автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Совершенствование методики разработки алгоритма функционирования системы предотвращения столкновений автомобилей

На правах рукописи

ФРАНСИС ОИИФИЕН ОЗАКА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАЗРАБОТКИ АЛГОРИТМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ АВТОМОБИЛЕЙ

05.05.03 - Колёсные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

МОСКВА 2013

5 ДЕК 2013

005542085

005542085

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Автомобили»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Попов Алексей Иванович

Официальные оппоненты:

Борисевич Владимир Борисович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», декан конструкторско-механического факультета

Загарин Денис Александрович

кандидат технических наук, научно-исследовательского центра

по испытаниям и доводке автомототех-ники ФГУП "НАМИ» (НИЦИАМТ ФГУП "НАМИ"), руководитель

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет (МГИУ)»

Защита состоится «17» декабря 2013 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.126.04 при ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ Отзывы на автореферат просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, в адрес диссертационного совета. Телефон для справок: (499) 155-93-24.

Автореферат разослан « ¿3 » ноября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета

А.А. Хазиев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Рост количества ДТП с увеличением загрузки дорог автомобильным транспортом все острее ставит задачу обеспечения безопасности дорожного движения. Во многих национальных и международных программах развития дорожного движения проблеме повышения безопасности движения уделяется большое внимание.

С введением в автомобиль микропроцессорных систем управления рабочими процессами агрегатов и механизмов, а, следовательно, и режимами движения появилась возможность создания автоматических систем повышения безопасности движения, предотвращения наездов и столкновений.

В автоматических системах предотвращения столкновений автомобилей (СПСА) используются алгоритмы работы, основанные на замере дистанции до впереди движущегося транспортного средства (или неподвижного препятствия), определении (расчете) безопасной дистанции, позволяющей произвести, в случае необходимости, торможение автомобиля при нарушении безопасной дистанции с различной степенью интенсивности путем создания тормозного давления в приводе с помощью исполнительных механизмов (гидроблоков) СПСА.

Таким образом, очевидно, что от точности определения безопасной дистанции зависит качество работы СПСА в целом. Ранее выполненные работы, в которых предлагались способы расчета безопасной дистанции, основывались на анализе технических возможностей существовавших тогда конструкций транспортных средств.

Уточнение методики разработки алгоритма функционирования СПСА позволяет существенно снизить затраты на разработку, повысить, надежность системы и упростить ее отладку, что является важной народнохозяйственной задачей. Создание конструкций СПСА, сочетающихся с серийно применяемыми антиблокировочными системами позволяет обеспечить безопасность движения как за счет уменьшения вероятности попутных столкновений, так и за счет работы колеса автомобиля в оптимальном режиме в случае достижения предельных возможностей по сцеплению.

В связи с вышеизложенным актуальным является исследование по разработке методики совершенствования алгоритма функционирования системы предотвращения столкновений автомобилей.

Цель работы

Целью диссертации является повышение безопасности дорожного движения путем совершенствования методики разработки алгоритма СПСА на примере автомобиля ГАЗ - 32213.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие теоретические и практические задачи:

-исследовать существующие направления создания систем автоматического торможения автомобилей;

-проанализировать алгоритмы их функционирования, установить в них ключевые факторы, оказывающие влияние на качество работы СПСА

-провести синтез СПСА для автомобиля с гидравлическим приводом тормозов на базе оптимального сочетания современных технических решений по тормозным системам, системам технического зрения и др.;

-разработать конструкцию экспериментальной СПСА с возможностью исследования рабочих процессов агрегатов и отработки различных алгоритмов управления;

-разработать методику проведения и провести экспериментальные исследования автомобиля ГАЭ-32213, оснащенного СПСА, с целью получения массива информации для последующего уточнения математической модели;

-провести теоретическое исследование процесса торможения автомобиля;

-провести сравнительный анализ результатов экспериментального и теоретического исследования с целью определения корректирующих коэффициентов для математической модели.

Объект исследования

Объектом исследование являются транспортные средства среднего класса с гидравлическим тормозным приводом, оборудованные системой предотвращения столкновений.

Предмет исследования

Предметом исследования является процесс управления торможения микроавтобуса ГАЗ - 32213, оснащенного СПСА.

Методы исследования

В работе использованы основные положения теории движения автомобиля и теории рабочих процессов в механизмах топливоподачи, сцепления и тормозного привода, методы математического моделирования и поиска оптимальных решений. Экспериментальная проверка полученных результатов проведена на дорожных испытаниях.

Научная новизна результатов проведённого исследования

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке конструктивной схема и выполнении практическая реализация гидравлической части СПСА путем одновременного применения оригинального гидроблока СПСА и штатной АБС.

С помощью системы автоматического торможения, входящей в состав СПСА, на базе экспериментального автомобиля, по результатам экспериментальное исследование процесса торможения и получена база новых данных о параметрах торможения с различных начальных скоростей, с подключенным или отсоединенным двигателем, с АБС или без нее, с использованием рабочей тормозной системой, или только одного из контуров (запасная тормозная система).

