автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка и исследование автоматической системы обнаружения подвижных объектов в "слепой" зоне боковых зеркал для управления автомобилем

На правах рукописи

Крюков Андрей Игоревич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ В «СЛЕПОЙ» ЗОНЕ БОКОВЫХ ЗЕРКАЛ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЕМ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

5 ДЕК 2013

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2013 г.

005542449

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный индустриальный университет» (ФГБОУ ВПО

«МГИУ»)

Научный руководитель:

Научный консультант:

Кандидат технических наук, доцент Палагута Константин Алексеевич

Доктор технических наук, профессор Широков Лев Алексеевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук

Гирявец Александр Константинович

Кандидат технических наук, доцент Воронов Юрий Александрович

Ведущая организация: ФГУП «Научно-производственный

центр автоматики и приборостроения имени академика H.A. Пилюгина»

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 14м часов на заседании диссертационного Совета Д.212.129.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет» по адресу: 115280, Москва, ул. Автозаводская, д. 16, ауд. 1804.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан «_» ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.129.03, кандидат технических наук

Кузнецов A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

На современном этапе научно-технического прогресса интенсивно развивается автомобильная индустрия, увеличивается выпуск автотранспортных средств (АТС), повсеместно происходит активное нарастание транспортных потоков. Конструкции самих автомобилей становятся все более сложными и многофункциональными. Разрабатываются все более совершенные системы безопасности и средства обеспечения комфортного вождения. Обеспечение безопасности движения требует от водителя постоянной полной информации о быстро меняющейся окружающей обстановке не только впереди и позади его автомобиля, но и с обеих сторон движущейся машины. Процесс такого контроля в условиях высоких скоростей, постоянных динамических изменений окружающей обстановки часто выходит за пределы физиологических возможностей даже опытных водителей. Все это требует активной разработки и внедрения различных систем автоматизации в процессы управления АТС. Одной из важных задач автоматизации является разработка автоматических систем контроля всех окружающих зон автомобиля, включая и «слепые» для водителя боковые зоны.

Действительно, многие аварии совершаются из-за того, что зеркала заднего вида не могут предоставить водителю полную картину происходящего позади и в непосредственной близости от автомобиля. Автомобили, находящиеся в так называемой «слепой» зоне, чаще всего становятся причиной ДТП, в частности попутных столкновений. Водители часто не видят позади себя машину, которая начинает перестраиваться в соседний ряд в целях обгона. В результате выполняя по каким-либо причинам перестроение передняя машина подрезает обгоняющего. Водитель обгоняющего автомобиля, находясь в режиме ускоренного движения, не всегда успевает вовремя среагировать на данную ситуацию, например, успеть перестроиться на другую полосу или вовремя затормозить. Для мониторинга состояния «слепой» зоны боковых зеркал автомобиля существуют различные решения, разработанные как мировыми автопроизводителями, так и предлагаемые частными лицами. Главным недостатком таких технических решений является их функционирование исключительно как систем пассивной безопасности. Они не оказывают активной помощи водителю при управлении им автомобилем и выполняют сугубо информационную функцию. На современном этапе развития автомобильных технологий актуален новый уровень систем безопасности автомобилей, способных автоматически выполнять функции обнаружения и оказывать активную помощь водителю на дорогах. Таким образом, задача

разработки автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне вокруг автомобиля является актуальной для повышения безопасности АТС на дорогах и представляет большой научный интерес, а также важное практическое значение.

Цель работы

Повышение безопасности эксплуатации автомобиля и дорожного движения в целом путем разработки и внедрения автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал.

Задачи работы

1. Исследование принципов построения и функционирования современных систем безопасности;

2. Исследование параметров «слепой» зоны;

3. Разработка математической модели электромеханического усилителя рулевого управления для исследования автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал для управления автомобилем;

4. Исследование возможностей управления автомобилем, оснащенного автоматической системой обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал;

5. Разработка алгоритма установки сенсоров на различные модели автомобилей для автоматического обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал;

6. Разработка программно-аппаратного комплекса, реализующего функции автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал автомобиля и его экспериментальное исследование.

Методы исследования

Результаты диссертационной работы получены на основе положений теории автоматического управления, методов математического моделирования, компьютерной обработки сигналов, теории оценивания, численных методов.

Новизна и достоверность результатов

Новизна результатов работы защищена патентом. Достоверность разработанной модели, экспериментально исследованной в среде МаЙЬаЬ БтиПпк, подтверждается проверкой на реальном автомобиле. Результаты диссертационной работы подтверждены актом внедрения.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель электромеханического усилителя рулевого управления;

2. Разработана математическая модель системы автоматического обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал для управления автомобилем;

3. Разработан алгоритм расчета места размещения и ориентации измерительных преобразователей для автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал автомобиля.

