農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬駕駛仿真系統(tǒng)在《拖拉機(jī)汽車(chē)駕駛實(shí)習(xí)》實(shí)踐課程中的應(yīng)用

崔玉鑫 孫裕晶 姜珊 王超飛

摘要：《拖拉機(jī)汽車(chē)駕駛實(shí)習(xí)》實(shí)踐課程是農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的必修實(shí)踐環(huán)節(jié)，為了高效的完成教學(xué)任務(wù)，使學(xué)生掌握更多的技能，總結(jié)現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，改進(jìn)教學(xué)方法，引入農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬駕駛仿真系統(tǒng)參與到《拖拉機(jī)汽車(chē)駕駛實(shí)習(xí)》實(shí)踐課程中。

關(guān)鍵詞：拖拉機(jī)；駕駛實(shí)習(xí)；教學(xué)改革；農(nóng)業(yè)機(jī)械；虛擬駕駛；仿真系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）39-0177-02

一、引言

《拖拉機(jī)汽車(chē)駕駛實(shí)習(xí)》實(shí)踐課程是農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的必修實(shí)踐環(huán)節(jié)，全國(guó)本科院校中有46所開(kāi)設(shè)了這個(gè)專(zhuān)業(yè)[1]。在全國(guó)高校中，只有清華大學(xué)和吉林大學(xué)具有高級(jí)駕駛仿真系統(tǒng)，但是不對(duì)本科生開(kāi)放，是面向科研的汽車(chē)動(dòng)態(tài)模擬研究，目前在教學(xué)和科研領(lǐng)域還沒(méi)有農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬駕駛仿真系統(tǒng)應(yīng)用。

二、教學(xué)目的與任務(wù)

拖拉機(jī)汽車(chē)駕駛實(shí)習(xí)的目的是使學(xué)生在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，能夠獨(dú)立進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械駕駛，初步了解農(nóng)機(jī)具的行駛特性，掌握農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)具的操作技能，便于在將來(lái)進(jìn)行農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，能充分考慮農(nóng)機(jī)具的駕駛及行駛特性，提高設(shè)計(jì)的實(shí)用性和適應(yīng)能力。本實(shí)踐旨在提高學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)教育課課程內(nèi)容的認(rèn)識(shí)，同時(shí)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

三、教學(xué)目的與任務(wù)教學(xué)的基本內(nèi)容和要求

1.通過(guò)駕駛實(shí)習(xí)，使學(xué)生了解農(nóng)機(jī)的基本行駛性能，學(xué)習(xí)拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)的相關(guān)駕駛知識(shí)，了解拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)在進(jìn)行不同作業(yè)時(shí)以及不同工作條件下的駕駛要求及安全維護(hù)知識(shí)，如行駛速度、割臺(tái)高度、脫粒滾筒速度等。訓(xùn)練學(xué)生進(jìn)行拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)的駕駛操作，使學(xué)生掌握拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)的基本駕駛技術(shù)，包括啟動(dòng)、換檔、直行、倒行、轉(zhuǎn)彎、停車(chē)、掛接及安全維護(hù)知識(shí)等；掌握拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)的基本操作技術(shù)，包括拖拉機(jī)懸掛裝置的升降，聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)高度、脫粒滾筒速度等工作參數(shù)的控制，最后達(dá)到能夠獨(dú)立駕駛拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)等農(nóng)機(jī)的目的。

2.要求學(xué)生了解農(nóng)機(jī)基本儀表作用，掌握農(nóng)機(jī)駕駛的基本技術(shù)及工作裝置的操作及控制技術(shù)，同時(shí)注意培養(yǎng)學(xué)生在駕駛過(guò)程中的觀察和分析能力，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用理論指導(dǎo)操作，解決操作中的問(wèn)題。

3.拖拉機(jī)、汽車(chē)的場(chǎng)地駕駛訓(xùn)練。模擬駕駛員場(chǎng)地考試，在規(guī)定場(chǎng)地內(nèi)駕駛拖拉機(jī)，汽車(chē)完成出庫(kù)、入庫(kù)、移庫(kù)等項(xiàng)目。訓(xùn)練中應(yīng)按規(guī)定路線、順序行駛；不碰擦樁桿；車(chē)身不出線，停放正直。在實(shí)習(xí)過(guò)程中，嚴(yán)格遵守汽車(chē)駕駛規(guī)程，嚴(yán)格服從指導(dǎo)教師的安排，不準(zhǔn)擅自駕駛車(chē)輛。

