автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Разработка принципов и алгоритмов работы системы предупреждения опрокидывания автобуса

На правах рукописи

Залимханов Тахир Басирович

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ И АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ОПРОКИДЫВАНИЯ АВТОБУСА

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

З ОКТ 2013

Волгоград — 2013

005533927

Работа выполнена на кафедре «Организация и безопасность движения» Махачкалинского филиала Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Гудков Владислав Александрович

Официальные оппоненты: Зырянов Владимир Васильевич,

доктор технических наук, профессор, Ростовский государственный строительный университет, кафедра «Организация перевозок и дорожного движения», заведующий кафедрой;

Комаров Юрий Яковлевич,

кандидат технических наук, доцент, Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Автомобильный транспорт», заведующий кафедрой.

Ведущая организация Пензенский государственный университет

архитектуры и строительства.

Защита диссертации состоится 25 октября 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан 24 сентября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ожогин Виктор Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется ее связью со вторым этапом Национальной стратегии повышения безопасности дорожного движения (на период с 2011 до 2020 года), в котором предусмотрено: повышение безопасности автомобилей и перевозок, совершенствование системы обучения водителей и инструкторов; совершенствование качества дорог.

В последнее время широкое распространение получили перевозки пассажиров автобусами малой и особо малой вместимости (микроавтобусами), Однако широкое распространение таких перевозок пассажиров привело к повышению аварийности. Причем до 8 % всех ДТП с микроавтобусами составляют такие тяжкие происшествия как опрокидывание. Из статистических данных выявлено, что это связано с превышением скорости движения выше критической, которая снижается с ухудшением поперечной устойчивости микроавтобуса в процессе эксплуатации вследствие действия различных факторов (несимметричное размещение пассажиров в салоне, неисправность подвески и шин, боковой ветер, уклон дороги, неровности дороги и угловая скорость вращения рулевого колеса). Однако водитель не имеет информации о поперечной устойчивости и критической скорости автобуса на повороте и полагается только на свой опыт и интуицию. Пассажиры не всегда пристегиваются ремнями безопасности, поэтому при крутом повороте вследствие действия центробежной силы инерции они могут перемещаться в салоне автобуса в сторону опрокидывания и дополнительно ухудшать его поперечную устойчивость в процессе поворота.

Известная система предотвращения опрокидывания ESC (электронный контроль устойчивости) и другие аналогичные системы не могут дать водителю информацию о возможном ухудшении поперечной устойчивости в процессе поворота автомобиля, что снижает эффективность их применения на автобусах.

Поэтому для снижения риска опрокидывания необходимо разработать принципы и алгоритмы функционирования системы предупреждения опрокидывания автобуса (СПОА) с учетом перемещения пассажиров. Она должна учитывать возможное ухудшение поперечной устойчивости в процессе маневра и информировать водителя о состоянии поперечной устойчивости, а также предупреждать его о моменте начала снижения скорости (с замедлением, комфортным для пассажиров) и величине безопасной скорости входа в поворот с учетом возможного перемещения пассажиров на поворотах. Предлагаемая СПОА более высокого уровня, при бездействии водителя должна сама снижать скорость автобуса до безопасного уровня, например, с помощью известных систем предупреждения об опасности столкновения, имеющих функцию автоматического торможения.

Правительство России приняло решение об обязательном использовании глобальной навигационной спутниковой системы (ГЛОНАСС) и наказании, за ее отсутствие. В связи с этим при разработке СПОА необходимо использовать широкие возможности системы ГЛОНАСС.

Автор выражает благодарность за научное консультирование д.т.н., профессору кафедры автомобильных перевозок ВолгГТУ Рябову И.М.

Объектами исследования являются способы формирования информации о поперечной устойчивости автобуса, процессы перемещения пассажиров в салоне и опрокидывания микроавтобуса под действием центробежной силы.

Целью диссертационной работы является снижение риска опрокидывания автобуса на основе разработки принципов и алгоритмов работы системы предупреждения опрокидывания с учетом возможного перемещения пассажиров на поворотах.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

- проведен анализ возможностей различных способов формирования информации о поперечной устойчивости автобуса;

- разработана методика оценки устойчивости пассажира на сидении, которая позволяет выявлять влияние параметров сиденья, посадки пассажира и- крена кузова на устойчивость пассажира на сидении;

- разработана методика расчета коэффициента поперечной устойчивости автобуса, учитывающая размещение и возможное перемещение незакрепленных пассажиров в салоне вследствие инерции;

- выявлено влияние угловой скорости поворота управляемых колес на критическую скорость автобуса при повороте;

-разработана математическая модель для выявления влияния размещения пассажиров в салоне, параметров подвески и уклона дороги, на процесс опрокидывания автобуса под действием центробежной силы;

- разработаны принципы и алгоритмы работы СПОА различных уровней, в том числе и с использованием системы ГЛОНАСС.

Практическая ценность работы.

1. Разработан способ формирования информации о поперечной устойчивости автобуса и ее возможном ухудшении вследствие перемещения пассажиров в салоне по инерции в целях повышения достоверности информации и снижения риска опрокидывания автобуса.

2. Разработанная методика расчета коэффициента поперечной устойчивости, учитывающая размещение и возможное перемещение пассажиров в салоне автобуса, позволяет достоверно рассчитать критическую скорость автобуса, необходимую для определения передаваемой водителю упреждающей информации о безопасной скорости входа в поворот, что снижает риск опрокидывания.

3. Разработанная методика расчета устойчивости пассажира на сидении позволяет подбирать параметры сиденья и посадки пассажира для обеспечения устойчивости автобуса при поворотах.

