АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОБУЧЕНИЯ УПРАВЛЕНИЮ АВТОМОБИЛЕМ

Полезная модель относится к области обучения управлению наземными транспортными средствами, а более конкретно - к автоматизированным системам обучения водителей на базе реальных транспортных средств в обстановке, приближенной к реальной, с использованием специализированных полигонов (автодромов).
Известен ходовый тренажер, содержащий полигон обучения вождению и транспортные средства. При этом на органы управления штатного транспортного средства устанавливаются датчики положения, на корпус машины - датчики касания и съемники кода местности с оборудования полигона, сигналы с которых обслуживаются бортовой ЭВМ.
Перед стартом машина регистрируется с командного пункта центральной ЭВМ. Информационный обмен между ЭВМ производится через штатные радиостанции и дополнительные декодирующие устройства. При подходе к препятствию машина проходит в «ворота», имеющие устройство с кодом входа в препятствие. Код считывается съемниками кода местности машины, и программа бортовой ЭВМ начинает анализировать правильность прохождения участка местности, соответствующего считанному коду.
При регистрации кода выхода из препятствия на ЭВМ командного пункта передается последовательность номеров зарегистрированных ошибок либо сигнал об успешном преодолении препятствия [1].
Заложенный в системе метод определения зонарного местоположения машины ограничивает контроль за дорожной обстановкой в пространстве полигона, к тому же, наличие на учебном полигоне неприсущего в реальной обстановке полигонного оборудования усложняет процесс обучения.
Известна также автоматизированная система аттестации кандидата в водители, содержащая диспетчерский пункт, автодром и учебный автомобиль, оснащенный вычислителем, выполняющим роль системы
автоматической оценки, соединенным со следующим оборудованием: датчик переключения передач, датчик зажигания, датчик приема сигналов дальнейшего движения, датчик передачи сигналов, магнитный датчик контроля пересечения контрольной линии, датчик скорости, датчик тахометра, датчик левого сигнала поворота, датчик правого сигнала поворота, датчик ремня безопасности, датчик запуска двигателя, дисплеи компьютера и приемопередатчик, взаимосвязанный с компьютером диспетчерского пункта.
На территории автодрома устанавливаются сигнальные огни (ж/д переезда) и группа светофоров. В дорожное покрытие каждой зоны въезда в препятствие автодрома встраиваются металлические полосы, выполняющие роль датчиков позиционирования элементов автомашины.
Диспетчерский пункт содержит компьютер, получающий информацию с автодрома (с автомашин и местности), и обрабатывающий данные экзамена, главный блок управления, блок приема и передачи сигналов, блок регулировки светофоров, блок звуковых сигналов и блок энергоснабжения.
[2].
Существенным недостатком перечисленных выше систем является отсутствие постоянного слежения за транспортным средством, есть лишь контрольные линии (отрезки), в которых регистрируется прохождение и позиционирование учебного автомобиля. Контроль по узким полосам контрольных линий не обеспечивает достаточной степени идентификации положения автомобиля в пространстве препятствий автодрома. При этом в случаях отработки большинства упражнений, таких как парковка, въезд в гараж и т.п., сложно выполнить норматив на позиционирование.
Для решения задачи определения местоположения учебного автомобиля в пространстве автодрома вышеописанные системы дооснащаются системами глобального спутникового позиционирования и географическими информационными системами (ГИС), выполняющими роль карты-схемы местности.
Недостатки вышеописанных устройств решены в системе управления дорожным движением, содержащей комплекс бортового оборудования, установленный на подвижной единице и выполненный с возможностью передачи посредством мобильной радиосвязи управляющей информации на комплекс управления и контроля, который получает указанную информацию и определяет необходимость управления работой светофоров путем передачи команд комплексу светофорного регулирования, установленному на светофорах. В зависимости от полученной команды от комплекса управления и контроля определяется длительность горения сигналов светофоров. При этом комплекс бортового оборудования дополнительно снабжен приемником системы глобального спутникового позиционирования GPS, а управляющая информация включает в себя координаты подвижной единицы, определенные посредством указанного приемника. Комплекс бортового оборудования включает в себя приемопередатчик пакетной радиосвязи общего пользования GPRS, а передача управляющей информации на комплекс управления и контроля осуществляется посредством пакетной радиосвязи общего пользования GPRS [3].
