English
ДонНТУ   Портал магистров

Разработка виртуального симулятора для обучения управлению автомобилем

Содержание

Введение

С развитием компьютерных технологий, в частности графики и виртуальной реальности, стали возможными новые формы обучения, включая обучение в виртуальном пространстве. Виртуальные симуляторы позволяют обучающимся получать практические навыки без риска для себя и окружающих. В отличие от традиционных методов обучения вождению автомобиля, где ученики обучаются на дороге, виртуальные симуляторы обеспечивают более безопасное и экономически эффективное обучение.

Более того, виртуальные симуляторы могут помочь ученикам освоить не только основы вождения автомобиля, но и дополнительные навыки, такие как езда в сложных погодных условиях, управление в экстремальных ситуациях и другие. Это позволяет ученикам получить более полное представление о том, как управлять автомобилем в различных условиях и на различных дорогах.

Также виртуальные симуляторы могут быть использованы для обучения людей, которые из-за физических ограничений не могут получить права на вождение автомобиля. В таких случаях виртуальные симуляторы позволяют имитировать процесс вождения автомобиля и получать необходимые навыки без необходимости нахождения на дороге.

Цель данного исследования заключается в разработке виртуального симулятора для обучения управлению автомобилем, который бы обладал высокой эффективностью и мог конкурировать с традиционными методами обучения.

Для достижения данной цели были сформулированы следующие задачи:

  1. Провести обзор существующих виртуальных симуляторов для обучения управлению автомобилем и определить их преимущества и недостатки.
  2. Выбрать наиболее подходящую технологию для создания виртуального симулятора, учитывая требования к реалистичности и эффективности обучения.
  3. Выявить преимущества и недостатки виртуального симулятора и определить его перспективы для использования в образовательных учреждениях и водительских школах

1. Методы обучения вождению автомобиля

Существует несколько методов обучения вождению автомобиля, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Традиционный подход включает в себя инструктора и учебную машину, и является наиболее распространенным способом обучения вождению автомобиля. Однако, он имеет ряд ограничений, таких как ограниченность времени инструктора, необходимость нахождения на дороге, влияние факторов окружающей среды и т.д.[1]

Управление автомобилем в современных условиях – процесс чрезвычайно сложный в техническом и психологическом отношениях. То количество информации, которое обрушивается на начинающего водителя, значительно превышает возможности ее усвоения. Для того, чтобы двигаться по дороге даже с минимальной интенсивностью, водитель должен выполнить в строгой последовательности и с точной дозировкой множество действий. Каждое из них требует определенного навыка и является весьма сложным, состоящим из нескольких движений.

Анализ деятельности человека за рулем позволяет наметить три этапа, которые он должен пройти последовательно по мере совершенствования своего водительского мастерства. Причем, каждый предыдущий этап необходим для достижения последующего.[2]

На 1 этапе водитель должен достичь определенного технического мастерства. Под техническим мастерством понимается степень натренированности водителей в выполнении всех действий, связанных с управлением механизмами автомобиля. Сюда входит управление двигателем, сцеплением, коробкой передач, тормозами, рулевым колесом. Тренировка всех этих действий, предварительно разбитых на отдельные движения, должна производиться последовательно в стационарных условиях с применением тренажеров. Данный этап, как и всякий начальный этап обучения, имеет фундаментальное значение для дальнейшего формирования водителя. Поэтому задача преподавателя не только самому отнестись со всей серьезностью к этой работе, но и внушить обучаемому чрезвычайное основополагающее значение этого этапа.

На 2-ом этапе тренировок важно, чтобы обучаемый научился вести по заданной траектории не только передние, но и задние колеса автомобиля. Итак, после первых двух этапов тренировки обучаемый должен фактически полностью освоить техническую сторону вождения автомобиля. Любые действия рычагами и педалями не должны вызывать у него затруднений, он кроме того, должен правильно выбирать и выполнять намеченные действия на движущемся по закрытой площадке автомобиле. Другими словами, обучаемый должен профессионально управлять автомобилем на закрытой площадке или на пустынной дороге при полном отсутствии других участников движения. После достижения этого уровня можно приступить к третьему, завершающему, этапу подготовки водителей.

