CC BY
34
Концепция создания полнофункциональных систем активной
безопасности автомобиля
Бузников С.Е. Елкин Д. С.
Кафедра «Управление и информатика в технических системах» Московский институт электроники и математики.
Проблема безопасности движения автомобильного транспорта является одной из острейших глобальных проблем современного общества и затрагивает интересы практически всех жителей нашей планеты.
Ключом к понимаю проблемы и определению наиболее эффективных способов ее решения является системный анализ условий столкновений объекта с препятствиями.
Анализ условий столкновений показывает, что в общем случае задача
и и т-\
предотвращения столкновений является алгоритмически неразрешимой. В обыденном смысле это означает, что неукоснительное соблюдение правил дорожного движения водителем и полная исправность его автомобиля не являются гарантией безопасности на дороге. Достаточным условием предотвращения столкновений является соблюдение правил движения и техническая исправность транспортных средств всех участников движения.
Множество типовых столкновений, обусловленных ошибками управления и техническими неисправностями управляемого автомобиля строиться в пространстве дискретных переменных: скорости препятствия, ускорения управляемого объекта и непрогнозируемого изменения направления движения управляемого объекта.
Анализ множества типовых столкновений показывает, что наиболее перспективным направлением решения проблемы, развиваемым ведущими фирмами- производителями автомобилей, является создание различных систем активной безопасности [2] и оснащение ими всего автомобильного парка. Перспективность полнофункциональных систем активной безопасности объясняется тем, что их применение потенциально позволяет предотвратить все 100 типовых столкновений из 100 возможных, в то время как строительство дорог магистрального типа позволяет предотвратить лишь 60 из 100 типовых столкновений.
Математический анализ динамики автомобильных пробок показывает, что использование полнофункциональных систем активной безопасности является
одним из факторов снижения остроты проблемы автомобильных пробок в больших городах.
Известно, что в число основных причин, приводящих к созданию автомобильных пробок, входят неоптимальное управление транспортными потоками, проведение дорожных работ, дорожно-транспортные происшествия и вынужденные остановки транспорта на полосах движения.
Так, вынужденная остановка автомобиля на одной из двух полос движения сопровождается снижением пропускной способности дороги более, чем в два раза. Снижение частоты ДТП и вынужденных остановок до нулевой отметки оказывается эквивалентным строительству еще одной параллельной магистрали с
и и и /—^ с»
пропускной способностью, равной исходной. С другой стороны, как показывает опыт, строительство магистралей типа третьего транспортного кольца в Москве не решает проблемы автомобильных пробок, даже в отсутствие светофоров и дорожно-ремонтных работ. Это объясняется тем, что пропускная способность магистралей весьма чувствительна к действию дестабилизирующих факторов, таких как ДТП и вынужденные остановки транспорта.
Сложность проблемы предотвращения столкновений в научном аспекте определяется тем, что с позиций современной теории управления, автомобиль, как объект управления, характеризуемый вектором переменных состояния, является не полностью наблюдаемым и не полностью управляемым в движении, а задача предотвращения столкновений в общем случае относится к алгоритмически неразрешимым из-за непрогнозируемых изменений направления движения препятствий.
Это обстоятельство создает практически непреодолимые трудности при построении полнофункциональных автопилотов для автомобилей не только в настоящем, но и в обозримом будущем.
Кроме того, решение задачи динамической стабилизации координат состояния, к которой сводиться задача предотвращения столкновений в ее наиболее полной алгоритмически разрешимой постановке, характеризуется как неопределенностью большинства динамических границ переменных состояния, так и их возможными перекрытиями.
Сложность проблемы предотвращения столкновений в техническом аспекте определяется отсутствием в мировой практике подавляющего большинства датчиков первичной информации [3], необходимых для измерения координат состояния и их динамических границ, а применение существующих ограничивается их высокой стоимостью, тяжелыми условиями эксплуатации, высоким энергопотреблением, низкой помехозащищенностью и трудностями размещения на автомобиле.
