Повышение надежности управления боковым движением автомобиля Майборода Олег Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

1. Состояние вопроса и цели исследования 14

1.1. Понятия и терминология, используемые в работе.. 14

1.2. Обозр исследований по теории управления автомобилем 16

1.3. Задачи диссертации 39

2. Теоретическое исследование надежности управления автомобилем 41

2.1. Анализ деятельности водителя 41

2.2. Значимость перерабатываемой водителем информации 56

2.3. Определение оптимальных, пороговых и предельных значений параметров информационной модели автомобиля 69

2.4. Краткие выводы 75

3. Теоретическое исследование свойств автомобиля как управляемого объекта 77

3.1. Математическая модель автомобиля 77

3.2. Аналитическое исследование СЕОЙСТВ автомобиля как управляемого объекта 115

3.3. Краткие выводы 125

4. Экспериментальное исследование 127

4.1. Основные технические параметры объектов исследования 127

4.2. Методика проведения испытаний 129

4.3. Определение характеристик информационной модели автомобиля при выполнении маневра "переставка".. 143

4.4. Анализ характеристик информационной модели автомобиля при выполнении маневра "переставка" 159

4.5. Определение характеристик информационной модели автомобиля при выполнении маневра "поворот" 170

4.6. Анализ характеристик информационной модели автомобиля при выполнении маневра "поворот" 175

4.7. Определение психофизических писал для некоторых параметров информационной модели автомобиля 178

4.8. Исследование надежности управления автомобилем при выполнении маневров "переставка" и "поворот" 186

4.3. Краткие выводы 196

5. Нормирование показателей надежности управления и параметров информационной модели автомобиля 197

5.1. Анализ факторов, влияющих на безопасность движения. Роль свойств автомобиля в снижении вероятности ДТП.. 197

5.2. Разработка принципов нормирования 199

5.3. Краткие выводы 208

6. Общие выводы 210

7. Литература 213

Приложения 226

• Обозр исследований по теории управления автомобилем
• Определение оптимальных, пороговых и предельных значений параметров информационной модели автомобиля
• Определение характеристик информационной модели автомобиля при выполнении маневра "переставка"..
• Исследование надежности управления автомобилем при выполнении маневров "переставка" и "поворот"

Введение к работе

В принятом на ХХУІ съезде КПСС программном документе "Основные направления экономического и социального развития СССР на I981-1985 годы и на период до 1990 годам говорится: "основной задачей транспорта является полное и своевременное удовлетворение потребностей народного хозяйства и населения в перевозках, повышение эффективности и качества работы транспортной системы. В этих целях ... повысить безопасность движения..."

Уже сегодня дорожно-транспортные происшествия (ДТП)нано-сят ощутимый ущерб народному хозяйству, который,если не принять соответствующих мер, будет возрастать по мере увеличения автомобильного парка страны.

Проблема повышения безопасности на автомобильном транспорте является комплексной. Улучшение устойчивости и управляемости автомобиля является одним из важнейших направлений решения этого вопроса.

В последние годы значительно увеличилось число работ, посвященных теоретическому и экспериментальному исследованию вопросов управления автомобилем. Но, несмотря на это, теория управления автомобилем все еще не создана, и при постройке новых образцов автомобилей заводам приходится сталкиваться со значительными трудностями как в процессе проектирования, так и на стадии доводки автомобилей. Подтверждением этого является то, что до сегодняшнего времени на всех ведущих зарубежных фирмах доводка автомобилей по устойчивости и управляемости производится на основании экспертных оценок опытных испытателей.

Трудности создания теории управления автомобилем связаны со сложностью системы "водитель-автомобиль". При наличии значительного объема информации о динамических свойствах автомобиля

- ІЗ -до сих пор нет окончательной ясности Е вопросе о том, какие характеристики автомобиля необходимы и достаточны для описания его как объекта управления.

Достоверной математической модели водителя в настоящее время нет и не приходится надеяться на решение этой проблемы в блияайшее Еремя. Необходимо отметить, что даже е случае ее решения, вопрос создания теории управления автомобилем будет далек от своего разрешения. В этом случае появилась бы возможность замены натурного эксперимента расчетным, но по-прежнему осталась бы . проблема оценки результатов эксперимента.

На основании результатов натурного или расчетного эксперимента необходимо оценить надежность деятельности водителя в реальных условиях. Решение этой проблемы возможно только с позиций изучения психических проявлений водителя е его деятельности по управлению автомобилем. Результаты последних инженерно-психологических исследований создают предпосылки решения этой задачи. Исходя из результатов этих исследований, целями настоящей работы являются:

определение номенклатуры параметров, необходимых для описания свойств автомобиля как управляемого объекта;

разработка основ теории управления автомобилем, позволяющей анализировать результаты испытаний и прогнозировать надежность функционирования системы"водитель-автомобиль^м;

практическое применение теории управления для разработки принципов нормирования свойств автомобиля, определяющих безопасность его эксплуатации.

- 14 -I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЦЕЖ ИССЛЕДОВАНИЯ

I.I. Понятия и терминология, используемые в работе Прежде, чем перейти к обзору работ по теории управления автомобилем, возникает необходимость уточнения используемых понятий. Это связано с тем, что принятая в автомобильной промышленности терминология / I / в некоторой мере не согласуется с терминами, принятыми в теории управления / 7 /. Применение при исследовании системы "водитель-автомобиль" (СВА) методов теории управления делает целесообразным приведение терминологии по управлению автомобилем в соответствии с терминологией теории управления и регулирования. Основополагающим в теории управления является понятие устойчивости движения. Оно относится как к системе регулирования в целом, так и к отдельным ее звеньям. В силу ряда причин в теории автомобиля понятие устойчивости относится только к автомобилю. То, что в теории автоматического управления понимается как устойчивость движения СВА, в теории автомобиля часто называется управляемостью / 63 /. В то же время в теории управления также существует термин управляемость, под которым понимается свойство системы или ее звена реагировать на управляющее воздействие / 82 /. Теория автомобиля не рассматривает вопросы управления продольным движением. В то же время управление боковым движением автомобиля является всего лишь частным случаем. С учетом изложенного, для описания управления автомобилем в настоящей работе были приняты приведенные ниже рабочие формулировки.

Надежность движения СВА - свойство системы сохранять устойчивость управления автомобилем в заданных условиях движения. Такой подход к оценке надежности системы "человек-машина" (СЧМ) заимствован из технической теории надежности и применяется в

- 1С- -

инженерной психологии / 30 /. Для краткости в дальнейшем будет использоваться термин "надежность управления".

Устойчивость движения СМ - свойство системы выполнять, с оговоренной заранее точностью, на--заданном отрезке пути задаваемый закон движения при наложении ограниченных по модулю возмущающих воздействий. Предлагаемая формулировка вытекает из понятия технической устойчивости движения / 26 /. Для краткости в дальнейшем будет использоваться термин "устойчивость управления".

Закон движения автомобиля описывается следующими функциями:

Закон продольного движения автомобиля задается зависимостью скорости перемещения центра масс в функции пути.

Закон бокового движения автомобиля или его траектория задается зависимостью бокового перемещения центра масс в функции пути.

Ограничение по модулю величины превышения угла уЕода задней оси над углом ввода передней.

Ограничение по модулю угла крена автомобиля.

Ограничение по модулю продольного угла крена автомобиля.

Управление скоростью в настоящей работе специально не исследуется^ в дальнейшем в основном будет рассматриваться управ-ление движением-автомобиля: по заданной траектории с--постоянной скоростью. В соответствии с / 7 / под управлением понимается преднамеренное воздействие водителя на автомобиль, направленное на достижение устойчивого движения СВА по заданной траектории. Точность управления траекторией есть количественная характеристика отклонения действительной траектории от заданной. Автомобиль, как управляемый объект, обладает определенной чувствительностью к воздействиям. Под управляемостью автомобиля понимается свойство автомобиля реагировать на управляющие возденет-

вия, под устойчивостью автомобиля, свойство курсового движения автомобиля с закрепленным рулевым управлением ' возвращаться к исходному рекиму после Еывода его из этого состояния и прекращения действия боковой силы. Принятая формулировка соответствует понятию устойчивости у Я.М.Певзнера / 76 /. Под устойчивостью против бокового скольжения - свойство автомобиля сохранять равновесие между боковыми силой и реакцией, возникающей в контакте колеса с дорогой. Под устойчивостью против бокового опрокидывания - свойство автомобиля сохранять равенство между опрокидывающим и восстанавливающим моментами. Под устойчивостью рулевого управления (стабилизацией управляемых колес) - свойство управляемых колес возвращаться в исходное положение после зывода из него и прекращения действия возмущения.

1.2. Обзор исследований по теории управления автомобилем В развитии теории управления автомобилем можно выделить три этапа. На первом имел место чисто кинематический подход к вопросам управления боковым движением автомобиля. Устойчивость рассматривалась с позиций статики как способность автомобиля противостоять заносу и опрокидыванию / 63 /. Учитывая низкие скорости автомобилей того времени и небольшие углы увода, вследствие малой эластичности шин, чисто кинематический подход к вопросу управления до определенного момента удовлетворял запросы конструкторов.

На Етором этапе вводится понятие устойчивости автомобиля. Его начало можно отнести к появлению в 1925 г.работы Брулье

Под закрепленным рулевым управлением понимается перемещение рулевого колеса по заданной программе (фиксация рулевого колеса, скачкообразный поворот с"последующей фиксацией, поворот по синусоидальному закону и т.п.) без учета реакции автомобиля на управляющее или возмущающее воздействие

- 17 -/Biouihtet 6. /, в которой, как указывают У.Ф.Миляикен / MUliken \м. / и Д.У.Уитком / Уееісоте 3)Е. /, было введено понятие бокового увода шин / 63 /. Открытие явления увода сделало возможным разработку теории устойчивости автомобиля с закрепленным рулевым управлением. Основные положения этой теории были сформулированы М.Олли / Оосеу М- Д Он предложил понятия: "избыточная поворачиваемость", "недостаточная повора-чиваемость" и "критическая скорость". Я.М.Певзнер использовал их и на основании ряда экспериментальных и теоретических работ / 72-75 / создал стройную теорию устойчивости автомобиля / 76 /. С помощью линейной математической модели автомобиля с двумя степенями свободы было выявлено влияние на его устойчивость коэффициентов сопротивления шин уводу и распределения массы по осям. Для случая, когда линейные уравнения приводят к значительной ошибке, была разработана диаграмма устойчивости. В работах академика Е.А.Чудакова были рассмотрены вопросы устойчивости автомобиля при входе и выходе из поворота / 99 /. А.М.Га-релик рассмотрел движение модели автомобиля с тремя степенями свободы (с учетом крена) и показал, что автомобиль с недостаточной поворачиваемоотью так же обладает "критической скоростью¹,' превышение которой приводит к колебательной неустойчивости / 17 /. Работы фон Эберхорста /Von IrB&lholstRl./ / 112 / и Я.М.Певзнера / 77 / заложили основы расчета поворачиваемости автомобиля в установившемся режиме движения с учетом крена и характеристик подвески. При создании гоночного автомобиля Мер-седес-Бенц W -196 по методике Эберхорста были выполнены расчеты по определению характеристик поворачиваемости и предельной боковой силы / 118 /.

Замену понятия "поворачиваемость" "статическим запасом устойчивости" (СЗ) нужно рассматривать как шаг вперед / 63 /.

- JL -

'Величина СЗ несет больше информации, так как она пропроциональ-на приращению восстанавливающего или дестабилизирующего моментов относительно вертикальной оси , отнесенных к базе автомобиля, что делает этот параметр безразмерным и не зависящим от базы. В то же время необходимо 'отметить, что и "поворачива-емость" и СЗ не учитывают абсолютных значений углоЕ увода осей. Не совсем удачен и выбор термина "статический запас устойчивости". В теории автоматического управления под запасом устойчивости понимается величина, на которую должен изменяться исследуемый параметр, чтобы система стала неустойчивой. В данном случае нулевой СЗ определяет не границу устойчивости, а границу тенденции к устойчивости или неустойчивости, если автомобиль не имеет крена, и границу между апериодической и колебательной неустойчивостью при наличии крена. По своему физическому смыслу СЗ является безразмерным коэффициентом момента, стабилизирующего курсовое движение автомобиля. Поэтому в дальнейшем вместо термина "статический запас устойчивости" будет применять термин "коэффициент стабилизирующего момента" (КСМ).

Изучение реакций автомобиля при енєшних возмущающих воздействиях проводилось в очень ограниченных масштабах. В своем обзоре / 63 / Д.У.Уитком и У.Ф.Милликен указывают ряд работ по аэродинамике автомобиля, выполненных в предвоенные годы. Наиболее серьезные исследования проводились в Штутгардте под руководством доктора Камма /Karnme W.S.E. /. В послевоенные годы в печати были опубликованы сведения о продувочных исследованиях гоночного автомобиля Мерседес-Ьенц W—196 е аэродинамической трубе.Некоторые вопросы аэродинамической устойчивости автомобиля были рассмотрены е работах Я.М.Певзнера / 75 / и Е.А.Чуда-кова / 99 /. Публикаций об исследовании елияния неровностей дорожного полотна на устойчивость автомобиля в рассматриваемый

период в печати не встречаются. Длительное время считалось, что величина КСМ не зависит от скорости, а определяется только величиной удельной баковой силы. Результаты последующих испытаний, в частности проведенных автором на полигоне, показали, что величина КСМ в нелинейной зоне зависит также от скорости автомобилия, или, что одно и то же, радиуса поворота при постоянной величине удельной боковой силы.

В 30-ые и 40-ые годы были выполнены исследования, посвященные устойчивости автомобиля против заноса / 71, 86, 87, 96-98 /, которая рассматривалась вне какой-либо связи с устойчивостью движения автомобиля. Устойчивость против опрокидывания рассматривалась с позиций статики, без учета динамических явлений, возникающих при крене подрессоренной массы / 99 /. Как самостоятельный вопрос развивались исследования устойчивости рулевого управления / 70 /.

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что за период с середины 30-х до середины 50-х годое путем введения понятий "поЕорачиваемость", а затем "статический запас" ("коэффициент стабилизирующего момента") и "критическая скорость" была решена задача оценки устойчивости автомобиля с закрепленным рулевым управлением. Теория позволяла еыявить влияние на устойчивость автомобиля таких конструктивных параметров, как коэффициенты сопротивления уводу шин, массы автомобиля и ее распределения по осям, угловой жесткости подвески и ее распределения между подвесками передней и задней осей, положения центра масс и оси крена, влияние тяговых и тормозных сил. Вопросы аэродинамической устойчивости были изучены слабее, а устойчивость автомобиля на неровной дороге не исследовалась совсем. Исследования устойчивости автомобиля против заноса не были связаны с устойчивостью движения автомобиля и рассматрива-

- 20 - лись с позиций статики. Тем не менее были выявлены такие важные вопросы, как распределение сил по колесам при постоянном и переменном угле поворота управляемых колес, влияние на устойчивость против заноса тяговой и тормозных сил, дифференциала, колеи, базы, координат центра масс. Исследования по стабилизации управляемых колес позволили составить представление о составляющих стабилизирующего момента. В то же время теория не рассматривала таких важных свойств автомобиля, как чувствительность к управляющим и возмущающим воздействиям.