Задачей 3-го этапа является привитие навыков взаимодействия с другими участниками движения, прогнозирования дорожных ситуаций предупреждение аварийных ситуаций, выбора оптимального ряда и места в потоке, проезда опасных участков (перекрестков, остановок общественного транспорта, пешеходных переходов и т.д.). На 3-ем этапе необходимо выработать навыки выхода из некоторых аварийных ситуаций (например, гашение начавшегося заноса).

Результатом подготовки водителя с последовательным прохождением трех этапов должно быть свободное владение автомобилем в различных ДТС, и только после этого выпускник автошколы может быть признан водителем и получить соответствующее удостоверение. При выборе того или иного маневра в сложных ситуациях выпускник автошколы должен исходить только из тактических соображений, а технические сложности выполнения данного маневра его останавливать не должны.[3]

Он должен все уметь: и трогаться на подъеме, и проехать в ограниченном пространстве, и быстро проехать, повернуть и развернуться на загруженном перекрестке, и обогнать или объехать ТС. Для него не должно представлять затруднений движение ночью, на скользкой дороге и др.

2. Обзор виртуальных симуляторов

На сегодняшний день существует множество виртуальных симуляторов для обучения управлению автомобилем.[4] Рассмотрим несколько наиболее популярных симуляторов и их особенности.

Gran Turismo Sport – это гоночный симулятор, который предлагает различные трассы и автомобили для игроков. Он предоставляет реалистичные условия езды на высокой скорости, а также позволяет настраивать автомобиль, чтобы улучшить его характеристики (см.рис.1). Однако, недостатком данного симулятора является отсутствие обучающих режимов, что делает его не подходящим для новичков в обучении управлению автомобилем.

Уровень реалистичности графики Gran Turismo Sport

Рисунок 1 – Уровень реалистичности графики Gran Turismo Sport

City Car Driving – это виртуальный симулятор, который моделирует вождение по городским улицам. Он предоставляет обучающие режимы, которые помогают игрокам улучшать свои навыки вождения, такие как парковка и разворот на узкой дороге. Однако, недостатком данного симулятора является ограниченное количество автомобилей и трасс.

Assetto Corsa – это симулятор гоночных треков, который обладает отличной физической моделью автомобиля. Он позволяет игрокам настраивать автомобиль для улучшения его характеристик и предоставляет множество настроек для оптимизации графики. Недостатком является то, что он не обладает обучающими режимами, что делает его не подходящим для новичков в обучении управлению автомобилем.

Euro Truck Simulator 2 – это виртуальный симулятор, который моделирует вождение грузовиков. На рисунке 2 показан обучающий режим, который помогает игрокам улучшать свои навыки вождения, такие как поворот на перекрестке и управление грузовиком с прицепом. Недостатком является то, что он не обучает водителей легковых автомобилей, а также отсутствие разнообразных трасс и автомобилей.

Обучение пользователя повороту

Рисунок 2 – Обучение пользователя повороту

Существующие виртуальные симуляторы для обучения управлению автомобилем имеют свои преимущества и недостатки, и каждый из них может быть полезен для обучения определенных навыков вождения. Однако, ни один из рассмотренных симуляторов не является идеальным для обучения управлению автомобилем в целом.[5]

Поэтому цель нашей работы заключается в создании нового виртуального симулятора, который будет объединять в себе преимущества всех существующих симуляторов и позволит эффективно обучать навыкам управления автомобилем начиная с базовых и заканчивая продвинутыми.

3. Преимущества автосимуляторов и тренажеров

Для водителей со стажем симулятор вождения автомобиля ничто иное, как просто игра. На реальных дорогах совершенно другие условия. Вряд ли опытный автомобилист научится чему-то новому в этом приложении, как и не потеряет навыков, наработанных годами, если будет управлять виртуальной машиной. Совсем иначе дело обстоит с водителями-новичками. Симуляторы вождения автомобиля смогут помочь начинающим автомобилистам научиться водить машину. А именно: понять, как читать дорожные знаки, а также выучить их, разобраться в последовательности действий при начале движения и торможения, понять, как реагировать в разных ситуациях, ориентироваться по зеркалам.