Практическая ценность

Разработана автоматическая система обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал автомобиля, установленная и исследованная на реальном автомобиле.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

• заседаниях аттестационной комиссии при ежегодной аттестации аспирантов кафедры «Автоматика, информатика и системы управления» ФГБОУ ВПО « МГИУ»;

• VIII Международной научно-практической конференции «Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения» — 2009 г;

• IX Всероссийской выставке Научно-технического творчества молодежи -

2009 г;

• научно-практической конференции «ИНФО-2009: качество, безопасность, диагностика. Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» — 2009 г;

• IX международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» — 2010 г;

• научно-практической конференции «ИНФО-2010: качество, безопасность, диагностика. Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» - 2010 г;

• международном симпозиуме «Надежность и качество» - 2010 г;

• конференции, посвященной 100-летию со дня рождения A.M. Кригера. Секция «Автомобили и двигатели» — 2010 г;

• X Всероссийской выставке Научно-технического творчества молодежи -

2010 г;

• 4-й Всероссийской мультиконференции по проблемам управления - 2011 г;

• научно-практической конференции «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» - 2011

• II Международной научно-практической конференции «Итоги и перспективы интегрированной системы образования в высшей школе России: образование — наука - инновационная деятельность» — 2011 г;

• научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых автомобильного факультета: «Молодая наука АФ — 2011» — 2011 г;

• международном симпозиуме «Надежность и качество» - 2011 г;

• IX научно-практической конференции «ИНФО-2012: Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» - 2012 г;

• X научно-практической конференции «ИНФО-2013: Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» — 2013 г.

Публикации.

Основные положения диссертационной опубликованы в 23 печатных работах, включая 4 статьи в журналах из списка, рекомендованного ВАК, и 1 патент.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 136 страницах, содержит список литературы из 75 наименований, 5 приложений. Работа содержит 79 рисунков и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цели, методы и объекты исследования, поставлены задачи, приведена структура диссертации.

Первая глава посвящена описанию взаимодействие человека с автомобилем, дорогой и внешней средой, указаны связи и раскрыта суть автомобиля как объекта управления (рис. 1). Главная задача водителя в такой системе — управление автомобилем и контроль над его работой. Тенденции развития автомобиля таковы, что физический труд по управлению им становится все меньше, а на первое место выдвигаются повышенные требования к восприятию, управляющим воздействиям, к надежности профессиональной деятельности водителя в условиях высокой нервно — эмоциональной напряженности.

Jz<b(t) = ^Mz Jx-<p(t) = ZMx

m-y(t) = T.F

У

где: Зг - момент инерции автомобиля вокруг вертикальной оси; -момент инерции подрессоренной массы автомобиля вокруг продольной оси; т — масса автомобиля; у - боковое ускорение автомобиля; со — угловая скорость поворота автомобиля; <р - угол крена автомобиля; ЕМг - сумма моментов, действующих на автомобиль вокруг вертикальной оси; ЕМХ - сумма моментов, действующих на подрессоренную часть автомобиля вокруг продольной оси; - сумма сил, действующих на автомобиль в направлении оси оу.

Использование данной модели позволяет значительно упростить анализ поведения автомобиля с усилительной электромеханической системой рулевого управления (рис. 5) при установке автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал автомобиля.

Грм

Меод

вип

дт

г

>Ф=1Ы

вид

Z,t=f(L I, sj

öe/tni й

'OK/h иоптл

Mod

Контроллер

Р/Р

U=f(a)

PK

Mpaff(a)

ДМ

M„

Ца)

р РГ1

Um,

ДСА ДЧВ

ML=r(m„mt, zm„ в, VfoJ

Рис. 5. Структурная схема системы ЭМУР Система ЭМУР состоит из: вентильно-индукторного привода (ВИП), рулевого механизма (РМ) и информационных датчиков. В состав вентильно-индукторного привода входят: вентильно-индукторный двигатель (ВИД), коммутатор (К), редуктор-расцепитель (Р/Р), контроллер и датчик тока (ДТ). Контроллер управляет двигателем, анализируя информацию с датчика момента (ДМ), в виде уровня напряжения (СУ), датчика скорости автомобиля (ДСА, Уаш„), датчика частоты вращения (ДЧВ), в виде напряжения питания (С/,„,„,), и датчика тока. Момент (Л/„„й), прикладываемый водителем к рулевому колесу (РК)

и

По аналогии с установкой датчиков на бампере на рис. 11 и 32 представлен способ установки датчиков под зеркалами, соответственно, в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Здесь для вертикальной плоскости: - высота установки датчика; а - дальность приема датчика; Ь -максимальный радиус приема датчика; х - искомый угол продольной оси датчика к горизонтальной плоскости. Для горизонтальной плоскости: к -расстояние от центральной стойки до места установки датчика; к1 - расстояние к - расстояние до окулярных точек водителя; М - расстояние, определяемое экспериментальным путем, исходя из максимальной дальности и площади покрытия «слепой» зоны диапазоном приема выбранного датчика; х - искомый угол положения продольной оси датчика относительно продольной плоскости автомобиля.