Первыми недостаточность такого подхода ощутили создатели гоночных автомобилей, так как к концу 30-х годов максимальные скорости гоночных машин перешагнули рубеж 300 км/ч. Возможность использования высоких скоростных свойств стала определяться способностью гонщика управлять автомобилем / 9 /. В отсутствии теории поиск велся путем проб и ошибок, что стоило жизни многим гонщикам. Тем не менее к концу 40-х началу 50-х годов фирма "Даймлер-Бенц" при создании гоночных автомобилей, применяла концепцию / 119 /, которая близка современным представлениям, основанным на инженерно-психологических исследованиях. Величина КОМ должна быть положительной, но не очень большой. При движении с высокой скоростью на прямых участках и поворотах большого радиуса такая характеристика снижает напряжение водителя вследствие отсутствия необходимости стабилизации курсового движения автомобиля* При приближении боковой силы к пределу по сцеплению КОМ должен уменьшаться. Предел по сцеплению должен достигаться на задней оси раньше, чем на передней. Такое изменение характеристики устойчивости автомобиля позволяет опытному водителю при повышении скорости на входе в поворот снижать ее за счет заноса, сохраняя устойчивость управления автомобилем. Скорость вращения автомобиля после начала за-

носа должна быть как можно ниже, чтобы водитель имел возможность реагировать на занос поворотом руля раньше, чем автомобиль повернется на угол, исключающий возможность предотвращения потери устойчивости курсового управления. Это достигалось увеличением момента инерции относительно вертикальной оси.

Иная концепция была реализована на автомобилях Лянчиа-Фер-рари /9, 88 /. Они обладали небольшим отрицательным КОМ при высокой критической скорости. Момент инерции относительно вертикальной оси был снижен до предела для уменьшения времени реакции автомобиля на поворот руля при движении по траектории, но это одновременно увеличивало и скорость вращения при заносе. Эта концепция основана на том, что гонщик является оператором с особыми свойствами. Поэтому конструкторы данной фирмы стремились создать автомобиль, обладающий минимальным временем реакции на управление.

Результаты гонок и статистика катастроф при их проведении позволяют сделать некоторые выводы, о правильности принятых концепций. В 1953-1955 гг.^й,) гоночные автомобили Даймлер-Бенц были вне конкуренции и не имели катастроф. За период 1953-58 гг. на автомобилях "Лянчиа-Феррари" погибло 6 гонщиков, входивших в число лучших водителей мира. Все катастрофы произошли в результате внезапной потери устойчивости курсового управления автомобилем на повороте. Таким образом эмпирический опыт создания гоночных автомобилей позволил уже в 50-е годы сформулировать определенные требования к характеристикам устойчивости и управляемости автомобиля и использовать эти требования при создании автомобилей массового производства.

Автомобилизация породила проблему безопасности ав-

^ После 1955 г. фирма прекратила участие в гонках.

томобиля, что дало новый толчок работам по теории управления. Началом третьего этапа развития работ в этом направлении следует считать исследования, выполненные в США Корнельской авиационной лабораторией в 1954-57 гг. /63, 83, 88 /. В этих работах впервые был поставлен вопрос необходимости изучения СВА. В статье Д.У.Уиткома и У.Ф.Милликена / 63 / изложены общие понятия, используемые при изучении движения динамических систем с позиций теории автоматического управления- В другой работе /88/ эти же авторы на основании анализа модели с двумя степенями свободы рассмотрели вопрос использования теории управления автомобилем при конструировании. При этом исследовались установившиеся и переходные реакции автомобиля на управление, действие боковой силы и момента в зависимости от конструктивных параметров автомобиля. Была предложена новая константа, характеризующая величины реакций и устойчивость автомобиля - "фактор устойчивости " К ", который учитывает и КОМ,и коэффициент сопротивления шин уводу.

В работе Л.Сиджела / ІЄб L. / / 83 / была исследована линейная модель автомобиля с тремя степенями свободы. При исследовании установившихся реакций на управление было показано, что при учете крена в фактор устойчивости вводится поправка, которая определяется зависимостыо-между креном и кинематикой подвески, креном и перераспределением вертикальных реакций на колесах. В результате исследования были получены характеристики автомобиля как управляемого объекта. Отмечая важность указанных исследований, нельзя не отметить и ряда серьезных недостатков. Прежде Есего следует указать на ошибочное разделение устойчивости движения на статическую (в установившемся режиме) и динамическую (в переходном процессе), что противоречит классическому определению этого свойства /2, 7 /. Целью управления автомоби-

- 23 -автомобилем является движение по траектории, на что указывается, но недостаточно ясно, в работе / 63 /. Однако в работах /83, 88 / исследуются характеристики курсового, а не траєкторного движения автомобиля. При этом не было показано наличие органической связи между установившимися и динамическими реакциями на управление. В анализе результатов эти характеристики существуют независимо друг от друга. При рассмотрении вопроса согласования времени реакции автомобиля со временем реакции водителя / 88 / было дано ошибочное толкование оценки наличия или отсутствия обратной связи. Авторы считают, что если Еремя реакции автомобиля меньше времени реакции водителя, то это означает отсутствие обратной связи. Поставив вопрос о согласовании характеристик автомобиля с возможностями водителя /63, 88 / _t авторы не сумели сформулировать пути решения этой проблемы.

С начала 60-х годов количество работ по исследованию устойчивости управления автомобилем резко возросло, однако проблема создания теории управления автомобилем все еще далека от разрешения. Сложность изучения системы управления, включающей человка, вызвана его способностью компенсировать недостатки объектов управления и различием в характеристиках отдельных водителей. В попытках преодоления указанных трудностей можно Еыделить два направления. Представители первого направления,несмотря на особые свойства водителя как регулятора, исследовали лишь выходные показатели СВА - точность управления движением по заданной траектории. Представители второго направления пытались определить сложность управления на основании изучения характеристик автомобиля и управляющих действий водителя.

При измерении точности управления автомобилем, необходимо указать величину допуска, превышение которого в процессе испытаний становится опасным в эксплуатации. А при измерении парамет-

- ров автомобиля, характеризующих сложность управления, необходимо определить значения этих параметров, отклонение от которых при испытаниях означает, что автомобиль опасен в эксплуатации. Так как испытания не охватывают всего возможного диапазона изменения дорожных ситуаций, необходимо - каким-то образом, на основании результатов испытаний в ограниченном диапазоне дорожных условий и ограниченном наборе дорожных ситуаций прогнозировать безопасность эксплуатации автомобиля. Если при испытаниях ситуация по сложности значительно отличается от реальной, результаты испытаний трудно использовать для оценки безопасности автомобиля в эксплуатации. При оценке результатов испытаний нужно также иметь ввиду, что основная масса водителей по своей квалификации значительно ниже, чем водитель-испытатель. Поэтому полученные результаты необходимо перенести на СВА с менее опытным водителем.

Б исследованиях СВА важное место занимают работы А.С.Доб-рина /19, 20 /. Он первый провел экспериментальные исследования управления автомобилем по заданной траектории. Точность управления исследовалась в двух реальных случаях: движение по прямой и движение на повороте при превышении безопасной скорости на входе в поворот. Исследование точности управления при прямолинейном движении показало, что отклонения действительной траектории . от заданной носят случайный характер. Оценка точности производилась по максимальным отклонениям, которые имеют тенденцию к увеличению с ростом скорости движения. Исследование движения автомобиля на повороте производилось на кривых следующих радиусов: 15м, 25м, 35м и 50м, которые были размечены в виде полос движения шириной Зм. Для оценки устойчивости управления был предложен обобщенный измеритель - предельная скорость на входе в поворот V_no » которая определялась по одному

- 25 -яз трех возможных типов потери устойчивости управления: опрокидывают, заносу или невписываемости автомобиля в поворот. Введение V_np позволило связать между собой устойчивость управления движением по траектории, устойчивость курсового управления и поперечную устойчивость автомобиля. Одновременно впервые было показано влияние динамики на устойчивость против опрокидывания. Однако проведенное исследование не позволило выявить связи между результатами испытаний и безопасностью движения автомобиля.

Поскольку отклонения автомобиля от заданной траектории носят случайных характер, для оценки точности управленім при прямолинейном движении автором было предложено применить математический аппарат теории случайных функций / 44 /. При этом предполагалось, что наличие связи между средним квадратичным и предельным отклонениями позволит определить момент, когда повышение скорости приводит к появлению вероятности выхода автомобиля из полосы движения, заданной нормами на проектирование дорог. Тогда-задаваясь величиной допустшлой вероятности выхода из полосы движения, можно определить предельную скорость прямолинейного движения. Оценка точности управления с помощью теории случайных функций была сделана в работе / 61 /. Чтобы выяснить возможность нахождения V_nft , рассмотрим полученные в работе / 61 / результаты в сравнении с материалами исследований по определению ширины проезжей части автомобильных дорог / 24 /. Их анализ показывает, что дая безопасности движения между встречными автомобилями и между автомобилем и кромкой твердого покрытия необходимы зазоры, величина которых растет с увеличением скорости. Зависимость суммарного зазора от скорости описывается уравнением вида:

Ia_v=Za₀4- LV. (і.і)

/"і л

Если указанные зазоры определяются точностью управления, измеряемой при испытаниях, то величины К_уд , определенные в процессе испытаний и при натурных наблюдениях должны быть близкими. В табл. І.І. приведены значения K_VA » определенные из

работы / 61 /, и K_VA , полученные в результате осреднения результатов натурных наблюдений разных авторов / 24 /.

Таблица I.I.

Из приведенных в табл. І.І. данных следует, что зазор, необ-

ходимый водителю для безопасного движения по дороге, растет значительно быстрее, чем приращенные динамической ширины автомобиля в процессе испытаний. Изложенное показывает, что водитель при выборе скорости учитывает еще какие-то дополнительные факторы и, следовательно, измерение только точности управления недостаточно для определения \/_пр при прямолинейном движении. Большой цикл исследований по устойчивости управления, которые можно отнести к первому направлению, был выполнен под руководством А.А.Хачатурова. Поскольку основным методом исследования было моделирование на АВМ, потребовалось создание математических моделей автомобиля и водителя. Разработанные модели позволяют учитывать размерные, весовые параметры автомобиля и упругие характеристики подвески, влияние ее направляющего аппарата и упругие свойства рулевого управления. Много внимания было уделено разработке модели эластичного колеса. Модель водителя разрабатывалась для случая управления автомобилем при прямолинейном движении. Значения большинства постоянных, входя-

щих в выражение передаточной функции, определялись на основа- -нии эксперимента. Процесс самонастройки учитывался подбором коэффициента передачи водителя и постоянной времени форсирующего звена. Результаты многолетних исследований были обобщены в работах /93, 94 /. Они существенно расширили возможности изучения расчетным методом влияния конструкции автомобиля на его характеристики как управляемого объекта. Оценивая результаты исследований СВА, необходимо отметить, что они базировались на распространенных в 60-е и начале 70-х годов представлениях о возможности моделирования деятельности оператора с помощью передаточных функций. Такой подход не учитывал психических закономерностей, обуславливающих деятельность человека-оператора, и поэтому не мог привести к положительным результатам.

Попытки создания теории управления автомобилем предпринимались в Японии / 117, II9-I2I /. В этих работах СВА рассматривается как самонастраивающаяся система регулирования. Однако, несмотря на то, что они были проведены в 60-е годы, до сих пор отсутствуют сообщения об их практическом применении.

В свете изложенного можно объяснить то обстоятельство, что основным методом исследования устойчивости управления остается экспериментальный. В Европе для оценки устойчивости управления при маневрировании на высокой скорости получил распространение манеЕр "обгон" / 34 /. За критерий оценки принята максимальная скорость прохождения размеченного участка. В нашей стране наряду с "поворотом" получил распространение маневр "переставка", имитирующий объезд препятствия на прямолинейном участке. Для задания траектории при выполнении этого маневра М.А.Носенков предложил разметку в виде синусоиды / 68 /. За критерий оценки устойчивости управления была принята предельная скорость выполнения маневра V_np , которая рассчитывалась на

9,

— /CO —

основании результатов эксперимента и требований к расстоянию видимости для дорог различных категорий. В процессе эксперимента скорость движения по траектории повышалась до момента, когда водитель считал дальнейшее ее увеличение невозможным из-за опасности заноса, ухудшения демпфирования колебаний угловой скорости автомобиля, опасности отрыва колес одной стороны автомобиля от дороги, невписываемости автомобиля е траекторию. В результате испытаний определялась зависимость фактора демпфирования от скорости изменения центростремительного ускорения. За критическую величину на основании сопоставления результатов измерений с субъективными оценками водителей было принято значение фактора демпфирования угловой скорости автомобиля равное 10$. Как недостаток следует отметить, что \_р вычислялось, а не измерялось непосредственно. Его вычисление базируется на предположении о независимости характеристик автомобиля от скорости, что неверно / 22, 23, 39, 83 /. Поэтому результаты измерений демпфирования, полученные при одной скорости, нельзя переносить на другие скорости движения. Вычисление производилось по критическому значению демпфирования. В то же время в процессе испытаний ограничением может оказаться как превышение допуска на точность управления, так и опасность опрокидывания. В этом случае предложенный метод не дает способа вычисления V_np

Для устранения отмеченных недостатков автором был предложен метод испытаний, позволяющий определять потерю устойчивости управления при смене полосы во всем диапазоне скоростей движения / 45, 48, 56 /. Для этого на площадке размечалась двухполосная дорога, шириной 7м, что соответствует параметрам дороги Ш-й категории / 85 /. Траектория движения задавалась расстановкой резиновых элементов, которыми имитировалось препятствие и ограничивалась ширина входного и выходного коридороЕ. Меняя

9 с"

*"^ t^\j —

расстояние от конца выходного коридора до препятствия, можно моделировать аварийные ситуации для любой скорости автомобиля. Потеря устойчивости управления определялась так же как и в работах / 20, 68 /. Отличие заключалось в том, что потеря устойчивости управления траекторией определялась по наезду на резиновые указатели границ полосы движения. Аналогичные изменения были внесены в испытание при выполнении маневра поворот. Разметка поворота производилась с уширением полосы движения в соответствии со СНиП / 85 /, Первоначально предполагалось, что дая оценки результатов испытаний будет достаточным сравнить величины минимального расстояния объезда при постоянной скорости или величины максимальной скорости при постоянном расстоянии объезда или радиусе поворота. Однако, первые же испытания показали, что выбранный критерий часто расходится с субъективной оценкой испытателями автомобиль, имеющий лучшие показатели, по указанным критериям, субъективно может восприниматься как более опасный. Это привело к необходимости введения дополнительных измерителей и разработке методики оценки результатов по комплексу показателей / 48 /. Однако прежде, чем будет освещен этот вопрос, целесообразно рассмотреть развитие исследований, которые можно отнести ко второму направлению поисков путей оценки устойчивости управления - оценке сложности управления автомобилем.

