CC BY
33
УДК 62.514.52 ББК 32.965-01
А.М. ШЕЛЕМЕТЬЕВ, Я.В. ШЕЛЕМЕТЬЕВА, А.В. СМИРНОВ
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОЛЕСНЫМ ТРАНСПОРТНЫМ СРЕДСТВОМ, ОСНОВАННОЙ НА РАЗНОСТИ СКОРОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ КОЛЕС
Ключевые слова: система рулевого управления, управляющее колесо, управляющий механизм.
Предложен способ управления колесным транспортным средством за счет задания определенных скоростей вращения управляющих колес без использования рулевого механизма. Разработан алгоритм определения скоростей вращения управляющих колес, учитывающий габаритные размеры транспортного средства и влияние хода подвески. Предложены структурная и функциональная схемы системы управления колесным транспортным средством.
В настоящее время одним из актуальных направлений исследований является повышение эффективности работы транспортных средств (далее -ТС). При этом одним из наиболее перспективных направлений развития ТС является развитие колесных ТС на электротяге вследствие их экологичности и высокого уровня КПД [7].
При управлении колесным ТС, как правило, возникает необходимость в принудительном изменении траектории его движения, для чего в конструкции ТС предполагается наличие соответствующей системы рулевого управления. В подавляющем большинстве случаев такая система изменяет угол поворота управляющих колес с помощью рулевого механизма за счет приложенного к нему внешнего усилия. В свою очередь, такой принцип управления приводит к необходимости использования кинематической связи рулевого механизма и рулевого привода, что усложняет конструкцию ТС [8].
На рис. 1 представлена типовая схема рулевого управления на примере четырехколесного ТС, состоящего из рулевого механизма и рулевого привода. Рулевым механизмом называют механизм, который позволяет осуществить поворот управляющих колес с необходимым передаточным числом, а рулевым приводом называют систему тяг и рычагов, которые в совокупности с рулевым механизмом осуществляют поворот управляющих колес [4. С. 99-102].
Рассмотрим способ рулевого управления колесным ТС, при котором изменение угла поворота управляющих колес, связанных между собой рулевым приводом, осуществляется не за счет внешнего усилия, передающегося посредством рулевого механизма, а за счет разности скоростей вращения управляющих колес. Рис. 1 Схемарулевого да™ с J г четырехколесным ТС
Рис. 2. Схема поворота четырехколесного ТС
Если принудительно задавать такую разность скоростей вращения управляющих колес, которая соответствует определенному углу поворота ТС, то в силу связи управляющих колес через рулевой привод из-за возникающего разностного момента сил в точках их поворота (точки А и С, рис. 2) будет наблюдаться стремление управляющих колес изменить свои углы поворота в соответствии с заданной траекторией движения.
Другими словами, изменение углов поворота управляющих колес будет происходить за счет моментов сил, равных произведению плеча (рычага) длиной l, и сил, возникающих вследствие реакции опоры, с которой взаимодействуют управляющие колеса, за счет разности скоростей их вращения [5. C. 16-45].
На рис. 2 показана схема, поясняющая принцип выбора углов поворота управляющих колес, при котором исключается юз колес при повороте ТС. Суть принципа заключается в выборе таких параметров рулевого привода, при которых обеспечивается соединение мнимых перпендикуляров всех колес ТС в одной точке [8].
Приведем расчет зависимостей скоростей вращения всех колес ТС с известными габаритными размерами от требуемых скорости его движения V0 и угла поворота а.
В различных источниках, например в [2, 5, 8], подобные расчеты приведены, однако в них пренебрегается величинами длин рулевых рычагов (l). В предлагаемом способе поворота величины длин рулевых рычагов являются параметрами, пренебрегать которыми нельзя, так как от их величины зависят возникающие при рассогласовании скоростей вращения колес моменты сил, приводящие к повороту колес.
Определим следующие параметры ТС (см. рис 2): r - радиус колес, м; d - межосевое расстояние, м; b - колесная база, м; l - длина поворотных рычагов рулевого привода, м.
Во время поворота ТС каждое из колес проходит за единицу времени разный путь, следовательно, радиусы движения колес и ТС в целом (расстояние DB) будут также отличаться.
Выразим радиус движения ТС и радиусы движения каждого из колес через межосевое расстояние и угол поворота ТС:
R = BD = — .
sin а sin а
Аналогично определим радиусы движения каждого из колес а также углы поворота Р и у управляющих колес 1 и 2, соответственно.
Радиус движения заднего внутреннего колеса 4:
ТС,
R 4 = FD--=
BF
2 tg а
tg а
Радиус движения заднего наружного колеса 3:
я3 = Я 4 + Ь = — + - .
