АВТОБУСНЫЙ ТРЕНАЖЕР
BUS SIMULATOR

Изобретение относится к учебным моделям и тренажерам и предназначено для исследования надежности человека-оператора непосредственно во время выполнения алгоритмов деятельности в составе человеко-машинной (эргатической) системы, а также в критических (конфликтных) ситуациях, возникающих при имитации условий движения по моделируемому маршруту со многими участниками движения.
Известен тренажер SimBus производства компании STC Simulator Training Oy (Финляндия), предназначенный для подготовки водителей. Тренажер Bus-3000 основан на целом каркасе автобуса (Volvo, Van Hool и др.). Длина ходовой части около 5 м, ширина около 2,5 м и высота около 3,1 м, масса, включая подвижную платформу, около 4000 кг. Органы управления тренажером включают все необходимые устройства для вождения обычного автобуса, контрольно-измерительные приборы. Салон включает 6 пассажирских мест, заднее сиденье (4 места), место инструктора (сиденье, стол и средства управления программным обеспечением). Ощущение движения создается движущимся проецируемым ландшафтом и подвижной платформой. Для визуализации ландшафта используется 4 проектора и П-образный экран. Угол обозрения - более 180°. Тренажер дает возможность создавать различные погодные и транспортные условия, изменять направление движения, тормозить, проходить специфические ситуации (продажа билетов), управлять автобусом с механической и автоматической коробкой передач, с использованием тормоза-замедлителя и других регулирующих устройств (см. Tenkanen, Teppo 2SimBus Driving Simulator Opens Up-New Possibilities / Public Transport International, Volume: 56. - Publisher: International Association of Public Transport (UITP). - 2007-5. - pp 44-45. - ISSN: 1016-796X).
Однако недостатками такого тренажера являются те обстоятельства, что он не позволяет исследовать состояние водителя автобуса в критических (конфликтных) ситуациях, возникающих при имитации условий движения по моделируемому маршруту со многими участниками движения; имеет значительные массогабаритные показатели; экраны, расположенные в форме буквы П, недостаточно реалистично воспроизводят обстановку в местах сопряжения.
Также известен тренажер, содержащий модель управляемого объекта, оснащенную органом управления и программой управления параметрами объекта, а также регистрирующий блок и информационное табло. Модель управляемого объекта выполнена в виде кабины, установленной по углам на пружинных рессорах с гидравлическими гасителями. Под днищем кабины симметрично относительно центральной оси пола кабины установлены двигатели постоянного тока с регулируемой частотой вращения и с дисбалансными шайбами. Внутри кабины в области расположения двигателя транспортного средства размещены нагревательный элемент и низкочастотный динамик. В верхних углах кабины закреплены четыре широкополосных динамика. На уровне головы оператора установлены датчики температуры и шума, на уровне спины оператора - датчик вибрации. На крыше кабины закреплена фильтровентиляционная установка. Тренажер позволяет моделировать условия работы оператора, приближенные к реальным, и исследовать при этих условиях работоспособность оператора (см. патент РФ №2215330, М. кл. G09B 9/00, опубл. 27.10.2003).
Недостатками данного устройства являются те обстоятельства, что способ проецирования изображения не позволяет имитировать окружающую обстановку со многими активными участниками дорожного движения, максимально приближенно к реальным условиям; пружинные рессоры с гидравлическими гасителями не позволяют адекватно передать колебания и крены подвески при движении; отсутствуют системы воссоздания высокочастотных колебаний, позволяющих передать особенности рельефа.
Известен принятый в качестве прототипа тренажер вождения автобуса ЛиАЗ-5256/ЛиАЗ-6212 производства ООО «Логос» (Россия). Тренажер «Логос» воспроизводит кабину автобуса ЛиАЗ-5256/ЛиАЗ-6212 со штатным набором органов управления и контрольно-измерительными приборами и предназначен для обучения основным навыкам вождения автобуса и совершенствования приемов вождения в условиях моделируемой городской дорожной обстановки со многими участниками движения без расхода горюче-смазочных материалов и моторесурса транспортного средства в условиях классного помещения. Максимальные габаритные размеры изделия: 3000×2500×3210 мм, масса изделия 1600 кг.
