V-SIM 4.0

Program komputerowy służący do wykonywania symulacji ruchu oraz zderzeń pojazdów samochodowych  zgodnie z zasadami dynamiki w założonym niejednorodnym środowisku. Program analizuje w przestrzeni 3D zachowanie pojazdów samochodowych oraz odwzorowuje na drodze kinematycznej ruch innych obiektów (piesi, rowerzyści, motocykliści, itp.). V-SIM jest wykorzystywany w rekonstrukcji wypadków drogowych, badaniach przy projektowaniu pojazdów, modyfikacji ich podzespołów, inżynierii drogowej i transporcie.

V-SIM 4.0

Program komputerowy służący do wykonywania symulacji ruchu oraz zderzeń pojazdów samochodowych  zgodnie z zasadami dynamiki w założonym niejednorodnym środowisku. Program analizuje w przestrzeni 3D zachowanie pojazdów samochodowych oraz odwzorowuje na drodze kinematycznej ruch innych obiektów (piesi, rowerzyści, motocykliści, itp.). V-SIM jest wykorzystywany w rekonstrukcji wypadków drogowych, badaniach przy projektowaniu pojazdów, modyfikacji ich podzespołów, inżynierii drogowej i transporcie.

Zasada działania

Ruch i zderzenia pojazdów odbywają się zgodnie z zasadami dynamiki w przestrzeni trójwymiarowej (3D). V-SIM posiada rozbudowany edytor graficzny pozwalający odtworzyć topografię terenu wraz z infrastrukturą drogową oraz umożliwia wizualizację 3D lub 2D przeprowadzanej symulacji w zaprojektowanym środowisku ruchu. Program umożliwia również symulowanie (animowanie) na drodze kinematycznej ruchu innych obiektów występujących w ruchu drogowym jak np. piesi, rowerzyści, motocykliści, zwierzęta itp.

Rozbudowany edytor graficzny umożliwia automatyczne kreślenie odcinków dróg i skrzyżowań, obszary zmiennych parametrów nawierzchni, nachylenia terenu czy wiatru bocznego, oznakowanie poziome dróg, znaki pionowe, statyczne sylwetki pojazdów samochodowych i innych uczestników ruchu, unikalną sylwetkę ciała ludzkiego, linie wymiarowe i punkty odniesienia a także uniwersalne elementy graficzne pozwalające dowolnie uzupełnić środowisko ruchu. Elementy graficzne mogą być rozmieszczone w wielu warstwach.  

Praktycznie gotowe środowiska ruchu dla programu V-SIM 4.0 mogą być sporządzone w programie Cybid PLAN.
Opracowywanie modelu środowiska ruchu odbywa się na identycznej zasadzie jak sporządzanie szkicu sytuacyjnego w programie PLAN. Podobne są również możliwości wydruku zarówno samego środowiska, jak i szkiców sytuacyjnych z naniesionymi pozycjami obiektów w kolejnych stanach wykonywanej symulacji.

Szczegółowe informacje w zakładce PLAN.

Analiza przebiegu i skutków zderzeń przeprowadzana w V-SIM 4.0. może uwzględniać:

  • Zderzenia pojazdów samochodowych między sobą.
  • Zderzenia pojazdów samochodowych z innymi uczestnikami ruchu (obiekty kinematyczne).
  • Zderzenia pojazdów samochodowych z przeszkodami terenowymi.

W zależności od przedstawionych celów symulacji, program może znaleźć zastosowanie odpowiednio w następujących dziedzinach:

  • Rekonstrukcja wypadków drogowych.
  • Projektowanie pojazdów, ich podzespołów lub modyfikacji.
  • Inżynieria drogowa.