4. Установлены пределы влияния угловой скорости поворота управляемых колес на критическую скорость автобуса при повороте;

5. Разработанная математическая модель процесса опрокидывания автобуса под действием центробежной силы инерции позволяет выявлять влияние параметров автобуса на протекание процесса.

6. Разработанные принципы и алгоритмы работы СПОА различных уровней позволят повысить внутреннюю информативность автобусов и существенно снизить риск их опрокидывания.

Реализация работы. Результаты исследований переданы для использования в Махачкалинские пассажирские автопредприятия: а/к 1736, МПАТП - 1, МПАТП — 2, «Махачкалатранс », «Махачкалатранс — 1», что подтверждается актами внедрения, внедрены в учебный процесс МФ МАДГТУ и используются при подготовке инженеров по специальностям 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство», 190602 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (Автомобильный транспорт), 190700 «Автомобильные перевозки», 190702 «Организация и безопасность движения».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (2009 - 2013 it.), на международной конференции «Наземные транспортные системы - 2010 г.», на региональных, межвузовских научно-практических конференциях МФ МАДИ (2003 - 2013 гг.).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 9 публикациях, из них 5 входят в перечень изданий, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 7 таблиц. Список литературы составляет 136 наименований и 7 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, отмечается научная новизна и практическая ценность исследования, приводятся сведения о публикациях, структуре и объеме работы.

Первый раздел «Актуальные вопросы информационного обеспечения безопасности дорожного движения» посвящен вопросам информативности в системе «водитель-автомобиль-дорога-окружающая среда». Анализируется внешняя, внутренняя и звуковая информативности, восприятие, обработка, переработка и усвоение информации человеком в условиях дорожного движения, влияние времени реакции на скорость управляющих действий водителя в дорожной обстановке, количество и качество информации в дорожном движении. В результате анализа выявлено, что в настоящее время в поле зрения водителя автобуса отсутствует достаточное количество информации, требуемой для обеспечения безопасного прохождения поворотов в постоянно меняющейся дорожно-транспортной ситуации, что повышает вероятность такого тяжкого ДТП как опрокидывание автобуса. Вопросами информационного обеспечения автомобиля и безопасности дорожного движения занимались В.Ф. Бабков, Б.Е. Боровский, В.А. Гудков, Комаров Ю. Я., В.И. Коноплянко, Б.А. Ройтман, A.M. Романов, A.B. Постолит, А.И. Рябчинский, Н.Я Яхьяев и др. Вопросами исследования и повышения эксплуатационных свойств автомобилей, связанных с безопасностью движения, занимались многие отечественные и зарубежные ученые: В.А. Иларионов, A.C. Литвинов, A.A. Ревин, Р.В. Ротенберг, И.М. Рябов, Я.Е. Фаробин, A.A. Хачатуров, Е.А. Чудаков, Th. Meiler, H.B. Pacejka, и др. Однако вопросам повышения безопасности движения автобусов на поворотах путем улучшения их информативности с использованием системы ГЛОНАС уделено недостаточно внимания.

Для реализации цели в работе были поставлены следующие задачи:

1) провести анализ способов формирования и передачи водителю информации о состоянии и возможном ухудшении поперечной устойчивости автобуса на поворотах и выявить способ, дающий наиболее достоверную информацию;

2) разработать методику оценки устойчивости пассажира на сиденье с учетом параметров сиденья, способа посадки пассажира, крена кузова автобуса и методику расчета критической скорости из условия устойчивости пассажиров на сиденьях на повороте;

3) разработать методику расчета критической скорости с учетом размещения пассажиров в салоне автобуса и возможных перемещений по инерции незакрепленных пассажиров на поворотах и безопасной скорости прохождения поворота с учетом скорости бокового ветра и неровностей дороги;

4) выявить влияние угловой скорости поворота управляемых колес на критическую скорость автобуса на повороте;

5) разработать математические модели процессов перемещения пассажира и опрокидывания автобуса под действием центробежных сил инерции;

6) провести расчетно-теоретические исследования процессов перемещения пассажира и опрокидывания автобуса, а также экспериментальные исследования крена кузова и устойчивости пассажира на сидении;

7) разработать принципы и алгоритмы работы СПОА различных уровней.

Второй раздел посвя£Цен разработке систем предупреждения опрокидывания автобуса, в том числе на основе использования системы ГЛОНАСС. Сформулированы требования и разработаны принципы работы СПОА.

СПОА первого уровня (информационная) с помощью специального прибора - указателя устойчивости автобуса, постоянно передает водителю информацию о состоянии поперечной устойчивости автобуса и о границе опасности опрокидывания.

СПОА второго уровня (информационная) с помощью системы ГЛОНАСС информирует водителя о моменте начала торможения, с комфортным для пассажиров замедлением (не более 1 — 2 м/с2), а также о безопасной скорости входа в поворот, например, голосовое сообщение: «начало торможения до скорости 32 км/ч». В случае, если водитель этот момент пропускает, то сообщение повторяется, причем с каждым разом все громче.

СПОА третьего уровня (адаптивная) при бездействии водителя сама снижает скорость автобуса до безопасной величины, с использованием системы адаптивного круиз-контроля.

Для определения безопасной скорости входа в поворот СПОА в режиме реального времени формирует и обрабатывает большой объем внешней и внутренней информации, определяет устойчивость автобуса и ее возможное изменение в процессе поворота. При этом учитываются следующие факторы: 1) размещение пассажиров и их возможное перемещение в процессе поворота (с помощью датчиков) с учетом того, что не все пассажиры в салоне пристегнуты ремнями к сиденьям, и не все подлокотники кресел опущены; 2) уклон дороги; 3) скорость ветра; 4) неровности проезжей части дороги.

