Тренажер для обучения водителя автомобиля
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 органами управления, состоящими из педалей и руля, механически связанными соответственно с датчиками положения педалей и датчиком руля и дискретными органами управления с 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 имитатора шума двигателя, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации, отличающийся тем, что он дополнительно содержит привод коробки передач, механизм имитатора коробки передач с аналоговыми датчиками положения рычага переключения передач, устройство согласования, модуль калибровки и модуль управления программой, первая и вторая группы выходов которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки и со второй группой блока имитации визуальной обстановки, третья группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля калибровки, вторая группа выходов которого соединена с первой группой входов модуля моделирования движения машины, вторая группа входов которого соединена с первой группой выходов устройства согласования, вторая группа выходов которого соединена с группой входов привода коробки передач, механически связанного с механизмом имитатора коробки передач, рычаг переключения передач которого, механически связан с датчиками его положения, выходы датчиков рычага переключения передач, педалей и руля соединены с группой аналоговых входов устройства согласования, цифровая группа входов последнего соединена с выходами дискретных датчиков, а третья группа выходов устройства согласования соединена со второй группой входов модуля калибровки, вторая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с третьей группой входов модуля моделирования движения машины, третья группа выходов которого соединена с группой программных входов устройства согласования.
Полезная модель относится к техническим средствам обучения вождению транспортных средств, может быть использована для обучения вождению автомобиля.
Известен тренажер для обучения водителей транспортных средств [1], 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, модуль 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.
Известен также тренажер для обучения водителей транспортных средств[2], 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.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является тренажер для обучения вождению автомобиля [3], 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 общим недостатком прототипа и аналогов является:
1. Отсутствие возможности имитации синхронизаторов в коробке переключения передач. В результате, обучаемый имеет возможность включить, например, первую передачу при любой скорости движения автомобиля, что в реальном случае не возможно.
2. Нет возможности моделирования любого типа автомобилей, т.к. переключение передач у разных автомобилей различное, поэтому для «смены» автомобиля в тренажере необходимо менять имитатор коробки передач.
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 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.
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 органами управления, состоящими из педалей и руля, механически связанными соответственно с датчиками положения педалей и датчиком руля и дискретными органами управления, с 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 имитатора шума двигателя, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации, отличающийся тем, что он дополнительно содержит привод коробки передач, механизм имитатора коробки передач с аналоговыми датчиками положения рычага переключения передач, устройство согласования, модуль калибровки и модуль управления программой, первая и вторая группы выходов которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки и со второй группой блока имитации визуальной обстановки, третья группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля калибровки,
вторая группа выходов которого соединена с первой группой входов модуля моделирования движения машины, вторая группа входов которого соединена с первой группой выходов устройства согласования, вторая группа выходов которого соединена с группой входов привода коробки передач, механически связанного с механизмом имитатора коробки передач, рычаг переключения передач которого, механически связан с датчиками его положения, выходы датчиков рычага переключения передач, педалей и руля соединены с группой аналоговых входов устройства согласования, цифровая группа входов последнего соединена с выходами дискретных датчиков, а третья группа выходов устройства согласования соединена со второй группой входов модуля калибровки, вторая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с третьей группой входов модуля моделирования машины, третья группа выходов которого соединена с группой программных входов устройства согласования.
На фиг.1 изображена схема тренажера.
Тренажер содержит: Устройство отображения визуальной информации 1, рабочее место водителя 2 с аналоговыми (механизм имитатора коробки передач 7, педали автомобиля 6 и руль автомобиля 5) и дискретными органами управления 11, аналоговыми датчиками положения рычага переключения передач 10, руля 8 и педалей 9 и дискретными датчиками их положения 12, привод коробки передач 4, акустическую систему 3, формирователь звуковых сигналов 13, модуль имитации шума двигателя 15, устройство согласования 14, модуль калибровки 16, модуль управления программой 17, модуль моделирования движения машины 18, блок имитации визуальной обстановки 19.
На фиг.2 изображен вариант выполнения устройства согласования 14.
Устройство содержит ШИМ преобразователь 20, устройство ввода- вывода дискретных сигналов 21, устройство ввода аналоговых сигналов 22, процессор 23.