В ходе исследования предложена и апробирована, на примере автомобиля ГАЗ, методика совершенствования алгоритма функционирования систем предотвращения столкновений.

-5В результате анализа полученных экспериментальных и расчетных значений параметров эффективности торможения впервые получены характеристики изменения корректирующего коэффициента, которые рекомендованы к использованию при совершенствовании алгоритмов управления СПСА.

Практическая значимость результатов работы

Практическая значимость диссертационной работы: разработана методика, позволяюшая существенно упростить и уточнить формирование алгоритма работы СПСА, в том числе при работе системы в аварийных ситуациях, вызванных отказом одного из контуров тормозного привода.

Достоверность и обоснованность

Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными данными, полученными в работе, не противоречат известным положениям наук, таких как теорию, движению автомобиля, теоретическая механика, применением математического аппарата для решения дифференциальных уравнений.

Точность экспериментальных исследований обусловлена использованием оборудования и приборов с соблюдением отраслевых стандартов. В работе использован комплексный подход к анализу экспериментальных данных в увязке с аналитическими расчетами.

Реализация и внедрения результатов работы

Разработанная в диссертации тема «Совершенствование методики разработки алгоритма функционирования системы предотвращения столкновений автомобилей» внедрена в учебный процесс кафедры «Автомобили» Московский государственный индустриальный университет ФГБОУ ВПО «МГИУ» для подготовки инженеров по специальности 190201.01 («Автомобиле- и тракторостроение»). В частности, внедрены использование методики подготовки и проведения дорожных испытаний автотранспортных средств, оснащенных системами предотвращения столкновений автомобилей, математические методы и компьютерные программы для определения параметров торможения по результатам экспериментальных исследований, а также рекомендации по применению различных конструкций и схем построения системы автоматического торможения в рамках системы предотвращения столкновений автомобилей, предназначенных для эксплуатации в различных условиях. Результаты диссертационной работы также используются в научно-исследовательской работе кафедры.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 67-ой, 68-ой, 69-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ в 2009, 2010, 2011 годах и на 73-ей международной научно-технической конференции «Автомобиль в интеллектуальной транспортной системе (ИТС)» Ассоциации Автомобильных инженеров (23-24 марта 2011 г., МАДИ).

Публикации

По теме диссертации опубликовано пять печатных работ, в том числе три (3) в издании из перечня ВАК.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель определения параметры;

2. Методика проведения испытаний автотранспортных средств, оснащённых СПСА;

3. Результаты экспериментальных и теоретических исследований;

4. Тексты программ расчетов параметров торможения.

Личный вклад автора заключается:

-в разработке уточненной математической модели торможения автомобиля;

-в разработке и отладке экспериментального тормозного привода, оснащенного элементами СПСА И штатной АБС;

-в составлении алгоритмов аналитических расчетов с применением ЭВМ;

- в подготовке, проведении и обработке данных дорожных испытаний.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пять глав, выводов, списка литературы 133 наименования и приложений. Работа содержит 208 страниц машинописного текста, 33 таблиц, 38 рисунков и 6 приложений.

Диссертационная работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедре «Автомобили».

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показывается актуальность работы, формулируется цель исследования, раскрывается научная новизна и практическая значимость работы, даётся общая характеристика работы, приводятся сведения о её апробации и реализации результатов, представляются положения, выносимые на защиту.

В первой главе освещаются основные тенденции развития современного автомобилестроения, раскрывается актуальность проблемы обеспечения безопасности дорожного движения, обозначаются пути и способы её решения. Проведен анализ организационных и технических способов повышения безопасности. Подробно рассматриваются принципиальные схемы внедрения различных систем обеспечения безопасности дорожного движения. Одним из технических устройств, созданных для решения этих задач, является систем предупреждения столкновений автомобилей. По результатам анализа определяются преимущества и недостатки СПСА.

Положительный эффект от внедрения автоматических систем предотвращения столкновения автомобилей давно известен и признан, что послужило широкому внедрению таких систем как в Европе, так и в США. Об этом свидетельствует также бурный рост числа разработок в этой области, отмечаемый в последнее десятилетие.

Вопросами тормозной динамики автомобиля, исследованиями рабочих процессов тормозных приводов и систем успешно занимались многие российские и зарубежные учёные. Известны работы в этой области Ахметшина A.M., Барашко-ваА.А., Высоцкого М.С., Клименко В.И., Меламуда P.A., Нефедьева Я.Н., Ни-кульникова Э.Н., Попова А.И., Селифонова В.В., Ревина А.А, Фрумкина А.К.

Пионером создания СПСА в нашей стране, а возможно и в мире, является д.т.н., профессор МАДИ Юрчевский A.A.

