автореферат диссертации по транспорту, 05.22.20, диссертация на тему:Разработка метода оценки эксплуатационных тормозных свойств автомобиля в дорожных условиях

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РГ6 Ой

2 Ь ОНТ £№3

Кашканов Андрій Альбертович

УДК 629.1:519.8:656.1

РОЗРОБКА МЕТОДУ ОЦІНКИ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ГАЛЬМОВИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ АВТОМОБІЛЯ В ДОРОЖНІХ УМОВАХ

Спеціальність 05.22.20 «Експлуатація та ремонт засобів транспорту»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Автомобілі та автомобільне господарство” Вінницького державного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: Кандидат технічних наук, доцент Ребедайло Вадим

Миколайович, Вінницький державний технічний університет, професор кафедри “Автомобілі та автомобільне господарство”

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Подригало Михайло Абович, Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, завідувач кафедри машинобудування та ремонту машин

Кандидат технічних наук Гецович Євген Мойсесвич, НДІ “Гідропривід”, м. Харків, старший науковий співробітник

Провідна установа: Український транспортний університет, кафедра

“Виробничі системи і сервіс на транспорті”, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться 2000 р. о ..Ш>. годині на

засіданні спеціалізованої вченої ради ВАК України Д 64.059.02 при Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету (м. Харків, вул. Петровського, 25)

Автореферат розісланий “..5^..” 2000 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент

Богомолов В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ.

На сучасному етапі розвитку України чітко просліджуються тенденції зростання кількості транспортних засобів на дорогах України та погіршення якості дорожніх покрить. Це зумовлює підвищений рівень аварійності на шляхах країни.

Оскільки основним фактором попередження дорожньо-транспортних пригод (ДТП) є процес гальмування, розробка методів оцінки гальмових властивостей пов’язана, перш за все, із забезпеченням безпеки дорожнього руху з метою визначення найбільш ефективних напрямків боротьби з аварійністю.

Актуальність теми.

Особливу увагу при оцінці гальмових властивостей привертає те, що в теорії автомобіля, яка є теоретичною основою для відновлення механізму пригоди, детально вивчено лише випадок екстреного гальмування з повним використанням сил зчеплення. Крім того, збільшенню суб’єктивізму при розслідуванні пригод сприяє неточність вихідних даних, які часто носять якісний характер.

Враховуючи велику відповідальність, яка покладається на експерта-автотехніка при розслідуванні ДТП, і важливість прийняття ним об’єктивного рішення про технічні причини та умови, що сприяли виникненню пригоди, актуальним є створення методу оцінки експлуатаційних гальмових властивостей автомобіля в дорожніх умовах, який б дозволив теоретично відтворити траєкторію руху загальмованого автомобіля навіть при наявності неточних вихідних даних.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась в рамках досліджень по вдосконаленню методів та засобів аналізу гальмових властивостей автомобіля під час розслідування ДТП. Дослідження проводились на кафедрі автомобілів та автомобільного господарства факультету транспорту, триботехніки та машинобудування Вінницького державного технічного університету і являються невід’ємною частиною вирішення проблеми підвищення безпеки руху транспортних засобів згідно нормативних документів та актів України про дорожній рух.

Мета і задачі дослідження.

Мета роботи — підвищення об’єктивності розслідування ДТП за рахунок створення методу оцінки експлуатаційних гальмових властивостей автомобіля в дорожніх умовах, який дозволив би теоретично відтворити траєкторію руху загальмованого автомобіля навіть при наявності неточних вихідних даних.

Об’єкт дослідження — функціонування підсистеми “автомобіль — дорога” в розслідуванні дорожньо-транспортних пригод при гальмуванні.

Предмет дослідження — питання вибору початкових даних для розслідування ДТП, математичні моделі інженерного аналізу причинно-наслідкових зв’язків, які діяли в процесі пригоди.

Методи дослідження. В роботі використовуються аналітичні та експериментальні методи досліджень, які базуються на ідеях і принципах штучного інтелекту та інженерії знань, теорії нечітких множин і лінгвістичних змінних. Результати аналітичних досліджень порівнюються з результатами експериментальних випробувань, отриманих в ході дорожніх тестів, та результатами розслідування ДТП.

Для досягнення поставленої метн розв’язані наступні задачі:

1. Аналіз основних напрямків застосування математичних методів в практиці дослідження дорожньо-транспортних пригод при гальмуванні; оцінка їх недоліків; формулювання принципів побудови моделей для оцінки експлуатаційних гальмових властивостей автомобіля на базі теорії нечітких множин.

2. Розробка на базі теорії нечітких множин математичної моделі для оцінки коефіцієнта зчеплення коліс автомобіля з дорожнім покриттям; проведення натурного експерименту для отримання навчаючої вибірки і настройки цієї моделі.

3. Розробка на базі теорії нечітких множин математичних моделей для оцінки величин гальмового моменту на колесах автомобіля при гальмуванні.

4. Розробка математичної моделі для оцінки траєкторії руху загальмованого автомобіля.

