автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Биотехническая система управления инвалидным электротранспортным средством

Р Г Б О Д Иа правах рукописи

2 5 аОЯ Ш6

Батаев Алексей Владимирович

УДК 621.865

БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ИНВАЛИДНЫМ ОЛЕКТРОТРАНСПОРТНЫМ СРЕДСТВОМ

Специальность: 05.09.03 - электротехнические комплексы и

системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена н С'анкт-1 кгербургском

Государственном техническом ушшерситстс.

Научным руководитель:

доктор технических наук, профессоре КЛ. ("околов.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Л.И. 1>ор-Рамепскин,

кандидат технических наук Л.Г. Члобнп

Ведущая организация:

Центральный научно-исследовательским и оиыпю-конструкторский и псину г робототехники и техническом кибернетики (ЦНИИ РГК) (г. Санкт-Петербург)

Чашита состоится "¿¡Ь " 'О^Сс^^-В 1.9% т. ..часов на заседании специализированного совета KOb3.3X.2S н Оанкт-Петербургском Государственном Техническом Университете но адресу: г. Счикт-Пек-рбург, Политехническая ул., 29,

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Ариореферат разослан " /5 " 19% 1.

Ученый секретарь снешылишронаиного сонета,

кандидат технических наук, доиеиг А.11. Кринцов

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность проблемы. В современном мире большое внимание уделяется созданию и разработке различного рода приспособлений для. инвалидов, дающих возможность человеку не чуствовать себя оторванным от общества. Эта проблема особенно остро стоит в России, где пока инвалидам уделяется очень мало внимания, в то время, как наши условия способствуют росту их числа. Среди производства приспособлений для инвалидов далеко не последнее место занимает изготовление средств передвижения, в частности инвалидных колясок (ИК). Создание инвалидных транспортных средств (ИТС) быстрыми темпами происходит в США, Германии, Японии, Англии и других странах, ще не только налажено серийное производство, но и существует разработка И К под конкретного человека.

На данном этапе своего развития создаются'ИК, способные преодолевать лестничные марши, В которых в качестве движителей используются: гусеницы, симбиоз колес и гусениц, а также колеса с разными приспособлениями, типа штырей, планетарных механизмов и т. д. В существующих ИТС в качестве основных недостатков следует отметить значительные массо-габаритные показатели, ухудшающие маневренность и энергетические характеристики ИК, а также функциональную специализацию ИК, разграничивающих их по условиям применения.

В наших условиях использование электромотор-колес особой конструкции в ИК позволяет решить сразу несколько проблем. Прежде всего их применение дает возможность до предела упростить кинематику, а следовательно уменьшить массо-габаритные показатели, снизить энергопотребление, увеличить запас хода и перевести проблему снижения массо-габаритных характеристик в плоскость уменьшения массы аккумуляторных батарей, определяющих значительную часть веса ИТС. Использование полноприводной схемы ИК в значительной степени увеличивает ее маневренные способности, что в условиях малогабдритности жилья .играет большую роль, а также позволяет повысить проходимость ИТС. Совокупность возможностей, связанных с повышением маневренности и проходимости, позволяет снять барьер между разграничением функций использования ИК, для применения, как в помещениях, городских условиях, так и вне городской черты.

Использование многоприводной системы (МПС) в инвалидном электротранспортном средстве (ИЭТС) требует создания новой структурно - алгоритмической организации системы управления (СУ) для поддержания различных режимов движения, с учетом накладываемых ограничений со стороны человека.

включенного в СУ, ориентированную на наилучшее использование имеющихся ресурсов системы.

1.2. Цель работы - поиск принципов построения, разработка методов исследования и проектирования СУ движением ИК, обеспечивающих: максимальную их маневренность, комфортность и безопасность эксплуатации человеком с ограниченными функциональными возможностями; оптимальное использование информационных, вычислительных и энергетических ресурсов, выделяемых для достижения целей управления.

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

- анализ кинематики и динамики ИТС, направленный на поиск оптимальных решений конструкций ходовой части, а также средств и СУ;

- разработка принципов " структурно-алгоритмической организации СУ, связанной с различными режимами движения ИК, с учетом ограничений накладываемых со стороны человека и ресурсов системы;

-проведение математического моделирования на ЭВМ, подтверждающего эффективность предлагаемых решений и корректность принятых допущений;

- разработка методов проектирования электроприводов многоприводной инвалидной коляски (МИК).