Еще в 70-е годы прошлого века он приступил к разработке нового научного направления, связанного с введением в автомобиль систем автоматического управления на базе локаторного технического зрения и искусственного интеллекта. Первые экспериментальные варианты таких систем разработаны А.А.Юрчевским на базе СВЧ-локаторов и аналоговой вычислительной технике для автомобилей, использовавшихся в армии. Впоследствии были разработаны и испытаны СПСА для легковых автомобилей. Результаты выполненной работы явились основой для создания новой научной школы по автоматизации управления автомобилем на базе навигационных систем с техническим зрением и искусственным интеллектом.

К сожалению, по известным причинам, научные исследования в области СПСА, были приостановлены на рубеже веков в нашей стране, в то время как совершенствование конструкции автомобиля, под влиянием большого количества поступивших на рынок импортных автомобилей, продолжалось. Это привело к тому, что отечественные исследования в области СПСА отстали от мировых, в том числе в направлении совершенствования алгоритмов функционирования СПСА. Назрела объективная необходимость совершенствования методики разработки алгоритмов функционирования СПСА российского производства применительно к конструкции современных автомобилей и их тормозных систем, что и стало целью настоящей диссертационной работы.

По результатам проведённого обзора сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены современные бортовые автомобильные системы обеспечения безопасности дорожного движения и систем автоматического управления, проанализировано современное состояние и перспективы развития систем технического зрения, выполнен критический анализ тормозных систем, использующихся при разработке систем автоматического торможения в рамках СПСА.

На настоящем этапе оснащения автомобиля бортовыми электронными системами получили распространение следующие системы активной безопасности:

Антиблокировочная система (АБС, Anti-lock braking system (ABS));

Системы регулирования пробуксовки ведущих колес (Anti-Slip Control (ASC) или - Antriebs-Schlupf-Regelung (ASR));

Электронная система распределения тормозных сил (Electronic brake distribution (EBD) или - EBV);

Система, следящая за креном автомобиля (Roll-over protection system (ROPS));

Система регулирования момента двигателя (Motor Schleppmomenten Regelung (MSR));

Автоматическая система дотормаживания (Hydraulic Brake Assist (HBA));

Электронная система блокировки дифференциала (EDS);

Система, рассчитывающая риск опрокидывания (Roll Stability Control (RSC));

Система контроля давления воздуха в шинах автомобиля (RDC);

Система (устройство) регулирования дистанции (ADR);

Система помощи при парковке (Acoustic Parking System (APS));

Система предупреждения о непроизвольном пересечении дорожной разметки (AFIL);

Система стабилизации движения (ESP)

В рамках поставленной в данной работе цели исследования, был проведен синтез систем безопасности, позволяющих, по нашему мнению, для автомобилей среднего класса с гидравлическим приводом тормозов, предложить систему с оптимальным сочетанием технической сложности, технической эффективности и экономической целесообразности.

Предложенная СПСА должна строиться на основе внедрения в процесс управления автомобилем систем искусственного интеллекта, способных подобно человеку, воспринимать с помощью средств технического зрения, условия движения и принимать адекватные решения в зависимости от постоянно изменяющихся параметров и угроз для осуществления движению.

Создание систем безопасности, а также автоматизация управления торможением автомобиля, должно сопровождаться непрерывным совершенствованием автомобильных конструкций и методик проведения исследований, в т.ч. на этапах первоначальных и доводочных испытаний СПСА.

В третьей главе подробно описано создание экспериментальной гидравлической тормозной системы автомобиля ГАЭ-32213, выбранного в качестве примера для отработки методики, рассказаны устройство и работа гидроблока системы автоматического торможения автомобиля ГАЗ-32213, рассмотрены преимущества разработанной конструкции с точки зрения возможности исследования других систем безопасности.

Основной задачей разработанной в диссертации системы автоматического торможения является управление замедлением автомобиля и, при необходимости, торможение до полной остановки по команде электронного блока управления СПСА в случае обнаружения средствами технического зрения препятствия для движения, находящемся ближе дистанции безопасности. При этом система автоматического торможения должна работать параллельно со штатной АБС и не нарушать алгоритма ее функционирования.

В основе критерия функционирования СПСА лежит дистанция безопасности до препятствия, т.е. то минимальное расстояние до препятствия движению (в частности, до лидирующего автомобиля), при достижении которого в случае наличия относительной скорости должно быть начато торможение. При этом торможение должно осуществляться с замедлением (реализация которого воз-

можна при данной скорости движения и реально существующем сцеплении шин с дорожным покрытием), обеспечивающим остановку управляемого автомобиля без опасности столкновения с препятствием. Правильное определение дистанции безопасности - залог качественной работы системы.

Для определения Sg часто используют формулу:

Se = V2 / 2 jMax / КЭ2 - V2 / 2 jMax / К,1 + V тр + С (1)

где,

V - скорость движения автомобиля км/ч; g - ускорение свободного падения м/с2; Ф - коэффициент сцепления колеса с дорогой;

КЭ1 и Кэ2 - коэффициенты торможения первого и второго автомобиля; С - запас безопасной дистанции

При разработке экспериментальной системы автоматического торможения мы руководствовались принципом сохранения существующей гидравлической тормозной системы и установкой минимального количества дополнительных конструктивных элементов.

