输入设备操作的交互式驾驶模拟系统，主要用于汽车驾驶员的驾驶训练。中国实用新型专利ZL201220293043.X，公开了一种新型模拟驾驶系统，通过驾驶控制器控制模拟车辆行驶，通过动感平台使驾驶员感觉到路面状况，通过模拟视频眼镜呈现模拟驾驶环境，该系统主要用于车辆驾驶员的培训。

上述现有驾驶模拟系统的特点是，仅能模拟地面环境下的车辆行驶环境，不能模拟地下矿用车辆工作的巷道环境；仅能模拟刚性车体的乘用车辆，不能模拟铰接式车体的地下矿用车辆；仅能用于驾驶员的训练与培训，无法加入辅助驾驶单元，不具备验证自主行驶策略的功能。

发明内容

本发明涉及一种地下矿用铰接车的驾驶模拟系统，带有辅助驾驶单元，能够模拟地下巷道环境和地下矿用铰接车的驾驶模拟系统，为地下矿用铰接车智能控制技术提供良好的平台。其包括：

（1）虚拟驾驶单元包括虚拟驾驶操作台、方向盘、作业手柄、加速踏板、制动踏板、显示屏及音响等，这些设备构成系统的操控机构。

（2）地下铰接车运动控制模型，可视化数据模型，视景仿真引擎，辅助驾驶单元，地下铰接车声音仿真，虚拟驾驶单元，这些模型的建立能够真实模拟铰接车在地下的行驶过程，驾驶员通过外虚拟驾驶单元来进行驾驶模拟。

（3）车辆的动力学模型是系统中很关键的部分，根据铰接式车辆的特点，建立了三自由度的动力学及运动学模型。动力学模型直接使用设备输入的数据，通过实时计算得到车辆的发动机转速和位置姿态等数据。

（4）可视化数据模型包括铰接车的三维模型、地下巷道的三维模型及交通标识等。

（5）视景仿真引擎，利用计算机图形图像技术生成车辆驾驶过程中驾驶员所看到的地下虚拟环境，如巷道，交通标识及灯光等。

（6）辅助驾驶单元，能够在虚拟环境中进行地下铰接车的智能辅助驾驶，通过光线投射技术在系统中按照真实激光雷达的工作原理添加虚拟激光雷达，通过虚拟激光雷达可以测量出车辆与巷道壁及障碍物的距离。通过相应的辅助驾驶策略，当车辆行驶时出现与巷道壁距离过近或巷道中有异物出现等危险驾驶情况的时候系统会发出警告。

（7）地下声音仿真引擎，制造不同效果的声音如发动机声，巷道内作业机械噪声等。

本系统应用开源声音引擎，为了使声音效果更逼真，系统使用立体声音效。

本系统中使用简化的车辆动力学及运动控制模型，并作离散化处理，在计算机图形渲染的两帧之间CPU空闲时间进行车辆运动控制的相关计算，运动控制模型采用如下步骤建立：

设矿车中央铰接点设为H点，前桥中点为Pf(x1,y1)，该点与中央铰接点H的距离为l1，车速为vf；后桥中点为Pr(x2,y2)点，该点与中央铰接点的距离为l2，车速为vr，前车体横摆角速度为ω1，转向半径为r1，后车体横摆角速度为ω2，转向半径为r2，前车体的航向角为θ1，后车体的航向角为θ2，铰接角为γ，设前桥中点位姿状态向量S_t=[x₁(t)y₁(t)θ₁(t)]^T代表前车体在t时刻的位置及航向角，则t+1时刻的前桥位姿状态向量S_t+1=[x₁(t+1)y₁(t+1)θ_１t+1)]^T，用非线性离散模型来表示为