Проведенный анализ возможного перемещения пассажиров в салонах автобусов с различной планировкой сидений вследствие инерции на левых (рис. 1 а) и правых (рис. 1 б) поворотах показал, что СПОА должна настраиваться на каждую планировку. Стрелки на рисунке указывают направление перемещения

пассажиров, под действием инерции, а их длина равна пути перемещения центров масс (ЦМ) пассажиров.

Планировка на 13 мест

и и и

гЬ

Ф Ф 5

НИН

Планировка на 14 мест

Планировка на 15 мест а) б)

Рис. 1. Схемы возможных перемещений пассажиров по инерции на поворотах в салонах микроавтобусов с различной планировкой: а) на левом повороте; б) на правом повороте

В салоне с 13-ти местной планировкой при левом повороте может переместиться под действием центробежных сил инерции 7 пассажиров, причем один перемещается на большое расстояние. На правом повороте может переместиться лишь 4 пассажира на небольшое расстояние.

В салоне с 14-ти местной планировкой отсутствуют сиденья, расположенные перпендикулярно направлению движения, поэтому при правых и левых поворотах возможны перемещения пассажиров на небольшие расстояния. При наличии на сиденьях опущенных подлокотников эта планировка практически не допускает поперечного смещения пассажиров на крутых поворотах. Однако у водителя, как правило, нет информации о том, что подлокотники опущены, но ее можно получить с помощью датчиков, передать водителю и учесть в СПОА. Недостатком этой планировки является также то, что она не обеспечивает независимую посадку каждого пассажира, которая необходима для удобства при большой сменности пассажиров на маршруте.

В салоне с 15-ти местной планировкой на правом повороте может переместиться (более чем на 0,5 м) 5 пассажиров, а на левом - 8, масса которых составляет около 640 кг. В процессе перемещения скорость пассажиров относительно

салона увеличивается и достигает максимума в конце перемещения (в момент удара). В процессе удара возникает момент относительно оси опрокидывания, способствующий опрокидыванию автобуса. Это особенно опасно на левых поворотах, т. к. в этом случае поперечный уклон дороги направлен в сторону опрокидывания в связи с правосторонним движением в РФ. При этом возможно равенство времени перемещения пассажиров в салоне автобуса (по истечении которого пассажиры создают импульс опрокидывающего момента) и времени достижения критической фазы опрокидывания автобуса (когда линия действия силы тяжести проходит через ось опрокидывания).

Однако такие планировки салона, в которых часть сидений или все они расположены поперек направления движения, в последнее время применяются все чаще, поскольку они обеспечивают независимую посадку каждого пассажира. В связи с этим для использования в СПОА была разработана методика оценки устойчивости пассажира на таких сиденьях с учетом крена кузова автобуса на поворотах. При этом использовались расчетные схемы, приведенные на рис. 2.

Рис. 2. Расчетные схемы процесса опрокидывания: а) автобуса; б) пассажира при отсутствии крена кузова и центробежной силы; в) пассажира при наличии крена кузова и центробежной силы

Момент, удерживающий пассажира на сидении, создается массой пассажира и равен

Му = m„g[Bt cos(a + X) - (hc + A„acl)sin(a + А.)], (1)

где тп - масса пассажира, g - ускорение свободного падения; а - угол уклона поверхности дороги относительно горизонтальной плоскости; hc — высота сиденья над полом; /гпас1 - высота центра масс пассажира над сиденьем; Bi -расстояние от проекции ЦМ пассажира на пол микроавтобуса до центра опрокидывания (ЦО); Я - угол наклона кузова относительно поверхности дороги.

Момент, поворачивающий сидящего пассажира относительно ЦО, создаваемый действующей на него центробежной силой инерции Ри, можно определить по формуле:

маа = Ри [(К + Кс,) cos(a + X) + Bl sin(a +>,)], (2)

Показателем устойчивости, определяемым как отношение моментов (1) и (2), можно оценивать устойчивость пассажира на сиденье

-!— cos(a + X) - sin(a + X)

К + ^nacl__Пч

м ~ Р В оп » cos(a + X) +-!-sin(a + X)

К + ¿nací

Положение пассажира на сиденье неустойчиво, когда этот показатель меньше единицы.

Коэффициент устойчивости пассажира на сиденье можно определить как отношение плеч удерживающего и опрокидывающего пассажира моментов при отсутствии крена кузова (рис.2 б):

К + пас 1

Подставив формулу (4) в выражение (3) получим

= mng Ло cos(ct + X) - sin(g + X) _ g По ~ tg(a + Я.) (5)

Рк cos(a + 1) + г|(| sin(a + X) уа 1 + r|0tg(oc + X)' где.-у'а - центростремительное ускорение автобуса.

Из выражения (5) выделим коэффициент устойчивости пассажира при крене кузова автобуса (рис.2 в)

Tlo~tg(« + X.)

l + ri0tg(a + >.)

На рис. 3 приведены графики, построенные по формуле (6) с учетом антропометрических данных тела человека и при различном положении стоп ног.

Рис. 3. Зависимость коэффициента устойчивости пассажира на сидении от суммы углов уклона дороги и крена кузова при различном положении стоп ног: 1 — Т|0= 0,5 (стопы ног задвинуты под сиденье); 2 - Т|0 = 0,7 (стопы ног в среднем положении); 3 - Т)0= 0,9 (стопы ног выдвинуты от сиденья)

Из графиков можно сделать вывод, что коэффициент устойчивости пассажира на сидении существенно зависит от положения стоп ног и уменьшается пропорционально росту суммы углов уклона дороги и крена кузова.