Baza danych pojazdów

Baza danych zawiera szczegółowe dane techniczne około 12 000 pojazdów samochodowych i ich przyczep. Są to pojazdy praktycznie wszystkich kategorii posiadające od 1 do 3 osi wraz z naczepami oraz przyczepami z osią centralną (niekierowaną). Użytkownik ma możliwość modyfikowania parametrów technicznych wprowadzonych pojazdów oraz tworzenia własnych pojazdów.
Dostęp do poszczególnych wersji i odmian jest szybki i jednoznaczny poprzez konsekwentne wprowadzenie hierarchicznego podziału według:

  • Kategorii pojazdów,
  • Producenta,
  • Modelu,
  • Wersji nadwozia (opcjonalnie),
  • Wersji silnika lub wykonania.

Dla układu napędowego:

  • Charakterystyka silnika uzyskana z badań stanowiskowych lub drogowych.
  • Charakterystyki trakcyjne i oporów ruchu wyznaczone w badaniach drogowych.
  • Dla układu jezdnego każdego z kół:

    ·         Zmiana sztywności zawieszenia.

    ·         Zmiana efektywności tłumienia (sprawność amortyzatorów).

    ·         Kąt zbieżności koła.

    ·         Przesunięcie punktu mocowania koła (deformacje powypadkowe lub celowe modyfikacje zawieszenia).

    ·         Opory ruchu obrotowego koła.

    ·         Zastosowane ogumienie.

    ·         Ciśnienie w ogumieniu.

    ·         Sprawność hamulca.

Możliwość  zmiany charakterystyki zewnętrznej silnika z opisanej regułą Hahna na interpolowaną charakterystykę zewnętrzną silnika uzyskaną podczas prób drogowych lub wprowadzenie charakterystyki zewnętrznej silnika w sposób graficzny.

Oprócz typowych pojazdów program zapewnia modelowanie zachowania pojazdów wieloczłonowych lub zespołów pojazdów. Wprowadzone do programu parametry sprzęgów pozwalają automatycznie symulować zachowanie się takich pojazdów, jak ciągnik siodłowy z naczepą lub samochód z przyczepą z osią centralną (niekierowaną). Ponadto, modyfikując parametry sprzęgu użytkownik ma możliwość symulacji innych układów, jak np. samochód ciężarowy ciągnący przyczepę z osią kierowaną lub autobus przegubowy.

Obiekty kinematyczne

Program posiada rozbudowaną bazę obiektów kinematycznych, reprezentujących przede wszystkim pieszych, motocyklistów, rowerzystów, zwierzęta oraz niektóre obiekty szynowe (np. tramwaj) lub specjalne (np. kombajn zbożowy). Dla każdego z nich możliwe jest indywidualne określenie toru ruchu, zmiana prędkości, przyśpieszenie/opóźnienie, zmiana kierunku oraz obrót.

Analiza zderzeń

Przebieg zderzenia oraz jego konsekwencje analizowane są w przestrzeni trójwymiarowej (3D) z możliwością modelowania zderzenia szorstkiego z poślizgiem lub bez.
Dostępne są dwa modele analizy zderzeń:

  • Model siłowy (ciągły), w którym siły działające pomiędzy uczestnikami zderzenia rozwijają się w sposób ciągły od pierwszego kontaktu nadwozi do ostatecznego ich rozdzielenia.
  • Klasyczny, impulsowy model zderzenia (Kudlicha – Slibara), w którym wymiana impulsów siły pomiędzy uczestnikami zderzenia odbywa się w jednej, wybranej chwili czasu.

Dodatkowymi efektami zderzenia mogą być zmiany (uszkodzenia) w zespołach konstrukcyjnych pojazdu np. zakleszczenie, przemieszczenie koła lub spadek w nim ciśnienia. Użytkownik ma możliwość dodania zadań symulujących zaprzestanie aktywnych działań przez kierowcę np. hamowanie, skręt. 

Przebiegi czasowe zmiany parametrów związanych z pojazdami uczestniczącymi w symulacji mogą być prezentowane w postaci wykresów. Dane z wykresów lub same wykresy mogą zostać przeniesione do innych programów w celu wykonania złożonych zestawień danych, dalszego formatowania czy wydruku.

