автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Разработка и исследование математической модели человеко-машинной системы "водитель - транспортное средство - внешняя среда"

На правах рукописи

/

005044772

ШМАКОВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННОЙ СИСТЕМЫ «ВОДИТЕЛЬ - ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО - ВНЕШНЯЯ СРЕДА»

Специальность 05.02.05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

24 май 20Ц

Владимир-2012

005044772

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Владимирский государственный университет имени Алексея Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Зашита диссертации состоится 30 мая 2012 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.05 при ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Алексея Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д.87, ауд. 335-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВлГУ. Автореферат размещен на сайтах Министерства образования и науки РФ (www.vak.ed.gov.ru) и ВлГУ (www.vlsu.ru).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направить ученому секретарю совета по указанному выше адресу. Тел. (4922) 477-790, e-mail: sim_vl@nm.ru

Автореферат разослан^' Оилр&и5( 2012 г.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кобзев Александр Архипович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Егоров Игорь Николаевич кандидат технических наук Черкасов Юрий Владимирович

Ведущая организация:

ОАО « ВНИИ «Сигнал» г. Ковров

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Е.А. Новикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Мехатронный подход к описанию и исследованию человеко-машинных систем (ЧМС) привлекает все большее внимание разработчиков. Одним из процессов, относящихся к поведению человека в ЧМС, является управление водителем транспортным средством при движении по трассе. Здесь взаимодействует между собой следующие подсистемы: 1) трасса - транспортное средство при движении и в статике; 2) транспортное средство - водитель транспортного средства; 3) водитель - транспортное средство. Последняя составляющая отражает активное воздействие водителя на органы управления транспортного средства, изменяющее параметры движения. В целом это мехатронная полуавтоматическая система управления с замыканием главной обратной связи через оператора. В настоящей работе под человеко-машинной системой понимается совокупность взаимодействующих объектов: трасса - транспортное средство - водитель. Водитель (человек-оператор) в этой системе рассматривается как динамическое звено в системе управления, работающий в режиме управления и воспринимающий возмущения со стороны движущегося объекта.

Возрастающая сложность задач управления техническим системами с человеком-оператором в контуре управления требует учета его особенностей и характеристик, как динамического звена СУ. Наряду с вопросами управления в транспортных ЧМС важное значение имеют вопросы активной и пассивной безопасности водителя транспортной системы в экстремальных и аварийных ситуациях. В настоящее время анализ взаимодействия водителя с элементами его рабочей зоны основан на натурных испытаниях, предусматривающих жесткий удар транспортного средства с манекеном с бетонной преградой (краш-тест). Они продолжительны во времени и дорогостоящие, так как разбиваются автомобили и деформируются манекены с системой датчиков. Одним из путей уменьшения времени и затрат на эти испытания является замена натурных испытаний моделированием процесса краш-теста с анализом деформаций оператора-водителя. Процедура замещения краш-теста представляет имитационное моделирование трех взаимосвязанных динамических систем: водитель - транспортное средство - внешняя среда (последняя активируется при движении объекта). Этот вопрос также встает при

оценке безопасности водителей и членов экипажа специальных инженерных машин в режиме экстренной или аварийной остановки. Далее в зависимости от рассматриваемых вопросов используется понятие «водитель», или «человек-оператор».

Цель работы. Разработка и исследование математической модели человеко-машинной системы «водитель - транспортное средство - внешняя среда» с целью замещения натурных испытаний на удар (краш-тест).

Для решения поставленной задачи необходимо рассмотреть и решить следующие вопросы:

- определить место рассматриваемой системы в классе ЧМС;

- провести анализ отечественных и международных норм в области активной и пассивной безопасности, выбрать критерий оценки безопасности на рабочем месте водителя ТС;

- разработать математическую модель водителя транспортного средства, как экзоскелетона с древовидной структурой;

- провести анализ физиологических особенностей двигательных функций плечевого пояса водителя,

- выбрать аппаратный аналог мышечных приводов суставов человека-оператора;

- разработать математическую модель верхних и нижних конечностей человека-оператора с учетом его физиологических особенностей в режимах управления и восприятия нагрузок;

- разработать математическую модель ЧМС в режиме краш-теста;

- провести исследование математической модели ЧМС в режиме краш-

теста.

Объект исследования. Человеко-машинная система: трасса — транспортное средство — водитель. Водитель, как физиологическая система. ЧМС в режиме краш-теста.

Методы исследования. В работе использованы методы теории автоматического управления, аппарата дифференциальных уравнений и передаточных функций, теории графов, математическое моделирование.

4

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработана модель водителя ТС, как экзоскелетона с древовидной структурой;

- выделены характерные режимы физиологии человека в различных двигательных режимах, определяющие структуру и математическое описание верхних и нижних конечностей;

- приводы суставов представлены как системы с переменной структурой, отражающие специфику физиологии и двигательного аппарата человека;

- в моделях приводов конечностей отражены режимы перелома костей;

- предложена методика исследования транспортной ЧМС в режиме краш-

теста;

- проведено исследование модели ЧМС в режиме краш-теста с моделью водителя, как многозвенного скелетона, и подтверждена возможность ее использования для замещения натурных испытаний ТС.

Практическая ценность работы.

- разработанную модель ЧМС с водителем можно использовать для замещения физических испытаний транспортных средств на краш-тест и для оценки безопасности специальных инженерных машин в экстренных и аварийных ситуациях;

- сокращение времени оценки пассивной безопасности транспортного средства;

- экономическая составляющая состоит в замещении натурных испытаний и, как следствие, в сохранении транспортного средства и манекена.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Автоматические и мехатронные системы» ВлГУ и научно-технических конференциях ВлГУ 2008 - 2011 г.г.; на научно-технических конференциях: Научно-техническая конференция молодых ученых и аспирантов «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление», 2010 г., КГТА, г. Ковров; Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России:

5

приоритеты развития и подготовка кадров», посвященная 145-летию МГТУ «МАМИ» 2011г., г. Москва; Международной научно-технической конференции «Пятые Уткинские чтения», БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова 2011г., г. Санкт-Петербург; Международной конференции по математической теории управления в механике, г. Суздаль, 2011г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе в 3-х работах по перечню ВАК.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы использованы:

1. В проекте № 2.1.2.-3091 «Разработка и исследование систем автоматического управления с прогнозирующими моделями для объектов с не полностью наблюдаемой регулируемой координатой» Федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы».

2. В эскизном проекте ОКР №1401100/246-400; 4175/11, «Разработка алгоритмов управления движением и стабилизацией объекта с прогнозированием траектории движения» ( с ОАО «ВНИИ «Сигнал»).

Разработанные модели ЧМС могут быть использованы для моделирования краш-теста колесных и гусеничных транспортных средств, с целью определения прочности элементов конструкции и элементов пассивной безопасности водителя, а также в учебном процессе.

Структура и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 127 наименований. Общий объем работы 146 стр., в том числе содержит 4 таблицы и 52 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационного исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе показано состояние и дана классификация человеко-машинных систем. Выделены основные группы ЧМС. Среди первых мехатрон-ных ЧМС следует выделить системы для работы в агрессивных средах и с радиоактивными элементами. Состав ЧМС: оператор - копирующий манипулятор -

6

объект манипулирования. Большой вклад в развитие этого направления внесли Лакота H.A., Кулешов B.C., Юревич Е.И., Игнатьев М.Б., Кулаков Ф.М., Ющенко A.C., Покровский A.M., Потапов A.M., Егоров И.Н., Дорохов В.П. и др.

В транспортных ЧМС роль человека-оператора имеет исключительно важное значение. Характерной системой этого класса является САУ: оператор - луноход - трасса движения по лунной поверхности. Значительный вклад в развитие этих систем внесли Петров Б.Н., Болховитинов И.С., Охоцимский Д.Е., Кемурд-жиан А.Л., Авотин Е.В., Веселов B.C. и др.

