RU150806U1

RU150806U1 - DYNAMIC CAR DRIVING SIMULATOR

Info

Publication number: RU150806U1
Application number: RU2014128215/11U
Authority: RU
Inventors: Ленар Наилевич Валеев; Рамиль Хатямович Зайнуллин; Владимир Александрович Андряшин; Александр Алексеевич Литвинов; Рамиль Талгатович Гайнутдинов; Андрей Алексеевич Корякин; Виталий Васильевич Черных; Александр Викторович Лушанин; Адель Равилевич Валеев; Руслан Рафикович Амерханов; Владимир Александрович Вершинин; Александр Евгеньевич Серов; Николай Алексеевич Литвинов; Иван Александрович Андряшин; Арсений Анатольевич Яценко; Евгений Юрьевич Клочков; Александр Юрьевич Никитин; Денис Николаевич Николаев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Эйдос-Инновации"
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2015-02-27

Abstract

1. Динамический тренажер вождения автомобиля, содержащий компьютерное оборудование с ЭВМ, динамическую платформу, подключенную к ЭВМ, модуль водителя, установленный на динамической платформе и включающий имитатор кабины автомобиля с установленными в нем органами управления автомобилем с датчиками положения, подключенными к блоку сопряжения, соединенному с ЭВМ, систему визуализации и акустическую систему, соединенные с ЭВМ соответственно, отличающийся тем, что динамическая платформа выполнена в виде 6-степенной динамической платформы типа «гексапод».2. Динамический тренажер вождения автомобиля по п. 1, отличающийся тем, что динамическая платформа содержит неподвижную и подвижную раму, соединенные между собой пневматическими приводами с датчиками положения посредством шарнирного соединения, и систему управления пневматическими приводами, соединенную с ЭВМ.1. A dynamic vehicle driving simulator comprising computer hardware, a dynamic platform connected to a computer, a driver module mounted on a dynamic platform and including a car simulator with vehicle controls installed therein with position sensors connected to an interface unit connected to A computer, a visualization system and an acoustic system connected to a computer, respectively, characterized in that the dynamic platform is made in the form of a 6-degree dynamic platform Hexapod type. 2. The dynamic vehicle driving simulator according to claim 1, characterized in that the dynamic platform comprises a fixed and movable frame interconnected by pneumatic actuators with position sensors via a swivel joint, and a pneumatic actuator control system connected to the computer.

Description

Полезная модель относится к техническим средствам обучения вождению транспортных средств, может быть использована для обучения вождению автомобиля, а также в качестве аттракциона.The utility model relates to technical means of teaching driving vehicles, can be used to teach driving a car, as well as an attraction.

Известен тренажер карьерного самосвала «БелАЗ» (изготавливаемый производственной фирмой «Логос», http://pf-logos.tiu.ru), содержащий модуль водителя, включающий имитатор кабины, органы управления автомобилем с датчиками, регистрирующими их положение, блок сопряжения, систему визуализации и акустическую систему, динамическую платформу в виде 3-степенной электромеханической платформы, модуль инструктора с установленным компьютерным оборудованием.A well-known BelAZ mining dump truck simulator (manufactured by the Logos manufacturing company, http://pf-logos.tiu.ru) containing a driver module, including a cab simulator, vehicle controls with sensors registering their position, an interface unit, a system visualization and acoustic system, a dynamic platform in the form of a 3-degree electromechanical platform, an instructor module with installed computer equipment.

Известен «Интерактивный аттракцион Орион», известный так же как аттракцион «Транс-Форс» (производитель ЗАО «Транзас», http://www.transas.ru), содержащий модуль водителя, включающий кабину, органы управления в виде джойстиков, систему визуализации и акустическую систему, динамическую платформу в виде 3-степенной электромеханической платформы, модуль инструктора, компьютерное оборудование.The famous "Interactive attraction Orion", also known as the "Trans-Force" attraction (manufacturer ZAO Transas, http://www.transas.ru), containing a driver module that includes a cab, controls in the form of joysticks, visualization system and an acoustic system, a dynamic platform in the form of a 3-degree electromechanical platform, an instructor module, computer equipment.

