KR100461267B1 - 자기학습형 자동차 모의 운전 연습장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초보자가 운전 교습 강사의 지도에 의하여 실제 차량을 이용한 운전 연습을 하지 않고도 코스 및 도로 주행의 교육과정에 따라 운전조작 및 주행운전연습 등의 자동차 운전기능을 스스로 쉽게 익히고 반복하여 연습할 수 있는 단계적이고 체계적인 컴퓨터 학습프로그램에 의하여 제어되고 실시간의 외부 환경 도로조건을 구현하며 실제 차량과 동일한 구성으로 된 운전석의 각종 자동차 조작장치를 조작하여 학습자가 모니터의 3차원 공간 영상 그래픽 안내화면에 따라서 배경화면에 부가하여 보조화면에 디스플레이 되는 조작상태를 육안으로 직접 확인하면서 반복적인 운전연습을 실시하므로서 제공되는 운전환경에 적응하고 제어장치의 구동신호에 의하여 진동 모터에 의한 떨림, 스프링과 기어 작동 메커니즘의 역토오크, 가변부하장치에 의한 지면과 바퀴의 마찰력이 조합된 부하를 핸들에 전달하여 실제차량과 동일한 현실감을 느끼면서 자기도 모르는 사이에 장치조작과 주행운전연습 등의 운전기능을 숙달시키도록 하여 운전자의 안전운전을 구현하는 자기학습형 자동차 모의 운전 연습장치이다.

Description

자기학습형 자동차 모의 운전 연습장치{Self traning type Real Time Load feel Driving Simulator}

본 발명은 자기학습형 자동차 모의 운전 연습장치에 관한 것으로서, 더욱 자세히는 초보자가 운전 교습 강사의 지도에 의하여 실제 차량을 이용한 운전 연습을 하지 않고도 코스 및 도로 주행의 교육과정에 따라 운전조작 및 주행운전연습 등의 자동차 운전기능을 스스로 쉽게 익히고 반복하여 연습할 수 있는 단계적이고 체계적인 컴퓨터 학습프로그램에 의하여 제어되고 실시간의 외부 환경 도로조건을 구현하며 실제 차량과 동일한 구성으로 된 운전석의 각종 자동차 조작장치를 조작하여 학습자가 모니터의 3차원 공간 영상 그래픽 안내화면에 따라서 배경화면에 부가하여 보조화면에 디스플레이 되는 조작상태를 육안으로 직접 확인하면서 반복적인 운전연습을 실시하므로서 제공되는 운전환경에 적응하여 실제차량과 동일한 현실감을 느끼면서 자기도 모르는 사이에 장치조작과 주행운전연습 등의 운전기능을 숙달시키도록 하여 운전자의 안전운전을 구현하는 자기학습형 자동차 모의 운전 연습장치에 관한 것이다.

시뮬레이터는 물리·사회현상의 모의(模擬)모형 중심의 장치 또는 수리모델 연산용 컴퓨터를 말하는 것으로서 전력계통 모의장치, 유도비행체 시뮬레이터, 원자로 운전제어 시뮬레이터 등 연구용 시뮬레이터, 훈련용 시뮬레이터로서 비행기나 자동차, 전동차 시뮬레이터가, 오락장치로서 게임용 시뮬레이터, 가상 체험 시뮬레이터가 있는데, 그 중에서도 자동차 시뮬레이터는 실제 차량과 유사한 구조의 운전석과 전방의 풍경이 그대로 나타나는 모니터(스크린), 엔진소리나 브레이크음 등의 전자음향 장치로 구성되어 실제로 도로를 달리지 않고도 운전면허 시험을 대비한 교육용 프로그램의 제어에 의하여 실제 자동차와 유사한 반응이 영상과 음향으로 나타나므로서 실내에서 간편하게 운전연습할 수 있는 실내 모의 훈련장치이다.

상기한 자동차 시뮬레이터는 일반적으로 실내 운전석을 운전자가 착석하는 좌석과 계기판, 손으로 조작하는 조향 핸들, 변속레버(자동, 수동), 발로 조작하는 클러치 페달, 브레이크 페달, 액셀레이터 페달로 실제 차량과 동일하게 형성하고, 좌석 앞쪽으로는 운전자 눈높이에 도로상태나 코스, 사용방법 등의 교육내용과 주행동작이 영상으로 나타나는 모니터(스크린)와 제어장치로서 운전교육프로그램과 전자회로가 내장된 컴퓨터로 구성되어, 각종 장치가 전자적으로 인터페이스되는 컴퓨터의 제어로 차종 선택에 의하여 모니터 화면에 디스플레이되는 연습과정으로 운전교습자가 교육 시나리오에 의하여 순차적으로 실제 운전과 동일하게 장치를 조작하여 육안에 의하여 연습상태를 확인하면서 빠른 판단과 정확한 장치 조작에 의한 반복적인 운전연습을 실시하게 구성된다.