5. Експериментальне дослідження поведінки автомобіля при гальмуванні з врахуванням величини гальмових моментів, які були прикладені до коліс автомобіля, величини коефіцієнта зчеплення по бортам автомобіля, а також поперечного зміщення центра мас автомобіля внаслідок нерівномірного розподілу вантажу.

6. Створення методу оцінки експлуатаційних гальмових властивостей автомобіля в дорожніх умовах та побудова на його основі експертно-моделюючої системи для автоматизації розрахунків.

Наукова новизна одержаних результатів.

Визначений взаємозв’язок між характером руху автомобіля і коефіцієнтами зчеплення та гальмовими моментами на кожному колесі з урахуванням поперечного зміщення центру мас автомобіля в умовах неточності вихідних даних. В якості критерію використовувалось питоме сповільнення.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблена методика визначення діючих значень коефіцієнта зчеплення на основі інформації протоколів дорожньо-транспортних пригод.

2. Розроблена методика розрахунку гальмових моментів, які діяли на колесах автомобіля під час аварійної ситуації.

з

3. Розроблені метод і алгоритм оцінки експлуатаційних гальмових властивостей автомобіля в дорожніх умовах при службовому гальмуванні.

4. Побудована експертно-моделююча система для оцінки траєкторії руху загальмованого автомобіля, яка може бути використана в автотехнічній експертизі ДТП при гальмуванні для виявлення причин та умов, що сприяли виникненню пригоди. Програмне забезпечення впроваджено в експертно-криміналістичному відділі управління МВС України у Вінницькій області.

Особистий внесок здобувача.

1. Розроблена математична модель оцінки траєкторії руху автомобіля при гальмуванні.

2. Проведений натурний експеримент по визначенню коефіцієнта зчеплення, запропоновані алгоритм і математична модель визначення коефіцієнта зчеплення коліс автомобіля з дорожнім покриттям за даними протоколів ДТП.

3. Проведена структурна ідентифікація моделей для оцінки величин гальмового моменту на колесах автомобіля при гальмуванні.

4. Створений метод оцінки експлуатаційних гальмових властивостей автомобіля в дорожніх умовах та побудована на його основі експертно-моделююча система для автоматизації розрахунків.

Апробація результатів дисертації.

Результати дисертації доповідались і обговорювались на міжнародній науково-технічній конференції “Нові технології та організаційні структури на автомобільному транспорті” (Вінниця, 1994р.), на 4-ій міжнародній науково-технічній конференції “Контроль і управління в технічних системах” (Вінниця, 1997р.), на 24-ій — 29-ій науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу співробітників та студентів університету з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області (Вінниця, 1995 - 2000р.), на науково-практичній конференції “Системотехніка на автомобільному транспорті” (Харків, 1998р) та 6-й міжнародній конференції “European Congress on Intelligent Techniques and Soft Computing — EUFIT” (Aachen, Німеччина, 1998р.).

Публікації.

Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 6 наукових роботах, в тому числі 3 у фахових виданнях.

Структура та обсяг роботи.

Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків; вміщує список використаних джерел (117 назв). Основна частина роботи викладена на 172 сторінках машинописного тексту, включаючи 38 рисунків, 41 таблицю. До роботи прикладені 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ до дисертації містить обгрунтування актуальності теми, мету і задачі досліджень, опис основних наукових результатів, їх новизни, практичної цінності, відомості про впровадження, апробацію та структуру роботи.

У першому розділі розглянуто типові задачі, які виникають при дослідженні ДТП, що сталися внаслідок зміни напрямку руху автомобіля при гальмуванні, аналізуються основні напрямки застосування математичних методів в автотехнічній експертизі, формулюються науково-методичні принципи застосування теорії нечітких множин при побудові моделей для оцінки гальмових властивостей автомобіля і на цій основі ставляться задачі дослідження.

Вивчення вже скоєних ДТП показує, що для їх попередження в 75.9% випадків використовувались гальмові системи. Тому автотехнічним експертам досить часто доводиться розв’язувати задачі оцінки коефіцієнта зчеплення автомобіля з дорогою, оцінки величини гальмових моментів на його колесах та початкової швидкості гальмування і на основі прийнятих рішень прогнозувати поведінку автомобіля.

Кожна з цих задач може розглядатися як пошук відображення:

X* =(х1х*2,...,х*п)~> Yj sY = {y,y), (1)

де X* - множина факторів впливу для конкретної задачі,

Y - множина рішень про значення конкретної вихідної величини.

Обмеження традиційних математичних методів, які використовуються для розв’язку такого роду задач, пов’язані з труднощами збору та обробки статистичної інформації, поповнення бази знань, забезпечення стійкості моделі до факторів впливу. Ці методи не пристосовані до роботи з якісними (нечисловими) та нечіткими знаннями, тобто знаннями, які задаються на природній мові. Проте, саме такі евристичні або інтуїтивні знання часто використовуються при розслідуванні ДТП.

