CC BY
5
УДК 629.076
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-150-155
ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СИСТЕМЫ ВОДИТЕЛЬ-БОЕВАЯ КОЛЕСНАЯ МАШИНА К МАНЕВРУ
В СОСТАВЕ КОЛОННЫ
В.Ф. Васильченков, А.В. Калыгин
Исследуется влияние характеристик водителя и боевой колесной машины на обеспечение устойчивости системы «водитель-автомобиль» в составе колонны на марше в экстремальных условиях маневра.
Ключевые слова: колонна боевых колесных машин, стабильность, система «водитель-автомобиль», экстремальные условия, экспериментальная модель, теоретическая модель.
В соответствии с общепринятым пониманием определения - экстремальные условия, это условия, приближающиеся по одному или одновременно нескольким факторам к критическим точкам. Экстремальные условия (от лат extremum - крайний) - условия, резко отличающиеся от обычных и в силу этого воздействующие на психику, не адаптированную к ним, как стрессорам [1].
При этом понимается высокая скорость на пределе динамических характеристик машины, время реакции водителя на неожиданное событие в колонне (резкое уменьшение скорости лидера вплоть до полной остановки, неожиданный маневр лидера, разгон и т.д.), факторы внешней среды - плохая видимость, туман, ухудшение сцепления колес с дорогой, изменение геометрии дороги, угроза нападения в первую очередь с воздуха (применение ударных, разведывательных беспилотных летательных аппаратов), утомляемость водителя, ухудшение управляемости колонны в то числе из-за недостаточного профессионализма водителей.
Все это вынуждает водителя действовать в ограниченное время с быстрым воздействием на органы управления на пределе потери машиной силового контакта с дорогой.
Для обеспечения безопасности исследования рассматривается не вся колонна, а ее звено, состоящее из 5 машин; (n-1) - базовая n-машина и машина следующая за базовой - (n+1), т.е. рассматривается микроколонна, состоящая из двух звеньев регулирования (рис. 1).
(п-1)-й S» (п-й) L^ (п+1)-й (п+2)-й ^ (п+3)-й
х n-1 ^ FI r Xt -► х
х n+1
(1)
Рис. 1. Схема транспортного потока из 5-ти автомобилей
Предмет регулирования и исследования - дистанция между машинами в задаче поддержания устойчивости (стабильности) продольного движения [2]. В соответствии с плоской моделью движения колонна обозначена в системе координатО — X, дистанция как X d . Система уравнений для этого случая будет иметь вид:
X'd + оХй = ky ' апед'
Тв ' а'пед + апед = кв — &) + 4 где Хй , Х'й - рассогласование и скорость рассогласования дистанции между машинами, м/с-1; апед - угол
поворота педали подачи топлива, рад; ky - коэффициент усиления системы управления продольным движением; принимается, что водитель регулирует дистанцию только подачей топлива, м/с • рад; k в - коэффициент усиления степени включения водителя, рад/с; Тв - постоянная времени действия водителя, с; t - время, с; Дt - время запаздывания реакции водителя на изменение дистанции, с; е - ошибка определения величины рассогласования во времени, с; о- характеристика машины, с-1.
Как видно, динамические свойства звена колонны - системы «водитель-машина» определяются для машины - характеристиками ky, Т, со , психологическими характеристиками водителя - kв , г и Т в , то есть
имеются три возможности воздействия на систему; профотбор (ги Тв ), тренировка (к = km /kв), улучшение конструкции - о, к .
Характеристический полином системы имеет вид:
, п , , „ .и „ — Ч>
A(p) = Tp + (1 + coT)p + со + к • e' 150
где е — - задержки в системе; р - оператор дифференцирования ёг1, с-1.