Одной из первых в этом направлении следует считать работу В.Бергмана /Вегятап W. / / Ю5, 106 /. Идея доследования заключалась в следующем. Изменяя характеристики управляемости и устойчивости автомобиля, определяют их количественные показатели. Затем с помощью группы экспертов производится оценка испытываемых автомобилей. На основании результатов обоих видов испытаний строятся зависимости в плоскости параметров количест-

- ЗО -венный показатель - субъективная оценка. Построив графики, можно определить области значений параметров, соответствующих удовлетворительным оценкам. Однако успешность применения такого подхода зависит от правильности выбора характеристик, которые должны количественно описывать те же самые свойства, которые субъективно оценивает водитель при управлении. Попытка эмпирическим путем найти связи между такими характеристиками как поворачиваемость, демпфирование курсовых колебаний, угол бокового смещения, боковое ускорение, угловая скорость поворота и ее запаздывание по отношению к повороту руля и субъективными оценками водителей не привела к положительным результатам.

М.А.Носенков / 68 / в определенной мере повторил работы В.Бергмана. Он исследовал влияние квалификации и манеры вождения 15 водителей на их требования к характеристикам автомобиля. Результаты испытаний показали практически полное сходство оценок. Этот вывод имеет важное значение для разработки требований к характеристикам автомобилей. В отличие от В.Бергмана М.А.Носенков искал связи между характеристиками автомобиля и V_np . Были выделены следующие характеристики: чувствительность к управлению по кривизне, время реакции, КОМ, крен, стабилизация управляемых колес, легкость управления. Задачей исследования было нахождение статистической связи между перечисленными характеристиками и V_np . Обработка данных показала наличие таких связей. Однако вопрос определения оптимальных и допустимых значений характеристик автомобиля остался открытым.

Л.Л.Гинцбург предложил в качестве измерителя сложности управления при прямолинейном движении характеристику рассеивания отклонений рулевого колеса относительно нейтрального положения-- средне интегральное отклонение / 14, 15 /. В дальнейшем для

- ЗІ -

учета частотного спектра был предложен новый измеритель - средняя скорость вращения рулевого колеса, которая получилась умножением среднего интегрального угла на частоту поворота руля /16, 27 /. Выше было показано, что измерение точности движения по траектории недостаточно для оценки устойчивости управления. Поэтому измерение точности управления косвенным образом, через углы поворота рулевого колеса, не могло привести к положительном результатам.

В работах, развиваемых под руководством Б.И.Морозова / II, 31, 33, 65, 66 / поиск характеристик автомобиля, с помощью которых можно оценить сложность управления, велся на основании следующих соображений. Поскольку водитель компенсирует изменение передаточной функции автомобиля \%(р) так,что точность отслеживания траектории практически остается постоянной, можно определить передаточную функцию водителя \Х/п(р) . При соблюдении условия точного отслеживания траектории она будет равна:

_^^(р)_'ш>- ^(і_-²⁾

Были исследованы передаточные функции водителя по управляющему и нагрузочному выходам. Для описания процессов перестройки водителя при отработке без ошибки заданной траектории были использованы фазовые частотные характеристики по управляющему воздействию и нагрузке. Работа / 64 / явилась одной из первых, в которых была использована передаточная функция, описывающая боковое движение автомобиля. Однако осталось неясным, как связать полученные характеристики с безопасностью. Вызывает сомнение возможность использования в качестве эталона частотных характеристик автомобиля на жестких колесах, так как для нормальной работы оператора должно существовать определенное запаздывание в объекте управления /21 /. "Коэффициент сенсомотор-

ной активности" является оценкой интенсивности работы водителя. Выше было показано, что интенсивность его работы может не отражать сложности управления автомобилем. Это подтверждается так же исследованиями операторов в режиме слежения / 92 /. Не был рассмотрен вопрос о влиянии на сложность управления передаточных функций автомобиля по курсовому движению.

Экспериментальное исследование влияния конструкции подвески на характеристики легкового автомобиля как управляемого объекта было выполнено под руководством А.С.Литвинова /40, 41, 78, 95 /. Специально созданный автомобиль-макет позволял исследовать два варианта передней подвески и четыре - задней. Для оценки характеристик устойчивости и управляемости автомобиля был использован большой комплекс параметров: разность углов увода осей дб ; коэффициент передачи "поворот колес - боковое ускорение" и его аналог - коэффициент бокового смещения, равный отношению фактического бокового смещения на переставке к его расчетным значениям при том же маневре рулем на автомобиле без подвески с жесткими рулевым управлением и шинами; коэффициент передачи "поворот колес - угловая скорость поворота автомобиля"; отношение максимальных амплитуд боковых ускорений на осях и время запаздывания реакции при выполнении маневра "переставка" крен автомобиля и ряд других. В результате испытаний был получен уникальный материал, позволяющий исследовать "чистое"влияние конструкции подвески на характеристики устойчивости и управляемости.

В то же время, при принятой номенклатуре оценочных параметров и критериях их оптимальности анализ результатов испытаний приводит к противоречивым выводам. По одним параметрам лучшей является одна комбинация подвесок, по другим - другая. Возникновение указанных противоречий связано с тем, что в процессе

- 33 -исследования не удалось решить следующие вопросы: обосновать необходимость и достаточность номенклатуры выбранных параметров; определить критерии их оптимальности; найти комплексный показатель устойчивости управления автомобилем.

Таким комплексным показателем является надежность функционирования СВА. Идея его применения впервые была высказана В.Бергманом / 107 /. Выше отмечалось, что в процессе исследований, выполненных автором на автополигоне, было выявлено несовпадение между субъективной оценкой автомобиля и оценкой по скорости выполнения маневра. Аналогичный вывод был получен за рубежом / 89 /. Это потребовало разработки методики оценки результатов испытаний с учетом субъективных оценок испытателя, что было выполнено автором / 48, 50, 56, 67 /. Испытатель субъективно прогнозирует надежность функционирования СВА в моделируемой транспортной ситуации. Для краткости был предложен термин "надежность управления автомобилем". В процессе испытаний моделируются следующие транспортные ситуации: "разъезд на дороге с ограниченной шириной проезжей части ( в реальных условиях), маневры "переставка" и "поворот" (на автополигоне). Скорость разъезда со встречным транспортом повышается до максимальной или максимально-возможной по условиям безопасности. Для каждого значения скорости испытатель оценивает устойчивость управления траекторией, устойчивость курсового управления, поперечную устойчивость против опрокидывания и скольжения, возможность выполнить необходимый поворот руля, соответствие оптимуму реакции на поворот руля по амплитуде и запаздыванию, возможность получения информации о действии боковых сил по нарастанию усилия на руле. При выполнении маневров "переставка" и "поворот" перечисленные параметры оцениваются во всем диапазоне скоростей, вплоть до момента потери устойчивости управления. На основании

- 34 -опыта, накопленного в испытаниях, было выявлено, что интенсивность снижения надежности управления возрастает по мере наступления следующих событий: сноса, невозможности повернуть руль на требуемый угол, курсовой неустойчивости, опасности опрокидывания. Возможность точного движения по заданной траектории зависит от наступления перечисленных событий, а также от соответствия оптимуму характеристик управляемости, В изложенной методике характеристики точности и сложности управления рассматриваются в совокупности. Однако определение единичных показателей качества автомобиля как управляемого объекта имеет вспомогательное значение, поскольку не выявлены математические связи между единичными показателями и комплексной оценкой. Методика не предусматривает использование результатов инструментальных измерений. Отмеченные недостатки вызваны отсутствием теории, которая позволяла бы связать параметры, измеряемые при испытаниях, с прогнозом надежности управления в исследуемой ситуации.

Задача прогнозирования надежности управления автомобилем на основании результатов испытаний является частью более общей проблемы эргономики - прогнозирования надежности человека-оператора в системе "человек-машина" /5, 21, 29, 30, 42 /. Ее решение тесно связано с возможностью формализации процессов информационного взаимодействия оператора и управляемого объекта. Попытки применения теории информации для решения этой задачи не привели к положительным результатам /29, 42 /. Это связано с тем, что математический аппарат теории информации рассматривает процесс ее передачи безотносительно содержательной стороны и способности оператора повышать надежность своей деятельности в более сложных условиях /10, 29, 42 /. Иными словами, эта теория рассматривает человека как простой канал

- 35 -передачи информации, что не соответствует современным представлениям о психических закономерностях предметной деятельности человека /35, 36, 37, 38 /. Метод учета психических проявлений в деятельности человека-оператора был предложен М.А.Котиком / 29 /. Используя положения теории предметной деятельности, развиваемой советской школой психологии,он разработал модель саморегуляции оператора, работающего в автоматизированной системе управления. Основные положения, вытекающие из этой работы, можно сформулировать следующим образом.

Деятельность оператора протекает при наличии внешних и внутренних ограничений и направляется определенными мотивами. К внешним ограничениям в деятельности водителя относятся: допуск на точность управления, ограничения по курсовой устойчивости и устойчивости против опрокидывания, коэффициент сцепления. К внутренним- возможности водителя компенсировать отклонение свойств автомобиля как управляемого объекта от оптимума; его силовые и скоростные возможности, обученность. Его отдельные действия подчинены соответствующим промежуточным задачам, которые заключаются главным образом в приведении к норме отклонившихся регулируемых параметров. Возникшая в процессе деятельности оператора цель вызывает появление в сознании человека соответствующего плана действий, основанного на прошлом практическом опыте. Каждой операции плана сопутствует прогноз вероятности ее выполнения, основанный на оценке влияния наложенных на деятельность ограничений. На базе таких оценок формируется прогноз успешности всего будущего действия. Низкая вероятность успешного выполнения разрешаемой задачи порождает у человека значащие переживания, которые являются аффективной реакцией организма на личностный смысл неуспешности действия. "Уровень значимости переживаний отражает степень сложности операции для дан-

- Jo -

ного субъекта. Именно благодаря осознанию человеком значимости данной операции, сложность ее компенсируется избыточной энергией организма, и человек становится способным одинаково успешно решать задачи различной степени сложности. Таким образом возникает замкнутый контур саморегуляции деятельности оператора: с ростом сложности задачи возрастает уровень связанных с ней значащих переживаний, последние повышают уровень активности организма, что способствует успешному разрешению данной задачи независимо от ее сложности" / 29 /. Значимость информации определяется ограничениями.Например, для оценки степени точностных ограничений был предложен показатель - резерв точности. Это показатель определяется из выражения:

^S Д₆ - |Д„р- All . (1.4)

М.А.Котик предположил и экспериментально подтвердил, что,поскольку событию недостижения цели при различных значениях резерва присущи свойства пуассоновского потока, показатель значимости-тревожности информации можно вычислить на основании следующей .зависимости:

aesAi ШАоо

р(г**Д)=_е __е . (1.5)

Анализ выражения (1.5) показывает, что при значимости информации равной единице надежность равна нулю / 29 /.

На основании изложенного можно сделать еывод о том, что субъективная оценка лежит в основе всей деятельности человека. Этим и объясняется успешность применения субъективных оценок при доводочных работах с новыми образцами автомобилей,и становится понятным смысл субъективной оценки надежности управления автомобилем, который можно выразить следующим образом. На основании изучения в процессе испытаний характеристик автомобиля как управляемого объекта и представлений о возможных ситуа-

- Of -

циях, возникающих в эксплуатации, испытатель проигрывает в сознании возможные планы действии и оценивает вероятность достижения поставленных целей. Осуществление прогноза успешности своей деятельности (выставление субъективных оценок) производится испытателем на основании анализа всей имеющейся в его распоряжении информации об автомобиле, системе управления, дорожных условиях и опыте управления автомобилем е подобных ситуациях. Поэтому эти оценки не могут коррелировать с результатами измерений отдельных показателей, характеризующих точность или сложность управления автомобилем. Это яеилось причиной неудач е работах / 68, 105, 106 /.

Заканчивая обзор работ по теории управления автомобилем необходимо отметить, что большинство исследований,выполненных в последние годы, по-прежнему посвящено изучению вопросоЕ устойчивости и управляемости.

В монографии А.С.ЛитЕИНОЕа / 39 / рассмотрено влияние большого числа факторов на устойчивость и управляемость автомобилей. В используемых математических глоделях автомобиля было учтено влияние касательных реакций, нелинейность характеристик шин, увеличение сопротивлению движению на повороте, изменение скорости движения и угла поворота управляемых колес в процессе поворота. Результаты исследований позволяют объяснить ряд явлений, наблюдаемых в процессе проведения испытаний: увеличение К на входе в поворот и уменьшение его на выходе из поворота. При импульсном воздействии вследствие инерционности автомобиля боковая сила может значительно превосходить предельную по сцеплению величину. Показано влияние на величину и знак К типа привода: переднего, заднего, на все колеса. Выявлено, что наряду с V^p , соответствующей 0*0 , сущест-

- 3L -вует множество значений п , каждому из которых соответствует \^р < Vk_P . Установлено, что потеря устойчивости автомобиля происходит только в том случае, если величина Сї^а действует на автомобиль в течение промежутка Бремени больше некоторого критического значения. Результаты исследования подтвердили сделанный ранее /83, 88 / вывод о том, что автомобиль является объектом управления,изменяющим свои свойства.

Д.А.Антонов / 3 / развил теорию нелинейного увода и методы аналитического исследования устойчивости автомобиля, применение которых позволяет выявить физический смысл происходящих процессов. В результате исследований получено выражение для определения критической скорости автомобиля с любым числом осей и с учетом нелинейности характеристик шин. В более общем виде, чем в / 39 / исследована устойчивость автомобиля в неустановившихся режимах движения. Сформулированы требования к соотношению Углов поворота управляемых колес передней и задней осей многоосного автомобиля. Для оценки устойчивости автомобиля "в большом" был применен второй метод Ляпунова. Это позволило определить оптимальное распределение тормозных сил для автомобиля с любым числом осей при торможении с максимальным замедлением.