W trakcie analizy zderzenia program pokazuje kierunki i wartości przyspieszeń bezwładności działających w trakcie zderzenia na pasażerów pojazdów biorących udział w zderzeniu. Informacje te można skonfrontować z opisem obrażeń doznanych przez uczestników rzeczywistego wypadku.
W przypadku przeszkód terenowych program umożliwia zadanie granicznej siły, po  której przekroczeniu w trakcie zderzenia następuje poddanie się i ustąpienie przeszkody. Umożliwia to łatwe modelowanie zderzeń z lekkimi przeszkodami typu słupek znaku drogowego lub wąskie drzewo.

Program  umożliwia określenie w pełni trójwymiarowego rozmieszczenia pasażerów we wnętrzu analizowanego pojazdu. Rozmieszczenie pasażerów, oprócz wpływu na parametry masowe pojazdu, daje możliwość analizy kierunku i wartości przyspieszeń działających na pasażerów w trakcie ruchu i zderzeń pojazdów. Uzyskane w ten sposób informacje można skonfrontować z rzeczywistymi obrażeniami odniesionymi przez pasażerów pojazdu weryfikując przebieg zderzenia lub miejsca zajmowane przez pasażerów w jego trakcie.

Podobnie jak dla pasażerów, w programie możliwe jest określenie w pełni trójwymiarowego rozmieszczenia ładunku we wnętrzu analizowanego pojazdu. Na podstawie rozmieszczenia ładunku i pasażerów oraz ich parametrów masowych program automatycznie wylicza położenie wypadkowego środka masy i wypadkowych momentów bezwładności symulowanego pojazdu.

Modele

Program V-SIM wyposażony jest w rozbudowane modele pojazdu i kierowcy.

Analiza ruchu pojazdów samochodowych odbywa się według zasad dynamiki w przestrzeni trójwymiarowej (3D). W analizie dynamiki ruchu uwzględniane są także momenty bezwładności poszczególnych kół oraz elementów zespołu napędowego. Łącznie, przy analizowaniu ruchu typowego, 4-kołowego pojazdu, uwzględnianych jest 10 stopni swobody.
Model symulowanego pojazdu uwzględnia następujące elementy:

  • Rozkład masy – pustego pojazdu, ładunków, pasażerów.
  • Zawieszenie – niezależnie dla każdego koła.
  • Koło ogumione – zaawansowane, nieliniowe modele HSRI (Dugoff) lub TMeasy (RiII).
  • Układ hamulcowy – rozbudowany, z korektorem sił i układem ABS oraz definiowalnym stopniem niesprawności układu.
  • Silnik – o zadanej parametrycznie charakterystyce odpowiadającej rzeczywistym osiągom.
  • Układ przeniesienia napędu – sprzęgło, skrzynia biegów, przekładnia główna, mechanizm różnicowy.
  • Sprzęgi – symulacje dla pojazdów członowych, ciągników siodłowych z naczepami i samochodów z przyczepami z osią centralną. Automatyczna analiza zderzeń pomiędzy członami tego samego pojazdu.
  • Opór aerodynamiczny nadwozia – czołowy i boczny.
Model kierującego pojazdem potrafi tak sterować kołem kierownicy, aby pojazd podążał po wyznaczonym przez użytkownika torze ruchu. Symulowany przez program kierowca może mieć zadany przez użytkownika stopień sprawności. Model kierowcy wykorzystywany jest w następujących zadaniach:

  • podążanie zadanym torem ruchu,
  • zmiana pasa ruchu.
    Ponadto program posiada wbudowane regulatory PID umożliwiające na życzenie użytkownika utrzymanie stałej prędkości jazdy, stałej wartości opóźnienia podczas hamowania lub stałej wartości przyśpieszenia podczas przyspieszenia.
  • Optymalizator

    Funkcja służy do automatycznego ustalenia wartości nieznanych parametrów wejściowych symulacji. Wykorzystuje metodę prób i błędów, ale działa w sposób zautomatyzowany i znacznie szybszy niż manualne prowadzenie symulacji. Poszukiwane mogą być nieznane parametry, w tym: parametry początkowe ruchu obiektów, parametry określające moment wystąpienia zadania w trakcie jego ruchu, wielkości określające poszczególne zadania, parametry zderzeń oraz wybrane parametry środowiska ruchu.