Рассматриваемая система водитель - транспортное средство - внешняя среда при движении и в экстремальных ситуациях относится к классу динамических ЧМС. Укрупненная структурная схема этой ЧМС приведена на рис. 1, где обозначено: Fj(a) - возмущение на ТС при движении от рельефа о; F?(t) - управляющее воздействие от водителя на ТС через двигатель и движитель и рулевое управление; Q(t) - деформации корпуса водителя (звеньев системы), причем

Q(t)=F(F3,t).

Рис. 1. Укрупненная структурная схема процесса ЧМС

Каждая такая подсистема является мультидисциплинарной и состоит из различных физических моделей, таких как модели электроники, механики, гидравлики, пневматики, прочности, газовой динамики, акустики, термодинамики, химии. При моделировании конкретного расчетного случая поведения ТС или какой-то отдельной подсистемы важно точно моделировать поведение ключевых подсистем, а поведение других можно моделировать приближенно без потери

7

точности. Это достигается с помощью разделения математических моделей на уровни.

Проведен анализ существующих норм и правил при оценке активной и пассивной безопасности водителя. В нашей стране испытания транспортных средств проводят по новой методике включающей в себя удар о жесткую преграду с тремя установленными номиналами скоростей. В нашей стране эти испытания проводятся на автополигоне НАМИ в г. Дмитров. Значительный вклад в исследование и испытаний автомобилей с манекеном в режиме краш-теста внесли Эйдинов A.A., Котиев Г.О., Никульников Э.Н., Сальников В.И., Барашков A.B., и др.

При столкновении ТС с препятствием выделяют две стадии удара - первичный и вторичный. Вначале деформируется кузов автомобиля (первичный удар). Кинетическая энергия автомобиля при этом тратится на поломку и деформацию деталей. Человек внутри автомобиля продолжает движение по инерции с прежней скоростью. Силы, удерживающие тело человека (мышечные усилия конечностей, трение о поверхность сиденья), невелики по сравнению с инерционными нагрузками и не могут воспрепятствовать перемещению. Вторая стадия -контакт водителя с элементами конструкции (рулевое колесо, панель приборов, ветровое стекло и др.).

Для исследования взаимодействия ТС и водителя, и оценки деформаций его корпуса следует разработать и осуществить моделирование данного процесса как человеко-машинной системы.

Во второй главе проведен анализ антропометрических особенностей водителя. С точки зрения антропометрии человек рассматривается исключительно как тело, имеющее определенные размеры. Антропометрические данные оператора можно выбрать из международного стандарта ИСО 3411-82 или из антропометрического атласа. Проведенный анализ показал, что в работах рассматриваются задачи динамического анализа и оптимального управления биомехатронных систем реабилитационных устройств конечностей человека, построенных на базе разомкнутых кинематических цепей, лежащих в основе антропоморфных манипуляторов, а также экзоскелетона-ассистента человека, применимого как для физиотерапии, так и для перманентного использования. Составлены динамические моде-

ли биомехатронной системы конечности человека с экзоскелетоном и решена смешанная задача ее динамики. На основании общей математической теории оптимальных процессов рассматриваются задачи оптимального управления реабилитационных устройств конечностей человека, построенных на базе антропоморфных манипуляционных механизмов с разомкнутой кинематической цепью. Представление решения задачи в виде степенных рядов позволяет значительно сократить число искомых параметров, что, в свою очередь, приводит к уменьшению объема вычислений. Проблемам моделирования биомехатронных систем уделили в своих работах отечественные и зарубежные ученые: Мартыненко Ю.В., Казарян С., Арутюнян М., Аракелян В., Agrawal S., Fattah А., Боровин Г.К., Кос-тюк A.B., Д.Сит и др.

Оценка травмобезопасности водителя ТС в результате краш-теста сводится к определению воздействий на контрольные точки водителя: голова, грудная клетка, таз, колени. Оценка ведется по пятибальной шкале. Действующие в настоящее время критерии травмобезопасности представляют по существу только нормированный уровень замедления головы в динамических испытаниях (80g в течение 3 мс). Для оценки степени контакта водителя с рабочей зоной ТС используют точку пересечения контрольной точки колена манекена с контуром интерьера передней части салона автомобиля в процессе столкновения и превышению нормативного усилия на колено над фактическим. При наличии такого пересечения может быть представлена двумя системами нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка, соответствующими первой и второй фазе столкновения автомобиля с препятствием.

Рассмотренные группы скелетонов используются в двигательном режиме. Приводы суставов синтезированы из условия максимально возможных нагрузок при контакте с рабочим объектом. При этом физиологические особенности (мышечный привод) учитываются недостаточно для оценки воздействия на скелет и мышечные ткани человека. В моделях не отражены режим и условия излома конечностей.

Методика исследования ЧМС включает четыре этапа: 1) составление плоской кинематической модели водителя; 2) составление и исследование древовид-

ной кинематической структуры в режиме жесткого удара с внешней средой; 3) расширение древовидной модели путем нагружения ее динамическими составляющими приводов суставов, отражающими физиологические свойства и особенности человека; 4) исследование ЧМС в режиме краш-теста.

В третьей главе рассмотрен первый и второй этапы исследования ЧМС.

На первом этапе составлена плоская кинематическая модель водителя ТС, как многозвенного скелетона, рис. 2. При этом были приняты следующие допущения: модель представляет собой шарнирно-сочлененный многозвенник с наложенными на него упруго-вязкими динамическими связями; пренебрегаем силами трения в кинематических парах; считаем связи идеальными, голономными и удерживающими; звенья абсолютно жесткие.

V

х

Рис. 2. Кинематическая схема водителя Дифференциальные уравнения динамической модели имеют вид:

аиЯ\ +апЬ + а13д3+а„дл=Ц +Мст] +1\, а21д, + а22д2 + а2дъ + а24д4 =Я,+ Мст2 + Р2,

<

аъ Л + + ЩъЯз + «34<?4 = К3 + Мст з + Р3,

аЛ + + апЪ + = К4 + Мст4 + ^4

?

где: -обобщенные координаты, Лд - функции движущих моменты, Мст/-статические моменты сопротивления, - функции динамических моменты сопротивления; Ь\\, ...,6зз и ап, ...,а44 - инерционные характеристики, зависящие от обобщенных координат.

Первая система уравнений для верхних конечностей, вторая - для нижних конечностей, спины и головы. Компьютерное моделирование в работе проведено с использованием прикладных программ пакета МАТЬАВ. Для исследования модели ТС - водитель была разработана ЗтиПпк-модель, приведенная на рис. 3.

Рис. 3. Компьютерная модель ТС - водитель Проведенные исследования этой модели ЧМС показали ее работоспособность. Получены характеристики реакций водителя в опорных точках суставов в режиме жесткого удара, соответствующие расчетным параметрам. Однако здесь не учитывается реакция в других плоскостях. Для этого следует рассмотреть пространственную модель водителя ТС.

Второй этап предусматривает переход к древовидной пространственной модели. Здесь использован подход к описанию кинематической схемы человека-оператора, как экзоскелетона с древовидной кинематической структурой на основе теории графов. Разработана математическая модель оператора с замкнутыми

обратными связями по положению, с учётом взаимодействия водителя с опорной поверхностью. При этом учтены следующие особенности: древовидная кинематическая структура водителя; незакреплённость кинематической схемы к неподвижному основанию; наличие внешних связей накладываемых на водителя, которые меняются в процессе его движения. Здесь приняты следующие допущения: звенья оператора абсолютно жёсткие; связи в сочленениях - голономные. Описание кинематической структуры водителя в условиях его непривязанности к неподвижному основанию было реализовано путём введения шести дополнительных фиктивных звеньев, связывающих корпус водителя с неподвижным основанием. В этом случае оператор имеет 18 степеней подвижности, и его кинематическая структура становится ветвящейся (рис. 4).