На фиг.3 представлен вариант выполнения модуля моделирования движения машины 18. содержащий модуль моделирования шасси 24, модуль моделирования взаимодействия шасси с грунтом 25, модуль вычисления текущих координат шасси 26 и модуль определения параметров ДГУ (дорожно-грунтовых условий) под каждым колесом 27.
На фиг.4 изображен вариант выполнения блока имитации визуальной обстановки 19. Блок имитации визуальной обстановки содержит формирователь сигналов видео изображения 28, модуль управления видеокамерами 29, модель внутренней обстановки 30, модуль интерфейсов программы 31, модуль основной видеокамеры 32, модель внешней обстановки 33, модуль формирователя служебных окон 34 и модуль видеокамеры зеркала 35.
На фиг.5 изображен вариант выполнения имитатора коробки передач 7.
Имитатор содержит рычаг переключения передач 36, датчик положения рычага переключения передач влево - вправо 37, датчик положения рычага переключения передач вперед - назад 38, электромагнитная муфта 39, корпус 40, вал 41, усилитель мощности 42.
Тренажер для обучения водителя автомобиля, содержащий рабочее место водителя 2 с акустической системой 3 и с аналоговыми органами управления, состоящими из педалей 6 и руля 5, механически связанными соответственно с датчиками положения педалей 9 и датчиком руля 8 и дискретными органами управления 11, с дискретными датчиками их положения 12, модуль имитации шума двигателя 15, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов 13, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы 3, блок имитации визуальной обстановки 19, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования движения машины 18, вторая группа выходов которого соединена с группой входов имитатора шума двигателя 15, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки 19 соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит привод коробки передач 4, механизм имитатора коробки передач 7 с аналоговыми датчиками положения рычага переключения передач 10, устройство согласования 14, модуль калибровки 16 и модуль управления программой 17, первая и вторая группы выходов которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки 16 и со второй группой блока имитации визуальной обстановки 19, третья группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля калибровки 16, вторая группа выходов которого соединена с первой группой входов модуля моделирования движения машины 18, вторая группа входов которого соединена с первой группой выходов устройства согласования 14, вторая группа выходов которого соединена с группой входов привода коробки передач 4, механически связанного с механизмом имитации коробки передач 7, рычаг переключения передач которого, механически связан с датчиками его положения 10, выходы датчиков рычага переключения передач 10, педалей 9 и руля 8 соединены с группой аналоговых входов устройства согласования 14, цифровая группа входов последнего соединена с выходами дискретных датчиков 12, а третья группа выходов устройства согласования 14 соединена со второй группой входов модуля калибровки 16, вторая группа выходов блока имитации визуальной обстановки 19 соединена с третьей группой входов модуля моделирования машины 18, третья группа выходов которого соединена с группой программных входов устройства согласования 14.
Рабочее место водителя 2 представляет собой несущую металлоконструкцию, на которой установлены аналоговые органы управления и, дискретные органы управления 11,
дискретные датчики положения органов управления 12, устройство отображения визуальной информации 1 и акустическая система 3. Рабочее место водителя 2 (установленное на нем сидение) обеспечивает подгонку позы водителя в соответствии со строением его тела, размещение органов управления осуществляется как на реальном автомобиле.
К аналоговым органам управления, относятся: руль 5 автомобиля, педали 6 тормоза, «газа», сцепления, механизм имитатора коробки передач 7. Эти органы управления механически связаны с датчиками их положения: руль автомобиля 5 с датчиком положения руля 8, педали 6 с датчиком положения педалей 9, механизм имитатора коробки передач 7 с датчиками положения рычага переключения передач 10.
Датчиками положения рычага переключения передач 10, педалей 9 и рулевого колеса 8 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 11, относится, подрулевые переключатели. Датчиками 12 таких органов управления являются либо штатные переключатели, либо дополнительно установленные микропереключатели, например, датчик включения ремня безопасности.
Механизм имитатора коробки передач 7, (фиг.5) может представлять, например, собой конструкцию, обеспечивающую перемещение рычага переключения передач 36 в двух плоскостях: вдоль оси автомобиля (вперед - назад) и поперек оси автомобиля (влево - вправо). По каждой оси установлены датчики 37 и 38, на выходе которых формируются напряжения, пропорциональные перемещению рычага вдоль каждой оси. Таким образом, отслеживаются координаты положения рычага переключения передач. Вал при перемещении рычага вдоль продольной оси автомобиля жестко связан с электромагнитной муфтой 39, которая может блокировать перемещение рычага вдоль продольной оси автомобиля.