    Możliwość poszukiwania tylko wybranego podzbioru parametrów:

    • położenie początkowe pojazdu (X, Y, Z),
    • orientacja początkowa pojazdu (3 kąty – φ, θ, ψ),
    • liniowa prędkość początkowa pojazdu (Vx, Vy, Vz),
    • kątowa prędkość początkowa pojazdu (ωX, ωY, ωZ),
    • czas wystąpienia wybranego zdarzenia w trakcie ruchu,
    • droga po której przebyciu dochodzi do dowolnego zdarzenia w trakcie ruchu,
    • parametry zadania hamowanie (nacisk na pedał hamulca, czas narastania itd.),
    • parametry zadania skręt (kąt obrotu kierownicy, prędkość kątowa obrotu kierownicy),
    • parametry obciążenia wiatrem realizowane poprzez  globalne parametry środowiska,
    • tangens kąta tarcia i współczynnik restytucji w parametrach zderzeń impulsowych oraz siłowych.

    Symulacja

    Symulacja polega na wyliczaniu przez program kolejnych stadiów ruchu symulowanych obiektów na podstawie stanu aktualnego i założonych zadań, które mają być wykonywane w trakcie ruchu. Program równolegle wylicza następne stany ruchu i pokazuje kolejne stany obiektów. Symulacja może postępować w sposób ciągły, płynny lub może być wykonywana w sposób skokowy umożliwiając użytkownikowi dokładną obserwację obiektów w kolejnych stadiach ruchu. Raz wyliczony przebieg symulacji może być następnie odtwarzany w przód lub wstecz również w sposób płynny lub skokowy.

    Po zakończeniu przeprowadzonej symulacji lub w trakcie przerw w jej wykonywaniu można modyfikować elementy środowiska lub same obiekty symulacji. Jeżeli jednak zostanie zmieniony  jakikolwiek parametr, który może mieć wpływ na warunki początkowe symulacji lub jej przebieg – dotychczas wykonany przebieg symulacji uznany zostanie za niewiarygodny. Symulacja będzie musiała wtedy  zostać cofnięta do stanu początkowego z odrzuceniem dotychczas wyliczonego przebiegu.

    Aby rozpocząć symulację należy szczegółowo ustalić  wszystkie parametry początkowe ruchu każdego z obiektów symulacji. Większość z nich program potrafi wyliczyć automatycznie przyjmując typowe warunki początkowe ruchu obiektu oraz lokalne warunki środowiska, w którym znajduje się pojazd oraz pozostałe parametry początkowe. W większości przypadków, wystarczy wskazać położenie obiektu na płaszczyźnie X-Y i wprowadzić prędkość początkową.

    Niezależnie od wprowadzania wartości liczbowych, położenie początkowe obiektów może być także modyfikowane graficznie, za pomocą myszy. Zmiany można wprowadzać nie tylko przed rozpoczęciem symulacji, ale także w dowolnym momencie ruchu obiektu. Za pomocą tego mechanizmu można np. w łatwy sposób doprowadzić do zderzenia pojazdów w określonym miejscu bez przeprowadzania wielu powtórzeń metodą prób i błędów.
    Na życzenie użytkownika dowolny stan zaawansowania przebiegu symulacji może być potraktowany jako stan początkowy, a wcześniejszy przebieg ruchu obiektów pominięty. 