Водители, которые только сели за руль, могут получить немало преимуществ от симуляторов вождения автомобиля. Например, автомобилисты смогут отточить следующие навыки:

  1. ориентироваться в автомобильном потоке;
  2. оттачивать мастерство управления машиной: перестраиваться, пересекать нерегулируемые перекрестки, парковаться и т.д.;
  3. быстро реагировать на разные ситуации на дороге;
  4. правильно ориентироваться по зеркалам.[6]

Зачастую во время учебы в автошколе инструкторы сталкиваются проблемой. При выезде в город некоторые курсанты просто теряются и не знают, как себя вести. Одни впадают в ступор, другие забывают вовремя тормозить или трогаться. Однако будущие водители, периодически занимающиеся на симуляторе вождения автомобиля, чувствуют себя за рулем более уверенно.

Существует у данной игры и некий вред, который, в первую очередь, наносится уже опытным водителям. Речь идет о следующих нюансах:

  1. Ограниченная реалистичность: некоторые аспекты виртуального симулятора могут быть менее реалистичными, чем в реальной жизни, что может привести к несоответствию между навыками, полученными в виртуальном мире и реальными условиями на дороге.
  2. Водитель перестает осознавать опасность. Особенно у заядлых игроков притупляется чувство ответственности, реальности. Ведь в игре все просто. Попал в аварию – начал заново, автомобиль восстановился, здоровье тоже. В реальной жизни все, увы, намного иначе.
  3. Ограниченная доступность: некоторые люди могут не иметь доступа к компьютерам или программному обеспечению, необходимому для использования виртуальных симуляторов.
  4. Превышение скорости. После виртуального мира на реальных дорогах автомобилистам начинает казаться, что они слишком медленно едут, как результат – значительное превышение скоростного режима.
  5. Ограниченный межличностный контакт: виртуальные симуляторы не могут предложить тот же уровень межличностного контакта и взаимодействия с инструктором, что может быть полезным для некоторых людей в процессе обучения.[7]

Отсутствие реального опыта может помешать человеку действительно подготовиться к экстремальному событию, когда он окажется на дороге. Это не означает, что симуляторам вождения нет места на курсах подготовки водителей. Они просто должны быть одним из инструментов процесса обучения будущих водителей. По мере того, как технологии продолжают развиваться, старые методы автошкол по-прежнему остаются наиболее реалистичными и позволяют научить всем тонкостям вождения.

4. Описание архитектуры и функциональности виртуального симулятора

Разработка виртуального симулятора для обучения управлению автомобилем представляет собой сложный и перспективный процесс, нацеленный на совершенствование методов обучения вождению в условиях виртуальной реальности.

Архитектура симулятора

Архитектурно, виртуальный симулятор будет включать в себя высокодетализированные 3D-модели автомобилей и окружающей среды, создавая учебное пространство, максимально приближенное к реальной дорожной обстановке. Это включает в себя аспекты движения, управления, торможения и взаимодействия с окружающей средой. Детализированные 3D-модели автомобилей и окружающей среды обеспечивают визуальную реалистичность, создавая учебное пространство, идентичное реальным дорожным условиям. Физическая модель автомобиля будет предельно точной, обеспечивая реалистичное воспроизведение всех аспектов управления транспортным средством. Система визуальных и звуковых эффектов усиливает реализм симулятора. Это включает в себя динамичные изменения освещения, реалистичные звуки двигателя и окружающей среды, а также эффекты погодных условий, таких как дождь, снег и туман.[8]

Виртуальный симулятор также будет обладать многоуровневой системой обучения, включая базовые элементы вождения, такие как управление рулем и торможение, и прогрессируя до более сложных сценариев, включая вождение в различных погодных условиях и в сложных дорожных ситуациях.

Функциональность обучения

Функционал симулятора будет ориентирован на интерактивность и обратную связь, предоставляя студентам возможность не только тестировать свои навыки, но и получать конструктивные рекомендации по их улучшению. Система мониторинга производительности будет следить за развитием ученика, создавая персонализированные планы обучения (см. рис. 3).

Схема функциональных требований к симуляции

Рисунок 3 – Схема функциональных требований к симуляции

Симулятор включает в себя разнообразные учебные сценарии, начиная от базовых навыков вождения и заканчивая сложными ситуациями на дороге. Обучение происходит в реальном времени, предоставляя обратную связь и рекомендации для улучшения навыков вождения.

Система обратной связи анализирует производительность учащегося, выделяя успешные моменты и обнаруживая области для улучшения. Персонализированные отчеты предоставляют студентам инсайты в их прогресс и определяют дополнительные области для фокусировки.