Тренажер работает следующим образом.
Инструктор включает тренажер и на экране монитора появляется главное окно задач. С помощью манипулятора «мышь» и клавиатуры инструктор может переходить на выполнение любой задачи, представленной в главном окне. Например, занести данные на обучаемых, провести тестирование работы датчиков всех органов управления, все это обеспечивает программный модуль 17 управления программой в совокупности с остальными блоками тренажера.
Обучаемый водитель, находящийся на рабочем месте 2 тренажера воздействует, определенным образом, в зависимости от поставленной задачи, на органы управления. В результате чего, датчики 10, 8 и 9, механически связанные с органами управления перемещаются и на их выходах формируются аналоговые напряжения, пропорциональные величине перемещения органов управления. Эти напряжения поступают на устройство согласования 14, с помощью которого они преобразуются в численные значения переменных, пропорциональных положению органов управления. В связи с тем, что потенциометрические датчики в процессе работы могут сбиваться, в процессе эксплуатации осуществляется контроль работы всех органов управления и при необходимости осуществляется калибровка органов управления. Для этого служит модуль калибровки 16, 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 снижение 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 первую группу входов модуля 18 моделирования движения машины на модуль моделирования 24 шасси автомобиля (см. фиг.3), а через вторую группу входов на этот же модуль поступают переменные от дискретных датчиков.
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 модуль 18 моделирования движения. В результате решения (интегрирования) дифференциальных уравнений вычисляются значения выходных переменных модели движения, основными из них являются:
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;
9. переменная, характеризующая блокировку рычага переключения передач в механизме имитатора коробки передач 7.
Для обеспечения изменения сопротивления качению колес и изменения сцепления колес с грунтом при выезде каждого колеса на другой грунт в модуле 18 используются два дополнительных модуля - модуль 26 вычисления текущих координат шасси и модуль 27 определения параметров дорожно-грунтовых условий (ДГУ) под каждым колесом. На первой группе выходов модуля 26 формируются координаты, описывающие пространственное положение шасси автомобиля, эти переменные с помощью модуля 29 (фиг.4) управляют положением основной камеры 32 на моделируемой местности 33, т.е. осуществляется однозначная взаимосвязь положения автомобиля на местности. Следовательно, однозначно определяются параметры ДГУ под каждым колесом. Эти параметры через вторую группу выходов блока 19 поступают на третью группу входов модуля 18 моделирования движения, в котором в модуле 27 определяются значения коэффициентов сопротивления и сцепления под каждым колесом в зависимости от типа грунта (например, асфальт, песок, гравий, 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.4.
Выходные переменные 1-2 модуля 18 через вторую группу выходов модуля 18 поступают на входы модуля имитации шума двигателя 15, который в совокупности с формирователем 13 (звуковая плата), преобразующим цифровой код в сигнал звуковой частоты и, при необходимости, усилитель для создания необходимого уровня шума, формирует аналоговое напряжение звуковой частоты. В результате обучаемый водитель слышит в наушниках или через динамики (акустическая система 3), установленные на рабочего места водителя 2, шум двигателя в зависимости от режима работы моделируемой машины.
Программный модуль имитации шума двигателя 15 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 модуля 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 шуму.
Выходные переменные 4-8 модуля 18 характеризуют параметры движения машины на местности, они формируются в модуле 18 с помощью модуля 25 взаимодействия шасси с грунтом, затем в модуле 26 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 модуля 18 моделирования движения, поступают на первую группу входов блока 19 имитации визуальной обстановки. Эти переменные, с помощью модуля 29 управляют положением виртуальных камер 32 и 35 на моделируемой местности. Местность воспроизводится программным способом с помощью 3D графики.
Вариантов исполнения блока 19 имитации визуальной обстановки известно довольно много, их можно видеть практически во всех компьютерных играх, в которых используется 3D графика. Как вариант исполнения блока 19 имитации визуальной информации в совокупности с устройством отображения визуальной информации 1, представлен на фиг.4.