    Obiektom symulacji można zadawać różne zadania, które będą przez nie wykonywane w trakcie jej przebiegu. Dla pojazdów samochodowych mogą to być:

    Manewry wykonywane przez kierowcę:

    • podążanie zadanym torem ruchu,
    • zmiana pasa ruchu,
    • przyspieszanie,
    • skręt kierownicą,
    •  zmiana biegu,
    • hamowanie hamulcem zasadniczym lub pomocniczym,
    • utrzymywanie stałej prędkości jazdy.

    Awarie, które mogą wystąpić w trakcie jazdy:

    • zakleszczenie koła,
    • spadek ciśnienia w oponie,
    •  zadanie zaprzestania dalszej symulacji umożliwiające zatrzymanie dalszej analizy ruchu pojazdu w wybranym momencie.

    Poszczególne zadania mogą być wywoływane po przebyciu przez obiekt wybranego odcinka drogi, w momencie upłynięcia określonego czasu symulacji lub w trakcie któregoś z kolejnych zderzeń. Jednocześnie może być wykonywanych wiele, niekolidujących ze sobą zadań.

    Program posiada wbudowaną bibliotekę kilkudziesięciu typowych sylwetek pojazdów dwu- i trójwymiarowych, które mogą być wykorzystane przy przedstawianiu aktualnego położenia symulowanych pojazdów.
    W momencie wstawienia nowego pojazdu lub jego edycji program automatycznie modyfikuje wybraną sylwetkę uniwersalną rozciągając jej rozmiar do zadanego rozmiaru pojazdu uwzględniając wystające poza rozmiar katalogowy elementy, takie jak np. lusterka oraz wycina w nadwoziu nadkola w miejscach, gdzie znajdują się koła rzeczywistego pojazdu. Wbudowane sylwetki 3D pojazdów posiadają szereg elementów, które przedstawiane są przez program w indywidualny dla siebie sposób. 

    Symulacja może być wykonywana w sposób ciągły lub w trybie krok po kroku. Długość kroku może być zmieniana przez użytkownika w zakresie od 100 µs do 1 ms. Pozwala to dostosować odpowiedni krok w zależności od stopnia skomplikowania zadania i wydajności komputera, na którym wykonywana jest symulacja. Program automatycznie zmienia krok symulacji na bardziej precyzyjny przy analizie zderzenia w trybie manualnym. 

    Przebieg symulacji jest na bieżąco rejestrowany i może być ona później płynnie odtwarzana do przodu lub do tyłu z zadaną prędkością lub w trybie krok po kroku. Można również powrócić do dowolnie wybranego momentu wyliczonej symulacji. 

    Program posiada specjalny suwak umożliwiający szybkie odtworzenie wybranego punktu symulacji, a także płynną animację wybranego fragmentu.

    Program może pokazywać dotychczas pokonany tor ruchu obiektu (środka jego masy) oraz w przypadku pojazdów samochodowych, tory pokonane przez poszczególne koła pojazdu oraz ślady pozostawione na nawierzchni w wyniku (niezależnie) zablokowania lub znoszenia opon. 
    Oprócz przedstawiania aktualnej pozycji obiektu, wynikającej z aktualnego stopnia zaawansowania przebiegu symulacji, program pozwala wyświetlać także pośrednie sylwetki obiektu w pozycjach, w których znajdował się on w trakcie swojego ruchu. Sylwetki te mogą być rozmieszczone równomiernie względem upływającego czasu lub/i wyświetlane w wybranych przez użytkownika, charakterystycznych momentach jego ruchu, np. w momencie kolizji z pojazdem lub w miejscu nawiązania kontaktu wzrokowego.

    Możliwość wyświetlania aktualnego zestawienia szczegółowych danych numerycznych opisujących stan poszczególnych obiektów. Zestawienia tych danych zorganizowane są jako niemodalne okna dialogowe, które mogą być przez cały czas wyświetlone w trakcie przeprowadzania symulacji.