Известен автомобильный тренажер «АТК-12», выбранный в качествеKnown automotive simulator "ATK-12", selected as

прототипа, (производится научно-производственным предприятием «Гидро-механические системы», г. Муром, http://nppgms.ru), содержащий модуль водителя, включающий имитатор кабины автомобиля «КамАЗ», органы управления автомобилем с датчиками, регистрирующими их положение, блок сопряжения, систему визуализации и акустическую систему, динамическую платформу в виде 3-степенной электромеханической платформы, модуль инструктора с установленным компьютерным оборудованием. Данный тренажер не обеспечивает высокую скорость перемещения имитатора кабины тренажера между крайними положениями, не обеспечивает большие углы крена и тангажа, вертикального перемещения, вибрацию с различной частотой и амплитудой динамической платформы тренажера вождения автомобиля, которые позволяют имитировать сильные ускорения и любые неровности ландшафта, вибрацию двигателя и реалистичный эффект движения.prototype, (produced by the Hydro-Mechanical Systems Scientific-Production Enterprise, Murom, http://nppgms.ru), containing a driver module, including a KamAZ car simulator, car controls with sensors that record their position, a pairing unit, a visualization system and an acoustic system, a dynamic platform in the form of a 3-degree electromechanical platform, an instructor module with installed computer equipment. This simulator does not provide a high speed of movement of the simulator cabin simulator between extreme positions, does not provide large roll and pitch angles, vertical movement, vibration with different frequencies and amplitudes of the dynamic platform of the car driving simulator, which allow simulating strong accelerations and any uneven terrain, engine vibration and realistic motion effect.

Решаемая техническая задача заключается в обеспечении высокой скорости перемещения имитатора кабины тренажера между крайними положениями, обеспечении больших углов крена и тангажа, обеспечении вертикального перемещения, вибрации с различной частотой и амплитудой динамической платформы тренажера вождения автомобиля.The technical task to be solved is to ensure a high speed of movement of the simulator cabin simulator between the extreme positions, to ensure large roll and pitch angles, to ensure vertical movement, vibration with different frequencies and amplitudes of the dynamic platform of the car driving simulator.

Решаемая техническая задача в динамическом тренажере вождения автомобиля, содержащем компьютерное оборудование с ЭВМ, динамическую платформу, подключенную к ЭВМ, модуль водителя, установленный на динамической платформе и включающий имитатор кабины автомобиля с установленными в нем органами управления автомобилем с датчиками положения, подключенными к блоку сопряжения соединенному с ЭВМ, систему визуализации и акустическую систему соединенные с ЭВМ соответственно, достигается тем, что динамическая платформа выполнена в виде 6-степенной динамической платформы типа «гексапод». Динамическая платформа может содержать неподвижную и подвижную раму, соединенные между собой пневматическими приводами с датчиками положения, посредством шарнирного соединения, и систему управления пневматическими приводами соединенную с ЭВМ.The technical problem to be solved in a dynamic car driving simulator containing computer equipment with computers, a dynamic platform connected to a computer, a driver module mounted on a dynamic platform and including a car cabin simulator with vehicle controls installed in it with position sensors connected to the interface unit connected to with a computer, a visualization system and an acoustic system connected to a computer, respectively, is achieved by the fact that the dynamic platform is made in the form of 6-degree Hexapod dynamic platform. The dynamic platform may comprise a fixed and movable frame interconnected by pneumatic actuators with position sensors by means of a swivel joint, and a control system of pneumatic actuators connected to a computer.

На фиг. 1 изображена общая схема динамического тренажера вождения автомобиля.In FIG. 1 shows a general diagram of a dynamic vehicle driving simulator.

На фиг. 2 изображена динамическая платформа.In FIG. 2 shows a dynamic platform.

На фиг. 3 изображен модуль водителя.In FIG. 3 shows a driver module.

На фиг. 4 (4/1 и 4/2) изображена блок-схема программного алгоритма работы ЭВМ (на двух страницах).In FIG. 4 (4/1 and 4/2) shows a block diagram of a software algorithm for computer operation (on two pages).