Поэтому для повышения устойчивости пассажиров на сиденьях и критической скорости необходимо снижать крен кузова автобуса на поворотах, например, за счет установки мощных стабилизаторов поперечной устойчивости.

Поперечная сила инерции, действующая на автобус на повороте, равна

Р>-т'[Ш з,б я2 а1' (7)

где тиа - масса автобуса; £ = - коэффициент расположения центра масс; Ъ —

расстояние от ЦМ автобуса до заднего моста; Ь — база автобуса; «а - скорость автобуса; Я — радиус поворота автобуса; 0 - средний угол поворота управляемых колес; ї — время процесса поворота.

Р

Тогда г) = -а-ї) = —^^(ап^гі,, -а-Х), (8)

8 тг 8

или

л - -Г-4-+^+г§(агс18Ло _«: х). (9)

1 % 1^3,б2Я Я & 3,6 Я2 <1^ 64 0 ' Примем допущение, что скорость автобуса при повороте постоянна. Тогда

<10)

Отсюда уравнение для определения критической скорости на повороте

2 , „Ьг+Я2 ае

о, + 3,6£---V

акр Л &

и общее решение этого уравнения

С + 3'62 Rsn ctg(arctgri0 - а - Х)= 0, (11)

L2+7?zd0 1 „L2+R2 de

» = -3,6£--+ -

акр 4 2Й d( 2

+ 4• 3,62Rgr\ ctg(arctgri0 -a-k).

R d t j

(12)

Уравнение (12) может быть использовано в СПОА для определения критической скорости автобуса на повороте.

Из уравнения (12) видно, что критическая скорость автобуса на повороте зависит от угловой скорости поворота управляемых колес со к = d0/d/. Поэтому представляет интерес определение зависимости критической скорости автобуса на повороте от угловой скорости поворота управляемых колес, которая была нами получена (рис. 4).

Из графиков (рис. 4) видно, что критическая скорость автобуса на повороте в установленном диапазоне изменения со к (заштрихованная область) снижается примерно на 30% практически пропорционально а>к. Поэтому очень важно вовремя снизить скорость автобуса перед поворотом и вовремя начать поворачи-

10

вать управляемые колеса. В случае, когда водитель пропустил момент начала поворота колес, он должен дополнительно (интенсивно) снижать скорость, так как при этом уменьшается радиус поворота. СПОА после вычисления критической скорости на повороте передает водителю заниженное значение скорости для обеспечения запаса устойчивости. Представляет интерес в рамках СПОА создание устройств, не позволяющих водителю очень резко поворачивать рулевое колесо при скоростях движения выше установленных критических.

"а»

м/с

10

5

0 л/б 2я/6 сок, рад/с

Рис. 4. Зависимость критической скорости автобуса по опрокидыванию от угловой скорости поворота управляемых колес сак при различных радиусах поворота:

1 - Л = 30 м, 2 - Л = 30 м, плечо удерживающего момента уменьшено на 25%, 3 - Л = 20 м

Для исследования процесса перемещения пассажира в салоне на повороте разработана математическая модель:

/у = /ЯпЛй)2/8ІП(р-/Ип^/с05ф. (13)

Здесь ф = ф0 + а + у, где ф0 - начальный угол положения ЦМ пассажира; а -угол поперечного уклона дороги; / - расстояние от точки опрокидывания до ЦМ; у - угол опрокидывания пассажира относительно центра опрокидывания; у — угловая скорость; у - угловое ускорение; со — угловая скорость ЦМ относительно центра поворота; Я - радиус поворота автобуса. J - момент инерции пассажира относительно ЦО; тп - масса пассажира.

Для исследования процесса опрокидывания автобуса на повороте была разработана математическая модель, учитывающая параметры подвески

Цу, =тт2Нсощ-2к1г1„ч1 -2 с/£у„ і (14)

[/2у2 = тШ21ът\\1 - mglcos\\J.

11

Здесь ф = ф0 + а + у, + у2 - текущий угол положения центра масс относительно

И

центра опрокидывания, где ф0 = агс1§ —— начальное значение этого угла, а -

В0

угол поперечного уклона дороги, у1 - наклон кузова вследствие податливости подвески и шин; у2 - приращение суммы углов ф0 + а + у, в процессе опрокидывания; / — расстояние от точки опрокидывания до центра масс; Ф = Ф0 + а + у2 - угол опрокидывания кузова относительно центра опрокидывания, со — угловая скорость автобуса; Я - радиус поворота автобуса; Н- расстояние от центра крена до центра масс; /гир - расстояние от центра крена до рессор;

J\ - момент инерции кузова относительно центра крена; - момент инерции кузова относительно центра опрокидывания, т - масса автобуса; к - коэффициент демпфирования амортизаторов; с - угловая жесткость подвески.

Третий раздел посвящен расчетно-теоретическим исследованиям процессов перемещения пассажира и опрокидывания автобуса, а также экспериментальным исследованиям крена кузова и устойчивости пассажира на сиденье.

После решения уравнений (13 и 14) по разработанной программе были выполнены расчеты и построены графики "изменения во времени параметров движения центов масс на повороте (рис. 5).

а) б)

Рис. 5. Графики изменения во времени параметров движения ЦМ на повороте: а) — для пассажира; б) - для автобуса:

1 — угловое перемещение; 2 — угловая скорость; 3 - угловое ускорение

Анализ графиков (рис. 5) показывает, что угловое ускорение пассажира выше, чем автобуса, а время перемещения ЦМ пассажира до удара (0,4 - 0,8 с, рис. 5 а) мало отличается от времени критической фазы опрокидывания автобуса (0,3 -0,7 с, рис. 5 б), что повышает риск опрокидывания. Установлено, что уклон дороги до 3-х градусов в сторону опрокидывания уменьшает время опрокидывания до 30 %. Для увеличения критической скорости автобуса на повороте необходимо повышать: устойчивость пассажира на сидении путем снижения его высоты и угловую жесткость подвески за счет стабилизаторов поперечной устойчивости.

