RU70030U1 - Тренажер для обучения водителя автомобиля - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к техническим средствам обучения вождению транспортных средств, может быть использована для обучения вождению автомобиля. Тренажер для обучения водителя автомобиля, содержащий рабочее место водителя с акустической системой и с аналоговыми и дискретными органами управления механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками их положения, модуль имитации шума двигателя, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы, блок имитации визуальной обстановки, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования движения машины, вторая группа выходов которого соединена с группой входов имитаторов шумов, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации, отличающийся тем, что он дополнительно содержит органы управления с переключающими элементами, установленные на рабочем месте водителя, устройство согласования, модуль калибровки и модуль управления программой, первая, вторая и третья группы выходов, которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки, со второй группой блока имитации визуальной обстановки и первой группой модуля моделирования машины вторая и третья группы входов которого соответственно соединена с первым выходом модуля калибровки и с первой группой выходов устройства согласования, вторая группа выходов последнего соединена со второй группой входов модуля калибровки, вторая группа выходов которого соединена с третьей группой входов блока имитации визуальной обстановки, вторая группа выходов которого соединена с четвертой группой входов модуля моделирования машины, четвертая группа выходов последнего соединена с четвертой группой входов блока имитации визуальной обстановки, выходы аналоговых датчиков положения органов управления соединены с аналоговыми входами устройства согласования, дискретные входы последнего соединены с соответствующими выходами органов управления с переключающими элементами и датчиков дискретных органов управления.

Description

Полезная модель относится к техническим средствам обучения вождению транспортных средств, может быть использована для обучения вождению автомобиля.

Известен тренажер для обучения водителя [1], (Авторское свидетельство СССР №1531707 Мкл G09В 9/04) содержащий, имитатор визуальной обстановки, выполненный в виде кинопроектора, кабину с органами управления и датчиками их положения, 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 акустической системой, установленной в кабине.

Известен также тренажер для обучения водителей транспортных средств [2], (Авторское свидетельство СССР №1728875 Мкл G09В 9/04) содержащий имитатор визуальной обстановки, выполненный в виде ленты и блока передачи информации, рабочее место с видеоконтрольным блоком, подключенным входом к блоку передачи информации, и с органами управления, связанными с датчиками их положения, блок моделирования движения машины.

Недостатками указанных аналогов является то, что они очень громоздкие, дорогие и не могут качественно воспроизвести информацию, получаемую водителем в процессе обучения, а также имеют большое количество подвижных механических устройств, снижающих надежность тренажера в целом.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является тренажер для обучения вождению автомобиля [3], (Свидетельство на полезную модель №24032 Мкл G09В 9/04 содержащий рабочее место водителя с акустической системой и с аналоговыми и дискретными органами управления механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками их положения, модуль имитации шума двигателя, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы, блок имитации визуальной обстановки, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования движения машины, вторая группа выходов которого соединена с группой входов имитаторов шумов, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации.

К недостаткам прототипа (они же относятся и к аналогам) можно отнести:

1. В прототипе используется только одно окно для воспроизведения изображения местности, другая информация, в том числе и служебная, не отображается.

2. В прототипе рассматриваются органы управления, связанные с аналоговыми датчиками, хотя в автомобиле есть достаточно большое количество органов управления, обеспечивающие электрические переключающие элементы (замок зажигания, звуковой сигнал, указатели поворота, переключатели света и т.д.). Отсутствие таких органов управления позволяет обучать вождению, однако такое обучение будет не полным, что приводит к снижению эффективности тренажера.

3. В прототипе датчики аналоговых органов управления устанавливаются механическим поворотом потенциометров. В процессе эксплуатации эти потенциометры могут сбиваться, что, в конечном счете, приводит к снижению качества моделирования движения автомобиля.

4. В прототипе обучение осуществляется на одном автомобиле, параметры которого заложены в модели движения машины.

5. В прототипе параметры дорожно-грунтовых условий заданы постоянно в модуле моделирования движения и не зависят от того «едет» ли обучаемый по асфальтированной дороге или по полю. В результате у водителя не возникает необходимости двигаться по дороге, он может, например, «срезать» поворот, проехав вне дороги и при этом ни какой реакции со стороны автомобиля не будет.

6. В прототипе отсутствует панель приборов, что не позволяет обучаемому водителю получать необходимую информацию о текущем состоянии автомобиля, это так же снижает эффективность обучения.

Общим техническим результатом заявляемого технического решения является повышение качества и эффективности обучения за счет устранения указанных недостатков аналогов и прототипа.