На рис.1 изображена разработанная в рамках работы гидравлическая тормозная система автомобиля ГАЭ-32213 с АБС, оснащенного дополнительно системой автоматического торможения и системой автоматизированного выключения сцепления. Дополнительный гидроблок (использовался доработанный модулятор системы динамической стабилизации ESP) 7 встраивается между главным тормозным цилиндром 4 и штатным модулятором 10 АБС таким образом, что подводящие тормозные трубки гидроблока CAT 5 входят в соответствующие секции главного тормозного цилиндра 4, а отводящие трубки гидроблока CAT 8, являющиеся одновременно подводящими тормозными трубками модулятора 10 АБС, входят в соответствующие входные отверстия модулятора АБС 10. Гидроблок CAT 7 является четырехканапьным и имеет по два выходных отверстия на каждый контур тормозной системы. При этом два выхода (по одному из каждого контура) остаются незадействованными и блокируются (консервируются) прокач-ными штуцерами.

Штатный модулятор 10 АБС располагается на прежнем месте: При этом полностью сохраняются все отводящие тормозные трубки 11, 13, идущие к колесным тормозным цилиндрам тормозных механизмов передних 12 и задних 15 колес.

-102

5

8 6

1 J

Рис. 1. Схема экспериментальной гидравлической тормозной системы автомобиля ГАЭ-32213 с элементами системы автоматического торможения (включая функцию отключения сцепления) и с АБС

I - педаль тормоза; 2 - вакуумный усилитель; 3 - бачок тормозной жидкости; 4 -главный тормозной цилиндр; 5 - подводящие тормозные трубки гидроблока CAT; 6 - электродвигатель насоса гидроблока CAT; 7 - гидроблок CAT; 8 - отводящие (подводящие) трубки гидроблока CAT (АБС); 9 - электродвигатель насоса гидроблока АБС; 10 - модулятор АБС; 11, 13 - отводящие трубки гидроблока АБС; 12 -тормозные механизмы передних колес (колесные тормозные цилиндры); 14 - регулятор давления; 15 - тормозные механизмы задних колес (колесные тормозные цилиндры); 16 - педаль сцепления; 17 - бачок тормозной жидкости; 18 - главный цилиндр сцепления; 19 - подводящая трубка гидроблока автоматизированного привода сцепления; 20 - электродвигатель насоса гидроблока сцепления; 21 -гидроблок сцепления; 22 - отводящая трубка гидроблока автоматизированного привода сцепления; 23 - рабочий цилиндр сцепления; 24 - сцепление.

Схема предложенного в работе гидроблока системы автоматического торможения показана на рис.2. Гидроблок системы автоматического торможения располагается между главным тормозным цилиндром 2 и штатным модулятором АБС. Гидроблок системы автоматического торможения состоит из насоса 11 с электродвигателем (электронасоса), модулятора, в котором установлены два отсечных электроклапана 4, два электроклапана гидроаккумулятора 5, четыре впускных электроклапана 6, четыре выпускных электроклапана 7, два гидроаккумулятора 8 с демпфирующими камерами и четыре ресивера 9 и 10.

Отсечные электроклапаны 4 предназначены для соединения между собой главного тормозного цилиндра 2 и электронасоса 11. При сбросе давления из колесных тормозных цилиндров, электронасос 11 откачивает тормозную жидкость из гидроаккумулятора 5 и через отсечные электроклапаны 4 обратно в главный тормозной цилиндр 2. Через электроклапаны гидроаккумулятора 5 электронасос

II забирает тормозную жидкость из главного тормозного цилиндра 2, которая в

только передним контуром, с неотсоединенным ДВС и включенным сцеплением, .¡нпмах, т/с2, определяется по формуле:

•!„„„** = Ихш + + 1*г.п + Иг1л + Р/ + Р» + Р, + Рт + Ре / М .5вр, (16)

Определение величине максимального замедления АТС при торможении только задним контурам, с неотсоединенным ДВС и включенным сцеплением, .¡нзмах, т/с2, определяется по формуле:

= Я,2„ + + ^п + + Р; + Р„ + Р, + Рт + Ре / М .8Вр, (17)

В пятой главе описываются методика, проведение и результаты экспериментальное исследование автомобиля, оснащенного экспериментальной СПСА. Целью экспериментального исследования были:

- отработка методики проведения испытаний, сбор массива экспериментальных данных по результатам контрольных торможений с использованием системы автоматического торможения;

- обработка полученных результатов, оценка их достоверности, расчет корректирующих коэффициентов, используемых для совершенствования алгоритма работы СПСА.

В качестве объекта испытаний выступал автомобиль ГАЗ 32213, с бензиновым двигателем и механической трансмиссией, оборудованный экспериментальной тормозной системой под управлением СПСА.