Основою строгої математичної обробки нечислової (лінгвістичної) інформації служить теорія нечітких множин, запропонована JT .Заде в 1965р. Концепція нечіткої множини виникла у Заде як “незадоволеність математичними методами класичної теорії систем, яка змушувала домагатися штучної точності, недоречної в багатьох системах реального світу, особливо в так званих гуманістичних системах, які включають людей”. В нинішній час її переваги при розробці антиблокувальних систем, автоматичних трансмісій, систем управління двигуном, обігрівом, вентиляцією та кондиціюванням повітря в автомобілях оцінили такі відомі автомобільні фірми як Nissan, Mitsubishi, Honda, Mazda, Hyundai, BMW, Mercedes-Benz, Ford, Peugeot, General

Motors. Проте приклади застосування цієї теорії в практиці автотехнічної експертизи нам не відомі.

Для досягнення мети дослідження розробка моделей, які використовують нечітку логіку, здійснювалась на базі таких принципів:

Принцип лінгвістичності вхідних та вихідної змінної. За цим принципом входи та виходи об’єкту розглядаються як лінгвістичні змінні, що оцінюються якісними термами (term - від англ. називати).

2. Принцип лінгвістичності знань. Відповідно до цього принципу досвід експерта і його розуміння причинно-наслідкових зв’язків в задачі прогнозування описується на природній мові, а потім формалізуються у вигляді сукупності нечітких логічних висловлювань (бази знань) типу “ЯКЩО <входи>, ТОДІ <вихід>”.

3. Принцип ісрархічності знань. За допомогою цього принципу можна враховувати практично необмежену кількість факторів, які впливають на рішення, що необхідно прийняти. Побудова моделі відбувається згідно з деревом логічного висновку, яке віддзеркалює ієрархічний взаємозв’язок нечітких баз знань в кожному класі вхідних змінних.

4. Принцип двохетапної настройки нечітких моделей. Ці етапи відповідають відомим в класичній теорії етапам структурної та параметричної ідентифікації. На першому етапі будується груба модель об’єкту на підставі доступної експертної інформації, яка задається у вигляді нечітких правил «ЯКЩО — ТОДІ». На другому етапі відбувається оптимізація нечіткої моделі за допомогою навчаючої вибірки, тобто експериментальних даних «входи-вихід». Керованими змінними, що підлягають настройці, є форма функцій належності та коефіцієнти вагомості нечітких правил.

Другий розділ присвячено розробці моделей оцінки коефіцієнта зчеплення автомобіля з дорогою та гальмових моментів, що діють на колеса автомобіля при гальмуванні. їх побудова виконувалась на основі методу ідентифікації нелінійних об’єктів нечіткими базами знань в два етапи: перший -структурна ідентифікація; другий - параметрична ідентифікація.

На етапі структурній ідентифікації використовувався узагальнений елемент логічного виводу у = fy{xі, *2,..., х,;), який описує залежність між

входами (х, ,і = 1,п) та неперервним виходом у вигляді системи

нечітких логічних висловлювань (бази знань):

де:

Yj — нечіткий терм для оцінки]-го рівня вихідної змінної у; т — кількість термів для оцінки змінної у;

Х{р - нечіткий терм для оцінки вхідної змінної X; в р-му ряду матриці знань, що відповідає терму Yj, р = 1,kj ;

Kj — кількість рядків, що відповідають терму Yj ; а]р— вага експертного правила з номером ]р;

Дискретизація неперервного виходу відбувалась за правилом:

\і>у]= • (3)

Системі висловлювань (2) відповідає такий взаємозв’язок функцій належності змінних у та х,-, і = 1,п:

00 = а)\\*П (*1) ■а ИП (х2)а •... а мЯ(хп )] 1 )2 ^2(*1)л 2 (х2 ) л ■ ■. л иАіхп) і]р (х[) л // ір (хі) л... л ц ір (х„ )

V V...

, ]-\т,

(4)

де: ц ' (_у) і (хі) - функції належності змінних у та д:,- до термів У] і Х-р,

відповідно.

Функції належності змінної л; до довільного нечіткого терму Т визначаються за допомогою узагальненої моделі:

МТ(*Ь

1

1 +

х — Ь

(5:

де /і7 (х) - функція належності змінної х до терму Т; Ь - координата максимуму функції , /л7 (р)-1; с - параметр стиснення-розтягування.

Нечіткі логічні рівняння (4) отримані з бази знань (2) шляхом заміни змінних х'і на їх функції належності, а операцій І(АБО), - на операції л^). Зважаючи на те, що операціям л^) у теорії нечітких множин відповідають операції пгіп(тах), із (4) одержуємо:

^ (у)= тах

р=\,к]

а]р ■ тіп ^Р{Хі) І=\,1Ї

(6)

Перетворення нечіткого рішення (6), у чітку форму відбувається за принципом «центру ваги»:

Е

7=1

(■ л У"у у+Ь-ч----=

ш — І

'М

(у)

(7)

т у

2>УМ

У=1

Де у(у) " нижнє (верхнє) кількісне значення змінної у (коефіцієнта

зчеплення чи гальмового моменту).