四、教學(xué)方法與措施

為了滿足教學(xué)要求，各高校采用了多種形式的教學(xué)方法與措施，主要有以下幾種。

1.言傳身教：絕大多數(shù)高校采用了言傳身教這種教學(xué)模式，它要求教師有豐富的理論知識(shí)和駕駛經(jīng)驗(yàn)。

2.多媒體：利用多媒體視頻資源輔助教學(xué)，屬于理論教學(xué)部分。

3.實(shí)車(chē)駕駛：讓學(xué)生駕駛拖拉機(jī)，完成出庫(kù)、入庫(kù)、直線駕駛、轉(zhuǎn)彎駕駛和掛接等操作。

4.仿真模型：利用網(wǎng)絡(luò)上低端的汽車(chē)仿真模型來(lái)模擬駕駛，這種方式僅僅是情景模擬汽車(chē)駕駛操作，由于沒(méi)有動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)配合與實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)。

五、現(xiàn)有《拖拉機(jī)汽車(chē)駕駛實(shí)習(xí)》實(shí)踐環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題

毫無(wú)疑問(wèn)，在拖拉機(jī)汽車(chē)駕駛實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，實(shí)車(chē)駕駛是最理想的方式，最能夠滿足教學(xué)要求，達(dá)到教學(xué)的目的，但不是每所學(xué)校均能達(dá)到這一要求的，因?yàn)閷?shí)車(chē)駕駛實(shí)踐環(huán)節(jié)存在以下問(wèn)題。

1.硬件要求高。要滿足教學(xué)要求，學(xué)校要配備專(zhuān)用車(chē)，而且最好是教練車(chē)。教練車(chē)越多，分組越多，每組學(xué)生人數(shù)越少，學(xué)生實(shí)踐機(jī)會(huì)越多，效果越好。

2.環(huán)境要求高。要有專(zhuān)門(mén)的駕駛實(shí)習(xí)場(chǎng)地，學(xué)校有這樣的條件當(dāng)然是最好的了。在社會(huì)上很難找到理想的實(shí)習(xí)駕駛環(huán)境，租用費(fèi)用也高的離譜。

3.危險(xiǎn)性高。大多數(shù)學(xué)生在進(jìn)行駕駛實(shí)踐之前從未接觸過(guò)農(nóng)業(yè)機(jī)械，對(duì)其性能和操作技巧并不了解，而且很多學(xué)生的動(dòng)手能力相對(duì)薄弱，尤其是女同學(xué)，對(duì)這樣的學(xué)員進(jìn)行駕駛培訓(xùn)，目前的培訓(xùn)設(shè)備并不專(zhuān)業(yè)，不具備像汽車(chē)駕校使用的專(zhuān)門(mén)的培訓(xùn)用拖拉機(jī)，在實(shí)習(xí)過(guò)程中學(xué)生將拖拉機(jī)開(kāi)到了20多厘米高的路邊花壇上的情況時(shí)有發(fā)生，由于過(guò)分緊張，腳還一直踩在油門(mén)上，發(fā)生這樣的情況對(duì)于駕駛者本人以及周?chē)娜伺c物都是非常危險(xiǎn)的事情。同時(shí)，實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師也未受過(guò)專(zhuān)業(yè)的訓(xùn)練，讓學(xué)生直接接觸實(shí)物拖拉機(jī)進(jìn)行駕駛危險(xiǎn)性高，在駕駛過(guò)程中萬(wàn)一出現(xiàn)問(wèn)題，教師未能及時(shí)處理，將會(huì)產(chǎn)生不可估量的損失。

4.成本高。拖拉機(jī)的正常運(yùn)行、維修，教練員的精力投入均需經(jīng)費(fèi)的投入。

5.重污染。農(nóng)業(yè)機(jī)械由于其作業(yè)環(huán)境的惡劣，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮其輸出馬力和成本，這些決定了其屬于一種高消耗、高污染的機(jī)械，在每次的駕駛實(shí)習(xí)過(guò)程中消耗的燃油量大，同時(shí)尾氣排放量大，拖拉機(jī)運(yùn)行過(guò)程中噪聲大，給周?chē)ㄖ飪?nèi)的教學(xué)和日常工作帶來(lái)了很大的困擾。加之該實(shí)習(xí)時(shí)間在每年的8月底，室外的風(fēng)吹日曬對(duì)于實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師本身也是巨大的考驗(yàn)。