Тренажер «Логос» характеризуется использованием упрощенного макета кабины городского автобуса (место водителя) с органами управления и контрольно-измерительными приборами на рабочем месте водителя; наличием широкоэкранной системы визуализации дорожной обстановки с применением светопередающих экранов и 4-х проекторов NEC WT-610 разрешением 1280×1024 пикселей на каждый канал визуализации; формированием изображения дорожного окружения непосредственно на ветровом и боковых стеклах кабины; наличием трехстепенной (шестистепенной) электромеханической динамической платформы модуля водителя для имитации движения; датчика положения головы водителя; компьютерной акустической системы, состоящей из высоко- и низкочастотных динамиков для воспроизведения звуковой обстановки и команд инструктора; использованием микрофона на рабочем месте инструктора для общения с обучающимся, при этом инструктор контролирует процесс обучения с теми же полями зрения, что и обучающийся водитель (см. патент РФ на полезную модель №70981, М.кл F99Z 99/00, опубл. 20.02.2008 г.).
Недостатками данного тренажера являются отсутствие имитации дорожной обстановки с активно действующими участниками движения, управляемыми светофорными объектами, переменными экспозициями инженерного обустройства, что не соответствует реальным условиям движения, формирует у водителя ложные навыки и не позволяет адекватно оценить его свойства как оператора человеко-машинной системы при возникновении конфликтных ситуаций на дороге и ДТП; при проецировании изображения на боковые и лобовые экраны, установленные вместо стекол кабины, т.е. при восприятии с близкого расстояния большого изображения, могут возникать проблемы с восприятием дорожной обстановки (эффект дезориентации); также при колебаниях платформы происходят колебания изображений, что снижает достоверность имитации окружения; кроме того, у тренажера «Логос» отсутствует закабинное пространство и многие штатные электрические и электромеханические элементы оборудования, в том числе передняя дверь с механизмами открывания и закрывания, стеклоочистители, что также влияет на достоверность имитации рабочих условий; конструкция кабины негерметична, что не позволяет использовать системы регулирования микроклимата и уровня загрязнения воздуха в кабине тренажера для воспроизведения реальных условий; использование динамической платформы позволяет имитировать лишь низкочастотные колебания и крены макета кабины; отсутствуют системы психофизиологического контроля состояния водителя.
Технической задачей изобретения является повышение точности воспроизведения органов управления автобуса, принципов работы всех систем и агрегатов, а также создание эффекта присутствия, возникающего за счет имитации дорожной обстановки, воздействия на водителя факторов внутренней среды в кабине, обеспечивающих максимальное приближение моделируемых условий к условиям при реальном движении автобуса по маршруту за счет синхронизированного действия визуальной, акустической и динамической информации при условии осуществления психофизиологического контроля состояния водителя.