На етапі параметричної ідентифікації, узагальнену модель об’єкту (рис. 2 для коефіцієнта зчеплення, або рис. З для гальмових моментів), яку визначають співвідношення (5) - (7), необхідно записати в вигляді:

У

= р(х,А,В,С), (8)

де X — (хі,х2,...,хп)- вхідний вектор,

А = - вектор ваг правил-рядків в нечіткій базі знань (2),

В ={Ьі,Ь2,---,ЬС]) та С =\сі,с2,---,Сд) - вектори параметрів настройки

функцій належності нечітких термів, які входять в базу знань,

N - загальна кількість правил-рядків,

<7 — загальна кількість термів,

- оператор зв’язку вхід-вихід, який відповідає співвідношенням (5) -

(7).

Навчаючу вибірку необхідно задати в вигляді М пар експериментальних даних:

{хр,ур\р = \М, (9)

де Xр = (х^ ,х£ ,...,хр І - вхідний вектор в /7-ій парі,

Ур - відповідний вихід.

Для знаходження вектора невідомих параметрів (А,В,С), які мінімізують розбіжність модельних (8) та експериментальних (9) виходів об’єкта, використаємо метод найменших квадратів. Задача настройки нечіткої моделі заключається в знаходженні такого вектора (А,В,С), який задовольняє обмеження:

а; є [а( ,а; ], ( = 1,Л/, є[bjJ)jl су є [cj ,с; \ ./ = !,<? (10)

і забезпечує

£ [f(y A,B,c)-yp} = min . (11)

P = 1 л,в,с

Для вирішення цієї нелінійної задачі оптимізації було використано метод найскорішого спуску.

Модель оцінки коефіцієнта зчеплення. Широкі дослідження в області взаємодії автомобільного колеса з дорожнім покриттям ведуться в багатьох країнах світу. В рішення цієї проблеми великий вклад внесли Є.А. Чудаков, М.А. Петров, В.А. Асторов, Е.Г. Подліх, А.Б Гредескул, А.С. Литвинов, В.І. Кнороз, А.М. Туренко, О.С. Федосов, М.А. Подригало, Б. Сабей, Д. Мур та інш.

Вивчення цих робіт дозволило визначити найбільш впливові на коефіцієнт зчеплення фактори та діапазони їх зміни (табл. 1), побудувати структуру моделі (рис. 1), отримати базу знань (табл. 2).

Рис. 1. Структура моделі оцінки коефіцієнта зчеплення

О, - тип дорожнього покриття, Б2 — стан дорожнього покриття, Т - тип шин; Б - ступінь проковзання шини, Н - зношеність шини, Р - тиск в шині, N -навантаження на колесо, V - швидкість автомобіля.

На основі бази знань були отримані логічні рівняння. Функції належності термів нечітких змінних, які входять в ці рівняння були описані за допомогою узагальненої моделі (5).

На етапі параметричної ідентифікації за результатами натурного експерименту з автомобілем “Москвич 412” була побудована навчаюча вибірка. Загальний обсяг її склав 60 пар даних «фактори впливу - коефіцієнт зчеплення».

Таблиця 1

Фактори впливу на коефіцієнт зчеплення

Фактор Універсальна множина Терми для оцінок

<3 - інтегральний показник «тип шин -дорога» (0 - 9) у.о. низький ((} 1), нижче середнього (02), середній (С23), вище середнього (04), високий (05)

в - ступінь проковзання шини (0-100)% кочення з нроковзанням (81), юз (82)

Н — зношеність шини (0 - 100)% нова (НІ), в межах допустимого (Н2), зношена (113)

Р - тиск в шині (0.1 -0.325) МПа понижений (Р1), нормальний (Р2), підвищений (РЗ)

N - навантаження на колесо (0-100)% без навантаження (И1), середнє (N2), повне (N3)

V - швидкість автомобіля (0-130) км/ г низька (VI), нижче середньої (У2), середня (УЗ), вище середньої (У4), висока (У5)