В качестве блоков управления торможения использовались электронный блок фирмы ОМРОН модель СР1Н-ХА4(ШК-А;

Для измерения и регистрации параметров торможения использовались оборудование и программное обеспечение, входящее в комплекс БАПЮК, а таксе комплекс измерительной аппаратуры, созданный на кафедре «Автомобили « МАДИ.

Схема размещения измерительной и регистрирующей аппаратуры на автомобиле приведена на рис. 4.

Изменение регистрируемых данных во времени фиксировалось системой регистрации на базе мобильной персональной ЭВМ.

Рис. 4.Схема размещения измерительной и регистрирующей аппаратуры В ходе экспериментального исследования было проведено более 150 кон-

трольных заездов.

Проведённые испытания (заезды) были разбиты на четыре группы (сравнительных серий). В сериях проводились торможения обоими контурами, только

передним контуром, только задним контуром на сухой дороге и обоими контурами на мокрой дороге. Начальная скорость торможения выбиралась от 20 до 60 км/ч, с шагом 5 км/ч, торможения производились с тремя уровнями интенсивности (низкая, средняя, высокая) при движении в обоих направлениях.

Торможение проводилось автоматически, после нажатия на специальную клавишу на панели приборов, с одновременным автоматическим отключением сцепления.

На рис.5 показаны примеры графики заездов «Разгон-торможение», полученные после обработки результатов, а в таблице приведены обобщенные данные по ряду заездов.

1 2

Заезд N21

г

Максимальное замедление - 2,5м/с Начальная скорость торможения - 5,5м/с Заезд №2

Максимальное замедление - 2,0м/с2 Начальная скорость торможения - 8,3м/с

- состояние дорог - сухой

- температура воздуха - 25оС

- дата заезда - 30.06.2013

- давление в передней контур - Рп=3,0 Мпа

- давление в задней контур - Рз=2,0 Мпа

Таблица 1

Значение параметров торможения при торможении с обоими контурами

№ Торможение с использованием системы автоматического тор обоими контурами с малой интенсивностью на сухой до можения, роге

1 Значение замедления (м/с2) 2,5 2,0 3,0 3,0 3,5

2 Скорость автомобиля перед торможением 20 км/ч (5,5 м/с) 30 км/ч (8,3 м/с) 40 км/ч (11,1м/с) 50 км/ч (13,3 м/с) 60 км/ч (16,6 м/с)

После проведения экспериментальных и теоретических исследований были рассчитаны корректирующие коэффициенты, предлагаемые для использования в математической модели с целью уточнения расчета безопасной дистанции при проектировании СПСА для автомобиля ГАЗ 32213.

временного автомобиля среднего класса создана экспериментальная отечественная СПСА, позволяющая в тестовом режиме проводить исследования эффективности различных алгоритмов, отрабатывать методики проведения испытаний, совершенствовать исполнительные механизмы.

4.Предложена конструктивная схема и выполнена практическая реализация гидравлической части СПСА путем одновременного применения оригинального гидроблока СПСА и штатной АБС. Данное техническое решение отличается новизной и универсальность.

5.С помощью системы автоматического торможения, входящей в состав СПСА, на базе экспериментального автомобиля, проведено экспериментальное исследование процесса торможения и получена база новых данных о параметрах торможения с различных начальных скоростей, с подключенным или отсоединенным двигателем, с АБС или без нее, с использованием рабочей тормозной системой, или только одного из контуров (запасная тормозная система).

6.В ходе исследования предложена и апробирована, на примере автомобиля ГАЗ, методика совершенствования алгоритма функционирования систем предотвращения столкновений.

7.Достоверность рекомендованной математической модели подтверждена сходимостью расчета с результатами экспериментального исследования. Отклонения в значениях среднего максимального замедления в процентах составляет:

-36% при малой интенсивности торможения и торможении обоими контурами, 19% при средней интенсивности торможения и 16% при большой интенсивности торможения;

-11% при малой интенсивности и 16% при средней интенсивности торможения передним контуром;

-30% при малой интенсивности и 22% при средней и большой интенсивности торможения задним контуром;

-12% при малой интенсивности торможения, 39% при средней интенсивности торможения, выполненного передним контуром на мокрой дороге.

8.В результате анализа полученных экспериментальных и расчетных значений параметров эффективности торможения впервые получены характеристики изменения корректирующего коэффициента, которые рекомендованы к использованию при совершенствовании алгоритмов управления СПСА.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1.Франсис, О.О. Система предотвращения столкновения автомобиля для автобуса газ / А.Р. Спинов, А.И. Попов, И.В. Котенко, О.О. Франсис // Автотранспортное предприятие. - М., НПП Трнанснавигация, 2011. - Выпуск 10 - с. 42-45.

2.Франсис О.О. Обзор современных систем активной безопасности и систем автоматического торможения автомобилем / А.И. Попов, И.В. Котенко, О.О. Франсис // Вестник МАДИ. - М., МАДИ, 2011. -Выпуск 3(26). - с.12-16.