또한 상기한 자동차 시뮬레이터는 장치나 시스템에서 제공하는 외부적인 환경요인에 철저하게 적응, 추종하도록 설계되어야만 빠른 판단과 정확한 장치 조작의 운전교육효과를 구현할 수 있는 것으로서, 이를 위해서는 단계적이고 체계적이며 충실한 내용의 학습 프로그램, 센서수단에 의하여 생성되는 작동부하에 대응하여 실시간으로 구현되는 빠른 응답성의 전자적 시스템이 선행되어야하며 또한 바퀴가 없는 시뮬레이터의 문제점을 보완하여 자동차 시뮬레이터를 사용하는 운전교습자가 자동차가 주행함에 따라 차가 전후좌우로 움직이고 몸이 흔들리는 실제 차량에서 받는 것과 동일한 현실감(느낌)을 재현하기 위하여 속도와 핸들의 움직임, 진동(떨림), 변속 상황의 작동부하가 현실적인 부하에 근접하여 현실감 있게 발생되어야 인체의 감각특성을 이용한 실질적인 체험학습이 이루어질 수 있다.

그러나 종래의 자동차 시뮬레이터는 부적절한 내용의 교육프로그램에 의한 과학적이고 체계적이지 못한 교육내용과 모니터 화면에 표시되는 주변환경의 상대적인 시각적 변화를 인식시켜 속도감 등의상대적으로 현실감이 떨어지는 느낌을 받도록 하거나 이를 개선하여 신체의 운동을 감지시켜 승차감을 체험시키기 위한 것으로 작동부하의 감지값을 가지고 종속적으로 화상을 변경하는 모니터 장치에 조향핸들이나 페달 등의 조작상태를 감지하여 본체에 작동부하를 생성시키는 시뮬레이터가 있으나 실제 자동차에서 발생되는 부하치를 충분히 감안하지 못하고 실제 움직임에 근접하지 못한 동작을 생성하므로서 생생한 현실성이 결여되어 총체적인 운전교육효과를 구현하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 개선한 것으로서, 운전교습자가 강사의 지도에 의하여 실제 차량을 이용한 운전 연습을 하지 않고도 코스 및 도로 주행의 교육과정에 따라 운전조작 및 주행운전연습 등의 자동차 운전기능을 반복하여 연습할 수 있는 단계적이고 체계적인 컴퓨터 학습프로그램에 의하여 제어되고 실시간의 외부 환경 도로조건을 구현하며 실제 차량과 동일한 구성으로 된 운전석의 각종 자동차 조작장치를 조작하여 학습자가 모니터에 주된 배경화면으로 디스플레이되는 3차원 그래픽 안내화면과 디스플레이 되는 조작상태를 보조화면으로 직접 확인하면서 반복적인 운전연습을 실시하므로서 실제차량과 동일한 현실감을 느끼면서 장치조작과 주행운전연습 등의 운전기능을 숙달시키도록하는 자기학습형 자동차 모의 운전 연습장치를 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 모의 운전 연습장치의 사시도

도 2는 본 발명의 전체 시스템 구성을 개략적으로 도시한 블럭 구성도

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표시장치의 초기 선택화면

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 표시장치의 메인 연습화면

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핸들장치 구성도

도 6은 속도에 따른 핸들의 토오크 변화를 나타내는 그래프

도 7은 핸들각도에 따른 핸들의 토오크 변화를 나타내는 그래프

도 8은 본 발명에 적용되는 채점판을 도시한 도면

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1:좌석 10:주제어장치

20:부제어장치 30:계기판

40:채점판 50:스피커

60:헤드셋 70:구동장치부

80:표시장치 81:메인화면

82:보조화면 83:노면기준선

84:차체기준점 85:코스경로유도선

90:핸들 91:핸들축

92:진동신호선 93:진동모터

94:포텐셔미터 95:축기어

96:종동기어 97:주동기어

98:기어박스 99:스프링걸이

100:스프링 101:토오크암

102:가변부하장치

전술한 목적을 달성하기 위한 본 고안의 구성을 첨부 도면에 의해 상세하게 설명하면 다음과 같으며 본 고안의 요지를 불명료하게 흐릴 수 있는 공지의 구성요소에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명은 좌석(1)과 계기판(30), 구동장치부(10)인 가속페달(71), 브레이크(72), 클러치(73), 핸드 브레이크(74), 핸들(90), 변속기어(76) 등으로 실제 차량과 동일하게 운전석을 형성하고, 도로상태나 코스, 사용방법 등의 교육내용과 주행동작이 영상으로 나타나는 표시장치(80), 음향장치로서 스피커(50), 헤드셋(60)과 운전교육프로그램이 내장되고 장치가 전자적으로 인터페이스되는 제어장치로구성되어, 제어장치의 제어로 모니터 화면을 보고 운전연습을 하는 자동차 모의 운전 연습장치에 있어서,