В работе Я.Б.Фаробина / 91 / исследована устойчивость и управляемость колесных машин с неповоротными колесами, сочлененных и многоосных автомобилей. Особенность его работы состоит в совместном рассмотрении устойчивости ' курсового и продольного движения, что становится существенным для спецавтомобилей, передвигающихся по деформируемым поверхностям.В этих условиях возможность поворота на низких скоростях определяется наличием резервов по сцеплению и тяге. При повышении скорости ухудшается траєкторная управляемость. Выполненное иссле-

— ої~ —

довашіе позволяет анализировать влияние конструктивных особенностей полноприводных машин на их устойчивость и управляемость в условиях движения по деформируемым поверхностям.

В работах, выполненных под руководством Б.С. Фалькевича /28, 32, 60, 62, 64, 90 / исследоваяось влияние на устойчивость и управляемость конструктивных особенностей автомобиля: продольной и угловой нсесткостеЁ и кинематики подвески, параметров рулевого управления, типа привода и характеристик шин; велись ра,-боты по совершенствованию методов испытаний. Кроме перечисленных, исследованием устойчивости и управляемости автомобиля занимается большое число ученых.

За рубежом к работам этого направления моено отнести исследования А. Къеза / Chiesa A. / / I08-II4 /, Д.Р.Элиса / EC&si-R. / / 102 /, М.Митцке / Mitchке И / / 123, 124 / и большого числа, другій / 104, ІІЗ-ІІ6, 122, 125, 126 /.

По сравнению с 50-ми годами существующая теория позволяет рассчитать реакции автомобиля на управление и оценить его устойчивость в неустановившихся режимах движения с учетом характеристик подвески, рулевого управления, тяговой и тормозной сил, типа привода, наличия резервов по сцеплению и тяговой силе. Однако она не указывает каїсие характеристики необходимо и достаточно определить и как их использова,ть для оценки надеЕности управления автомобилем.

1.3. Задачи исследования

Изложенное выше позволяет сделать вывод о том, что проблема создания основ теории управления автомобилем, позволяющей анализировать результаты испытаний системы "водитель-автомобиль" и разрабатывать рекомендации для повышения надежности ее функционирования, по-прежнему не решена.. Ее решение связано с возможностью учета психических проявлений в деятельности водителя пу-

тем использования результатов инженерно-психологических исследований саморегуляции и надёжности человека-оператора.

Целью настоящей работы является повышение надёжности управления боковым движением автомобиля, что требует решения следующих задач:

1. Уточнение описания дорожно-транспортной ситуации и свойств автомобиля как объекта управления на основе инженерно-психологического анализа деятельности водителя.

2. Разработка процедуры вычисления комплексной оценки надёжности управления боковым движением автомобиля, адекватно отображающей психические процессы преобразования информации при оценке ситуации водителем.

3. Разработка методики определения и оценки показателей надёжности управления боковым движением автомобиля.

4. Исследование свойств автомобиля как объекта управления.

1.3.Ь. Разработка методики нормирования показателей надёжности управления боковым движением автомобиля.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ исследование надежности управления

АВТОНОЬИЛШ

Деятельность во.дителя опирается на определенную информационную осноеу, которая отображает свойства автомобиля как управляемого объекта, состояние среды движения и алгоритмы управления автомобилем / 101 /, и которую так же называют информационной моделью автомобиля / 30 /. Для определения номенклатуры параметров, описывающих информационную модель автомобиля, необходимо провести анализ деятельности еодитєля.

2.1. Анализ деятельности водителя

Основной целью деятельности еодитєля является перевозка грузов (пассажиров). Эффективность достижения цели определяется критериями, которые Еыбираются в зависимости от задачи,стоящей перед водителем: перевозка груза с максимальной средней скоростью; перевозка груза с максимальной надежностью; перевозка груза с минимальным расходом топлива; перевозка груза с минимальной себестоимостью. Решение двух последних задач в данном исследовании не рассматривается.

При решении первых двух водитель должен определить и осуществить закон движения, обеспечивающий оптимизацию сеоєй деятельности по выбранному критерию. Рассмотрим, какая информация нужна ему для этого.

Для одиночного автомобиля план дороги определяет траекторию, по которой водитель должен провести машину. Зазоры между колесами и кромкой дороги, с одной стороны, и между автомобилем и встречным транспортом, с другой стороны, определяют требования к точности управления траекторией движения автомобиля. Максимальная скорость на прямолинейных участках определяется

- 42 -возможностью движения по заданной траектории с точностью, определяемой шириной полосы движения. На повороте появляется центробежная сила, которая ухудшает точность управления траекторией движения автомобиля и может вызвать боковое скольжение, курсовую неустойчивость или опрокидывание. Таким образом, ширина дороги и радиусы поворота задают максимальную скорость, с которой может проехать одиночный автомобиль. При появлении на полосе движения препятствий в виде разрушений дорожного полотна, стоящих или попутно двигающихся транспортных средств, пешеходов, животных возникает необходимость выполнения дополнительных маневров в плане, в пределах ширины дороги, и маневра скоростью. Следовательно, задаваемый закон движения в плане формирует и закон управления скоростью. При действии на автомобиль возмущающих воздействий со стороны дороги или воздушной среды возникают его боковые и курсовые отклонения. Для повышения точности управления необходимо, чтобы водитель получал информацию о возмущающих воздействиях раньше, чем начнется отклонение автомобиля. Это возможно, если при изменении боковой реакции будет изменяться усилие на рулевом колесе. В процессе управления автомобилем водитель непрерывно прогнозирует вероятность возникновения дорожно-транспортных происшествий (ДТП). Сопоставляя прогнозы вероятности ДТП при различных планах (при различных скоростях и траекториях движения), водитель выбирает наилучший с его точки зрения. Если текущие значения скорости и параметры траектории отличаются от выбранных, он осуществляет управление с целью приведения их к требуемым. Для управления автомобилем необходимо приложить управляющие воздействия,возмущающие его движение. Поскольку и управляющие, и возмущающие воздействия возмущают движение автомобиля, можно говорить о двух точках приложения возмущающих воздействий. В первом случае,

- 4c

когда Еозмущающим воздействием является выбранный водителем закон движения, оно приложено к управляющему элементу системы-- водителю. Во втором, когда возмущающим воздействием являются силы и моменты,приложенные непосредственно к автомобилю, оно приложено к объекту управления - автомобилю. Исходя из наличия двух точек приложения возмущающих воздействий (водителя и автомобиля), все многообразие возникающих на дороге ситуаций можно свести к нескольким типовым. Для случая приложения возмущающего воздействия к водителю можно Еыделить восемь ситуаций (рис. 2.1. и 2.2.): выдерживание в потоке безопасной дистанции; встраивание в поток; обгон; торможение на прямой; объезд препятствия на прямой; движение по кривой (частный случай - движение по прямой); торможение на кривой; объезд препятствия на кривой. Для случая приложения возмущающего воздействия к автомобилю - три ситуации (рис. 2.3.): действие боковой составляющей аэродинамической силы; действие боковой составляющей силы тяжести, вызванной поперечным уклоном дороги; действие дестабилизирующего момента, вызванного неровностями дороги, разностью тормозных,тяговых сил, сил сопротивления качению по бортам автомобиля.

В более общем случае может иметь место одновременное приложение возмущающего воздействия и к водителю, и к автомобилю, что увеличивает число типовых ситуаций до двадцати четырех. Каждая из рассмотренных типовых ситуаций накладывает ограничения, определяющие величины резервов, с которыми работает водитель. Чтобы получить количественные значения этих ограничений необходимо определить перечень и вид характеристик, описывающих информационную модель автомобиля. Поскольку в настоящей работе не исследуется управление скоростью, из дальнейшего рассмотрения были сразу же исключены ситуации, приведенные на

!2.r—-.-L^v2 !— rzrv,

I I

5 f_^m речного аЬтомоЬиля

ост.

₌₃

I J

і і

Sобъезда |

Рис,2,1, Схемы типових ситуаций при приложении вэзмущэющего

воздействия к водителю:

а - выдерживание дистанции; б - встраивание в поток;

в - обгон; г - торможение на прямой; а - объезд на прямой

Рис.2.2. Схемы типовых ситузциіі при приложении возглущающего воздействия к водителю:

з - движение по кривой; б - торможение иа повороте; в - объезд нз повороте

_till

_{II і 111 І}

Рис.2.3. Схемы типовых ситуаций при приложении возмущающего воздействия к автомобилю:

а- действие бокового ветрэ; б - действие боковой составляющей скли тяжести; в - действие дестабилизирующего момента

рис. 2.la."2.Іг.,2.16. и 2.2в. Исследование ситуаций, приведеннях нэ рис. 2.3.,затруднено из-за отсутствия в настоящее время возможности организации их экспериментального изучения. С этой точки зрения наиболее подходящими для исследования являются маневры "переставка¹¹ (рис. 2.Ід.) и "поворот"(рис.2.2а), для которых на автополигоне разработана и широко используется методика проведения испытаний*' /45, 48, 56 /. Траектория движения автомобиля при выполнении маневра "переставка" может быть аппроксимирована синусоидой /68 /. Это значительно упрощает и делает более наглядным теоретическое исследование информационной модели автомобиля, так как в этом случае описание его движения в нелинейной области возможно с помощью передаточных функций в сочетании с методом гармонической линезри-зации. Поэтому в дальнейшем наиболее полно исследовалась только одна ситуация - "перестэвкэ".

Для определения номенклатуры параметров информационной модели исследуем деятельность водителя при управлении боковым движением автомобиля.

Основной задачей водителя является отработка выбранной траектории движения с допустимой погрешностью. С увеличением бокового отклонения и от заданной траектории зазоры Д между автомобилем и границами полосы движения уменьшаются, и водитель уделяет все большее внимание точности управления.

Автомобиль как управляемый объект может быть устойчивым или неустойчивым относительно курсового движения. Курсовая неустойчивость возникает, когда разность углов увода осей дб достигает критического значения. До тех пор, пока текущее знэ-

*' При выполнении маневров "переставка" (рис. 2.Ід.) и "поворот" (рис. 2.2а.) скорость уменьшается в результате торможения двигателем и увеличения сопротивления движению.

чение дб значительно меньше д5_кр , водитель управляет автомобилем, не обращая внимания на изменение этого параметра. Однако, когда разница мевду текущим и критическим значениями становится меньше некоторой величины, водитель начинает учитывать возможность потери автомобилем курсовой устойчивости. Потеря автомобилем курсовой устойчивости еще не означает потерю устойчивости управления, если водитель в состоянии стабилизировать неустойчивое курсовое движение. Однэко существует предельное значение Д5_пр , при достижении которого никакие управляющие действия водителя уже не в состоянии стабилизировать курсовое движение.

Если угол крена автомобиля Л превысит предельное значение, произойдет опрокидывание, а при равенстве удельной боковой силы коэффициенту сцепления ф начнется боковое скольжение* Пока значения угла увода, крена и удельной боковой силы значительно меньше предельных, водитель управляет автомобилем без учета этих параметров. Но как только А и О, превысят некоторые величины, он начинает учитывать эту информацию. Угол крена Л , так же как и разность углов бокового увода, имеет два предельных значения. Одно относится к автомобилю Акр » ДРУгое - СВА А_Пр. Следует отметить, что стабилизация угла крена после потери автомобилем поперечной устойчивости несоизмеримо сложнее задачи стабилизации курсового движения.

Для движения по заданной траектории водитель осуществляет поворот рулевого колеса по определенному закону. До тех пор, пока угол и усилие поворота рулевого колеса невелики, выполнение моторного действия не вызывает затруднений. Однако после того, как угол о( , усилие Рр и частота поворота ру-

левого колеса превысят некоторые величины, у водителя возникнут трудности. Очевидно, что существует максимальный угол поворота рулевого колеса, на который можно повернуть его при определенных значениях максимального усилия и частоты поворота.

Рассмотренные характеристики: точность управления, устойчивость против бокового скольжения и опрокидывания, курсовая устойчивость и моторная характеристика входят в информационную модель автомобиля и определяют физическую реализуемость заданного закона движения. Возможность его реализации определяется ограничениями по точности управления, предельному значению боковой силы, собственным силовым и скоростным возможностям выполнить требуемый поворот руля, которые наложены на деятельность водителя.

Кроме перечисленных в информационную модель входят характеристики другого типа, которые описывают внутренние ограничения водителя по способности воспринимать и эффективно использовать поступающую к нему информацию или описывают загрузку водителя дополнительной деятельностью, которая может осуществляться автоматическими системами.

Управляемые колеса могут обладать устойчивостью и могут быть апериодически или колебательно неустойчивы. В случае неустойчивости управляемых колес водитель будет загружен дополнительной деятельностью по их стабилизации. В качестве измерителя устойчивости управляемых колес можно принять коэффициент демпфирования их колебаний _б . При значениях Е_й^ 1 колеса практически не возвращаются в нейтральное положение, а при q ** О возникают их автоколебания. Так как имеется верхняя и нижняя границы устойчивости, существует и оптимальное значе-

- 50 -ниє g_Q , при котором задача стабилизации управляемых колес наиболее полно выходит из-под сознательного контроля водителя.

Автомобиль обладает определенной боковой реакцией на поворот руля, определяющей его траєкторную управляемость. Если эта реакция не соответствует требованиям водителя (оптимуму), он начинает перестраивать свои характеристики для сохранения надежности управления на требуемом уровне. Однако возмозности человека ограничены. Поэтому существуют верхний и нижний пределы изменения коэффициента передачи "поворот руля - удельная боковая сила" к, и временного запаздывания мевду поворотом руля и появлением боковой силы (ускорения) - i^o , при достижении которых компенсаторные возможности водителя оказываются исчерпанными. Существование оптимума, верхнего и нижнего пределов изменения чувствительности к управлению по амплитуде и временному запаздыванию на управление были подтверждены результатами инженерно-психологических исследовании в авиации / 21 /, работами по экспериментальной психологии / 92 /.

Двигательный акт является достаточно сложным действием. Для его точного осуществления необходимо постоянное поступление в центральную нервную систему перцептивной информации о положении рук и изменении в процессе поворота усилия, на основании которой в движение, по ходу его выполнения, непрерывно вносятся поправки / 30 /. Эта информация определяется углом поворота руля <= и коэффициентом передачи "удельная боковая сила - усилие на руле" K_oF . Водитель не может точно выполнить движение рулем, если текущий угол его поворота и изменение усилия на нем меньше значений нижнего порога различения. Когда угол поворота руля превысит 180-220 водитель вынужден перехватывать его руками, что приводит к потере обрат-

- 51 -ной связи и ухудшает точность регулирования поворота. Таким образом имеются оптимальные значения угла поворота хуля а( и коэффициента К<>р . При достижении предельных по возможностям водителя значений происходит потеря информации по этим каналам. Изменение указанных параметров описывается характеристикой, которую можно назвать перцептивной характеристикой рулевого управления. Нетрудно заметить, что характеристики моторного действия и перцептивная отличаются только величиной пределов и наличием или отсутствием оптимума. Правильный выбор коэффициента kat позволяет информировать водителя о действии на автомобиль внешних боковых сил раньше, чем автомобиль начнет на них реагировать. Это существенно повышает точность управления.