3.Франсис О.О. Система автоматического торможения автомобиля. Адаптация штатной тормозной системы автомобиля ГАЭ-32213 для работы в составе СПСА / А.Р. Спинов, А.И. Попов, И.В. Котенко, Е.А. Надценная, О.О. Франсис // Журнал автомобильных инженеров. - М., Издательский дом ААИ, 2011. - Выпуск 6.-с. 23-31.

Статьи:

4.Francis, О.О. The review of the modern active safety systems and the automation control systems of a vehicle / A.I. Popov, Dr. Tech. Science, Associate professor, I.V. Kotenko, post graduate student, O.O. Francis post graduate student // National Automotive Council (NAC) News Nigeria. - 2012. - July-September, p. 5 - 7.

5.Francis, O.O. The automobile braking system of a vehicle. Adaptation of the standard braking system of the vehicle GAZ-32213 working with SPSA / A.R. Spinov, Ph.D., Associate professor, A.I. Popov, Ph.D., Associate professor, I.V. Kotenko, post graduate student, O.O. Francis post graduate student // Our Representatives Mandate Nigeria. - 2012. - Vol.2 N0.3, p. 52 - 54.

Подписано в печать: 12.11.2013 Тираж: 100 экз. Заказ № 1025 Объем: 1,0усл.п.л. Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет» (МАДИ)

на правах рукописи

04201451093

ФРАНСИС ОИИФИЕН ОЗАКА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАЗРАБОТКИ АЛГОРИТМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ АВТОМОБИЛЕЙ

Специальность 05.05.03 —Колёсные и гусеничные машины

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

\

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент Попов А.И.

МОСКВА 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................4

1 .СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.............10

1.1 .Тенденции современного автомобилестроения и безопасность дорожного

движения........................................................................................10

1.2.Организационные и технические подходы к проблеме обеспечения

безопасности дорожного движения.......................................................15

1.3.Обзор исследований, посвященных повышению безопасности движения с помощью автоматических систем предотвращения столкновений автомобилей

(СПС А).........................................................................................22

1.4.Выводы по результатам обзора, цель и задачи исследования...................32

2.СИНТЕЗ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ..............................................................................36

2.1.Синтез современных бортовых автомобильных систем обеспечения безопасности дорожного движения и систем автоматического управления ....36

2.2.Современное состояние и перспективы развития систем технического зрения...........................................................................................49

2.3.Анализ современных тормозных систем при разработке систем автоматического торможения в рамках системы предотвращения столкновений автомобиля.....................................................................................55

У

2.4.Выводы по главе...........................................................................72

3.СОЗДАНИЕ КОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЯ С ЭЛЕМЕНТАМИ

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ................................73

3.1.Общие подходы к разработке экспериментальной конструкции

СПСА............................................................................................73

3.2.Описание экспериментальной гидравлической тормозной системы автомобиля ГАЗ-32213, оснащенного системой автоматического

торможения......................................................................................77

3.3.Описание работы модулятора СПСА.................................................80

3.4.Реализация логической схемы СПСА...............................................84

3.5.Выводы по главе..........................................................................91

4.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ................................................93

4.1.Математическая модель процесса торможения...................................93

4.2.Математическая модель системы «Водитель - автомобиль

- дорога».....................................................................................95

4.3.Выбор входные данные для модели системы «Водитель - автомобиль -

дорога».......................................................................................106

4.4.Определение степени отклонения расчетного и экспериментального

максимального замедления...............................................................109

4.5.Выводы по главе........................................................................113

5.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ....................................114

5.1.Общая методика экспериментальных исследований............................114

5.2.Описание объекта испытаний........................................................116

5.3.Выбор Измерительного оборудования.............................................120

5 АПрограмма испытаний.................................................................126

5.5.Результатов экспериментального исследования.......................................130

5.6.Выводы по результатам эксперимента.............................................146

6. ВЫВОДЫ..................................................................................147

Список литературы.........................................................................149

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .Компоновочная схема и основные конструктивные

параметры автомобиля ГАЗ 32213......................................................163

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.Протокол испытаний................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.Тексты программ для расчета параметры торможений.....169

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.Графики................................................................195

ПРИЛОЖЕНИЕ 5.Принятые обозначения.............................................206

ПРИЛОЖЕНИЕ 6.Справка об использовании результатов диссертационной работы в учебном процессе (МАДИ)...................................................208

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Рост количества ДТП с увеличением загрузки дорог автомобильным транспортом все острее ставит задачу обеспечения безопасности дорожного движения. Во многих национальных и международных программах развития дорожного движения проблеме повышения безопасности движения уделяется большое внимание.

С введением в автомобиль микропроцессорных систем управления рабочими процессами агрегатов и механизмов, а, следовательно, и режимами движения появилась возможность создания автоматических систем повышения безопасности движения, предотвращения наездов и столкновений.