Приводится описание методики экспериментального исследования, результаты и их анализ, который показал, что размещение пассажиров (даже по одному борту микроавтобуса) незначительно влияет на крен кузова (в пределах ± 2°), поэтому водителю практически невозможно по крену кузова определить существенное снижение поперечной устойчивости микроавтобуса. Установлено, что коэффициент устойчивости пассажира на сиденьях расположенных перпендикулярно к направлению движения существенно зависит от положения точки опоры ног и уменьшается практически пропорционально увеличению крена кузова относительно горизонтали.

В четвертом разделе приводится описание разработанных принципов, структур и алгоритмов работы СПОА различных уровней, .Структура простой СПОА первого уровня приведена на рис.6. Она содержит прибор «Указатель устойчивости» (рис. 7).

Рис. 6. Структура простой СПОА первого уровня

Рис.7. Вид панели прибора «Указатель устойчивости»

Прибор визуально информирует водителя об уменьшении устойчивости автобуса относительно его устойчивости в снаряженном состоянии.

При криволинейном движении водитель не должен допускать потерю устойчивости более чем на 40 %, что соответствует отклонению стрелки указателя устойчивости до границы между желтым и красным полями.

Структура СПОА второго уровня с использованием системы ГЛОНАСС приведена на рис. 8.

Рис. 8. Структура СПОА второго уровня с использованием системы ГЛОНАСС

СПОА второго уровня работает следующим образом. Система ГЛОНАСС непрерывно определяет и передаёт информацию о скорости движения автобуса. Микроконтроллер, на основании показаний датчиков и навигатора, рассчитывает с учетом возможных перемещений пассажиров, допустимую безопасную скорость преодоления поворота (см. ф. 12) и расстояние, необходимое для торможения автобуса с комфортным для пассажиров замедлением, по формуле

1 = (К-К)2 (15)

25,92Л

где / — расстояние до поворота, на котором следует снижать скорость комфортным замедлением; Ко — текущая скорость автобуса; Ук — расчетная скорость безопасного входа в поворот; у'а — замедление автобуса, комфортное для пассажиров (1—2 м/с2).

Если водитель пропускает момент начала торможения, ему подается голосовое сообщение о необходимости начала торможения и величине скорости безопасного входа в поворот. Отслеживается замедление автобуса и, если оно меньше требуемого, голосовое сообщение повторяется с повышенной громкостью. Показания указателя устойчивости зависят от уровня СПОА. В СПОА первого уровня он показывает фактическую потерю устойчивости автобуса вследствие несимметричного размещения пассажиров в салоне и действия центробежной силы. В СПОА второго уровня он может показывать возможную потерю устойчивости автобуса в процессе поворота вследствие перемещения в салоне не пристегнутых пассажиров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе выполненных исследований решена важная научно-практическая задача повышения внутренней информативности автобуса для снижения риска опрокидывания на основе разработки принципов и алгоритмов системы предупреждения опрокидывания с использованием спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС.

2. Разработан способ формирования информации о поперечной устойчивости автобуса, и ее возможном ухудшении из-за перемещения пассажиров в салоне вследствие инерции, для повышения достоверности информации и снижения риска опрокидывания автобуса.

3. Разработанная методика расчета коэффициента поперечной устойчивости, учитывающая размещение и возможное перемещение пассажиров в салоне автобуса и другие факторы, позволяет рассчитать критическую скорость автобуса и момент начала снижения скорости (с замедлением, комфортным для пассажиров), что снижает риск опрокидывания.

4. Разработанная методика расчета устойчивости пассажира на сиденье позволяет формировать информацию о безопасной скорости входа автобуса в поворот, а также выбирать параметры сиденья с учетом крена кузова для повышения устойчивости пассажира на поворотах.

5. В результате исследования влияния угловой скорости поворота управляемых колес на критическую скорость автобуса на повороте установлено, что при резком повороте водителем рулевого колеса, она может снизится на 30 %.

6. С помощью разработанных математических моделей процессов перемещения пассажира и опрокидывания автобуса под действием центробежных сил выявлено, что в салонах, имеющих сиденья, расположенные перпендикулярно направлению движения, время перемещения пассажира до удара практически равно времени достижения критической фазы опрокидывания автобуса, что повышает риск опрокидывания. Установлено, что уклон дороги до 3 градусов в сторону опрокидывания уменьшает время опрокидывания до 30 %, боковой ветер и неровности дороги могут снижать критическую скорость на 25 %. Для замедления процесса опрокидывания необходимо повышать угловую жесткость подвески.

7. Разработаны принципы и алгоритмы работы СПОА различных уровней, в том числе с использованием системы «ГЛОНАСС», внедрение которых позволит повысить внутреннюю информативность автобусов и существенно снизить риск их опрокидывания.

Основные материалы диссертации опубликованы в ниже перечисленных 9-ти публикациях, 5 из которых входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Гудков, В.А. Повышение безопасности движения в темное время суток путем применения контурной маркировки / В.А. Гудков, И.М. Рябов, К.В. Чернышов, Т.Б. Залимханов, М.М. Муртузов // Изв. ВолгГТУ. Серия «Наземные транспортные системы»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - Вып. 2 -№10. -С. 116-118.

2. Залимханов, Т.Б. Сон за рулем / Т.Б. Залимханов, Ю.Ф. Щербинин // Автотранспортное предприятие. - М.: НПП Транснавигация, Минтранс России, 2011.-№ 11 .С. 26-28.