    Program pokazuje wykresy zmian parametrów wskazanych spośród kilkudziesięciu dostępnych dla każdego z pojazdów uczestniczących w symulacji. 
    Dane z tych wykresów lub same wykresy mogą być przeniesione za pomocą Schowka do innych programów pracujących w środowisku Windows, gdzie można sporządzić  bardziej złożone zestawienia danych.

    Program posiada mechanizm umożliwiający automatyczne utworzenie raportu opisującego przeprowadzoną symulację ruchu. Raport ten zawiera informacje o przyjętych założeniach symulacji, poszczególnych obiektach w niej uczestniczących, przebiegi samej symulacji i występujących w jej trakcie zderzeń, a także informacje o aktualnym (końcowym) stanie symulacji. 
    Użytkownik ma możliwość szczegółowego ustalenia, jakie informacje znajdą się w tworzonym raporcie, a także możliwość podglądu gotowego raportu. Utworzony w ten sposób raport może być bezpośrednio wydrukowany, zapisany do pliku lub przeniesiony przez Schowek do edytora tekstu, gdzie może być poddany dalszej odróbce.

    Wizualizacja 3D

    Program oferuje podgląd środowiska ruchu oraz przebiegu symulacji w trybie 3D. Jako obiekty 3D przedstawiane są sylwetki pojazdów oraz obiekty kinematyczne (z sylwetkami pośrednimi, śladami kół oraz torami ruchu), przeszkody terenowe, pionowe znaki drogowe oraz rzeźba terenu. Pozostałe elementy szkicu przedstawiane są jako tekstury nałożone w niektórych miejscach wielowarstwowo na aktualna rzeźbę terenu. Niezależnie od opisanego trybu 3D V-SIM 4.0 oferuje tradycyjne, 2-wymiarowe środowisko, w którym odbywa się projektowanie symulacji.

    Użytkownik ma możliwość zdefiniowania listy punktów obserwacji (kamer), z punktu widzenia których pokazywana jest scena 3D oraz swobodnego przełączania się pomiędzy nimi. W momencie włączenia trybu 3D program automatycznie dobiera taki punkt obserwacji, aby widziany obszar odpowiadał poprzednio obserwowanemu fragmentowi w 2D ale widzianemu z pewnej perspektywy. Użytkownik może modyfikować położenie i orientację punktu obserwacji interaktywnie za pomocą myszy lub klawiatury, czyli poruszać się wraz z nią w przedstawianym świecie 3D. Może również edytować parametry punktu obserwacji podając wartości numeryczne ustawiając statyczne punkty obserwacji w najbardziej interesujących punktach środowiska. Scenę 3D można jednocześnie oglądać z wielu punktów obserwacji w wielu oknach, niezależnie od podglądu w trybie 2D.

    Interfejs programu został tak przemyślany, że rozplanowanie kompletnego środowiska umożliwiającego wizualizację w trybie 3D nie wymaga żadnego dodatkowego nakładu pracy ze strony użytkownika w stosunku do zaprojektowanego środowiska ruchu w trybie 2D. Przygotowanie wizualizacji 3D dzieje się niejako automatycznie przy okazji tworzenia środowiska ruchu wymaganego do przeprowadzenia symulacji. 
    Tworzony teren ma charakter ciągłej siatki z płynnymi przejściami pomiędzy zadawanymi przez użytkownika odcinkami dróg, skrzyżowaniami czy zadanymi nierównościami, a pozostałymi, nieokreślonymi stricte przez użytkownika fragmentami terenu. Tak powstały teren nie ma skokowych nieciągłości ani dziur o nieokreślonych parametrach, w kontakcie z którymi pojazd znajdowałby się w nieustalonym lub nieprawidłowym stanie.

    (+48)12 665 40 10

    biuro@cyborgidea.com.pl
    ul. Kuźnicy Kołłątajowskiej 15c
    lok. L2 / 31-234 Kraków

    CYBID © Wszelkie prawa zastrzeżone.