Модуль 29 управления видеокамерами управляет положением основной видеокамеры 32 «установленной на уровне глаз водителя» и камерой 35 зеркала заднего вида. Эти камеры совместно с модулем 31 интерфейсов программы (программно) и формирователем 28 сигналов видео изображения (аппаратно) обеспечивают на выходах последнего сигналы видеоизображения. Эти сигналы обеспечивают отображение на мониторе (устройство 1 отображения визуальной информации) изображение дороги на местности, наблюдаемое с места водителя.
Выходная переменная 9, характеризующая включение блокировки формируется в модуле моделирования шасси 24 следующим образом. Допустим, моделируемый автомобиль «движется» со скоростью, например 100 км/час, и водитель пытается включить 1-ю передачу. В реальном случае включить первую передачу на такой скорости не возможно, т.к. этому препятствуют синхронизаторы коробки передач, в прототипе же включить пониженную передачу можно при любой скорости. Для этого вычисляются координаты положения рычага переключения передач по положению датчиков рычага 10 положения рычага переключения передач. Зная координаты положения рычага всегда можно определить, какую передачу хочет включить обучаемый водитель. Если, например, он перемещает рычаг в сторону первой передачи, а скорость движения моделируемого автомобиля выше той при которой водитель может включить эту передачу, переменная, характеризующая блокировку рычага переключения
передач в механизме имитатора коробки передач 7, принимает значение равное 1. Эта переменная через третью группу выходов модуля моделирования движения машины 18 поступает на программный вход устройства согласования 14, где с помощью процессора 23 и ШИМ преобразователя 20 преобразуется в напряжение ШИМ. Далее это напряжение поступает на привод коробки передач 4 - на вход усилителя 42 мощности, который обеспечивает необходимую для управления электромагнитной муфты 39 мощность управляющих импульсов. При наличии напряжения ШИМ электромагнитная муфта 39 срабатывает и жестко связывает вал 41 с корпусом 40. В результате рычаг переключения передач 36, связанный с валом 41 не может перемещаться вперед в направлении включения 1-й передачи до тех пор, пока скорость моделируемого автомобиля не снизится ниже допустимой, при которой может включиться эта передача. При этом переменная, характеризующая блокировку рычага переключения передач в механизме имитатора коробки передач 7, принимает значение равное 0. В этом случае электромагнитная муфта 39 отключается и вал 41 разблокируется относительно корпуса 40, и рычаг переключения передач свободно войдет в положение 1-й передачи. Так же обеспечивается переключение других передач при переходе с высшей передачи на низшую передачу. Таким образом - достигается технический результат, устраняется недостаток прототипа отмеченный в п.1.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет исключить недостатки тренажера прототипа и повысить его эффективность.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №1728875 Мкл G09В 9/04
2. Свидетельство на полезную модель №24032 Мкл G09В 9/04
3. Патент на полезную модель №31033 Мкл G09В 9/04
Тренажер для обучения водителя автомобиля, содержащий рабочее место водителя с акустической системой и с аналоговыми органами управления, состоящими из педалей и руля, механически связанными соответственно с датчиками положения педалей и датчиком руля и дискретными органами управления с 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 имитатора шума двигателя, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации, отличающийся тем, что он дополнительно содержит привод коробки передач, механизм имитатора коробки передач с аналоговыми датчиками положения рычага переключения передач, устройство согласования, модуль калибровки и модуль управления программой, первая и вторая группы выходов которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки и со второй группой блока имитации визуальной обстановки, третья группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля калибровки, вторая группа выходов которого соединена с первой группой входов модуля моделирования движения машины, вторая группа входов которого соединена с первой группой выходов устройства согласования, вторая группа выходов которого соединена с группой входов привода коробки передач, механически связанного с механизмом имитатора коробки передач, рычаг переключения передач которого механически связан с датчиками его положения, выходы датчиков рычага переключения передач, педалей и руля соединены с группой аналоговых входов устройства согласования, цифровая группа входов последнего соединена с выходами дискретных датчиков, а третья группа выходов устройства согласования соединена со второй группой входов модуля калибровки, вторая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с третьей группой входов модуля моделирования движения машины, третья группа выходов которого соединена с группой программных входов устройства согласования.
