Szybkobieżne Pojazdy Gąsienicowe (31) nr 3, 2012 Gabriel KOST SYMULATOR JAZDY SAMOCHODEM OSOBOWYM Streszczenie. W artykule przedstawiono koncepcję symulatora jazdy samochodem osobowym zbudowanego w oparciu o platformę Stewarta (hexapod) napędzaną zespołem silników elektrycznych. Omówiono wymagania stawiane tego typu urządzeniom, przeznaczonym w szczególności dla osób niepełnosprawnych, podstawowe założenia konstrukcyjne dotyczące konstrukcji mechanicznej platformy symulatora, oraz napędów i układu sterowania wraz z układem wirtualnej rzeczywistości symulującym rzeczywisty świat postrzegany za oknem samochodu będącego w ruchu drogowym. Słowa kluczowe: platforma Stewarta, napęd i sterowanie, wirtualna rzeczywistość, symulator jazdy samochodem. 1. WSTĘP Współczesne społeczeństwo oczekuje od swoich członków wysokich kwalifikacji i profesjonalizmu działania zarówno w sferze aktywności zawodowej, jak i społecznej. Sprzyjają temu oprócz wykształcenia, wszelkiego rodzaju szkolenia i kursy, których ukończenie nie rzadko warunkuje znalezienie lepszej pracy czy poprawę warunków życia. Czynniki te są szczególnie ważne dla osób niepełnosprawnych, które przy pełnej sprawności intelektualnej borykają się z kłopotami lokomocyjnymi, utrudniającymi im normalne funkcjonowanie, również w sferze aktywności zawodowej. Wiele osób z częściową dysfunkcją narządów ruchu ma możliwość korzystania ze środków prywatnego transportu samochodowego, część zaś mogłaby mieć taką możliwość poprzez zdobycie odpowiednich umiejętności, np. samodzielnego prowadzenia samochodu osobowego. Obecnie kwalifikacje takie może zdobyć osoba z częściową dysfunkcją ruchową kończyn dolnych i w pełni funkcjonalnymi ruchowo kończynami górnymi. Niezbędny do tego jest jednak odpowiednio wyposażony pojazd. Pierwszy etap takiej nauki jazdy, to bezpośredni kontakt z samochodem i jazda na placu manewrowym. Doświadczenie takie jest dla osoby niepełnosprawnej bardzo stresujące. Trudności w poruszaniu się, konieczność obsługi odpowiedniego urządzenia sprawiają, że świadomość ta znacznie utrudnia naukę jazdy, a czasami wręcz skutecznie zniechęca do jej podjęcia. Problem potęgują również kłopoty ze znalezieniem Ośrodka Szkolenia Kierowców (OSK), który byłby w stanie podjąć się nauki jazdy osoby niepełnosprawnej, z dysfunkcją narządów ruchu. Wynika to z braku samochodów ze specjalistycznym oprzyrządowaniem. W większości przypadków szkolenie takie odbywa się na samochodach będących własnością osób niepełnosprawnych - dostosowanych do ich własnych potrzeb. Proponowane rozwiązanie ma umożliwić osobom niepełnosprawnym z dysfunkcją narządów ruchu naukę i doskonalenie umiejętności prowadzenia pojazdu samochodowego. Stanowisko symulator jazdy samochodem, przeznaczone jest w głównej mierze dla ośrodków kształcących kierowców samochodów osobowych (OSK). 2. ZAŁOŻENIA PROJEKTOWO-KONSTRUKCYJNE SYMULATORA Przystępując do prac nad symulatorem ruchu pojazdu samochodowego, podstawowym zadaniem stało się zdefiniowanie warunków kinematycznych i dynamicznych, jakim poddany jest pojazd samochodowy uczestniczący w ruchu drogowym. Stałe fragmenty jazdy samochodu związane z hamowaniem i przyspieszaniem towarzyszą wszystkim etapom poruszania się pojazdu związanym ze zmianą pasa ruchu, zatrzymaniem pojazdu, ruszaniem dr hab. inż. Gabriel KOST, prof. nzw. Politechnika Śląska, Gliwice