При потере автомобилем курсовой устойчивости водитель должен в дополнение к отслеживанию ззданной траектории движения стабилизировать параметр дб . После того, как он станет равным Дб_лр , никакие управляющие действия водителя не смогут предотвратить потери устойчивости курсового движения. Скорость изменения параметра д5 определяет время ^дб_Пр * в течение которого д5 станет рзвным Дб_пр . Для стабилизации курсового движения необходимо осуществить моторное действие, которое описывается характеристиками изменения угла Ы^ и усилия Fp^g поворота рулевого колеса. Рассмотренные характеристики: устойчивость курсового движения, запаздывание реакции водителя на потерю курсовой устойчивости, моторная характеристика курсовой стабилизации входят в информационную модель автомобиля и определяют физическую реализуемость задачи стабилизации курсового движения. Стабилизация курсового движения осуществляется поворотом рулевого колеса против направления

- 52 -вращения автомобиля, что вызывает уменьшение |дб1 . Курсовая управляемость определяется величиной коэффициента передачи "поворот руля - разность углов увода" к^_дБ и запаздывания курсовой реакции на поворот рулевого колеса - %*&б Осуществление моторного действия при курсовом управлении осуществляется точнее при наличии перцептивной информации об угле поворота рулевого колеса.

Вероятность стабилизации угла крена после потери автомобилем поперечной устойчивости в реальной эксплуатации практически равна нулю. Повышение надежности реализации физических возможностей автомобиля в отношении устойчивости против опрокидывания требует иного подхода, чем в случае улучшения устойчивости курсового движения. Максимальное приближение боковой силы к предельному по опрокидыванию значению при минимальной загрузке внимания водителя информацией о крене автомобиля возможно, когда скольжение передней оси начинается несколько раньше, чем будет достигнута боковая сила, вызывающая опрокидывэние автомобияя. Поэтому в информационную модель входит характеристика резерва угла поворотэ рулевого колеса, на который водитель может повернуть его до начала опрокидывания.

На рис. 2.4. и 2.5. приведены в обобщенном виде два типа характеристик, описывающих изменение параметров информационной модели в функции удельной боковой силы и показано определение резервов управления. Приведенные на рис. 2.4. характеристики отличаются тем, что увеличение модуля измеряемого параметра означзет уменьшение резерва, остающегося в распоряжении водителя. Понятие "резерв" в данном случае эквивалентно понятию "запас устойчивости". Особенностью характеристик,

E-fyAf.A.rfwSi.cte.Fp)

^-^

Я»

іп_Р г

Рис.2.4. І'рафик характеристики первого типа, опиоыващил в обобщенном виде изменение резервов по параметрам информационной модели автомобиля» определяющих физическую реализуемость заданного закона движения

_{в ^L^^^VrfcisW}

Рио.2.5. График характеристики второго типа, описывающий в обобщенном виде изменение резервов по параметрам информационной модели автомобиля, определящих ограничения по возможности компенсации водителем неоптималыюсти свойств автомобиля, как управляемого объекта

- 54 -изображенных на рис. 2,5., является то, что имеется верхнее и нижнее предельные значения. Одно и то же изменение модуля измеряемого параметра может привести как к уменьшению, так и к увеличению резерва в зависимости от того, ведет ли это изменение к приближению или удалению от оптимума. Отмеченные особенности являются отражением того, что характеристики, приведенные на рис. 2.4., определяют, как уже говорилось выше, физическую возможность движения по заданной траектории, а характеристики, изображенные на рис. 2.5., описывают неоптимальность свойств автомобиля как управляемого объекта. Дяя удобства грзфик, изображенный на рис. 2.4. будем называть характеристикой первого типа, а на рис. 2.5.- второго типа.

Сложность выполнения задаваемого водителю маневра определяется геометрией траектории и скоростью движения автомобиля. Расстояние переставки S_n , величина смещения автомобиля после завершения маневра У$ , радиус поворота R и скорость автомобиля являются информацией, на основании которой водитель прогнозирует успешность выполнения заданного маневра. В плоскости параметров V и S_n можно выделить области устойчивости и неустойчивости. Зависимость минимального расстояния переставки от скорости $_Пгп^ 4j(V) является грзницей устойчивости управления. В свою очередь область устойчивости можно разделить на две зоны - штатных и нештатных режимов управления. Переход в зону нештатных режимов означает усложнение деятельности водителя, вызванное ухудшением точности отслеживания траектории, курсовой устойчивости или устойчивости против опрокидывания. Границы указанных зон соответственно определяются следующими зависимостями: 5_Пт= ^(V)^ S_n - ^0^ и

$ « $ (V) В соответствии с изложенным, перечисленные за-

^{р Ъ} с \

висимости описывают связь пороговых значений Ч , ДО_п и А_п

&

_№

Попр

$п^оп_Р)

Облаешь устойчивости

Зона штатных

зона нештатных ремипаЬ

Область нччстойииЬоети

bn_KVPC№_Hyd

V

?'-іс.2.6. Характеристики устойчивости управления аетсмобялвгл: /////у - граница устойчивости упрязленітл; 2sasj2^ - граница лорехо

^3 ОТ ШТАТНОГО '?9.Х!М^;-Ї

::ЄГіт.чт:-іо:.Г7

- 56 -с V и S_n Их график показан на рис. 2.6. Гранину зоны штатных режимов определяет кривая, расположенея выше и левее, другие - определяют границы дальнейшего усложнения деятельности водителя. Аналогичные кривые можно построить и в плоскости параметров V и R . График на рис. 2.6. можно рассматривать как характеристику устойчивости управления автомобилем.

2.2. Значимость перерабатываемой водителем информации Для вычисления значимости информации (прогноза вероятности недостижения цели управления) необходимо знать резервы, имеющиеся у водителя. Обозначим параметры информационной модели, приведенные на рис. 2.4., Ч _% 9 > Д^> ^э ^м, ^FP И \_Ъ - через Е , а параметры , ІЦ_#<Ц ,U,

Lp, к 6,^д8^И is_n~ ^через Ф * ^{Тогда на основэнии} / ^2Э /
можно записать: ге$& zesfmax

Р(«С).Є ^-6^-, _(2Л)

Р^ій-е"⁴-є "* <²-²>

Первые члены уравнений (2.1) и (2,2) определяют прогноз вероятности недостижения цели, вычисленной по текущим значениям резервов ^J3S ^ и 'iesQt . Вторые члены уравнений определяют прогноз вероятности недостижения цели при максимальных, значениях резервов ^QS F_mQX и 2e$Q_mQ* . Из вырэжений (2.1) и (2.2) вытекает, что значимость информации равна приращению вероятности недостижения цели относительно ситуации, в которой значения текущих резервов максимальны. Максимальная величина ^0SC_mQX равна бесконечности, что соответствует ситуации, когда СВА абсолютно устойчива и отпадает необходимость в управлении. При этом второй член становится рэв-

ным нулю и уравнение (2.1) можно переписать:

Р(ге5Е)=о"^⁵: ⁽²'³⁾

Максимальная величина lesQna* ограничена. Это означает, что

tesQnww

= con

1QSQ_n

st = г

Следовательно уравнение (2.2) можно переписать

PtesQ)-e^ е ⁽²-⁴⁾

Анализ выражений (2.3) и (2.4) показывает, что значимость информации определяется не абсолютной, а относительной величиной резерва. Значение i$E_n(Qn) является пороговой величиной. Если значения 3es;(Qt) больше i&sE_n

га)

, прогноз вероятности недостижения целей управления становится незначимой информацией, и управляющие действия выходят из-под сознательного контроля, превращаясь в автоматизированные действия-навыки. Когда значения zest; (Qi) меньше ZQsE_n(Q_n)₉ прогноз вероятности неуспешной деятельности становится значимой информацией, что приводит к включению механизма саморегуляции. Пос-кольку Q г 0,36< , эта величина значимости информации является порогом, при котором происходит переход от автоматизированных действий к включению механизма саморегуляции. Из форг^улы (2.4) следует, что максимальная значимость информации этого типа не может превысить 4- в .В этом отражается различие между двумя типами характеристик информационной модели, Действительно, равенство нулю резервов по параметрам М ,

дб и А означает потерю устойчивости управления. При равенстве нулю резервов по параметрам О, и г_р начнется процесс уменьшения до нуля резервов по одноцу из параметров:

и , д5 или Л Это, в конечном счете , приведет к потере устойчивости управления. А равенство ну-

- 58 -лю резервов по параметрам, обозначенным через Q , означает следующее: управляемые колеса неустойчивы и задача их стабилизации целиком ложится на водителя; изменение к^ и Т. больше не может компенсироваться водителем и он превращается в автомат с постоянными коэффициентами; информация о величине угла поворота руля и изменении боковой силы не поступает к водителю, и он ориентируется только по боковому движению автомобиля. Равенство нулю резервов по перечисленным выше параметрам информационной модели не может вызывать непосредственно потери устойчивости управления автомобилем, что и выражается в ограничении: Р OtesQ;) * 1 - Є"

Вычисленные по формулам (2.3) и (2.4) вероятности определяют значимости отдельных параметров информационной модели автомобиля, формирующих комплексную оценку. Комплексная оценка представляет прогноз вероятности потери устойчивости управления автомобилем, которая может наступить в трех случаях: превышения допуска на точность управления (резерв точности управления равен нулю); потери курсовой устойчивости (резерв курсовой устойчивости равен нулю); потери поперечной устойчивости (резерв устойчивости против опрокидывания равен нулю). Из изложенного следует, что явление потери устойчивости управления автомобилем непосредственно описывается тремя характеристиками информационной модели. Изменение остальных ее параметров влияет на вероятность потери устойчивости управления. Применение методов теории вероятностей / 12 / позволяет решить задачу вычисления комплексной оценки при известных значимостях отдельных параметров информационной модели.

Рассмотрим следующую группу событий: Н - потеря устойчивости управления автомобилем; Н_д - потеря устойчивости управления траекторией; H^g - потеря устойчивости курсового уп-

- 59 -равнения; R_A потеря поперечной устойчивости; Мір- резерв сил сцепления шин с дорогой равен нулю. Событие потери устойчивости управления автомобилем является суммой и произведением следующих событий: ^

Н=Н^ЯА^+Й_Л5_^+Йа_: _ (2.6) Наступление любого из событий: Н_д , M^g и Н_Л , - означает потерю устойчивости управления автомобилем. Наступление события My приводит к потери устойчивости управления только в том случае, если одновременно с этим произойдет событие Нд. Каждое из событий, входящих в выражение (2.6) может быть представлено в виде сумм и произведений событий, связанных с событиями равенства нулю резервов по параметрам информационной модели автомобиля:

Н^ Ъ+Ж+Щ+Ъв^н+Ъв^п? (2.7)

где в правой части записана следующая группа событий: В -резерв

5^м o^MQ^M

точности управления равен нулю; о =о^о_р - резерв возможности выполнения необходимого моторного действия равен нулю; о^ -резерв возможности поворота руля на необходимый угол равен нулю;

р - резерв силовых возможностей водителя, ооеспечивающии необходимый поворот руля равен нулю; M_Q - резерв стабилизации управляемых колес равен нулю; в ^Я3+В - резерв компенсации неоптимальности характеристик траекторной управляемости автомобиля равен нулю; В^ - резерв компенсащш неоитимальности коэффициента передачи К<о равен нулю; В< - резерв компенсащш неоптимальности запаздывания реакции автомобиля %& равен нулю; В^ПЦ=В^+В"^Ц - резерв возможности получения перцептивной информации в процессе поворота руля равен нулю; ВТ - резерв возможности получения перцептивной информации об изменении угла поворота руля равен нулю; d_f - резерв возможности получения перцептивной информации об изменении усилия на руле равен нулю.

—. - пц

R* - IV N_i6 ^. М_л6В^ ^₅В_л5 , (2.8)

где в правой части записана следующая группа событий: М- -резерв курсовой устойчивости автомобиля равен нулю; В~ - резерв времени, имеющегося в распоряжении водителя для стабилизации курсовой неустойчивости равен нулю; В.с = Я^^чБ ~ Р^е~ зерв возможности выполнения моторного действия для стабилизации курсового движения равен нулю; В^ - резерв возможности поворота руля на угол, необходимый для стабилизации курсово-

Lg- - резерв силовых возможностей водителя, обеспечивающий необходимый для стабилизации курсово-

го движения поворот руля, равен нулю; бд^^лК ⁺ &л&г ~ Р^езеР^в компенсации неоптимальности характеристик курсовой управляемости равен нулю; ^дБь. ~ резерв компенсации неоптимальности коэффициента передачи к\ ^ равен нулю; Вд5<г " Р^езерв компенсации неоптимальности запаздывания реакции автомобиля на поворот руля T^₅ равен нулю; о_дс - резерЕ возможности получения перцептивной информации об изменении угла поворота руля в процессе стабилизации курсового движения равен нулю.

Н^^М^В", (2.9)

где 14 - резерв устойчивости автомобиля против опрокидыва-ния равен нулю, при наличии резервов по сцеплению М<л и возможности выполнения моторного ДЄЙСТЕИЯ о

Для определения процедуры вычисления комплексных оценок необходимо уточнить структуру параметров информационной модели. Проведенный анализ показал ее сложность. Так как параметры информационной модели являются показателями потребительских свойств автомобиля, для уточнения их структуры была использована типовая структура / 103 /. Составленная на этой основе

структура потребительских свойств автомобиля приведена на рис.

- 61,-

її, л о В Я

о ой

ц; ио

о р *

PI ч о

OSS!

М м лі

С> О І»'

Я it

**М я о

і* м г-і fXW »ч О «і! t-: і* * м; о

.. о ;{ .і v-j о

її її <> t; *ї 'і Р!

м мЧ

r) n* N ь\ М о

о P H ui о ^J о о

^ШШйй

і і і

і.: <.> гч .-

ti L]jN

W itf o.i

8 а ^мв ш g Щ и

Ы о ч>

о -л (< t\

р* *: о

і- л- Ц М

О 1*И_ V «і ОО 6 f« Mi-«

h»! і

с» <> —'

І б р I

t* В . О 'Л

о I* U о

С' О |Л,С

п и ел « ftp о г-,

5», .

« НІ

Й1 о

С> t: > Q

й» о .а о о «

» ' Й4ІЇ о

о о л и

О М О О ЇІ О 1« !*»

1 I

С» 1-ї

ы -{ —

ЇЦЯ.

