CC BY
28
Key words: estimation of efficiency, driving simulator, training, qualification characteristic, mechanic-driver, factors.
Koloskov Boris Borisovich, head of department, koloskov hamail.ru, Russia, Tula, JSC « Training systems»,
Starikov Nikolay Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, stari-kov taiiaimail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 629.735.078
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ УПРЕЖДАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ МАШИНОЙ В УСЛОВИЯХ
ДЕФИЦИТА ВРЕМЕНИ
В.Ф. Васильченков, Р. А. Анашкин
Обоснована необходимость обучения упреждающему управлению машиной при скоростном вождении высокомобильных наземных транспортных средств
Ключевые слова: упреждающее управление, обучение вождению, модель водителя, модель системы «водитель — машина».
Общепринято и в том числе в исследованиях [1,2] установлен тот факт, что система «водитель - машина» («В-М») рассматривается как частный случай системы управления. В такой системе водитель и машина образуют единый контур регулирования, а человек рассматривается в ней как одно из звеньев системы (рис. 1). Несмотря на большие различия в работе этих звеньев, между ними есть много общего. Изоморфизм функционирования системы «В-М» позволяет использовать для ее исследования методы, принятые в теории автоматического управления (ТАУ).
Поведение водителя - это последовательное решение различных задач с учетом поступающей информации. Следовательно, понять психологию поведения водителя значит понять работу его информационных моделей в процессе вождения машины. В системе работа информационных моделей переводится в координационную работу рук и ног водителя при управлении продольной скоростью движения.
На рис. 1 представлена замкнутая система регулирования, в которой водитель, связанный прямыми и обратными связями с управляемым объектом, маршрутом и траекторий движения, выступает в роли главного звена системы.
Рис. 1. Замкнутая система регулирования «В-М»
Процесс регулирования на схеме выступает как ряд переходов от одного звена к другому. Причем состояние любого звена системы влияет на все остальные и, в свою очередь, зависит от них.
В соответствии с требованиями эргономической системы «В-М» основными параметрами оценки системы управления являются пропускная способность информации о маршруте, дороге и дорожном окружении, точность и надежность, что определяется особенностями и возможностями деятельности ее главного звена - водителя.
Неполное осознание важности характеристик водителя при конструировании и эксплуатации системы управления ведет к тому, что система иногда оказывается не в состоянии работать должным образом и ведет к преждевременному утомлению водителя и даже потере управления.
Водитель выступает в роли приемника осведомительной информации, поступающей в той или иной форме от управляемого объекта:
- преобразователя и усилителя, передающих информацию от звена к звену; при этом природа этой информации постоянно меняется. Так например, информация о маршруте движения преобразуется в действие органа управления, а далее она, имея механическую или гидравлическую природу через привод управления, вызывает поворот объекта управления;
- осуществляет анализ информации;
- принимает решение, вырабатывает управляющую информацию;
- наблюдает и контролирует работу системы.
Эти функции водителем совмещаются и выполняются последовательно или одновременно. При этом эти преобразования информации реализуются, как правило, с существенными задержками. Задержки информации наибольшим образом отрицательно влияют на точность и надежность работы водителя. Все это предполагает необходимость упреждающего управления особенно при скоростном вождении.
299
Основные характеристики водителя оцениваются следующим образом:
- возможностью изменения траектории движения машины, т. е наблюдением и оценкой траектории движения, сопоставлением действительной траектории и последующим воздействием на органы управления посредством обратной связи;
- возможностью изменения скорости движения машины, т. е. оценкой действительной и максимальной скорости движения, с которой необходимо двигаться по траектории заданной кривизны. При скоростном вождении при этом обратная связь функционирует плохо вследствие несоответствия задержек и времени реакции водителя.
Модель водителя в данной системе воспроизводится, как правило, путем отражения только логических операций. В общем случае для разработки модели необходимо иметь как минимум характеристики так называемого «статистического водителя» со средним уровнем обученности. В исследованиях [1,2] в частном случае достаточно было проанализировать маневренность машины и работу водителя в режиме «слежения» за заданным маршрутом.
Учитывая, что водитель не в состоянии непрерывно оценивать изменение скорости и траектории движения, имеют место некоторая задержка восприятия информации и воздействия водителя на органы управления. Для расчета обычно принимается, что эти операции осуществляются во времени ступенчато. Поэтому в модели изменение траектории и скорости движения машины осуществляется через интервалы времени АТ, которые называются интервалами регулирования.