3. Рябов, И.М. Повышение активной безопасности автобусов особо малой вместимости в системе «водитель - автомобиль - дорога - среда - пассажиры» с

15

помощью информационного устройства / И.М. Рябов, К.В. Чернышов, Т.Б. Зелимханов, М.Ш. Абдуллаев // Грузовик. - М.: Машиностроение, 2012. - № 4. С. 13-18.

4. Щербинин, Ю.Ф. Еще раз о безопасности / Ю.Ф. Щербинин, Т.Б. Залимха-нов, // Автотранспортное предприятие. - М.: НПП Транснавигация, Минтранс России, 2013.-№ 1.С. 15-17.

5. Гудков, В.А. Методика определения критической скорости автобуса на повороте с учетом устойчивости пассажиров на сидениях / В.А. Гудков, Т.Б. Зелимханов, М.Ш. Абдуллаев // Изв. ВолгГТУ. Серия «Наземные транспортные системы»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - Вып. 6 - № 10 (113).-С. 53-56.

Прочие публикации:

6. Яхьяев, Н.Я. Информационное обеспечение организации и безопасности дорожного движения. Учебное пособие / Н.Я. Яхьяев, А.Н. Романов, Т.Б. Зелимханов, A.B. Кораблин. Махачкала. ГУП «Типография ДНЦ РАН», 2009. 248 с.

7. Гудков В.А. Оценка приспособленности автобусов особого малого класса «ГАЗель» к горным условиям Республики Дагестан / В.А. Гудков, И.М. Рябов, Т.Б. Залимханов, М.Ш. Абдуллаев // Сборник «Россия периода реформ: Материалы XIV международной отраслевой научно-практической конференции (26 - 29 мая). Волгоград, 2010. С. 172 - 176.

8. Гудков В.А. Информационные системы контроля давления в шинах / В.А. Гудков, И.М Рябов, Д.В. Гудков, Т.Б. Залимханов, М.М. Муртузов // Шина плюс: всеукраинский журнал. — 2010. - № 4. С. 11 — 13.

9. Залимханов, Т.Б. История Российской государственной инспекции дорожного движения в документах и датах. Учебное пособие / Т.Б. Залимханов, Н.Я. Яхьяев. Махачкала. ИП Джамалудинов М.А., 2011. 108 с.

Подписано в печать 21. 06. .2013 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 150 экз. Заказ № 13 Типография Махачкалинского филиала МАДГТУ (МАДИ). 367026, г. Махачкала, пр. Акушинского, 13.

Махачкалинский филиал Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ)

На правах рукописи

04201455093

Залимханов Тахир Басирович

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ И АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ОПРОКИДЫВАНИЯ АВТОБУСА

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Гудков Владислав Александрович

Волгоград 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................... 5

1. АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ.......................13

1.1. Информативность в системе ВАДС.............................. 14

1.2. Внешняя визуальная информативность автомобиля.................16

1.3. Внутренняя визуальная информативность.........................18

1.4. Звуковая информативность автомобиля...........................21

1.5. Восприятие и обработка информации человеком в условиях дорожного движения.......................................... 22

1.6. Переработка и усвоение информации, получаемой водителем

в процессе управления автомобилем............................. 31

1.7. Влияние времени реакции на скорость управляющих действий водителя в дорожной обстановке.................................34

1.8. Количество и качество информации в дорожном движении..........37

1.9. Особенности устойчивости автобусов на поворотах................40

1.10. Электронные системы поддержки БДД..........................44

1.11. Выводы по разделу и задачи исследования.......................49

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ПРИНЦИПОВ И АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ОПРОКИДЫВАНИЯ АВТОБУСА.......................................... 52

2.1. Показатели поперечной устойчивости и требования к системам предупреждения опрокидывания автобуса различного уровня....... 52

2.2. Алгоритм работы СПОА на основе системы ГЛОНАС..............54

2.3. Анализ способов сбора оперативной информации о состоянии устойчивости автобуса с учетом размещения

пассажиров и их возможного перемещения в салоне на повороте.....56

2.4. Методика определения устойчивости пассажира на сиденье

и критической скорости автобуса на поворотах....................60

2.5. Анализ возможного перемещения пассажиров в салонах с различной планировкой вследствие инерции на правых

и левых поворотах.............................................64

2.6. Методика оперативного определения поперечного

смещения ЦМ автобуса.........................................70

2.7. Методика расчета коэффициента поперечной устойчивости автобуса и критической скорости с учетом размещения пассажиров

в салоне и их возможных перемещений по инерции на поворотах.....71

2.8. Математическое моделирование процессов перемещения

пассажира под действием центробежных сил инерции............ 74

2.9. Математическое моделирование процесса опрокидывания

автобуса под действием центробежных сил инерции на повороте.....78

2.10. Методика определения безопасной скорости прохождения

поворота....................................................80

2.10.1. Учет влияния ветра.....................................80

2.10.2. Учет влияния неровностей дороги........................83

2.11. Выводы по разделу...........................................87

3. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПАССАЖИРА

И ОПРОКИДЫВАНИЯ АВТОБУСА................................ 88

3.1. Теоретическое исследование влияния углов уклона дороги и

крена кузова на коэффициент устойчивости пассажира на сиденье ... 88

3.2. Теоретическое исследование влияния угловой скорости поворота управляемых колес на критическую скорость автобуса

по опрокидыванию и скольжению...............................89

3.3. Результаты расчетно-теоретических исследований процессов перемещения пассажира в салоне автобуса и процесса опрокидывания автобуса и их анализ.............................93