상기 제어장치는 내장된 제어프로그램에 의하여 현재의 지면정보로 도로상태의 운전방정식을 연산하여 전체 시스템을 제어하고 명령하며 작동부하나 영상 및 음향 데이터를 처리하여 부제어장치(20)나 표시장치(80), 계기판(30)으로 출력하는 기능의 주제어장치(10)와 구동장치부(70) 각 센서에서 검지된 입력신호를 전달하고 주제어장치(10)의 제어로 구동장치부(70)를 작동시키는 부제어장치(20)로 구성되고,

상기 표시장치(80)는 주제어장치(10)의 제어로 도로상태나 코스, 사용방법 등의 내용을 운전자 조작에 따라서 노면기준선(83), 차체 기준점(84), 코스 경로 유도선(85)의 뷰 포인트(view point)를 제시하면서 전체적인 배경화면의 메인화면(81)에 표시하고 메인화면(81)에 부가하여 차량의 위치, 자세 등의 주행상태를 보조화면(82)에 부분적이고 순차적으로 실시간 디스플레이하는 3차원 그래픽으로 구현하고,

상기한 구동장치부(70)는 가속페달(71), 브레이크(72), 클러치(73), 핸드 브레이크(74), 핸들(90), 변속기어(76) 등의 감지센서에서 검지된 아날로그 및 디지털 신호 입력을 연산하는 주제어장치(10)의 제어로 부제어장치(20)가 차량의 속도와 핸들각도에 따른 움직임의 핸들 부하 입력값을 핸들(90)에 인가하여 탄발 스프링의 탄성력에 의한 핸들 회전력의 역토오크와 브레이크장치의 기어동작에 의한 바퀴와 지면 마찰력의 핸들 작동부하와 진동모터의 구동에 의한 핸들 떨림을 모사하여 운전자가 스스로 실제 차량과 동일한 조건에서 빠른 판단과 정확한 장치 조작으로 운전을 학습하게함을 특징으로 하는 자기학습형 자동차 모의 운전 연습장치이다.

본 발명에 있어서 제 1의 특징은 운전교습자가 강사의 지도에 의하여 실제 차량을 이용한 운전 연습을 하지 않고도 코스 및 도로 주행의 교육과정에 따라 운전조작 및 주행운전연습 등의 자동차 운전기능을 반복하여 연습할 수 있는 단계적이고 체계적인 내용의 컴퓨터 학습프로그램에 있으며, 제 2의 특징은 좌석(1)과 계기판(30), 구동장치부(70)로 실제 차량과 동일하게 운전석을 형성하고, 제어프로그램에서 제공하는 현재위치와 지면의 도로정보를 기초로 상기한 구동장치부(70)로부터 감지된 기계적 신호가 센서에서 전기적 신호로 변환된 디지털 입력값 또는 직접 감지된 디지털 입력값으로 주제어장치(10)에서 차량의 운동방정식에 의한 물리량 데이터를 연산함과 동시에 운전교육프로그램의 교육내용을 영상장치로서 표시장치(80)의 메인화면(81) 및 보조화면(82)과 음향장치로서 스피커(50), 헤드셋(60)에 각각 출력하고, 주제어장치(10)와 연동되는 부제어장치(20)의 제어로 핸들(15)에 작동부하를 생성시키고 계기판(30)과 채점판(40)에 동작상황을 디스플레이 하는데 특징이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의하여 상술하면 다음과 같다.

본 발명의 운전교육 프로그램은 코스 및 도로 주행의 교육 및 연습과정으로 구성되어, 코스연습과 주행연습으로 구분되어 기본적인 장치조작과 기능연습의 초급코스, 코스별 반복교육, 코스별 반복연습, 연결식 기능코스 반복교육, 연결식 기능 코스 연습 등의 단계적이고 체계적인 내용으로 구성되며, 프로그램 실행과 동시에 와이드 모니터로 된 표시장치(80)에 초기화면이 나타나며 이어서 운전자가 선택하는 메인화면(81)으로서 화면전체를 커버하여 문자와 그림으로 된 차종선택화면과 코스 및 주행연습을 선택하는 화면이 있으며, 선택된 메인화면(81)에는 3차원 공간에서 도로 및 상대차량, 주변건물, 환경물체를 포함한 도로 전체의 지형지물에 무늬나 색상이 입혀진 상태(texture mapping)의 배경화면이 나타남과 동시에 차량의 위치, 자세 등의 주행상태를 표시하여 운전자의 시야를 확보해 주는 보조화면(82)이 나타나며, 전체화면에는 운전자 조작에 따라 제어장치에서 운동 방정식으로 연산되어 출력되는 현재의 차량의 자세, 위치정보에 따라 노면기준선(83), 차체 기준점(84), 코스 경로 유도선(85)이 생성되고 3차원 공간에 나타나게 하므로서 화면과 음향장치가 지시하는대로 인체의 감각특성에 따라 반응하여 철저하게 추종 반복 연습하게 되고 연습상태를 육안으로 확인하면서 실제 상황과 유사한 운전연습을 하게 되면 자신도 모르는 사이에 운전 기능이 향상되게 하는 구성으로서 3차원(3 dimension) 공간상에서 움직임이 구현되며 실내운전교습용, 운전평가용, 재교육자교정용, 교통안전지도용, 자동차공학연구용, 레저 및 스포츠용 등의 용도에 다양하게 활용이 가능하다.