изменения момента компенсации ЭМУР. При включении режима работы по указателю поворота выполняются те же действия, что и в случае постоянной работы, но опрос конкретного контура активируется включением указателя поворота. Для этого после определения включения данного режима необходимо производить опрос состояния переключения указателей поворота.

На основании описанного выше механизма работы сформирован упрощенный алгоритм работы всей системы, представленный на рис. 14. Алгоритм реализован в программном коде на языке ассемблер в среде Algorithm Builder.

Рис. 14. Упрощенный алгоритм работы автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал для управления автомобилем.

Блок управления автоматической системой обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал вместе с измерительными преобразователями установлен на автомобиль ВАЗ 2109 и проведены их дорожные испытания в режиме мониторинга попадания транспортных средств в зону действия датчиков (рис. 15). Проведенные испытания подтвердили правильность проведенных расчетов по методике установки измерительных сенсоров и правильность работы алгоритма управления блоком контроля «слепой» зоны.

Рис.15. Испытания автоматической системы обнаружения подвижных объектов в «слепой» зоне боковых зеркал 1 - индикатор; 2 - блок управления; 3 - датчик.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной

1. Проведен анализ связей, определяющих взаимодействие в системе «водитель-автомобиль-дорога-среда», рассмотрены причины возникновения типовых дорожно-транспортных происшествий и проведена их классификация по признаку причины происшествия. Исследованы принципы построения и функционирования существующих систем безопасности автомобилей и в частности систем, отвечающих за контроль пространства вокруг автомобиля. Выявлены основные недостатки существующих систем контроля «слепой» зоны в области активной безопасности, когда водитель не замечает информационный

работы.

Основные результаты

практической конференции «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» - 2011.

13. Шубникова И.С., Крюков А.И., Палагута К.А. Выбор системы измерительных преобразователей и способ их установки для системы активной безопасности транспортного средства // Труды 2-ой Международной научно-практической конференции «Итоги и перспективы интегрированной системы образования в высшей школе России: образование - наука - инновационная деятельность» - 2011. - С. 794-796.

14. Шубникова И.С., Крюков А.И., Палагута К.А. Выбор системы измерительных преобразователей для контроля препятствий // Сборник научных трудов научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых автомобильного факультета: «Молодая наука АФ — 2011»-2011.

15. Крюков А.И., Палагута К.А. Способ установки сенсоров системы контроля «мертвой зоны» боковых зеркал автомобиля // Сборник научных трудов научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых автомобильного факультета: «Молодая наука АФ -2011» -2011.

16. Крюков А.И., Палагута К.А. Система предупреждения водителя о нахождении его автомобиля в «мертвой зоны» // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» -2011. - Том 2. С. 179-180.

17. Палагута К.А., Крюков А.И. Программирование микроконтроллеров фирмы А1те1 // Учебно-методическое пособие, М.:МГИУ. - 2011

18. Палагута К.А., Крюков А.И., Шубникова И.С. Разработка системы контроля «слепой» зоны боковых зеркал автомобиля // Электроника и электрооборудование транспорта. — 2012. №5-6. — С. 21-26. (из списка, рекомендованного ВАК)

19. Крюков А.И., Палагута К.А. Моделирование системы активного контроля «слепой» зоны боковых зеркал автомобиля // Материалы IX научно-практической конференции «ИНФ02012: Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» - 2012. — С. 400-404.

20. Крюков А.И., Система контроля «слепой» зоны как составляющая активной безопасности автомобиля // Естественные и технические науки. - 2013. -№4(66). С. 180-182.Л. (из списка, рекомендованного ВАК)

21. Крюков А.И., Шабалина Т.А., Шубникова И.С., Палагута К.А. Разработка системы определения нахождения транспортного средства (тс) в «слепой» зоне чужого транспортного средства // Материалы X научно-практической конференции «ИНФО-2013: Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» - 2013. - С. 248-250.

22. Крюков А.И., Палагута К.А., Широков Л.А. Моделирование работы усилительной электромеханической системы рулевого управления // Машиностроение и инженерное образование. —2013. - №4 (сдано в печать; из списка, рекомендованного ВАК)

23. Крюков А.И., Палагута К.А., Бебенин В.Г. Оценка поведения эргатической системы «водитель-автомобиль» при работе активной системы контроля «слепой» зоны // Естественные и технические науки. - 2013. — №6 (сдано в печать; из списка, рекомендованного ВАК)

Крюков Андрей Игоревич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ В «СЛЕПОЙ» ЗОНЕ БОКОВЫХ ЗЕРКАЛ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЕМ

Автореферат

Подписано в печать 22.11.13 Формат бумаги 60x84/16 Усл. печ. л. 1,75. Уч.-изд. л. 1,75. Тираж 120. Заказ № 360

Издательство МГИУ, 115280, Москва, Автозаводская, 16 wvvw.izdat.msiu.ru; e-mail: izdat@msiu.ru; тел. (495) 620-39-90

Отпечатано в типографии издательства МГИУ