Применение данной системы обеспечивает фактор постоянства определения координат местоположения подвижной единицы, однако принятая система не рассчитана на отслеживание подвижных объектов, так как не поддерживает корректировку координат по дифференциальным поправкам, и к тому же точность определения позиционирования очень мала: погрешность системы глобального спутникового позиционирования GPS составляет 5 м, в то время как габаритные размеры легкового автомобиля составляют, не более 2,0×4,5 м. Поэтому данная система не позволяет осуществлять не только точное определение местоположения автомобиля в движении, но и его взаимоположение относительно статических объектов (светофоров, ограждений и т.п.) автодрома, и особенно относительно подвижных объектов - других учебных автомашин.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к
заявляемому устройству является система навигации и мониторинга транспортных средств, содержащая аппаратуру подвижного объекта, включающую в себя навигационный приемник с антенной, работающий по сигналам спутниковых радионавигационных систем и обеспечивающий, в том числе, геодезическую точность определения координат объектов, трансивер (приемопередатчик) с антенной, реализующий сотовую, транкинговую либо спутниковую радиосвязь с диспетчерским центром, выполненным с возможностями дифференциальной коррекции координат контролируемых объектов и отображения их местоположения и идентификационных параметров на электронной карте-схеме местности, бортовой компьютер, датчики контроля технических параметров подвижного объекта, модем, реализующий в зависимости от типа используемой радиосвязи протоколы обмена данными сотовой, транкинговой либо спутниковой сетей связи, абонентский приемник, входящий в состав пейджинговой сети связи общего пользования, транспондерная карточка, блок дистанционного считывания с антенной, выполненный с возможностью считывания идентификационного кода, зафиксированного в цифровой памяти транспондерной карточки и узел блокирования функциональных органов охраняемого объекта [4].
Как наиболее близкая по составу функциональных элементов, она является ближайшим аналогом (протопитом) предлагаемой полезной модели.
Данная система сходна с заявляемой полезной моделью по множеству признаков, однако с ее помощью нельзя провести курс подготовки водителей, ибо в ней отсутствуют элементы системы локального позиционирования, определяющие взаимоположение групп подвижных и стационарных объектов в пространстве, меньшем 1 м. Кроме того, отсутствует информация о дорожной обстановке, формируемая по состояниям аппаратуры дорожной сигнализации на автомобилях и на знаках регулирования дорожным движением (светофорах и семафорах).
Предлагаемым полезной моделью решается задача обеспечения полного
автоматического управления ходом выполнения упражнения на всем пространстве автодрома за счет использования глобальной навигационной спутниковой системы GNSS, функционирующей в дифференциальном режиме, путем дополнительного ввода системы локального позиционирования и имеющейся электронной модели автодрома, содержащей точные геометрические размеры реального автодрома. Дифференциальное функционирование GNSS обеспечивает получение высокой точности (до 10 мм) за счет поправок к измеренным расстояниям до спутников GNSS и сопровождается передачей поправок от опорной станции, размещенной в позиции с известными координатами. Для формирования информации о дорожной обстановке в предлагаемой полезной модели имеется аппаратура генерации сигналов светофоров и аппаратура сбора данных об агрегатном состоянии автомашин, связанные с серверной ЭВМ с помощью каналообразующего оборудования.