Динамический тренажер вождения автомобиля (фиг. 1) содержит компьютерное оборудование 1 с ЭВМ 2, динамическую платформу 3 подключенную к ЭВМ 2, модуль водителя 4, установленный на динамической платформе 3 и включающий имитатор кабины автомобиля 5 с установленными в нем органами управления автомобилем 6 с датчиками положения 7, подключенными к блоку сопряжения 8 соединенному с ЭВМ 2, систему визуализации 9 и акустическую систему 10 соединенные с ЭВМ 2 соответственно.The dynamic simulator of driving a car (Fig. 1) contains computer equipment 1 with a computer 2, a dynamic platform 3 connected to a computer 2, a driver module 4 mounted on a dynamic platform 3 and including a simulator of a car cabin 5 with vehicle controls 6 installed with sensors position 7 connected to the interface unit 8 connected to the computer 2, the visualization system 9 and the speaker system 10 connected to the computer 2, respectively.

Компьютерное оборудование 1 включает ЭВМ 2 с подключенными клавиатурой, мышью, монитором, динамиком и микрофоном, для связи инструктора с водителем (на чертеже не показано).Computer equipment 1 includes a computer 2 with a connected keyboard, mouse, monitor, speaker and microphone, for communication between the instructor and the driver (not shown in the drawing).

Динамическая платформа 3 (фиг. 2) представляет собой параллельный механизм с 6-ю степенями свободы типа «гексапод» (Merlet J.P. Parallel Robots. Solid mechanics and its applications. - Kluwer Academic Publishers, V. 74, 2000.) и содержит неподвижную раму 11 и подвижную раму 12, соединенные между собой пневматическими приводами 13 с датчиками положения (не показаны), посредством шарнирного соединения 14. Датчики положения (не показаны) пневматических приводов 13 выполнены в виде двух плеч одним концом подвижно соединенных между собой при помощи датчика угла поворота, а другим шарнирно соединенных с цилиндром и штоком пневматического привода соответственно, таким образом, что при движении штока пневматического привода изменяется угол раствора плеч, измеряемый датчиком угла поворота. Динамическая платформа 3 содержит систему управления пневматическими приводами 15, которая, в примере конкретной реализации, включает пропорциональные регуляторы давления (не показаны) и блок управления на основе микропроцессора (не показан) соединеный с ЭВМ 2, с датчиками положения (не показаны) пневматических приводов 13 и с пропорциональными регуляторами давления (не показаны), которые соединены воздушными шлангами с пневматическими приводами 13 и компрессором (не показан).Dynamic platform 3 (Fig. 2) is a parallel mechanism with 6 degrees of freedom of the hexapod type (Merlet JP Parallel Robots. Solid mechanics and its applications. - Kluwer Academic Publishers, V. 74, 2000.) and contains a fixed frame 11 and the movable frame 12, interconnected by pneumatic actuators 13 with position sensors (not shown), by a swivel 14. The position sensors (not shown) of the pneumatic actuators 13 are made in the form of two shoulders with one end movably connected to each other using a rotation angle sensor and the other are articulated x with the cylinder and the rod of the pneumatic actuator, respectively, so that when the rod of the pneumatic actuator moves, the angle of the shoulder solution, measured by the angle sensor. The dynamic platform 3 contains a control system for pneumatic actuators 15, which, in the example of a specific implementation, includes proportional pressure regulators (not shown) and a microprocessor-based control unit (not shown) connected to a computer 2, with position sensors (not shown) of the pneumatic actuators 13 and with proportional pressure regulators (not shown) that are connected by air hoses to pneumatic actuators 13 and a compressor (not shown).

Компрессор (на чертеже не показан) выполнен в виде компрессора ДЭН-5,5111, производимого ЗАО «Челябинский компрессорный завод» (http://chkz.ru/).The compressor (not shown in the drawing) is made in the form of a DEN-5.5111 compressor manufactured by Chelyabinsk Compressor Plant CJSC (http://chkz.ru/).