3.4. Методика и результаты экспериментального исследования влияния размещения пассажиров в салоне микроавтобуса

на статическую осадку и крен его кузова..........................96

3.5. Методика и результаты экспериментального исследования устойчивости пассажира на сиденье..............................98

3.6. Выводы по разделу...........................................100

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ, СТРУКТУРЫ И АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ СПОА РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЕЙ..........................101

4.1. Принципы, структура и алгоритмы работы системы предупреждения опрокидывания автобуса первого уровня.........................101

4.2. Принципы, структура и алгоритмы работы системы предупреждения опрокидывания автобуса второго уровня.........................107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................112

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................114

ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ 3................................................130

ПРИЛОЖЕНИЕ 4................................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ 5................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ 6................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ 7................................................142

ВВЕДЕНИЕ

Автобусный транспорт является одним из ключевых элементов транс-портно-дорожного комплекса России и связующим звеном, обеспечивающим функционирование всех звеньев народного хозяйства. Его основными задачами транспорта являются: полное и своевременное удовлетворение потребностей населения в перевозках, повышение безопасности, эффективности и качества работы транспортной системы.

В последние годы автомобильный транспорт создает проблему безопасности дорожного движения, которая приобрела особую актуальность по целому ряду причин. Во-первых, увеличение количества автотранспортных средств, во-вторых, недостаточное развитие дорожной инфраструктуры и информационных технологий, в-третьих, оснащение парка более мощными и динамичными автомобилями и как следствие, увеличение скорости движения и аварийности па дорогах. В России ежегодно фиксируется 195 ООО ДТП, т.е. ежедневно (в среднем) по 535.

Статистика свидетельствует, что применение ремней безопасности уменьшает риск гибели и тяжёлых травм при фронтальном столкновении в 22,5 раза, при боковом - в 1,8 раза, а при опрокидывании - в 5 раз. Однако в маршрутных микроавтобусах пассажиры, как правило, не пристегиваются.

Количество погибших в ДТП держится у рубежа 27 ООО в год (в 2012 году - погибло 27 991 человек, +0,1% по сравнению с 2011 годом). Показатель числа погибших в ДТП на 1000 автомобилей в РФ в 4 раза превышает аналогичный показатель в развитых странах.

Иностранцы обратили внимание на страсть наших водителей к быстрой езде. Они считают, что в России по дорогам не ездят, а гоняют. Водят быстро. Бешено. Отчаянно... Рискованно и агрессивно. Постоянно перестраиваются из одного ряда в другой.

Актуальность темы диссертации определяется ее связью со вторым этапом Национальной стратегии повышения безопасности дорожного движения

(на период с 2011 до 2020 года), в котором предусмотрено: повышение безопасности автомобилей и перевозок, совершенствование системы обучения водителей и инструкторов; совершенствование качества дорог, а также с приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (№ Пр-843, код 07 - Транспортные, авиационные и космические системы, код 23 - Технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления)

Правительство РФ уделяет большое внимание развитию дорожно-транспортного комплекса страны, повышению безопасной и устойчивой работы транспортной системы. Основными принципами правового регулирования общественных отношений в сфере обеспечения безопасности дорожного движения в Российской Федерации являются:

• приоритет жизни и здоровья граждан, участвующих в дорожном движении, над экономическими результатами хозяйственной деятельности;

• приоритет ответственности государства за обеспечение безопасности дорожного движения над ответственностью граждан, участвующих в дорожном движении;

• соблюдение интересов граждан, общества и государства при обеспечении безопасности дорожного движения;

• программно-целевой подход к деятельности по обеспечению безопасности дорожного движения.

Совокупность требований, установленных нормативными правовыми актами Российской Федерации в сфере обеспечения безопасности дорожного движения, включает в себя:

- требования, предъявляемые к водителю транспортного средства:

- требования, предъявляемые к личности водителя:

- возрастные ограничения для получения водительского удостоверения;

- требования к уровню подготовки водительского мастерства;

- требования к состоянию здоровья водителя;

- требования, предъявляемые к водителю, как участнику дорожного движения;

- требования, предъявляемые к пассажирам и пешеходам;

- требования, предъявляемые к органам государственной власти, специализированным учреждениям, владельцам дорог;

- требования, предъявляемые к транспортным средствам;

- требования, предъявляемые к улично-дорожной сети.

Правительство РФ считает необходимым решить следующие задачи по развитию транспортного комплекса страны [13]:

- завершить формирование эффективной опорной транспортной сети;

- обеспечить удовлетворение потребностей отраслей экономики и граждан в

транспортных услугах, повысить уровень их качества и доступности;

- снизить транспортные издержки в экономике;

- повысить конкурентоспособность транспортной системы России;

- создать международные транспортные коридоры для интеграции России в

мировую транспортную систему;

- обновить транспортные средства;

- увеличить протяженность автомобильных дорог, внутренних водных путей,

пропускную способность железнодорожного транспорта, морских портов, аэропортов;

- сформировать новые механизмы финансирования проектов в области транспортной инфраструктуры за счет развития государственно-частного партнерства;

- повысить безопасность и устойчивость транспортной системы.

- в течение ближайших 10 лет повысить подвижность населения более чем

на 40 %.

Был составлен план действий на 2007-2020 гг. по созданию и реализации положений Национальной стратегии повышения безопасности дорожного движения, фрагмент которого приведен в таблице 1.

