ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ВОЖДЕНИЮ АВТОМОБИЛЯ

ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ВОЖДЕНИЮ АВТОМОБИЛЯ
Полезная модель относится к техническим средствам обучения вождению транспортных средств, может быть использована для обучения вождению автомобиля, а также для совершенствования и 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 G 09В 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 акусгической системой, установленной в кабине.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является тренажер для обучения вождению автомобиля, (Свидетельство на полезную модель № 16036 Мкл G 09В 9/04 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 им ггатора шума, группа выходов последнего соединена с акустической системой, установленной на рабочем месте водителя,
Прототип данного тренажера позволяет осуществлять контраварийное обучение водителей, имеющих навыки вождения автомобиля. Однако, на нем нельзя формировать начальные навыки управления автомобилем и совершенствовать их, опираясь на информацию об изменении дорожно-транспортной обстановки, поступающую от зрительной и слуховой рецепции водителя.
Предложенное техническое решение позволяет исключить недостатки указанных выше тренажеров и методических приемов, а именно:
1.Повысить качество подготовки водителей автомобилей, за счет формирования у них начальных навыков оптимальных действий с органами управления в штатных и критических ситуациях.
2.Осуществлять начальную и продвинутую подготовку водителей в автошколах, спортивно-технических и общеобразовательных школах.
3.Совершенствовать и тестировать степень развития профессионально значимьк навыков управления автомобилем у водителей со стажем.
4.Повысить качество  за счет применения компьютерного моделирования визуально информации и шумов, сопровождающих движение автомобиля.
5.Снизить стоимость обучения за счет сокращения расхода ресурса автомобилей предназначенных для обучения и горюче смазочных материалов.
6.Использовать прогрессивную педагогическую технологию во всех образовательных учреждениях, связанных с подготовкой водителей (автошколы, учебно
производственные комбинаты, спортивные и общеобразовательные школы), а это, в свою очередь, приведет к повышению качества и эффективности подготовки водителей и сокрашению в связи с этим дорожно-транспортных происшествий.
Эта задача решается тем, что в известный тренажер, предназначенный 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 автомобиля 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 автомобиля, а группа выходов блока имитации визуальной информации соединена с группой входов устройства для отображения информации.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый тренажер отличается наличием новых блоков и их связями с оспгальными 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 сии6 /V/ y
жению стоимости  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 моделирования движения автомобиля 7, имитатор шумов 8, блок тестирования 9, блок имитации визуальной обстановки 10.
Рабочее место водителя 2 представляет собой несущую металлоконструкцию с сидением водителя, на которой установлены органы управления 3, датчики положения органов управления 5, устройство отображения визуальной информации 1 и акустическая система 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.
К органам управления 3, относятся: рулевое управление, педали тормоза, «газа, сцепления, имитатор коробки и рычаг переключения передач, все эти органы управления механически связаны с датчиками 5, контролирующими их положение. Оси датчиков педалей и рулевого колеса поворачиваются на .я, пропорциональный перемещению органа управления. Датчики положения рычага переключения передач и стояночного тормоза активируются при перемещении соответствующего органа управления в определенное положение.
Передача вращения от рулевого колеса к датчику осуществляется с помощью шестеренчатого редуктора передаточное число, которого может изменяться с помошью рычага, входящего в состав регулятора органа управления 3. 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 специальным загрз зочным устройством, создающим сопротивление движению ноги, соответствующее сопротивлению в реальном автомобиле.
Педаль сцепления механически связана с рычагом в имитаторе коробки переключения передач таким образом, что при не нажатой педали сцепления невозможно переключить передачу.
Тренажер работает следующим образом:
в соответствии с методикой, на основе которой разработан прототип и предлагаемый тренажер, в обучении используется принцип индивидуального подхода к каждому водителю. Поэтому вначале проводится процедура тестирования степени развития профессионально значимых для водителя двигательных навыков, на основе результатов которого, отрабатываются стратегия и тактика индивидуализации обучения. В связи с этим рассмотрим два режима работы тренажера - тестирование и режим обучения вождению.
В режиме тестирования блок тестирования 9 тренажера обеспечивает выбор и регистрацию каждого из тестируемых п аметров и их комбинаций: 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 поворотного механизма до другого с максимально возможной скороетью.
Сам процесс тестирования осуществляется также как и в прототипе, а блок тестирования 9 выполнен в виде программного модуля, в который поступают сигналы в виде кода 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 вала рулевого колеса срабатывает датчик в блоке 5, и программа, заложенная в данном модуле, начинает отсчет времени количества 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, затраченного на выполнение тестового задания. Информационная панель тренажера сформирована программным способом с помощью блока имитации визуальной обстановки 10.