Пневматические приводы 13 выполнены на основе пневматического привода DNC-125-400-PPV-A, производимого и поставляемого фирмой ООО «ФЕСТО-РФ», (http://www.festo.com), дополнительно оснащенного датчиком положения пневматического привода (не показан).Pneumatic actuators 13 are based on the pneumatic actuator DNC-125-400-PPV-A manufactured and supplied by FESTO-RF LLC (http://www.festo.com), additionally equipped with a pneumatic actuator position sensor (not shown) )

В примере конкретной реализации модуль водителя 4 (фиг. 3) включает имитатор кабины автомобиля 5, который представляет собой кабину автомобиля «КамАЗ» с рабочим местом водителя 16. Органы управления автомобилем 6 включают электронные педали 17 (сцепление, газ, тормоз) снабженные датчиками положения педалей, выполненные в виде электронных педалей модели Глобал подвесная серии Р6000 и напольная серии Р7000, производимые ООО «Кора», РФ, г. Набережные Челны, имитатор коробки переключения передач 18, выполненный на основе тросового привода коробки переключения передач производимого ООО «Кора»», РФ, г. Набережные Челны, дополнительно снабженного датчиками положения рычага переключения передач (не показаны), имитатор руля 19, изготовленный на основе рулевого управления автомобиля «КамАЗ» дополнительно снабженного датчиком положения руля 20. Система визуализации 9 выполнена в виде 4-х мониторов 21, модели LG 42 LK530 (производимой компанией LG Electronics, Южная Корея), расположенных на месте лобовых и боковых окон имитатора кабины автомобиля 5. Акустическая система 10 выполнена в виде микрофона кабины 22, который может использоваться для связи обучаемого с инструктором, и динамиков кабины 23 для генерации звукового окружения автомобиля. Датчики (не показаны) положения электронных педалей 17, датчик положения руля 20 и датчики (не поканы) положения рычага переключения имитатора коробки передач 18 подключены к блоку сопряжения 8, который представляет собой электронный прибор на базе микропроцессора и установлен в имитаторе кабины автомобиля 5.In an example of a specific implementation, the driver module 4 (Fig. 3) includes a car simulator 5, which is a KAMAZ car with a driver’s seat 16. The car 6 controls include electronic pedals 17 (clutch, gas, brake) equipped with position sensors pedals made in the form of electronic pedals of the Global model suspended series P6000 and floor series P7000 manufactured by Kora LLC, RF, Naberezhnye Chelny, gearbox simulator 18, made on the basis of a cable box gear box gear shifting produced by Kora LLC, RF, Naberezhnye Chelny, additionally equipped with gearshift position sensors (not shown), a steering wheel simulator 19, made on the basis of the steering of a KamAZ automobile, additionally equipped with a steering wheel position sensor 20. Visualization system 9 is made in the form of 4 monitors 21, model LG 42 LK530 (manufactured by LG Electronics, South Korea), located in place of the front and side windows of the simulator of the car cab 5. The speaker system 10 is made in the form of a microphone of the car 22, which can be used to connect the student with the instructor, and the speakers of the cabin 23 to generate a sound environment of the car. Sensors (not shown) of the position of the electronic pedals 17, the position sensor of the steering wheel 20 and the sensors (not left) of the position of the shift lever of the gearbox simulator 18 are connected to the interface unit 8, which is an electronic device based on a microprocessor and installed in the simulator of the car cab 5.

Программный алгоритм ЭВМ представлен на фиг. 4. Возможность реализации подобного алгоритма работы ЭВМ известна, это подтверждается уже существующими тренажерами вождения автомобиля, множеством компьютерных игр с использованием 3D графики.The computer software algorithm is shown in FIG. 4. The possibility of implementing such a computer operating algorithm is known, this is confirmed by the existing simulators for driving a car, a variety of computer games using 3D graphics.