13. Методы исследований. В работе использовались методы теории автоматического управления, аналитической геометрии, приближенного решения нелинейных дифференциальных уравнений, векторного анализа, элементарных вычислений, цифрового моделирования на ЭВМ.

1.4. Основные положения, выносимые на зашиту:

- методы выработки общей стратегии управления МИК, учитывающей конструктивные особенности ТС, возможные режимы его движения, а также функциональные и ресурсные ограничения в системе человек - машина;

- принцип построения биотехнической системы управления (БТСУ) МИК, основанный на использовании типовых программ движения и максимально снижающий влияние на качество управления запаздывания, обусловленного подачей команд человеком с ограниченной реакцией на изменения внешних условий;

- принцип мул ьтн структур ной организации СУ МИК, обеспечивающий максимальное соответствие избираемой структуры ■текущему режиму движения и, как следствие,- оптимальное использование наличных ресурсов управления;

- методы автоматизированного проектирования СУ ЭТС, его конструктивных параметров ходовой части, электроприводов, доступные широкому кругу пользователей и позволяющие максимально ослабить влияние субъективного фактора квалификации разработчика на быстрое получение удовлетворительных результатов.

1.5. Научная новизна.

1. Выявлена специфика движения ЭТС, связанная с возможностью возникновения неординарных ситуаций типа скольжения, буксования, юза, в соответствии с которой была предложена БТСУ, в которой предложен принцип сочетания программного управления с целеуказаниями со стороны человека.

2. Изучены свойства БТСУ, связанные с влиянием человека в СУ и предложены меры, уменьшающие запаздывание вносимое человеком.

3. Предложен принцип структурно-алгоритмической организации СУ МИК на глобальном уровне (режимы движения), позволяющий разбить систему на ряд подсистем, определяющих движение в каждом конкретном случае: прямолинейное, криволинейное, движение по лестничным маршам, с целью наилучшего использования информационных, вычислительных и энергетических ресурсов.

4. Предложен мультиструктурный принцип организации СУ на локальном уровне (разгон, движение с постоянной скоростью, торможение), позволяющий достичь оптимальных показателей по динамическим и энергетическим характеристикам движения объекта, в условиях ограниченности ресурсов.

1.6. Достоверность теоретических и прикладных результатов исследований подтверждена машинными (ЭВМ) экспериментами. При этом возможность принятия теоретических допущений определялась ' процедурой использования имитационного моделирования, исключающего возникновение неустойчивости вычислительных процедур, для проверки: математических моделей (ММ), с предложенными структурными схемами, н^' соответствие с выдвинутыми положениями, . найденными теоретическим или эвристическим путем; - подтверждения положения о достижении наилучших динамических и энергетических показателей системы; -оценки влияния человека в БТСУ.

1.7. Практическая ценность.

Предложенные принципы построения, алгоритмы управления и методы проектирования БТСУ позволяют:

I.Добиться повьциения маневренности ИЭТС, необходимой в наших малогабаритных помещениях; повысить чувство

комфортности человека, связанное не только с улучшением характеристик движения ИК, но и упрощения управления движущимся объектом; улучшить безопасность реализации режимов движения, обеспечивающую устойчивость движения ЭТО; возможность применения ИК под конкретного человека, за счет изменения программного обеспечения, а не аппаратных реализаций.

2. Проектировать БТСУ ИЭТС, в соответствии с которыми можно добиться наилучших динамических и энергетических показателей движения объекта, обладающих меньшей стоимостью по сравнению с зарубежными аналогами.

3. Обеспечить процесс проектирования формализованными и автоматизированными процедурами, доступными широкому кругу пользователей.

1.8. Апробация работы.

Основные положения диссертации рассматривались И обсуждались:

- на конкурсе "Фундаментальные и прикладные проблемы информационных систем" (г. Москва 1994 г.) работе был присужден диплом конкурса;

-за представленную разработку были получены гранты в конкурсах "Конкурс грантов для молодых ученых" (г.Санкт-Петербург) в 1995 и в 1996 году;

- на заседаниях кафедры САУ.

1.9. Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 статьи общим объемом 14 печатных страниц, а также оформлен патент на изобретение.

1.10. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, ■ включающего 106 наименований, 3-х приложений. Основная часть работы изложена на 139 страницах машинописного текста. Работа содержит 79 рисунков и 18 таблиц.

11. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

2.1. Во введении раскрывается актуальность темы диссертации, формируется цель работы, излагаются основные задачи диссертации и положения, выносимые на защиту.