Рис 4. Кинематическая структура оператора в виде древовидного направленного графа

При описании структуры и записи математической модели приняты следующие допущения:

- кинематическая структура оператора представляется в виде древовидного направленного графа, звенья в таком графе являются вершинами, а соединяющие их сочленения - дугами;

- за звено с номером 0 (корень дерева) принимаем окружающее пространство с инерциалыюй системой координат, фиксированной в какой- либо точке этого пространства (абсолютной системой координат);

- нумерация звеньев начинается с 1 и производится по возрастающим номерам, без пропусков, двигаясь от корня дерева к его листам, т. е. для каждого звена должно выполняться условие: собственный номер звена меньше номера любого звена - потомка;

- номер обобщённой координаты, как и номер соответствующего сочленения, такой же, как и у звена, присоединяемого этим сочленением к предыдущему звену.

Для формирования математической модели в блочном виде будем представлять кинематическую структуру исполнительного механизма с помощью матрицы достижимости. Это квадратная матрица Д каждый элемент которой равен 1, если вершина /„ достижима из вершины у. Размерность матрицы Б равна числу звеньев исполнительного механизма.

Уравнение динамики модели, имеющей древовидную КС: А{д)-д+ Щд,д) ■ д + С(д}° {в + Щд)-° п в = г

>

где

А(я) = а{°ге*) (-(Ч°сД)))Т (О-М (Е-^+Л^0^)0^ ■*) + + ОГ-0^-£)0г£/сг) +

+ (E-a){0zd)T ■ ВТ т<* (£)М (£-<7) + ЛГ(°с а);

B(q,q) = a{°zdyHA{°c/D))T md [AT(°CjDyAT(°zd-a qd) (D-E) +

+ AT(AT(Qc^ya-qd0zd-D + AT(0c^y((D-E)-a-°:d-q)d) + + 2-DAT(°zd {E-a)qd{D-E)]+

+ DT0JdD-cqd ■AT(°=d)(D-E) + DT-A(D-°:d aq)d0!^-D}°:d <J + + {E-a)i0zdf -DT-md ■[Ar(°cJDyAT{°zd a-qdy(D-E) + + 2 D-AT(°zd ■(E-a)-qd) (D-E) +

C(q) = (T -(У f-{DT-E)- A(V) • DT + (E - а) -{V )T - DT; D(q) = a{°zJY-Dr;

®cd- блочная диагональная матрица векторов, соединяющих начала основных СК звеньев, с их ЦМ;

а,£{1,0} - диагональная матрица коэффициентов <r¿e{l,0}, определяющих типы сочленений, звенев со звеньями-отцами (телескопический и вращательный шарнир соответственно);

D - матрица достижимости;

4 = (4i<4i' -'4n) - вектор обобщенных координат модели; Я = (ЯгУ]' Як) _ вектор обобщенных скоростей модели; т = (mvm2,..., mN)T- матрица масс звеньев исполнительного механизма;

J =(J ,J ,..., J )Т- блочная матрица тензоров инерции звеньев;

С С, С j Су

°td =diag(°iTt,°t^,..., блочная диагональная матрица векторов, со-

единяющих начала систем координат звеньев f{i),ns{¡) с точками, через которые проходят равнодействующие внешних сил, приложенных к звеньям

В четвертой главе рассматриваются третий и четвертый этапы исследований ЧМС.

Третий этап - расширение древовидной модели путем нагружения ее динамическими составляющими приводов суставов, отражающими физиологические свойства и особенности человека, и исследование ее в режиме краш-теста.

14

Для этого проведен анализ физиологических особенностей двигательных функций локтевого и плечевого суставов. Движение конечностей осуществляется за счет одновременной работы мышц сгибателей и разгибателей, за счет чего получается требуемая скорость и плавность движений с одновременным обеспечением требуемого момента. При сгибании, например, руки в локтевом суставе, основной мышцей, осуществляющей работу и формирующей момент, является бицепс (мышца-сгибатель), в то время как скорость и плавность регулируется величиной напряжения трицепса (мышца-разгибатель). В режиме парирования внешнего момента в неподвижном, любом угловом положении, работает другая группа мышц (головка миозина). По существу привод сустава работает в трех режимах: 1) двигательном; 2) сопротивления внешнему моменту; 3) удержания с постоянным моментом и стабилизацией углового (линейного) положения. Тогда модель привода представляет систему с переменной структурой, которую можно представить в виде рис.5.

Полная модель ЧМС представляет параллельно-последовательную структуру. Последовательные подсистемы верхних и нижних конечностей представляют параллельные подсистемы для позвоночника с шарнирами в виде тазобедренного и плечевого суставов. Голова с шейными позвонками представляет свободное звено. Рассмотрим как базовую структурную схему для суставов верхних и нижних конечностей, рис. 5.

На схеме обозначено: IV,(р), \У2(р) - передаточная функция мышц сгибателей и разгибателей соответственно;)^^) - передаточная функция мышечного привода удержания с постоянным моментом и стабилизацией углового (линейного) положения;!^^ - передаточная функция интеллектуального модуля формирования

управления; - воздействие транспортного средства, включающее воздействие внешней среды; Ри(1) - функция ограничения выходного момента; /■)//,) -функция анализирующая максимально допустимый момент сустава; - ключ в канале механической компоненты сустава (несущая кость); ИМ - интеллектуальный модуль; ДМ - двигательный модуль; КС - костная система с моделью излома; Сц~ жесткость механической системы; 6,у - коэффициент сухого трения; Р^-внешнее воздействие.

Особенности структуры: 1) ЧМС представляет полуавтоматическую систему управления, замкнутую по цепи главной обратной связи через водителя (оператора); 2) выделено три основных режима, переключение между режимами осуществляется интеллектуальным модулем человека-оператора (центральная нервная система); 3) переключение между двигательными каналами (IV¡(р), \¥2(р)) осуществляется в функции знака скорости выходной координаты; 4) переключение на контур режима удержания выполняется в функции сигнала с интеллектуального модуля и внешнего воздействия; 5) модель излома конечности (кость сустава) представлена в виде сочетания нелинейных элементов ), Рр(1), размыкающих механический тракт при превышении действующего на него момента. В двигательном режиме в зависимости от требуемого положения осуществляется переключение между передаточными функциями мышц сгибателей и разгибателей. При возникновении резкого изменения внешнего воздействия происходит переключение на режим удержания 1¥3(р).

На основе данного анализа разработана модель мышцы водителя как аналог гидравлического привода с исполнительным цилиндром двустороннего действия. Для описания и исследования приводов использован аппарат передаточных функций. Коэффициенты передачи и постоянные времени звеньев выбраны в соответствии с их значениями, определяемыми физиологическими особенностями соответствующих групп мышц и реакций человека.

Спроецировав полученную модель на все суставы верхних конечностей, получим компьютерную модель плечевого пояса водителя (рис.6.).

|егу|О-0 .

дса® '

(Адене* Зегки

1—1

Рис.6. Компьютерная модель плечевого пояса

Исследование модели проводились в указанных выше трех режимах. В качестве возмущающего воздействия подавались ступенчатые функции с различным значением возмущающего воздействия. При этом регистрировались угловые положения суставов, скорости, ускорения и моменты в шарнирах. Адекватность модели оценивалась по соответствию характеристик модели характеристикам человека. Отклонение составило не более 7%.