Сложность проблемы предотвращения столкновений в экономическом аспекте определяется тем, что для придания статуса алгоритмической разрешимости задаче предотвращения столкновений необходимо оснащение полнофункциональными системами активной безопасности всего автопарка, включая старые автомобили низших ценовых категорий. Учитывая, что стоимость ядра аппаратных средств, включая датчики и исполнительные устройства, наиболее распространенных зарубежных систем стабилизации продольных и поперечных скольжений колес ^BS,ASR, ESP и VCS) и стабилизации безопасных дистанций (distronic) превышает не одну тысячу долларов, возможность оснащения ими действующего парка автомобилей представляется весьма проблематичной. Отметим, что число предотвращаемых типовых столкновений этими системами не превышает 22 из 100.
Как показывают результаты исследования проблемы, ее решение [3] лежит в области интеллектуальных систем, которые строятся на принципах косвенных измерений всех переменных состояния и их динамических границ в минимально возможной конфигурации датчиков первичной информации.
Разработанная в России компьютерная система активной безопасности ИНКА-СПОРТ позволяет определять ошибки управления и опасные неисправности автомобиля и предотвращать столкновения с препятствиями за счет управляющих воздействий на органы управления, формируемых водителем.
Принцип действия системы ИНКА-СПОРТ основан на решении в реальном времени задачи динамической стабилизации [6] координат состояния автомобиля, к которой сводится задача предотвращения столкновений в ее наиболее общей алгоритмически разрешимой постановке.
Динамические границы координат состояния определяются из достаточных условий предотвращения типовых столкновений структурированного множества, а собственные значения координат состояния определяется путем косвенных измерений с использованием оригинальных математических моделей объекта и алгоритмов решения некорректных задач.
Оценки других переменных состояния автомобиля также определяются из
и и и 1 и и
решений соответствующих уравнений косвенных измерений как функций скоростей вращения колес.
При допущении о том, что определенные группы типовых столкновений возможны лишь в случаях бессознательного состояния водителя, условия их предотвращения сводятся к обнаружению этих состояний и формированию пробуждающих воздействий до тех пор, пока состояние водителя не измениться. К числу таких типовых столкновений относятся:
• столкновения со встречными препятствиями на полосах встречного движения;
• столкновения с неподвижными и попутными препятствиями при неотрицательном ускорении управляемого автомобиля;
• столкновения с препятствиями из-за непрогнозируемого изменения направления движения.
Идентификация состояния водителя основана на эффекте снижения его двигательной активности в тех случаях, когда водитель засыпает за рулем. Для решения этой задачи используются оценки производных управляющих воздействий на акселератор, тормоза и коробку переключения передач.
В число предотвращаемых системой столкновений управляемого автомобиля входят столкновения, обусловленные следующими ошибками управления и техническими неисправностями автомобиля.
К рассматриваемым ошибкам управления относятся:
• ошибки выбора скорости движения на виражах, которые могут приводить к опрокидываниям или к непрогнозируемым изменениям направления движения из-за сноса передних или заноса задних колес автомобиля;
• ошибки выбора скорости движения в условиях ограниченной дальности обнаружения неподвижных препятствий;
• ошибки выбора скорости движения на скользких покрытиях, включая режим аквапланирования [1], которые могут приводить к непрогнозируемым изменениям направления движения из-за недопустимых пробуксовок ведущих колес, либо из-за потери управляемости передних колес;
• ошибки выбора скорости движения с колесом уменьшенного диаметра (докаткой), установленным в передней или задней паре колес, которые могут приводить к непрогнозируемым изменениям направления движения при торможении;
• ошибки выбора дистанции между попутными транспортными средствами, которые могут приводить к столкновениям с попутными транспортными средствами;
• ошибки выбора управляющих воздействий на дроссельную заслонку двигателя или тормозную систему, которые могут приводить к непрогнозируемым изменениям направления движения из-за недопустимых блокировок или пробуксовок колес при торможениях или разгонах;
• ошибки выбора скорости движения, превышающей скорость разрыва корда шины, которые могут приводить к непрогнозируемым изменениям направления движения.
К рассматриваемым техническим неисправностям автомобиля относятся:
• асимметрия колесных пар, возникающая в результате недопустимой разности давлений в парах шин передних или задних колес;
• разрушение шины в результате разрыва корда или проворачивания шины на ободе;
• отсоединение колес от ступиц в результате отворачивания крепежных соединений или разрушения подшипников;
• разрушение подвески или рулевого управления в результате недопустимых износов шарнирных соединений;
• снижение эффективности колесных тормозов в результате потери герметичности тормозной системой, загрязнения рабочих поверхностей тормозов или заклинивания поршней тормозных цилиндров;
• снижение сил трения скольжения колес, отслоение протектора и разрушение корда в результате превышения допустимой температуры перегрева шин;
• неисправности двигателя, сопровождающиеся снижением развиваемой мощности и приводящие к вынужденным остановкам;
• неисправности топливной системы или двигателя, сопровождающиеся увеличением расхода топлива и приводящие к вынужденным остановкам.