Ожидаемым техническим результатом при осуществлении полезной модели является автоматизация процесса обучения, заключающаяся в формировании серверной ЭВМ информационной обстановки автодрома, автоматической аттестации действий водителя по выполнению упражнения, автоматической выдачи рекомендаций по управлению транспортным средством и автоматической генерации сигнала о прекращении движения учебного автомобиля, упреждающего столкновение машины с другими объектами автодрома. Кроме того, достигается изменение дорожной обстановки посредством управляемой смены изображений дорожных знаков. Это в определенной степени устраняет эффект привыкания к трассе и способствует выработке у кандидатов в водители дополнительных дидактических навыков управления транспортным средством. В итоге достигается приближение условий обучения вождению к условиям управления автомобилем при движении по дорогам в реальной обстановке.
Для достижения этого технического результата в известном устройстве, содержащем диспетчерский центр управления, который состоит из
коммутатора абонентской связи и серверной ЭВМ, включающей электронную карту-схему местности с информацией об автодроме, считываемой с геодезической точностью и отображаемой на группе мониторов, модуль генерации сигналов управления светофорами, передаваемых на мониторы и, через канал сотовой связи, на исполнительные устройства автодрома, а также модуль выработки поправок, получаемых от приемника глобальной навигационный спутниковой системы GNSS, которые передаются на подвижные объекты через коммутатор сотовой радиосвязи; объекты регулирования дорожным движением (дорожные знаки и светофоры), включающие исполнительные устройства, установленные на светофорах и выполненные с возможностью приема команд управления светофорами от серверной ЭВМ по каналу сотовой радиосвязи; подвижные объекты, каждый из которых оснащен комплексом бортового оборудования, включающим бортовую ЭВМ, информационно связанную с комплектом датчиков агрегатного состояния объекта, приемником глобальной навигационный спутниковой системы GNSS, устройством принудительной остановки подвижного объекта, приемопередатчиком, реализующим сотовую радиосвязь с диспетчерским центром и выполненным с возможностью дифференциальной коррекции координат подвижных объектов, абонентский прибор переговорной связи, связанный по радиоканалу с коммутатором абонентской связи диспетчерского центра, подвижный объект дополнительно содержит систему локального позиционирования, состоящую из датчиков расстояния, расположенных на выступающих элементах объекта, и модуля вычисления, при этом устройство принудительной остановки управляется по сигналу дорожной обстановки, вырабатываемому при регистрации пересечения воображаемого периметра данного подвижного объекта с одним из воображаемых периметров либо топологии трасс либо дорожных знаков или других подвижных объектов автодрома в пределах радиуса действия датчика расстояния, причем дорожная обстановка определяется по координатам местоположения
подвижных объектов, получаемым от установленных на них приемников сигналов точного позиционирования GNSS, определяющим центры окружностей, которые описывают воображаемые периметры этих объектов, по углам азимута, определяющим ориентацию воображаемых периметров подвижных объектов, по сигналам системы локального позиционирования, по сигналам дорожной сигнализации подвижных объектов и по сигналам с датчиков, контролирующих агрегатное состояние подвижного объекта, а также по сигналам объектов регулирования дорожным движением, и по информации, приведенной в электронной модели местности. Исполнительным устройством объекта регулирования дорожным движением является монитор, отображающий по сигналу с центрального вычислителя изображение либо дорожного знака либо светофора, а условия упражнения и результаты его выполнения заносятся на индивидуальный электронный носитель.
Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше ближайшего аналога являются наличие в подвижном объекте системы локального позиционирования, состоящей из датчиков расстояния, расположенных на выступающих элементах объекта, и модуля вычисления, при этом устройство принудительной остановки управляется по сигналу дорожной обстановки, вырабатываемому при регистрации пересечения воображаемого периметра данного подвижного объекта с одним из воображаемых периметров либо топологии трасс либо дорожных знаков или других подвижных объектов автодрома в пределах радиуса действия датчика расстояния, причем дорожная обстановка определяется по координатам местоположения подвижных объектов, получаемым от установленных на них приемников сигналов точного позиционирования GNSS, определяющим центры окружностей, которые описывают воображаемые периметры этих объектов, по углам азимута, определяющим ориентацию воображаемых периметров подвижных объектов, по сигналам системы локального позиционирования, по сигналам дорожной сигнализации подвижных
объектов и по сигналам с датчиков, контролирующих агрегатное состояние подвижного объекта, а также по сигналам объектов регулирования дорожным движением, и по информации, приведенной в электронной модели местности. Исполнительным устройством объекта регулирования дорожным движением является монитор, отображающий по сигналу с центрального вычислителя изображение либо дорожного знака либо светофора, а условия упражнения и результаты его выполнения заносятся на индивидуальный электронный носитель.
Ввод системы локального позиционирования определяется необходимостью в уточнении местоположения подвижного объекта, так как максимальная частота обновления информации о местоположении объекта, формируемая системой «спутник-приемник», на данный момент составляет 20 Гц. При этом при скорости движения учебного автомобиля 20 км/ч (5,5 м/с), каждые последующие координаты поступят после перемещения машины на 30 см. Этой величины недостаточно для осуществления автоматического контроля действий водителя. В целях уточнения взаимоположения учебного автомобиля относительно других объектов автодрома на корпус машин устанавливаются ультразвуковые датчики расстояния, сигналы с которых организуют информационное поле более точного местоположения. Совокупность сигналов позиционирования передается в серверную ЭВМ.
Автоматизированная система обучения управлению автомобилем (фиг.1) содержит диспетчерский центр 1, включающий серверную ЭВМ 2, имеющую электронную карту-схему местности 3 с данными, считанными с геодезической точностью конкретного автодрома, визуализируемыми на группе мониторов 4, модуль 5 генерации сигналов управления светофорами, передаваемых на мониторы 4 и через приемопередатчик сотовой связи 6 и приемник сотовой связи 12 - на исполнительные устройства 11 автодрома, а также на модуль выработки поправок 7, получаемых от приемника глобальной навигационный спутниковой системы GNSS 8 и передаваемых на
подвижные объекты 13 через приемопередатчик сотовой радиосвязи 6, и коммутатор абонентской связи 9; объекты регулирования дорожным движением 10 (дорожные знаки и светофоры), включающие исполнительные устройства 11, принимающие управляющие сигналы от серверной ЭВМ 2 через приемник сотовой связи 12, подвижные объекты (автомобили) 13, каждый из которых оснащен комплексом бортового оборудования, включающим бортовую ЭВМ 14, информационно связанную с комплектом датчиков агрегатного состояния объекта 15, приемником глобальной навигационный спутниковой системы GNSS 16, устройством принудительной остановки подвижного объекта 17, приемопередатчиком сотовой связи 18, информационно связанным с приемопередатчиком сотовой связи 6 диспетчерского центра 1, абонентский прибор переговорной связи 19, связанный по радиоканалу с коммутатором абонентской связи 9 диспетчерского центра 1, а также монитор 20 и систему локального позиционирования 21 с датчиками расстояния 22 и модулем вычисления 23. Регистрация упражнения и результаты его выполнения заносятся на индивидуальный электронный носитель 24.
Работа автоматизированного автодрома осуществляется следующим образом.
На автоматизированный автодром устанавливаются статические объекты 10 (объекты регулирования дорожным движением и объекты организации учебного процесса) и вводятся подвижные объекты (учебные автомобили) 13. Приемник сигналов точного позиционирования 8 (базовая станция спутниковой системы GNSS) определяет привязку электронной карты-схемы 3 к реальной площадке автодрома. Как частный случай, данный приемник определяет местонахождение диспетчерского центра (центра сбора и обработки информации) 1 и вырабатывает сигналы поправок местоположений учебных автомобилей 13, перемещающихся по автодрому.