2.25 4.5 6.75

а) інтегральний показник

25 50 75 100

б) ступінь проковзання шини

е) зношеність шини

0.156 0.212 0.269

г) тиск в шині

0.325

25 50 75

д) навантаження на колесо

130

е) швидкість автомобіля

Рис. 2. Функції належності нечітких термін після настройки

Таблиця 2

Нечітка база знань

Q S Н Р N V <Р Вага

Q1 S2 Н2 Р2 N1 VI 1,000

Q1 SI НІ Р1 N3 VI (р\ 0,700

Q1 S1 НЗ РЗ N2 V2 0,999

Q2 S2 Н2 Р2 N2 V3 0,700

Q1 S1 112 Р1 N2 V2 (рг 0,700

02 S1 III РЗ N3 V3 0,998

Q2 S1 Н2 Р2 N3 V5 0,700

Q2 S1 Ш РЗ N2 V3 (рЪ 0,400

02 S2 112 РЗ N1 V2 0,300

Q2 S1 Н2 Р2 N1 V2 0,400

03 S2 Н2 Р2 N2 V3 (рА 0,997

03 S1 НІ Р1 N1 V5 0,400

Q4 S2 НІ Р2 N3 V2 0,999

03 S1 НІ РЗ N1 VI <Р5 1,000

Q4 S2 НЗ Р2 N1 V3 0,400

Q4 S2 Н2 Р2 N1 VI 0,999

Q4 S1 Н2 Р1 N3 V2 <р6 0,400

04 S2 НІ Р2 N1 V3 0,400

Q4 S1 НІ Р2 N1 V2 0,699

Q5 S1 НІ Р2 N3 V5 <рі 1,000

05 S2 Н2 Р1 N2 V4 1,000

Q5 S2 Н2 Р2 N3 V2 1,000

Q5 S2 Н2 Р2 N1 V3 (р 8 1,000

Q5 S1 НІ Р2 N1 V4 0,600

Настройку (оптимізацію) моделі виконано з використанням пакету програм FUZZY EXPERT, розробленого на кафедрі комп’ютерних систем управління Вінницького державного технічного університету. В результаті настройки були отримані такі функції належності (рис. 2) та ваги правил в базі знань (табл. 2), які забезпечують розходження між модельними і експериментальними даними в 3%.

Моделі оцінки величин гальмового моменту на колесах автомобіля при гальмуванні. За основу при структурній ідентифікації цих моделей були взяті основні схеми гальмових механізмів, що застосовуються на легкових автомобілях: дискові, барабанні з рівними приводними силами й

одностороннім розташуванням опор та барабанні з рівними приводними силами і рознесеними опорами. Структура цих моделей показана рис. 3.

Окремо по кожній схемі було сформовано експертні бази знань та логічні рівняння для оцінки гальмового моменту в залежності від факторів впливу, знайдені попередні значення параметрів функцій належності нечітких термів.

Г альмоБий 6) Г альмо вий

момент ) момент (м )

©0©(Э

Рис. 3. Структура моделей оцінки гальмового моменту:

а) дискові гальмові механізми; б) барабанні гальмові механізми;

Р - привідна сила, // - коефіцієнт тертя, гс - середній радіус поверхні тертя, гд - радіус барабана, а - плече нормальної сили Рп, яка діє з боку гальмового барабана на колодки, к — плече привідної сили Р, р — кут обхвату накладки

Настройка моделей гальмового моменту проводилась аналогічно настройці моделі коефіцієнта зчеплення. Після настройки розбіжність між модельними даними та даними отриманими за відповідними аналітичними формулами знаходилась в межах 5%.

В третьому розділі розроблено модель оцінки траєкторії руху автомобіля при гальмуванні. Розробка моделі виконувалась на основі досліджень Я.М. Певзнера, А.Б. Гредескула, А.С. Литвинова, В.А. Іларіонова, А.А. Хачатурова, Д.А. Антонова, Ю.А. Брянського, Л.В. Гуревича, Г.М. Косолапова, М.А. Подригало, В.П. Волкова та інш.

На основі аналізу цих досліджень була побудована просторова схема сил, діючих на автомобіль при гальмуванні (рис. 4). Використання даної схеми дозволило визначити нормальні, поздовжні та бокові реакції автомобіля з урахуванням нерівномірності розподілу гальмових сил і коефіцієнта зчеплення між колесами автомобіля, а також зміщення центру мас автомобіля в поперечному напрямку, яке виникає в результаті несиметричного розподілу вантажу.

Положення автомобіля в просторі визначається рухом його центра мас (а-; у) в нерухомій системі координат л\ у, : і кутом розвороту поздовжньої осі у (рис. 4). Для визначення цих параметрів необхідно скласти диференціальні рівняння руху в рухомій системі координат х,, у{, жорстко зв’язаній з автомобілем:

таіх = ~Х\ ~ >

та]у=-¥1+У2’ О2)

І,й) = А/, +М2 -Уха-УгЬ,

Рис. 4. Схема сил, діючих на автомобіль при гальмуванні

де та - маса автомобіля;

/. - момент інерції автомобіля відносно вертикальної осі, яка проходить через його центр мас;

.....................

> - поздовжні реакції, діючі на осі автомобіля;

Ау - бокове зміщення центру мас автомобіля;

}х=У + Уусо 1 . .

\ - прискорення центру мас автомобіля відповідно в

Х2 = Х'І + XI

- бокові реакції, діючі на осі автомобіля;

• - моменти, що повертають автомобіль;

Іу = ~Уу + Усо

напрямку осей х та у,

о) - кутове прискорення автомобіля відносно осі г (а> - кутова швидкість автомобіля відносно осі z);

V і V - швидкість центра мас відповідно в напрямку повздовжньої осі

автомобіля і в напрямку, перпендикулярному до неї;

а, Ь, В - конструктивні параметри автомобіля (індекси 1 і 2 позначають передню і задню осі, а індекси л і п - ліві та праві колеса).

Після визначення законів зміни реакцій автомобіля розв’язування задачі оцінки траєкторії руху зводиться до виконання наступних кроків.

1. Приведення системи (12) до виду:

У = fv{v> Уу. const);

■ Уу = /уу(У, Уу, const); (13)

® = Ао(У’ Уу’ 0)’ const).

2. Розв’язування системи (13) методом Рунге-Кутта і отримання

функціональних залежностей V = /,(^), V = /2(^)> ® = /з(0. які

характеризують процес гальмування автомобіля.