Четвертый этап предусматривает моделирование всей ЧМС в режиме краш-теста. Модель ЧМС содержит рассмотренные модели человека-оператора и внешней среды. В данной модели водитель представляет скелетон с антропометрическими характеристиками человека. В модели также учтены ограничения по всем степеням свободы согласно физиологии человеческого тела, а также мышечное сопротивление водителя. Для каждого блока, моделирующего твердое тело, задается масса, координаты центра масс и характерных точек, осевые моменты инерции относительно осей локальных систем координат ,/х, У. и центробежные моменты инерции ./„, составляющие тензору инерции тела, а также антро-

пометрические характеристики водителя соответствующего 50% уровню репрезентативности. Тела между собой связаны шарнирами, ограничивающими их взаимное перемещение. Компьютерная модель ЧМС в режиме краш-теста приведена на рис.7.

Рис.7. Компьютерная модель ЧМС в режиме краш-теста Проведены исследования компьютерной модели в режиме краш-теста. В качестве возмущающего воздействия внешней среды и ТС на водителя рассматривались ступенчатые функции с различным значением возмущающего воздействия. При этом регистрировались угловые положения суставов, скорости, ускорения и моменты в шарнирах.

Анализ полученных характеристик динамической системы при приложении трех вариантов нагрузок (краш-тест при начальных скоростях ТС 30, 72 и 100 км/ч) показал, что динамические свойства взаимодействия водителя существенно зависят от начальной скорости и массы ТС. Сравнение численных значений параметров переходного процесса с данными эксперимента показало, что расхождение по величине перерегулирования не превышает 15%. Адекватность модели оценивалась по соответствию характеристик модели характеристикам реальных краш-тестов, приведенных в литературе. Отклонение составило не более 12%. Одна из реализаций эксперимента показаны на примере зависимости ускорений головы водителя при моделировании краш-теста на скорости 100 км/ч (рис.8.). Процесс носит колебательный характер и на третьей полуволне превышает допустимое значение в 80§.

Рис.8. Ускорение головы водителя

Сравнительный анализ данных характеристик с характеристиками натурных испытаний, показывает, что разработанная математическая модель ЧМС, как сложной динамической системы «трасса - транспортное средство - человек-оператор», позволяет на этапе проектирования ТС с помощью методов имитационного моделирования осуществлять оценку нагрузки на человека-оператора в экстремальных ситуациях.

Разработанная математическая модель человеко-машинной системы "трасса - транспортное средство - человек-оператор" и проведенные исследования показывают возможность замены натурных испытаний краш-теста моделированием.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Показано, что процесс взаимодействия водителя с рабочей зоной движущегося транспортного средства следует рассматривать как человеко-машинную систему: трасса - транспортное средство - водитель.

2. Предложено в модели транспортной ЧМС водителя представлять в виде скелетона как древовидного направленного графа.

3. Определено, что совокупность нижних и верхних конечностей и позвоночника представляют последовательно-параллельную структуру в классе сложных технологических машин.

4. Раскрыты три режима работы суставов верхних и нижних конечностей 1) двигательный; 2) сопротивление внешнему моменту; 3) удержание с постоянным моментом и стабилизацией углового (линейного) положения.

5. Показано, что приводы суставов следует рассматривать как системы с переменной структурой, отражающие режимы работы и специфику физиологии и двигательного аппарата человека.

6. Введены блоки, отражающие эффект перелома костей суставов, в моделях приводов конечностей.

7. Предложен метод исследования транспортной ЧМС в режиме краш-теста, предполагающей четыре этапа: 1) составление плоской кинематической модели водителя; 2) составление и исследование древовидной кинематической структуры в режиме жесткого удара с внешней средой; 3) расширение древовидной модели путем нагружения ее динамическими составляющими приводов суставов, отражающими физиологические свойства и особенности человека; 4) исследование ЧМС в режиме краш-теста.

8. Доказано что исследования ЧМС модели водителя, как многозвенного скелетона, в режиме краш-теста, можно использовать для замещения натурных испытаний.

Статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Шмаков B.C. Компьютерная модель водителя транспортного средства // Современные проблемы науки и образования. 2011. №4. ISSN 1817-6321. Электронное издание.

2. Кобзев A.A., Шахнин В.А., Шмаков B.C. Анализ взаимодействия системы оператор - рабочая зона оператора в транспортном средстве в экстремальных ситуациях // Современные проблемы науки и образования. 2011. №5. ISSN 18176321. Электронное издание.

3. Шмаков B.C. Кинематическая схема водителя автомобиля как многозвенная система // Фундаментальные исследования. №12 (часть 1), 2011. - С.199-201.

В других изданиях:

4. Шмаков B.C., Кобзев A.A. Разработка и исследование математической модели динамической системы оператор - рабочее пространство подвижного транспортного средства в экстренных ситуациях // Труды МНТК ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященная 145-летию МГТУ «МАМИ». В 2 ч. 4.1 - Москва: МГТУ «МАМИ», 2010. -С. 281.

5. Шмаков B.C. Кинематическая модель оператора подвижного транспортного средства // Сборник трудов конференции «ПУВТ-2010» - Владимир: ГОУ ВПО «ВлГУ им. А.Г. и Н.Г. Столетовых», 2010. - С. 131.

6. Шмаков B.C. Кинематическая модель механика-водителя подвижных объектов с прогнозируемым движением // Вооружение. Технология. Безопасность. Управление. Материалы IV межотраслевой конференции с международным участием аспирантов и молодых ученых. В 3 ч. 4.1 - Ковров: ГОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева», 2009.- С. 273.

7. Кобзев A.A., Шмаков B.C., Зубарева Е.В. Модель механика-водителя транспортного средства как многозвенного скелетона // Труды МНТК «Пятые Уткин-ские чтения», Санкт-Петербург, БГТУ «ВОЕНМЕХ». - СПБ: (Библиотека журнала «Военмех. Вестник БГТУ», №12), 2011.-С. 131.

Личный вклад соискателя: [5], [6] плоская кинематическая модель водителя ТС. [3], [7] модель водителя ТС, как экзоскелетона с древовидной структурой. [1], [4] модель транспортной ЧМС. [2] структура и математическое описание верхних и нижних конечностей водителя. [2] приводы суставов как системы с переменной структурой, отражающие специфику физиологии и двигательного аппарата человека. [1] предложен методика исследования транспортной ЧМС в режиме краш-теста. [1], [7] исследование модели ЧМС в режиме краш-теста.

Подписано в печать 28. 04.2012. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ 1420 - 2012 г.

Отпечатано с готового оригинал-макета в AHO «Типография на Нижегородской» 600020, Б. Нижегородская, 88-Д.

Введение

Глава 1. Анализ методов испытаний транспортных средств в части воздействий на человека-оператора в экстремальных ситуациях

1.1 .Состояние вопроса

1.2. Структурное представление системы водитель - транспортное средство - внешняя среда

1.3. Классификация человеко-машинных систем

1.4. Методы и средства проведения испытаний транспортных средств с манекеном

1.5. Постановка задач

Глава 2. Анализ антропометрических данных человека-оператора в транспортной человеко-машинной системе ^

2.1. Постановка задач

2.2. Физиологические особенности человека-оператора

2.3. Экзоскелетоны

2.4. Анализ воздействий на водителя в экстремальных ситуациях

2.5. Выводы

Глава 3. Кинематическая модель водителя

3.1. Постановка задач

3.2. Многозвенная статическая модель водителя с жесткими звеньями

3.3. Пространственная модель водителя как исполнительного механизма с древовидной кинематической структурой

3.4. Многозвенная модель водителя с учетом жесткости частей тела водителя

3.5. Выводы

Глава 4. Исследование транспортной человеко-машинной системы

4.1. Постановка задач

4.2. Анализ физиологических особенностей двигательных функций локтевого сустава

4.3. Математическая модель локтевого сустава как многоре- 97 жимного привода

4.4. Структурная схема плечевого пояса водителя как трехзвен- 106 ного механизма

4.5. Анализ динамики мышечного привода в характерных 112 режимах.