상기한 본 발명의 운전교육 프로그램을 실행하면 먼저 문자와 그림으로 된 초기화면에 이어서 사용자가 상하이동 버튼, 선택버튼, 종료버튼을 누르는 버튼 조작을 통하여 차종선택화면과 코스 및 주행연습등의 기능을 선택하는 메인화면(81)이 나타나며 운전교습자가 선택함에 연습 및 기능을 연습하는 화면이 표시장치(80)에 디스플레이 되는 것으로서, 예를 들어 설명하면 코스를 선택하였을 때 메인화면(81)에 전체에 걸쳐서 운전석에서 본 시야의 도로 전체상황이 나타나며 이때 화살표 모양의 차체 기준점(84)이 본넷의 물구멍을 표시하며, 노랑과 빨강이 교차되는 점선의 노면 기준선(83)이 도로 중앙에 동시에 표시된다. 이어서 표시장치(모니터)(80)의 상단에 보조화면(82)으로서 중앙에는 차량의 도로상 위치를 나타내는 화면, 좌우측으로는 백미러로 본 좌우측의 차량 자세가 표시되는 화면이 동시에 나타나게 된다.

계속해서 운전자 조작에 의하여 차량이 이동함에 따라 코스 경로 유도선(85)이 화살표로 표시되면 운전자는 스피커(50)에 의한 면허 시험장 안내방송과 경고음을 듣고 화면에 나타나는 화상과 헤드셋(60)이 지시하는 바에 따라 연습을 하면 되는 것으로서 음향장치로서 스피커(50)는 실제 면허 시험장에서 발생되는 것과 같은 효과음을 출력하며, 헤드셋(60)은 상황에 따른 강사의 지시사항을 수신하는 기능을 하므로서 운전자는 효과음으로 생생한 현실감을 느끼면서 강사의 지시를 집중적으로 청취하여 시청각 학습을 실현할수 있게 된다.

상기한 표시장치(80) 화면에 디스플레이되는 과정별 교육 내용을 인쇄하여 교재로 활용하게되면 본 발명의 자동차 시뮬레이터에 의한 교육 및 훈련을 실행하기 이전에 운전자가 숙지하게 되므로서 교육효과가 극대화될 수 있다.

운전석은 좌석(1)과 방향지시등, 속도계 등의 계기판(30), 구동장치부(70)로서로 가속페달(71), 브레이크(72), 클러치(73), 핸드 브레이크(74), 핸들(75), 변속기어(76) 등으로 실제 차량과 동일하게 운전석을 형성하고, 구동장치부(70)에 부설된 센서에 의한 아날로그 및 디지털 입력값을 가지고 전체 시스템을 제어하는 주제어장치(10)와 신호를 측정하고 구동장치부(70)를 콘트롤하는 부제어장치(20)의 제어로 외부의 표시장치(80)와 스피커(50), 헤드셋(60)의 음향장치, 계기판(30), 채점판(40)에 생성된 데이터를 출력하며 전기적인 신호가 모터와 스프링, 가변부하장치의 기계적인 구동장치에 의하여 기계적인 움직임으로 변환된 작동부하를 핸들(15)에 전달하는 부하전달 메카니즘으로 속도에 따라 가변되므로서 실제와 흡사하여 자연스러운 핸들링 부하 감지로 실제 차량에 승차한 듯한 현실감의 운전감각을 느끼게 한다.

상기한 구동장치부(70)는 사용자의 장치 조작에 의하여 가속페달(11), 브레이크(12), 클러치(13), 핸드 브레이크(14), 핸들(15)은 포텐셔미터로 감지된 아날로그 신호를, 변속기어(16)와 미도시한 시동키, 주차브레이크, 혼(HORN), 기능스위치, 비상스위치, 방향스위치, 라이트, 와이퍼, 안전벨트는 디지털 신호를 각각 부제어장치(20)에 전달하고 주제어장치(10)의 주기적인 호출로 부제어장치(20)가 출력신호를 주제어장치(10)에 전달하게 된다.