Выполнение тестирования при пользовании рычагом переключения передач и педалями осуществляется также, как и в предыдущем случае, с той лишь разницей, что формирование начала и окончания счета осуществляется в момент начала (или окончания) перемещения механических деталей системы с помощью соответствующих датчиков органов управления 3.
Отдельные элементы управления автомобилем тестируются программным способом, например, въезд на эстакаду или прохождение определенного маршрута за конкретное время.
В режиме вождения 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 свжанные с органами управления 3, активируются и на их выходах формируются аналоговые напряжения, пропорциональные величине перемещения органов управления. Эти напряжения поступают на соответствующие входы аналого-цифрового преобразователя 6, с его помощью они преобразуются в цифровой код, который с помощью ЭВМ преобразуется в численные значения переменных, пропорциональных положению органов управления 3, необходимых для управления моделью движения автомобиля.
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 Зфавнений создан программный модуль, моделирующий движение мащины, 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 являются:
1.крутящий момент двигателя;
2.частота вращения вала двигателя;
3.линейная скорость движения автомобиля;
4.угловая скорость поворота автомобиля;
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 результа /-//fat
те получается конечное число фрагментов записи шума на месте водителя. Затем эти фрагменты оцифровываются на компьютере и с помощыо 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 щума, интерполируются 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.
объекты
местность
Модуль генерации кадра представляет собой серийно изготавливаемзшэ 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, или виртуальный шлем.
Модуль выборки кадра, в соответствии с выбранной для обучения местности, положением моделируемой машины в пространстве, извлекает из визуальной базы данных информацию о трассе моделируемого з ажнения. Кроме того, этот модуль формирует необходимый для построения кадра объем геометрических данных о местности, объектах и освещении, т.е., то, что должен видеть об)аемый водитель на устройстве отображения визуальной информации 1. Затем он трансширует эти данные в соответствии со стандартом, реализованном в модуле генерации кадра, и передает полученную управляющую последовательность в модуль генерации ка;фа, 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 изоизображения
трассы
свет
брожение местности перед автомобилем. Поступающие в модуль выборки кадра выходные переменные 3-6, определяющие перемещение автомобиля в пространстве, с блока 7 моделирования движения, обеспечивают выборку из визуальной базы данных информации о моделируемой местности для каждого нового положения автомобиля относительно местности. В результате при «вождении автомобиля на тренажере об5гчаемый водитель видит на устройстве отображения визуальной информации 2 изменяющуюся картину местности. Причем, видимые им изменения определяются пространственным положением моделируемого автомобиля, которое зависит от того в какое положение он ставит органы управления 3 и от характеристик самого автомобиля, заложенных в блоке 7 моделирования движения, т.е. водитель осуществляет управление «автомобилем 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 моделируемого автомобиля в зависимости от положения органов управления и погодно-дорожных условий моделируемой местности.
Как уже указывалось выше блок 7 моделирования движения, представляет собой персональную ЭВМ с программным обеспечением, обеспечивающую решение дифференциальных уравнений с нелинейными правыми частями, описывающими внутреннюю и внешнюю динамику моделируемого автомобиля. Управление этими уравнениями, а именно, изменение правых частей дифференциальных уравнений, описывающих внутреннюю динамику, осуществляется изменением п)еменных, характеризующих текущее положение органов управления, на которые воздействует обучаемый водитель при управлении автомобилем. При перемещении органов управления 3 тренажера происходит активация датчиков 5 положения органов управления. В резу.пьтате на выходе последних изменяются напряжения, пропорциональные положению органов управления 3. Эти напряжения
поступают на вход аналого-цифрового преобразователя, 6 с помощью которого напряжения с датчиков преобразуются в значения переменных, хгфактеризующих текущее положение органов управления 3.
Таким образом, блок 7 моделирования движения автомобиля моделирует его движение на местности, воспроизводимой блоком 10 имитации визуальной обстановки с учетгом воздействия водителя на органы управления, установленные на рабочем месте 1 и с учетом переменных, характеризующих параметры погодно-дорожных условий движущегося автомобиля.
Вид и количество уравнений, описывающих внешнюю и внутреннюю динамику автомобиля зависит от типа моделируемой мащины 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 решениями, описанными в ниже указанных 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-П 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 колес с грунтом можно выполнить, например, по авторскому свидетельству № 940186 М. Кл. G 06 G 7/78 «Устройство для моделирования движения гусеничной машины.
Модуль модели подвески можно вьшолнить, например, по авторскому свидетельству № 1807504 М. Кл. G 06 G 7/70. «Устройство для моделирования колебаний гусеничной машины.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет исключить недостатки тренажера прототипа и повысить его эффективность.
М(