ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ КУРСАНТОВ ВОЖДЕНИЮ АВТОМОБИЛЯ И КОНТРОЛЯ КОРРЕКТИРУЮЩИХ ДЕЙСТВИЙ ИНСТРУКТОРА

Полезная модель относится к техническим средствам обучения курсантов вождению транспортных средств и контролю корректирующих действий инструктора и может быть использована для эффективного обучения курсанта управлению автомобилем и контроля профессиональной деятельности инструктора.
Описание полезной модели
Полезная модель относится к техническим средствам обучения курсантов вождению транспортных средств, корректирующих действия инструктора при обучении на тренажере и может быть использована для эффективного обучения курсанта и контроля профессиональной деятельности инструктора.
Известен тренажер для обучения водителей транспортных средств [1. Патент РФ на ПМ №24032 МПК7 G09B 9/04. Тренажер для обучения вождению автомобиля / А.А. Бельке, Р.Л. Боуш, С.В. Щелканова. - №2001114640/20, заявлено 01.06.2001; опубл. 20.07.2002], содержащий рабочее место водителя с акустической системой, с аналоговыми и дискретными органами управления механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками перемещения и 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.
Известен также тренажер для обучения вождению автомобиля [2. Патент РФ на ПМ №31033, МПК7 G09B 9/04. Тренажер для обучения вождению автомобиля / А.А. Бельке, С.В. Щелканова, М.А. Поплавский, - №2003106639/20; заявлено 14.03.2003, опубл. 10.07], содержащий блок тестирования, рабочее место курсанта с органами управления, механически связанными с датчиками перемещения и 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 курсанта, блок имитации визуальной обстановки, устройство отображения визуальной информации, аналого-цифровой преобразователь, группа выходов которого одновременно соединена с группой входов блока моделирования движения машины и группой входов блока тестирования, группа выходов которого соединена с первой группой входов блока имитации визуальной обстановки, вторая группа входов которого соединена со второй группой выходов блока моделирования движения машины, а группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения информации, группа выходов датчиков перемещения органов управления соединена с группой входов аналого-цифрового преобразователя.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является тренажер для обучения курсантов вождению автомобиля [3. Патент РФ на ПМ №68744, МПК G09B 9/04. Тренажер для обучения водителя автомобиля / В.Г. Мищенко. - 2007130590/22, заявлено 09.08.2007, опубл. 27.11.2007 Бюл. №33], содержащий кабину для обучения курсанта, в составе рабочего места курсанта, содержащего аналоговые органы управления, состоящие из педалей «газа», сцепления и тормоза, руля и его привода, рычагов переключения передач и стояночного тормоза, дискретных органов управления, механически связанными, соответственно, с аналоговыми датчикам перемещения педалей «газа», сцепления и тормоза, датчиком угла поворота руля и его привода, датчиками положения рычага переключения передач, стояночного тормоза и датчиками положения дискретных органов управления, выходы аналоговых датчиков перемещения и дискретных датчиков положения соединены, соответственно, с первой (аналоговой) и второй (дискретной) группами входов устройства согласования и обработки информации, первый, второй и третий выходы которого подсоединены, соответственно, к первым входам модуля управления программой обучения курсанта, модуля калибровки и модуля моделирования движения, второй вход которого подключен ко второму выходу модулю калибровки, второй вход и первый выходы которого соединены, соответственно, с выходом модуля управления программой обучения курсанта и вторым входом блока имитации визуальной обстановки, первый вход, первый и второй выходы которого подсоединены, соответственно, ко второму выходу модуля управления программой обучения курсанта, к устройству отображения визуальной информации и третьему входу модуля моделирования движения, первый, второй и третий выходы которого подключены, соответственно, к третьему входу устройства согласования и обработки информации, к третьему входу блоку имитации визуальной обстановки и входу модуля имитации шума, выход которого соединен с входом формирователя звуковых сигналов, выход которого подсоединен к входу акустической системы.