2.2. Первая глава посвящена анализу проблем создания и управления ИТС, обладающих возможностью осуществлять передвижение по лестничным маршам. В главе рассматриваются предлагаемые аналоги, проводится анализ кинематических схем ходовой части ИК, олекгроприводов, СУ, источников питания, предлагаются дальнейшие пути развития рассматриваемых ТС. Основные результаты исследований опубликованы в работах [1,5].

Для обеспечения управления двигателями ИТС используют СУ, которые можно объединить в три группы: СУ по моменту двигателя, СУ по косвенному сигналу возмущающего воздействия, т.е. по скорости двигателя и комбинированные СУ, включающие в себя управление по моменту и по скорости электродвигателя. Применяемые системы управления при использовании их на ИТС не обеспечивают достижения критериев оптимальности, связанных с обеспечением наилучшего использования информационных и энергетических ресурсов в условиях их ограниченности, в силу применения их без учета рассмотрения различных режимов движения, которые может осуществлять ТС. Использование данных СУ в качестве универсальных для различных режимов движения, как раз и приводит к невозможности снижения энергетических затрат.

Основные задачи, стоящие при разработке ИЭТС, заключаются в создании таких эффективных движителей, которые были бы способны упростить кинематику ТС, уменьшить его массо-габаритные показатели Н перевести проблему снижения веса в плоскость уменьшения массы аккумуляторных батарей. Другая проблема заключается в создании новой структурно-алгоритмической организации СУ, способной обеспечить высокую маневренность, простоту и безопасность управления, связанную с предотвращением аварийных ситуаций, при движении ИЭТС, гибкость перестроения, связанную с возможностью перестраивания ИК под конкретного человека не за счет аппаратных изменений, а за счет пересграивания программного обеспечения СУ, при минимальном изменении аппаратных средств. Организации структуры СУ, направленной на оптимальное использование информационных и энергетических ресурсов.

Решению поставленных задач посвящены последующие две главы диссертационной работы.

2.3. Вторая глава посвящена исследованию кинематики и динамики ИТС, с целью нахождения оптимальных конструктивных параметров, упрощающих кинематические структуры И К, улучшающих чувство комфортности человека и устойчивости движения, для различных режимов. Для обеспечения поставленных задач производится анализ математической модели электромотор-колеса особой конструкции в сравнении с традиционным колесом. Проведен анализ нескольких кинематических схем ходовой части ИК с позиции маневренности и простоты управления,-Исследованы динамические модели ИК, позволяющие рассматривать различные виды колебаний объекта, определять конструктивные параметры

ходовой части для устойчивости движения в различных условиях. Основные результаты этой шавы опубликованы в работах [3,4].

В первой главе отмечалось^ что для решения вопроса уменьшения массо-габаритных показателей ИТС, упрощения их кинематики и повышения маневренности, необходимо использование новых конструкций движителей. Предлагается один из вариантов движителя ИК, представляющий собой электромотор-колесо особой конструкции. Использование мотор-колес обеспечивает Полноприводность ИТС, повышая тем самым не только проходимость, но и маневренность И К, особенно необходимой в условиях малагабаригности жилья. На рис.1 представлена кинематическая схема мотор-колеса, которое представляет собой своеобразный встроенный планетарный редуктор с качающимся водилом и ведущим сателлитом. Если сравнивать традиционное колесо с данным мотор-колесом, то следует отметить, что обычное колесо не может въезжать на препятствие, высота Нп (рис.2) которого превышает радиус колеса •Як. В данном же случае предложенная схема позволяет преодолевать препятствия, высота которых превышает радиус колеса, кроме того она позволяет не только увеличить тяговое усилие двигателей, но и "сгладить" неровности дороги, передающиеся на коляску в форме системы траекторий осей малых колес. Эти траектории при любых препятствиях имеют радиус кривизны не меньше радиуса малого колеса. Таким образом, ИК может въезжать на встречные упоры, расположенные выше центров больших колес с высотой порогового препятствия:

Н1,<1/(1-(Я,гГк))*Як. . (1)

где 1 - расстояние между осями переднего и заднего малых колес, г» -радиус малого колеса. Такая конструкция колеса позволяет" начинать подъем на препятствие с отрицательной (встречной) крутизной, при этом центр оси заднего малого колеса должен быть ниже линии силы со стороны упора.