번호	기 능	장 치	센서 종류
1	아날로그입력	가속페달	포텐셔미터
2		브레이크	포텐셔미터
3		클러치	포텐셔미터
4		핸드브레이크	포텐셔미터
5		핸들	포텐셔미터
6	디지털 입력	기어	1,2,3,4,5,R
7		시동키	on/off
8		주차브레이크	on/off
9		혼	on/off
10		기능스위치	1,2,3,4,5
11		비상스위치	on/off
12		방향스위치	left, right
13		라이트	차폭등, 점등, 상향등, off
14		와이퍼	1,2,와셔액
15		안전벨트	on/off

또한 본 발명에 따른 구동장치부(70)는 주제어장치(10)의 제어신호를 인가받아 부제어장치(20)의 제어로 구동하는 기계 작동 메커니즘으로서, 요철있는 도로를 지나갈 때나, 시동을 걸때, 주행시의 상태로 핸들의 떨림을 진동모터(93)를 사용하여 재현하고 지면과 바퀴와의 마찰력은 파우더 브레이크(102)로 바퀴의 캠버에 의한 마찰력은 스프링(100)의 탄성력을 전달하는 기어장치로 각각 구분하여 생성하여 조합하며 모사하려는 차량의 속도와 핸들의 각도는 주제어장치(10)에서 계산되고 부제어장치(20)의 토오크 출력값으로 파우더 브레이크(102)에 인가되어 핸들장치에 전달된다.

계속해서 본 발명의 핸들장치를 보다 상세하게 설명하면, 핸들(90)이 결합된 핸들축(91)의 일측에 부제어장치(20)의 출력신호를 전달하는 진동 신호선(92)이 연결된 진동 모터(93)가 평행하게 설치하고, 핸들(90)에 근접한 핸들축(91)의 중간에는 포텐셔미터(94)가, 일단에는 축기어(95)가 착설되며 축기어(95)와 결합하여 연동 회전하는 감속기어장치로서 종동기어(96)와 주동기어(97)가 동일 축상에 축설되어 기어박스(98)에 내장되고, 기어박스(98) 일측에는 스프링 걸이(99)에 지지된 스프링(100)이 토오크 암(101)에 탄설되어 역토오크를 생성하고, 파우더 브레이크(102)는 핸들축(91)과 동일축선상에 설치되어 속도와 핸들각도의 변화에 따른 지면과 바퀴와의 마찰력에 해당하는 신호값을 인가받아 핸들(90)에 떨림과 마찰력과 복원력의 작동부하를 전달하게 하는 구성이다.

핸들(90)의 떨림은 핸들축(91)에 평행하게 고정된 진동모터(93)를 이용하여 부제어장치(20)의 입력값에 비례하여 전압을 변동시켜 강약조절에 의한 떨림을 재현하는 것이고, 차량의 속도와 핸들 각도에 의한 역토오크는 스프링(100)에 탄지된 토오크 암(101)의 탄발력이 종동기어(96)와 주동기어(97)에 전달되고 종동기어(96)의 회전력이 축기어(95)를 회전시키고 핸들(90)이 회전됨에 따라 핸들(90)의 회전방향과 반대 방향으로 역회전력(역토오크)을 전달하며, 파우더 브레이크(102)는 부제어장치(20)의 입력값에 의하여 마찰력을 재현하므로서 핸들(90)이 돌아가지 않게 하는 것으로서, 운전자가 시동을 걸어 운전을 시작하면 운전초기의 정지상태에서는 전압에 대응하는 마찰력의 큰부하가 인가되고 가속이 됨에 따라 부하가 감소하여 마찰력이 줄어들게 되며 이때 핸들(90)의 각도는 포텐셔미터(94)로 측정되고 주제어장치(10)에서 A/D변환되어 디지털 신호로 인가된다.

상기한 감속기어장치는 실제 차량과 동일한 랙과 랙기어 스프링을 사용하여도 동일한 기능을 수행한다.

제어장치는 사용자 조작에 따라 구동장치부(70)의 각 센서에서 측정된 아날로그 및 디지털 입력 신호를 최소자승법을 이용한 운동방정식에 따라 연산처리하고 그 출력값을 시스템에 출력하는 것으로서, 본 발명에서는 기능적 특성상 전체 시스템의 제어는 주제어장치(10)에서 신호의 측정 및 구동장치부(70)의 제어는 부제어장치(20)에서 구분하여 처리한다.