Этот технический результат достигается тем, что известный тренажер, содержащий рабочее место водителя с акустической системой и с аналоговыми и дискретными органами управления механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками их положения, модуль имитации шума двигателя, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы, блок имитации визуальной обстановки, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования движения машины, вторая группа выходов которого соединена с группой входов имитаторов шумов, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации, отличающийся тем, что он дополнительно содержит органы управления с переключающими элементами, установленные на рабочем месте водителя, устройство согласования, модуль калибровки и модуль управления программой,

первая, вторая и третья группы выходов, которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки, со второй группой блока имитации визуальной обстановки и первой группой модуля моделирования машины вторая и третья группы входов которого соответственно соединена с первым выходом модуля калибровки и с первой группой выходов устройства согласования, вторая группа выходов последнего соединена со второй группой входов модуля калибровки, вторая группа выходов которого соединена с третьей группой входов блока имитации визуальной обстановки, вторая группа выходов которого соединена с четвертой группой входов модуля моделирования машины, четвертая группа выходов последнего соединена с четвертой группой входов блока имитации визуальной обстановки, выходы аналоговых датчиков положения органов управления соединены с аналоговыми входами устройства согласования, дискретные входы последнего соединены с соответствующими выходами органов управления с переключающими элементами и датчиков дискретных органов управления.

На фиг.1 изображена схема тренажера.

Тренажер содержит: Устройство отображения визуальной информации 1, рабочее место водителя 2 с аналоговыми 3, с переключающими элементами 4 и дискретными 5 органами управления, аналоговыми 6 и дискретными 7 датчиками их положения, акустическую систему 8, формирователь звуковых сигналов 9, модуль шума двигателя 10, устройство согласования 11, модуль калибровки 12, модуль управления программой 13, модуль моделирования движения машины 14, блок имитации визуальной обстановки 15.

На фиг.2 изображен вариант выполнения устройства согласования 11.

Устройство содержит устройство ввода аналоговых сигналов 16, Устройство ввода-вывода дискретных сигналов 17, устройство вывода цифровых сигналов 18, процессор 19.

На фиг 3 изображен вариант выполнения модуля моделирования движения машины 14.

Модуль содержит модуль моделирования шасси 20, модуль моделирования взаимодействия шасси с грунтом 21, модуль вычисления текущих координат шасси 22 и модуль определения параметров ДГУ (дорожно-грунтовых условий) под каждым колесом 23.

На фиг.4 изображен вариант выполнения блока имитации визуальной обстановки 15.

Формирователь сигналов видео изображения 24, модуль управления видеокамерами 25, модель (РМВ) внутренней обстановки 26, модуль интерфейсов программы 27, модуль основной видеокамеры 28, модель внешней обстановки 29, модуль формирователя служебных окон 30 и модуль видеокамеры зеркала 31.

Тренажер для обучения водителя автомобиля, содержащий рабочее место водителя 2 с акустической системой 8 и с аналоговыми 3 и дискретными 5 органами управления механически связанными соответственно с аналоговыми 6 и дискретными 7 датчиками их положения,

модуль имитации шума двигателя 10, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов 9, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы 8, блок имитации визуальной обстановки 15, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования движения машины 14, вторая группа выходов которого соединена с группой входов имитаторов шумов 10, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки 15 соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит органы управления с переключающими элементами 4, установленные на рабочем месте водителя 2, устройство согласования 11, модуль калибровки 12 и модуль управления программой 13, первая, вторая и третья группы выходов, которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки 12, со второй группой блока имитации визуальной обстановки 15 и первой группой модуля моделирования машины 14 вторая и третья группы входов которого соответственно соединена с первым выходом модуля калибровки 12 и с первой группой выходов устройства согласования 11, вторая группа выходов последнего соединена со второй группой входов модуля калибровки 12, вторая группа выходов которого соединена с третьей группой входов блока имитации визуальной обстановки 15, вторая группа выходов которого соединена с четвертой группой входов модуля моделирования машины 14, четвертая группа выходов последнего соединена с четвертой группой входов блока имитации визуальной обстановки 15, выходы аналоговых датчиков 6 положения органов управления соединены с аналоговыми входами устройства согласования 11, дискретные входы последнего соединены с соответствующими выходами органов управления с переключающими элементами 4 и датчиков дискретных 7 органов управления.

Рабочее место водителя 2 представляет собой несущую металлоконструкцию, на которой установлены аналоговые 3, дискретные 5 и с переключающимися элементами 4 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 осуществляется как на реальном автомобиле.

К аналоговым органам управления 3, относятся: рулевое колесо, педали тормоза, «газа», сцепления, все эти органы управления механически связаны с датчиками 6 их положения. Датчиками педалей и рулевого колеса являются потенциометры оси, которых поворачиваются на угол пропорциональный перемещению органов управления.

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

К дискретным органам управления 5, относится рычаг переключения передач, возможно, стояночный тормоз. Датчиками 7 таких органов управления 7 являются микропереключатели.

К органам управления с переключающими элементами 4 относятся замок зажигания, звуковой сигнал, указатели поворота, переключатели света и т.д.