Симулятор охватывает разнообразные дорожные сценарии, включая различные типы дорог, густоту движения, перекрестки и сложные дорожные условия. Это обеспечивает студентам опыт вождения в различных ситуациях и развивает уверенность в управлении автомобилем.

Выбор технологий и инструментов разработки

Обоснование выбора технологий и инструментов разработки для создания виртуального симулятора для обучения управлению автомобилем важно для обеспечения эффективности, реалистичности и удобства пользовательского опыта.

Для достижения максимально реалистичного воспроизведения движения автомобиля и окружающей среды было решено использовать передовые физические движки и графические движки. Это включает в себя Unity3D или Unreal Engine, которые предоставляют высокую степень детализации визуальных и физических аспектов симулятора.

Интеграция технологий виртуальной реальности позволяет создать более погруженное обучение, усиливая восприятие реальности студентом. Oculus Rift, HTC Vive или другие VR-гарнитуры будут поддерживаться для максимального вовлечения.

Для обеспечения интуитивного управления и интерактивности виртуальным автомобилем используются современные элементы управления, такие как датчики движения и контроллеры (руль, педали газа, тормоза и сцепления и т.д.).

Для обеспечения легкого доступа и обновлений симулятора выбраны облачные технологии. Это обеспечит учебные учреждения и студентов последними версиями симулятора без необходимости сложных установок.

Выбор данных технологий и инструментов основан на стремлении обеспечить высококачественное и современное обучение вождению в виртуальной среде. Этот набор технологий создает баланс между реализмом, доступностью и эффективностью обучения, что является ключевым в обеспечении успешной разработки и использования виртуального симулятора.

Выводы

Магистерская работа посвящена разработке виртуального симулятора для обучения управлению автомобилем. В результате данного исследования были проанализированы существующие виртуальные симуляторы для обучения управлению автомобилем и выявлены их преимущества и недостатки. Этот анализ позволил определить направления для улучшения технологий и методов обучения.

Данное исследование открывает новые перспективы в области обучения вождению автомобиля и может быть полезным для широкого круга пользователей, начиная от начинающих водителей и заканчивая профессионалами, желающими улучшить свои навыки вождения. Развитие и совершенствование виртуальных симуляторов для обучения управлению автомобилем поможет улучшить безопасность на дороге и снизить количество аварий, что является одной из главных задач в области дорожной безопасности.

В заключении можно отметить, что разработка виртуального симулятора для обучения управлению автомобилем – это перспективное направление, которое может предложить новые возможности в обучении вождению автомобиля. Виртуальные симуляторы могут быть полезны не только для начинающих водителей, но и для тех, кто хочет улучшить свои навыки вождения и безопасность на дороге.

Кроме того, следует продолжать исследования в этой области, улучшать технологии и методы обучения, чтобы создавать все более реалистичные и эффективные виртуальные симуляторы для обучения управлению автомобилем. Это может помочь снизить количество аварий на дорогах и улучшить безопасность на дороге в целом.

Список источников

  1. Кадеева, О.Е., Донцова, А.А. «Цифровизация современного образования // Вопросы педагогики« / О.Е.Кадеева, А.А.Донцова, 2022. – 134 c.
  2. Методика обучения вождению автомобиля [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studopedia.su/14_43630_metodika-obucheniya-vozhdeniyu-avtomobilya.html
  3. Кнебон, К. «Симуляция в хирургическом обучении: Образовательные и практические аспекты. Медицинское образование.» / К. Кнебон, 2003. - 10-12 c.
  4. Рейгелут, К., Шварц, Э. «Теория обучения для разработки компьютерных симуляторов.» / К. Рейгелут, Э.Шварц, 1989. - 13-16 c.
  5. Бурняшева, Л.А. «Активные и интерактивные методы обучения в образовательном процессе высшей школы: методическое пособие» / Л.А. Бурняшева, 2016. – 153-155 c.
  6. Симулятор вождения автомобиля: польза или вред? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://автошкола34.рф/2020/02/27/simulyator-vozhdeniya-avtomobilya/
  7. Обучение вождению при помощи симулятора [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://caridea.ru/bezopasnoe-vozhdenie/obuchenie-vozhdeniju-pri-pomoschi-simuljatora
  8. Эрбах, Р. «Разработка и оценка симулятора вождения в виртуальной реальности« / Р. Эрбах, 2015. – 495 c.