Общим недостатком аналогов и прототипа является отсутствие коррекции управления автомобильным тренажером в реальном масштабе времени со стороны инструктора и анализа корректирующих действий инструктора.
Общим техническим результатом заявляемого технического решения является повышение качества и эффективности обучения курсанта за счет непосредственной коррекции его действий со стороны инструктора и контроль профессиональной деятельности инструктора.
Тренажер для обучения курсантов вождению автомобиля и контроля корректирующих действий инструктора, содержащий кабину для обучения курсанта, в составе рабочего места курсанта, содержащего аналоговые органы управления, состоящие из педалей акселератора (газа), сцепления и тормоза, руля и его привода, органы управления, состоящие из рычага переключения передач и рычага стояночного тормоза, дискретные органы управления, механически связанными, соответственно, с аналоговыми датчикам перемещения педалей акселератора (газа), сцепления и тормоза, датчиком угла поворота руля, датчиками положения рычага переключения передач, стояночного тормоза и дискретными датчиками положения, выходы аналоговых и дискретных датчиков соединены, соответственно, с первой (аналоговой) и второй (дискретной) группами входов устройства согласования и обработки информации, первый, второй и третий выходы которого подсоединены, соответственно, к первым входам модуля управления программой обучения курсанта, модуля калибровки и модуля моделирования движения, второй вход которого подключен ко второму выходу модулю калибровки, второй вход и первый выход которого соединены, соответственно, с выходом модуля управления программой обучения курсанта и вторым входом блока имитации визуальной обстановки, первый и второй выходы которого подсоединены, соответственно, к устройству отображения визуальной информации и третьему входу модуля моделирования движения, первый, второй и третий выходы которого подключены, соответственно, к устройству согласования и обработки информации, блоку имитации визуальной обстановки и входу модуля имитации шума, выход которого соединен с входом формирователя звуковых сигналов, выход которого подсоединен к входу акустической системы. Отличительной особенностью данной полезной модели является то, что введено рабочее место инструктора, содержащее педали сцепления и тормоза механически связанные, соответственно, с датчиками положения сцепления и тормоза, датчик положения, закрепляемый на левой руке инструктора, выходы датчиков соединены с четвертой группой входов устройства согласования и обработки информации, четвертый выход которого подсоединен к входу вновь введенного блока вывода информации о действиях курсанта и корректирующих действий инструктора, выход которого подключен ко второму входу модуля управления программой обучения курсанта.
На фиг. 1 изображена структурная схема тренажера, где:
1 - Кабина для обучения и контроля действий курсанта и корректирующих действий инструктора.
2 - Рабочее место курсанта.
3 - Рабочее место инструктора.
4 - Устройство отображения визуальной информации.
5 - Акустическая система.
6 - Устройство согласования и обработки информации.
7 - Блок вывода информации о действиях курсанта и корректирующих действиях инструктора.
8 - Модуль управления программой обучения курсанта.
9 - Модуль калибровки.
10 - Блок имитации визуальной обстановки.
11 - Модуль моделирования движения.
12 - Формирователь звуковых сигналов.
13 - Модуль имитации шума.
14 - Педали курсанта: акселератор, сцепление и тормоз.
15 - Датчики перемещения педалей: акселератора сцепления и тормоза.
16 - Датчик угла поворота руля.
17 - Датчик положения рычага переключения передач.
18 - Датчик положения рычага стояночного тормоза.
19 - Датчики положения ДОУ.
20 - Руль.
21 - Привод руля.
22 - Рычаг переключения коробки передач.
23 - Рычаг стояночного тормоза.
24 - Органы управления дискретные (ДОУ).
25 - Датчик положения левой руки инструктора.
26 - Педали сцепления и тормоза инструктора.
27 - Датчики положения педалей сцепления и тормоза.