»1 о« «\? да iQ

с» и 14 *'*

о ПЛІ о ?; № о »"»: № s;

а я-В asfts

с d н о

«А ВІВ

BS.S

о о Л

сі г4

икр;

н я ь

о М L] .а

ЛІ К 0І 1-4 1« at 1« О С» t« rf о

у: CJ г-.іч .-»t.»: Н U о t-І м

а» о eJ о 1 и № Ч

Г U U

Mx^S, Ы о

а» І і-)

I I 1

2.7,, которая показывает, что в информационную модель еходят -параметры, описывающие функциональные и эргономические свойства автомобиля.

Проведенный выше анализ деятельности водителя и схема на рис. 2.7 позволяют представить укрупненную структуру параметров информационной модели автомобиля при управлении боковым движением, которая показана на рис. 2.8. В соответствии с приведенной схемой все параметры можно разделить на три группы: траекторные, курсовые и параметры крена. В каждую группу входят функциональные и эргономические параметры. Один из функциональных параметров является определяющим в своей группе: Д - в группе траекторных параметров; дб - курсовых; Л - крена. Потеря устойчивости управления возможна только при равенстве нулю резерва по одному из определяющих параметров. Изменение функциональных параметров описывается характеристиками первого типа (см.рис. 2.4.). Эргономические свойства описываются характеристиками второго типа (см.рис. 2.5.), за исключением характеристики моторного действия. Характеристики устойчивости против бокового скольжения и моторного действия, необходимого для движения по траектории, входят одновременно в группы траекторных параметров и крена. Как траєкторний параметр, о определяет величину удельной боковой силы, вызывающей боковое скольжение. В группе параметров крена Q несет важную для водителя информацию о том, что произойдет раньше, - начнется скольжение колес или автомобиль опрокинется. Как траекторные параметры Ы. и ^р определяют, соответствуют ли скоростные и силовые возможности водителя требуемым для выполнения необходимого поворота рулевого колеса. В группе параметров крена Ы и г_р информируют водителя о степени приближения к <Ж\_пр$ при котором произойдет опрокидывание автомобиля. Чем ближе

Эксилуатационные

СЕОЙСТЕа

Чіс.2.8. Структурная схема, иллюстрнруодая связи параметров информационной модели с эксплуатационными свойствами при управлении Оокоеым движением.

с\ к текущим значениятд, на которые поворачивается рулевое колесо при движении по заданным траекториям, тем выше вероятность опрокидывашш в результате ошибки водителя.

Уточнение структуры параметров информационной модели позволяет определить процедуру вычисления комплексных оценок. При известных прогнозах вероятностей отдельных элементарных событий вероятности сложных событий, описываемых выражениями (2.6)-(2.8), вычислил по формуле определения вероятности суммы совместных событий / 12 /:

А вероятность события, описываемого выражением (2.9), вычислим по формуле умножения веротяностей / 12 /:

Р(ВДА)-Р(4) Р(0₂/о,)р(о₃/о,о_г1 (2.П)

Вычисления по формулам (2.6)-(2.8) и (2.10)требуют выполнения операции умножения вероятностей. При этом возникает необходимость определения наличия или отсутствия зависимости между перемножаемыми событиями. Ввиду сложности решения этого вопроса можно получить предельные оценки: снизу, когда события независимы, и сверху, когда наступление одного события повышает вероятность другого до І. В настоящей работе была использована только одна оценка - снизу.

При вычислении комплексной оценки в формулу (2.10) необходимо подставлять значимые величины P(zesQi) . Изложенное выше позволяет сформулировать правила определения значимости параметров информационной моделі автомобиля: параметры, принадлежащие к одной группе, могут стать значимыми только в том случае, когда значимым является определяющий параметр, Условия перехода определяющих параметров в значимую область, а при значимых значениях определяющих - любого другого параметра, можно записать в виде неравенства

- G.j -

*$ JQJ * гее Єі<Ш. (2.12)

Зависимости комплексной оценки вероятности невыполнения заданного маневра от скорости при постоянных значениях S_n ,

У($ и R , зависимости от S_n и R при постоянных значе
ниях V и У$ , зависимости от rig при постоянных значе
ниях S_n и V можно назвать характеристиками надежности
управления автомобилем при выполнении заданного маневра. В ка
честве примера на рис. 2.9. показан вид характеристики надеж
ности управления автомобилем при выполнении "переставка" с воз
растающей скоростью - C(H)=C(V) . Представленная зависи
мость позволяет качественно и количественно анализировать на
дежность управления автомобилем. При значении С(п) ^s 1
происходит потеря устойчивости управления. Значение, соответст
вующее этой точке, лежит на кривой ^Пти>⁼ < » приведен
ной на рис. 2.6. Значению соответствуют величи
ны п * ^ПР^И которых прогноз вероятности потери устойчивости
управления незначим. На рис. 2.9. видно, что изменение С(п)
в некоторых точках происходит скачком. Такой характер изменения
величины С(п) получен математически. Скачки возникают в
точках перехода в значимую область новой группы параметров.
Поэтому их не может быть более двух, когда точки перехода каждой
из трех групп в значимую область не совпада или не будет
совсем, если все группы параметров станут значимыми одновремен
но. Возможность скачкообразного изменения характеристики надеж
ности управления не противоречит выводу о том, что "устойчивость
деятельности человека является свойством, обладающим резко вы
раженной дискретностью, т.е. переход с одного уровня устойчи
вости на другой совершается скачком" / 25 /. С помощью графика
на рис. 2.9. можно сравнивать результаты испытаний нескольких

C(H)

_№

С(Нбб)

_С(Даб)

СФ), С(м₉)

_с(ЯЛ

_СФх)

с№)

_с(Й

Рис.2.9. Характеристики надежности управления автомобилем при выполнении манеЕра "переставка", $ = Comt

автомобилей. Большей надежностью управления будет обладать автомобиль, у которого кривая C(fl)=C(v) проходит ниже и правее. На рис. 2.9. нанесены зависимости прогноза вероятности потери устойчивости управления, вычисленные по отдельным параметрам информационной модели. Эти характеристики можно назвать единичными характеристиками надежности управления. С их помощью можно выявить значимые параметры информационной модели, и тем самым определить причины снижения надежности управления, наметить пути их устранения. Из изложенного следует, что можно также вычислить комплексные оценки вероятности потери устойчивости управления по группе параметров информационной модели: траєкторним, курсовым или крена, которые назовем частичными. Разработанная теория позволяет анализировать влияние параметров информационной модели на надежность управления боковым движением автомобиля и определить основные пути ее повышения:

увеличение V_np , что повышает предельные возможности системы;

приближение V_n (ЧрЛкарс.Члр) ^к Чр » ^чт0 У^^ет диапазон скоростей, соответствующий нештатным режимам движения;

предотвращение перехода в значимую область группы курсовых параметров, группы параметров крена; эргономических параметров, входящих в группу траєкторних, что снижает скорость увеличения значимости ситуации при приближении к V_np.

Возможность повышения Чір ограничена силой сцепления и устойчивостью против опрокидывания. Увеличение V_n является комплексной задачей.При наиболее полном ее решении две группы параметров - крена и курсовые, а так же эргономические параметры траекторной группы могут оставаться нез-

начимыми до момента потери устойчивости управления. При низком расположении центра масс (ЦМ) перевод в незначимую область параметров группы крена не представляет труда, У автомобилей с высоким расположением ЦМ решение этой задачи связано с ограничением возможностей водителя по приложению

. управляющего возмущения, вызывающего опрокидывание. Как изменится в этом случае С СКх) можно выявить с помощью уравнений (2.9) и (2.10). Для этого подставим: С(М(р)=1-С(Му)

. Выполнив преобразования получим:

«flj- С(М_А)[1-С(^)][1-С(В^м)] . (2.13)

Для большей наглядности результатов анализа рассмотрим раздельно влияние каждого ограничивающего параметра, так как после достижения предела по одному из них, величина резерва по второму уже не повлияет на C(HjJ . Проведя преобразования, получим два уравнения:

tffl_A) = ССМ_А) - C(R₄) C(M_A/M_f), (2.14) сіЮ - c(R_x) - с (В^м) С (й_Л/В^м). ^(2Л5)

Из уравнений (2.14) и (2.15) следует, что после наступления событий М<р и В величина Ц^>)⁼0 , так как при этом:

^{cw-1 , С(й> СА^/ВД ; С(ВМ) = 1 ,ам}_л^)=с(м_л^{/вм) .}

Физический омысл этого явления очевиден. Если боковая сила,

вызывающая скольжение колес, меньше усилия приводящего к

опрокидыванию, то последнее становится невозможным, и после

начала скольжения колес прогноз вероятности опрокидывания

будет равен нулю. Аналогичное явление будет иметь место при

равенстве нулю резервов возможности выполнения необходимого

поворота руля. Изложенное позволяет объяснить, почему при установке на переднюю ось стабилизатора поперечной устойчивости

— о;* —

автомобиль воспринимался как более безопасный / 20 /, хотя устойчивость против бокового опрокидывания не повысилась. Чтобы получить необходимый резерв курсовой устойчивости, К должен быть положительным. Оптимизация курсовой управляемости связана с необходимостью ограничения передаточного отношения рулевого управления, чтобы водитель мог поворачивать управляемые колеса на требуемый угол при повороте рулевого колеса в пределах его моторных возможностей. Повышение курсовой управляемости может входить в противоречие с необходимостью ограничения траекторной управляемости оптимальными значениями. У автомобилей с высоким расположением ЦМ эти противоречия становятся еще острее, так как в штатных режимах движения значения |с должны быть оптимальными, а в нештатным - прогрессивно уменьшаться по мере приближения к пределу по опрокидыванию.

Возможность практического применения изложенной выше теории связана с решением вопроса об определении оптимальных, пороговых и предельных значений параметров информационной модели.

2.3. Определение оптимальных, пороговых и предельных значений параметров информационной модели автомобиля

Только четыре параметра: Д_пр , о , дб_кр и Акр могут быть определены исходя из цели управления (Д_Пр⁼0) і уравнений движения автомобиля, или результатов дорожных ( ^ и Дбкр ) и стендовых ( Акр ) испытаний. Определение остальных параметров возможно только при применении эргономических методов изучения СВА. Наиболее доступным следует считать метод сопоставления результатов измерений параметров информационной модели с экспертной оценкой резервов по этим параметрам,выполненной группой подготовленных экспертов.

При этом важную роль играет шкала субъективных (органолептичес- ких) оценок. Опыт применения различных типов шкал при испытаниях автомобилей на автополигоне позволил сделать вывод о том, что наиболее удобной и понятной для экспертов является шкала, основанная на предложениях заслуженного летчика-испытателя В.И.ЦувареЕа / 21 /. На рис. 2.10. и 2.II. приведена принятая шкала в сопоставлении с оптимальными, пороговыми и предельными значениями параметров информационной модели автомобиля. Установление соответствия между Q_QnT , _п , Q_n , _np , Q_np и субъективными оценками вытекает из структуры последних, понятно из рис. 2.10., 2.II. и не требует специальных пояснений.

С помощью шкалы, приведенной на рис. 2.II. можно уточнить формулу (2.4.). Так как Ц_опт соответствует 5 баллам, Qn—-4,5 балла, а Ц_пр - I баллу, можно определить zes Q_n и zes Q_max » которые равны 3,5 и 4 баллам соответственно. Подставив эти значения в уравнение (2.4) и приведя вычисления, получим:

zesGi

Р(г<аС0= е^^п- 3/9. (2.16)

При определении экспертным методом значений Q_0nT , _п , Q_n , и Q_np необходимо ясно представлять, что эти параметры зависят от следующих факторов: уровня подготовленности водителя, тяжести последствий потери устойчивости управления автомобилем, соответствия параметров функционального состояния водителя уровню функционального комфорта. Поэтому значения Е_п , Q_n ,

Нпр и Q_np , полученные в процессе испытаний с помощью группы высококвалифицированных экспертов, необходимо рассматривать в качестве верхнего предела, достижимого в наиболее благоприятных условиях. В реальной эксплуатации будет тлеть место уменьшение резервов, остающихся е распоряжении водителя, за счет изменения значений E_n , Q_n > пр и Q_np вследствие возрастания

f- -

Рис. 2ДО. Шкала субъективных (органолептических) оценок резервов по параметрам информационной модели автомобиля первого типа

23 И

Р-. 1=

ТОЛ

I 1,5

2 2,5

3 3,5

4,5

-4,5

РЕЗЕРВ РАВЕН НУЛЮ, ХУЖЕ БЫТЬ НЕ МОЖЕТ

НЕЯСНО, БЫВАЕТ ЛИ ХУЖЕ

ПЛОХО, РЕЗЕРВ

НО БЫВАЕТ И ХУКЕ

НЕЯСНО, УДОВЛЕТВОРЯЕТ ИЛИ НЕТ

ПОСРЕДСТВЕННО, НЕОБХОДИМО УВЕЛИЧЕНИЕ РЕЗЕРВА

НЕЯСНО, ПОСРЕДСТВЕННО ИЛИ ХОРОШО

ХОРОШО,

ЖЕЛАТЕЛЬНО УВЕЛИЧЕНИЕ РЕЗЕРВА

НЕЯСНО, ХОРОШО ИЛИ ОТЛИЧНО

ОТЛИЧНО, РЕЗЕРВ БОЛЬШЕ ПОРОГОВОГО, УВЕЛИЧЕНИЯ НЕ ТРЕБУЕТСЯ

НЕЯСНО, ОТЛИЧНО ИЛИ ХОРОШО

ХОРОШО, ЖЕЛАТЕЛЬНО УВЕЛИЧЕНИЕ РЕЗЕРВА

НЕЯСНО, ПОСРЕДСТВЕННО ИЛИ ХОРОШО - -3,5

ПОСРЕДСТВЕННО, НЕОБХОДИМО УВЕЛИЧЕНИЕ РЕЗЕРВА

НЕЯСНО, УДОВЛЕТВОРЯЕТ ИЛИ НЕТ

ПЛОХО, РЕЗЕРВ МИНИМАЛЬНЫЙ, НО БЫВАЕТ И ХУЖЕ

НЕЯСНО, БЫВАЕТ Ж ХУЖЕ

РЕЗЕРВ РАВЕН НУЛЮ, ХУЖЕ БЫТЬ НЕ МОЖЕТ

4-2,5

-1,5

-I

Рис. 2.II. Шкала субъективных (органолептических) оценок

резерЕОБ по параметрам информационной модели автомобиля

второго типа. Знак оценки указывает на направленность

отклонения от оптимума:

»+" _ в сторону увеличения; "-" - э сторону уменьшения

тяжести последствий потери устойчивости управления, более НИЗ-' кого уровня подготовки водителей по сравнению с испытателями и большего влияния продолжительности рабочего дня. Однако это обстоятельство не может служить препятствием для определения рассматриваемых параметров при испытаниях» Прежде есєго потому, что в этих условиях определяются пределы, достижимые данной СВА и оценка испытываемых автомобилей может быть выполнена по этим предельным показателем.