При построении ИЭТС большое значение играет роль выбора его кинематической схемы ходовой части, которая оказывает определяющую роль на маневренность ИК и является основой для ряда компонент СУ. В связи с этим было исследовано несколько вариантов кинематических схем ИК с позиции маневренности и простоты управления, включающих схему с неповоротными колесами, с передними поворотными и задними неповоротными колесами, а также схему со всеми поворотными колесами.

Движение ТС по неровным дорогам вызывает вибрацию его подрессоренных и неподрессоренных частей. Вибрации подрессоренной части 'ГС оказывают влияние на работоспособность

большое (Ьгдомое)_

кол&со

Корпус

К0ЛЯСКИ

/ЧадОЕ кол£со

Pucí

Vk

flBPEAHÉt КОЛЕСО

ЛиНИЙ СИЛЫ

ЗЛА Н££ КОЛЕСО

Рис. 2

СУ ЭТС, поэтому моделирование колебании ЭТО дает не только возможность определения выбора необходимых параметров ИК, но и предъявляет требования к СУ. Кроме этого следует отметить, что в СУ управляющим звеном является человек. Вибрации оказывают на него огромное воздействие, вызывая утомление, дискомфорт, если не правильно выбраны характеристики, определяющие амортизацию ТС, все это приводит к ухудшению работоспособности человека, а следовательно всей СУ в целом, поэтому моделирование колебании играет важнук) роль в определении требований к СУ. Подрессоренная часть ТС совершает главным образом линейные вертикальные, продольно-угловые и поперечно-угловые колебания. Неподрессоренные массы совершают линейные вертикальные колебания. Система дифференциальных уравнений, описывающих вертикальные и продольно-угловые колебания будет иметь вид: mnZ"o+Zzkn,(/.'o+ 61,-£,',)+^:2cp1(Zo+0i1-$.)=0

IyG+I2k.(z'o+0'!,-^,)l1+I2cp,(zu+0l, (2)

' m,^", + 2(kai+kjiii)^'l + 2(Cpi+Cmni)^i-2kai(z'o + 0'l,)-,-2cp,(Zü+01,)=(2ku„c|',+2cumiqi) где ш, - неподрессореннаи масса оси, сР, сШп, кл, кш -соответствующие коэффициенты каждой подвески и колеса, 2ср, 2сшп, 2ku, 2кш -соответствующие коэффициенты оси, Iy=A",mK»L2 - момент инерции относительно оси У, где шк - масса коляски.

На 'ГС действуют разнообразные факторы, например, неровность дороги, сопряжение кривых на дорог« с различной кривизной и многие другие, в результате действия которых может возникнуть неустойчивость движения или положения коляски. Исследование устойчивости важно для обеспечения безопасности движения ИТС, для этого рассмотрены математические модели, описывающие устойчивость при прямолинейном и криволинейном движении, при ударе о непреодолимое препятствие, при торможении, разгоне, при боковом скольжении на наклонной плоскости, позволяющие оценить конструктивные параметры ИЭТС. Система дифференциальных уравнений, описывающих процесс удара ИЭТС о препятствие, будет иметь следующий вид:

г ф"= I/(Лку-бот^^п^сри-ф))« {GJCosla-Kj»,,-срЬ -E(Fn,-FiU)li,Cos(pl(A1)+Mp-[5omKl<p,2Cos(<pa-<p)+ +Py«l(x>-GlcSina-2PBl(Al)+Fc.Signx']ISin(«p,-9) . (3) x"=l/(J,cy-5omKl2Sin2(4>«-4>))"{(GrlCo.s(a+(p1I-9>-

-£(Fn.-F,u)l hCosq> 1 (A,)+ Mp) lSm(q>H-<p)-.M&oiiv)* „ -[5ümKl(p'2Cos((p„-(p)+Pyil(x> G,cSina- ZPKl(A)+FcISignx'] где Д=Ло.+1ь*Ь'1пф - деформация i -й подвески при вращении ТС относительно точки С, Л* - статическая деформация i -и подвески.

