RU31033U1 - Тренажер для обучения вождению автомобиля - Google Patents

Abstract

Тренажер для обучения вождению автомобиля, содержащий блок тестирования, рабочее место водителя с органами управления, механически связанными с датчиками их положения, блок моделирования движения машины, первая группа выходов которого соединена с группой входов имитатора шума, группа выходов последнего соединена с акустической системой, установленной на рабочем месте водителя, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, он дополнительно содержит, блок имитации визуальной обстановки, устройство отображения визуальной информации, аналого-цифровой преобразователь, группа выходов которого одновременно соединена с группой входов блока моделирования движения машины и группой входов блока тестирования, группа выходов которого соединена с первой группой входов блока имитации визуальной обстановки, вторая группа входов которого соединена со второй группой выходов блока моделирования движения машины, а группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения информации, группа выходов датчиков положения органов управления соединена с группой входов аналого-цифрового преобразователя.

Description

ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ВОДИТЕЛЯ АВТОМОБИЛЯ

Нолезная модель относится к техническим средствам обучения вождению транспортных средств, может быть использована для обучения вождению автомобиля, а также для быстрой оценки степени развития профессионально значимых двигательных навыков.

Известен тренажер для обучения водителя танка (Рымаренко А.Г., Зимин К.Б. Технические средства интенсификации обучения вождению танков. Издание ВАБТВ, М.,1970.), содержащий кабину с органами управления, связанными с блоком датчиков; акустический блок; электрогидропривод, механически связанный с кабиной; юшопроектор, с установленным на нем устройством считывания информации; последовательно соединенные блоки модел1фования двигателя и трансмиссии, причем первый выход последнего соединен с первым входом блока моделирования двигателя, выход которого соединен через шщггатор шума - с акустическим блоком.

Известен также тренажер водителя гусеничной машины (Авторское свидетельство СССР №1531707 Мкл G 09В 9/04), содержащий кабину с органами управления и датчиками их положения, механически связанную с электрогидроприводом вход которого соединен с выходом блока моделирования колебаний, группа выходов датчиков положения органов управления соединенных с группой входов блока моделирования движения машины, первый и второй выходы которого соответственно соединены с первым и вторым входами имитатора шума, выход последнего соединен с акинетической системой, установленной в кабине.

Наиболее близким аналогом (прототипом) яв.11яется тренажер для обучения вождению автомобиля, (Свидетельство на полезную модель № Мкл G 09В 9/04 содержапщй блок тестирования, рабочее место водителя с органами управления механически связанными с датчиками их положения, блок моделирования движения машины, первая группа

выходов которого соединена с грунпой входов имнтатора шума, группа выходов последнего соединена с акустической системой, установленной на рабочем месте водителя.

Прототип данного тренажера позволяет осуществлять обучение контр аварийной подготовкн водителей имеющих навыки вождения автомобилей. Однако на нем нельзя осуществлять начальное обучение вождению автомобиля.

Предложенное техническое решение нозволяет исключить недостатки указанных выше тренажеров и методических приемов, а именно:

1.Повыстггь качество подготовки водителей автомобилей, за счет привития навыков действиями органами управления в критических ситуациях.

2.Ос)щ(ествлять начальную подготовку водителей в автошколах.

3.Повысить качество обучения за счет применения компьютерного моделирования визуально информации, шума и движeшiя машины.

4.Сш1зить стоимость применения методики контр аварийного обучения, что позвошп гюпользовать ее в обычных автошколах, а это, в свою очередь, приведет к сокращению дорожно-транспортных происшествий.

Эта задача решается тем, что в известный тренажер, для обучения вождению автомобиля, содержащей блок тестирования, рабочее место водигеля с органами управления механически связанными с датчиками их положения, блок моделирования движения машины, первая rpyinia выходов которого соединена с группой входов имитатора шума, группа выходов последнего соединена с акустической системой, установлениой на рабочем месте водителя, дополнительно введены блок имитации визуальиой информации, устройство отображения визуальной информации, аналого-цифровой иреобразователь группа выходов которого одновременно соединена с группой входов блока моделирования движения машины и группой входов блока тестирования, гр)тша выходов которого

соединена с первой группой входов блока имитации визуальной информации, вторая группа входов которого соединена со второй группой выходов блока моделирования движения машины, а группа выходов блока имитации визуальной 1шформации соединеиа с группой входов устройства отображения информации, группа выходов датшжов положения органов управлеиия соединена с группой входов аналого-цифрового преобразователя.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, чго заявляемый тренажер отличается наличием иовых блоков и их связями с остальными элементами.