2
Тангенс угла поворота переднего колеса 1, движущегося по внутренней траектории:
ё
о СЕ 18Р = — =
ЕВ Я4 +1
ё Ь , ---+1
tgа 2
тогда р = аrctg
ё
ё
tgа
- ,
— +1 2
Следовательно, радиус движения данного колеса будет равен:
Я1 = СЕ. -1 = -±- -1 =■
8Ш Р 8Ш Р
ё
81П
аrctg
ё Ь , ---+1
tgа 2
-1
Аналогично определим угол поворота переднего колеса, движущегося по наружной траектории, а также радиус его движения:
( \
^У =
АО
ё
ё
ОБ Я3 -1
ё
1ва
Ь 7
+--I
2
и АО . ё . Я 2 =-+1 =-+1 = -
8Ш у 8Ш у
, у = arctg
ё
ё
ё
1ва
81П
Ь 7
+--I
2
+ I
arctg
ё
ё
1ва
Ь ,
+ --I 2
С учетом того, что ТС движется по окружности радиусом Я = ВВ со скоростью У0, а также зная радиусы всех окружностей, по которым движутся колеса ТС (Я1, Я2, Я3, Я4), рассчитаем скорости перемещения осей колес ТС.
Пусть за время движения Т колеса 1, 2, 3 и 4 описывают окружности длинами 11,12,13,14, соответственно, а точка В - описывает окружность длиной I. Тогда:
2%Я 2%Я1 2%Я2 2%Я3 2лЯ4
Т = -
У
V
У2
У3
У4
следовательно:
у = уА, у2 = У3 = у*, У4 = Vя..
1 Я 2 Я 3 Я 4 Я
Зная скорости перемещения осей колес ТС и радиусы данного перемещения, рассчитаем их скорости вращения (циклические частоты вращения колес):
УЦ УЯ2 УЯ3 УЯ4
ю1 =-
Й2 =■
ю3 =-
ю4 =-
2 л rR 2 л rR 2 л rR 2 л rR
Проведем математическое моделирование процесса поворота четырехколесного ТС, рулевое управление которого осуществляется в соответствии с предложенным способом. В качестве примера определим следующие параметры ТС: b = 1,5 м, d = 2,5 м, l = 0,15 м, г = 0,15 м, V0 = 60 км/ч. На рис 3. представлен график зависимостей скоростей вращения всех колес ТС от угла поворота ТС для выбранных условий.
Анализ результатов позволяет провести оценку разности скоростей вращения колес ТС от его габаритов и траектории движения. Например, для выбранных параметров ТС его движение с углом поворота в 5° обеспечивается разностью скоростей вращения управляющих колес равной 50 об ./мин, что соответствует 4,8% от скорости вращения колес при прямолинейном движении (для а = 10° - 100 об./мин и 9,6%, соответственно).
Расширим постановку задачи. Пусть ТС имеет независимую подвеску колес и движется по поверхности с неровностями. Представим, что ТС должно двигаться прямолинейно. Тогда, если на пути одного из управляющих колес встретится неровность, скорость вращения этого колеса необходимо увеличить для компенсации увеличения пути и сохранения прежнего направления движения ТС.
С целью расчета требуемой скорости перемещения колеса при движении по неровности отложим от оси вращения колеса векторы моментальных скоростей по вертикали H и по горизонтали V. Тогда модуль вектора моментальной скорости колеса V/вычисляется по теореме Пифагора V' = + н2.
Допустим, что рама ТС при движении не меняет свой угол наклона по всем трем осям и движется прямолинейно с постоянной скоростью. Тогда моментальная скорость колеса по горизонтали это скорость ТС, а моментальную скорость подъема колеса по вертикали H вычислим из треугольника, образуемого рычагом колеса l, высотой подъема колеса h и проекцией рычага l на плоскость расположения рамы.
Высоту подъема колеса h можно выразить через длину рычага l и синус угла 0 между рычагом и плоскостью рамы:
h = l ■ sin 0.
Рис. 3. График зависимостей скоростей вращения колес от угла поворота ТС
Тогда моментальное изменение высоты h будет производной этой функции: h'=l • cos 0 . Эта функция фактически показывает, насколько изменится катет h при изменении угла на l радиан при угле 0. Умножив эту функцию на
производную угла — (моментальная скорость изменения угла), получим dt
h H d0 0 моментальную скорость изменения высоты h по времени: H =--1 • cos0 .