Gabriel KOST z miejsca, wyprzedzaniem itd. Określenie parametrów dynamicznych jest szczególnie ważne, gdyż osoby niepełnosprawne mogą, mimo woli, wykazywać opóźnioną reakcję na istniejące warunki ruchu, dodatkowo niepełnosprawność znacząco zakłóca proces koniecznej, sprawnej i szybkiej reakcji jaką musi podjąć kierowca unikając kolizji. Występujące nadmierne przeciążenia mogą ten proces jeszcze bardziej zakłócić. Z analiz literaturowych [1] wiadomo, że proces symulacji ruchu pojazdu na symulatorach może wywoływać u osób korzystających z symulatora bardzo niekorzystne zjawiska w sferze fizjologii spowodowane zakłóceniem normalnej pracy błędnika: nudności, zawroty głowy, zaburzenia widzenia itd. (tzw. choroba symulatorowa [1]). Czynniki te muszą być szczególnie brane pod uwagę ze względu na udział w procesach symulacji osób niepełnosprawnych. Dlatego też wykonawcy projektu podjęli próbę zdefiniowania rzeczywistych warunków dynamicznych, jakim poddany jest kierowca jadący samochodem w ruchu miejskim i pozamiejskim, w celu dostosowania konstrukcji projektowanego układu do rzeczywistych potrzeb, równocześnie przewidując odpowiednie zabezpieczenia w działaniu projektowanego układu w trybie awarii napędu, sterowania (np. brak zasilania), ograniczając niekorzystne zachowanie układu na granicach przestrzeni działania symulatora (przestrzeń robocza układu), przestrojenie sterowania spowodowane gwałtowną reakcją kierowcy (szczególnie w początkowych fazach szkolenia) itp. 2.1. Wyniki pomiarów doświadczalnych W wyniku badań doświadczalnych dokonano pomiarów empirycznych rzeczywistych odczuwalnych przyspieszeń w czasie jazdy samochodem, przy wykorzystaniu przyrządu do pomiarów przyspieszeń liniowych - akcelerometru USB X6-2 firmy Gulf Coast Data Concepts rys.1, zamocowanego do fotela kierowcy w samochodzie typu Fiat Panda. Z X Y Rys.1. Akcelerometr USB X6-2 Rys. 2. Pomiarowy układ Badania przeprowadzono dla typowych zachowań kierowcy, tj. przyspieszania, hamowania i kierowania (zmiana toru jazdy samochodu), jak i przy uwzględnieniu zmiennych warunków nawierzchni drogi. W wyniku przeprowadzonych badań otrzymano przyspieszenia liniowe pojazdu (względem trzech głównych osi przestrzennego układu współrzędnych rys.2) podczas jego ruchu, dla następujących warunków: 1) przyspieszenie do prędkości 60 km/h; w końcowej fazie ruchu hamowanie do zatrzymania samochodu; 2) przyspieszenie do prędkości 90 km/h, w trakcie jazdy występuje wymuszenie pionowe (poprzeczny garb na jezdni, dziura w jezdni); 3) przyspieszenie do prędkości 130 km/h oraz hamowanie od prędkości maksymalnej do 100 km/h;
Symulator jazdy samochodem osobowym 4) jazda po łuku z prędkością 50 km/h; 5) przyspieszanie i hamowanie do prędkości 40 km/h na kostce brukowej. Przeprowadzone pomiary pozwoliły odwzorować zachowanie się pojazdu w symulatorze jazdy oraz pozwoliły na uzyskanie wykresów czasowych wielkości kinematycznych związanych z badanym ruchem pojazdu w postaci: charakterystyk przyspieszenia na podstawie danych pomiarowych; wygładzonych charakterystyk przyspieszenia; charakterystyki prędkości; charakterystyki przemieszczenia; charakterystyki wartości bezwzględnej danych pomiarowych przyspieszeń; wygładzonej charakterystyki wartości bezwzględnej przyspieszenia; charakterystyki wartości bezwzględnej