Таким образом, заявляемый тренажер соответствует критерию иовизна.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что новые блоки, введенные в тренажер, в отдельности широко известны или выполиены с помощью известных устройств. Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы известного тренажера, новые блоки гфоявляют новые свойства, что приводит к расширению функциональных возможностей известного тренажера и к снижению стоимости обучения с применением данного тренажера. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию существенные от.личия.

На фиг. 1 изображена блок-схема тренажера.

Тренажер содержит:

Устройство отображения визуальной информации 1, рабочее место водителя 2 с органами управления 3, датчиками их положения 5, акустическую систему 4, аналого-цифровой преобразователь б, блок 7 моделирования движения машины, имттгатор 8. тестируюидгй блок 9, блок 10 имитации визуальной ииформации.

Рабочее место водителя 2 представляет собой несущую металлоконструкцию, на которой установлены органы управления 4, датчики положения органов управления 5, Устройство отображения визуальной информации 1 и акустическую систему 4. Рабочее место водителя 2 обеспечивает подгонку позы водителя в соответствии со строением его тела.

размещение органов управления исходя из современных эргономических требований, принятых в автомобилестроерши. Вся несущая металлоконструкция закрыта пластиковым корпусом.

К органам управления 3, относятся; рулевое управление, педали тормоза, «газа, сцепления, рычаг переключения передач, все эти органы управления механически связаны с датчиками 5 их положершя. Датчиками педалей и рулевого колеса являются потенциометры оси которых поворачиваются на угол пропорциональный перемещению органов управления. Датчиками рычага переключеиия передач и стояночного тормоза являются микро переключатели.

Передача вращения от рулевого колеса к датчику осуществляется с помощью шестеренчатого редуктора На одной из щестерен имеется специальный выступ, с помощью которого может быть ограничено число оборо1х в рулевого колеса до значешш, соответствующих возможностям рулевого управления.

Каждая педаль оснащена загрузочным устройством, создающс1М сопротивление движению ноги, аиалогичное сопротивлению в реальном автомобиле. Это загрузочное представляет собой пружину изменяющую усилие на педалях при их перемещении.

Педаль сцепления механически связаиа с рычагом переключения передач таким образом, гго при невыжатой педали сцепления невозможно переключить передачу. Тренажер работает следующим образом.

Согласно методике на основе, которой разработан прототгт и предлагаемый гренажер, используется пргшцип индивидуального подхода к обучению каждого водителя. Поэтому перед началом обучения проводится его тестирование, а на основе результатов тестирования, принимается индивидуальный подход к каждому об чаемомл. В связи с этим рассмотрим два режима работы тренажера режим тестирования и обучения вождению.

в режиме тестирования тестирующий блок 9 тренажера обеснечивает выбор и регистрацию каждого из трех тестируемых параметров: скорость руления, скорость переключения передач, скорость и точность движений ногами при управлении педалями. Работа тренажера в режиме тестирования осуществляется следующим образом. Тестируемый воццклъ, находясь на рабочем месте, по команде 1шструктора выполняет определенные действия, например вращение рулевого колеса от одного упора до другого с максимально возможной скоростью.

Процесс тестирования осуществляется также как и в прототипе, а блок тестирования 9 выполнен в виде программного модуля в который в виде кода поступают сигналы с блока 5 датчиков органов управления. Преобразование сшналов датчиков осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя 6.

При включении режима тестирование скорости руления с началом вращения рулевого колеса срабатывает датчик в блоке 5, и гфограмма, заложенная в данном модуле нач1шает отсчет времени количестве отработанных циклов поворота «управляемых колес автомобиля. После завершения заданного количества циклов поворота «управляемых колес автомобиля на информационной панели устройства отображения 1шформации 1, появляется значение времени, потраченного на выполнение теста. Информащюнная панель сформирована программным способом с помощью блока 10 имитации визуальной информации.

Выполнение тестирования при пользовании рычагом переключения передач и педалями осуществляется точно также как и в предыдущем случая, с той лишь разницей, что формирование начала и конца осуществляется с помощью соответствуюпщх датчиков органов управления.

В режиме обучения тренажер работает следующим образом.

Обучаемый водитель, находящийся рабочем месте 2 тренажера воздействует, определенным образом, в зависимости от поставленной задачи, на органы угфавления. В результате чего, датчики 5, механически связанные с органами управления 3 перемещаются и на их выходах формируются аналоговые напряжения, пропорциональные величине перемещения органов управления. Эти нэтгряжения поступают на соответствуюпц1е входы аналого-цифрового преобразователя 6 с помощью которого они преобразуются в цифровой код, который с помощью ЭВМ преобразуется в численные значения переменных, пропорциональных положению органов управления 3, необходимых для тфавления моделью движения машины.