Тренажер для обучения курсантов вождению автомобиля и контроля корректирующих действий инструктора, (Фиг. 1) содержащий кабину 1 для обучения и контроля действий курсанта и корректирующих действий инструктора, в составе рабочего места 2 курсанта, содержащего аналоговые органы управления, состоящие из педалей 14 акселератора (газа), сцепления и тормоза, руля 20 и его привода 21, органы управления, состоящие из рычага 22 переключения передач и рычага 23 стояночного тормоза, дискретные органы управления 24, механически связанные, соответственно, с аналоговыми датчиками 15 перемещения педалей акселератора (газа), сцепления и тормоза, датчиком 16 угла поворота руля и его привода, датчиками положения рычага переключения передач 17 и стояночного тормоза 18, датчиками положения 19 дискретных органов управления, выходы аналоговых датчиков 15, 16 перемещения и дискретных датчиков 17, 18, 19 положения соединены, соответственно, с первой (аналоговой) и второй (дискретной) группами входов устройства 6 согласования и обработки информации, первый, второй и третий выходы которого подсоединены, соответственно, к первым входам модуля 8 управления программой обучения курсанта, модуля 9 калибровки и модуля 11 моделирования движения, второй вход которого подключен ко второму выходу модулю 9 калибровки, второй вход и первый выход которого соединены, соответственно, с выходом модуля 8 управления программой обучения курсанта и вторым входом блока 10 имитации визуальной обстановки, первый вход, первый и второй выходы которого подсоединены, соответственно, ко второму выходу модуля 8 управления программой обучения курсанта, к устройству 4 отображения визуальной информации и третьему входу модуля 11 моделирования движения, первый, второй и третий выходы которого подключены, соответственно, к третьему входу устройства 6 согласования и обработки информации, к третьему входу блока 10 имитации визуальной обстановки и входу модуля 13 имитации шума, выход которого соединен с входом формирователя 12 звуковых сигналов, выход которого подсоединен к входу акустической системы 5. Новым является то, что введено рабочее место 2 инструктора, содержащее педали 26 сцепления и тормоза механически связанными, соответственно, с датчиками положения 27 сцепления и тормоза, датчик 25 положения, закрепляемый на левой руке инструктора, выходы датчиков 25 и 27 соединены с четвертой группой входов устройства 6 согласования и обработки информации, четвертый выход которого подсоединен к входу вновь введенного блока 7 вывода информации о действиях курсанта и корректирующих действиях инструктора, выход которого подключен ко второму входу модуля 8 управления программой обучения курсанта.
Рабочее место курсанта 2 представляет собой несущую металлоконструкцию, на которой установлены аналоговые органы управления, состоящие из педалей 14 «газа», сцепления, тормоза, руля 20 и привода руля 21, органы управления, состоящие из рычага 22 переключения коробки передач, рычага 22 стояночного тормоза, дискретные органы управления 24, состоящие из выключателей, двух и многопозиционных переключателей, аналоговые датчики перемещения 15 педалей акселератора, сцепления, тормоза и датчика 16 угла поворота руля и его привода, датчик 17 положения рычага переключения передачи и датчик 18 положения рычага стояночного тормоза. Дискретные датчики 19 положения дискретных органов управления 24, состоящие из выключателей, двух и многопозиционных переключателей, устройство отображения визуальной информации 4 и акустическая система 5. Рабочее место курсанта 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: педали 14 акселератора, сцепления, тормоза и руль 20 с приводом руля 21. Эти органы управления механически связаны с датчиками перемещения 15 и 16.
Датчиками перемещения педалей акселератора, сцепления, тормоза и рулевого колеса могут быть потенциометры или оптические, оси которых поворачиваются на угол пропорциональный перемещению органов управления.
Руль 20 тренажера состоит из рулевого колеса насаженного на вал привода 21 руля, который механически связан с датчиком 16 угла поворота руля, выполненного, например, в виде потенциометра, с движка которого снимается напряжение пропорциональное углу поворота рулевого колеса. Вал привода руля механически связан с понижающим редуктором, установленным на валу электродвигателя привода руля 21. На питающие выводы электродвигателя привода руля 21, подается напряжение широтно-импульсного управления (ШИУ) с помощью которого он управляется.