prędkości; charakterystyki wartości bezwzględnej przemieszczenia. Przykładową charakterystykę otrzymaną dla przyspieszenia samochodu od 0 do prędkości 60 km/h, z hamowaniem w końcowej fazie ruchu do zatrzymania samochodu pokazano na rysunkach 3 i 4 (warunek 1). Rys. 3. Wyniki pomiarów przyspieszeń samochodu Rys. 4. Wygładzona charakterystyka przyspieszeń W dalszej kolejności dokonano pomiarów przyspieszeń występujących na kierownicy i na fotelu kierowcy. W wyniku tych pomiarów dokonano oceny oddziaływania drgań działających na siedzącego kierowcę. Pominięto wpływ drgań pochodzących z podłogi pojazdu. W wyniku zebranych danych oraz w oparciu o informacje dodatkowe z literatury, dotyczące fizjologii człowieka ustalono, że: minimalne odczuwalne odchylenie od pionu ciała ludzkiego wynosi około 2-3 ; minimalne odczuwalne przez człowieka przyspieszenie liniowe wynosi 0,15 m/s2; narząd równowagi człowieka ma tzw. okres bezwładności, który jest związany z nagłą zmianą przyśpieszenia działającego na człowieka (np. po gwałtownym hamowaniu w samochodzie przez pewien czas trwa wrażenie ruchu), który wynosi od 5 do 30 s. Zebrane wyniki są istotne nie tylko ze względu na wymagania konstrukcyjne projektowanego układu, ale również ze względu na, jak już wspomniano, fizjologię niepełnosprawnego kierowcy. W tablicy 1 przedstawiono podstawowe parametry kinematyczne, jakie ustalono i wykorzystano w procesie projektowania stanowiska
Gabriel KOST badawczego. Dodatkowo, poza ustalonymi parametrami kinematycznymi symulatora, w procesie projektowania przyjęto, że układ powinien posiadać: obok miejsca kierowcy, dodatkowe miejsce dla instruktora nauki jazdy osoby nadzorującej proces uczenia i jednocześnie kontrolującej zachowanie osoby niepełnosprawnej w trakcie nauki jazdy; dodatkowe układy bezpieczeństwa w postaci: - blokady drzwi kierowcy i instruktora, zabezpieczającej przed ich niekontrolowanym otwarciem; - dodatkowego układu stopu bezwarunkowego, posiadającego nadrzędny status względem układu sterującego stanowiskiem, dostępnego z miejsca kierowcy i instruktora; - wydzielonego, dodatkowego stanowiska obsługi całego układu stanowiska operatora - umożliwiającego sterowanie całym zespołem symulatora (start, stop, sterowanie trybem pracy symulatora itd.), Tablica 1 współrzędne maksymalna prędkość maksymalne przemieszczenia x 0.5 m/s 0.30m y 0.5 m/s 0.20m z 0.5 m/s 0.30m Pochylenie (x), (y), (z) maksymalne przyspieszenie m 0.5g s max m 0.5g s max m 0.5g s max ± 2 ± 2 ± 2 ± 25 podest z rampą (windę) umożliwiający swobodny dostęp do samochodu w czasie wsiadania i wysiadania; tryby pracy (wizualizacja graficzna) dla typowych warunków drogowych z możliwością ich swobodnego wyboru przez osobę uprawnioną, spoza samochodu, zależnie od stopnia umiejętności kierowcy niepełnosprawnego; układ podtrzymania zasilania (UPS) gwarantujący jego ciągłość w warunkach nagłej utraty zasilania sieciowego, co zabezpieczy symulator przed nagłym zatrzymaniem i wystąpieniem gwałtownych ponadnormatywnych przeciążeń; położenie zerowe (awaryjne) pozwalające na opuszczenie pojazdu w warunkach braku zasilania, dodatkowo powinna istnieć możliwość wykorzystania dodatkowych drzwi (np. z tyłu samochodu). 3. KONCEPCJA UKŁADÓW WYKONAWCZYCH STANOWISKA 3.1. Struktura funkcjonalna symulatora W strukturze funkcjonalnej symulatora wyodrębniono następujące podsystemy (rys. 5):