我們專(zhuān)業(yè)是配備3臺(tái)拖拉機(jī)進(jìn)行駕駛實(shí)習(xí)，每臺(tái)拖拉機(jī)配備兩名指導(dǎo)教師進(jìn)行實(shí)習(xí)，聯(lián)合收割機(jī)等機(jī)械只能在倉(cāng)庫(kù)靜態(tài)觀摩學(xué)習(xí)，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的實(shí)習(xí)場(chǎng)地，只能在學(xué)校內(nèi)找部分空地進(jìn)行，但是來(lái)往行人不斷，存在很大的安全隱患，在編制新教學(xué)大綱的過(guò)程中，教務(wù)對(duì)于《拖拉機(jī)汽車(chē)駕駛實(shí)習(xí)》這一傳統(tǒng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)時(shí)又進(jìn)行了減半。

六、《拖拉機(jī)汽車(chē)駕駛實(shí)習(xí)》實(shí)踐教學(xué)方法改革

在國(guó)外，駕駛模擬器最早出現(xiàn)在航空駕駛訓(xùn)練中，隨著仿真技術(shù)的成熟，逐漸應(yīng)用到汽車(chē)訓(xùn)練中。目前發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍運(yùn)用汽車(chē)駕駛模擬器作為培訓(xùn)工具。日本政府在1970年以正式法律規(guī)定，汽車(chē)駕駛培訓(xùn)學(xué)校必須裝備汽車(chē)駕駛模擬器；美國(guó)在20世紀(jì)70年代中期就有500多所汽車(chē)駕駛學(xué)校裝備了汽車(chē)駕駛模擬訓(xùn)練器；大多數(shù)歐洲國(guó)家也相繼制定了使用汽車(chē)駕駛訓(xùn)練模擬器的法規(guī)。在我國(guó)駕駛模擬器也迅猛發(fā)展起來(lái)，在航空訓(xùn)練等特種領(lǐng)域都已廣泛應(yīng)用。[2]

筆者開(kāi)發(fā)了一套農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬駕駛仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)，用于農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的教學(xué)與科研活動(dòng)。農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬駕駛仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由駕駛模擬艙、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)模擬與控制系統(tǒng)、視景模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與觸感模擬系統(tǒng)、聲響系統(tǒng)和中央控制臺(tái)六大系統(tǒng)組成。駕駛模擬艙用于構(gòu)建虛擬駕駛環(huán)境，由顯示器呈現(xiàn)視景，利用模擬操縱機(jī)構(gòu)（方向盤(pán)、操縱桿等）實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，具有真實(shí)的人—機(jī)操作界面、重復(fù)可控的試驗(yàn)工況、可任意嵌入實(shí)物試驗(yàn)、高速的仿真運(yùn)算能力、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的極限工況試驗(yàn)等功能，從而使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上操作時(shí)具有與實(shí)物操作一樣的駕駛體驗(yàn)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)用于模擬實(shí)物農(nóng)機(jī)在作業(yè)時(shí)的駕駛艙的運(yùn)動(dòng)情況。[3]

農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬駕駛仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)讓學(xué)生在機(jī)時(shí)少的條件下進(jìn)行虛擬駕駛訓(xùn)練，通過(guò)農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬駕駛仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)與真機(jī)虛實(shí)相結(jié)合來(lái)完成該實(shí)踐課程。通過(guò)農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬駕駛仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)，不僅讓學(xué)生練習(xí)了手腳的靈活性，還能讓學(xué)生體驗(yàn)到更多的農(nóng)業(yè)機(jī)械（播種機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)等）在不同的作業(yè)環(huán)境（播種、施肥、噴藥、收獲等）下的操作流程（割臺(tái)起降、設(shè)備掛接等）的體驗(yàn)，而非現(xiàn)有實(shí)踐過(guò)程中簡(jiǎn)單的駕駛前進(jìn)訓(xùn)練。用此實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)習(xí)，不需要燃油，也不占用大面積場(chǎng)地，同時(shí)能進(jìn)行多種農(nóng)業(yè)機(jī)械在復(fù)雜工作環(huán)境的作業(yè)訓(xùn)練；減少必要的實(shí)物駕駛時(shí)間和避免事故的發(fā)生，同時(shí)節(jié)約成本、減少消耗和污染。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)除了可以進(jìn)行駕駛實(shí)習(xí)，還可用于新農(nóng)機(jī)的產(chǎn)品展示及其研發(fā)過(guò)程中的性能測(cè)試，可推廣到農(nóng)機(jī)的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]http：//gaokao.chsi.com.cn/zyk/zybk/schools.action？specialityId=73384840&ssdm

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[3]劉東波，繆小冬，王長(zhǎng)君，李舜酩，高巖.汽車(chē)駕駛模擬器及其關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].公路與汽運(yùn)，2010，（5）：53-59.