li,=li-li - расстояние между центрами i -го и переднего колес, Ь, -коэффициент демпфирования i -й подвески, GK - вес ТС с учетом подрессоренных и нсподрессореннкых частей. С» - жесткость в направлении оси X системы препятствие - колесо - крепление, х -перемещение центра тяжести, определяемое деформацией системы препятствие - колесо - крепление в направлении продольной оси, Fm=c„i*(fo+li»(po) - усилие в подвеске i-ro колеса, <f>0 - угол поворота ТС в статическом положении относительно поперечной оси, • проходящей через центр тяжести, f0 - проседание центра тяжести ТС в направлении оси Z в статическом положении, Сга - жесткость i -й подвески, h8 - высота расположения центра тяжести, Fu - усиление в амортизаторе i -й подвески, Руд - сила, обусловленная ударом передних колес о препятствие, MP=iv(ZPM,"l(A)-Fci»Signx) -суммарный реактивный момент, приложенный к корпусу ТС, 1(Д), I (х) - единичные функции, которые обращаются в нуль при Отрицательных или равных нулю значениях своих аргументов. Эти функции определяют условия отрыва колес от опорной поверхности и отсоударяемон стенки.

2.4. Третья глава посвящена решению проблем, связанных с разработкой стратегии управления МИ К, в основе которой лежат принципы обеспечения улучшения маневренности объекта, в качестве которого выступает И К, упрощения управления ИЭТС человеком, обеспечения безопасности режимов движения, связанной с предотвращением аварийных ситуаций и устойчивости движения; выбором стратегии режима движения ИК в соответствии с энергетикой электроприводов. Для достижения поставленных задач предложен принцип мультиструктур ной организации, как на уровне выбора режимов движения, так и на локальном уровне (разгон, движение с постоянной скоростью, торможение), позволяющий достичь поставленные цели, обеспечить наилучшие показатели в распределении энергетических и информационных ресурсов, а также динамических характеристик движения объекта. Рассматриваются ММ, позволяющие моделировать движение ИТС в различных режимах, в соответствии с предлагаемыми структурами СУ, определять степень влияния человека, включенного в СУ. Результаты данной главы опубликованы в работе [2]

При формировании обшей стратегии управления ИЭТС прежде всего следует определиться к какому виду относится данное ТС, а именно имеет ли оно возможность быть полностью подчинено автоматическому управлению или требует управления со стороны человека. В силу того, что ИТС предполагается для осуществления передвижения как внутри помещений, так и в уличных условиях, то каждый раз имеет место смена обстановки, поэтому заложить один и

тот же маршрут, по которому бы осуществлялось движение ИК не имеет смысла. Следовательно, необходимо построение БТСУ, в которой главным управляющим звеном являлся бы человек, который определяет стратегию движения ИЭТС в тех или иных условиях. Применение БТСУ приводит к сочетанию принципов программного управления с'принципами управления со стороны человека. В силу специфики водителя ИЭТС, у которого существует нарушение ряда функций характерных для здорового человека, использование программного управления имеет большое значение в ряде случаев. Если рассматривать движение ИК, то его можно разбить, на ряд составляющих, дающих в своей совокупности описание движения ИЭТС. Движение ИК складывается из задания прямолинейного и криволинейного движения, которое может осуществляться в условиях движения по горизонтальной поверхности, ¡склонной плоскости, передвижения по лестничному маршу.

Прямолинейное движение осуществляется в условиях передвижения по лестничному маршу, по горизонтальной и наклонной плоскости, в различных условиях, связанных с самой поверхностью. Для осуществления прямолинейного движения для ИЭТС характерна необходимость выдерживать заданное направление движения, при минимально возможном расходе энергии, при максимально возможном быстродействии передвижения И К из одной точки в другую. При осуществлении движения по разного рода поверхностям, например, песка, грунта или поверхностей, имеющих малый коэффициент сцепления, возможны ситуации, связанные со специфическими условиями, возникающими при управлении ТС, а именно: буксование, скольжение, юз, которые в большинстве случаев приводят к аварийной обстановке и требуют быстрого реагирования. Проблема, связанная с этими условиями заключается в том, что использование датчиков, определяющих движение колес ТС, например, при юзе колес, отличается от той скорости которую имеет ТС, и программное управление будет бессильно среагароватъ в данном случае на возникающую ситуацию.

Осуществление криволинейного движения для ИЭТС характерно только на горизонтальной или наклонной плоскости. Возможность криволинейного движения при движении по лестничному маршу исключается. Для осуществления криволинейного движения характерны свои особенности, связанные с устойчивостью осуществления поворота, а именно, с предохранением от опрокидывания при движении ИЭТС при повороте. При осуществлении поворота необходимо

контролировать скорость ИК и задавать такие скорости рассогласования скоростей бортов ИТС или углов поворота управляемых колес, которые не превышали бы максимально возможных для данных условий передвижения. Тем самым вследствии маневрирования динамическая устойчивость не подвергалась бы воздействию ни при каких условиях, а именно при быстрой езде поворот не был бы слишком крутым, а при медленной езде имелась бы возможность поворачивать на небольшом пространстве.