Symulator jazdy samochodem osobowym Rys. 5. Schemat struktury symulatora sterowania pojazdem w skład tego podsystemu wchodzi karoseria rzeczywistego pojazdu wyposażonego w urządzenia wspomagające osoby niepełnosprawne w prowadzeniu pojazdu oraz oprzyrządowanie pozwalające na generowanie wymuszeń do środowiska wirtualnego symulatora, wizualizacji i generowania dźwięku - w skład którego wchodzi oprogramowanie oraz komputery i urządzenia odpowiedzialne za wizualizację wirtualnego środowiska symulatora, generowanie efektów dźwiękowych oraz urządzenia monitorujące i rejestrujące przebieg szkolenia, symulacji dynamiki samochodu odpowiedzialny za generowanie odczucia ruchu dla osób znajdujących się w samochodzie. Podsystem ten bazuje na platformie Stewarta, która umożliwia symulowanie ruchów, drgań oraz przyśpieszeń odczuwalnych podczas jazdy samochodem, bezpieczeństwa obejmujący funkcje i podzespoły zapewniające bezpieczne użytkowanie symulatora. Funkcjonowanie wymienionych podsystemów jest zintegrowane poprzez centralny komputer wyposażony w oprogramowanie sterujące i zarządzające ich pracą w czasie rzeczywistym. Jednostka centralna odpowiada za obliczenia parametrów symulacji ruchu, generowanie obrazu, dźwięku oraz danych sterujących ruchem układów wykonawczych platformy i funkcjonowaniem systemu bezpieczeństwa. 3.2 Koncepcja symulatora Stanowisko zbudowane jest z czterech ekranów, na których wyświetlane jest wirtualne (VR) środowisko symulatora. Na trzech przednich ekranach (rys. 6) wyświetlany jest widok
Gabriel KOST z przodu i z boku samochodu, natomiast na ekranie z tyłu pojazdu jest wyświetlany widok do patrzenia przez ramię przy cofaniu, co zapewni także widok w lusterku wstecznym. 3 ekrany przednie platforma Stewarta z zamontowaną kabiną samochodu ekran tylny podest - winda stanowisko operatora komputer centralny Rys. 6. Rozmieszczenie elementów stanowiska rzut aksonometryczny Rys. 7. Model wirtualny symulatora samochód umieszczony na platformie Stewarta Kabina pojazdu jest zamocowana na platformie Stewarta o sześciu stopniach swobody (hexapod, rys. 7), która umożliwi realizację w pełni przestrzennego ruchu. Symulator uzupełnia stanowisko operatorskie, w którym operator układu będzie mógł śledzić przebieg ćwiczenia, aktywować odpowiednie pakiety testowe (jazda miejska, plac manewrowy, droga szybkiego ruchu, jazda w nocy itd.), wymuszać zdarzenia pogodowe i drogowe, monitorować zachowania i dzięki zainstalowanym w kabinie pojazdu kamerom analizować reakcje kursanta (ruchy głowy, gałek ocznych) świadczące o jego kondycji fizycznej. W odniesieniu do stanowiska wirtualnej rzeczywistości, służącego do projekcji ruchu drogowego z pozycji samochodu, przyjęto, że jest ono przeznaczone do kreowania warunków jazdy samochodem osobowym (symulacji i wizualizacji warunków drogowych widocznych za oknami jadącego samochodu). Oprogramowanie VR stanowi bibliotekę wyspecjalizowanych modułów programowych VR ilustrujących, na ekranach