4.6. Выводы и результаты

Актуальность работы

Мехатронный подход к описанию и исследованию человеко-машинных систем привлекает все большее внимание разработчиков. Одним из процессов, относящихся к поведению человека в ЧМС является управление водителем транспортным средством при движении по трассе. Здесь взаимодействует между собой следующие подсистемы: 1) трасса - транспортное средство при движении и в статике; 2) транспортное средство - водитель транспортного средства; 3) водитель - транспортное средство. Последняя составляющая отражает активное воздействие водителя на органы управления транспортного средства, изменяющее параметры движения. В целом это мехатронная полуавтоматическая система управления с замыканием главной обратной связи через оператора. В настоящей работе под человеко-машинной системой понимается совокупность взаимодействующих объектов: трасса - транспортное средство - водитель. Водитель (человек-оператор) в этой системе рассматривается как динамическое звено в системе управления, работающий в режиме управления и воспринимающий возмущения со стороны движущегося объекта.

Возрастающая сложность задач управления техническим системами с человеком-оператором в контуре управления требует учета его особенностей и характеристик, как динамического звена СУ. Среди первых мехатронных ЧМС следует выделить системы для работы в агрессивных средах и с радиоактивными элементами элементами вида: оператор - копирующий манипулятор - объект манипулирования. Большой вклад в развитие этого направления внесли Лакота H.A., Кулешов B.C., Юревич Е.И., Игнатьев М.Б., Кулаков Ф.М., Ющенко A.C., Покровский A.M., Потапов A.M., Егоров И.Н., Дорохов В.П. и др. В транспортных ЧМС роль человека-оператора имеет исключительно важное значение. Характерной системой этого класса является САУ: оператор - луноход - трасса движения по лунной поверхности. Значительный 4 вклад в развитие этих систем внесли Петров Б.Н., Болховитинов И.С., Охоцимский Д.Е., Кемурджиан А.Л., Авотин Е.В., Веселов B.C. и др.

Наряду с вопросами управления в транспортных ЧМС важное значение имеют вопросы активной и пассивной безопасности водителя транспортной системы в экстремальных и аварийных ситуациях. В настоящее время анализ взаимодействия водителя с элементами его рабочей зоны основан на натурных испытаниях, предусматривающих жесткий удар транспортного средства с манекеном с бетонной преградой (краш-тест). В нашей стране эти испытания проводятся на автополигоне НАМИ в г. Дмитров. Они продолжительны во времени и дорогостоящие, так как разбиваются автомобили и деформируются манекены с системой датчиков. Проблемам моделирования транспортного средства как объекта управления системы водитель-транспортное средство-внешняя среда уделили в своих работах отечественные и зарубежные ученые: Агейкин Я.С., Бахмутов С.А., Гинцбург J1.J1., Добрин A.C., Кутьков Г.М., Морозова Б.И., Ракляр A.M., Фаробин Я.Е., и др.

Одним из путей уменьшения времени и затрат на эти испытания является замена натурных испытаний моделированием процесса краш-теста с анализом деформаций оператора-водителя. Процедура замещения краш-теста представляет имитационное моделирование трех взаимосвязанных динамических систем: водитель - транспортное средство - внешняя среда (последняя активируется при движении объекта).

Основоположником теории автомобилей как науки, изучающей функциональные свойства автомобиля, закономерности движения автомобиля, эффективные и безопасные режимы является Е.А. Чудаков.

Вопросы управляемости и устойчивости автомобиля разрабатывались Литвиновым A.C. [55], Певзнером Я.М., методы расчетов плавности хода и обоснование выбора параметров автомобиля как колебательной системы -Ротенбергом Р. В., Певзнером Я.М. и др. В работах Бухарина И.А., Фрумкина А. К., Никульников Э.Н. [62] изложены методы расчета тормозной динамики автомобиля.

Особенностям проектирования кабин и платформ транспортных средств (ТС) посвятили свои работы Высоцкий М.С. [18], О.И. Гируцкий, В.В. Осепчугов, А.Н. Островцев, A.A. Полунгян, В.Ф. Родионов, Б.М. Фит-терман, и другие.

Вопросы исследования прочности кузовных и тонкостенных пространственных конструкций рассмотрели в своих работах Е.В. Александров, P.A. Акопян, Г.М. Багров, С.Ф. Безверхий, О.Ф. Трофимов, В.Н. Белокуров, И.Н. Порватов, Н.Б. Софонов, JI.H. Орлов и другие.

Исследованию пассивной безопасности, расчетам конструкций за пределами упругости при статистическом и ударном нагружениях посвящены работы В.П. Агапова, В.Н. Андронова, В.В. Берминова, H.A. A.M. Иванова [36], В.Н. Коршакова, А.И. Рябчинского [71, 72, 73], В.И. Сальникова, Ни-кульникова [62] и других.

Исследованию пассивной безопасности конструкций автомобилей и дорог в нашей стране посвятили свои работы В.В. Амбарцумян, М.А. Андронов [8, 9], A.B. Арутюнян, Иларионов [37], И.К. Коршаков, Г.В. Максапетян, JI.H. Орлов и др. Проведенный анализ работ по безопасности показал, что проблема снижения тяжести последствий ДТП с участием ГАТС, работающих на ГМТ, является многоплановой и до настоящего времени комплексно не прорабатывалась.

Среди множества работ, посвященных рассматриваемой проблеме испытания ТС, следует выделить научные труды В.Б. Цимбалин [78], В.Н. Кра-вец, А.И. Гришкевич [29], М.С., Куров Б.А. [51], Лаптев С.А. [52], Балабин И.В.

Проблемам моделирования транспортного средства как объекта управления системы «автомобиль-водитель-среда» (ABC) уделили в своих работах отечественные и зарубежные ученые: Агейкина Я.С., Антонова Д.А., Балаби-на И.В., Кисуленко Б.В. [39], Фалькевича Б.С., Фаробина Я.Е., Фуфаева H.A., Хачатуров A.A. [77], Фрома X. и многих других.

Прогнозирование оптимальной кинематики движения, уровня ускорений и усилий, действующих на водителя при лобовом столкновении автомобиля, являются приоритетными направлениями при решении задачи повышения его пассивной безопасности. Это и послужило основанием для постановки основной проблемной задачи данной диссертационной работы.

Цель работы

Разработка и исследование математической модели человеко-машинной системы «водитель - транспортное средство - внешняя среда» с целью замещения натурных испытаний на удар (краш-тест).

Для решения поставленной задачи необходимо рассмотреть и решить следующие вопросы:

- определить место рассматриваемой системы в классе ЧМС;

- провести анализ отечественных и международных норм в области актив-ной и пассивной безопасности, выбрать критерий оценки безопасности на рабочем месте водителя ТС;

- разработать математическую модель водителя транспортного средства, как экзоскелетона с древовидной структурой;

- провести анализ физиологических особенностей двигательных функций плечевого пояса водителя,

- выбрать аппаратный аналог мышечных приводов суставов человека-оператора;

- разработать математическую модель верхних и нижних конечностей человека-оператора с учетом его физиологических особенностей в режимах управления и восприятия нагрузок;

- разработать математическую модель ЧМС в режиме краш-теста;

- провести исследование математической модели ЧМС в режиме краштеста.

Объект исследования

Человеко-машинная система: трасса - транспортное средство - водитель. Водитель как физиологическая система. ЧМС в режиме краш-теста.

Методы исследования

Применение аппарата дифференциальных уравнений и матричного описания, использование методов анализа и синтеза робототехнических систем. Математическое моделирование сложных взаимосвязанных нелинейных динамических систем. Для математического описания оператора (водителя) используются антропоморфные модели подобные моделям роботов с угловой кинематикой.