В автоматических системах предотвращения столкновений автомобилей (СПСА) используются алгоритмы работы, основанные на замере дистанции до впереди движущегося транспортного средства (или неподвижного препятствия), определении (расчете) безопасной дистанции, позволяющей произвести, в случае необходимости, торможение автомобиля при нарушении безопасной дистанции с различной степенью интенсивности путем создания тормозного давления в приводе с помощью исполнительных механизмов (гидроблоков) СПСА.

Таким образом, очевидно, что от точности определения безопасной дистанции зависит качество работы СПСА в целом. Ранее выполненные работы, в которых предлагались способы расчета безопасной дистанции, основывались на анализе технических возможностей существовавших тогда конструкций транспортных средств.

Уточнение методики разработки алгоритма функционирования СПСА позволяет существенно снизить затраты на разработку, повысить, надежность системы и упростить ее отладку, что является важной народнохозяйственной задачей. Создание конструкций СПСА, сочетающихся с серийно применяемыми антиблокировочными системами позволяет обеспечить

безопасность движения как за счет уменьшения вероятности попутных столкновений, так и за счет работы колеса автомобиля в оптимальном режиме в случае достижения предельных возможностей по сцеплению.

В связи с вышеизложенным актуальным является исследование по разработке методики совершенствования алгоритма функционирования системы предотвращения столкновений автомобилей. Цель работы

Целью диссертации является повышение безопасности дорожного движения путем совершенствования методики разработки алгоритма СПСА на примере автомобиля ГАЗ - 32213.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие теоретические и практические задачи:

-исследовать существующие направления создания систем автоматического торможения автомобилей;

-проанализировать алгоритмы их функционирования, установить в них ключевые факторы, оказывающие влияние на качество работы СПСА

- провести синтез СПСА для автомобиля с гидравлическим приводом тормозов на базе оптимального сочетания современных технических решений по тормозным системам, системам технического зрения и др.;

-разработать конструкцию экспериментальной СПСА с возможностью исследования рабочих процессов агрегатов и отработки различных алгоритмов управления;

-разработать методику проведения и провести экспериментальные исследования автомобиля ГАЗ-32213, оснащенного СПСА, с целью получения массива информации для последующего уточнения математической модели;

-провести теоретическое исследование процесса торможения автомобиля; -провести сравнительный анализ результатов экспериментального и теоретического исследования с целью определения корректирующих коэффициентов для математической модели. Объект исследования

Объектом исследование являются транспортные средства среднего класса с гидравлическим тормозным приводом, оборудованные системой предотвращения столкновений.

Предмет исследования

Предметом исследования является процесс управления торможения микроавтобуса ГАЗ - 32213, оснащенного СПСА.

Методы исследования

В работе использованы основные положения теории движения автомобиля и теории рабочих процессов в механизмах топливоподачи, сцепления и тормозного привода, методы математического моделирования и поиска оптимальных решений. Экспериментальная проверка полученных результатов проведена на дорожных испытаниях.

Научная новизна результатов проведённого исследования

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке конструктивной схема и выполнении практическая реализация гидравлической части СПСА путем одновременного применения оригинального гидроблока СПСА и штатной АБС.

С помощью системы автоматического торможения, входящей в состав СПСА, на базе экспериментального автомобиля, по результатам экспериментальное исследование процесса торможения и получена база новых данных о параметрах торможения с различных начальных скоростей, с подключенным или отсоединенным двигателем, с АБС или без нее, с использованием рабочей тормозной системой, или только одного из контуров (запасная тормозная система).

В ходе исследования предложена и апробирована, на примере автомобиля ГАЗ, методика совершенствования алгоритма функционирования систем предотвращения столкновений.

В результате анализа полученных экспериментальных и расчетных значений параметров эффективности торможения впервые получены характеристики изменения корректирующего коэффициента, которые

рекомендованы к использованию при совершенствовании алгоритмов управления СПСА.

Практическая значимость результатов работы

Практическая значимость диссертационной работы: разработана методика, позволяющая существенно упростить и уточнить формирование алгоритма работы СПСА, в том числе при работе системы в аварийных ситуациях, вызванных отказом одного из контуров тормозного привода.

Достоверность и обоснованность

Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными данными, полученными в работе, не противоречат известным положениям наук, таких как теорию, движению автомобиля, теоретическая механика, применением математического аппарата для решения дифференциальных уравнений.

Точность экспериментальных исследований обусловлена использованием оборудования и приборов с соблюдением отраслевых стандартов. В работе использован комплексный подход к анализу экспериментальных данных в увязке с аналитическими расчетами.