Анализ упрощенной характеристики полинома с учетом аппроксимации:
е-—Р = 1 --Р + — Р2'
Т 2 (3)
А( Р) = Т2р + Р + с + к,
показывает, что для ограничения числа перерегулирований переходного процесса системы на нажатие на педаль подачи топлива необходимо ограничивать величину коэффициента усиления системы к. Для ма-лообученных или неопытных водителей увеличение коэффициента к является наиболее характерным проявлением, то же самое наблюдается и у опытных водителей, но в случае утомления [3,4].
Основным критерием эффективности системы «человек - машина» в указанном режиме является дисперсия отклонений дистанций между машинами. Увеличение значения с, например, повышением динамических качеств машины приводит к увеличению этой дисперсии. То есть, водителей следует обучать точно намеренному воздействию на педаль подачи топлива и хорошо чувствовать машину.
Указанный фактор также подтверждает, что при этом повышаются требования не только к системе освоения водителем вождения, но и специфическим требованиям к способности или даже одаренности кандидатов в военные водители.
Схемы модели системы для сложных условий движения колонны приводятся на рисунках (рис. 2, 3). Для этого случая описывающая функция системы будет иметь вид:
у = кое(-]а—(Т1]а +1), (4)
(Т2]с + 1)(Т3]с +1) '
7(р) = к0е-С—(—+Т3) (Ти'с +1) , (5)
0 (Т2С +1)
где ко - коэффициент усиления; jст - задержка;
(Т1С +1)
- упрощенная характеристика системы;
(Т2 jс +1)
Т1,Т2,Т3- постоянные времени водителя и системы. При этом числитель выражений отражает реакции машины, знаменатель - экспоненциальные задержки.
Показатель jс используется в качестве оператора чтобы показать, что описывающая функция наиболее подходящая, когда входы в систему (изменение дистанции) представляют собой аппроксимированные, стационарные, взятые «наугад» процессы.
Таким образом, при обучении должны учитываться и формироваться не только время реакции, но и степень включения ко водителя и машины.
Из приведенной модели следуют выводы:
1. В трудных дорожных условиях ко уменьшается.
2. Величина тс увеличивается в конфликтных ситуациях; — также увеличивается из-за нелинейности в приводах управления, в том числе тормозами, из-за упругостей, люфтов и упругости шин при изменении давления воздуха в них.
3. Значения с меняются между водителем и условиями движения.
Все указанное следует учитывать в методах освоения вождения машин в колоннах [5,6].
Что касается устойчивости звена колонны (рис. 2), где базовый п- автомобиль и лидер (п-1). Сделаем допущение в соблюдении режима движения колонны, так что ведущая машина п-1 выполняет маневр в продольном движении за время Т и продолжает движение с постоянной скоростью так, что t > Т.
Однако, для колонны машин наиболее важным и более существенным является, в целом, условие устойчивости колонны - как системы, что случается, когда устойчивость звеньев колонны обеспечивается, колонна, в целом, неустойчива. Это также случается, когда некоторые звенья системы чрезмерно усиливают полученный сигнал, и колебания дистанции в колонне машин по мере распространения увеличиваются (рис. 3).
При разработке настоящей модели использовались результаты эксперимента. При этом базовая п-машина движется согласно уравнению:
[хп (?) - хп-\(1)]/ = кхп1, (6)
где к - коэффициент пропорциональности (включение водителя); / - длина ведомой машины.
Если
У(() = Хп - Хп-¡(?), (7)
где у(() - регулируемая величина; хпположение (п-1) - машины в момент Т, отсчитываемое от начала координат, то при ? > 0 справедливо равенство:
х"^ + Т) = Лу(1), (8)
где Л - чувствительность машины к маневру изменением дистанции с-2; х" - ускорение (замедление) машины через время /. мс~2.
I
§12
5 6
врещ с
при интенсивном торможении
при менее интенсивном торможении
Рис. 2. Характеристика управляемого устойчивого движения при торможении лидера
Это равенство можно представить, как сумму двух функций, одна из которых известна, другая нет, то есть:
у(г) = уо(г) + 2« ^ (9)
где уо (1) - начальное значение относительной скорости для 0 < t < Т, это выражение существует до реакции водителя; 2^) - относительная скорость для t > Т, существует после реакции водителя.