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, относится рычаг 22 переключения передач, рычаг 23 стояночного тормоза. Датчиками положения 17 и 18 данных органов управления являются микропереключатели на базе индуктивных или магнитоэлектрических датчиков положения. Органы управления 24 типа выключателей или двух и многопозиционных переключателей относятся к дискретным органам управления, и их положение фиксируется дискретными датчиками 19 положения, например, на базе контактных (герконовых) микропереключателей.
Тренажер работает следующим образом.
Подготовительная часть. 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 8 управления программой в совокупности с остальными блоками тренажера.
Обучаемый курсант, находящийся на рабочем месте 2 тренажера воздействует, определенным образом, в зависимости от поставленной задачи, на органы управления. В результате чего, датчики 15, и 16, механически связанные с органами управления перемещаются и на их выходах формируются аналоговые напряжения, пропорциональные величине перемещения органов управления. Эти напряжения поступают на устройство согласования 6, с помощью которого они преобразуются в численные значения переменных, пропорциональных положению органов управления. В связи с тем, что потенциометрические и оптические датчики в процессе работы могут сбиваться относительно исходного (нулевого) состояния, поэтому в процессе эксплуатации осуществляется контроль работы всех органов управления и при необходимости осуществляется калибровка органов управления. Для этого служит модуль калибровки 9, 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. Аналоговые переменные, преобразованные в цифровой код, и переменные от дискретных датчиков поступают со второго выхода устройства 6 согласования и обработки информации через первую группу входов модуля 11 моделирования движения машины на модуль (не показано) моделирования изменения положения шасси 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 уравнений создан программный модуль, моделирующий движение машины, который в совокупности с персональной ЭВМ представляет собой модуль 11 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. угол поворота рулевого колеса со стороны автомобиля в зависимости от условий движения моделируемого автомобиля.
Для обеспечения изменения сопротивления качению колес и изменения сцепления колес с грунтом при выезде каждого колеса на другой грунт в модуле 11 осуществляется вычисления текущих координат шасси и определения параметров дорожно-грунтовых условий (ДГУ) под каждым колесом. При этом формируются координаты, описывающие пространственное положение шасси автомобиля, эти переменные позволяют осуществлять однозначную взаимосвязь положения автомобиля на местности. Следовательно, однозначно определяются параметры ДГУ под каждым колесом. Эти параметры позволяют определять 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.
Выходные переменные модуля 11 моделирования движения через третью группу выходов модуля 11 поступают на входы модуля имитации шума двигателя 13, который в совокупности с формирователем 12 (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 5), установленные на рабочего места водителя 2, шум двигателя в зависимости от режима работы моделируемой машины.
Программный модуль 13 имитации шума двигателя 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 11 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 модуля 11 моделирования движения, характеризующие параметры движения машины на местности, формируются путем вычисления текущих (в каждый момент времени) координат перемещения шасси во всех степенях свободы. Такие переменные могут быть, например, вычислены с помощью направляющих косинусов. Затем они через вторую группу выходов модуля 11 моделирования движения, поступают на третью группу входов блока 10 имитации визуальной обстановки. Эти переменные используются для моделирования местности. Местность воспроизводится программным способом с помощью 3D графики.
Вариантов исполнения блока 10 имитации визуальной обстановки известно довольно много, их можно видеть практически во всех компьютерных играх, в которых используется 3D графика.
Модуль 10 имитации визуальной обстановки управляет монитором (видеопроектором) (не показано) «установленной на уровне глаз водителя» и монитором (видеопроектором) зеркала заднего вида. Эти мониторы формируют сигналы видеоизображения и обеспечивают изображение дороги на местности, наблюдаемое с места водителя.