Реализация и внедрения результатов работы

Разработанная в диссертации тема «Совершенствование методики разработки алгоритма функционирования системы предотвращения столкновений автомобилей» внедрена в учебный процесс кафедры «Автомобили» Московский государственный индустриальный университет ФГБОУ ВПО «МГИУ» для подготовки инженеров по специальности 190201.01 («Автомобиле- и тракторостроение»), В частности, внедрены использование методики подготовки и проведения дорожных испытаний автотранспортных средств, оснащенных системами предотвращения столкновений автомобилей, математические методы и компьютерные программы для определения параметров торможения по результатам экспериментальных исследований, а также рекомендации по применению различных конструкций и схем

построения системы автоматического торможения в рамках системы предотвращения столкновений автомобилей, предназначенных для эксплуатации в различных условиях. Результаты диссертационной работы также используются в научно-исследовательской работе кафедры.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 67-ой, 68-ой, 69-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ в 2009, 2010, 2011 годах и на 73-ей международной научно-технической конференции «Автомобиль в интеллектуальной транспортной системе (ИТС)» Ассоциации Автомобильных инженеров (23-24 марта 2011 г., МАДИ).

Публикации

По теме диссертации опубликовано пять печатных работ, в том числе три (3) в издании из перечня ВАК.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель определения параметры;

2. Методика проведения испытаний автотранспортных средств, оснащённых СПСА;

3. Результаты экспериментальных и теоретических исследований;

4. Тексты программ расчетов параметров торможения.

Личный вклад автора заключается:

-в разработке уточненной математической модели торможения автомобиля;

-в разработке и отладке экспериментального тормозного привода, оснащенного элементами СПСА И штатной АБС;

-в составлении алгоритмов аналитических расчетов с применением ЭВМ;

- в подготовке, проведении и обработке данных дорожных испытаний.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пять глав, выводов, списка литературы 133 наименования и приложений. Работа содержит 208 страниц машинописного текста, 33 таблиц, 38 рисунков и 6 приложений.

Диссертационная работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедре «Автомобили».

- 101. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1.Тенденции современного автомобилестроения и безопасность

дорожного движения

Изобретение автомобиля - это без сомнения, одно из самых важных достижений человеческой мысли. Сегодня мы не можем представить себе мир без автомобилей. Мы сталкиваемся с ними постоянно в повседневной жизни. Автомобили важны для нас только тогда, когда мы его эксплуатируем, но и как объект научной деятельности. Уровень экономики любого государства в большой степени зависит от уровня жизни его жителей и уровня развития экономики, а они, в свою очередь, зависят от уровня автомобилизации. Автомобильный транспорт не только обеспечивает потребности хозяйства и населения в перевозках, но вместе с городами образует «каркас» территории, является крупнейшей составной частью инфраструктуры, служит материально-технической базой формирования и развития территориального разделения труда, оказывает существенное влияние на динамичность и эффективность социально-экономического развития отдельных регионов и страны в целом. Изобретение автомобиля в значительной мере изменило наше общество. Появление автомобиля способствовало созданию автомобильной промышленности, которая является движущейся силой экономики многих государств мира.

Сущность автомобиля состоит не только в его производстве, эксплуатации, обслуживании, но и в развитии смежных отраслей: переработке и распределении нефтепродуктов, строительстве и обслуживании дорог, туризме и т.д. В конце XX века на планете насчитывалось более 800 миллионов автомобилей, в основном в индустриальных странах. Плотность распределения автомобилей составляла около 100 шт. на 1000 жителей и средний пробег равен около 15000 км в год. Экономисты уже дают уверенный прогноз, что количество автомобилей в мире увеличится вдвое через 20-30 лет

(в основном из-за развивающихся стран), а также возрастет их пробег.

Можно видеть преимущества использования автомобиля в таких важных отраслях любого государства как оборона, сельское хозяйство, промышленность, отдых, туризм и т.д. Несмотря на наличие очевидных преимуществ, у автомобиля существуют недостатки, которые в настоящее время не являются секретом для любого. Эти недостатки со временем обостряются, поэтому надо своевременно применять жесткие, а иногда и непопулярные меры для их устранения или минимизации. Эти недостатки можно распределять по степени важности, потому что они воздействуют на природу, на общество, на экологию по-разному, но, однако очевидно, что безопасность эксплуатации автомобиля является главной заботой населения и правительств.

Например, в Европе (так же, как и в Северной Америке) сейчас среднее число погибших в результате дорожно-транспортных происшествии (ДТП) составляет 150 человек в день. Это эквивалентно одной авиакатастрофе. К счастью, в последние годы уровень безопасности транспортных средств и инфраструктуры намного улучшились в индустриально развитых странах. Повышение безопасности движения на дорогах напрямую влияет на сохранение человеческих жизней, и по сей день является самой актуальной задачей.

Современные автомобили оборудуются более качественными системами активной и пассивной безопасности. Большое внимание уделяется развитию дорожной сети, в том числе интеллектуальным транспортным системам (ИТС). Известно, что около 80% всех ДТП приходят по вине водителя. В большинстве случаев — это недостаточно быстрая реакция водителя на возникающие опасности и неспособность правильно управлять транспортными средствами в аварийных ситуациях. С увеличением продолжительности жизни людей появилась еще одна про