一种高沉浸感人机交互设备的远端无人驾驶车辆操控系统

技术领域

本发明涉及远端无人驾驶电控车辆操控器材领域，具体为一种高沉浸感人机交互设备的远端无人驾驶车辆操控系统。

背景技术

远端无人驾驶电控车辆控制研究的目标，是用人机交互模拟设备的操控代替人完成对远端无人驾驶电控车辆进行各种灵巧的操作控制任务，这有赖于操控人员和远端无人驾驶电控车辆之间充分的信息交换，其中的关键在于操控人员能够获得充分的操作环境的状态感知信息。

在非结构化的环境中，远端无人驾驶电控车辆的自主运行存在着一些不足，对于复杂的远程操控任务，单纯的视觉反馈信息是不充分的，往往需要包括视觉、听觉、操作力觉在内的多种反馈信息，在远控操作过程中，操控人员操纵机构状态和远端无人驾驶电控车辆实际操纵机构状态的状态间是有偏差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高沉浸感人机交互设备的远端无人驾驶车辆操控系统，通过安全、高沉浸感环境下操纵人员的模拟驾驶操作，能够实现在复杂地形、实战条件下，无人驾驶电控车辆的主动、灵活、快速移动，弥补了无人驾驶电控车辆在非结构化的环境中自主运行时存在的不足。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种高沉浸感人机交互设备的远端无人驾驶车辆操控系统，包括人机交互设备，所述人机交互设备通过5G通信网络无线连接有第一客户机，所述第一客户机通过5G通信网络无线连接有信号中转站，所述信号中转站通过5G通信网络无线连接有第二客户机，所述第二客户机通过5G通信网络无线连接有无人驾驶电控车辆，所述人机交互设备包括动感平台和控制柜，所述第一客户机内部设有人机交互模拟系统软件、力觉反馈控制及处理模块和操控人员信息采集处理传输模块，所述第二客户机内部设有控制器、数据处理器和远端信息回传模块，所述无人驾驶电控车辆内部安装有车载传感器、摄像机和执行机构。

优选的，所述动感平台包括六自由度运动机构和驾驶舱，所述驾驶舱安装在六自由度运动机构的顶部，所述控制柜安装在六自由度运动机构的一侧。

优选的，所述六自由度运动机构包括下底板，所述下底板上表面通过螺栓安装有三个下铰支座连接座，所述下铰支座连接座的顶部两侧均活动连接有下铰支座，所述下铰支座的中部均活动连接有电动缸，所述电动缸的末端均安装有上铰支座，所述上铰支座的中部均活动连接有上铰支座连接座，所述上铰支座连接座的顶端均安装在上平板的底端。

优选的，所述驾驶舱的内部安装有驾驶操作机构，所述驾驶操作机构包括转向盘及反力矩控制机构、档位操纵机构、离合器踏板、加速踏板、制动踏板、手制动机构、仪表盘和座椅。

优选的，所述驾驶舱内部还安装有视觉显示器、信号采集控制器、音箱、左右倒车镜显示屏、保险杠视镜显示屏，其中视觉显示器安装在驾驶舱的前挡风玻璃上，信号采集控制器安装在驾驶操作机构上，音箱安装在座椅的一侧，左右倒车镜显示屏安装在前挡风玻璃的两侧，保险杠视镜显示屏安装在前挡风玻璃的右上方。

优选的，所述控制柜内部设有所述运动控制计算机、伺服驱动器、信号转换板、电抗器、滤波器、断路器、接触器和开关电源，用于对动感平台进行信号传输和控制，所述运动控制计算机内部设有平台控制单元和视觉显示单元。

优选的，所述车载传感器包括速度传感器、加速度传感器、运行姿态传感器和陀螺仪，用于采集的远端无人驾驶电控车辆行驶运动姿态、速度和车辆运行发动机转速等数据信息，经网络回传至第一客户机，并进行远端无人驾驶电控车辆的运行车速、发动机转速、车辆运行姿态的显示。

本发明提供了一种高沉浸感人机交互设备的远端无人驾驶车辆操控系统。具备以下有益效果：

1、本发明通过使用半实物驾驶仿真平台，部分替代实车进行受训人员培训，不受实装、场地、天气等外界条件的限制，便于组织训练，且操作简单、使用安全，受训人员可以在近似真实的环境中，练技能、练谋略、练协同，锤炼战斗精神和心理素质。