Инструктор на серверной ЭВМ 2 устанавливает задание на выполнение упражнения, которое определяет последовательность прохождения
препятствий и элементов трассы. Тема упражнения вводится на индивидуальный электронный носитель 24 кандидата в водители. В соответствии с темой упражнения серверная ЭВМ 2 устанавливает режим управления объектами регулирования дорожным движением 10. Сигналы управления объектами 10 регулирования дорожным движением передаются по каналу, организованному приемопередатчиками служебной информации 6-12.
Инструктор с помощью коммутатора абонентской переговорной связи 9 связывается с обучаемым, находящимся в учебном автомобиле 13, и передает ему тему упражнения. Обучаемый с помощью абонентского прибора переговорной связи 19 подтверждает тему упражнения и выезжает на соответствующий участок автодрома.
Серверная ЭВМ 2 определяет местоположение учебного автомобиля 13 на автодроме по данным, полученным от приемника сигналов точного позиционирования 16, который, в свою очередь, вычисляет их в соответствии с поправками, принятыми от приемника сигналов точного позиционирования 8, и по данным с системы локального позиционирования 21 и визуализирует его на группе мониторов 4. Информация о местоположении учебных автомобилей совмещается с информацией о модели местности 3 автодрома и с информацией о текущей дорожной обстановке, которая дополнительно содержит данные о дорожной сигнализации с модуля 5 генерации сигналов управления светофорами и данные от сигналов с датчиков поворота автомобилей.
Бортовая ЭВМ 14 осуществляет сбор информации с групп датчиков учебного автомобиля, установленных внутри автомашины (группа датчиков агрегатного состояния 15), с группы ультразвуковых датчиков расстояния 22, входящих в систему локального позиционирования 21 и установленных на корпусе машины, и приемника сигналов точного позиционирования 16, а также осуществляет формирование пакетов данных, передаваемых по каналу 18-6, организованному приемопередатчиками служебной информации, в
серверную ЭВМ 2. Центральная ЭВМ 2 на основании данных о дорожной обстановке вырабатывает сигналы управления учебным автомобилем, передаваемые по каналу 6-18, организованному приемопередатчиками служебной информации, в бортовую ЭВМ 14. На основании принятой от центральной ЭВМ 2 информации бортовая ЭВМ 14 вырабатывает сигналы управления монитором 20 и устройством принудительной остановки учебного автомобиля 17.
После окончания упражнения на мониторах 20 и 4, установленных, соответственно, в автомобиле 13 и в диспетчерском центре 1, появляется информация о качестве выполнения упражнения и итоговая оценка. Эта информация автоматически заносится на индивидуальный электронный носитель 24 и отражает всю последовательность выполнения упражнения.
Дорожная обстановка определяется по трем методам (фиг.2).
Предлагаемая автоматизированная система позволяет проводить обучение вождению на базовых автомашинах А и на автомашинах Б с выносным элементом как по участкам дорог с дорожными знаками, так и по дорогам с перекрестками, регулируемыми светофорами В. Особенности конструкции автомашин учтены вводом в систему аттестации дополнительных радиусов проверки. Так, для базовой автомашины А оценка взаимоположения отслеживается сначала по окружности с радиусом Р3, затем по воображаемому периметру, для автомашин Б с выносным элементами - сначала по окружностям с радиусами Р3 и Р5 для шасси и выносного элемента, соответственно, затем по воображаемым периметрам.
Первый метод - это метод автоматического определения взаимного пересечения окружностей с радиусами Р3 и Р5, который заключается в следующем. Координаты местоположения учебного автомобиля в пространстве автодрома определяют координаты центров следующих окружностей: окружности с радиусом ближнего упреждения Р1, окружности с радиусом Р2, описывающей базовое шасси автомобиля, окружности с радиусом Р3, описывающей область упреждения коллизий шасси
автомобиля, окружности с радиусом Р4, описывающей все выступающие агрегаты автомашины и окружность с радиусом Р5, описывающей область упреждения коллизий автомобиля с выступающими агрегатами. Величина Р3 является динамической величиной и складывается из следующих величин: длины тормозного пути на характерном участке автодрома, скорости торможения и скорости движения автомобиля. При проверке коллизий учебных автомобилей между собой исходно проверяются области пересечения окружностей упреждения (грубая проверка), в случае пересечения этих областей производится проверка на пересечение воображаемого периметра одной автомашины и области ближнего упреждения другой автомашины (точная проверка).