Выходная переменная органа 24 управления, определяющая угол поворота колеса вычисляется в модуле 11 моделирования движения. Этот угол возникает при изменении сопротивления качению колес одного борта по сравнение с другим, например, когда спустило колесо или одним бортом выехали с асфальта на обочину. При этом за счет разности сил на передних управляемых колесах появляется поворачивающий момент, который приводит к изменению переменной пропорциональной углу поворота управляемых колес, а, следовательно, и руля. Эта переменная через первую группу выходов модуля 11 поступает на программный вход устройства 6 согласования и обработки информации, где с помощью процессора и ШИУ преобразователя (не показано) преобразуется в напряжение ШИУ. Далее это напряжение поступает на привод руля 21, который обеспечивает необходимую для управления электродвигателем мощность управляющих импульсов. При наличии напряжения ШИУ двигатель начинает вращаться, поворачивая рулевое колесо 20. В этом случае если курсант не будет противодействовать этому обратным вращением рулевого колеса 20, моделируемый автомобиль будет изменять траекторию своего движения, что наблюдается в таких ситуациях на реальном автомобиле.
Введение рабочего места инструктора позволяет корректировать процесс управления автомобилем курсантом со стороны инструктора, как и на реальном автомобиле и в том числе контролировать профессиональные знания (навыки) инструктора, т.е. насколько он корректно и вовремя исправляет ошибки курсанта.
Процесс контроля и коррекции со стороны инструктора происходит следующим образом.
При возникновении аварийной ситуации, например, при быстром снижении расстояния до впереди идущего автомобиля и отсутствии рабочих действий со стороны курсанта инструктор нажимает на педаль тормоза. Действие инструктора (нажатие на педаль тормоза и затем на педаль сцепления в данном случае) фиксируется датчиками 27 положения тормоза и сцепления. В отличие от аналоговых сигналов с датчиков 15 перемещения педалей акселератора, сцепления и тормоза курсанта, дискретные сигналы (включено-выключено) с датчиков 27 положения сцепления и тормоза инструктора поступают через четвертую группу входов на устройство 6 согласования и обработки информации и сформированная информация с четвертого выхода устройство 6 согласования и обработки информации поступает на вход блока 7 вывода информации о действиях курсанта по управлению акселератором, сцеплением и тормозом и корректирующих действиях инструктора.
Аналогично, при не достаточном или избыточном повороте руля и задержке выполнения маневра инструктор левой рукой корректирует положение рулевого колеса, на котором закреплен датчик 25 положения левой руки инструктора. Датчик 25 положения левой руки инструктора срабатывает только когда левая рука инструктора ложиться на руль. Для этого, как вариант, закрепляется (например, в перчатке) на левой руке инструктора передатчик (или катушка индуктивности изменяющая резонансную чистоту датчика 25) на который реагирует датчик 25. Сигнал с датчика 25 поступают через четвертую группу входов на устройство 6 согласования и обработки информации и сформированная информация с четвертого выхода устройство 6 согласования и обработки информации поступает на вход блока 7 вывода информации о действиях курсанта по управлению рулем тренажера и корректирующих действиях рулевого управления инструктора.
Данная информация выводится на дисплей в виде графиков, таблиц, временных интервалов и зон допустимой вариации тех или иных действий курсанта и инструктора и поступает на второй вход модуля 8 управления программой обучения курсанта, что позволяет автоматически упрощать или усложнять программу обучения курсанта повторяя различные ситуации с ошибочными действиями курсанта.
Что позволяет получить объективную информацию о действиях курсанта и корректирующих действиях инструктора и существенно повысить эффективность обучения курсанта на данном тренажере.
Источники информации:
1. Свидетельство РФ на ПМ №24032 МПК7 G09B 9/04. Тренажер для обучения вождению автомобиля / А.А. Бельке, Р.Л. Боуш, С.В. Щелканова. - №2001114640/20, заявлено 01.06.2001; опубл. 20.07.2002
2. Патент РФ на ПМ №31033, МПК7 G09B 9/04. Тренажер для обучения вождению автомобиля / А.А. Бельке, С.В. Щелканова, М.А. Поплавский, - №2003106639/20; заявлено 14.03.2003, опубл. 10.07.
3. Патент РФ на ПМ №68744, МПК G09B 9/04. Тренажер для обучения водителя автомобиля / В.Г. Мищенко. - 2007130590/22, заявлено 09.08.2007, опубл. 27.11.2007 Бюл. №33.