Для визуальной оценки динамического процесса используются графические методы отображения пространственного перемещения и взаимодействия инерционных тел. Моделирование структур и анализ будут проводится в пакетах 81шиНпк, 81шМесЬап1сз используя методы конечно-элементного моделирования.

Научная новизна результатов проведенного исследования

- разработана модель водителя ТС, как экзоскелетона с древовидной структурой;

- выделены характерные режимы физиологии человека в различных двигательных режимах, определяющие структуру и математическое описание верхних и нижних конечностей;

- приводы суставов представлены как системы с переменной структурой, отражающие специфику физиологии и двигательного аппарата человека;

- в моделях приводов конечностей отражены режимы перелома костей;

- предложена методика исследования транспортной ЧМС в режиме краш-теста;

- проведено исследование модели ЧМС в режиме краш-теста с моделью водителя, как многозвенного скелетона, и подтверждена возможность ее использования для замещения натурных испытаний ТС.

Практическая значимость результатов диссертации

- разработанную модель ЧМС с водителем можно использовать для замещения физических испытаний транспортных средств на краш-тест и для оценки безопасности специальных инженерных машин в экстренных и аварийных ситуациях;

- сокращение времени оценки пассивной безопасности транспортного средства;

- экономическая составляющая состоит в замещении натурных испытаний и, как следствие, в сохранении транспортного средства и манекена.

Реализация результатов работы

Результаты исследований по настоящей работе использованы:

В проекте № 2.1.2.-3091 «Разработка и исследование систем автоматического управления с прогнозирующими моделями для объектов с не полностью наблюдаемой регулируемой координатой» Федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы».

2. В эскизном проекте ОКР №1401100/246-400; 4175/11, «Разработка алгоритмов управления движением и стабилизацией объекта с прогнозированием траектории движения» ( с ОАО «ВНИИ «Сигнал»).Разработанные исследования могут быть использованы для моделирования краш-теста автомобилей, проводимого с целью определения элементов конструкции автомобилей и элементов пассивной безопасности.

Разработанные модели ЧМС могут быть использованы для моделирования краш-теста колесных и гусеничных транспортных средств, с целью определения прочности элементов конструкции и элементов пассивной безопасности водителя, а также в учебном процессе.

На защиту выносятся:

- математическое описание кинематической схемы водителя, как аналога многозвенного робота;

- разработка математической модели настоящей системы; разработка открытой системы моделирования и исследования настоящей динамической системы.

Апробация работы и публикации

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Автоматические и ме-хатронные системы» ВлГУ и научно-технических конференциях ВлГУ 2008 -2011 г.г.; на научно-технических конференциях: Научно-техническая конференция молодых ученых и аспирантов «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление», 2010 г., КГТА, г. Ковров; Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященная 145-летию МГТУ «МАМИ» 2011г., г. Москва; Международной научно-технической конференции «Пятые Уткинские чтения», БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова 2011г., г. Санкт-Петербург; Международной конференции по математической теории управления в механике, г. Суздаль, 2011г.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, включающего описание изобретений к патентам и отчеты по НИР. Общий объем диссертации 154 страницы машинописного текста, в том числе: 154 страниц основного текста, включающего 118 рисунков и 7 таблиц.

4.6. Выводы и результаты

1. С учетом физиологических особенностей двигательного аппарата верхних и нижних конечностей следует рассматривать три режима: 1) двигательный; 2) сопротивление внешнему моменту; 3) удержание с постоянным моментом и стабилизацией углового (линейного) положения.

3. Костно-мышечная двигательная система плечевого пояса, верхних и нижних конечностей представлена в виде трехконтурной системы с переменной структурой.

4. В моделях верхних и нижних конечностей отражен эффект перелома костей.

5. Проведены исследования реакции локтевого и плечевого суставов, как этапы отработки и исследования модели водителя.

6. Величины реакции и деформаций в контрольных точках водителя соответствуют антропометрическим данным, приведенным в медицинской литературе.

7. Разработанная математическая модель сложной динамической системы «водитель - транспортное средство - внешняя среда» позволяет на этапе проектирования ТС с помощью методов имитационного моделирования осуществлять оценку динамической нагрузки на рабочем месте человека-оператора.

8. Проведенные исследования подтвердили адекватность математической модели человеко-машинной транспортной системы. Предложенная модель может применяться для замещения натурного краш-теста.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что процесс взаимодействия водителя с рабочей зоной движущегося транспортного средства следует рассматривать как человеко-машинную систему: трасса - транспортное средство - водитель.

2. Предложено в модели транспортной ЧМС водителя представлять в виде скелетона как древовидного направленного графа.

3. Определено, что совокупность нижних и верхних конечностей и позвоночника представляют последовательно-параллельную структуру в классе сложных технологических машин.

4. Раскрыты три режима работы суставов верхних и нижних конечностей 1) двигательный; 2) сопротивление внешнему моменту; 3) удержание с постоянным моментом и стабилизацией углового (линейного) положения.

5. Показано, что приводы суставов следует рассматривать как системы с переменной структурой, отражающие режимы работы и специфику физиологии и двигательного аппарата человека.

6. Введены блоки, отражающие эффект перелома костей суставов, в моделях приводов конечностей.

7. Предложен метод исследования транспортной ЧМС в режиме краш-теста, предполагающей четыре этапа: 1) составление плоской кинематической модели водителя; 2) составление и исследование древовидной кинематической структуры в режиме жесткого удара с внешней средой; 3) расширение древовидной модели путем нагружения ее динамическими составляющими приводов суставов, отражающими физиологические свойства и особенности человека; 4) исследование ЧМС в режиме краш-теста.

8. Показано, что исследования ЧМС модели водителя, как многозвенного скелетона, в режиме краш-теста, можно использовать для замещения натурных испытаний.

1. Авотин Е.В., Болховитинов И.С., Кемурджиан A.JI. // Динамика пла-нетохода.-М.: Наука, 1979. -438с.

2. Автомобили: Испытания: Учеб. пособие для вузов/ В.М. Беляев, М.С. Высоцкий, Л.Х. Гилелес и др.; Под ред. А.И. Гришкевича, М.С. Высоцкого. Мн.: Выш. шк., 1991. - 187 с.

3. Автомобильный справочник: Пер. с англ. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 992 с.

4. Адамович Н.В. Управляемость машин. М.: Машиностроение, 1977. - 280 с.

5. Адлер Ю.П. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М., 1976. - 279 с.

6. Алфутов H.A. Устойчивость движения и равновесия / H.A. Ал футов, К.С. Колесников. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. - 253 с.

7. Альгин В.Б. Динамика, надежность и ресурсное проектирование трансмиссий мобильных машин. Мн.: Навука i тэхшка, 1995. - 256 с.

8. Андронов М.А., Гангус В.Е., Фридлянов В.Н. Проектирование рабочего места водителя автомобиля с учетом требований безопасности. В кн.: Конструкции автомобилей. Сб. статей. Вып. 4.- М.: НИИНавтопром, 1973. с. 3-14.

9. Андронов М.А., Межевич Ф.Е., Фридлянов В.Н. Посадочный манекен и его параметры при проектировании автомобилей и испытании их на безопасность. В кн.: Автомобилестроение. Сб. статей. Вып. 2. М.: НИИНавтопром, 1971.- с. 25-31

10. Афанасьев Л.Л., Дьяков А.Б., Иларионов В.А. Конструктивная безопасность автомобилей. М.: Иашиностроение,1983. - 212 с.

11. Бабков В.Ф. Дорожные условия и безопасность движения. Учебник для вузов. М.: Транспорт, 1993. - 271 с.

12. Барабашин Е.А. Введение в теорию устойчивости. М.: Наука, 1967.-224 с.

