Тренажер для обучения водителя автомобиля
Полезная модель относится к техническим средствам обучения вождению транспортных средств, может быть использована для обучения вождению автомобиля. 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, органы управления с переключающими элементами, модуль имитации шума, 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 модуля имитации шума, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации, модуль управления программой, первая, вторая и третья группы выходов которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки, со второй группой входов блока имитации визуальной обстановки и первой группой входов модуля моделирования движения 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 движения 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, отличающийся тем, что он дополнительно содержит панель приборов, блок приводов приборов и устройства управления сигнальными лампочками, устройство отображения визуальной информации левое и устройство отображения визуальной информации правое, группы входов которых соответственно соединены с третьей и четвертой группой выходов блока имитации визуальной обстановки, третья и четвертая группы выходов устройства согласования соединены соответственно с аналоговой и дискретной группой входов блока приводов приборов и устройства управления сигнальными лампочками, аналоговая и дискретная группы выходов которого соединена с аналоговой и дискретной группами входов панели приборов, а группа выходов последней соединена с
дискретными входами устройства согласования, третья группа выходов модуля моделирования движения машины соединена с первой группой 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 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 модуля имитации шума, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации.
Известен также тренажер для обучения вождению автомобиля [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, 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 модуля имитации шума, 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, органы управления с переключающими элементами, модуль имитации шума, 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 модуля имитации шума, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации, 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 движения 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 движения 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.
К общим недостатком прототипа и аналогов является:
1. Обучаемый водитель не видит окружающую обстановку в левое и правое остекление кабины, что снижает качество обучения. Например, при проезде перекрестка на тренажере прототипе обучаемый водитель не может видеть дорожно-транспортную ситуации слева и справа.
2. Панель приборов выводится на экране монитора, что не позволяет обучаемому водителю пользоваться органами управления, расположенными на щитке моделируемого автомобиля.
Общим техническим результатом заявляемого технического решения является повышение качества и эффективности обучения за счет устранения вышеуказанного недостатка аналогов и прототипа.
Этот технический результат достигается тем, что 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, органы управления с переключающими элементами, модуль имитации шума, 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 модуля имитации шума, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения
визуальной информации, модуль управления программой, первая, вторая и третья группы выходов, которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки, со второй группой входов блока имитации визуальной обстановки и первой группой входов модуля моделирования движения машины вторая и третья группы входов которого соответственно соединена с первьм 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 движения 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, отличающийся тем, что он дополнительно содержит панель приборов, блок приводов приборов и устройства управления сигнальными лампочками, устройство отображения визуальной информации левое и устройство отображения визуальной информации правое, группы входов которых соответственно соединены с третьей и четвертой группой выходов блока имитации визуальной обстановки, третья и четвертая группы выходов устройства согласования соединены соответственно с аналоговой и дискретной группой входов блока приводов приборов и устройства управления сигнальными лампочками, аналоговая и дискретная группы выходов которого соответственно соединены с аналоговой и дискретной группами входов панели приборов, а группа выходов последней соединена с дискретными входами устройства согласования, третья группа выходов модуля моделирования движения машины соединена с первой группой входов устройства сопряжения.
На фиг.1 изображена схема тренажера.
Тренажер содержит: Устройство отображения визуальной информации центральное 1, блок приводов приборов и устройства управления сигнальными лампочками 2, устройство отображения визуальной информации правое 3 панель приборов 4, устройство отображения визуальной информации левое 5, рабочее место водителя 6, акустическая систему 7, органы управления аналоговые 8, датчики положения аналоговые 9, органы управления с переключающими элементами 10, органы управления дискретные 11, датчики дискретных органов управления 12, формирователь звуковых сигналов 13, модуль имитации шума 14, модуль моделирования движения машины 15, блок имитации визуальной
обстановки 16, устройство согласования 17, модуль калибровки 18, модуль управления программой 19.
На фиг.2 изображен вариант выполнения устройства согласования 17.
Устройство содержит устройство ввода-вывода дискретных сигналов 20, устройство ввода аналоговых сигналов 21, процессор 22, устройство вывода аналоговых сигналов 23.
На фиг.3 изображен вариант выполнения модуля моделирования движения машины 15, 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 16.
Блок имитации визуальной обстановки содержит формирователи сигналов видео изображения 28, 29, 30, модуль управления видеокамерами 31, модель внутренней обстановки 32, модуль интерфейсов программы 33, модуль видеокамер 34, модель внешней обстановки 35, модуль формирователя служебных окон 36 и модуль видеокамер зеркал 37.