Основу модели движения автомобиля составляют дафференциальные уравнения, как правило, с нелинейными правыми частями, описывающие движехше агрегатов и узлов реальной машины во взаимодействии с грунтом и профилем местности. На основе этих уравнений создан программный модуль, модежфующий движение машины, который в совок т1ности с персональной ЭВМ представляет собой блок 7 модешфования движения. В результате решения (интегрирования) дафференщ{альных уравнений вычисляются значения выходных переменных модели движения, основными из них :

1.крутящий момент двигателя;

2.частота вращения вала двигателя;

3.линейная скорость движения машины;

4.угловая скорость поворота машины;

5.угол тангажа подрессоре1шой части корпуса;

6.угол крена подрессоренной части корпуса;

Выходные переменные 1-2 через первую группу выходов блока 7 поступают на входы имитатора шума 8, представляющий собой программный модуль в совокупности с персональной ЭВМ, звуковой платой, преобразующей цифровой код в сигнал звуковой частоты и, при необходимости, усилитель для создания необходимого уровня шума. В результате обучаемый водитель слышит в наушниках или через динамики (акустическая

)|/

система 4), установленные в корпусе рабочего места водителя 2, шум двигателя в зависимости от режима работы моделируемой машины.

Программный модуль имитатора шума 5 вынолняется следующим образом. На реальной машине производится запись шумов на нескольких характерных режимах, например, начиная с минимально устойчивой частоте вращения вала двигателя и кончая максимальной через равные промежутки по частоте вращения вала двигателя. Далее такая же запись осуществляется только при другой нагрузке на двигатель. В резу.11ьтате получается число фрагментов записи шума на месте водителя. Затем эти фрагменты оцифровываются на компьютере и с помощью выходных переменных блока 7 моделирования движения эти фрагменты выбираются и с помохцью звуковой платы преобразуются в аналоговый сигнал шума двигателя. Промежзтючные значения между фиксированными частотами вращения вала двигателя при которых производалась запись шума, интерполируется за счет сдвига основных частот спектра оцифрованного шума. Таким образом, имитируемый шум в заявляемом тренажере практически соответствует реальному шуму и чем больше оцифрованных фрагментов тем он ближе к реа.11ьному.

Выходные переменные 3-6 характеризуют параметры движершя машины на местности, поэтому они через вторую группу выходов блока 7 моделирования движения, поступают на группу входов блока 10 имитации визуальной информации. Эти переменные управляют положением моделируемой машины на местности. Местность воспроизводится программным способом с помощью 3D графики.

Вариантов исполнения блока 10 имитации визуальной информации известно доволыю много, их можно видеть практически во всех компьютерных играх, в которых используется 3D графика. Как вариант испо;шения блока 10 имитации визуальной информации в совокупности с устройством отображения визуальной информации 1, можно представить следующим образом.

Укрупнено блок 10 имитации визуальной Ш1формации состоит из визуальной базы данных, модуля выборки кадра и модуля (ирограммного или программно-аппаратного) генерации кадра в каком-либо стандарте трехмерной графики (Open GL, Duect 3D, ...). Визуальная база данных представляеа собой набор взаимосвязанных именованных элементов типа МЕСТНОСТЬ, ОБЪЕКТ, ИЗОБРАЖЕНИЕ, СВЕТ 1РАССЫ примерный состав которых, представлен в таблице.

Модуль генерации кадра представляет собой серийно изготавливаемую компьютерцую плату с элементами ускорения трехмерной графики (с ориентацией на некоторый стандарт - Open GL, Direct 3D, ...), например Viper 550 или TNT.

Устройство отображения визуальиой информации 1 представляет собой серийно юготавливаемый RGB-монитор, совместимый с модулем генерации кадра, нагфимер обычный компьютерный монитор.

Модуль выборки кадра, в соответствии с выбранной для обучения местности, положением моделируемой мавиины в пространстве, извлекает из визуальной базы данных информацдю о трассе моделируемого упражнения. Кроме того, этот модуль формирует необходимый для построения кадра объем геометрических данных о местности, объектах и освещении, т.е., то, что должен видеть обучаемый водитель на устройстве отображения

визуальной информации 1. Затем он транслирует эти данные в соответствии со стандартом, реализованном в модуле генерации кадра, и передает полученную управляюгцую последовательность в модуль генерации кадра, который формирует кадр в устройстве отображения визуальной информации 2.

Использование программно-аппаратного ускорения позволяет обеспечить смену кадров не менее 25 раз в секунду, что воспринимается водителем как непрерывное изображение местности перед машиной. Поступающие в модуль выборки кадра выходные переменные 3-6, определяющие перемещение мапшны в пространстве, с блока 7 моделирования движения, обеспечивают выборку из визуальной базы данных информацию о моделируемой местности для каждого нового положения машины относительно местности. В результате при «вождении машины на тренажере обучаемый водитель видит на устройстве отображения визуальной информации 2 изменяющуюся картину местности. Причем вид11мые им изменения определяются пространственным положением моделируемой машины, которое зависит от того в какое положение он ставит органы управления 3 и от характеристик самой машины, заложенных в блоке 7 моделирования движения, т.е. водитель осуществляет управление машиной на тренажере также как он }тфавлял бы в реальной машиной на реальной местности.