Решение поставленной технической задачи достигается благодаря тому, что автобусный тренажер, содержащий систему имитации кренов и колебаний автобуса при его движении по реальной дороге в виде электромеханической динамической платформы с блоком управления режимами движения, установленный на динамической платформе макет кабины, выполненный в виде реальной кабины автобуса с рабочим местом водителя, оснащенным креслом, штатными органами управления и контрольно-измерительными приборами, снабженными датчиками, систему визуализации, воспроизводящую дорожную обстановку с лобовым и боковыми экранами для проецирования изображения, акустическую систему объемного звука для воссоздания реальной звуковой обстановки, по меньшей мере один датчик, связанный с работой водителя, рабочее место инструктора с общей системой управления, связанной со штатными органами управления и контрольно-измерительными приборами через блок сопряжения, а также с каждой из систем и элементов тренажера, согласно изобретению тренажер дополнительно снабжен системой моделирования микроклимата и качества воздуха, рядом видеокамер и дополнительных датчиков, связанных с работой водителя, а также вибраторами, один из которых установлен под креслом водителя, а другие - на подвижной части электромеханической динамической платформы, при этом последняя выполнена двухстепенной, а макет кабины - в виде герметичной капсулы, представляющей собой реальную кабину автобуса с закабинным пространством, включающим установленные позади кресла водителя места для размещения пассажиров, а также передней дверью, автономным электропитанием, подключенным с помощью штатной электропроводки, снабженной предохранителями, к штатным и дополнительным электрическим и электромеханическим элементам оборудования капсулы, при этом экраны системы визуализации дорожной обстановки установлены снаружи герметичной капсулы, причем лобовой экран для проецирования изображения выполнен вогнутым и размещен перед капсулой в непосредственной близости от нее, а в качестве боковых экранов установлены жидкокристаллические мониторы, имитирующие зеркала заднего вида, размещенные с каждой из боковых сторон герметичной капсулы, при этом система визуализации выполнена с возможностью имитации расширенного ряда факторов, характеризующих дорожную обстановку, и управления ими, а все видеокамеры и датчики, связанные с работой водителя, установлены в объеме герметичной капсулы и предназначены для контроля психофизиологического состояния водителя.
На решение поставленной технической задачи направлено и то, что в герметичной капсуле в качестве штатных электромеханических элементов оборудования капсулы дополнительно размещены механизмы открывания и закрывания передней двери и стеклоочистителей, а в качестве электрических - штатные системы освещения и сигнализации.
Решение поставленной технической задачи достигается и тем, что в расширенный ряд факторов, характеризующих дорожную обстановку и воспроизводимых системой визуализации, дополнительно включены активно действующие участники движения, управляемые светофорные объекты, переменные экспозиции инженерного обустройства, переменные природные и урбанизованные ландшафты, окружающие дорогу, необходимые для имитации конфликтных ситуаций и ДТП при движении по дороге в реальных условиях.
Решение поставленной технической задачи достигается благодаря максимально точной имитации как самой кабины, так и ее внутреннего оснащения, а именно тем, что кабина выполнена в виде реальной кабины автобуса с закабинным пространством, включающим установленные позади рабочего места водителя кресла для размещения пассажиров, передней дверью, а также автономным электропитанием штатных и дополнительных электрических элементов оборудования, а именно штатной системы освещения и сигнализации, и кроме этого, электромеханических элементов оборудования, таких как механизм открывания и закрывания дверей, а также стеклоочистителей. Исполнение кабины автобуса в виде герметичной капсулы дает возможность дополнительно моделировать микроклимат и качество воздуха в ее объеме. Применение двухстепенной электромеханической динамической платформы, снабженной вибраторами, в комплексе с вибратором, установленным под креслом водителя, обеспечивает необходимое и достаточное приближение моделируемых условий, а именно кренов и колебаний автобуса при его движении по дороге, а также вибраций от работы двигателя и агрегатов автобуса и других факторов, оказывающих воздействие на водителя. Использование акустической системы объемного звука позволяет наиболее полно воссоздать реальную звуковую обстановку на рабочем месте водителя. В связи с тем, что лобовой экран системы визуализации выполнен вогнутым для охвата всей кабины и установлен стационарно снаружи герметичной капсулы, появляется возможность получения реальной картины, обозреваемой водителем из движущегося по трассе автобуса. При этом жидкокристаллические мониторы, используемые как боковые экраны, создают дополнительный обзор обстановки на дороге в качестве зеркал заднего вида. В результате того, что система визуализации имитирует дорожную обстановку с расширенным рядом факторов, а именно с активно действующими участниками движения, управляемыми светофорными объектами и др., значительно повышается степень приближения работы водителя к реальным условиям. Поскольку в объеме герметичной капсулы устанавливаются видеокамеры, а также датчики, связанные с работой водителя, у инструктора имеется возможность контролировать психофизиологическое состояние водителя при работе и давать ему оценку. При этом с помощью общей системы управления создаются условия синхронного воздействия на водителя визуальной, акустической и динамической информации, а также изменяется состояние микроклимата и качества воздуха в капсуле.