Для вычисления характеристик надежности управления автомобилем достаточно получить субъективные оценки параметров информационной модели. Но конструктору такой информации об испытаниях недостаточно, чтобы использовать ее для проектирования и последующей доводки автомобиля. Ему необходимо точно знать, какие значения параметров информационной модели он должен заложить в процессе проектирования и насколько их необходимо изменить при доводочных работах. Зависимости между субъективными оценками и соответствующими им результатами инструментальных измерений часто называют психофизическими шкалами / 43 /. При их применении для вычисления резервов управления необходимо иметь ввиду следующее. Если психофизическая шкала нелинейна, то для вычисления резервов требуется сначала перевести с помощью психофизической шкалы результат инструментального измерения в баллы, а затем уже определить значение резерва. Необходимость выполнения такой операции вытекает из графика, приведенного на рис. 2.12. На приведенном графике показано, что одноглу и тому же значению резерва по субъективной оценке могут соответствовать различные величины резервов, вычисленные по результатам инструментальных измерений. При линейной психофизической шкале отношение ^Ec/^esEn инвариантно по отношению к тому, определены ли резервы в баллах или по результатам инструментальных измерений.

о 45

А*Л% «"«fy

Enp Е

Рис. 2.12. Влияние нелинейности нэ величины резервов, вычисляемых по результатэм инструментальных измерений

-7o-

2»4. Краткие выводы

5. Информационная модель, описывающая процесс управления боковым движением автомобиля включает три группы параметров: траекторные, курсовые и крена. Параметры каждой группы, в свою очередь подразделяются на функциональные и эргономические.

6. Описание информационной модели включает большинство из известных ранее параметров, однако их комплексное применение выполнено впервые.

7. Оценку сложности управления автомобилем водитель осуществляет на основе определения величин резервов по каздому из параметров информационной модели.

2.4*4. Процедура выполнения комплексной оценки надёжности управления должна адекватно отображать психические процессы, связанные с преобразованием резервов при оценке ситуации водителем.

2.4.ІЗ. Разработанные шкалы субъективных оценок позволяют определить предельные значения параметров информационной модели автомобиля путём построения психофизических шкал.

6. Разработанные теоретические положения позволили предложить комплексную, частичные и единичные характеристики надёжности управления боковым движением автомобиля. Их применение даёт возможность сравнивать надёжность управления испытываемых автомобилей и выявлять причины, вызывающие её снижение.

7. Скачкообразный характер увеличения комплексной оценки надёжности управления при переходе в значимую область новой группы параметров означает резкое усложнение процесса управления автомобилем.

8. Теоретическое исследование надёжности управления

боковым движением автомобиля позволило сформулировать общие принципы повышения надёжности управления боковым движением автомобиля:

- увеличение предельной скорости начала выполнения маневра Y,_p
что повышает предельные возможности системы водитель-автомобиль ;

- Приближение ПОРОГОВОЙ СКОРОСТИ Yl ( Vfp і Vnypt , Vonp )

к предельной скорости выполнения маневра V_np, что сужает диапазон скоростей, соответствующих нештатным режимам движения;

- предотвращение перехода в значимую область параметров
крена, курсовых параметров и эргономически;; параметров траек
торией группы, что снижает скорее Ло у^олл^опия комплексной оценки
надёжности управления при приближении к предельной скорости

.4.9 предотвращение перехода в значимую область параметров крена у автомобиля с высоким расположением центра масс возможно путём ограничения возможностей водителя по приложению управляющего воздействия, возмущающего движение автомобиля.

Такое ограничение может быть достигнуто снижением чувствительности к повороту рулевого колеса и увеличением усилия его поворота при приближении к пределу по опрокидыванию.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ АВТОМОБИЛЯ КАК УПРАВЛЯЕМОГО ОБЪЕКТА

В предыдущей главе было показано, что для повышения надежности управления необходимо повысить резервы устойчивости против бокового скольжения, курсового движения и опрокидывания; оптимизировать перцептивные параметры и управляемость; обеспечить возможность выполнения моторного действия. Перечисленные параметры информационной модели изменяются в функции скорости и удельной боковой силы. Диапазон их изменения зависит от величины К Чем шире диапазон их изменения, тем сложнее конструктору оптимизировать управляемость и перцептивные параметры, а водителю. -компенсировать отклонение параметров от оптимума. В связи с изложенным, целью теоретического исследования являлось исследование путей оптимизации свойств автомобиля как управляемого объекта. 3.1. Математическая модель автомобиля

При выборе математической модели приходится искать компромисс между полнотой описания процесса движения автомобиля и наглядностью получаемых результатов. Если учесть, что для легкового автомобиля обеспечение устойчивости против опрокидывания не представляет проблемы, то становится возможным применить для исследования пpocтeйшyю^,!вeлocипeднyю^,' модель автомобиля. При этом возможно исследование движения автомобиля в нелинейной области с помощью инженерных методов, хорошо разработанных в теории автоматического управления / 84 /. Применение "велосипедной" модели автомобиля для решения поставленной задачи возможно потому_t что крен кузова не изменяет физическую картину бокового и курсового движения, а влияет на их количественные характеристики, что проявляется через изменение фактора устойчивости. Некоторое искажение физической картины имеет место при больших положительных

— (<_- —

значениях К вследствие невозможности изучения колебательной неустойствости автомобиля. Однако этот недостаток компенсируется максимальной наглядностью получаемых результатов, В соответствии с изложенным математическая модель построена с учетом следующих допущений: автомобиль представляет собой жесткое тело с постоянной массой; крен кузова автомобиля отсутствует; ширина колеи равна нулю; автомобиль катится по ровной поверхности с постоянной скоростью; сопротивление движению и, следовательно, тяговая сила на колесах постоянны; внешние силы и моменты отсутствуют.

Кинематическая схема поворота автомобиля показана на рис. 3.1. При решении поставленной задачи были использованы уравнения, полученные в работе / 88 /:

^У?Р ^+У*^у*^Уе^б M№+Vc^)_j (з.і)

^m^'V^^s^^z(V ⁽³-²⁾

При этом принимается, что ^^C0SP~/ ^и У, COS о « У^ .В нелинейной области COSJ5 и cosQ принимают значения существенно меньше единицы, и принятое допущение становится слишком грубым, если ставить задачу сопоставления результатов расчета и эксперимента. В данной работе ставилась другая задача- исследование относительного изменения свойств автомобиля при варьировании К . В этом случае можно принять,что, при постоянных значениях fv для ряда величин К, , К₂ , К_ь ,... К_п и соответствующих им значений и в , будут справедливы соотношения: Яг^^Рг*⁰⁵^ и б^-ф^Ойб^-Ссбф Т^гД^а имеется возможность сопоставить диапазон изменения параметров информационной модели при увеличении V от 0 до Чіах^и Я от /7 до У для различных значений К .

Для дальнейших исследований удобнее использовать уравнения е форме, применяемой в работах по теории автоматического управ-

Рис.З.Ї.- Кинематическая схема поворота автомобиля

_{ее -}

ления. Преобразуем уравнения (3.1) и (3.2) к этому виду. Для чего перепишем их в операторной форме, перенеся члены, содержащие Q , в правую часть, а все остальные в левую:

(^-MVp)p(P) + (y_w-MV}ui,(pJ_e-^e(p), (3.3)
rtpp (Р)*(#»-Ігр) ьУцІР) = ~ rf_eG(f>). (3.4)

Разрешим уравнения (3.3) и (3.4) относительно <*% :

= (М\/Л^р + Л^У_в-У^А/_в)вСр). (3.5)

Подставим в уравнение (3.5) ру _я oj :

[%МУ_Р^Ъ- &у MV/4)p^a+ r yjy.tyu>] yfl>) =
-^V^H/^^P^)6fp). (3.6)

Леєая часть уравнения (3.6) описывает курсовое движение автомобиля, а правая - управляющее воздействие. Разрешим уравнения (3.3) и (3.4) относительно :

[^MVp^a-(^yp₊MVAC)p.MVy^-y_wA/_>+y_?A/J_P(p) =

<Ч.^н>Ч^и.муу ^{р +1)9(р)}- ⁽³-⁷⁾

^З»

Обозр исследований по теории управления автомобилем

Первыми недостаточность такого подхода ощутили создатели гоночных автомобилей, так как к концу 30-х годов максимальные скорости гоночных машин перешагнули рубеж 300 км/ч. Возможность использования высоких скоростных свойств стала определяться способностью гонщика управлять автомобилем / 9 /. В отсутствии теории поиск велся путем проб и ошибок, что стоило жизни многим гонщикам. Тем не менее к концу 40-х началу 50-х годов фирма "Даймлер-Бенц" при создании гоночных автомобилей, применяла концепцию / 119 /, которая близка современным представлениям, основанным на инженерно-психологических исследованиях. Величина КОМ должна быть положительной, но не очень большой. При движении с высокой скоростью на прямых участках и поворотах большого радиуса такая характеристика снижает напряжение водителя вследствие отсутствия необходимости стабилизации курсового движения автомобиля При приближении боковой силы к пределу по сцеплению КОМ должен уменьшаться. Предел по сцеплению должен достигаться на задней оси раньше, чем на передней. Такое изменение характеристики устойчивости автомобиля позволяет опытному водителю при повышении скорости на входе в поворот снижать ее за счет заноса, сохраняя устойчивость управления автомобилем. Скорость вращения автомобиля после начала заноса должна быть как можно ниже, чтобы водитель имел возможность реагировать на занос поворотом руля раньше, чем автомобиль повернется на угол, исключающий возможность предотвращения потери устойчивости курсового управления. Это достигалось увеличением момента инерции относительно вертикальной оси.

Иная концепция была реализована на автомобилях Лянчиа-Фер-рари /9, 88 /. Они обладали небольшим отрицательным КОМ при высокой критической скорости. Момент инерции относительно вертикальной оси был снижен до предела для уменьшения времени реакции автомобиля на поворот руля при движении по траектории, но это одновременно увеличивало и скорость вращения при заносе. Эта концепция основана на том, что гонщик является оператором с особыми свойствами. Поэтому конструкторы данной фирмы стремились создать автомобиль, обладающий минимальным временем реакции на управление.

Результаты гонок и статистика катастроф при их проведении позволяют сделать некоторые выводы, о правильности принятых концепций. В 1953-1955 гг.й,) гоночные автомобили Даймлер-Бенц были вне конкуренции и не имели катастроф. За период 1953-58 гг. на автомобилях "Лянчиа-Феррари" погибло 6 гонщиков, входивших в число лучших водителей мира. Все катастрофы произошли в результате внезапной потери устойчивости курсового управления автомобилем на повороте. Таким образом эмпирический опыт создания гоночных автомобилей позволил уже в 50-е годы сформулировать определенные требования к характеристикам устойчивости и управляемости автомобиля и использовать эти требования при создании автомобилей массового производства.

После 1955 г. фирма прекратила участие в гонках.томобиля, что дало новый толчок работам по теории управления. Началом третьего этапа развития работ в этом направлении следует считать исследования, выполненные в США Корнельской авиационной лабораторией в 1954-57 гг. /63, 83, 88 /. В этих работах впервые был поставлен вопрос необходимости изучения СВА. В статье Д.У.Уиткома и У.Ф.Милликена / 63 / изложены общие понятия, используемые при изучении движения динамических систем с позиций теории автоматического управления- В другой работе /88/ эти же авторы на основании анализа модели с двумя степенями свободы рассмотрели вопрос использования теории управления автомобилем при конструировании. При этом исследовались установившиеся и переходные реакции автомобиля на управление, действие боковой силы и момента в зависимости от конструктивных параметров автомобиля. Была предложена новая константа, характеризующая величины реакций и устойчивость автомобиля - "фактор устойчивости " К ", который учитывает и КОМ,и коэффициент сопротивления шин уводу.

В работе Л.Сиджела / ІЄб L. / / 83 / была исследована линейная модель автомобиля с тремя степенями свободы. При исследовании установившихся реакций на управление было показано, что при учете крена в фактор устойчивости вводится поправка, которая определяется зависимостыо-между креном и кинематикой подвески, креном и перераспределением вертикальных реакций на колесах. В результате исследования были получены характеристики автомобиля как управляемого объекта. Отмечая важность указанных исследований, нельзя не отметить и ряда серьезных недостатков. Прежде Есего следует указать на ошибочное разделение устойчивости движения на статическую (в установившемся режиме) и динамическую (в переходном процессе), что противоречит классическому определению этого свойства /2, 7 /. Целью управления автомоби- автомобилем является движение по траектории, на что указывается, но недостаточно ясно, в работе / 63 /. Однако в работах /83, 88 / исследуются характеристики курсового, а не траєкторного движения автомобиля. При этом не было показано наличие органической связи между установившимися и динамическими реакциями на управление. В анализе результатов эти характеристики существуют независимо друг от друга. При рассмотрении вопроса согласования времени реакции автомобиля со временем реакции водителя / 88 / было дано ошибочное толкование оценки наличия или отсутствия обратной связи. Авторы считают, что если Еремя реакции автомобиля меньше времени реакции водителя, то это означает отсутствие обратной связи. Поставив вопрос о согласовании характеристик автомобиля с возможностями водителя /63, 88 / t авторы не сумели сформулировать пути решения этой проблемы.

С начала 60-х годов количество работ по исследованию устойчивости управления автомобилем резко возросло, однако проблема создания теории управления автомобилем все еще далека от разрешения. Сложность изучения системы управления, включающей человка, вызвана его способностью компенсировать недостатки объектов управления и различием в характеристиках отдельных водителей. В попытках преодоления указанных трудностей можно Еыделить два направления. Представители первого направления,несмотря на особые свойства водителя как регулятора, исследовали лишь выходные показатели СВА - точность управления движением по заданной траектории. Представители второго направления пытались определить сложность управления на основании изучения характеристик автомобиля и управляющих действий водителя.

Определение оптимальных, пороговых и предельных значений параметров информационной модели автомобиля

Экспериментальное исследование влияния конструкции подвески на характеристики легкового автомобиля как управляемого объекта было выполнено под руководством А.С.Литвинова /40, 41, 78, 95 /. Специально созданный автомобиль-макет позволял исследовать два варианта передней подвески и четыре - задней. Для оценки характеристик устойчивости и управляемости автомобиля был использован большой комплекс параметров: разность углов увода осей дб ; коэффициент передачи "поворот колес - боковое ускорение" и его аналог - коэффициент бокового смещения, равный отношению фактического бокового смещения на переставке к его расчетным значениям при том же маневре рулем на автомобиле без подвески с жесткими рулевым управлением и шинами; коэффициент передачи "поворот колес - угловая скорость поворота автомобиля"; отношение максимальных амплитуд боковых ускорений на осях и время запаздывания реакции при выполнении маневра "переставка" крен автомобиля и ряд других. В результате испытаний был получен уникальный материал, позволяющий исследовать "чистое"влияние конструкции подвески на характеристики устойчивости и управляемости.