3. З метою отримання параметрів руху центра мас автомобіля необхідно знову інтегрувати функціональні залежності, отримані для ,V Vy та а>

відповідно виразам

/ і t у = jcodt, х = j(v cos у + Vy sin yjdt, у = j(y smy — Vy cos y)dt. (14)

oo o

Для виконання цих кроків була розроблена програма обчислень на об’єктно-орієнтованій мові Delphi 5. Програма дозволяє отримувати наглядний вигляд траєкторії руху центра мас автомобіля в координатах (х, , яка

зображується на екрані монітора.

В четвертому розділі наведені результати натурних експериментів, за допомогою яких перевірялась можливість відтворення траєкторії руху

автомобіля при гальмуванні на основі моделей та алгоритмів, розроблених в розділах 2, 3, та використання результатів розрахунків при розслідуванні ДТП.

Експеримент проводився за алгоритмом.

КРОК 1. Створення (фіксація) відповідних умов руху автомобіля.

КРОК 2. Отримання (фіксація) експериментальної траєкторії автомобіля при гальмуванні для заданих умов руху.

КРОК 3. Моделювання траєкторії автомобіля для заданих умов руху за допомогою розроблених моделей і алгоритмів.

КРОК 4. Порівняння результатів моделювання, отриманих на КРОКУ З, з результатами натурних експериментів (розслідуваних ДТП).

Експеримент проводився з автомобілем “Москвич-412” на ділянці асфальтобетонного покриття горизонтального профілю. Стан покриття: сухе, мокре, покрите брудом. Досліджувався вплив нерівномірності розподілу гальмових сил і коефіцієнта зчеплення між колесами автомобіля, а також зміщення центру мас автомобіля в поперечному напрямку. Отримані експериментальні криві руху загальмованого автомобіля при нерівномірному роподілі гальмових сил зображені на рис. 5 (коефіцієнт зчеплення - 0.7 для всіх коліс; гальмові моменти на колесах автомобіля, Н-м: переднє ліве - 468, переднє праве - 398, задні - 365.).

V = ЗО км/Г

V = 50 км/Г

Рис. 5. Траєкторія руху загальмованого автомобіля при

нерівномірній дії гальмових моментів:-----------експериментальна; ------ -

модельна; від’ємні значення курсового кута та бокового зміщення вказують на зміщення автомобіля вліво

Різниця між модельними й експериментальними даними не перевищує 7.9%. Порівняльний аналіз результатів комп’ютерного прогнозу з висновками автотехнічних експертів, який проводився на основі даних розслідуваних ДТП, що були скоєні Вінницькій області, не виявив розбіжності в прийнятих рішеннях.

У п’ятому розділі розроблено алгоритм, контрольні приклади та експертно-моделюючу систему (ЕМС) (рис. 6), які ілюструють методику і практику оцінки гальмових властивостей автомобіля при проведенні автотехнічної експертизи ДТП з застосуванням математичних моделей і алгоритмів, отриманих в розділах 2, 3.

Метод складається з виконання наступних кроків.

1. Збір початкових даних.

2. Розрахунок коефіцієнтів зчеплення.

3. Розрахунок гальмових моментів.

4. Оцінка траєкторії автомобіля при гальмуванні.

Панель вибору режиму роботи

Експертна система для визначення коефіцієнта зчеплення Експертна система Катая ог

і дослідження траєкторії руху транспортних засобів

Елок вводу значень

ЕЯ1ДННХ З МІННИХ

Блок обробки вхідної інформації:

Нечіткі бази знань Функції належності Фазифікація

Нечіткий логічний висновок Дефазифікація

Блок видачі результату

А

А

Блок вводу кількісний значень ЕХІДНІК змінних

Експертна система для визначення гальмових моментів на колесах автомобіля

Блок аналізу траєкторії руху автомобіля'

Визначення реакцій, які сприймають колеса загальмованого автомобіля Моделювання траєкторії руху автомобіля

Графічна інтерпретація результатів моделювання

Користувач ЕМС

Рис. 6. Архітектура експертно-моделюючої системи

Експертно-моделююча система призначена для автоматизації найбільш складних процедур прогнозування поведінки загальмованого автомобіля при нечітких вихідних даних. Терміном експертно-моделююча система підкреслюється, що в цій системі сполучається традиційне моделювання з використанням експертної інформації, яка формалізується на базі нечітких чисел та нечіткої логіки. Програмне забезпечення EMC виконано на мові Delphi 5 в об’єктно-орієнтованому стилі для ПЕОМ, які працюють під керуванням операційної системи Windows’95 або Windovvs’98.

ВИСНОВКИ

1. Основні труднощі розв’язування задач оцінки гальмових властивостей автомобіля, особливо при дослідженні ДТП, обумовлені необхідністю врахування великого числа кількісних та якісних факторів, відсутністю аналітичних залежностей, які зв’язують фактори впливу з рішеннями. Обмеженням математичних методів, які традиційно використовуються для розв’язування такого роду задач, є те, що вони не дозволяють описувати причинно-наслідкові зв’язки між факторами впливу та відповідним наслідком на природній мові, яка моделює логіку міркувань експертів з залученням нечислової та нечіткої інформації. Застосування теорії нечітких множин для оцінки гальмових властивостей автомобіля при дослідженні ДТП здійснюється на основі принципів лінгвістичності вхідних та вихідних змінних, лінгвістичності та ієрархічності експертних знань, а також принципу двохетапної настройки нечітких моделей. .