13. Бахмутов C.B. Методы оценки активной безопасности АТС / C.B. Бахмутов, Е. О. Рыков, Ю. В. Шемякин // Автомобильная промышленность. -1989. № 9. - М: Машиностроение,- с. 28-29.

14. Бегун П.И. Моделирование в биомеханике: Учеб. Пособие / П.И. Бегун, П.Н. Афонин. М.: Высш. шк., 2004. - 390 с.

15. Бидинский K.JI, Рябчинский А.И. Безопасность при фронтальных столкновениях. Автомобильная промышленность. 1998. - с. 30-32.

16. Брянский Ю.А. Управляемость и безопасность автомобиля. ВИНИТИ.-М.: 1987. 108 с.

17. Вахламов В.К. Автомобили: Конструкция и эксплуатационные свойства. М.: Academia. 2009. - 480 с.

18. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств. Пер. с англ. М.: Машиностроение. 1982. - 284 с.

19. Воронин A.B. Моделирование мехатронных систем: учебное пособие. Томск.: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 137 с.

20. Воронов A.A. Устойчивость, управляемость, наблюдаемость. М.: Наука, 1979.-336 с

21. Вукобратович М., Шагающие и антропоморфные механизмы .-М.: Мир, 1976.

22. Гац К.А. Кинематическая схема механика-водителя подвижных объектов / К.А. Гац // Материалы 2-ой Межвузовской студенческой научно-технической конференции. Актуальные проблемы автомобильного транспорта. Владимир.: ВлГУ, (12-14 апреля) 2009. с.154-156.

23. Головин В.Ф., Архипова М.В., Журавлева В.В. // Обзор состояния робототехники в восстановительной медицине. // Мехатроника, Автоматизация, У правление.: 2011. №8. -72с.

24. Головин В.Ф., Мехатронная система для манипуляции на мягких тканях // Мехатроника, автоматизация, управление., 2002. №7

25. ГОСТ 25478-91. Автотранспортные средства. Требования к техническому состоянию по условиям безопасности движения. Методы проверки. М.: Стандартинформ, 1992. - 31 с.

26. ГОСТ 52302-2004 Автотранспортные средства. Управляемость и устойчивость. Технические требования. Методы испытания. 32 с.

27. ГОСТ Р 51709-01. Автотранспортные средства. Требования безопасности к техническому состоянию и методы проверки. М.: Стандартинформ, 2002. - 20 с.

28. Григоренко Л.В., Колесников B.C. Динамика автотранспортных средств. Теория, расчет передающих систем и эксплуатационно-технических качеств. Волгоград: Комитет по печати и информации, 1998. - 544 с.

29. Гришкевич А.И. и др. Автомобиль: Теория. Мн.: Выш. шк., 1986.208 с.

30. Гурфинкель B.C., Коц Я.М., Шик М.Л. Регуляция позы человека. -М. Наука, 1965.

31. Девятисильный A.C., В.М. Дорожко В.М. Управление безопасным движением автомобилей в транспортном потоке / A.C. Девятисильный, В.М. Дорожко // Мехатроника, Автоматизация, Управление. М.: - 2009. - №5. -с. 46-53.

32. Дьяконов В.П. Simulink 5/6/7: Самоучитель. М.: ДМК-Пресс, 2008. - 784 с.

33. Дьяконов В.П., Круглое B.B. MATLAB 6.5 SP 1/7/7 SP1/7 SP2 + Simulink 5/6. Инструменты искусственного интеллекта и биоинформатики. -М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2006. 456 с.

34. Зациорский В.М. и др. Биомеханика двигательного аппарата человека / В.М. Зациорский, A.C. Аруин, В.Н. Селуянов М.: Физкультура и спорт, 1981,- 143 с.

35. Зенкевич СЛ., Ющенко A.C. Управление роботами. Основы управления манипуляционными роботами: Учеб. для вузов М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 400 с.

36. Иванов A.M., Солнцев А.Н., Гаевский В.В. и др., Основы конструкции автомобиля. — М.: ООО "Книжное издательство «За рулём»", 2005. -316 с.

37. Иларионов В.А. Экспертиза дорожно-транспортных происшествий. Учеб. для вузов. М.: Транспорт, 1989. - 225 с.

38. Илюхин Ю. В., Подураев Ю. В. Проектирование исполнительных систем роботов. Линеаризованные системы: Учебное пособие — ГЛ.: издательство МП И, 1989. -75 с.

39. Кисуленко Б.В. Технология разработки методов испытаний и критериев оценки устойчивости автомобилей (опыт США) / Б.В. Кисуленко, A.B. Бочаров // Автомобильная промышленность. 2007. - № 11. - М: Машиностроение- с. 37-40.

40. Кобзев A.A., Шахнин В.А., Шмаков B.C. Анализ взаимодействия системы оператор рабочая зона оператора в транспортном средстве в экстремальных ситуациях // Современные проблемы науки и образования. 2011. №5. ISSN 1817-6321. Электронное издание.

41. Ковальчук А. К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Принципы построения программного обеспечения системы управления антропоморфным шагающим роботом // Автоматизация и современные технологии. 2007. №2. С. 1015.

42. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С. Е. Математическое описание кинематики и динамики исполнительных механизмов роботов с древовидной кинематической структурой // Известия ВУЗов . Машиностроение. 2008. №11. С. 13-24.

43. Ковальчук А. К., Кулаков Д.Б., Семенов С. Е. Блочно-матричные уравнения движения исполнительных механизмов роботов с древовидной кинематической структурой // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2008. № 12.С. 5-21.

44. Ковальчук А. К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Управление исполнительными системами двуногих шагающих роботов. Теория и алгоритмы / Под редакцией А. К. Ковальчука. М.: Изд-во МГОУ , 2007. 160 с.

45. Ковальчук А.К., Использование биологических прототипа при проектировании древовидных исполнительных механизмов двуногих шагающих роботов. // Изв. Вузов. Машиностроение. М., 2011. №9. С.49-56.

46. Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Имитационное моделирование сложных динамических систем Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.exponenta.ru/soft/others/mvs/dssim.asp.

47. Коноплянко В.И. Организация и безопасность дорожного движения. М.: Транспорт, 1993. 183 с.

48. Кузьмин Д.В. Динамика: учебное пособие. Северодвинск.: РИО Севмашвтуза, 2006. - 41 с.

49. Кузьмин Д.В. Кинематика: учебное пособие. Северодвинск.: РИО Севмашвтуза, 2004. - 50 с.

50. Кузьмин Д.В. Определение управляющих сил и моментов, обеспечивающих программное движение манипулятора: Методические указания к выполнению курсовой работы. Северодвинск.: Севмашвтуз, 1998. - 14 с.137

51. Курдюк A.C., Новиков А. А., Иванчук Е.А. Реконструкция углового движения автомобиля при фронтальном ударе при помощи линейных акселерометров. АО « АВТОВАЗ», г . Тольятти.

52. Куров Б.А. Испытания автомобилей / Б.А. Куров, С.А. Лаптев, И.В. Балабин. М.: Машиностроение, 1976. - 208 с.

53. Лаптев С.А. Комплексная система испытаний автомобилей. М., Издательство стандартов, 1991. - 172 с.

54. Лебедев С. К., Ширяев А. Н. Электроприводы и системы управления роботами и манипуляторами: Метод, пособие / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина». Иваново, 2009. - 104 с.

55. Леоненков A.B. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzy TECH. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 736 с.

56. Литвинов A.C. Автомобиль. Теория эксплуатационных свойств: Учебник для вузов / A.C. Литвинов, Я.Е. Фаробин. М.: Машиностроение, 1989.-240 с.

57. Малахов И.И. Использование CAE-систем в проектировании технических объектов / Сборник научных трудов: вып. 5. Юбилейный. Омск: Омский филиал НГАВТ, 2006. - С. 48 - 51.