Symulator jazdy samochodem osobowym rozmieszczonych wokół kabiny samochodu osobowego zainstalowanego na platformie Stewarta, widok z okna poruszającego się samochodu w typowych warunkach drogowych oraz kontroluje m.in. następujące zachowania kierowcy: jazda bez zapalonych świateł; jazda bez zapiętego pasa bezpieczeństwa; wykorzystanie sprzęgła przy ruszaniu; błędne użycie sprzęgła (niedostateczne wysprzęglanie przy zmianie biegów); dobór obrotów silnika do włączonego biegu; obsługa skrzyni biegów (np. problem włączenia biegu wstecznego, kiedy pojazd jeszcze toczy się do przodu); prędkość jazdy na odcinkach gdzie jest ona ograniczona; dobór prędkości pojazdu do warunków na drodze (przyczepność, widoczność); zachowanie wobec innych użytkowników drogi; zatrzymanie się w sytuacji, gdy na drodze jest znak drogowy STOP; zachowanie wobec sygnalizacji świetlnej; zachowanie na przejazdach kolejowych; czas reakcji na polecenie zatrzymania. Opisy błędów popełnionych przez kierującego są wyświetlane na bieżąco na ekranie, a ponadto zapisywane w raporcie dostępnym po zakończeniu ćwiczenia. Część informatyczna stanowiska VR zawiera następujące moduły programowe: symulujący jazdę samochodem osobowym Fiat Panda, posiadający model komputerowy bryły wymienionego pojazdu, uwzględniający też wybrane elementy charakterystyki potrzebne do modelowania jego zachowań fizycznych (masa, środek ciężkości, napędzane koła, promień skrętu, moc silnika itp.). Moduł ten, na podstawie danych otrzymanych z akwizycji wymuszeń ruchu platformy, generuje obraz 3D, dźwięk, komunikaty dla ćwiczącego i dane sterujące dla platformy kinetycznej, sterujący pracą symulacji służący do: ustalania warunków ćwiczenia, takich jak: - wariant pojazdu (przyczepka, obciążenie); - plansza (teren ćwiczenia, utrudnienia); - warunki atmosferyczne, widoczność, przyczepność (dzień, noc, mgła, śnieg, deszcz); rozpoczynania, kończenia i przerywania ćwiczenia; ingerencji w przebieg ćwiczenia (np. przebicie koła); przygotowania, analizy i wydruku raportu z ćwiczenia, służący do przechwytywania, kontroli i korekty danych z systemu akwizycji wymuszeń, który umożliwia ingerencję w te dane np. programowa kalibracja pedałów gazu, hamulca, kierownicy itp.; rozwiązujący zadanie odwrotne kinematyki platformy, dzięki czemu możliwe jest wygenerowanie odpowiedniej reakcji ułożenia przestrzennego platformy, a przez to pojazdu (np. jazda na zakręcie, przeciążenia związane z hamowaniem i przyspieszaniem), modyfikacja ruchu, np. z liniowego na kątowy, w przypadku przewidywanego końca
Gabriel KOST zakresu ruchu oraz ruch powrotny, tak aby przygotować platformę do kolejnego manewru. Dodatkowo moduł kinematyki odwrotnej odzwierciedla działające na pojazd i kierującego siły bezwładności, będące reakcją na wysyłane wymuszenia, w sposób możliwie wierny; do edytowania tworzonych wirtualnych tras do ćwiczeń i edytowanie wirtualnych obiektów oraz umieszczanie ich na wirtualnych trasach; edytowania zachowania się poszczególnych elementów wchodzących w skład wirtualnego świata (ustalania parametrów) np. trasa przejazdu pojazdów trzecich, ustawienie pracy sygnalizacji świetlnej itp.; służące do rejestracji wideo i monitoringu w oparciu o kamery i osprzęt IP; służące do generowania i odtwarzania odgłosów naśladujących dźwięki pochodzące z silnika, skrzyni biegów, kół i otoczenia pojazdu. Część sprzętowa stanowiska VR zawiera następujące elementy: system wyświetlania obrazu (3 ekrany przednie); 1 ekran tylny (zamontowany z tyłu za pojazdem jako źródło obrazu dla lusterka wstecznego w kabinie pojazdu); system audio składający się z zestawu głośnikowego zamontowanego w kabinie, emitujący odgłosy