2. Розроблені математичні моделі дозволяють з достатньою точністю визначити величину коефіцієнта зчеплення (відносна похибка біля 3%) та гальмового моменту (відносна похибка до 5%), і на основі цих даних оцінити траєкторію руху загальмованого автомобіля.

3. Запропонована модель визначення коефіцієнта зчеплення, на відміну від існуючих методик, дозволяє врахувати всі фактори впливу занесені в протоколи дорожньо-транспортних пригод і звузити діапазон можливих оцінок до конкретного числового значення, що підвищує об’єктивність прийняття рішень.

4. Розроблена математична модель дозволяє оцінити траєкторію руху

автомобіля при гальмуванні і дає змогу встановити момент виникнення юзу кожного колеса по критерію jig. Різниця між теоретичними та

експериментальними даними при визначенні параметрів гальмування

автомобіля для всіх випадків гальмування не перевищувала 7.9%.

5. Створена експертно-моделююча система “Автоексперт” реалізує моделі та алгоритми, розроблені в розділах 2, 3, і дозволяє автоматизувати найбільш трудомісткі процедури дослідження причин зміни напрямку руху автомобіля при гальмуванні під час розслідування дорожньо-транспортних пригод.

6. Дослідження дорожньо-транспортних пригод, пов’язаних зі зміною

траєкторії руху автомобіля при гальмуванні, підтвердили можливість

застосування запропонованого методу в автотехнічній експертизі ДТП.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ Публікації у наукових фахових виданнях

1. Ребедайло В.М., Савчинський І.Г., Кашканов А.А. Якісні особливості курсового руху автомобіля в режимі службового гальмування. // Машинознавство. - 1998. - №7(13) . - с. 31 - 34. (особистий внесок 60%)

2. Ротштейн О.П., Ребедайло В.М., Кашканов А.А. Ідентифікація коефіцієнта зчеплення коліс автомобіля з дорожнім покриттям на нечіткій логіці. // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1998. -№2. — с. 23 - 29. (особистий внесок 50%)

3. Кашканов А.А. Оцінка гальмових моментів на колесах автомобіля за допомогою нечіткої логіки. // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. — 1999. - №1. - с. 139- 143.

Додаткові публікації

4. Ребедайло В.Н., Кашканов А.А., Бартко Н.Н. Определение скорости автомобиля по пути юза при анализе ДТП. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции “Новые технологии организационные структуры на автомобильном транспорте”,- Винница: ВГТУ.- 1994,- с. 84. (особистий внесок 75%)

5. Ротштейн О.П., Ребедайло В.М., Кашканов А.А. Нечітка модель управління швидкістю автомобіля в умовах недостатньої видимості. // Книга за матеріалами 4-ої міжнародної науково-технічної конференції “Контроль і управління в технічних системах”.- чЗ.- Вінниця: Універсум.- 1997р.- с. 64 -70. (особистий внесок 50%)

6. Rotshtein A., Kashkanov A. Fuzzy Expert System for Identification of Car Wheels Adhesion Factor with a Road Surface. Proceeding of the 6-th European Congress on Intelligent Techniques and Soft Computing, Aachen, Germany, 1998. - p. 1735 - 1740. (особистий внесок 50%)

АНОТАЦІЯ

Кашканов А.А. Розробка методу оцінки експлуатаційних гальмових властивостей автомобіля в дорожніх умовах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 - Експлуатація та ремонт засобів транспорту. — Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет Міністерства освіти і науки України, Харків, 2000 р.

Дисертацію присвячено вирішенню питань оцінки експлуатаційних гальмових властивостей автомобіля в дорожніх умовах при проведенні автотехнічної експертизи дорожньо-транспортних пригод. В дисертації розроблено модель оцінки коефіцієнта зчеплення автомобіля з дорогою, яка дозволяє суттєво звузити інтервал невизначеності при знаходженні величини коефіцієнта зчеплення за даними протоколів дорожньо-транспортних пригод. Розроблені моделі оцінки гальмових моментів на колесах автомобіля, які на відміну від їх аналітичних аналогів

дозволяють давати достатньо точний прогноз навіть при наявності якісно' інформації про фактори впливу. Запропоновано математичну модель оцінкі траєкторії руху автомобіля при гальмуванні, яка дозволяє врахуваті перерозподіл вертикальних реакцій не тільки по осям, а й по бортаг\ автомобіля, і дає змогу встановити момент виникнення юзу кожного колеса пс критерію jig. Розроблено експертно-моделюючу систему “Автоексперт” дл; автоматизації найбільш трудомістких процедур прогнозування поведінм загальмованого автомобіля.

Ключові слова: автомобіль, гальмування, курсова стійкість,

траєкторія руху, нелінійні залежності, ідентифікація, нечітка логіка, математична модель, дорожньо-транспортні пригоди.