주제어장치(10)는 프로세서와 미도시한 공지의 메모리, 그래픽 카드로 구성되어 기계장치 및 제어 및 교육 프로그램으로 된 전체 시스템을 제어하고 관리하는 시스템 관리 기능, 부제어장치(20)에서 송출되는 사용자 조작에 따른 입력신호를 처리하는 사용자 입력 처리기능, 3D 그래픽 모델링 소프트웨어로서 잘알려진 Vtree가 제공하는 현재위치의 지면정보를 이용하여 도로상태를 차량운동방정식(Automobile Dynamics)으로 계산하고 차량의 위치, 자세 등의 정보를 표시장치로 실시간 출력하는 운동역학계산기능을 수행하고 운동방정식으로 계산된 차량의 위치, 자세 운동역학 계산값을 가지고 표시장치에 출력하게끔 노면기준선(83), 차체 기준점(84), 코스 경로 유도선(85)의 뷰 포인트(view point)를 설정하고 모델링 데이터에 의한 그래픽 데이터를 모니터의 표시장치(80)에 전달하며 차량의 현재 속도, RPM 등 을 부제어장치로 전달하여 구동제어를 하므로서 그래픽 처리 및 장치 제어의 기능을 수행한다.

또한 주제어장치에서는 핸들의 회전에 의한 역회전 부하(역토오크)와 마찰력을 핸들 각도(δ)과 차량속도(V)를 최소자승법(Least square methode)에 의하여 토오크(t)(torque)함수로 표현한 평면의 방정식으로 계산하여 속도와 핸들 각도에 따른 실제 자동차 핸들의 움직임 변화를 극히 유사하게 모사한다.

t = -0.0319 ×V + 0.0139 ×δ + 3.6952

Tp: 브레이크(Break device)에 의하여 발생시켜야 할 토오크

V(sppeed):차량의 속도( ㎞/h)

δ: 핸들각도 (In Degree)

Vp : 브레이크장치 제어 전압(Break device control Voltage)

여기서 3.6952는 스프링에 의하여 핸들각도가 0도일 경우 발생하여야 할 토오크 값이며 시동이 걸리지 않았을 경우 발생켜야 할 토오크는 브레이크 장치에 의해 발생하며 이때의 Tp = 3.6952 ×Zero Gain으로 한다.( Zero Gain 은 테스트에 의하여 조절하며 여기서는 2(Tp = 7.3904)로 함)

그러므로 상기한 바와 같이 최적제어 이득을 취할 수 있게 되는 것으로 프로그램에 모델링하게 되면

(1)시동이 걸리면서 Tp = 3.6952 ×1이 되며.

(2)이후 Tp = 3.6952-Vgain ×V 로 제어하게 되며 Vgain 값은 차량의 속도에 따라 Tp값을 0으로 작동하게 선택하여 결정한다. 예를 들면 차량의 속도가 100㎞/h 일때 브레이크 장치의 작동을 멈추게 할려면 3.6952 - Vgain ×100 = 0 이므로 Vgain = 0.036952가 된다.

도 6과 도7은 상기한 수학식 1을 검증해 주는 시험표로서, 속도와 핸들 각도의 변화에 따른 토오크 값의 변화를 제시한다.

부제어장치(20)는 공지의 프로세서와 인터페이스로서 I/O channel, analog channel로 구성되며 구동기구부(70)의 작동 신호를 측정하고 전달함과 동시에 주제어장치(10)와 통신하여 전달받은 구동기 명령값을 이용하여 구동장치부(70)의 동작을 제어시키는 기능을 수행하는 것으로서 상기한 바와 같이 주제어장치(10)로 부터 Vp값을 수신후 브레이크장치 제어 전압(Vp : Break device control Voltage)을 생성시켜 구동장치부(70)를 구동시키게 된다.

출력장치로서 모니터의 표시장치(80)는 3D 모델링에 의한 3차원 공간에서 도로 및 상대차량, 주변건물, 환경물체를 포함한 도로 전체의 지형지물에 무늬나 색상이 입혀진 상태(texture mapping)의 메인 배경화면(81)과 차량의 위치, 자세 등의 주행상태를 표시하여 운전자의 시야를 확보해 주는 보조화면(82)으로 운전자 조작에 따른 현재의 차량의 자세, 위치정보에 따라 뷰포인트로서 노면기준선(83), 차체 기준점(84), 코스 경로 유도선(85)에 의한 안내화면을 출력하는 기능을 하게 되며 본 발명에서는 실제 자동차 운전석과 동일한 규격의 한정된 공간에서 최적의 시야를 확보할 수 있는 와이드 모니터를 사용하는 것이 바람직하다.