naśladujące dźwięki pochodzące z silnika, skrzyni biegów, kół i otoczenia pojazdu; komputer główny, wraz z rozdzielaczem obrazu, zajmujący się obliczeniami symulacji i generowaniem obrazu, dźwięku i danych sterujących dla ruchu platformy kinetycznej, stanowisko instruktora wyposażone w: komputer PC, monitory i drukarkę laserową do druku raportów z ćwiczeń i raportów z pracy symulatora; rejestrator obrazu wideo (obserwacja i zapis przebiegu ćwiczenia) z systemu 4 kamer (z monitorem obrazu z kamer); osprzęt do komunikacji głosowej pomiędzy stanowiskiem instruktora a kabiną pojazdu. Stanowisko wirtualnej rzeczywistości, służące do projekcji ruchu drogowego z pozycji samochodu osobowego zapewnia bezzwłoczną (nieodczuwalną dla człowieka) reakcję generowanego wirtualnego świata wyświetlanego na ekranach w zależności od wybranych zachowań samochodu (ruszanie, jazda do przodu, parkowanie, wyprzedzanie, jazda w czasie deszczu, opadów śniegu, w warunkach nocnych itp.), na rzeczywiste manewry wykonywane przez kierowcę (reakcja na położenie pedału gazu, hamulca, skręt kierownicą, światła drogowe i mijania, ślizgi kół itp.). 3.4. Wyznaczenie pola obszaru położenia oczu kierowcy Widoczność z miejsca kierowcy jest ważnym problemem, który należy uwzględnić podczas projektowania symulatora jazdy w odniesieniu do układu ekranów, na którym wyświetlana jest wirtualna trasa. Wymagania widoczności do przodu, na boki, a także widoczność do tyłu są objęte odpowiednimi normami. W celu określenia widoczności niezbędne jest uprzednie określenie położenia oczu kierowcy, które jest uzależnione od jego wzrostu, kąta pochylenia oparcia oraz zakresu regulacji fotela. Zadanie to rozwiązuje się według normy SAE J 941/1985. W zakresie zadań objętych omawianym projektem wyznaczono jedynie średnie położenie oczu kierowcy dla kierowców o różnym wzroście
Symulator jazdy samochodem osobowym (rys. 8) i wykorzystano do dalszych analiz oraz obliczeń związanych z kinematyką platformy Stewarta. Rys. 8. Model konstrukcyjny symulatora widok z boku Szerzej zagadnienia te omówione są w opracowaniach firmy Rucker AG (www.rucker.pl). Położenie to wpływa na określenie zakresu widoczności kierowcy, czyli na sposób ustawienia ekranów, a przez to istotnie wpływa na komfort doznań wizualnych związanych z obserwacją wirtualnego świata za oknami samochodu umieszczonego na platformie. Dodatkowo wysokość położenia wzroku kierowcy wskazuje również na położenie jego błędnika. Błędnik ze swoim układem równowagi kształtuje zakres doznań psychicznych związanych z symulowanym ruchem. Dlatego też wyznaczenie wysokości wzroku i błędnika ponad płytę nośną platformy jest podstawowym parametrem, jaki musi zostać wyznaczony na etapie przygotowywania założeń konstrukcyjnych. 3.6. Podstawowe parametry konstrukcyjne platformy Do skonfigurowania układu konstrukcyjnego projektowanego symulatora wyposażono w kabinę samochód Fiat Panda, w którym zdemontowano układ napędowy, przeniesienia napędu i zasilania, pozostawiając kompletne wyposażenie kabiny kierowcy wraz z instalacją elektryczną pojazdu Dla tych warunków wyposażenia oszacowano masę pojazdu na około 700 kg. Ponieważ masa ta w warunkach normalnej eksploatacji symulatora jest uzupełniona masą kierowcy i instruktora, przyjęto, że masa kabiny samochodu podczas symulacji nie powinna przekroczyć 1200 kg.