Второй метод - метод оценки действий водителя заключается в следующем. Условия выполнения упражнения определяют порядок прохождения участков автодрома. Электронная модель местности содержит топологию автодрома с описанием характерных участков проезжих частей. В процессе выполнения упражнения координаты учебных автомобилей сверяются с координатами топологии автодрома. Выезд за проезжую часть, который регистрируется как пересечение воображаемого периметра автомашины и воображаемой границы обочины проезжей части, так же, как и движение на участке местности без соблюдения требований регламентирующих знаков дорожной сигнализации, определяемое по сигналам агрегатного состояния машины и описаниям характерных участков местности, сопровождаются регистрацией характерной ошибки.
При несоблюдении заданной условиями упражнения последовательности прохождения участков автодрома вырабатывается группа сообщений о приведении автомашины в требуемый участок автодрома.
Третий метод - метод прохождения регулируемых переездов и перекрестков. При контроле прохождения регулируемых участков автодрома осуществляется обработка информации о нахождении автомашин на участке
ожидания (перед регулируемым) и непосредственно на регулируемом участке, а также информация о сигналах объектов дорожной сигнализации.
При въезде автомашины на участок ожидания по электронной модели местности отслеживается наличие других автомашин. При наличии автомашин вырабатывается сигнал-сообщение для водителя о последующей остановке в очередь. Если машин на данном участке нет, то проверяется свойство регулируемого участка на необходимость остановки автомашины перед переездом, например, при последующем выходе на главную дорогу, а при подъезде к регулируемому участку, определяется задание условия упражнения по применению последующего маневра. В случае выполнения необходимого маневра проверяется включение в автомашине сигнала поворота.
Въезд на регулируемый участок с участка ожидания контролируется наличием разрешающего сигнала аппаратуры регулирования. Движение автомобиля на запрещающий знак регистрируется как ошибка.
Перемещение по участку с регулируемым движением контролируется по приоритетам автомашин, которые определяются свойствами участков дорог перед входом на перекресток.
Реализация предлагаемой полезной модели позволит автоматизировать контроль и управление действий кандидата в водители при обучении вождению на реальном автомобиле в пространстве автодрома. Автоматизация распространяется не только на этап аттестации действий одного кандидата в водители, но и группы обучаемых. При этом обучение может происходить как на легковых автомобилях, так и на грузовых автомобилях, имеющих выносные агрегаты (краны, лестницы и т.п.).
Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение может быть также применено в качестве системы мониторинга взаимодействия операторов групп транспортных средств на участках местности, ведение работ на которых может привести к опасности жизни либо к нанесению
материального ущерба.
Предлагаемая автоматизированная система обучения управлению вождению автомобиля объединяет методы, применяемые для организации процесса обучения как в ходовых тренажерах, так и непосредственно на автоматизированных автодромах.
Использованные источники
1. Масанов А.Н., Садыков С.С., Малов В.Е. Танковые тренажеры. Введение компьютерных технологий. - Муром: Изд.-полиграфический центр МИВлГУ, 2002. - 144 с., С.15-16.
2. ООО «Автоматизированные системы тестирования» Россия, 690091, Владивосток, ул. Авроровская 4.an@anikschool.ru, an_n_2005@mail.ru.
3. Полезная модель РФ №72344, кл. G08G 1/00, опубл. 10.04.2008.
4. Патент РФ на изобретение №2175920, кл. G08B 25/10, опубл. 20.11.2001.