В результате у водителя создается эффект присутствия в реальном автобусе за счет моделирования инструктором движения по маршруту и возникновения конфликтных ситуаций, для которых оценивается степень опасности, и ДТП с активно действующими участниками движения. Фиксируемые с помощью датчиков и видеокамер действия и состояние водителя, например, изменение кожно-гальванической реакции, а также значения факторов окружающей среды, сохраненные в памяти компьютера общей системы управления, служат для проведения последующего анализа действий водителя и оценки степени его надежности как элемента человеко-машинной системы.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично представлено устройство тренажера; на фиг.2 дан вид А на фиг.1; на фиг.3 изображена функциональная блок-схема системы управления параметрами тренажера и исследования работы водителя.
Автобусный тренажер содержит систему имитации кренов и колебаний автобуса при его движении по реальной дороге, которая выполнена в виде электромеханической динамической платформы (на чертеже не обозначена) с блоком 1 управления режимами движения (см. фиг.1). Подвижная часть 2 динамической платформы приводится в движение с помощью мотор-редукторов 3 с кривошипно-коромысловыми механизмами (на чертеже не показаны), закрепленными на неподвижном основании 4. При этом на подвижной части 2 динамической платформы установлен макет кабины 5 (см. фиг.2), представляющий собой реальную кабину автобуса в натуральную величину. В кабине 5 оборудовано рабочее место 6 водителя, оснащенное креслом 7, снабженными датчиками (на чертеже не показаны) штатными органами 8 управления, а именно рулевым управлением, педалями газа и тормоза и др., а также контрольно-измерительными приборами (на чертеже не показаны), смонтированными на приборной панели 9. В составе автобусного тренажера предусмотрено наличие системы визуализации (на чертеже не обозначена), которая воспроизводит дорожную обстановку. Система визуализации содержит один лобовой экран 10 для проецирования изображения от блока 11 проекторов фронтальной проекции, установленного на потолке учебного павильона вне кабины 5, а также два боковых экрана 12 и 13, представляющие собой жидкокристаллические мониторы, имитирующие зеркала заднего вида. Для воссоздания реальной звуковой обстановки в кабине 5 в состав тренажера включена акустическая система 14 объемного звука. Для управления тренажером предусмотрено рабочее место 15 инструктора с общей системой 16 управления, связанной со штатными органами 8 управления и контрольно-измерительными приборами через блок сопряжения (на чертеже не показан), а также с каждой из систем тренажера, такими как система имитации кренов и колебаний автобуса, визуализации, воссоздания звуковой обстановки и пр., и с элементами тренажера, такими как по меньшей мере один датчик (на чертеже не обозначен), связанный с работой водителя.
Тренажер дополнительно снабжен системой моделирования микроклимата и качества воздуха (на чертеже не показана), рядом видеокамер и дополнительных датчиков (на чертеже не показаны), а также вибраторами 17 и 18, один из которых - вибратор 17 установлен под креслом 7 водителя, а другие - вибраторы 18 установлены на подвижной части 2 электромеханической динамической платформы. При этом динамическая платформа выполнена двухстепенной и работает в комплексе с вибратором 17 кресла 7 водителя, создавая достаточно полную имитацию колебательных воздействий на водителя. Сам макет кабины 5 выполнен в виде герметичной капсулы 19, представляющей собой реальную кабину 5 с закабинным пространством 20 с установленными в нем позади кресла 7 водителя местами 21 для размещения пассажиров, а также передней дверью 22, автономным электропитанием, которое подключено с помощью штатной электропроводки, снабженной предохранителями, к штатным и дополнительным электрическим и электромеханическим элементам (на чертеже не показаны) оборудования капсулы 19. В качестве штатных электромеханических элементов оборудования дополнительно размещены механизмы открывания и закрывания передней двери 22 и стеклоочистителей, а в качестве электрических - штатные системы освещения и сигнализации.