Динамический тренажер вождения автомобиля работает следующим образом. Включают питание динамического тренажера вождения автомобиля (питание компьютерного оборудования 1, питание модуля водителя 4, питание модуля динамической платформы 3). После включения тренажера и запуска программного алгоритма (фиг. 4) на ЭВМ 2, инструктор, в главном меню программного алгоритма, отображаемом на мониторе компьютерного оборудования 1, выбирает с помощью клавиатуры или мыши упражнение для обучения вождению автомобиля. Упражнение представляет собой трехмерную модель местности (например город или автодром) в которой расположен виртуальный автомобиль, обучаемый должен выполнить запрограммированную в упражнении задачу, например, доехать до пункта назначения с соблюдением правил дорожного движения. Процесс обучения вождению автомобиля по принципу действия схож с компьютерной игрой, обучаемый находится в модуле водителя 4, воздействует на органы управления автомобилем 6 осуществляя управление автомобилем в виртуальной среде, генерируемой программным алгоритмом ЭВМ 2. Система визуализации 9 отображает трехмерную виртуальную динамическую картину окружающей автомобиль местности, подобную виду с места водителя в реальном автомобиле. Действия водителя отслеживаются датчиками 7 органов управления автомобилем 6, данные с датчиков 7 передаются в блок сопряжения 8, а затем в программный алгоритм ЭВМ 2, на основании этих данных строится математическая модель поведения виртуального автомобиля. Акустическая система 10 с помощью динамиков 23 воспроизводит звуковое окружение автомобиля, звуки работы автомобиля (двигатель, неисправности автомобиля, сигнал, столкновения с препятствиями), а так же голосовые указания инструктора, микрофон кабины 22 служит для голосовой связи водителя с инструктором. Алгоритм работы блока сопряжения следующий, инициализация начальных значений переменных и буфера обмена данными с ЭВМ 2, циклический опрос датчиков 7 органов управления автомобилем 6, составление информационного пакета с данными с датчиков 7, запись информационного пакета в буфер обмена данными (отправка данных в ЭВМ 2).Dynamic simulator driving a car works as follows. Turn on the power of the dynamic simulator of driving a car (power of computer equipment 1, power of the driver module 4, power of the module of the dynamic platform 3). After turning on the simulator and starting the program algorithm (Fig. 4) on the computer 2, the instructor, in the main menu of the program algorithm displayed on the monitor of the computer equipment 1, selects an exercise for learning to drive a car using the keyboard or mouse. An exercise is a three-dimensional model of the terrain (for example, a city or a race track) in which a virtual car is located, the student must complete the task programmed in the exercise, for example, get to the destination in compliance with traffic rules. The process of learning how to drive a car is similar in principle to a computer game, the trainee is in the driver module 4, acts on the car's controls 6 by controlling the car in a virtual environment generated by the computer software algorithm 2. The visualization system 9 displays a three-dimensional virtual dynamic picture of the area surrounding the car, similar to the view from the driver's seat in a real car. The driver’s actions are monitored by sensors 7 of the vehicle’s control elements 6, data from sensors 7 are transmitted to the interface unit 8, and then to the computer software algorithm 2, based on these data, a mathematical model of the behavior of the virtual car is built. The speaker system 10 using the speakers 23 reproduces the sound environment of the car, the sounds of the car (engine, car malfunction, signal, collision with obstacles), as well as the instructor’s voice guidance, the microphone of the cabin 22 serves for voice communication between the driver and the instructor. The algorithm for the operation of the interface unit is as follows, initialization of the initial values of the variables and the data exchange buffer with the computer 2, cyclic interrogation of the sensors 7 of the vehicle control 6, compilation of an information packet with data from the sensors 7, recording of the information packet in the data clipboard (sending data to the computer 2 .