58. Математическое моделирование систем приводов роботов с древовидной кинематической структурой: Учебное пособие для вузов / Д.Б . Кулаков и др. М.: Изд-во « Рудомино», 2008. 64 с.

59. Матросов В.М. Метод векторных функций Ляпунова: анализ динамических свойств нелинейных систем / В.М. Матросов. М.: Физматлит, 2001.-384 с.

60. Медведев В.И. Автоматизация вывода уравнений, описывающих кинематику и динамику манипулятора. //Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Труды 12 МНТС. Алушта. -М.: МЭИ, 2003.-С. 131.

61. Методика оценки и расчета нормативов социально-экономического ущерба от ДТП (Р-03112199-0502-00). М.: Трансконсалтинг, 2001.- 43 с.

62. Мехатроника, автоматизация, управление / Труды Первой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. М.: Новые технологии, 2004. - 508 с.

63. Моделирование в среде SimMechanics. Метод, указ. по вып. лаб. работ по курсу «Моделирование систем» Томск: Изд.ТПУ, 2005. - 32 с.

64. Никульников Э.Н. Боковые силы и устойчивость движения автомобиля в режиме торможения / Э.Н. Никульников, Ю.Н. Козлов, Е.В. Балакина, A.A. Ревин, Н.М. Зотов // Автомобильная промышленность. 2007. - №12-М: Машиностроение - с. 15-17.

65. Новожилов И. В. и др. Моделирование и управление мобильными машинами. / И.В. Новожилов, П.Д. Кручинин, A.B. Лебедев, A.B. Влахова, P.JI. Боуш // Мехатроника, Автоматизация, Управление. М.: - 2007. - №6. -с. 31-36.

66. Отчет по ОКР №1401100/246-400; 4175/11. Разработка алгоритмов управления движением и стабилизацией объекта с прогнозированием траектории движения. Владимир.: ВлГУ, 2011. 75 с.

67. Основы обеспечения безопасности дорожного движения. / Под редакцией В.А. Печкина. Иркутск: ИрГТУ, 1999. - 138 с.

68. Основы управления транспортными средствами и безопасность движения: Учеб. пособие / С.В. Филимонов, С.Г. Талышев, Ю.В. Илясов -Пенза: Изд во Пенз. гос. ун-та, 2007. - 98 с.

69. Охоцимский Д.Е., Голубев Ю.Ф. Механика и управление движением автоматического шагающего аппарата. — М.: Наука, 1984.

70. Повышение безопасности дорожного движения в 2006-2012 годах / Концепция федеральной целевой программы. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 17 октября 2005 г., № 1707, г. Москва.

71. Применение метода графов связей в технике / под ред. Д. Кэрнопа и Р. Розенберга. М.: Мир, 1973. - 94 с.

72. Пупков К.А., Ковальчук А.К., Кулаков Б.Б., Использование биологических прототипов при построении кинематических схем современных шагающих роботов // Вестник РУДН. Инженерные исследования. М., 2009. №4.С.44-54.

73. РД 37.001.005-86. Методика испытаний и оценки устойчивости управления автотранспортными средствами. 32 с.

74. Рябчинский А.И. Механизм травмирования человека в автомобиле и биомеханика дорожно-транспортных происшествий. Таллин: Валгус, 1979.-127 с.

75. Рябчинский А.И. Пассивная безопасность автомобиля. М.: Машиностроение, 1983. -144 с.

76. Рябчинский А.И., Иларионов В.А., Пчелин И.К., Кузнецов О.Г. Моделирование процесса наезда автомобиля на неподвижное препятствие. Сб. научных трудов НАМИ «Полигонные испытания, исследование и совершенствование автомобилей». М.: 1987.- С. 45-46.

77. Санкин Ю.Н. Частотный критерий устойчивости нелинейных замкнутых систем, включающих вязкоупругое звено с распределенными параметрами / Ю.Н.Санкин // Труды Средневолжского математического общества. Саранск: СВМО, 2005. - Т.7. - №1. - с. 154-162.

78. Справочник по безопасности дорожного движения «Обзор мероприятий по безопасности дорожного движения». Институт экономики транспорта. Осло.: Копенгаген. 1996. - 646 с.

79. Уткин A.B. Моделирование поведения водителя и оценка качества смешанного транспортного потока / A.B. Уткин // «Организация и безопасность движения в крупных городах»: сборник докладов 7-ой Междунар. конф.- С.-Пб.: 2006. с. 84-86.

80. Хачатуров A.A. Динамика системы дорога — шина — автомобиль — водитель. М.: Машиностроение, 1976. 534 с.

81. Цимбалин, В.Б. Испытание автомобилей / В.Б. Цимбалин, И.Н. Успенский, В.Н. Кравец. М.: Машиностроение, 1978. - 199 с.

82. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс, С. - Пб.: Питер, 2008.-288 с.

83. Шмаков B.C. Анализ механика-водителя транспортных средств как многозвенного объекта / B.C. Шмаков // Материалы 5-ой Всероссийской конференции аспирантов и молодых учёных. Вооружение. Технология. Безопасность. Управление. Ковров.: КГТА, (апрель) 2010.

84. Шмаков B.C. Компьютерная модель водителя транспортного средства // Современные проблемы науки и образования. 2011. №4. ISSN 18176321. Электронное издание.

85. Шмаков B.C. Кинематическая схема водителя автомобиля как многозвенная система // Фундаментальные исследования. №12 (часть 1), 2011. -С. 199-201.

86. Шмаков B.C. Кинематическая модель оператора подвижного транспортного средства // Сборник трудов конференции «ПУВТ-2010» Владимир: ГОУ ВПО «ВлГУ им. А.Г. и Н.Г. Столетовых», 2010. - С. 131.

87. Юревич Е.И. Управление роботами и робототехническими системами. С. Пб.: 2000. - 171 с.

88. Ющенко A.C., Лесков А.Г. Моделирование и анализ робототехни-ческих систем. М.: Машиностроение, 1992. 78 с.

89. Alexandrov A. V., Frolov A. A., Horak F. B., Carlson-Kuhta P., Park S. Strategies of feedback equilibrium control during human upright standing.// J Biomechanics, in press.

90. Collins J. J., De Luca C. J. Open-loop and close-lo op control of posture: a random walk analysis of center-of-pressure trajectories.// Experimental Brain Research 95, 1993.

91. Denavit J., Hartenberg R.S.A Kinematic Notation for Lower pair Mechanisms Based on Matrices // Journal of Applied Mechanics, in Transactions of ASME, vol.77, 1995.

92. Franz, U.; Schmid, W.; Schuster, P.: "Observations during Validation of the Side Impact Dummy Models Consequences for the Development of the FAT ES#2 Model". Nordic LS# DYNA User Conference, Gothenburg, Sweden, 2002.

93. Grifiths, M.; Paine, M.; Haley, J.: "Consumer crash tests: the elusive best practice". Symposium Worldwide Harmonization of Crash Test Programs, Cologne, Germany, December 1999.

94. Horak F. B., Nashner L. M. Central programming of postural movements: adaptation to altered support surface configurations.// J Neurophysiology, 62, 1986.

95. Morasso P. G., Baratto L., Capra R., Spada G. Internal models in the control of posture.//Neural Networks 12, 1999.

96. Nokata, M.; Ikuta, K.; Ishii, H.: "Safety optimizing method of human care robot design and control". In: Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation 2002, Vol. 2, p. 1991-1996, 2002.

97. Winter D. A., Patla A. E., Rietdyk S., Ishac M. G. Ankle muscle stiffness in the control of balance during quiet standing.// J Neuro-physiology, 85(6), 2001.

98. Yamda, Y.; Hirasawa, Y.; Huang, S.; Umetani, Y.; Suita, K.: "HumanRobot Contact in the Safeguarding Space". In: IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 2, No. 4, December, 1997.