Таким образом использование сочетания принципов программного управления с принципами управления со стороны человека приводит к следующему разделению функций между ними. К зоне ответственности человека, являющегося основным звеном управления в управляющей иерархии, относится задание и выбор стратегического управления для определения движения ИЭТС, а именно: задание прямолинейного, криволинейного движения в условиях передвижения на горизонтальной, наклонной плоскости, при осуществлении движения по лестничному маршу, а также реагирование в ситуациях, когда программное управление не справляется с возникшей ситуацией, например, отключение полностью электропитания. В зону ответственности программного управления входит: осуществление поддержания режимов прямолинейного движения, как на плоскости, так и при передвижении по лестничным маршам, поддержание режима криволинейного движения, как на горизонтальной, так и на наклонной поверхности, предотвращения аварийных ситуаций, связанных с возникновением буксования ИК, контроль за функционированием всей СУ в целом, осуществление контроля за работоспособностью источников питания.

Проблема построения СУ заключается в создании высокоэффективных структур и алгоритмов управления, направленных на обеспечение наилучшего с точки зрения маневренности управления и рационального использования наличных информационных и энергетических ресурсов. В работах Соколова O.A., Курмашева АД., Ундарова СЛ. и ряде других дается возможность применения мультиструктурных СУ по отношению к технологическому оборудованию. Приводятся новые структурно-алгоритмические СУ, которые в соответствии с применяемым режимом ставят свою структурно-алгоритмическую организацию, добиваясь тем самым минимизации основных критериев оптимизации, среди которых фигурируют быстродействие и энергозатраты. Возможность применения мультнструт г\рных систем может найти свое применение и в СУ ЭТС, которые по своей

сути, являются многодвигательными и многорежимными объектами. Определение стратегии управления базируется на достижении критериев оптимизации, связанных с достижением минимизации энергопотребления и максимального быстродействия при движении ТС.

При рассмотрении режима прямолинейного движения можно отметить, что ниболсе энергетически выгодным является процесс управления по моменту электродвигателей мотор-колес. Прямолинейность движения ИЭТС определяется выдачей одинаковых моментов на двигатели всех электромотор-колес и сохранении их в равном отношении друг по отношению к другу. В силу специфики движения ЭТС, связанной с возможностью возникновения ситуации буксования И К, в режиме прямолинейного движения идет контроль за скоростью колес ИЭТС. Контролирование скоростей колес осуществляется с целью определения нахождения их в диапазоне, в котором изменение скоростей колес не приводит к отклонению от прямолинейной траектории. При выдаче изменения скорости хотя бы одного из колес за пределы возможного отклонения включается контур управления по скорости, который предохраняет буксование колес, при проезде по грунтовым поверхностям и тем самым предохраняет отход ИЭТС от прямолинейной траектории. После стабилизации скоростей всех электромотор-колес управление осуществляется по моменту.

При переходе из режима прямолинейного движения в режим криволинейного движения СУ переходит из одноконтурной СУ по моменту в СУ по скорости. Выбор при криволинейном движении управления по скорости связан с необходимостью контролирования максимально возможной скорости рассогласования скоростей колес разных бортов ИЭТС, предохраняющего его от опрокидывания, при набранной скорости поступательного движения. Для этого были получены формулы ограничивающие максимально возможную скорость совершения поворота в зависимости от скорости разбаланса скоростей колес разных бортов дня И К с неповоротными колесами и в зависимости от утла поворота управляемых колес для ИК с поворотными колесами, соответственно формулы имеют следующий вид:

УщЦ=еВ^/(2Ь1!)»1/ДУк . _^ (4)

Уи»«=>/(вВЬкуп/[(оо,+ си,)куп2Ье-вВшК{ I-(1-с)/с(ку1,+ку,),'ку,))) (5)

Режим прямолинейного движения, осуществляемого по ступеням лестничного марша, является особым видом прямолинейного движения, для которого движение осуществляется в режиме управления по скорости. При этом СУ имеет вид

двух контурной СУ, с внешним контуром управления по скорости и внутренним контуром управления по моменту. На рис.3 покачана структурная схема управления электродвигателем мотор-колеса для поддержания режимов движения ИК, где К1, К2, КЗ - ключи, ^ которые работают в зависимости от того в каком режиме работает СУ.