Тренажер, содержащий рабочее место водителя 6 с акустической системой 7 и с аналоговыми 8 и дискретными 11 органами управления механически связанными соответственно с аналоговыми 9 и дискретными 12 датчиками их положения, органы управления с переключающими элементами 10, модуль имитации шума 14, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов 13, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы 7, блок имитации визуальной обстановки 16, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования движения машины 15, вторая группа выходов которого соединена с группой входов модуля имитации шума 14, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки 16 соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации 1, модуль управления программой 19, первая, вторая и третья группы выходов которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки 18, со второй группой входов блока имитации визуальной обстановки 16 и первой группой входов модуля моделирования движения машины 15 вторая и третья группы входов которого соответственно соединена с первым выходом модуля калибровки 18, и с первой группой выходов устройства согласования 17, вторая группа выходов последнего соединена со второй группой входов модуля калибровки 18, вторая группа выходов которого соединена с третьей группой входов блока имитации визуальной обстановки 16, вторая группа выходов, которого соединена с четвертой группой входов модуля моделирования движения машины 15, четвертая группа выходов последнего соединена с четвертой группой входов
блока имитации визуальной обстановки 16, выходы аналоговых датчиков 9 положения органов управления 8 соединены с аналоговыми входами устройства согласования 17, дискретные входы последнего соединены с соответствующими выходами органов управления с переключающими элементами 10 и датчиков дискретных органов управления 12, отличающийся тем, что он дополнительно содержит панель приборов 4, блок приводов приборов 2 и устройства управления сигнальными лампочками, устройство отображения визуальной информации левое 5 и устройство отображения визуальной информации правое 3, группы входов которых соответственно соединены с третьей и четвертой группой выходов блока имитации визуальной обстановки 16, третья и четвертая (аналоговая и дискретная) группы выходов устройства согласования соединены соответственно с аналоговой и дискретной группой входов блока приводов приборов и устройства управления сигнальными лампочками 2, аналоговая и дискретная группы выходов которого соединены с аналоговой и дискретной группами входов панели приборов 4, а группа выходов последней соединена с дискретными входами устройства согласования, третья группа выходов модуля моделирования движения машины 15 соединена с первой группой входов устройства сопряжения.
Выполнение составных частей тренажера рассмотрим на примере тренажера для грузового автомобиля (для тренажера легкого автомобиля исполнение некоторых элементов будет отличаться).
Рабочее место водителя 4 представляет собой кабину автомобиля с установленными лобовым и боковыми стеклами. На стеклах, с наружи кабины, закреплены мониторы с большими экранами. На рабочем месте водителя установлены органы управления 6, 8 и 9, панель приборов 4 и акустическая система 7. Рабочее место водителя 6 обеспечивает подгонку позы водителя в соответствии со строением его тела, за счет использования штатного автомобильного сидения, размещение органов управления осуществляется как на реальном автомобиле.
К аналоговым органам управления 8, относятся: руль, педали тормоза, газа, сцепления. Эти органы управления механически связаны с датчиками их положения 9. 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 11, относится рычаг переключения передач. Датчиками 12 таких органов управления являются микропереключатели.
К органам управления 10 с переключающими элементами относятся, например, подрулевые переключатели. Датчиками таких органов управления являются либо штатные переключатели, либо дополнительно установленные микропереключатели, например, датчик включения ремня безопасности.
Кроме того, имеются органы управления узлами и агрегатами автомобиля, установленные на приборной панели автомобиля (кнопки и переключатели), также относящиеся к дискретным органам управления.
Блок приводов приборов и устройства управления сигнальными лампочками 2 содержит привода, выполненные по известным схемам, для обеспечения показаний аналоговых приборов (спидометр, тахометр, указатели топлива, давления масла и т.д.). для управления сигнальными лампочкам этот блок содержит электронные ключи, количество которых равно количеству сигнальных лампочек.
Тренажер работает следующим образом.
Подготовительная часть. Инструктор включает тренажер и на экране центрального монитора 1 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 19 управления программой в совокупности с остальными модулями тренажера.
Обучаемый водитель воздействует, определенным образом, в зависимости от поставленной задачи, на органы управления. В результате чего, аналоговые датчики 9, механически связанные с аналоговыми органами управления 8 перемещаются и на их выходах формируются аналоговые напряжения, пропорциональные величине перемещения органов управления 8, Эти напряжения поступают на аналоговые входы устройства согласования 17, с помощью которого они преобразуются в численные значения переменных, пропорциональных положению органов управления 8. Потенциометрические датчики в процессе работы могут сбиваться, поэтому в процессе эксплуатации осуществляется контроль работы всех органов управления и при необходимости осуществляется их калибровка. Для этого служит модуль калибровки 18, 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.
Эти аналоговые переменные поступают через вторую группу входов модуля 15 моделирования движения машины на модуль моделирования 24 шасси автомобиля (см. фиг.3), а через третью группу входов на этот же модуль поступают переменные от дискретных датчиков 12 и от органов управления с переключающими элементами 10, которые обеспечивают полное моделирование управления автомобилем.
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 15 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 каждого колеса автомобиля;
4. линейная скорость каждого колеса относительно поверхности движения;
5. линейная скорость движения машины;
6. угловая скорость поворота машины;
7. вертикальное перемещение подрессоренной части корпуса;
8. угол тангажа подрессоренной части корпуса;
9. угол крена подрессоренной части корпуса;
10. температура охлаждающей жидкости и давление масла двигателя;
11. количество топлива в баке (баках);
12. логические переменные обеспечивающие включение сигнальных лампочек на панели приборов 4.