Gabriel KOST Dla tych warunków przyjęto następujące szczegółowe założenia konstrukcyjne (dane dotyczące podstawowych parametrów kinematycznych zawarto w tablicy 1, pkt. 2.1): udźwig minimalny 1200 kg; płyta górna platformy, dostosowana do zawieszenia kabiny Fiata Panda integracja punktów mocowania z fabrycznymi gniazdami amortyzatorów i sworzni wahaczy - rys. 8; układ napędowy wykonany w oparciu o napędy śrubowe bezluzowe (przekładnie śrubowo-toczne) o obliczeniowej trwałości nie mniejszej niż 10000 h, przy założonych parametrach kinematycznych i dynamicznych całego układu; punkty mocowania przekładni śrubowo-tocznych wykonane w postaci przegubów kulistych ze wstępnym napięciem; zabezpieczenia strefy symulatora przez ogrodzenie zintegrowane z systemem safety ; technologia serwonapędów głównych osi platformy posiadająca zaimplementowaną pełną funkcjonalność safe motion ; mechaniczna blokada drzwi samochodu sterowana z systemu nadrzędnego (drzwi są blokowane aż do momentu zakończenia symulacji i wypoziomowania platformy na pozycji bazowej). Mocowanie zamiast odboju sprężyny tylnej Mocowanie wahacza Wleczonego Mocowanie kolumny Mc Persona Mocowanie rozpory przedniej Misa koła zapasowego Rys. 8. Schemat doboru punktów mocowania kabiny samochodu do platformy Kabinę pojazdu wyposażono w odpowiednie czujniki służące do odczytu położenia pedałów gazu, hamulca i sprzęgła, jak również opracowano konstrukcyjnie, wykonano i zamontowano w kabinie układ drążka zmiany biegów, pozwalający na odczyt jego położenia, który współpracuje z układem sterującym, generującym szybkość reakcji grafiki VR i ruchów platformy, stosownie do sterowanej prędkości pojazdu. W tym celu zamontowano na dźwigniach pedałów enkodery absolutne typu Tempsonics. Absolute, Non-
Symulator jazdy samochodem osobowym Contact Position Sensor ER-M 005OM-1-D34-V01. Sygnały z czujników doprowadzane są do układu sterującego platformą. Przebudowano blok licznika pojazdu w celu pozyskania wszystkich sygnałów (prędkościomierz, temperatura silnika, sygnalizacja zapalania świateł, kierunkowskazów itp.). Sygnały prędkościomierza, czujnika temperatury i poziomu paliwa w baku są symulowane odpowiednim układem elektronicznym zaprojektowanym i zabudowanym w desce rozdzielczej samochodu. Wykorzystano do tego celu silniki krokowe PM20T-036-MMB0 firmy NMB, generujące sygnał odpowiednio do symulowanych wskazań układu. 4. KONCEPCJA NADRZĘDNEGO UKŁADU STERUJĄCEGO STANOWISKIEM Po zdefiniowaniu podstawowych elementów funkcjonalnych i konstrukcyjnych oraz zmodernizowaniu, stosownie do potrzeb, kabiny pojazdu, opracowano założenia nadrzędnego układu sterującego platformą dotyczące: sterowania platformą stosownie do wymagań zdefiniowanych kinematyką prostą i odwrotną platformy; integracji układu mechanicznego i VR (wirtualnej rzeczywistości) symulującej warunki ruchu drogowego; bezpieczeństwa pracy całego układu i osób uczestniczących w cyklach symulacji ruchu, nadzoru operatorskiego nad symulatorem z odpowiednim priorytetem nadrzędnym pracy; możliwości diagnozowania całego układu i zapewnienia komunikacji pomiędzy elementami napędu z możliwością śledzenia zmian parametrów pracy napędów [2, 3]; transmisji cyfrowej sygnałów sterujących (sieć Ethernet Powerlink [4, 5]). W oparciu o określone podstawowe kryteria, jakie powinien spełnić układ sterowania platformą, zdefiniowano wymagania szczegółowe, przyjmując, że podstawą poprawnego funkcjonowania, tak niejednorodnego zadaniowo układu, jest pełna i niezawodna synchronizacja informatyczna stanowiska. Na rysunku 10 przedstawiono uproszczony schemat ideowy struktury zaprojektowanego rozproszonego układu sterującego symulatorem. 5. WNIOSKI Przedstawione w artykule rozwiązanie symulatora jazdy samochodem jest rozwiązaniem dedykowanym (rys. 11). Dedykowalność tego rozwiązania obejmuje dwa obszary. Z jednej strony jest to obszar zastosowania układu jako jednolitego zintegrowanego funkcjonalnie systemu obejmującego rozwiązanie mechaniki i sterowania, przeznaczonego do nauki jazdy samochodem osobowym, w szczególności dla osób z dysfunkcją ruchu kończyn dolnych. Z drugiej strony jest to zintegrowany informatycznie układ pozwalający na pełną identyfikację parametrów sterowania platformą Stewarta, wykorzystywaną powszechnie w tego typu urządzeniach. Zastosowane w opracowanym układzie napędy, sprzężone siecią informatyczną Ethernet Powerlink, opracowane wysoko wyspecjalizowane oprogramowanie układu sterowania, nadzoru operatorskiego i diagnostyki całego układu pozwala nie tylko na swobodne symulowanie ruchu pojazdu kołowego, będącego w ruchu drogowym wg indywidualnych potrzeb, ale również na badanie i szczegółową analizę tego ruchu pod kątem oceny kinematyki i dynamiki pojazdu, rozkładu sił i momentów na poszczególnych napędach, ocenę zachowania kierowcy i analizę jego reakcji na siły związane z realizowanym trybem jazdy.