При этом экраны 10, 12 и 13 системы визуализации дорожной обстановки установлены снаружи герметичной капсулы 19 (см. фиг.2). Причем лобовой экран 10 для проецирования изображения выполнен вогнутым, охватывает капсулу 19, размещен перед ней в непосредственной близости и закреплен с помощью крепления 23. В качестве боковых экранов 12 и 13 установлены жидкокристаллические мониторы, имитирующие правое и левое зеркала заднего вида, размещенные с каждой из боковых сторон герметичной капсулы 19 с помощью кронштейнов 24 и 25, соответственно. Кроме этого, система визуализации выполнена с возможностью имитации расширенного ряда факторов, характеризующих дорожную обстановку, и управления ими. В расширенный ряд факторов дополнительно включены активно действующие участники движения, управляемые светофорные объекты, переменные экспозиции инженерного обустройства, переменные природные и урбанизованные ландшафты, окружающие дорогу, необходимые для имитации конфликтных ситуаций и ДТП при движении по дороге в реальных условиях.
Все видеокамеры и датчики установлены в объеме герметичной капсулы 19, подключены к общей системе 16 управления и предназначены для контроля психофизиологического состояния водителя.
Общая система 16 управления тренажером состоит из блока графических станций (на чертеже не показаны), обеспечивающих вывод изображения, сервера сбора и обработки информации (на чертеже не показан), персонального компьютера 26 инструктора тренажера.
На фиг.3 представлена функциональная блок-схема систем тренажера. Центральным является блок 27 управляющей логики, который обеспечивает обмен информацией между всеми блоками и передачу ее на персональный компьютер 26 инструктора. С блоком 27 управляющей логики связаны блок 28 звукового сопровождения, воспроизводимого системой объемного звука 14, динамический блок 29, управляющий работой динамической платформы и вибраторов 17, 18, блок 30 датчиков органов 8 управления и блока сопряжения, блок 31 визуализации, управляющий работой системы 32 управления работой блока 11 проекторов, экрана 10, экранов-мониторов 12, 13, блок 33 создания микроклимата и качества воздуха и блок 34 сбора и обработки информации.
Автобусный тренажер работает следующим образом.
Инструктор с помощью системы 16 управления, вводя данные (время года и суток, погодные условия и т.д.) в персональный компьютер 26 инструктора, управляет работой систем тренажера со своего рабочего места 15. При этом системой визуализации моделируется участок улично-дорожной сети, по которому предстоит движение. Изображение с помощью закрепленного на потолке павильона блока 11 проекторов проецируется на установленный непосредственно перед капсулой 19 вогнутый лобовой экран 10, закрепленный с помощью крепления 23. Одновременно сигнал поступает и на боковые экраны-мониторы 12 и 13, закрепленные с помощью кронштейнов 24 и 25 на боковых сторонах герметичной капсулы 19 и имитирующие зеркала бокового вида. Водитель размещается в макете 5 кабины на кресле 7 водителя, установленном на рабочем месте 6. Позади водителя расположено закабинное пространство 20 с местами 21 для размещения пассажиров, наличие которого повышает достоверность имитации городского автобуса. Водитель, имитируя движение по дороге, управляет механизмами открывания и закрывания передней двери 22, воздействует на штатные органы 8 управления и приборную панель 9, и дополнительные элементы и системы капсулы 19, сигналы с которых посредством датчиков через блок сопряжения поступают в общую систему 16 управления. В общей системе 16 управления происходит обработка сигналов и формирование ответных сигналов, которые передаются через блок сопряжения к штатным системам, изменяя показания контрольно-измерительных приборов, а также на блок 1 управления динамической платформой. При этом верхняя подвижная часть 2 платформы приводится в движение с помощью мотор-редукторов 3. В то же время сигнал поступает и на вибраторы, причем вибраторы 18 установлены непосредственно на подвижной части 2 платформы и имитируют колебания от воздействия дорожного покрытия, а вибратор 17 размещен под креслом 7 водителя и имитирует колебания от работы двигателя и агрегатов автобуса. Одновременно общая система 16 управления с помощью акустической системы 14 объемного звука имитирует шум двигателя и других агрегатов автобуса в капсуле 19 тренажера в зависимости от режима движения, а также шум транспортного потока. Также инструктор с помощью общей системы 16 управления и системы моделирования микроклимата и качества воздуха может управлять условиями в герметичной капсуле 19, изменяя их в зависимости от требований эксперимента.