Значение 2^) удовлетворяется при условии:
уо(0 = опри t > Т, 2(0 = опри t < Т.
Подставляя для Г>0 значения уо и 2 в уравнение, имеем:
х"^ + Т) = Л[х'п-1(t) - хп ^)], (Ю)
где Т - время от начала маневра ведущей машины до начала маневра ведомой машины. Назовем его временем запаздывания реакции системы «водитель-машина», с; Л - коэффициент пропорциональности, характеризующий динамические качества ведомой машины и способность водителя правильно оценить и действовать на органы управления машины в направлении восстановления нарушенного положения в кратчайшие сроки. Назовем его коэффициентом чувствительности системы «водитель-машина, с.
колебания, начинающиеся с (п+1) машины колебания, начинающиеся с машины лидера -п
Рис. 3. Колебания дистанций между машинами в неустойчивой колонне
В результате решения последнего уравнения получаем, что элементарное звено колонны (лидер - п-1 и базовый автомобиль п) устойчиво, т.е. колебания дистанции или относительной скорости будет затухающим при
Т
2
(11)
Рассмотрим устойчивость колонны - как системы динамического регулирования. Исследование устойчивости движения колонны - как системы динамического регулирования может быть выполнено с использованием комплексного преобразования Фурье. При этом будем исходить из следующего. Пусть:
хп (0 = /о/Ш, хо = ес, /о = 0,
где вместо показателя дифференцирования р принимаем значение , имея ввиду, что рассматривается
взятый случайный процесс.
Подставим в уравнение, получаем:
Откуда
(Ш/ Я)Ш = fn _! - fn.
г /i . Ш irnt\ —n г
fn = (1 + ~е ) ' f°.
(12)
(13)
В результате гармонизации описываемого процесса выявляется, что с увеличением числа машин п в колонне амплитуда колебаний будет уменьшаться при условии:
ш2 ш . 1 + — - 2—sin шТ > 1
ш2 Я
(14)
(16)
2
Ш Ш ■ ™ /-1СЧ
— > 2—sin шТ. (15)
Я Я
Наибольшее снижение чувствительности и уменьшение времени реакции колонны - как системы динамического регулирования происходит при низкой частоте колебаний.
Так, для ш ^ 0 и Т должны удовлетворяться следующие неравенства:
Я<—, ЯТ < 2Т 2
где коэффициент чувствительности системы X измеряется в с-1.
Выполненный анализ, подтвержденный нашими экспериментами показывает, что устойчивость движения машин в колонне зависит от величины двух параметров системы X и Т. Определение времени реакции системы «водитель - машина» не представляет особых трудностей. Коэффициент чувствительности X экспериментами проверяется при известных ускорениях или замедлениях ведомой машины и описывается скоростью двух машин - (Vn (t) — Vn _j (t)).
В эксперименте относительная скорость определялась с помощью радиолокации, в частности, с использованием прибора «Радар - 3».
С точки зрения влияния на практику вождения колонн машин основными факторами являются следующие:
d dt2
(t + Т) = kr:
dXn _l.(t) + ^ (t)
dt
dt
(17)
где k = -
лп
V0
xn+1 xn
dt
2
(t + Т) = kn
dxn + 1.(t) _ dXn (t)
& &
Условие устойчивости соблюдается при кпТ < 0,5. Динамический габарит машины при торможении назначался:
+k s^dn (t)—[xn~ 1(t) _ xn (t)]}.
(18)
ld la + Vat p +
Vpk э 2 j
(19)
где t - время реакции системы (водителя и машины), с; la - динамическая длина машины, м;
V2 k.