Модуль динамической платформы 3 (фиг. 2) имитирует динамические нагрузки в кабине автомобиля, подобные нагрузкам ощущаемым водителем в реальном автомобиле. Координаты положения виртуального автомобиля определяются в программном алгоритме ЭВМ 2 (фиг. 4), в результате решения обратной кинематической задачи (Математическое моделирование кинематики и динамики робота-манипулятора типа «хобот». Математические модели секции манипулятора, как механизма параллельной кинематики типа «гексапод» 11, ноября 2009, авторы: Каганов Ю.Т., Карпенко А.П. УДК 519.6, "Наука и образование: электронное научно-техническое издание", www.technomag.edu.ru) для динамической платформы 3 согласно программному алгоритму рассчитываются положения штоков пневматических приводов 13, полученные данные передаются из ЭВМ 2 компьютерного оборудования 1 в систему управления 15 пневматическими приводами 13, где сравниваются с данными с датчиков положения пневматических приводов 13. На основе сравнения методом ПИД-регулирования (известного в электронике алгоритма пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования) блок управления в системе управления 15 пневматических приводов 13 генерирует сигналы на пропорциональные регуляторы давления, управляя положением штоков пневматических приводов 13, обеспечивая крен, тангаж и вертикальное перемещение подвижной рамы 12 динамической платформы 3. Компрессор (не показан) обеспечивает сжатие воздуха и подачу его под давлением на пропорциональные регуляторы давления, а затем на пневматические приводы 13. Алгоритм работы блока управления (не показан) системы управления 15 пневматических приводов 23 следующий, инициализация начальных значений переменных и буфера обмена данными с ЭВМ 2, циклический опрос датчиков положения (не показаны) пневматических приводов 23, составление информационного пакета с данными с датчиков положения пневматических приводов 23, запись информационного пакета в буфер обмена данными (отправка данных в ЭВМ 2), получение информационного пакета из ЭВМ 2 с командами для пропорциональных регуляторов давления (не показаны) системы управления 15 пневматическими приводами 23, сравнение с текущими показаниями датчиков, генерация сигналов на пропорциональные регуляторы давления системы управления 15 алгоритмом ПИД-регулирования.The dynamic platform module 3 (Fig. 2) simulates dynamic loads in the car cabin, similar to the loads experienced by the driver in a real car. The coordinates of the position of the virtual car are determined in the computer program algorithm 2 (Fig. 4), as a result of solving the inverse kinematic problem (Mathematical modeling of the kinematics and dynamics of the robot manipulator of the "trunk" type. Mathematical models of the section of the manipulator, as a parallel kinematics mechanism of the "hexapod" type 11 , November 2009, authors: Kaganov Yu.T., Karpenko AP UDC 519.6, “Science and Education: Electronic Scientific and Technical Edition”, www.technomag.edu.ru) for dynamic platform 3, according to the software algorithm, the position of the rods of the pneumatic actuators 13, the received data is transferred from the computer 2 of the computer equipment 1 to the control system 15 of the pneumatic actuators 13, where they are compared with the data from the position sensors of the pneumatic actuators 13. Based on a comparison using the PID control method (the algorithm known in electronics as differential control), the control unit in the control system 15 of the pneumatic actuators 13 generates signals to the proportional pressure regulators, controlling the position of the stems of the stump mathematical drives 13, providing roll, pitch and vertical movement of the movable frame 12 of the dynamic platform 3. A compressor (not shown) provides compression of the air and its supply under pressure to the proportional pressure regulators, and then to the pneumatic actuators 13. The algorithm of the control unit (not shown ) control systems 15 pneumatic actuators 23 next, initialization of the initial values of the variables and the clipboard 2, cyclic polling of position sensors (not shown) pneumatic actuators 23, composed providing an information packet with data from the position sensors of pneumatic actuators 23, writing an information packet to the clipboard (sending data to computer 2), receiving an information packet from computer 2 with commands for proportional pressure regulators (not shown) of the control system 15 of pneumatic actuators 23, comparison with current sensor readings, signal generation to proportional pressure regulators of the control system 15 by the PID control algorithm.

По сравнению с прототипом предлагаемый динамический тренажер вождения содержит динамическую платформу выполненную в виде параллельного механизма с 6-ю степенями свободы типа «гексапод», которая обеспечивает большие углы крена, тангажа и вертикальное перемещение, вибрацию с различной частотой и амплитудой динамической платформы тренажера вождения автомобиля. За счет применения пневматических приводов обеспечивается высокая скорость перемещения имитатора кабины тренажера между крайними положениями.Compared with the prototype, the proposed dynamic driving simulator contains a dynamic platform made in the form of a parallel mechanism with 6 degrees of freedom of the hexapod type, which provides large roll angles, pitch and vertical movement, vibration with different frequencies and amplitudes of the dynamic platform of the car driving simulator. Due to the use of pneumatic drives, a high speed of movement of the simulator cabin simulator between extreme positions is ensured.

Claims

1. A dynamic vehicle driving simulator comprising computer hardware, a dynamic platform connected to a computer, a driver module mounted on a dynamic platform and including a car simulator with vehicle controls installed therein with position sensors connected to an interface unit connected to A computer, a visualization system and an acoustic system connected to a computer, respectively, characterized in that the dynamic platform is made in the form of a 6-degree dynamic platform type "hexapod".

2. The dynamic vehicle driving simulator according to claim 1, characterized in that the dynamic platform comprises a fixed and movable frame interconnected by pneumatic actuators with position sensors via a swivel joint, and a pneumatic actuator control system connected to the computer.