В то же время, при принятой номенклатуре оценочных параметров и критериях их оптимальности анализ результатов испытаний приводит к противоречивым выводам. По одним параметрам лучшей является одна комбинация подвесок, по другим - другая. Возникновение указанных противоречий связано с тем, что в процессе исследования не удалось решить следующие вопросы: обосновать необходимость и достаточность номенклатуры выбранных параметров; определить критерии их оптимальности; найти комплексный показатель устойчивости управления автомобилем.

Таким комплексным показателем является надежность функционирования СВА. Идея его применения впервые была высказана В.Бергманом / 107 /. Выше отмечалось, что в процессе исследований, выполненных автором на автополигоне, было выявлено несовпадение между субъективной оценкой автомобиля и оценкой по скорости выполнения маневра. Аналогичный вывод был получен за рубежом / 89 /. Это потребовало разработки методики оценки результатов испытаний с учетом субъективных оценок испытателя, что было выполнено автором / 48, 50, 56, 67 /. Испытатель субъективно прогнозирует надежность функционирования СВА в моделируемой транспортной ситуации. Для краткости был предложен термин "надежность управления автомобилем". В процессе испытаний моделируются следующие транспортные ситуации: "разъезд на дороге с ограниченной шириной проезжей части ( в реальных условиях), маневры "переставка" и "поворот" (на автополигоне). Скорость разъезда со встречным транспортом повышается до максимальной или максимально-возможной по условиям безопасности. Для каждого значения скорости испытатель оценивает устойчивость управления траекторией, устойчивость курсового управления, поперечную устойчивость против опрокидывания и скольжения, возможность выполнить необходимый поворот руля, соответствие оптимуму реакции на поворот руля по амплитуде и запаздыванию, возможность получения информации о действии боковых сил по нарастанию усилия на руле. При выполнении маневров "переставка" и "поворот" перечисленные параметры оцениваются во всем диапазоне скоростей, вплоть до момента потери устойчивости управления. На основании опыта, накопленного в испытаниях, было выявлено, что интенсивность снижения надежности управления возрастает по мере наступления следующих событий: сноса, невозможности повернуть руль на требуемый угол, курсовой неустойчивости, опасности опрокидывания. Возможность точного движения по заданной траектории зависит от наступления перечисленных событий, а также от соответствия оптимуму характеристик управляемости, В изложенной методике характеристики точности и сложности управления рассматриваются в совокупности. Однако определение единичных показателей качества автомобиля как управляемого объекта имеет вспомогательное значение, поскольку не выявлены математические связи между единичными показателями и комплексной оценкой. Методика не предусматривает использование результатов инструментальных измерений. Отмеченные недостатки вызваны отсутствием теории, которая позволяла бы связать параметры, измеряемые при испытаниях, с прогнозом надежности управления в исследуемой ситуации.

Задача прогнозирования надежности управления автомобилем на основании результатов испытаний является частью более общей проблемы эргономики - прогнозирования надежности человека-оператора в системе "человек-машина" /5, 21, 29, 30, 42 /. Ее решение тесно связано с возможностью формализации процессов информационного взаимодействия оператора и управляемого объекта. Попытки применения теории информации для решения этой задачи не привели к положительным результатам /29, 42 /. Это связано с тем, что математический аппарат теории информации рассматривает процесс ее передачи безотносительно содержательной стороны и способности оператора повышать надежность своей деятельности в более сложных условиях /10, 29, 42 /. Иными словами, эта теория рассматривает человека как простой канал передачи информации, что не соответствует современным представлениям о психических закономерностях предметной деятельности человека /35, 36, 37, 38 /. Метод учета психических проявлений в деятельности человека-оператора был предложен М.А.Котиком / 29 /. Используя положения теории предметной деятельности, развиваемой советской школой психологии,он разработал модель саморегуляции оператора, работающего в автоматизированной системе управления. Основные положения, вытекающие из этой работы, можно сформулировать следующим образом.

Деятельность оператора протекает при наличии внешних и внутренних ограничений и направляется определенными мотивами. К внешним ограничениям в деятельности водителя относятся: допуск на точность управления, ограничения по курсовой устойчивости и устойчивости против опрокидывания, коэффициент сцепления. К внутренним- возможности водителя компенсировать отклонение свойств автомобиля как управляемого объекта от оптимума; его силовые и скоростные возможности, обученность. Его отдельные действия подчинены соответствующим промежуточным задачам, которые заключаются главным образом в приведении к норме отклонившихся регулируемых параметров. Возникшая в процессе деятельности оператора цель вызывает появление в сознании человека соответствующего плана действий, основанного на прошлом практическом опыте. Каждой операции плана сопутствует прогноз вероятности ее выполнения, основанный на оценке влияния наложенных на деятельность ограничений. На базе таких оценок формируется прогноз успешности всего будущего действия. Низкая вероятность успешного выполнения разрешаемой задачи порождает у человека значащие переживания, которые являются аффективной реакцией организма на личностный смысл неуспешности действия. "Уровень значимости переживаний отражает степень сложности операции для данного субъекта. Именно благодаря осознанию человеком значимости данной операции, сложность ее компенсируется избыточной энергией организма, и человек становится способным одинаково успешно решать задачи различной степени сложности. Таким образом возникает замкнутый контур саморегуляции деятельности оператора: с ростом сложности задачи возрастает уровень связанных с ней значащих переживаний, последние повышают уровень активности организма, что способствует успешному разрешению данной задачи независимо от ее сложности" / 29 /. Значимость информации определяется ограничениями.Например, для оценки степени точностных ограничений был предложен показатель - резерв точности. Это показатель определяется из выражения:

Определение характеристик информационной модели автомобиля при выполнении маневра "переставка"..

Автомобиль обладает определенной боковой реакцией на поворот руля, определяющей его траєкторную управляемость. Если эта реакция не соответствует требованиям водителя (оптимуму), он начинает перестраивать свои характеристики для сохранения надежности управления на требуемом уровне. Однако возмозности человека ограничены. Поэтому существуют верхний и нижний пределы изменения коэффициента передачи "поворот руля - удельная боковая сила" к, и временного запаздывания мевду поворотом руля и появлением боковой силы (ускорения) - i o , при достижении которых компенсаторные возможности водителя оказываются исчерпанными. Существование оптимума, верхнего и нижнего пределов изменения чувствительности к управлению по амплитуде и временному запаздыванию на управление были подтверждены результатами инженерно-психологических исследовании в авиации / 21 /, работами по экспериментальной психологии / 92 /.

Двигательный акт является достаточно сложным действием. Для его точного осуществления необходимо постоянное поступление в центральную нервную систему перцептивной информации о положении рук и изменении в процессе поворота усилия, на основании которой в движение, по ходу его выполнения, непрерывно вносятся поправки / 30 /. Эта информация определяется углом поворота руля = и коэффициентом передачи "удельная боковая сила - усилие на руле" KoF . Водитель не может точно выполнить движение рулем, если текущий угол его поворота и изменение усилия на нем меньше значений нижнего порога различения. Когда угол поворота руля превысит 180-220 водитель вынужден перехватывать его руками, что приводит к потере обратной связи и ухудшает точность регулирования поворота. Таким образом имеются оптимальные значения угла поворота хуля а( и коэффициента К р . При достижении предельных по возможностям водителя значений происходит потеря информации по этим каналам. Изменение указанных параметров описывается характеристикой, которую можно назвать перцептивной характеристикой рулевого управления. Нетрудно заметить, что характеристики моторного действия и перцептивная отличаются только величиной пределов и наличием или отсутствием оптимума. Правильный выбор коэффициента kat позволяет информировать водителя о действии на автомобиль внешних боковых сил раньше, чем автомобиль начнет на них реагировать. Это существенно повышает точность управления.

При потере автомобилем курсовой устойчивости водитель должен в дополнение к отслеживанию ззданной траектории движения стабилизировать параметр дб . После того, как он станет равным Дблр , никакие управляющие действия водителя не смогут предотвратить потери устойчивости курсового движения. Скорость изменения параметра д5 определяет время дбПр в течение которого д5 станет рзвным Дбпр . Для стабилизации курсового движения необходимо осуществить моторное действие, которое описывается характеристиками изменения угла Ы и усилия Fp g поворота рулевого колеса. Рассмотренные характеристики: устойчивость курсового движения, запаздывание реакции водителя на потерю курсовой устойчивости, моторная характеристика курсовой стабилизации входят в информационную модель автомобиля и определяют физическую реализуемость задачи стабилизации курсового движения. Стабилизация курсового движения осуществляется поворотом рулевого колеса против направления вращения автомобиля, что вызывает уменьшение дб1 . Курсовая управляемость определяется величиной коэффициента передачи "поворот руля - разность углов увода" к дБ и запаздывания курсовой реакции на поворот рулевого колеса - % &Б Осуществление моторного действия при курсовом управлении осуществляется точнее при наличии перцептивной информации об угле поворота рулевого колеса.

Вероятность стабилизации угла крена после потери автомобилем поперечной устойчивости в реальной эксплуатации практически равна нулю. Повышение надежности реализации физических возможностей автомобиля в отношении устойчивости против опрокидывания требует иного подхода, чем в случае улучшения устойчивости курсового движения. Максимальное приближение боковой силы к предельному по опрокидыванию значению при минимальной загрузке внимания водителя информацией о крене автомобиля возможно, когда скольжение передней оси начинается несколько раньше, чем будет достигнута боковая сила, вызывающая опрокидывэние автомобияя. Поэтому в информационную модель входит характеристика резерва угла поворотэ рулевого колеса, на который водитель может повернуть его до начала опрокидывания.

На рис. 2.4. и 2.5. приведены в обобщенном виде два типа характеристик, описывающих изменение параметров информационной модели в функции удельной боковой силы и показано определение резервов управления. Приведенные на рис. 2.4. характеристики отличаются тем, что увеличение модуля измеряемого параметра означзет уменьшение резерва, остающегося в распоряжении водителя. Понятие "резерв" в данном случае эквивалентно понятию "запас устойчивости".

Исследование надежности управления автомобилем при выполнении маневров "переставка" и "поворот"

Для вычисления характеристик надежности управления автомобилем достаточно получить субъективные оценки параметров информационной модели. Но конструктору такой информации об испытаниях недостаточно, чтобы использовать ее для проектирования и последующей доводки автомобиля. Ему необходимо точно знать, какие значения параметров информационной модели он должен заложить в процессе проектирования и насколько их необходимо изменить при доводочных работах. Зависимости между субъективными оценками и соответствующими им результатами инструментальных измерений часто называют психофизическими шкалами / 43 /. При их применении для вычисления резервов управления необходимо иметь ввиду следующее. Если психофизическая шкала нелинейна, то для вычисления резервов требуется сначала перевести с помощью психофизической шкалы результат инструментального измерения в баллы, а затем уже определить значение резерва. Необходимость выполнения такой операции вытекает из графика, приведенного на рис. 2.12. На приведенном графике показано, что одноглу и тому же значению резерва по субъективной оценке могут соответствовать различные величины резервов, вычисленные по результатам инструментальных измерений. При линейной психофизической шкале отношение Ec/ esEn инвариантно по отношению к тому, определены ли резервы в баллах или по результатам инструментальных измерений. 2.4.1. Информационная модель, описывающая процесс управления боковым движением автомобиля включает три группы параметров: траекторные, курсовые и крена. Параметры каждой группы, в свою очередь подразделяются на функциональные и эргономические. 2.4.2. Описание информационной модели включает большинство из известных ранее параметров, однако их комплексное применение выполнено впервые. 2.4.3. Оценку сложности управления автомобилем водитель осуществляет на основе определения величин резервов по каздому из параметров информационной модели. 2.4 4. Процедура выполнения комплексной оценки надёжности управления должна адекватно отображать психические процессы, связанные с преобразованием резервов при оценке ситуации водителем. 2.4.ІЗ. Разработанные шкалы субъективных оценок позволяют определить предельные значения параметров информационной модели автомобиля путём построения психофизических шкал. 2.4.6. Разработанные теоретические положения позволили предложить комплексную, частичные и единичные характеристики надёжности управления боковым движением автомобиля. Их применение даёт возможность сравнивать надёжность управления испытываемых автомобилей и выявлять причины, вызывающие её снижение. 2.4.7. Скачкообразный характер увеличения комплексной оценки надёжности управления при переходе в значимую область новой группы параметров означает резкое усложнение процесса управления автомобилем. 2.4.8. Теоретическое исследование надёжности управления боковым движением автомобиля позволило сформулировать общие принципы повышения надёжности управления боковым движением автомобиля: - увеличение предельной скорости начала выполнения маневра Y,p что повышает предельные возможности системы водитель-автомобиль ; - Приближение ПОРОГОВОЙ СКОРОСТИ Yl ( Vfp і Vnypt , Vonp ) к предельной скорости выполнения маневра Vnp, что сужает диапазон скоростей, соответствующих нештатным режимам движения; - предотвращение перехода в значимую область параметров крена, курсовых параметров и эргономически;; параметров траек торией группы, что снижает скорее Ло у олл опия комплексной оценки надёжности управления при приближении к предельной скорости .4.9 предотвращение перехода в значимую область параметров крена у автомобиля с высоким расположением центра масс возможно путём ограничения возможностей водителя по приложению управляющего воздействия, возмущающего движение автомобиля. Такое ограничение может быть достигнуто снижением чувствительности к повороту рулевого колеса и увеличением усилия его поворота при приближении к пределу по опрокидыванию.

В предыдущей главе было показано, что для повышения надежности управления необходимо повысить резервы устойчивости против бокового скольжения, курсового движения и опрокидывания; оптимизировать перцептивные параметры и управляемость; обеспечить возможность выполнения моторного действия. Перечисленные параметры информационной модели изменяются в функции скорости и удельной боковой силы. Диапазон их изменения зависит от величины К Чем шире диапазон их изменения, тем сложнее конструктору оптимизировать управляемость и перцептивные параметры, а водителю. -компенсировать отклонение параметров от оптимума. В связи с изложенным, целью теоретического исследования являлось исследование путей оптимизации свойств автомобиля как управляемого объекта. 3.1. Математическая модель автомобиля

При выборе математической модели приходится искать компромисс между полнотой описания процесса движения автомобиля и наглядностью получаемых результатов. Если учесть, что для легкового автомобиля обеспечение устойчивости против опрокидывания не представляет проблемы, то становится возможным применить для исследования пpocтeйшyю,!вeлocипeднyю, модель автомобиля. При этом возможно исследование движения автомобиля в нелинейной области с помощью инженерных методов, хорошо разработанных в теории автоматического управления / 84 /.