Блок 31 визуализации с помощью системы 32 управления работой блока проекторов, экрана, мониторов обеспечивает реалистичное поле зрения из кабины водителя автобуса посредством блока 11 проекторов, вогнутого экрана 10 и экранов-мониторов 12 и 13, имитирующих зеркала заднего вида. Изображение имеет трехмерную перспективу и полностью соответствует создаваемым звуковым и вибрационным ощущениям в реальном автобусе. Блок 28 звукового сопровождения, воспроизводимого системой объемного звука 14, обеспечивает полный спектр звуковых эффектов, сопровождающих движение автобуса по маршруту. Источники звука (звук от качения колес по различным видам дорожного покрытия, от работы двигателя и других механизмов автобуса, шум транспортных потоков и т.п.) объединены в единую базу данных звуковых эффектов, являющуюся частью базы данных визуального окружения. Динамический блок 29, управляющий работой динамической платформы и вибраторов 17, 18, обеспечивает вибрационные нагрузки на капсулу 19 от различных видов дорожного покрытия и от работы двигателя и агрегатов автобуса, эффекты разгона, торможения, изменения направления движения, столкновения с объектами окружения. Блок 33 создания микроклимата и качества воздуха управляет параметрами микроклимата и качеством воздуха в салоне, имитируя максимальную приближенность к различным реальным условиям в зависимости от требований эксперимента. Блок 34 сбора и обработки информации обеспечивает накопление и анализ информации о режиме движения автобуса, шумовой и вибрационной нагрузке в капсуле 19, о микроклимате, а также поступающих с видеокамер и датчиков данных о состоянии водителя, осуществляет обработку вводимых инструктором сценариев дорожной обстановки, имитирование конфликтных ситуаций и выводит результаты проведенного эксперимента в требуемой форме. Блок 30 датчиков органов управления и блока сопряжения, состоящий из датчиков, которыми оснащены органы 8 управления, сервоприводов, установленных на руле и педалях акселератора и тормоза и обеспечивающих обратную связь для водителя, и блока сопряжения, воспринимает сигналы, поступающие с органов 8 управления капсулой 19, и отправляет их в блок 27 управляющей логики, который обеспечивает связь всех блоков модели, расчет взаимного расположения всех объектов, обмен информации между датчиками, а также обрабатывает информацию, вводимую инструктором на персональный компьютер 26.
Наличие такого уровня симуляции с осуществлением контроля за действиями и состоянием водителя при его работе позволит создать условия для водителей автобуса, максимально приближенные к реальности, что позволит достичь необходимой для исследований повторяемости и достоверности результатов.
Таким образом, изобретение позволяет повысить точность воспроизведения органов управления автобуса, принципов работы всех систем и агрегатов, а также создать эффект присутствия, возникающий за счет имитации дорожной обстановки, воздействия на водителя факторов внутренней среды в кабине, обеспечивающих максимальное приближение моделируемых условий к условиям при реальном движении автобуса по маршруту за счет синхронизированного действия визуальной, акустической и динамической информации при условии осуществления психофизиологического контроля состояния водителя.