Информация водителю задается в виде программы желаемой скорости и необходимой траектории. Водитель непрерывно сравнивает реальную скорость и траекторию с заданной программой, производя необходимую корректировку (рис. 2).
| (К-к)ёе= е[Ф-р] -Ъ
Р ак &
6
У = Ь г У2 + У:
Рис. 2. Структура управления курсовым движением машины
300
При составлении модели принимается к сведению следующее:
- водитель не реагирует мгновенно на сигналы;
- водитель реагирует предпочтительнее не на ошибку, а на скорость изменения ошибки;
- при упреждающем управлении водитель также предпочитает регулировать управление с учетом изменения скорости реакции на управляющее действие;
- водитель характеризуется инерционностью мускульной силы;
- небольшие ошибки водителя умышленно игнорируются.
Таким образом, необходимо эмпирически правильно подобрать параметры, оценивающие эти характеристики. Модель водителя как оператора «слежения» раскладывается на отдельные звенья, и каждое звено имеет свою передаточную функцию. Чем сложнее система, тем сложнее передаточная функция. По мнению многих исследователей, в частности, таких, как Е. Р. Хофман, Л. М. Форбс, Ж. Я. Версес, П. Н. Джуберт, П. Д. Олсон, В. Бергман, Р. Т. Бундорф, И. Хикучи, Э. Фиала, М. Хаячи, М. Оллей, В. Н.Иванов, Р. В. Ротенберг, Д. Р. Товил, Д. Вейр, У. Вудсон, Д. Коновер, И. И. Кринецкий, А. И. Драновский [3-10], пока нет более совершенных методов описания управляющих действий водителей и систем, чем использование передаточных функций и переходных процессов.
При этом под передаточной функцией понимают математическое выражение, характеризующее отношение выходного сигнала к входному, например, угла поворота машины к углу поворота органа управления с учетом скорости движения.
В авторских исследованиях использовались также логарифмические амплитудно-фазовые частотные характеристики (ЛАФЧХ) как функции амплитуд управляющих действий водителей и реакций машины, а также фазовых задержек, функций частоты поступающих сигналов, на которые должен реагировать водитель. Различия в ЛАФЧХ опытных и менее опытных водителей, а также их изменения в процессе обучения вождению подтверждают предположения авторов.
В модели водителя, возможно, выделить [11] три типа звеньев:
- усилительное;
- инерционное;
- форсирующее.
В усилительном звене выходной параметр пропорционально изменяется при появлении входного сигнала. В инерционном звене выходной параметр пропорционален не только величине входного сигнала, но и скорости его изменения, т. е. данное звено предвидит, какой будет сигнал спустя некоторое время Тф. Чем больше Тф, тем на большее время осуществляется прогноз и тем больше эффект предвидения.
301
К динамическим звеньям следует относить те, в которых между выходными и входными сигналами существует не только линейная зависимость, но и нелинейная. К наиболее типичным нелинейностям (рис. 3) относятся зоны нечувствительности и насыщения (звенья 5,6), они характеризуются изменениями входного сигнала и не вызывают изменения выходного параметра системы. Таким образом, для нелинейных звеньев нарушается пропорциональная зависимость между входом и выходом, что часто нежелательно с точки зрения устойчивости динамической системы.
Проведенные исследования при обучении вождению, особенно высокомобильных наземных транспортных средств (ВМНТС), подтверждают тот факт, что наименее успешным является вождение с большими нели-нейностями в приводах управления (как правило, машин с гидромеханическими трансмиссиями, гидрообъёмными приводами управления, упругими связями в механических приводах и т. п.).
1 2 3 4 5 6
1 1 V+1 /
-W TlP +1 -► Т2р +1 -► -► / -►
Рис. 3. Модель водителя
На рис. 3 приводится обобщенная модель водителя ВМНТС в качестве своеобразного «оператора слежения», где р - оператор преобразования Лапласа, устанавливающий связь между частотными и временными характеристиками сигнала, с'1; т,Т\,Т2,Тф- постоянные времени динамических звеньев.
Первое звено ( е) характеризуется чистым запаздыванием восприятия положения машины: сопровождается задержками реакций в дорожной ситуации с постоянной по времени t.
Второе (инерционное) звено (—1—) описывает процесс принятия
Т\р +1
решения, характеризуется постоянной времени Т.. При скоростном вождении, характеризующимся дефицитом времени на принятие решения, это звено проявляет себя наибольшим образом.
