CC BY
31
БЕЗОПАСНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ
УДК 629.33.067
АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ПОДХОД К ТЕРМИНАЛЬНОМУ УПРАВЛЕНИЮ ДИСТАНЦИЕЙ МЕЖДУ АВТОМОБИЛЯМИ В УСЛОВИЯХ ПРОГНОЗИРУЕМОЙ УГРОЗЫ ДВИЖЕНИЮ
Р.М. Швец, адъюнкт, С.А. Осташевский, проф., к.т.н., Национальная академия Государственной пограничной службы Украины, г. Хмельницкий
Аннотация. Рассмотрен альтернативный подход к автоматическому управлению дистанцией между автомобилями в транспортном потоке (колонне) для информационно-индикаторной системы предупреждения столкновений.
Ключевые слова: система предупреждения столкновений автомобилей, транспортные средства, транспортный поток, дистанция безопасности.
АЛЬТЕРНАТИВНИЙ П1ДХ1Д ДО ТЕРМИНАЛЬНОГО КЕРУВАННЯ ДИСТАНЦИЮ М1Ж АВТОМОБ1ЛЯМИ В УМОВАХ ПРОГНОЗОВАНО1
НЕБЕЗПЕКИ РУХУ
Р.М. Швець, ад'юнкт, С.А. Осташевський, проф., к.т.н., Нацюнальна академия ДержавноТ прикордонноТ служби УкраТни, м. Хмельницький
Анотаця. Розглянуто альтернативний тдх1д до автоматичного керування дистанщею м1ж автомобилями у транспортному потоц (колот) для ШформацШно-тдикаторног системи по-передження зткнень.
Ключов1 слова: система попередження зткнень автомобмв, транспорты засоби, транс-портний потт, дистанция безпеки.
ALTERNATIVE APPROACH TO TERMINAL CONTROLLING THE DISTANCE BETWEEN VEHICLES IN CONDITIONS OF PREDICTABLE TRAFFIC
COLLISION
R. Shvets, Adj., S. Ostashevskyi, Prof., Ph. D. (Eng.), National Academy of State Border Service of Ukraine, Khmelnytskyi
Abstract. An alternative approach to automatic controlling the distance between vehicles in a transport flow for the information - indicator system of collision warning is considered.
Key words: car collision warning system, vehicle, traffic flow, safe distance.
Введение
Проведённые теоретические исследования, а также анализ научных трудов отечественных и зарубежных учёных показал, что в основе критерия функционирования системы предупреждения столкновений автомобилей
(СПСА) лежит дистанция безопасности до препятствия, при нарушении которой должно быть начато торможение [1]. Научные исследования, проводимые в МАДИ под руководством А.А. Юрчевского [2], показали, что торможение должно осуществляться с замедлением, реализация которого возможна
на данной скорости движения при реально существующем сцеплении шин с дорожным покрытием, обеспечивающим остановку управляемого автомобиля без опасности столкновения с препятствием.
Анализ публикаций
Проведенный анализ публикаций, посвященных автомобильным системам предупреждения столкновений автомобилей, показал, что все они носят чисто рекламный характер, направленный на удовлетворение потребительских интересов как автопроизводителей, так и отдельных физических лиц. Материалы, которые публикуются, раскрывают возможности применения указанных систем и лишь некоторые их технические характеристики [3, 4].
К сожалению, нигде не рассматриваются принципы построения, схемные решения и элементная база, обеспечивающая реализацию автомобильных систем предупреждения столкновений автомобилей, а именно что касается систем предупреждения столкновений автомобилей и их быстрого маневрирования и передвижения в составе колонны.
Цель и постановка задачи
Целью работы является формирование методики реализации закона управления дистанцией между автомобилями в транспортном потоке.
Методика формирования закона управления дистанцией между автомобилями
Для установления закономерностей при решении задачи сближения с препятствием рассматривают движение автомобилей относительно системы координат (скорость - V, путь - S, рис. 1).