Тренажер работает следующим образом.

Подготовительная часть. Инструктор включает тренажер и на экране монитора появляется главное окно задач. С помощью с помощью манипулятора «мышь» и клавиатуры инструктор может переходить на выполнение любой задачи, представленной в главном окне. Например, занести данные на обучаемых, выбрать тип автомобиля, провести тестирование работы датчиков всех органов управления все это обеспечивает программный модуль 13 управления программой в совокупности с остальными блоками тренажера. Таким образом, достигается технический результат - обеспечение тестирования работоспособности тренажера, его диагностика, и управление со стороны инструктора (исключается недостаток п.1).

Обучаемый водитель, находящийся на рабочем месте 2 тренажера, перед началом движения должен включить зажигание и запустить двигатель. Это достигается тем, что на рабочем месте водителя установлены органы 4 управления с переключающими элементами (в данном случае замок зажигания), сигнал с которых поступает через группу дискретных входов на устройство согласования 11, с помощью которого эти сигналы преобразуются в переменные необходимые для управления работой модуля моделирования шасси 20. Таким образом, достигается технический результат управления моделью шасси непосредственно от стандартных органов управления автомобиля, что было невозможно в прототипе (недостаток п.2).

После запуска двигателя обучаемый водитель воздействует, определенным образом, в зависимости от поставленной задачи, на органы управления. В результате чего, датчики 6, механически связанные с аналоговыми органами управления 3 перемещаются и на их выходах формируются аналоговые напряжения, пропорциональные величине перемещения органов управления 3. Эти напряжения поступают на аналоговые входы устройства согласования 11, с помощью которого они преобразуются в численные значения переменных, пропорциональных положению органов управления 3. В связи с тем, что потенциометрические датчики в процессе работы могут сбиваться, поэтому в процессе эксплуатации осуществляется контроль работы всех органов управления и при необходимости осуществляется калибровка органов управления. Для этого служит модуль калибровки 12, с помощью которого определяются минимальные и максимальные значения того или иного датчика и затем эти значения нормируются в диапазоне от 0 минимум до 1 максимум, в результате исключается снижения

качества моделирования автомобиля в процессе эксплуатации тренажера. Для руля нормирование осуществляется в диапазоне от -1 до +1. Таким образом, достигается технический результат - повышение качества моделирования автомобиля, устранением недостатка п.3. Эти аналоговые переменные поступают через вторую группу входов блока 14 моделирования движения машины на модуль моделирования 20 шасси автомобиля (см. фиг.3), а через третью группу входов на этот же модуль поступают переменные от дискретных датчиков, которые обеспечивают полное моделирование управления автомобилем. Через первую группу входов блока 14 с модуля управления программой поступают переменные характеризующие параметры конкретного автомобиля (для каждого автомобиля хранится набор таких параметров). Поэтому пользователь может выбрать любой тип автомобиля, заложенный в программе, чем достигается технический результат - возможность обучения на разных автомобилях и исключение недостатка п.4.

Основу модели движения автомобиля составляют дифференциальные уравнения, как правило, с нелинейными правыми частями, описывающие движение агрегатов и узлов реальной машины во взаимодействии с грунтом и профилем местности. На основе этих уравнений создан программный модуль, моделирующий движение машины, который в совокупности с персональной ЭВМ представляет собой блок 14 моделирования движения. В результате решения (интегрирования) дифференциальных уравнений вычисляются значения выходных переменных модели движения, основными из них:

1. крутящий момент двигателя;

2. частота вращения вала двигателя;

3. частота вращения колес автомобиля

4. линейная скорость движения машины;

5. угловая скорость поворота машины;

6. вертикальное перемещение подрессоренной части корпуса;

7. угол тангажа подрессоренной части корпуса;

8. угол крена подрессоренной части корпуса.

Для обеспечения изменения сопротивления качению колес и изменения сцепления колес с грунтом при выезде каждого колеса на другой грунт в блоке 14 используются два дополнительных модуля 22 вычисления текущих координат шасси и модуль 23 определения параметров дорожно-грунтовых условий (ДГУ) под каждым колесом. На первой группе выходов модуля 22 формируются координаты, описывающие пространственное положение шасси автомобиля, эти переменные с помощью модуля 25 (фиг.4) управляют положением основной камеры 28 на моделируемой местности 29, т.е. осуществляется однозначная взаимосвязь положения автомобиля на местности. Следовательно, однозначно определяются параметры

ДГУ под каждым колесом. Эти параметры через вторую группу выходов блока 15 поступают на четвертую группу входов блока 14 моделирования движения, в котором в модуле 23 определяются значения коэффициентов сопротивления и сцепления под каждым колесом в зависимости от типа грунта (например, асфальт, песок, луг, и т.д.). В этом же модуле определяется и высота моделируемой поверхности местности, необходимой для моделирования колебаний машины. Таким образом - достигается технический результат, устраняется недостаток прототипа отмеченный в п.5.