В блоке 7 моделирования движения решается система дифференциальных уравнений описывающих внутреннюю и внешнюю динамик моделируемой мапшны в зависимости от положения органов управления и дорожно-грунговых условий моделируемой местности.

Как уже указывалось выше блок 7 моделирования движения представляет собой персональную ЭВМ с программным обеспечением, обеспечивающим решение дифференциальных уравнений с нелинейными гфавыми частями, описывающих внутреннюю и внешнюю динамику моде;шруемой мапшны. Управление этими уравнениями, а именно

10

изменение нравых частей дифференциальных уравнений, описывающих внутрешлою динамику осуществляется изменением переменных, характеризующих текущее положение оргаьюв управления, iia которые воздействует обучаемый водитель при управлении машиной. При перемещении органов управления 3 тренажера происходит перемещение датчиков 5 положения органов управления. В результате на выходе последних изменяются напряжения, пропорциональные положению органов управления 3. Эти напряжения поступают на аналого-цифровой преобразователь 6 с помощью которого напряжения с датчиков преобразуются в значения переменных, характеризующих текущее положение органов управления 3.

Таким образом блок 7 моделирования движения машины моделирует движение машины на местности, воспроизводимой блоком 10 имитации визуальной обстановки с учетом действий обучаемого органами управления установленного в кабрше 1 и с учетом переменных, характеризующих параметры дорожно-грунтовых условий по которым движется машина.

Вид и количество уравнений, описывающих внешнюю и внутреннюю ,цинамику машины зависит от типа моделируемой мапганы и степени детализации ее описания, поэтому предложить конкретную реализацию этого блока не щ)едставляется возможным. В связи с этим приведем общий гфинцшт построения блока 7 модел цювания движения. Он состоит из модели двигателя, модели трансмиссии, модели подвески и модели взаимодействия колес с ipyHTOM.

Представленные вьщ1е модели, входящих в состав блока 7 моделирования движения могут быть реализованы известными техническими речениями, описанными в нижеуказанных т зобретениях. Единственное их от.лнчие заключается в том, что математические модели, представленные в этих изобретениях решаются с помощью средств аналоговой

вычислительной техники, а в предлагаемом техническом решеьши с помощью цифровой техники.

Переход к цифровой техншсе оправдан тем, что ее развитее, в последнее время, позволяет значительно упростить аппаратную часть тренажера. Так например, использование для имитации визуальной обстановки от1юсительно простой, для настоящего времеш{, персональной ЭВМ Pentimn-n с тактовой частотой даже 266 Мгц, позволяет создать высококачественную картину местности. При этом возможности компьютера используются лишь на 20-30% , это позволяет моделировать остальные системы тренажера на том же компьютере, в том числе и систему моделирования движе1{ия. В результате использования цифровой модели движения из состава тренажера исключаются электронные платы, на которых набрана модель движения при аналоговом моделировании, что приводит к снижению цены тренажера.

Модули моделирования двигателя, трансмиссии и взаимодействия гусениц с грунтом можно выполнить, например, по авторскому свидетельству № 940186 М. Кл. G 06 G 7/78 «Устройство для моделирования движения гусеничной машины.

Моду.гп модели подвески можно выполнить, например, по авторскому свидетельству N° 1807504 М. Кл. G 06 G 7/70. «Устройство для моделирования колебаний гусеничной машины.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет исключить недостатки тренажера прототипа и повысить его эффективность.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет исключить недостатки тренажера прототипа и повысить его эффективность.

Claims (1)

1. Тренажер для обучения вождению автомобиля, содержащий блок тестирования, рабочее место водителя с органами управления, механически связанными с датчиками их положения, блок моделирования движения машины, первая группа выходов которого соединена с группой входов имитатора шума, группа выходов последнего соединена с акустической системой, установленной на рабочем месте водителя, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, он дополнительно содержит, блок имитации визуальной обстановки, устройство отображения визуальной информации, аналого-цифровой преобразователь, группа выходов которого одновременно соединена с группой входов блока моделирования движения машины и группой входов блока тестирования, группа выходов которого соединена с первой группой входов блока имитации визуальной обстановки, вторая группа входов которого соединена со второй группой выходов блока моделирования движения машины, а группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения информации, группа выходов датчиков положения органов управления соединена с группой входов аналого-цифрового преобразователя.