Своевременное обнаружение опасных состояний позволяет сформировать управляющие воздействия, препятствующие возникновению опасных состояний и предотвратить возможность столкновения с препятствиями.
В состав технических средств ИНКА-СПОРТ входят четыре датчика первичной информации индукционного типа, устанавливаемых на ободах колес и тормозных щитах, кабель связи и блок обработки информации, который содержит однокристальный компьютер, жидко-кристаллический индикатор (ЖКИ) с многорежимными клавишами управления.
Датчики устанавливаются на каждом колесе автомобиля, включая запасное. Датчики состоят из двух диаметрально расположенных постоянных магнитов, наклеиваемых внутри обода и индукционной катушки, устанавливаемой на тормозном щите при помощи специального кронштейна. Блок обработки и отображения информации ИНКА-СПОРТ устанавливается на приборной панели в удобном для водителя месте и подключается к бортовой сети автомобиля с помощью соединителя, устанавливаемого в гнезде прикуривателя. Датчики ИНКА-системы подключаются к блоку обработки и отображения информации по специальной схеме, что позволяет полностью подавить электромагнитные помехи от распределителя зажигания. Датчики не подвержены влиянию изменения температуры, загрязнений, влаги, вибраций и других факторов. Срок их службы практически не ограничен и не требуют технического обслуживания, настроек и регулировок.
В качестве физических переменных, характеризующих состояние автомобиля, которые определяются по значениям частот вращения колес, рассматриваются переменные, определяемые из достаточных условий предотвращения столкновений, обусловленных приведенными ошибками управления и техническими неисправностями.
Граничные значения физических переменных определяют уровни, соблюдение которых обуславливает безопасное состояние автомобиля.
ИНКА-система активной безопасности в базовой конфигурации предназначена для эксплуатации на легковых автомобилях зарубежного и российского производства без ограничений по моделям и году выпуска.
Установка ИНКА-системы активной безопасности на автомобиль не требует внесения изменений в конструкцию его агрегатов.
Для ИНКА-систем отсутствуют ограничения по типам шин, необходимости демонтажа и дополнительной балансировки колес, по сроку эксплуатации, что определяется использованием датчиков индукционного типа, проводной линии связи и схемы расположения магнитов на ободе колеса.
Идеология построения ИНКА- систем допускает наращивание функций косвенных измерений переменных состояния и их динамических границ программным путем без увеличения числа датчиков первичной информации, что обеспечивает как полную наблюдаемость и управляемость объекта в движении, так и решение задачи предотвращения столкновений в ее наиболее полной алгоритмически разрешимой постановке.
Литература
1. Бакфиш К., Хайнц Д., Новая книга о шинах. - М.: ООО «Издательство Астрель», 2003.- 303 с.
2. Бишоп Р., Дорф Р. Современные системы управления. Пер.с англ. Копылова Б.И. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2002 - 832 с.
3. Бузников С.Е. Принципы построения рекордных автомобильных систем активной безопасности. Труды XIV Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» - М.: Изд-во ИПУ РАН, 2006. - С. 506 -507.
4. Бузников С.Е. Современное состояние и перспективы развития автомобильных систем мониторинга давлений в шинах. Электронный журнал «Исследовано в России», 257, С. 2767-2776, 2004. Ьйр://2Ьигпа1.аре.ге1агп/ги/аг1:1с1е8/2004/257.рд£
5. Бузников С.Е., Елкин Д.С. Задача динамической стабилизации давлений в шинах. Электронный журнал «Исследовано в России», 013, С. 118127, 2007. ИПр/^Иигла!. аре.ге1агп. агйс1е8/2007/013.ра£
6. Бузников С.Е., Елкин Д.С. Система для предотвращения столкновений автомобиля с препятствиями «ИНКА-СПОРТ». Патент на полезную модель № 64794, опубликовано 10.07.2007 Бюл. № 19.
