Взаимодействие систем оценки состояния водителя и экстренного торможения автомобиля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.3.017.5

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СИСТЕМ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ВОД ИТЕЛЯ И ЭКСТРЕННОГО ТОРМОЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ

Н.Е. Сергиенко, доц., к.т.н., СИ. Коцдрашов, проф., д.т.н., А.Н. Маренич, магистр, Н.Н. Павлова, асп., Национальный технический университет «ХПИ», г. Харьков

Аннотация. Рассмотрено взаимодействие систем оценки состояния водителя с тормозной системой автомобиля. Представлена структурная схема и математический аппарат управления.

Ключевые слова: водитель, автомобиль, система оценки, тормозная система, взаимодействие, анализ, экстренная остановка.

ЮАСМОДЩ СИСТЕМ ОЦШЮВАННЯ СТАНУ ВОД1Я ТА ЕКСТРЕНОГО

ГАЛЬМУВАННЯ АВТОМОБИЛЯ

МС Сергиенко, доц., к.т.н., СИ. Коцдрашов, проф., д.т.н., О.М. Маренич, Maricrp, Н.Н. Павлова, асп., Нащональний техшчний ушверситег «ХПЪ», м. Харюв

Анотащя. Розглянуто взаемодйю систем ощнювання стану вскМя з галъм1вною системою ав-томоб1ля. Подано структурну схему i матгматичний апарат керування.

Климов слова: водщ автомобтъ, система ощнкц гсишмвна система, взаемодйя, анстз, екс-трена зупинка

INTERACTION OF SYSTEMS OF EVALUATION THE DRIVER'S HEALTH STATE AND VEHICLE EMERGENCY BRAKING

N. Sergienko, Assoc. Prof., Cand. Sc. (Eng.), S. Kondrashov, Prof., D. Sc. (Eng.), A. Marenich, master, N. Pavlova, P. G., National Technical University «KhPI», Kharkiv

Abstract. Interaction of systems of evaluating the driver's health state and vehicle emergency braking evaluation is considered. The block diagram and the mathematical tools were analyzed.

Key words: driver, car, evaluation system, braking system, interaction, analysis, emergency stop.

ЕЬедение

Всемирной организацией охраны здоровья (BOOB) определено, что одной из важных причин ДТП является изменение состояния здоровья водщеля, вызванное нарушениями и заболеваниями сердца (рис. 1) [ 1]. В Украине, США и других странах в период с 2012 по 2015 г. могли произойти крупные аварии, причиной которых была внезапная сердечная недостаточность водцгелей автобусов. Благодаря тому, что в салоне автобусов были пассажиры, которые смогли оценить ситуацию и остановить машину, удалось избежать больпюго числа человеческих жертв.

Хронические заболевания сердщ

Заболевания щэебро-васкуляртй системы

Ипвмическая болезнь сердщ Дэугие причины

Рис. 1. Причины возникновения ДТП, связанные с нарушением и заболеванием сердца водщеля

Из-за внезапных ухудшений состояния здоровья водщеля и несвоевременных действий может возникнуть неконтролируемое дриже-ние автомобиля и, как следствие, ДТП. Учитывая вышеизложенное, исследование взаимодействия систем оценки изменения состояния здоровья водщеля и управления автомобилем является актуальной задачей

Анализ публикаций

Многие разработчики ведут работы по созданию автомобильных систем, задачей которых является предотвращение несчастных случаев. Инженеры компании «Ford» [2] представили радиолокационную установку, работающую по принципу адаптивного кру-ив-конгроля (AKK). Датчики этой системы установлены на передней решетке автомобиля и в процессе дрижения анализируют дистанцию до ближайшего транспортного средства. В зависимости от заранее выбранного режима водителем, система контролирует скорость дрижения автомобиля и сохраняет безопасную дистанцию до впереди цдушего автомобиля.

Приведенная выше система имеет дра основных недостатка: радиолокационная техника работает некорректно при дрижении не по прямой дороге; в основном системы обеспечивают только плавное торможение. Для работы используется несколько радиолокаторов, что повышает стоимость устройства и автомобиля.

В настоящее время ведущие автопроизводители много внимания уделяют вопросу организации контроля состояния здоровья водителя. Такие компании как «Volvo» и «Mercedes-Benz» успешно внедрили и используют системы контроля утомляемости водщеля, анализируя такие косвенные параметры как: манера управления рулевым колесом и нажатия на педаль подачи топлива, дрижение автомобиля в пределах дорожной разметки, время поездки. Недостатком данных систем является отсутствие прямого контроля изменения состояния здоровья водщеля [3], что снижает достоверность оценки, скорость принятия решения. Таким образом, представленные аналоги не в состоянии заранее выявить опасные отклонения в состоянии водщеля, которые могут стать причинами аварийной ситуации или ДТП.