2、本发明通过该操作训练模设备的研制和使用，为车辆全方位的培训提供了逼真、安全、经济、有效的辅助手段，提升了受训人员的操作技能和综合素养以及训练的效率和效益，同时，为驾驶员的操作等人员的协同培训，提供一种不可或缺的辅助训练手段。

附图说明

图1为本发明中人机交互设备的结构示意图；

图2为本发明中六自由度运动机构的结构示意图；

图3为本发明中力觉反馈控制及处理模块的系统流程图；

图4为本发明中视觉显示单元的系统流程图；

图5为本发明中平台控制单元的系统流程图；

图6为本发明中操控人员信息采集处理传输模块的系统流程图；

图7为本发明中远端信息回传模块的系统流程图。

其中，1、六自由度运动机构；101、下底板；102、下铰支座连接座；103、下铰支座；104、电动缸；105、上铰支座；106、上铰支座连接座；107、上平板；2、驾驶舱；3、控制柜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1-7所示，本发明实施例提供一种高沉浸感人机交互设备的远端无人驾驶车辆操控系统，如图1所示，包括人机交互设备，人机交互设备通过5G通信网络无线连接有第一客户机，第一客户机通过5G通信网络无线连接有信号中转站，信号中转站通过5G通信网络无线连接有第二客户机，第二客户机通过5G通信网络无线连接有无人驾驶电控车辆，人机交互设备包括动感平台和控制柜3，第一客户机内部设有人机交互模拟系统软件、力觉反馈控制及处理模块和操控人员信息采集处理传输模块，第二客户机内部设有控制器、数据处理器和远端信息回传模块，无人驾驶电控车辆内部安装有车载传感器、摄像机和执行机构。

具体的，操控者在高沉浸感人机交互模拟驾驶舱2中操作转向盘、离合、加速踏板、制动踏板、挡位机构，通过加装在操作机构上的传感器采集相关数据信息经无线网络传输，远端的无人驾驶电控车辆接受相关信息，并驱动远端场地中的无人驾驶电控车辆运行。

此外，请参阅图7，为使操控人员能够实时、有效地掌控远端无人驾驶电控车辆，显示系统不仅要显示远端实际场地视频图像，还需将远端无人驾驶电控车辆的实时运行状态由虚拟车辆模型复现出来，通过动态地将虚拟车辆姿态仿真图形和环境背景视频图像叠加处理，更加全面地、实时地反映出远端无人驾驶电控车辆运行状态，为操控人员进行下一步控制决策提供不可或缺的判别依据。

此外，请参阅图3，在远控操作过程中，操控人员操纵机构状态和远端无人驾驶电控车辆实际操纵机构状态的状态间是有偏差，为保证二者仿真的准确性，采用了双向操纵机构状态信息反馈控制误差校正策略。在该策略中，首先使用操控人员的操控信息控制远端无人驾驶电控车辆行驶，远端无人驾驶电控车辆在行驶时受到外界实际环境的影响，得出实际运行状态相关信息，这两种信息之间存在着一定的误差，然后将其实际运行状态信息反馈至操控现场，修正现场操控人员的操纵机构状态。

采用增强现实技术将远端无人驾驶电控车辆摄像机回传的视频图像与计算机生成的虚拟车辆的运动姿态和运行状态信息进行融合，实现对远端无人驾驶电控车辆所处环境和运行状态的补充，增强了用户对现实世界的感知能力和与现实世界的交互能力。

采用5G传输技术，建立人机交互设备与远端无人驾驶电控车辆之间的双向接口通信方式，进行远端无人驾驶电控车辆实时控制操作，同时实现高沉浸感人机交互设备的实时响应。

本实施例中，动感平台包括六自由度运动机构1和驾驶舱2，驾驶舱2安装在六自由度运动机构1的顶部，控制柜3安装在六自由度运动机构1的一侧。

具体的，营造一个集视觉、听觉、操作感觉和运动感觉于一体的高沉浸感的驾驶环境，通过无线网络传输，实现远端无人驾驶电控车辆与人机交互模拟驾驶舱操控人员之间的数据信息交换，为操作者提供身临远端场地环境，进行远端无人驾驶电控车辆操作的感觉。