Для обеспечения изменения сопротивления качению колес и изменения сцепления колес с грунтом при выезде каждого колеса на другой грунт в модуле 15 используются два дополнительных модуля: модуль 26 вычисления текущих координат шасси и модуль 27 определения параметров дорожно-грунтовых условий (ДГУ) под каждым колесом. На группе выходов модуля 26 формируются координаты, описывающие пространственное положение шасси автомобиля, эти переменные с помощью модуля 31 (фиг.4) управляют положением виртуальных камер 34 на моделируемой местности 32, т.е. осуществляется однозначное положение автомобиля на местности. Следовательно, однозначно определяются параметры ДГУ под каждым колесом. Эти параметры через вторую группу выходов блока 16 поступают на четвертую группу входов модуля 15 моделирования движения, в
котором в модуле 27 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.
Выходные переменные 1-2 через вторую группу выходов блока 13 поступают на входы модуля имитации шума двигателя 14, который в совокупности с формирователем 13 (звуковая плата), преобразующим цифровой код в сигнал звуковой частоты и, при необходимости, усилитель для создания необходимого уровня шума. В результате обучаемый водитель слышит через динамики (акустическая система 7), установленные на рабочее места водителя 6, шум двигателя в зависимости от режима работы моделируемой машины.
Программный модуль имитации шума двигателя 14 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 15 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 5-9 характеризуют параметры движения машины на местности, они формируются в блоке 15 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 15 моделирования движения, поступают на первую группу входов блока 16 имитации визуальной обстановки. Эти переменные управляют положением виртуальных камер на моделируемой местности. Местность воспроизводится программным способом с помощью 30 графики.
Вариантов исполнения блока 16 имитации визуальной обстановки известно довольно много, их можно видеть практически во всех компьютерных играх, в которых используется
30 графика. Как вариант исполнения блока 16 имитации визуальной информации в совокупности с устройством отображения визуальной информации 1, представлен на фиг.4.
Отличительной особенность данного исполнения является то, в данном блоке используется не одна, а три основные виртуальные камеры. Они «установлены на уровне глаз водителя», причем центральная камера «смотрит» вперед обеспечивая изображение через лобовое стекло, а две другие соответственно «смотрят» вправо и влево, обеспечивая изображение в правом и левом боковых стеклах.
Модуль 31 управления видеокамерами управляет положением основных 34 видеокамер и камер боковых зеркал 37 заднего вида.
Эти камеры совместно с модулем 33 интерфейсов программы (программно) и формирователями 28, 29 и 30 сигналов видео изображения (аппаратно) обеспечивают на выходах последних сигналов видеоизображения. Эти сигналы обеспечивают отображение на мониторах (устройства 1, 3 и 5 отображения визуальной информации) изображения местности, наблюдаемое с места водителя, через лобовое стекло, а так же через правое и левое боковые стекла.
Для обеспечения работы панели приборов 4 автомобиля используются выходные переменные модуля 15 модели движения машины, указанные в п.2, 5, 10-12. Эти переменные через третью группу выходов модуля 15 поступают на первый вход устройства согласования 17, где они преобразуются в аналоговые (третья группа выходов) и дискретные (четвертая группа выходов) напряжения. Эти напряжения поступают соответственно на аналоговые и дискретные входы блока приводов приборов и устройства управления сигнальными лампочками 2, в котором преобразуются к виду, необходимому для управления приборами и сигнальными лампочками панели приборов 4. На панели приборов 4, как указано выше, присутствуют кнопки и переключатели, необходимые для управления узлами и агрегатами автомобиля. Выходы этих переключающих элементов соединены с дискретной группой входов устройства согласования 17, с помощью которого сигналы с переключающих элементов преобразуются в переменные, необходимые для работы модуля моделирования движения машины 15.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет исключить недостатки тренажера прототипа и повысить его эффективность. Источники информации:
1. Свидетельство на полезную модель №24032 Мкл G09В 9/04.
2. Патент на полезную модель №31033 Мкл G09В 9/04.
3. Патент на полезную модель №70030 Мкл G09В 9/04
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, органы управления с переключающими элементами, модуль имитации шума, 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 модуля имитации шума, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации, модуль управления программой, первая, вторая и третья группы выходов которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки, со второй группой входов блока имитации визуальной обстановки и первой группой входов модуля моделирования движения машины, вторая и третья группы входов которого соответственно соединены 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 движения 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, отличающийся тем, что он дополнительно содержит панель приборов, блок приводов приборов и устройства управления сигнальными лампочками, устройство отображения визуальной информации левое и устройство отображения визуальной информации правое, группы входов которых соответственно соединены с третьей и четвертой группами выходов блока имитации визуальной обстановки, третья и четвертая группы выходов устройства согласования соединены соответственно с аналоговой и дискретной группами входов блока приводов приборов и устройства управления сигнальными лампочками, аналоговая и дискретная группы выходов которого соединена с аналоговой и дискретной группами входов панели приборов, а группа выходов последней соединена с дискретными входами устройства согласования, третья группа выходов модуля моделирования движения машины соединена с первой группой входов устройства согласования.