Gabriel KOST Ethernet POWERLINK Komputery systemu VR Ethernet POWERLINK połączone poprzez UDP Platforma wraz z Szafa sterownicza karoserią samochodu Ethernet POWERLINK Rys. 10. Schemat ideowy systemu sterowania SDL Przewody enkoderowe i mocy serwonapędów UDP UDP
Symulator jazdy samochodem osobowym Rys. 10. Stanowisko symulatora jazdy samochodem Jednak podstawowym problemem zaprojektowanego układu mechanicznego platformy Stewarta (6 stopni swobody) napędzanym sprzężonym informatycznie (sieć) wielonapędowym układem jest uzyskanie pełnej synchronizacji wszystkich napędów odpowiednio do danych kinematyki odwrotnej platformy. Z przeprowadzonych prób i badań wynika, że odczucia związane z wpływem dynamiki rzeczywistego pojazdu znajdującego się w ruchu na kierowcę różnią się od tych odbieranych podczas sesji symulacyjnych [1] przez kierowcę biorącego udział w procesie symulacji. Proces ten jest długotrwały i związany z umiejętnym filtrowaniem sygnałów wysyłanych z układu sterowania do napędów symulatora oraz dostrojeniem czasów ich wysyłania (próbkowaniem sygnałów i ich wartości określonych w dziedzinie czasu), co związane jest z rodzajem zastosowanych napędów oraz układów bezpośrednio sterujących ich pracą. 6. LITERATURA [1] Lozia Zb.: Symulatory jazdy samochodem. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności. Warszawa 2008. [2] ACOPOSmulti User Manual v0.41. Bernecker+Reiner Industrie-Elektronik Ges.m.b.H. Eggelsberg. (www.br-automation.com). Maj 2011 r. [3] ACOPOSmulti with SafeMC User Manual. Bernecker+Reiner Industrie-Elektronik Ges.m.b.H. Eggelsberg. (www.br-automation.com). Maj 2011 r. [4] POWERLink. Bus Controlers. Documentation. Bernecker+Reiner Industrie-Elektronik Ges.m.b.H. Eggelsberg. (www.br-automation.com). Wrzesień 2011 r. [5] POWERLink. Communication modules. Documentation. Bernecker+Reiner Industrie- Elektronik Ges.m.b.H. Eggelsberg. (www.br-automation.com). Wrzesień 2011 r.
Gabriel KOST CAR DRIVING SIMULATOR Abstract. The paper presents a concept of a car driving simulator based on the Stewart platform (hexapod) with an electric motor drive system. Requirements to be met by this type of equipment, designed in particular for the handicapped, are discussed along with basic mechanical design inputs for the simulator platform, drive and control system, as well as virtual reality system simulating the real world as seen through the windshield of a car moving in traffic. Keywords: Stewart platform, drive and control, virtual reality, car driving simulator. W artykule przedstawiono wyniki rocznego raportu z realizacji projektu rozwojowego nr PBR-6/RMT2/2012, pt.: Mechatroniczny integrator procedur sterowania pojazdem przez osoby niepełnosprawne. Instytut Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania. Materiały własne niepublikowane. Gliwice, marzec 2012.