Для рассмотрения работы представленных структур СУ моделировалось движение ИТОС с разными кинематическими схемами ходовой части - с непоноротнымн колесами и со всеми поворотными колесами, в режиме прямолинейного, криволинейного движения и движения по лестничным маршам. Математическая , модель, описывающая движение ИК по лестничному маршу описывается следующей системой дифференциальных уравнений:

'тк2"=Х(Кт+Р'ш)1(Л)-ШкдСо5ао

-Ьуф" =И Рл'+Рш )1.(<р) I (Д (Н +г)РС1 (6)

Joxф"=V(F„1+F!u)sra(^^.)i(Л)'(H+z)FcУ

.Шкх" =ЕРИ I (Л)+08ша-Р^ где плечо приложения усилий от рессор и амортизаторов в

вертикально-поперечной плоскости, Иг, - усилие, обусловленное деформацией обода ¡-го колеса, Ял, - усилие демпфирования, возникающее в ободе ¡-го колеса, Лко, - деформация обода 1-го колеса в статическом положении, ш, - масса негюдрессоренной части, связанной с ¡-м колесом, /, - вертикальные координаты соответственно подрессоренной и неподрессоренной части, связанной с 1-м колесом (начало координат расположено в равновесном положении системы), 1 (Лкз) - единичная функция, характеризующая отрыв ¡-го колеса от опорной поверхности, а -угол максимального подъема. Представленная ММ позволяет моделировать движение через единичные препятствия типа камня и впадины, паребрнка тротуара. На рнс.4 представлены графики, характеризующие движение ИК по лестничному маршу.

В БТСУ одним из важных моментом является оценка влияния человека на управление объектом. Время запаздывания, которое характеризует человека колеблется в промежутке 0,72-1,85 с. В результате моделирования ситуации, _ связанной с учетом запаздывания человека, заключающейся в возвращении ИЭТС на прямолинейную траекторию, при некотором отклонении от нее, были получены следующие результаты, которые представлены на рнс.5. Величины скоростей ИТС, в условиях малогабарнтности жилья должны ограничиваться величиной меньше 1,4 м/с.

Данные ММ позволяют строить нафузочные дилраммы электродвигателей мотор-колес на основе, которых можно выбрать

фч:

7ТгГ

PC

Í

Kb

рлг

H «

o,% -

ом-

с —

о1—

H SM. i—

—опо————•

стратегию движения подъема ИК по лестничным маршам, а также подобрать параметры двигателя, с позиции нагрева и перегрузочной способности. ,

2.5. Четвертая глава посвящена описанию программного обеспечения для имитационной модели (ИМ) н пути аппаратной реализации, предлагаемой СУ, приводятся методы автоматизированного проектирования как самого ИЭТС, так и СУ. Основные результаты главы приведены в статье [2].

ИМ представляет собой три взаимосвязанных группы ММ, описывающих кинематику ИТС, динамику объекта управления и имитационное моделирование движения ИК. Рассмотрение кинематики ИЭТС, позволяет решить следующие задачи: определить возникающие реакции на колеса ИК при ' различных конструктивных параметрах объекта и характеристиках движения; подбирать оптимальные параметры колеса с точки зрения прикладываемой силы для преодоления препятствия и характеристик самого колеса, включая параметры шины, используемой на колесе, проводить сравнительный анализ между традиционным и предложенной конструкцией мотор-колеса; рассматривать маневренность различных схем кинематической ходовой части ИЭТС в статическом и динамическом режиме при различных конструктивных параметрах объекта и характеристиках движения, определить возможные параметры движения необходимые для ММ движения объекта.

Математическое моделирование динамики объекта, в качестве которого рассматривается 1АЭТС позволяет решить следующие задачи: определять устойчивость движения объекта в различных динамических режимах: разгон, торможение, скольжение, удар о препятствие и выбирать необходимые конструктивные параметры, удовлетворяющие условиям устойчивости; моделировать колебания объекта в вертикальной, продольной и поперечной плоскостях при проезде по неровностям, имеющих различные формы, подбирать оптимальные конструктивные параметры, удовлетворяющие условиям колебания объекта, в смысле их уменьшения; найти необходимые параметры для ММ движения объекта.