Третье звено (—1—) также инерционное, описывает процесс нерв-
Т2 р + 1
но-мускульного воздействия на органы управления. Для него характерно влияние организации рабочего места водителя и характеристик приводов управления.
Четвертое звено (Тфр +1) форсирующее, оно показывает, что водителю свойственно управление не только по отклонению, но и по скорости изменения этого отклонения. В данном случае существенную роль играют организация поля зрения водителя и его способность прогнозировать положение машины через отрезок времени АТ .
Пятое и шестое звенья характеризуют присущие водителю нелинейности: водитель как оператор не реагирует на слабые сигналы, а при достаточном сигнале рассогласования склонен поддерживать скорость устранения этого рассогласования постоянной.
Водитель как динамическая система характеризуется своей пропускной способностью. Считается, что пропускная способность лежит в диапазоне от 0 до 3 Гц. По результатам исследований [1,2] водитель хорошо пропускает низкочастотные сигналы, если же частота входного сигнала увеличивается и превышает 3 Гц, то он не сможет на него отреагировать.
Таким образом, кроме передаточных функций, не менее наглядное представление о динамических свойствах системы дают амплитудно-фазовые частотные характеристики. При этом сигнал от маршрута, взятого «наугад», можно представить как сумму гармонических колебаний маршрутов с различными частотами и амплитудами. Система по-своему реагирует на сигналы различных частот: одни пропускает хорошо (0...2 Гц), другие плохо (2...3 Гц).
Можно предположить, что ЛАФЧХ могут быть использованы не только для оценки водителя как оператора, но и для оценки качества управления ВМНТС по амплитуде и фазе движения, а также для оценки успешности обучения вождению. Это подтверждают и проведенные исследования при обучении скоростному вождению ВМТС в характерных армейских условиях.
Список литературы
1. Васильченков В.Ф. Концептуальные основы развития теории автомобильной техники: дис. ... д-ра техн. наук, Рязань, 2000. 403 с.
2. Васильченков В.Ф. Совершенствование методов и средств обучения вождению армейских машин с учетом показателей работоспособности водителей в системе «водитель - автомобиль - дорога». Л.: ЛАТТ, 1979. 265 с.
3. Вудсон У., Коновер Д. Справочник по инженерной психологии для инженеров и художников-кострукторов. М.: Мир, 1968. 518 с.
4. Иванов В.Н. Психофизиология труда и подготовка водителей автомобилей. М.: Изд-во «Транспорт», 1969.
5. Кринецкий И.И., Драновский А.И. Автоматическое вождение колесных и гусеничных машин по постоянным трассам. М., 1971. 168 с.
6. Bergmen W. Bergmen gives new meaning'to understeer and oversteer // SAE Journall. 1969. Vol 73. No. 12. P. 36 - 51.
7. Bundorf R. The use of a variable stability vehicle in handilng reseach. Detroit: GMR Lab., GMP-455, 1965.
8. Автомобильные тренажеры / В.С. Гуслиц [и др.]. М.: Транспорт, 1975. 97 с.
9. Динамика машин: сборник статей / под ред. С.Н. Кожевникова. М.: Машиностроение, 1969. 432 с.
10. Зараковский Г.М. Введение в эргономику. М.: Советское радио, 1974. 351 с.
11. Фролов В.С. Человек в системе управления самолетом. М.: Воениздат, 1970. 125 с.
Васильченков Василий Федорович, д-р техн. наук, проф., rem1005@mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище имени генерала армии В. Ф. Маргелова,
Анашкин Роман Александрович, асп., rem1005@mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище имени генерала армии В. Ф. Мар-гелова
THEORETICAL JUSTIFICATION FOR PROACTIVE MANAGEMENT MACHINE
IN THE DEFICIT OF TIME
V.F. Vasilchenkov, R.A. Anashkin
The necessity of proactive training management in high-speed car driving highly mobile ground vehicles was based.
Key words: predictive control, driving training, driver model, the system "driver -the machine ".
Vasilchenkov Vasily Fedorovich, doctor of the technical sciences, professor, rem1005@mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan Higher Airborne Command School general of the army V. F. Margelov,
Anashkin Roman Aleksandrovich, postgraduate, rem1005@mail.ru, Russia, Ryazan, Ryazan Higher Airborne Command School general of the army V. F. Margelov