进一步的，请参阅图2，六自由度运动机构1包括下底板101，下底板101上表面通过螺栓安装有三个下铰支座连接座102，下铰支座连接座102的顶部两侧均活动连接有下铰支座103，下铰支座103的中部均活动连接有电动缸104，电动缸104的末端均安装有上铰支座105，上铰支座105的中部均活动连接有上铰支座连接座106，上铰支座连接座106的顶端均安装在上平板107的底端。

具体的，通过六只电动缸104的协调伸缩来实现沿X、Y、Z向的平移和绕X、Y、Z轴的旋转运动共六个自由度的运动，以及这些自由度的复合运动，可以模拟出无人驾驶电控车辆各种运动姿态。

进一步的，驾驶舱2的内部安装有驾驶操作机构，驾驶操作机构包括转向盘及反力矩控制机构、档位操纵机构、离合器踏板、加速踏板、制动踏板、手制动机构、仪表盘和座椅。

具体的，请参阅图6，第一客户机为人机交互模拟设备，通过网络与远端无人驾驶电控车辆的无线网络模块连接实现数据交互，第一客户机内置人机交互模拟系统软件，该系统能够对方向盘、离合踏板、制动踏板、加速踏板、挡位等操作信号进行数据采集、处理、传输发送给远端无人驾驶电控车辆车载无线网络传输模块。

进一步的，驾驶舱2内部还安装有视觉显示器、信号采集控制器、音箱、左右倒车镜显示屏、保险杠视镜显示屏，其中视觉显示器安装在驾驶舱2的前挡风玻璃上，信号采集控制器安装在驾驶操作机构上，音箱安装在座椅的一侧，左右倒车镜显示屏安装在前挡风玻璃的两侧，保险杠视镜显示屏安装在前挡风玻璃的右上方，通过在操控者位置前方、上方放置的液晶显示屏进行前方视景、左右倒车视镜、保险杠视镜等多通道显示图像模拟，多个通道显示图像模拟分为教练员监控端的向导界面、第三方视角图像显示；仪表面板图像模拟显示。

具体的，请参阅图4，通过安装在远端的无人驾驶电控车辆上的摄像机、陀螺仪、加速度传感器等设备，采集的远端环境、视镜图像，回传至模拟驾驶舱前方显示屏上进行视景、视镜显示，完成远端无人驾驶电控车辆环境图像显示，采集的远端无人驾驶电控车辆行驶运动姿态、速度和车辆运行发动机转速等数据信息，经网络回传至客户机，并进行远端无人驾驶电控车辆运行车速、发动机转速、车辆运行姿态的显示，采集远端无人驾驶电控车辆行驶过程中的声效，经网络回传至人机交互设备上，进行声效播放。

通过在操控者位置前方、上方放置的液晶显示屏进行前方视景、左右倒车视镜、保险杠视镜、后视镜等多通道显示图像模拟，多个通道显示图像模拟分为教练员监控端的向导界面、第三方视角图像显示，仪表面板图像模拟显示。

进一步的，请参阅图5，控制柜3内部设有所述运动控制计算机、伺服驱动器、信号转换板、电抗器、滤波器、断路器、接触器和开关电源，用于对动感平台进行信号传输和控制，运动控制计算机内部设有平台控制单元和视觉显示单元，平台的运动控制计算机根据上位机传来的平台姿态数据，通过计算得到有关平台运动参数，控制伺服电机工作，使电动缸104按规定的要求动作，同时接收反馈信号形成闭环控制系统，对控制进行修正，保证平台运动姿态的准确性。

具体的，高沉浸感人机交互设备实时接收远端无人驾驶电控车辆的操作状态、路面属性等数据信息，反馈至人机交互设备的操纵机构上进行复现，让操控人员切实感觉到远端无人驾驶电控车辆的操纵状态，实现人机交互操控设备能够实时再现远端环境之间的力觉反馈。

进一步的，车载传感器包括速度传感器、加速度传感器、运行姿态传感器和陀螺仪，用于采集的远端无人驾驶电控车辆行驶运动姿态、速度和车辆运行发动机转速等数据信息，经网络回传至第一客户机，并进行远端无人驾驶电控车辆的运行车速、发动机转速、车辆运行姿态的显示。

综上所述，通过在实验室人机交互模拟设备，复现远端无人驾驶电控车辆的视、听、运动多感官状态信息复现，为操控者提供高沉浸人机交互操控环境，使得操控复杂、非结构化环境下远端无人驾驶电控车辆就像现场驾驶真车一样。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。