또한 계기판(30)은 RPM, 속도, 연료 정보를 아날로그값으로 지시 출력하며, 안전벨트경고등, 주차브레이크, 연료경고, 오일부족, 엔진경고는 디지털 값으로 출력하여 운전자에게 전달한다.

음향장치로서 스피커(50)에서는 차량의 엔진소리, 면허시험장의 안내방송음, 이탈음 등의 효과음이 출력되며, 헤드셋(60)으로는 주제어장치(10)에서 실시간으로 처리된 차량의 상태정보, 도로의 위치정보를 이용하여 운전자에게 사전에 경고나 차량의 조작방법 등의 지시내용을 출력하여 현장에서 실제로 강사가 지시하는 것과 같이 미리 전달하는 기능을 하는 것으로서, 효과음과 지시음을 각각 분리 발생시키므로서 무작위한 잡음이 섞인 효과음이 지시음의 감지에 도움이 되는 잡음공명현상으로 지시음을 잘들리게 하여 운전자의 집중력을 향상시킨다.

채점판(40)은 표시장치(80) 외부 근접부위에 장착하고 주제어장치(10)와 통신하여 점수와 시간, 진행상황, 센서동작상황 등을 LCE 또는 LED 등의 액정화면에 실시간으로 표시하는 장치로서, 총진행시간은 총소요시간 표시부(41), 각 구간별진행시간은 과제수행 소요시간표시부(42), 총점수는 총점수 표시부(43), 각 구간 진행사항은 진행사항 표시부(44), 구간별 감점은 과제별 감점 표시부(45), 센서상황 표시부(46)로 구성되어 운전자가 육안으로 채점사항을 확안하게 하므로서 빠른 판단에 의한 상황대처능력을 향상시킨다.

상기한 바와 같이 본 발명은 단계적이고 체계적인 내용의 컴퓨터 학습프로그램에 의하여 좌석과 계기판, 구동장치부로 실제 차량과 동일하게 운전석을 형성하고, 제어프로그램에서 제공하는 현재위치와 지면의 도로정보를 기초로 상기한 구동장치부로부터 감지된 기계적 신호가 센서에서 전기적 신호로 변환된 디지털 입력값 또는 직접 감지된 디지털 입력값으로 주제어장치에서 차량의 운동방정식에 의한 물리량 데이터를 연산함과 동시에 운전교육프로그램의 교육내용을 영상장치로서 표시장치의 배경화면 및 보조화면과 음향장치로서 스피커, 헤드셋에 각각 출력하고, 제어장치와 연동되는 부제어장치의 제어로 핸들과 차체에 작동부하를 생성시키고 계기판과 채점판에 동작상황을 디스플레이 할 수 있는 하드웨어와 소프트웨어가 유기적으로 결합된 기술의 결정체이다.

이상에서 설명한 본 고안은, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변경이 가능하므로 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

상기와 같이 본 발명은 운전교습자가 강사의 지도에 의하여 실제 차량을 이용한 운전 연습을 하지 않고도 코스 및 도로 주행의 교육과정에 따라 운전조작 및 주행운전연습 등의 자동차 운전기능을 반복하여 연습할 수 있는 단계적이고 체계적인 컴퓨터 학습프로그램에 의하여 제어되고 실시간의 외부 환경 도로조건을 구현하며 실제 차량과 동일한 구성으로 된 운전석의 각종 자동차 조작장치를 조작하여 학습자가 모니터에 주된 배경화면으로 디스플레이되는 3차원 그래픽 안내화면과 디스플레이 되는 조작상태를 보조화면으로 직접 확인하면서 반복적인 운전연습을 실시하므로서 제어장치의 구동신호에 의하여 진동 모터에 의한 떨림, 스프링과 기어 작동 메커니즘에 의한 역토오크, 가변부하장치에 의한 지면과 바퀴의 마찰력이 조합된 부하를 핸들에 전달하여 실제차량과 동일한 현실감을 느끼면서 장치조작과 주행운전연습 등의 운전기능을 숙달시키도록 하는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 좌석(1)과 계기판(30), 구동장치부(10)인 가속페달(71), 브레이크(72), 클러치(73), 핸드 브레이크(74), 핸들(90), 변속기어(76) 등으로 실제 차량과 동일하게 운전석을 형성하고, 도로상태나 코스, 사용방법 등의 교육내용과 주행동작이 영상으로 나타나는 표시장치(80), 음향장치로서 스피커(50), 헤드셋(60)과 운전교육프로그램이 내장되고 장치가 전자적으로 인터페이스되는 제어장치로 구성되어, 제어장치의 제어로 모니터 화면을 보고 운전연습을 하는 자동차 모의 운전 연습장치에 있어서,