Таблица 1

Фрагмент плана действий на 2007-2020 гг. по созданию и реализации положений Национальной стратегии повышения безопасности дорожного

движения

Мероприятие Сроки Выполняющие ФОИВ / организации

Реализация важнейших направлений, предусмотренных в рамках второго этапа Национальной стратегии повышения безопасности дорожного (на период до 2020 года) • совершенствование системы обучения водителей и инструкторов • повышение безопасности автомобилей и перевозок • совершенствование качества дорог 2011-2020 МВД РФ, Заинтересованные ФОИВ, Экспертные и научные организации, частные компании, международные организации

В решении задач поставленных Правительством РФ большое значение имеют перевозки пассажиров маршрутными автобусами особо малой вместимости или микроавтобусами. Они относятся к перспективным конкурентоспособным системам обслуживания пассажиров. Их объемы перевозок постоянно увеличиваются, причем особенно интенсивно в настоящее время в условиях рыночной экономики. Это связано, прежде всего, с тем, что перевозки микроавтобусами обеспечивают сочетание быстроты доставки, свойственной такси, с низкой стоимостью поездки, свойственной автобусам.

Однако широкое распространение таких перевозок пассажиров привело к повышению аварийности, причем до 8 % всех ДТП с микроавтобусами составляют такие серьезные происшествия как опрокидывание. Опрокидывание — вид ДТП, в котором, в результате какого-то маневра, или при съезде в кювет, автомобиль переворачивается и остается лежать на боку либо на крыше.

Одними из наиболее эффективных методов, уменьшающих вероятность возникновения дорожно-транспортных происшествий (ДТП), является информационное обеспечение участников дорожного движения (водителей и пешеходов), по вине которых чаще всего и происходят ДТП. Повышению

ь

Л

эффективности информационного обеспечения на транспорте способствует интенсивное развитие информационных технологий.

Доказано, что основной причиной ДТП является недостаточная надежность действий человека (водителя), выполняющего функции управляющего звена системы, и неоптимальные по ряду параметров свойства управляемого звена этой системы - автомобиля. В связи с этим требуется глубокое изучение и оптимизация системы «водитель - автомобиль - дорога - среда» (ВАДС), практическое обучение водителей безопасным действиям в сложных, нештатных условиях и режимах движения. Человек в определенных условиях успевает переработать поступающую к нему информацию о дорожной обстановке, принимает решение и реагирует слишком поздно, в результате чего может возникнуть дорожно-транспортное происшествие.

Такой же результат возможен, когда в поле зрения водителя отсутствует достаточное количество информации, необходимой для принятия правильного решения в быстро меняющейся дорожно-транспортной ситуации, например, с какой максимальной скоростью можно безопасно выполнить поворот.

Анализ процесса восприятия водителем информации позволяет прийти к выводу, что одним из путей повышения надежности восприятия является совершенствование информационных технологий на транспорте.

Из литературы известно, что критическая скорость движения на повороте нестабильна и снижается с ухудшением поперечной устойчивости микроавтобуса в процессе эксплуатации вследствие суммарного действия различных причин (несимметричного размещения пассажиров в салоне, неисправности подвески и шин, бокового ветра, уклона и неровностей дороги). Однако водитель не имеет информации о критической скорости, ниже которой необходимо снизить скорость перед поворотом, чтобы предотвратить опрокидывание, причем критическая скорость зависит также от угловой скорости вращения рулевого колеса.

Следует отметить, что пассажиры не всегда пристегиваются ремнями безопасности, поэтому при крутом повороте они могут быстро перемещаться

относительно салона автобуса в сторону опрокидывания и дополнительно ухудшать его поперечную устойчивость в процессе поворота.

Поэтому для снижения риска опрокидывания необходима разработка системы предупреждения опрокидывания автобуса (СПОА), которая должна информировать водителя о состоянии поперечной устойчивости, а также предупреждать его о моменте начала снижения скорости (с замедлением, комфортным для пассажиров) и величине скорости входа в поворот с учетом возможного перемещения пассажиров на поворотах. При бездействии водителя она должна сама снижать скорость автобуса до безопасного уровня, например, с помощью использования известных систем предупреждения об опасности столкновения, имеющих функцию автоматического торможения.

Известна система предотвращения опрокидывания ARM, которая предупреждает водителя об опасности опрокидывания при резком вынужденном маневре, а также система ESC (электронный контроль устойчивости), которая обнаруживает и минимизирует заносы и др. Однако эти системы не учитывают возможное ухудшение поперечной устойчивости в процессе маневра автомобиля, что снижает эффективность их применения на автобусах.

Правительство России приняло решение об обязательном использовании спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС и суровом наказании за ее отсутствие. В связи с этим при разработке СПОА необходимо использовать возможности системы ГЛОНАСС.

Тема диссертации связана с приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (№ Пр-843, код 07 -Транспортные, авиационные и космические системы, код 23 - Технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления)

Объектами исследования являются способы формирования информации о поперечной устойчивости автобуса, процессы перемещения пассажиров в салоне и опрокидывания микроавтобуса под действием центробежной силы.

Целью диссертационной работы является снижение риска опрокидывания автобуса на основе разработки принципов и алгоритмов работы системы

предупреждения опрокидывания с учетом возможного перемещения пассажиров на поворотах.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

- проведен анализ возможностей различных способов формирования информации о поперечной устойчивости автобуса;

- разработана методика оценки устойчивости пассажира на сидении, которая позволяет выявлять влияние параметров сиденья, посадки пассажира и крена кузова на устойчивость пассажира на сидении;

- разработана методика расчета коэффициента поперечной устойчивости автобуса, учитывающая размещение и возможное перемещение незакрепленных пассажиров в салоне вследствие инерции;

- выявлено влияние угловой скорости поворота управляемых колес на критическую скорость автобуса при повороте;

-разработана математическая модель для выявления влияния размещения пассажиров в салоне, параметров подвески и уклона дороги, на процесс опрокид