Введение к работе
-3-
Актуальность темы. Работа посвящена математическому моделированию динамики нетрадиционного транспортного средства с одноосным шасси и синтезу адаптивного управления движением этого объекта. В настоящее время является важной задача разработки специальных транспортных средств повышенной проходимости (колесных, гусеничных и шагающих) для передвижения по пересеченной местности. Поэтому не случайно, что в программе активации инновационной деятельности в научно-технической сфере, принятой правительством Российской Федерации, в частности, уделяется особое внимание разработке транспортных средств, основанных на использовании новых технических решений, включая компоновочные схемы.
В настоящее время считается установленным и общепринятым, что многоосность, при полноприводности колес, является основным средством повышения проходимости (вездеходности) автотранспорта благодаря снижению нагрузки на ось (колесо) и рассредоточению полной массы машины по многим колесам на большой опорной площади.
Наряду с этими факторами необходимо учитывать, что увеличение числа осей приводит к ряду отрицательных последствий, проявляющихся в конструировании, производстве.и-эксплуатации многоосных автомашин.
Так, например, увеличение числа осей и колес неизбежно ведет к увеличению количества узлов с концентрированной нагрузкой, так как с увеличением числа осей коэффициент перераспределения нагрузки быстро растет. Для сохранения надежности неизбежно приходится увеличивать жесткость силовых элементов корпуса и запас прочности у элементов подвески колес.
При движении многоосных автотранспортных средств по дорогам с неровностями проявляется сложная зависимость между характером неровностей и амплитудами колебаний транспортного средства. С ростом
-4-числа осей быстро возрастают профильные нагрузки и становятся значительно больше нагрузок от колебаний подрессоренной и неподрессоренной масс.
Неоднозначен выбор числа развязывающих узловых механизмов, соответствующих числу замкнутых контуров в силовых потоках трансмиссии многоколесной автомашины. Увеличение числа развязывающих узловых точек чрезвычайно усложняет и удорожает трансмиссию, а уменьшение их числа ухудшает проходимость, устойчивость, надежность, экономичность и другие характеристики автомашины.
Значительные сложности возникают при конструировании трансмиссии с регулируемым распределением силового потока по движителям, который определяет затраты- мощности на движение и динамические характеристики автомашины.
Особо следует отметить быстрый рост кинематического несоответствия между колесами различных бортов и различных осей при движении в повороте.
Для многоосных машин неизбежно большое смещение центра поворота, которое, к тому же, может меняться при одном и том же угле поворота колес. Это "плавание" центра поворота происходит из-за геометрически обусловленного полного и частичного попеременного скольжения отдельных колес.
Таким образом, традиционные транспортные технологии в целом, и транспортные средства в частности, приблизились к фундаментальным природным пределам применимости. В то же время остаются нереализованными принципиальные преимущества нетрадиционных транспортных средств с одноосным шасси или так называемых двухколейных двухколесных транспортных средств (далее одноосных транспортных средств - ОТС). ОТС превосходят традиционные
-5-транспортные средства в экономичности движения, управляемости и проходимости.
Рис.1 Одноосный двухколейный вездеход с плавающей кабиной.
Исследуемая в работе концепция ОТС известна с 20-х годов, когда было получено наибольшее количество патентов на подобные конструкции. Последняя попытка серийного выпуска была предпринята в США на рубеже 30-х годов. Но выпускавшийся в нескольких модификациях одноосный веломобиль обладал всеми принципиальными недостатками \у одноосной конструкции - некомпенсированный реактивный момент на кабине и потеря управляемости при перемене режимов движения. Известны многочисленные попытки преодоления этих недостатков. В частности, в г. Нальчике получен патент (№2102272) на одноосный вездеход, в котором с помощью введения в конструкцию дополнительной степени свободы и глубокой отрицательной обратной связи в трансмиссию удается реализовать принцип динамического управления остойчивостью. Активное использование дополнительной степени подвижности кабины позволяет подавить маятниковое раскачивание и, тем самым, обеспечивается остойчивость кабины. Конструктивно эта дополнительная степень свободы системы реализована в форме подвижного подвеса кабины. Один из вариантов одноосного вездехода показан на рис.1.
Применение в трансмиссии ОТС с динамическим управлением остойчивостью устройства, обеспечивающего постоянную управляемую кинематическую связь между колесами, позволяет создавать малогабаритную, надежную, экологичную и экономичную транспортную технику.
Таким образом, становится актуальной разработка теории движения и управления одноосных транспортных средств.
Целью диссертационной работы является исследование, на основе математического моделирования, динамики прямолинейного движения ОТС, разработка алгоритмов стабилизации движения, достижения устойчивости и управляемости данного вида транспортного средства, реализация теоретических результатов на практике (создание действующей модели ОТС).
Методы исследований. В диссертационной работе использованы понятия и методы теоретической механики, теории дифференциальных уравнений, современной теории управления, робототехники. Экспериментальные исследования выполнены на опытных моделях с применением современных приборов и оборудования и компьютерной техники.
Научная новизна. Построена математическая модель кинематики и динамики прямолинейного движения ОТС. Рассмотрены свойства математической модели динамики ОТС. Исследовано поведение линеаризованных моделей в типовых динамических режимах (разгон, равномерное движение, торможение). Разработаны алгоритмы стабилизации программной траектории. Доказана функциональная управляемость и обратимость иелинейной системы. Разработаны алгоритмы управления по ускорениям.
Практическая ценность работы состоит в ее направленности на реализацию действующих моделей ОТС, в использовании полученных результатов при проектировании ОТС на этапе выбора двигателей и расчета
-7-передач по степеням подвижности, синтезу алгоритмов управления ОТС. Отдельные результаты внедрены в учебный процесс. По теме диссертации написаны две курсовые и две дипломные работы.
Реализация результатов работы. На основе результатов, полученных в работе, в КБГУ созданы действующие модели ОТС. В этой работе принимали участие ученики А.Коропец и Д.Шишков. Ими была создана модель одноосного планетохода, которая была продемонстрирована на XXVII Всероссийском конкурсе "Космос". Работа получила диплом первой степени за теоретическую обоснованность и практическую реализацию данного вида транспортного средства.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международной конференции "Нелокальные краевые задачи и родственные проблемы математической биологии, информатики и физики" (Нальчик, 1996), на международной научно-практической конференции "Новые информационные технологии и их региональное развитие" (Нальчик, 1997).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 4 печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и изложена на 12В страницах.