Исследования и разработки, направленные на создание автоматизированных систем для различных транспортных средств, сегодця являются особенно актуальными в направлении создания интеллектуальных транспортных систем (ИБС). Последние деляг на дре подгруппы одна занимается созданием оптимальной дорожной инфраструктуры, внедряя инновационно-коммуникативные технологии для упрощения процедуры вождения; вторая - автоматизацией транспортного средства с целью устранения опасных последствий, вызванных некорректным управлением водителем, и выявлением опасных факторов, действующих на водителя в процессе дрижения. Исследования в этом направлении подгадают под выполнение Отраслевой программы повышения безопасности дорожного дрижения Украины на период до 2018 года [4].

Цель и постановка задачи

Для повышения безопасности эксплуатации автомобильного транспорта целесообразно проведение теоретических исследований процесса взаимодействия системы оценки состояния здоровья водителя с тормозной системой автомобиля и предварительное сопоставление результатов с действующими нормативами.

Моделирование процесса взаимодействия систем оценки здоровья всрщелн и тормозной системы

Взаимодействие системы оценки состояния с тормозной системой автомобиля можно представить в виде структурной схемы (рис. 2). В процессе управления на водителя действуют внешние факторы Д которые влияют на его состояние здоровья и утомляемость при управлении автомобилем. Система оценки состояния водителя (СОСВ) постоянно анализирует его параметры. Бели СОСВ выявляет опасное отклонение состояния, то сигнал поступает на усилитель (У), который включает исполнительное устройство экстренного торможения (ИУЭТ) [5].

Далее включается привод тормозных механизмов колес. При этом необходимо учитывать параметры дрижения и дорожные условия. Для обеспечения эффективного торможения с учетом поведения автомобиля и задаваемых приводами усилий в тормозных

механизмах может быть предусмотрена цепь самснасгройки (ЦС) (АН Туренкс, СН Шук-линсв [6]). Бе задача - обеспечить эффективное торможение транспортного средства.

А

Водитель

1

СОСВн Усил. -ИУЭТ-

Г

цс

Привод

Тормозной механизм

Автомо биль

=Г

Рис. 2. Структурная схема систем оценки состояния водщеля и экстренной остановки автомобиля

Последовательность обработки сигнала СОСВ показана на рис. 3. СОСВ способна определить изменение состояния водщеля, когда он потеряет способность безопасно управлять автомобилем [4]. В этом случае полается управляющей сигнал с микроконтроллера на операцронный усилитель к ИУЭТ - электромагнитному клапану системы экстренного торможения.

Фильтрация сигнала Нормирование сигнала

Определение состояния водителя

Передача данных в блок управления

Рис. 3. Псредэк обработки сигнала СОСВ

При перемещении золотника ИУЭТ полость вакуумного усилителя соединяется с впускным коллектором ДВС. За счет вакуума мембрана действует через шток на поршень главного тормозного ццлицдра Рабочая жидкость полается под давлением к рабочим ццлицдрам тормозных механизмов. Автомобиль замедляется и останавливается.

Система оценки состояния водщеля действует посредством факторов ф:

Ф1vФ2vФз...vФi

Процесс торможения автомобиля необходимо рассматривать как нестационарный процесс; его можно описать уравнением силового баланса [1]

Р] Рв Р^< :

Рт ,

(1)

где Р] - сила инерцци автомобиля, Р] = = Щц-бвр (с1Уа / Рв - сила сопротивления дрижению автомобиля со стороны воздуха, Рв = к^а Ух2; Р^ - сила дорожного сопротивления дрижению автомобиля, Р^ = = щ^-у; Рт - тормозная сила, формируемая в пятне контакта тормозных колес, Рт = рКтк.

Учитывая вышеприведенное, уравнение (1) можно переписать в вцде

Щ- МёУа / Ф - ¿^аУа - = рКтк,

(2)

• Мторм(макс)-

где Щх - масса автомобиля; 5вР - коэффициент учета врашаюшцхея масс автомобиля; Ух - скорость дрижения автомобиля; 1 - независимая переменная; 1 е [10, У (10 - время начала процесса, 1Щ - время торможения колесной машины); ¿в, - коэффициент обтекаемости и лобовая плошадр машины; я -ускорение свободцого падения; у - коэффициент сопротивления дороги; р(0 - управляющее воздействие тормозного привода, подведенное к тормозным колесам автомобиля; Ктк - коэффициент эффективности тормозных механизмов колес автсмобиля

Для уравнения (2) следует записать начальные условия в вцде

Уа (10 ) = У0 ,

где У0 - скорость машины в начальный момент формирования тормозной силы на колесах в начальный момент времени 1о.