SUMMARY

Kashkanov A. A. Creation of method for estimation of automobile operatior brake properties in road conditions. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of technical sciences on the speciality 05.22.20 - Exploitation and repair of transport units. -Kharkiv State Automobile and Highway Technical University, Ministry ol Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2000.

The thesis is devoted to problems of estimation brake properties of th< automobile at holding a technical expertise of traffic accidents. In the thesis the model of an adhesion factor evaluation of the automobile with a road surface i: developed. This model allows to take into account all influencing factors registerec in protocols of traffic accidents, and to reduce the range of possible estimations о adhesion factor. The models of the brake moments evaluation on wheels of th automobile are developed. Compared to their analytical analogs these models allov giving the rather exact prognosis even if qualitative information about th< influencing factors is available. The mathematical model of motion path evaluatioi of the braking automobile is offered. This model allows to take into accoun redistribution of vertical responses not only on axes, but and on boards of th automobile, and enables to determine the moment when each of the wheels begins t skid according to the criterion j/g. The “Auto Expert” software for automation of th most labour-consuming procedures of behavior prediction of the braking automobil is developed.

Key words: the automobile, braking, road holding, motion path, попііпег dependencies, identification, fuzzy logic, mathematical model, traffic accidents.

АННОТАЦИЯ

Кашканов А. А. Разработка метода оценки эксплуатационны тормозных свойств автомобиля в дорожных условиях. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технически наук по специальности 05.22.20 - Эксплуатация и ремонт средст транспорта. - Харьковский государственный автомобильно-дорожны

технический университет Министерства образования и науки Украины, Харьков, 2000 г.

Диссертация посвящена решению вопросов оценки тормозных свойств автомобиля при проведении автотехнической экспертизы дорожно-транспортных происшествий.

В диссертации проведен анализ задач оценки тормозных свойств автомобиля в дорожных условиях. Установлена недостаточная эффективность математических методов, которые традиционно используются для решения такого рода задач, выявлены причины ее снижения и обосновано применение теории нечетких множеств для оценки тормозных свойств автомобиля при расследовании дорожно-транспортных происшествий.

Разработана модель оценки коэффициента сцепления автомобиля с дорогой, позволяющая сузить до конкретной величины интервал неопределенности при нахождении величины коэффициента сцепления по данным протоколов дорожно-транспортных происшествий. Разработаны модели оценки тормозных моментов на колесах автомобиля, которые в отличие от их аналитических аналогов позволяют давать достаточно точный прогноз даже при наличии качественной информации о факторах влияния. За основу при структурной идентификации этих моделей были взяты основные схемы тормозных механизмов, которые применяются на легковых автомобилях: дисковые, барабанные с равными приводными силами и односторонним расположением опор и барабанные с равными приводными силами и разнесенными опорами. Построение моделей проводилось на основе метода идентификации нелинейных объектов нечеткими базами знаний в два этапа: первый — структурная идентификация, второй — параметрическая идентификация. В итоге были получены модели дающие расхождение результатов прогноза с экспериментальными данными соответственно 3% и 5%. Использование нечеткой экспертной информации о значении факторов, которые влияют на коэффициент сцепления и тормозные моменты, позволяет уменьшить объем экспериментальных исследований и значительно сократить время достижения объективного решения о причинах возникновения аварийных ситуаций.

Предложена математическая модель оценки траектории движения автомобиля при торможении, которая позволяет учесть перераспределение вертикальных реакций не только по осям, а и по бортам автомобиля, и дает возможность установить момент возникновения юза каждого колеса по критерию j/g. Проведены экспериментальные исследования поведения автомобиля при торможении в дорожных условиях с учетом величины тормозных моментов, которые были приложены к колесам автомобиля, величины коэффициента сцепления по бортам автомобиля, а также поперечного смещения центра масс автомобиля вследствие неравномерного распределения груза. Проверка адекватности предложенной модели показала, 1ТО разница между модельными и экспериментальными результатами не тревышает 7.9%.

Разработана экспертно-моделирующая система “Автоэксперт” дл автоматизации наиболее сложных процедур прогнозирования поведени заторможенного автомобиля. Предложенная система позволяв' существенно сократить время достижения объективного решения ( причинах и условиях возникновения аварийных ситуаций, возникающие при торможении транспортных средств. Программное обеспечение ЭМ( выполнено на языке Бе1рЫ 5 в объектно-ориентированном стиле для ПЭВМ работающих под управлением операционной системы \Мпс1о\¥з’95 ил] \Утс1о\¥5’98 и внедрено в экспертно-криминалистическом отделе управлени: МВД Украины в Винницкой области.

Исследование ДТП, связаных с изменением траектории движени автомобиля при торможении, подтвердили возможность применени предложенного метода в автотехнической экспертизе происшествий.

Ключевые слова: автомобиль, торможение, курсовая устойчивость траектория движения, нелинейные зависимости, идентификация, нечетка: логика, математическая модель, дорожно-транспортные происшествия.

Автор висловлює подяку д.т.н., проф. Ротштейну О.П. за цінн зауваження і поради, що сприяли поліпшенню моделей оцінкі коефіцієнта зчеплення та гальмових моментів, а також за допомогу при ї оптимізації. л