Задача управления конечным состоянием движущегося автомобиля формулируется следующим образом: необходимо перевести автомобиль из точки с координатой Ян2 в точку с координатой Як2 так, чтобы его скорость V в момент прибытия приняла определённое значение, равное скорости VI лидирующего автомобиля, и при этом дистанция между автомобилями была бы
равна Яб = Ябк(Ук) .
Поскольку время процесса не устанавливается, он оценивается как разомкнутый по времени процесс сближения.
Заметим также, что нецелесообразно требовать выполнения условия прибытия автомобиля именно в точку Як2 . Ведь прежде всего необходимо обеспечить Яб на конечной скорости движения. Поэтому сузим задачу, потребовав в конечном состоянии выполнения условий (Ябк;^). Поскольку Ябк = f (Ук), а значение Ук в случае служебного торможения лидера априорно неизвестно, то управление процессом торможения осуществляют, лишь обеспечив такое текущее замедление второго автомобиля, чтобы выполнить условие Яб = Яб (V) . При этом остановка управляемого автомобиля должна быть произведена перед лидирующим автомобилем, на некотором расстоянии С, которое назовём запасом безопасной дистанции (рис. 2).
Рис. 1. Схема восстановления условия безопасности во время движения автомобилей друг за другом
Рис. 2. Схема восстановления условия безопасности при полной остановке лидирующего автомобиля
Задача сводится к отысканию такой безопасной дистанции между автомобилями, движущимися со скоростью V (Яб = Ян1 - Ян2 ) , чтобы в конце торможения между ними была обеспечена разность конечных координат
Як1 - Як2 = С.
Конечная координата в конце торможения для первого автомобиля [1, 3] будет
5к1 - 5,1 + ]1тах 2 .
При ручном управлении торможение второго автомобиля начинается с некоторым запаздыванием, определяемым временем реакции водителя, которое складывается из латентного tл и моторного tм времени. Для автоматической системы tл эквивалентно времени распознания сближения с препятствием и переработки информации в электронных блоках, а tм эквивалентно времени срабатывания механизма привода тормоза
Т р = ( ^ + 'м ) .
Поскольку торможение второго автомобиля начинается с запаздыванием на время реакции автоматической системы т , то его конечная координата определяется как
2
5к2 = 5н2 + УнТр + 0,5]2тах( .
Заменяя в приведённых уравнениях время ( на (Ун - Ук ) / ], получим
или в общем виде
5к1 = 5н2 +
5к2 = 5н2 + р +
(Ун - Ук )2
2 Лтах '
(Ун - Ук )2
2 у
2 тах
Вычитая из первого уравнения второе и заменяя разность начальных координат на 5б после соответствующих дополнительных преобразований, получим
5б = 52 - 5Я + У2Тр + С.
(3)
Расчёт 5б, по крайней мере для двух состояний дорожного покрытия - сухого и мокрого, выполняется заранее. Данные по
5б = 1(Фхм ) и 5б = 1(Фхс ) вводятся в бортовой вычислитель системы управления индивидуально для каждого типа автомобиля. Для уточнённых расчётов величины 5б в бортовом компьютере автомобиля целесообразно вводить данные по коэффициенту сцепления фх с учётом его изменения в функции скорости движения [1].
Эти выражения не удобны для расчёта в бортовом компьютере автомобиля, поскольку необходимо иметь в памяти матрицы данных фх для сухого и мокрого дорожного покрытия. Поэтому чаще используются экспериментальные данные по 5б. Графики зависимости тормозного пути 5б от скорости движения аппроксимируются полиномом вида
5 = ^Г С Уп]
б ^пу а '
5бк = УкТ р + С
(1)
п=0
где Сп]- - эмпирические коэффициенты; п -
показатель степени (целое положительное число); т - количество элементов.
Таким образом, для расчёта 51 в бортовом вычислителе достаточен один входной параметр - скорость движения. Определение 5б производится по формуле (3).