Третья составляющая ИМ, описывает движение объекта в различных условиях, при этом позволяет решить следующие задачи: определить стратегию управления на плоскости для локальных устройств управления, оценить параметры электроприводов, получить необходимые алгоритмы управления электродвигателями, оценить энергетические характеристики, промоделировать движение ИЭТС на плоскости, используя полученные законы управления; определить влияние на движение различных единичных препятствий,

типа камМя, впадины, паребрика тротуара, определить стратешю управления, оценить технические характеристики каждого электропривода; определить стратегию управления для каждого локального устройства управления при движении по лестничному маршу, а также всей системой электроприводов в целом, получить алгоритмы управления электродвигателями, оценить технические характеристики электродвигателей с точки зрения энергетических и перегрузочных способностей, на основе которого делается выбор стратегии передвижения по лестничному маршу, с позиции перегрева электродвигателей, промоделировать движение ИЭТС по лестничному маршу для нескольких случаев: для поочередного подъема осей на ступень, для одновременного подъема осей И К на ступени, когда передняя и задняя ось одновременно въезжают на ребро ступени, а также промежуточные случаи, находящиеся между этими предельными вариантами.

Результаты этой главы следует рассматривать, как свидеяьсгво доступности инженерной практике методов автоматизированного проектирования ИТС, включая их СУ; достаточности уровня формализации всех процедур для реализации системы автоматизированного проектирования.

2.6. В заключении приводятся основные выводы и результаты, полученные в диссертационной работе.

111. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Совокупность исследований, выполненных в диссертационной работе, позволяет рассмотреть возможность применения принципов структурного построения СУ многоприводным ЭТС, ориентированных на повышение динамических характеристик движения объекта, энергетических показателей за счет полного и наилучшего использования наличных ресурсов, выделяемых для реализации цели управления, организации автоматизированного проектирования ИЭТС. Основные результаты работы сводятся к следующим положениям.

I. В соответствии с требованиями проектирования ИЭТС предложено использование конструкции электромотор-колеса, обеспечивающей упрощение кинематики, уменьшения массо-габаритных показателей, повышения маневренности и обеспечения полноприводности И К.

2. На основании, проведенного анализа кинематики и динамики ЭТС, выбрана наиболее оптимальная с точки зрения маневренности и просто™ управления кинематическая схема ходовой части ИЭТС, соответствующая нашим условиям малогабаритиости жилья.

3. Установлено, что специфика управления присущая движению ЭТО, может быть реализована при построении БТСУ, позволяющей повысить маневренность ИЭТС, улучшить чувство комфорта человека, связанного с упрощением управления. И К и улучшением характеристик движения объекта, обеспечить безопасность реализации режимов движения, связанную с устойчивостью движения ИК и предотвращению возникновения аварийных ситуаций.

4. В качестве средства обеспечения динамических и энергетических показателей движения ИЭТС предложен принцип мультисгруктурной организации СУ, для которой каждому режиму движения и даже их отдельным стадиям ставится в соответствие своя структура и свой критерий качества, что определяет максимальную степень соответствия структуры системы содержанию решаемой частной задачи. .

5. В соответствии с энергетическими •возможностями используемых электроприводов ИЭТС предложена методика выбора стратегии передвижения ИК.

6. Разработан комплекс прикладного программного обеспечения, позволяющий проводить имитационное моделирование на ЭВМ, включающий в себя: алгоритмы управления системами с различной структурно-алгоритмической организацией, объекты управления, функциональные блоки СУ, совокупность проблемно-ориентированных программ которого является достаточным условием для полной автоматизации процесса проектирования. о '•

Опубликованные работы по теме диссертации.

(.Васильев Н.Ф., Логинов АЛ., Батаев A.B. Современное состояние и перспективы развития инвалидных электрических колясок. Электротехника № 10, 1994, с.41-43

2. Васильев Н.Ф., Логинов АЛ., Батаев - A.B. Микропроцессорная система управления полноприводной инвалидной коляской. Электротехника № 11, 1994, с.32-34

3.Васильев Н.Ф., Логинов АЛ., Батаев A.B. Конструкция электромотор-колеса. инвалидной электрической . коляски. Электротехника № И, 1995, с.40-42

4. Васильев Н.Ф., Логинов АЛ., Батаев A.B. Конструктивные схемы ходовой части полноприводной инвалидной коляски. Электротехника № 12,1995, с.37-41

5. Васильев Н.Ф., Логинов АЛ., Батаев A.B. Патент по заявке № 94-021544/14(021604) A61G5/06 Россия. Инвалидная коляска. 1994.