Решив уравнение (2) относительно старшей производцой и обозначив а = (¿Ба ) / (ЩДф), с = (я) / 5вр, Ь = Ктк / (Щх5вр), и(0 = р(), х(10) = У0, получим

В случае, когда одцн или несколько факторов ф одновременно принимают значение 1, то это означает: водщель не в состоянии безопасно управлять транспортным средством и необходима экстренная остановка машины без участия водщеля.

х(0 = ах2 (1) + с + ЬХО;

х(о ) = Уо, (3)

где х(1) = (с1Уа )/(с11;) - замедление колесной машины в момент времени 1; 1 е [10, 1].

Процесс торможения колесной машины определяется ее замедлением х(0, а также величиной управляющего воздействия и(0 и темпом его формирования. В качестве параметра оценки состояния колесной машины примем ее замедление х(1;). Система уравнений состояния объекта состоит из уравнения, определяющего параметр оценки состояния (3), и уравнения, определяющего изменение этого параметра во времени. Уравнение изменения замедления колесной машины получим дифференцированием (3), и, после введения обозначений х = хх и = (<Си(1))/(с11), систему уравнений состояния объекта можно представить в следующем виде:

xt = а1х1 +bup

где - скорость изменения замедления колесной малины; а1 = 2ах - коэффициент, характеризуют® нестаиионарносгь процесса;

- скорость изменения управляющего воздействия и(0 на входе в тормозящие колеса.

Используя известные уравнения, описывающие динамику автомобиля при торможении, была создана программа модели тормозной динамики автомобиля в среде LabVLew. Исходные параметры автомобиля выбраны в соответствии с ГОСТ Р 51709-2001 и представлены на рис. 4.

Wheel Mass (kg] lw(kg-mA2) Drive Torque № Jj

1500 5 0

Brake Torque (N-m) g (m/s-"-2) Wheel Radius [m]

! 490 9,31 0,1 SI

mufactor

Пш

Initial Vehicle Speed (Vo]

1.11

ш

Рис. 4. Исходные параметры автомобиля 2-го класса

Симуляция торможения (рис. 5) при заданных параметрах автомобиля показала, что его параметры замедления и тормозного пути находятся в пределах регламента ГОСТ.

Изменение скорости и тормозного пути в первую очереди определяется законом воздействия исполнительного механизма системы экстренного торможения на главный тормозной цилицдр.

Рис. 5. Результаты симуляции процесса экстренного торможения

На значения указанных параметров дриже-ния автомобиля будут влиять условия взаимодействия колес с опорной поверхностью, состояние шин и др.

EkiBcp^i

При предельных отклонениях в состоянии здоровья водителя СОСВ взаимодействует с системой экстренного торможения автомобиля, которая обеспечивает остановку автомобиля. Результаты моделирования подтвердили эффективность системы Выбор рационального количества выявляемых факторов при оценке состояния водителя, а также оптимизация алгоритма остановки является перспективным направлением исследований. Внедрение комплексной системы позволит повысить безопасность дрижения автомобильного транспорта.

Литература

1. Чураков Е.П. Оптимальные и адаптивные

системы учебное пособие для вузов / ЕП Чураков. - М: Энергоагомщдаг, 1987. - 256 с.

2. Amodeo M. Wheel slip control via second-

order sliding-mode generation / M Amodeo, A. Ferrara, R. Terzaghi, C. Vecchio // IEEE Transactions on Intelligent Transpor-

tation Systems. - 2010. - Vol. 11(1). -P. 122-131. doi:10.1109/TUS.2009.2035438.

3. Сергиенко HE. Система контроля состоя-

ния водителя во время управления транспортным средством / НЕ. Сергиенко, АН. ^Ъренич // Вестник Технического университета. - 2010. - С 644-651.

4. Гапузева програма забезпечення безпеки

руху на автомобильному транспорт! на 2016 - 2018 роки. - Режим доступу: http://www.kmu.gov.ua.

5. Anwar S. An antilock-braking algorithm for

an eddy-current-based brake-by-wire system / S. Anwar, B. Zheng // IEEE Transactions on Vehicular Technology. - 2007. -

Vol. 56(3). - P. 1100-1107. doi: 10.1109/ TVT.2007.895604.

6. Туренко АН. Адаптивное тормозное управление колесных машин / АН Туренко, С.Н К^клинов // Журнал Автомобильных Инженеров. - 2010. - №5. -С. 24-28.

Рецензент: С.И Ломака, профессор, дт.н, ХНДДУ.

Статья поступила в редакцию 14 сентября 2016 г.