°'v э -
2 j
тор-
мозной путь при] - замедлении, м; кэ - коэффициент, учитывающий техническое состояние тормозов. Пропускная способность дорог определялась по формуле:
Nд =■
l м +1
д
где Iм и ¡д - соответственно длина машины и дистанция между машинами. Максимальная скорость определялась по формуле:
Vm
= V2 Jm ' 1д
(2°)
(21)
где jm - ускорение машины, мс .
и
n
c
Таким образом, основным методом повышения устойчивости колонны машин к маневру является, с одной стороны, повышение чувствительности регулятора управления - водителя, с другой стороны, реализации динамических показателей машины с учетом сцепления колес с дорогой так как
jTmax = g?.
Приведенные в статье уравнения могут быть использованы при расчете маршей и в том числе интенсивности изменения скорости, а также позволят руководителям колонн прогнозировать предельные возможности движения колонн, особенно в специфических ситуациях при огневом воздействии в том числе и с воздуха. Данная методика позволяет в определенной степени оценивать мобильность колонн при передислокации.
Список литературы
1. Мардахаев Л.В. Социальная педагогика: краткий словарь понятий и терминов // Министерство образования и науки РФ. РГСУ. М., 2014. 362 с.
2. Котовский В.И. Некоторые вопросы теории движения машин в колонне / В.И. Котовский, И.А. Болдырев // труды 21 НИИИ МО РФ. Бронницы, 2006. №3. С. 121-134.
3. Васильченков В.Ф. Транспортный поток - автомобильная колонна как динамическая система регулирования в задаче повышения пропускной способности дорог / В.Ф. Васильченков, Е.А. Самарский, В.В. Елистратов // Известия академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. Москва-Н. Новгород, 2006. Т. 16. С. 24-26.
4. Васильченков В.Ф. Теория автоматического управления в задаче исследования устойчивости транспортного потока автомобилей / В.Ф. Васильченков, В.В. Елистратов // Известия академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. Москва-Н. Новгород, 2006. Т. 19. С. 188-194.
5. Edvard A.D. Briss A car - Following model relating reaction times and temporal headways to accident frecquency // Transportation science - Warren, Michigan, 1982. 76 p.
6. Cosgriff R.L. Automatic System for longitudinal control of individual vehichles SAE // Preprints, 1978. P. 7 - 18.
Васильченков Василий Федорович, д-р техн. наук, профессор, vasilchenkova2011 (yandex.ru, Россия, Рязань, Рязанское гвардейское высшее воздушно-десантное ордена Суворова дважды Краснознаменное командное училище имени генерала армии В. Ф. Маргелова,
Калыгин Александр Владимирович, гвардии подполковник, адъюнкт, aleksan-drkalygin 13 (i mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское гвардейское высшее воздушно-десантное ордена Суворова дважды Краснознаменное командное училище имени генерала армии В. Ф. Маргелова
THEORETICAL AND EXPERIMENT STUDY OF THE SENSITIVITY OF THE DRIVER COMBAT WHEELED VEHICLE SYSTEM TO MANEUVER AS PART OF A COL UMN
V.F. Vasilchenkov, A.V. Kalygin
The influence of the characteristics of the driver and the combat-wheeled vehicle on ensuring the stability of the driver-car system as part of a column on the march in extreme maneuver conditions is investigated.
Key words: column of wheeled combat vehicles, stability, driver-car system, extreme conditions, experimental model, theoretical model.
Vasilchenkov Vasily Fedorovich, doctor of technical sciences, professor, vasilchenko-va2011@yandex.ru, Russia, Ryazan, Ryazan Guards Higher Airborne Order of Suvorov twice Red Banner Command School named after General of the Army V.F. Margelova,
Kalygin Alexander Vladimirovich, guard lieutenant colonel, adjunct, aleksandrkalygin13@mail.ru, Russia, Ryazan, Ryazan Guards Higher Airborne Order of Suvorov twice Red Banner Command School named after General of the Army V. F. Margelova