Выходные переменные 1-2 через вторую группу выходов блока 14 поступают на входы модуль имитатора шума 10, который в совокупности с формирователем 9 (звуковая плата), преобразующим 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 8), установленные на рабочего места водителя 2, шум двигателя в зависимости от режима работы моделируемой машины.

Программный модуль имитатора шума 10 выполняется следующим образом. На реальной машине производится запись шумов на нескольких характерных режимах, например, начиная с минимально устойчивой частоты 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 результате получается конечное число фрагментов записи шума на месте водителя. Затем эти фрагменты оцифровываются на компьютере, и с помощью выходных переменных блока 14 моделирования движения, эти фрагменты выбираются и с помощью звуковой платы преобразуются в аналоговый сигнал шума двигателя. Промежуточные значения между фиксированными частотами вращения вала двигателя, при которых производилась 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 реальному.

Выходные переменные 4-8 характеризуют параметры движения машины на местности, они формируются в блоке 14 с помощью модуля 21 взаимодействия шасси с грунтом, затем в модуле 22 вычисляются текущие (в каждый момент времени) координаты перемещения шасси во всех степенях свободы. Такие переменные могут быть, например, вычислены с помощью направляющих косинусов. Затем они через первую группу выходов блока 14 моделирования движения, поступают на группу входов блока 15 имитации визуальной обстановки. Эти переменные управляют положением виртуальных камер на моделируемой местности. Местность воспроизводится программным способом с помощью 3D графики.

Вариантов исполнения блока 15 имитации визуальной обстановки известно довольно много, их можно видеть практически во всех компьютерных играх, в которых используется 3D графика. Как вариант исполнения блока 15 имитации визуальной информации в совокупности с устройством отображения визуальной информации 1, представлен на фиг.4.

Модуль 25 управления видеокамерами управляет положением основной 28 видеокамеры «установленной на уровне глаз водителя» и камерой 31 зеркала заднего вида. Эти камеры совместно с модулем 27 интерфейсов программы (программно) и формирователем 24 сигналов видео изображения (аппаратно) обеспечивают на выходах последнего сигналов видеоизображения. Эти сигналы обеспечивают отображение на мониторе (устройство 1 отображения визуальной информации) изображение дороги на местности, наблюдаемое с места водителя. Кроме того блок 15 имитации визуальной обстановки содержит модель 26 внутренней обстановки которая в общем случае представляет собой 3D модель внутренней обстановки водителя, в простейшем же случае она представляет 3D модель приборной панели автомобиля, которая также попадает в поле зрения основной видеокамеры 28. На модель 26 через четвертую группу входов поступают переменные с модуля 20 моделирования шасси автомобиля, характеризующие показания приборов на приборной панели водителя тахометра, спидометра и т.д., а так же различных сигнальных лампочек. Таким образом, в заявляемом техническом решении достигается технический результат - воспроизведение приборной панели автомобиля и изменение показаний приборов и сигнальных лампочек на ней в зависимости от режима работы моделируемого автомобиля, что устраняет недостаток прототипа п.6.

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

Источники информации:

1 Авторское свидетельство СССР №1531707 Мкл G09В 9/04.

2 Авторское свидетельство СССР №1728875 Мкл G09В 9/04.

3 Свидетельство на полезную модель №24032 Мкл G09В 9/04 (прототип).

Claims (1)

1. Тренажер для обучения водителя автомобиля, содержащий рабочее место водителя с акустической системой и с аналоговыми и дискретными органами управления, механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками их положения, модуль имитации шума двигателя, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы, блок имитации визуальной обстановки, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования движения машины, вторая группа выходов которого соединена с группой входов имитаторов шумов, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации, отличающийся тем, что он дополнительно содержит органы управления с переключающими элементами, установленные на рабочем месте водителя, устройство согласования, модуль калибровки и модуль управления программой, первая, вторая и третья группы выходов которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки, со второй группой блока имитации визуальной обстановки и первой группой модуля моделирования машины, вторая и третья группы входов которого соответственно соединена с первым выходом модуля калибровки и с первой группой выходов устройства согласования, вторая группа выходов последнего соединена со второй группой входов модуля калибровки, вторая группа выходов которого соединена с третьей группой входов блока имитации визуальной обстановки, вторая группа выходов которого соединена с четвертой группой входов модуля моделирования машины, четвертая группа выходов последнего соединена с четвертой группой входов блока имитации визуальной обстановки, выходы аналоговых датчиков положения органов управления соединены с аналоговыми входами устройства согласования, дискретные входы последнего соединены с соответствующими выходами органов управления с переключающими элементами и датчиков дискретных органов управления.