Тренажер для обучения вождению автомобиля

Полезная модель относится к техническим средствам обучения вождению транспортных средств и может быть использована для обучения управлению автомобилями.

Предложенное техническое решение позволяет расширить функциональные возможности тренажеров водителей автомобилей, за счет осуществления начального обучения вождению автомобиля.

Эта задача решается тем, что в известный 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, дополнительно введены блок имитации визуальной информации, 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 информации, вторая группа входов которого соединена со второй группой выходов блока моделирования движения машины, а группа выходов блока имитации визуальной информации соединена с группой входов устройства отображения информации, группа выходов датчиков положения органов управления соединена с группой входов аналого-цифрового преобразователя.

Полезная 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; кинопроектор, с установленным на нем устройством считывания информации; последовательно соединенные блоки моделирования двигателя и трансмиссии, причем первый выход последнего соединен с первым входом блока моделирования двигателя, выход которого соединен через имитатор шума - с акустическим блоком.

Известен также тренажер водителя гусеничной машины (Авторское свидетельство СССР №1531707 Мкл G09В 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 акустической системой, установленной в кабине.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является тренажер для обучения вождению автомобиля (Свидетельство на полезную модель №24032 Мкл G09В 9/04, 10.02.2003), 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.

Прототип данного тренажера позволяет осуществлять обучение контраварийной подготовки водителей, имеющих навыки вождения автомобилей (Э.С.Цыганков. Высшая школа водительского мастерства. Москва «Транспорт», 1995 г.). Однако на нем нельзя осуществлять начальное обучение вождению автомобиля.

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

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

2. Осуществлять начальную подготовку водителей в автошколах.

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

4. Снизить стоимость применения методики контраварийного обучения, что позволит использовать 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, 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, дополнительно введены блок имитации визуальной информации, 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 информации, вторая группа входов которого соединена со второй группой выходов блока моделирования движения машины, а группа выходов блока имитации визуальной информации соединена с группой входов устройства отображения информации, группа выходов датчиков положения органов управления соединена с группой входов аналого-цифрового преобразователя.

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

Таким образом, заявляемый тренажер соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что новые блоки, введенные в тренажер, в отдельности широко известны или выполнены с помощью известных устройств. Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы известного тренажера, новые блоки проявляют 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" отличия.

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 6, блок 7 моделирования движения машины, имитатор шума 8, тестирующий блок 9, блок 10 имитации визуальной информации.

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 автомобилестроении. 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 положения. Датчиками педалей и рулевого колеса являются потенциометры, оси которых поворачиваются на угол пропорциональный перемещению органов управления. Датчиками рычага переключения передач и стояночного тормоза являются микропереключатели.

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

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

Педаль сцепления механически связана с рычагом переключения передач таким образом, что при невыжатой педали сцепления невозможно переключить передачу.

Тренажер работает следующим образом.

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

В режиме тестирования тестирующий блок 9 тренажера обеспечивает 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 водитель, находясь на рабочем месте, по команде инструктора выполняет определенные действия, например вращение рулевого колеса от одного упора до другого с максимально возможной скоростью.

Процесс тестирования осуществляется так же, 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 сигналов 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 программа, заложенная в данном модуле, начинает отсчет времени в количестве отработанных циклов поворота «управляемых колес автомобиля». После завершения заданного количества циклов поворота «управляемых колес автомобиля» на информационной панели устройства отображения информации 1, появляется значение времени, потраченного на выполнение теста. Информационная панель сформирована программным способом с помощью блока 10 имитации визуальной информации.

Выполнение тестирования при пользовании рычагом переключения передач и педалями осуществляется точно так же, как и в предыдущем случае, с той лишь разницей, что формирование начала и конца счета осуществляется с помощью соответствующих датчиков органов управления.

В режиме обучения тренажер работает следующим образом.

Обучаемый водитель, находящийся на рабочем месте 2 тренажера, воздействует, определенным образом, в зависимости от поставленной задачи, на органы управления. 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 напряжения поступают на соответствующие 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 управления моделью движения машины.

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 7 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) линейная скорость движения машины;

4) угловая скорость поворота машины;

5) угол тангажа подрессоренной 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 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 7 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 3-6 характеризуют параметры движения 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 довольно много, их можно видеть практически во всех компьютерных играх, в которых используется 3D графика. Как вариант исполнения блока 10 имитации визуальной информации в совокупности с устройством отображения визуальной информации 1, можно представить следующим образом.

Укрупненно блок 10 имитации визуальной информации состоит из визуальной базы данных, модуля выборки кадра и модуля (программного или программно-аппаратного) генерации кадра в каком-либо стандарте трехмерной графики (Open GL, Direct 3D, ...). Визуальная база данных представляет собой набор взаимосвязанных именованных элементов типа "МЕСТНОСТЬ", "ОБЪЕКТ", "ИЗОБРАЖЕНИЕ", "СВЕТ" "ТРАССЫ", примерный состав которых представлен в таблице.

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

Устройство отображения визуальной информации 1 представляет собой серийно изготавливаемый RGB-монитор, совместимый с модулем генерации кадра, например обычный компьютерный монитор.

Модуль выборки кадра, в соответствии с выбранной для обучения местности, положением моделируемой машины в пространстве, извлекает из визуальной базы данных информацию 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, реализованным в модуле генерации кадра, и передает полученную управляющую 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 машины 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 видимые 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 так же, как он управлял бы реальной машиной на реальной местности.

В блоке 7 моделирования движения решается система дифференциальных уравнений, описывающих внутреннюю и внешнюю динамику моделируемой машины в зависимости от положения органов управления и дорожно-грунтовых условий моделируемой местности.

Как уже указывалось выше, блок 7 моделирования движения представляет собой персональную ЭВМ с программным обеспечением, обеспечивающим решение дифференциальных уравнений с нелинейными правыми частями, описывающих внутреннюю и внешнюю динамику моделируемой машины. Управление этими уравнениями, а именно изменение правых частей дифференциальных уравнений, описывающих внутреннюю динамику, осуществляется изменением переменных, характеризующих текущее положение органов управления, на 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, установленными в кабине 1, и с учетом переменных, характеризующих параметры дорожно-грунтовых условий, по которым движется машина.

Вид и количество уравнений, описывающих внешнюю и внутреннюю динамику машины, зависят от типа моделируемой машины и степени детализации ее описания, поэтому предложить конкретную реализацию этого блока не представляется возможным. В связи с этим приведем общий принцип построения блока 7 моделирования движения. Он состоит из модели двигателя, модели трансмиссии, модели подвески и модели взаимодействия колес с грунтом.

Представленные выше модели, входящие в состав блока 7 моделирования движения, могут быть реализованы известными техническими речениями, описанными в нижеуказанных изобретениях. Единственное их отличие заключается в том, что математические модели, представленные в этих изобретениях, решаются с помощью средств аналоговой вычислительной техники, а в предлагаемом техническом решении с помощью цифровой техники.

Переход к цифровой технике оправдан тем, что ее развитие, в последнее время, позволяет значительно упростить аппаратную часть тренажера. Так, например, использование для имитации визуальной обстановки относительно простой, для настоящего времени, персональной ЭВМ Pentium-II 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 движения. 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. ³ G06G 7/78 «Устройство для моделирования движения гусеничной машины».

Модуль модели подвески можно выполнить, например, по авторскому свидетельству №1807504 М. Кл.³ G06G 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.

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.