dt
Таким образом, скорость первого колеса при движении по неровности будет иметь вид:
Аналогично можно рассчитать скорости остальных колес V2', V3 и V4'. Следовательно, скорости вращения колес:
V2 V V4
=- , ® 2 =-, ®3 =-, ®4 = '
VVL
2 % r
2 % r
2 % r
2 % r
1.15 11 1.05
h(t) (м)
h(t) (A t)
0 8 0 9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 0 1 2 3 4 ! 6
t(c) t(c)
а
co( об/мин)
со(об/мин)
0 8 0.9 1 11 12 1 3 14 1 5
Цс)
б
Рис. 4. Траектории движения колеса по неровности (а) и зависимости скоростей вращения управляющих колес ТС от времени (б)
Проведем математическое моделирование процесса наезда одного переднего колеса ТС на два вида препятствий: линейную горку и плавную кочку. В качестве примера определим следующие параметры ТС (масштабная модель): I = 0,02 м, г = 0,015 м, У0 = 0.1 у/с. На рис 4 представлены траектории движения управляющего колеса по неровности (рис. 4, а) и зависимости скоростей вращения управляющего колеса ТС, передвигающегося по соответствующей неровности, от времени (рис. 4, б) для выбранных условий.
Видим, что скорость вращения управляющего колеса, передвигающегося по неровности, находится в дифференциальной зависимости от траектории его движения.
Рулевое управление колесным ТС, основанное на рассогласовании скоростей вращения управляющих колес, может осуществляться с помощью обобщенного алгоритма управления ТС, блок-схема которого представлена на рис. 5.
Рис. 5. Блок-схема алгоритма рулевого управления колесного ТС на основе рассогласования скоростей вращения управляющих колес
После загрузки параметров происходит определение требуемого угла поворота ТС атреб. Далее определяется текущий угол поворота ТС атек. Затем происходит сравнение атек и атреб. В случае их отличия друг от друга происходит вычисление скоростей вращения колес ТС и их передача на драйвер силовых установок.
Применение способа рулевого управление колесного ТС на основе рассогласования скоростей вращения управляющих колес позволит снизить требования к рулевому механизму либо полностью от него отказаться. При этом обязательным требованием является наличие, как минимум, двух силовых установок, приводящих в движение управляющие колеса, с возможностью независимого управления их мощностью. Данное требование обуславливает целесообразность применение такого способа рулевого управления, например в электромобилях, где в качестве силовых установок выступают все более популярные «мотор-колеса» [2. С. 5].
Практическая реализация предлагаемого способа рулевого управления подразумевает разработку системы управления, позволяющей в соответствии с алгоритмом, представленным на рис. 6, управлять несколькими вентильными электродвигателями («мотор-колесами»), объединенными в одном транспортном средстве.
Рис. 6. Структурная схема системы управления двумя вентильными двигателями
Модули управления вентильными электродвигателями связаны с подсистемой определения скоростей вращения колес, в которой рассчитываются требуемые скорости вращения колес исходя из заданных скорости и угла поворота транспортного средства, определяемых оператором.
Модуль управления вентильным электродвигателем состоит из контроллера, блока силовых ключей и интерфейса взаимодействия с подсистемой определения скоростей вращения колес. Структурная схема модуля управления вентильным электродвигателем представлена на рис. 7.
Рис. 7. Структурная схема модуля управления
Таким образом, применение системы управления колесным транспортным средством, основанной на разности скоростей вращения управляющих колес, позволит снизить требования к рулевому механизму либо полностью от него отказаться.
Литература
1. Гаптрвалиев И.И., Смирнов А.В. Система управления колесными транспортными средствами на основе регулирования циклических частот вращения управляющих колес // Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе: сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф.: в 2 ч. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. Ч. 1. С. 215-219.
2. ЛысоеМ.И. Рулевые управления автомобилей. М.: Машиностроение, 1972. 344 с.
3. Пат. 2562937 РФ, (51)МПК B62D 6/08 (2006.01), B62D 9/00 (2006.01), B62D 15/00 (2006.01). Способ поворота колесного транспортного средства / Смирнов А.В., Шелеметьев А.М., Гаптрвалиев И.И.; патентообладатель Поволжский гос. технол. ун-т. № 2014118165/11; заявл. 05.05.2014; опубл. 10.09.2015, Бюл. № 25.
4. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Машиностроение, 1990. 352 с.
5. Турееский И.С. Теория автомобиля. М.: Высш. шк., 2005. 240 с.
6. Шелеметьев А.М., Смирнов А.В. Принцип и алгоритм рулевого управления колесным транспортным средством, основанного на рассогласовании скоростей вращения управляющих колес // Автомобильная промышленность. 2013. № 11. С. 15-18.
7. Anderson M., Harty D. Unsprung Mass with In-Wheel Motors - Myths and Realities. 10th Int. Symposium on Advanced Vehicle Control (AVEC'10), Aug. 2010, pp. 261-266.