Для сухого дорожного цементно-бетонного покрытия
При практической реализации автоматизированной системы управления полагают, что лидирующий автомобиль может развивать замедление в П] > 1 раз большее, чем следующий за ним автомобиль ]1тах = П] ]2тах;
следовательно, для разных начальных скоростей торможения можем записать
5б =
П]У22-У12
2^Ф х
+У2Т р +С;
(2)
5б (У1; У2; Фхс) = П] (-0,0533У2 + 0,0736У22 + +0,004У23) + (0,0533У1 - 0,0736У12 --0,004У13) + У2т р + с. (4)
Для мокрого такого же дорожного покрытия
5б (У1; Уг;Фхм) = П] (0,214У2 + 0,0038У22 + +0,0104У23 - 0,00013У24) - (0,214У1 - 0,003 8^2 -0,0104У13 - 0,00013У4) - У2т + с. (5)
2
Для определения возможности реализации Яб необходимо найти значение величины J2n достигаемого замедления автомобиля. Учитывая, что при движении автомобиль получает внешние возмущения, а на величину замедления влияет состояние атмосферы и продольный профиль дороги, при отработке команд управления необходимо введение обратных связей, корректирующих закон управления.
Поскольку
Ябн = Яб ( ^н ) = Ян1 Ян2 ;
ДЯб = Ябн - Ябк = Яб2 (^2н) - Яб2 (У\),
можем записать
АЯб =
_(У2н - V1 )2
2 ]2
Автоматически управляемый автомобиль осуществляет преследование лидера и движется со скоростью V > У1. Сближение второго автомобиля с лидером до дистанции Яб = Яб (у2) = Ябн потребует начала торможения этого автомобиля с некоторым замедлением ]2, чтобы в конце сближения, т.е. при V = V, было обеспечено выполнение условия Яб = Яб (V ) = Ябк (Ябн и Ябк - соответственно начальная и конечная дистанции безопасности).
Время переходного процесса сближения определится по известной формуле
откуда
t =
]2
]2
Конечные координаты обоих автомобилей соответственно будут
Яи = Ян1 +
Як 2 = Ян2 + V2нt - 0,5 ]2, откуда
К - V!2 )
Як 2 = Ян2 +
2 ]2
или
2 ( Як 2 Ян2 )
= (V2н - V ) ]2 = t .
^2н_ + Vl) Конечная дистанция безопасности
Ябк = Як1 Як2
или
Ябк =
Я 2 +
Я + 2У ( Як2 - Я 2 ) Я1 + V + V)
V - V2)" 2 ]2
? = (^н - V )2 = ]2 =
V2
2АЯб 2 [ Яб2 ^ )- Яб2 (V )]'
(7)
т.е. необходимое замедление автомобиля прямо пропорционально квадрату относительной скорости и обратно пропорционально прогнозируемому изменению безопасной дистанции АЯб .
Отметим, что в конечной точке, когда скорости автомобилей равны и дистанция Ябк достигла необходимой величины, замедление отсутствует.
Если ]2 = 0, то возникает неопределённость в расчёте. Устранение неопределённости осуществляют, считая, что задача выполнена несколько раньше, чем автомобиль приходит в конечную точку.
После достижения знаменателем некоторого малого значения АЯб = АЯбт1П прекращается подача управляющего сигнала на замедление. То же осуществляют и для числителя, который достигает Уоm = ^отт1П раньше, чем знаменатель, поскольку снижение Vоm идёт по квадратичному закону. Отклонение другой координаты от заданного значения будет составлять ошибку в управлении.
Закон управления замедлением по существу предусматривает программное замедление, которое должно быть обеспечено исполнительными механизмами после выдачи командных сигналов и оставаться постоянным на всём пути торможения.
Реально автомобиль не может отработать программируемое по формуле (7) замедление, поскольку при математическом расчёте
предусматривается мгновенный выход автомобиля на заданное замедление. Снижение же скорости автомобиля начинается от момента начала работы фрикционной пары тормозного механизма. Этот этап процесса протекает в две фазы [6]. Первая фаза -нарастание замедления до установившейся величины. Вторая фаза - движение с установившимся замедлением. Таким образом, дистанция безопасности, при которой сформировано требование к величине ]2н, будет нарушена.