   상기 제어장치는 내장된 교육 및 제어프로그램에 의하여 현재의 지면정보로 도로상태의 운전방정식을 연산하여 전체 시스템을 제어하고 명령하며 작동부하나 영상 및 음향 데이터를 처리하여 부제어장치(20)나 표시장치(80), 계기판(30)으로 출력하는 기능의 주제어장치(10)와 구동장치부(70) 각 센서에서 검지된 입력신호를 전달하고 주제어장치(10)의 제어로 구동장치부(70)를 작동시키는 부제어장치(20)로 구성되고,

   상기 표시장치(80)는 주제어장치(10)의 제어로 도로상태나 코스, 사용방법 등의 내용을 운전자 조작에 따라서 노면기준선(83), 차체 기준점(84), 코스 경로 유도선(85)의 뷰 포인트(view point)를 제시하면서 전체적인 배경화면의 메인화면(81)에 표시하고 메인화면(81)에 부가하여 차량의 위치, 자세 등의 주행상태를 보조화면(82)에 부분적이고 순차적으로 실시간 디스플레이하는 3차원 그래픽으로 구현하고,

   상기한 구동장치부(70)는 가속페달(71), 브레이크(72), 클러치(73), 핸드 브레이크(74), 핸들(90), 변속기어(76) 등의 감지센서에서 검지된 아날로그 및 디지털 신호 입력을 연산하는 주제어장치(10)의 제어로 부제어장치(20)가 차량의 속도와 핸들각도에 따른 움직임의 핸들 부하 입력값을 핸들(90)에 인가하여 핸들 부하를 모사하므로서 운전자가 스스로 실제 차량과 동일한 조건에서 빠른 판단과 정확한 장치 조작으로 운전을 학습하게함을 특징으로 하는 자기학습형 자동차 모의 운전 연습장치
2. 제 1항에 있어서, 주제어장치(10)는 3D 그래픽 모델링에 대비한 현재의 지면정보를 발생시켜 운전자 조작에 따라 구동장치부(70)의 각 센서에서 측정된 아날로그 및 디지털 입력 신호를 입력변수로 연산처리한 차량의 위치, 자세 정보를 이용하여 표시장치(80)의 3차원 공간에 차량의 경로나 기준점을 나타내는 가시적 뷰 포인트(view point)로서 노면기준선(83), 차체 기준점(84), 코스 경로 유도선(85)을 사전에 실시간으로 출력함을 특징으로 하는 자기학습형 자동차 모의 운전 연습장치
3. 제 1항에 있어서, 핸들부하를 생성하기 위하여 주제어장치(10)에서 부제어장치(20)로 출력하는 출력값은 핸들 각도(δ)와 차량속도(V)를 최소자승법(Least square methode)에 의하여 토오크(t)(torque)함수의 수학식으로 다음과 같이 표현함을 특징으로 하는 자기학습형 자동차 모의 운전 연습장치

   t = -0.0319 ×V + 0.0139 ×δ + 3.6952
4. 제 1항에 있어서, 부제어장치(20)는 차량의 속도와 핸들각도에 따른 움직임의 핸들 부하 입력값을 핸들(90)에 인가하여 탄발 스프링의 탄성력에 의한 핸들 회전력의 역토오크와 가변부하장치에 의한 바퀴와 지면 마찰력의 핸들 작동부하 및 진동모터의 구동에 의한 핸들 떨림을 조합하여 핸들(90)에 모사함을 특징으로 하는 자기학습형 자동차 모의 운전 연습장치
5. 제 1항에 있어서, 구동장치부(70)의 핸들(90)에는 핸들(90)이 결합된 핸들축(91)의 일측에 부제어장치(20)의 출력신호를 전달하는 진동 신호선(92)이 연결된 진동 모터(93)가 평행하게 설치하고, 핸들(90)에 근접한 핸들축(91)의 중간에는 포텐셔미터(94)가, 일단에는 축기어(95)가 착설되며 축기어(95)와 결합하여 종동기어(96)와 주동기어(97)가 동일 축상에 축설되어 기어박스(98)에 내장되고, 기어박스(98) 일측에는 스프링 걸이(99)에 지지된 스프링(100)이 토오크 암(101)에 탄설되며, 가변부하장치(102)는 핸들축(91)과 동일축선상에 설치됨을 특징으로 하는 자기학습형 자동차 모의 운전 연습장치
6. 제 1항에 있어서, 음향장치로서 스피커(50)는 차량의 엔진소리, 면허시험장의 안내방송음, 이탈음 등의 현장 효과음을, 헤드셋(60)으로는 주제어장치(10)에서 실시간으로 처리된차량의 상태정보, 도로의 위치정보를 이용하여 운전자에게 경고나 차량의 조작방법, 응급조치사항 등의 강사 지시 내용을 각각 분리시켜 출력함을 특징으로 하는 자기학습형 자동차 모의 운전 연습장치