8. Helms H., PehntM, Lambrecht U., Liebich A. Electric vehicle and plug-in hybrid energy efficiency and life cycle emissions. 18th Int. Symposium Transport and Air Pollution, 2010, pp. 113-124.
ШЕЛЕМЕТЬЕВ АНДРЕЙ МИХАЙЛОВИЧ - аспирант кафедры информационно-вычислительных систем, Поволжский государственный технологический университет, Россия, Йошкар-Ола (andrey.shelemetve@gmail.com).
ШЕЛЕМЕТЬЕВ ЯНА ВЛАДИМИРОВНА - аспирантка кафедры информационно-вычислительных систем, Поволжский государственный технологический университет, Россия, Йошкар-Ола (yanabaikova@yandex.ru).
СМИРНОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры информационно-вычислительных систем, Поволжский государственный технологический университет, Россия, Йошкар-Ола (abc_r12@mail.ru).
À. SHELEMETYEV, Ya. SHELEMETYEVA, A. SMIRNOV
RESEARCH OF INFLUENCE OF SUSPENSION TRAVEL ON THE PRINCIPLE AND CONTROL OF WHEELED VEHICLES, BASED ON THE SPEED DIFFERENCE BETWEEN STEERING WHEELS
Key words: steering management, steering wheel, steering mechanism.
The method of vehicle's management by setting certain speeds of steering wheel without using the steering mechanism is described. The influence of suspension travel on the moment of the wheel speed changing is explored. The formula which describes the algorithm of the wheel speed changing is proposed. The algorithm of the vehicle's steering management based on the mentioned method is proposed. Structural and functional scheme of the vehicle's management system are proposed.
References
1. Gaptrvaliev I.I., Smirnov A.V. Sistema upravleniya kolesnymi transportnymi sredstvami na osnove regulirovaniya tsiklicheskikh chastot vrashcheniya upravlyayushchikh koles [Vehicle maneg-ment system based on control whells cyclic frequency regulation]. Informatsionnye tekhnologii v professional'noi deyatel'nosti i nauchnoi rabote: sb. materialov Vseros. nauch.-prakt. konf.: v 2 ch. [Proc. of Rus. Conf. «Information technlogies in professional and scientific work». 2 parts]. Yoshkar-Ola, Mari State Technical University Publ., 2011, patr 1, pp. 215-219.
2. Lysov M.I. Rulevye upravleniya avtomobilei [Vehicle's steering manegement]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1972, 344 p.
3. Smirnov A.V., Shelemet'ev A.M., Gaptrvaliev I.I. Sposobpovorota kolesnogo transportnogo sredstva [Vehicle's turning method]. Patent RF, no. 2562937, 2014.
4. Smirnov G.A. Teoriya dvizheniya kolesnykh mashin. 2-e izd., dop. ipererab [The movement theory of wheeled vehicles. 2nd ed.]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1990, 352 p.
5. Turevskii I.S. Teoriya avtomobilya [Vehicle's theory]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 2005, 240 p.
6. Shelemet'ev A.M., Smirnov A.V. Printsip i algoritm rulevogo upravleniya kolesnym trans-portnym sredstvom, osnovannogo na rassoglasovanii skorostei vrashcheniya upravlyayushchikh koles [The Method and Algorithm of the Wheeled Vehicle''s Steering Management Based on the Difference Between Steering Wheel''s Rotation Speed]. Avtomobil'naya promyshlennost [Avtomotive Industry], 2013, no. 13, pp. 15-18.
7. Anderson M., Harty D. Unsprung Mass with In-Wheel Motors - Myths and Realities. 10th Int. Symposium on Advanced Vehicle Control (AVEC'10), Aug. 2010, pp. 261-266.
8. Helms H., Pehnt M., Lambrecht U., Liebich A. Electric vehicle and plug-in hybrid energy efficiency and life cycle emissions. 18th Int. Symposium Transport and Air Pollution, 2010, pp. 113-124.
SHELEMETYEV ANDREY - Post-graduate Student of Information and Computing Systems Department, Volga State University of Technology, Russia, Yoshkar-Ola (and-rey.shelemetve@gmail.com).
SHELEMETYEVA YANA - Post-graduate Student of Information and Computing Systems Department, Volga State University of Technology, Russia, Yoshkar-Ola (yanabaiko-va@yandex.ru).
SMIRNOV ALEKSEY - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of Information and Computing Systems Department, Volga State University of Technology, Russia, Yoshkar-Ola (abc_r12@mail.ru).
Ссылка на статью: Шелеметьев А.М., Шелеметьева Я.В., Смирнов А.В. Разработка системы управления колесным транспортным средством, основанной на разности скоростей вращения управляющих колес // Вестник Чувашского университета. - 2016. - № 1. - С. 185-193.