Бортовой компьютер должен формировать данные о ]2н , исходя из реальных возможностей автомобиля, который и предъявляет требования к тому, какой должна быть СПСА.
Чтобы исключить нарушение дистанции безопасности при реально существующем запаздывании в отработке команд управления, замедление автомобиля ]2н должно быть больше замедления, определяемого по формуле (7). Величина превышения отрабатываемого замедления над расчётным по формуле (7) замедлением зависит от степени Л5б2 нарушения дистанции безопасности.
Это нарушение определяется как разность между действительной дистанцией 5д , измеряемой локатором, и расчётной дистанцией 5б2, зависящей от текущей скорости движения автомобиля, управляемого СПСА,
Л5б2 = 5б2 (У2)- 5д. По существу А5б2 представляет собой положительную обратную связь по отработке текущей дистанции безопасности на любой скорости движения при её изменении от У2 до У1 .
Расчётное уравнение для ]2н, с учётом обратной связи по текущей дистанции безопасности, имеет вид
V " V )
2
72н=2 [ s^2 (V2)-S61 (V)] +w [ S62 (v)-S6 ],
+
(8)
где W - коэффициент, отражающий величину дополнительного замедления на каждый метр нарушения дистанции безопасности
(с"2).
Таким образом, значение ^н, полученное по формуле (8), даст возможность оценить реальность угрозы нарушения дистанции безопасности между автомобилями при реально существующем запаздывании реакции системы.
Выводы
Для реализации обозначенного закона управления дистанцией между автомобилями в автоматическом режиме необходимы соответствующие исполнительные органы. Замедление, в зависимости от требуемой интенсивности, может осуществляться несколькими способами: уменьшением подачи топлива, применением рабочей тормозной системы, применением вспомогательной тормозной системы, применением горного тормоза-замедлителя, а также комбинацией всех указанных способов в различном сочетании.
Однако вышеуказанные системы машин не адаптированы к автоматизированному управлению. Только водитель наделён возможностью производить управленческие действия, реагируя на режимы и направление движения.
Поэтому необходимо, в соответствии с рассмотренной методикой формирования закона управления дистанцией между автомобилями в транспортном потоке (колонне), разработать алгоритм определения величины безопасной дистанции для информационно-индикаторной системы предупреждения столкновений. Непосредственное же управление дистанцией между автомобилями возлагается на водителя, который действует в соответствии с рекомендациями СПСА.
Литература
1. Юрчевский А.А. Синтез систем предотвращения столкновений автомобилей (теория, эксперимент, реализация): дисс. ... докт. техн. наук / А.А. Юрчевский. -М.: МАДИ, 1984. - 408 с.
2. Юрчевский А.А. Новое в обеспечении безопасности дорожного движения на основе систем предотвращения столкновений автомобилей. Экологические проблемы / А.А. Юрчевский. - М.: Научные труды НИИ энергоэкологических проблем автотранспортного ком-
плекса Московского государственного автомобильно-дорожного института (технического университета), 1997. -С.143-151.
3. Информационный интернет-проект «Безопасный автомобиль» / Безопасный автомобиль: интернет-журнал. - Режим доступа к журналу: http://safety-car.info.
4. Применение радарных датчиков в автомобиле / М. Парнес // Компоненты и технологии. - 2008. - №1. - С. 41-44. -Режим доступа к журналу: www.kit-e.ru /assets/files/pdf/ 2008_01_41.pdf.
5. Юрчевский А.А. Определение безопасной дистанции между автомобилями для системы автоматического предотвращения столкновений / А.А. Юрчевский, Б.Ф. Еникеев; М-во автомобильной промышленности СССР. - М., 1986. -
26 с. — Деп. в НИИН автопроме 06.06.86, № 1374.
6. Автотранспортш засоби. Гальмiвнi си-стеми. Термши та визначення. Тормозные системы автотранспортных средств. Термины и определения: ДСТУ 2919-94. — Чинний вщ 1996-01-01. — К.: Держ-споживстандарт Украши, 1994. — 26 с.
Рецензент: О.В. Степанов, доцент, к.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 16 ноября 2015 г.
