WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

ШМАКОВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННОЙ СИСТЕМЫ «ВОДИТЕЛЬ – ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО – ВНЕШНЯЯ СРЕДА»

Специальность 05.02.05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир – 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Владимирский государственный университет имени Алексея Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Кобзев Александр Архипович Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Егоров Игорь Николаевич кандидат технических наук Черкасов Юрий Владимирович

Ведущая организация: ОАО « ВНИИ «Сигнал» г. Ковров

Защита диссертации состоится 30 мая 2012 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.05 при ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Алексея Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д.87, ауд. 335-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВлГУ.

Автореферат размещен на сайтах Министерства образования и науки РФ (www.vak.ed.gov.ru) и ВлГУ (www.vlsu.ru).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направить ученому секретарю совета по указанному выше адресу.

Тел. (4922) 477-790, e-mail: sim_vl@nm.ru Автореферат разослан “ “ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Е.А. Новикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Мехатронный подход к описанию и исследованию человеко-машинных систем (ЧМС) привлекает все большее внимание разработчиков. Одним из процессов, относящихся к поведению человека в ЧМС, является управление водителем транспортным средством при движении по трассе. Здесь взаимодействует между собой следующие подсистемы: 1) трасса – транспортное средство при движении и в статике; 2) транспортное средство – водитель транспортного средства; 3) водитель – транспортное средство. Последняя составляющая отражает активное воздействие водителя на органы управления транспортного средства, изменяющее параметры движения. В целом это мехатронная полуавтоматическая система управления с замыканием главной обратной связи через оператора. В настоящей работе под человеко-машинной системой понимается совокупность взаимодействующих объектов: трасса - транспортное средство - водитель. Водитель (человек-оператор) в этой системе рассматривается как динамическое звено в системе управления, работающий в режиме управления и воспринимающий возмущения со стороны движущегося объекта.

Возрастающая сложность задач управления техническим системами с человеком-оператором в контуре управления требует учета его особенностей и характеристик, как динамического звена СУ. Наряду с вопросами управления в транспортных ЧМС важное значение имеют вопросы активной и пассивной безопасности водителя транспортной системы в экстремальных и аварийных ситуациях. В настоящее время анализ взаимодействия водителя с элементами его рабочей зоны основан на натурных испытаниях, предусматривающих жесткий удар транспортного средства с манекеном с бетонной преградой (краш-тест). Они продолжительны во времени и дорогостоящие, так как разбиваются автомобили и деформируются манекены с системой датчиков. Одним из путей уменьшения времени и затрат на эти испытания является замена натурных испытаний моделированием процесса краш-теста с анализом деформаций оператора-водителя. Процедура замещения краш-теста представляет имитационное моделирование трех взаимосвязанных динамических систем: водитель – транспортное средство – внешняя среда (последняя активируется при движении объекта). Этот вопрос также встает при оценке безопасности водителей и членов экипажа специальных инженерных машин в режиме экстренной или аварийной остановки. Далее в зависимости от рассматриваемых вопросов используется понятие «водитель», или «человекоператор».

Цель работы. Разработка и исследование математической модели человеко-машинной системы «водитель – транспортное средство – внешняя среда» с целью замещения натурных испытаний на удар (краш-тест).

Для решения поставленной задачи необходимо рассмотреть и решить следующие вопросы:

- определить место рассматриваемой системы в классе ЧМС;

- провести анализ отечественных и международных норм в области активной и пассивной безопасности, выбрать критерий оценки безопасности на рабочем месте водителя ТС;

- разработать математическую модель водителя транспортного средства, как экзоскелетона с древовидной структурой;

- провести анализ физиологических особенностей двигательных функций плечевого пояса водителя, - выбрать аппаратный аналог мышечных приводов суставов человекаоператора;

- разработать математическую модель верхних и нижних конечностей человека-оператора с учетом его физиологических особенностей в режимах управления и восприятия нагрузок;

- разработать математическую модель ЧМС в режиме краш-теста;

- провести исследование математической модели ЧМС в режиме краштеста.

Объект исследования. Человеко-машинная система: трасса – транспортное средство – водитель. Водитель, как физиологическая система. ЧМС в режиме краш-теста.

Методы исследования. В работе использованы методы теории автоматического управления, аппарата дифференциальных уравнений и передаточных функций, теории графов, математическое моделирование.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработана модель водителя ТС, как экзоскелетона с древовидной структурой;

- выделены характерные режимы физиологии человека в различных двигательных режимах, определяющие структуру и математическое описание верхних и нижних конечностей;

- приводы суставов представлены как системы с переменной структурой, отражающие специфику физиологии и двигательного аппарата человека;

- в моделях приводов конечностей отражены режимы перелома костей;

- предложена методика исследования транспортной ЧМС в режиме краштеста;

- проведено исследование модели ЧМС в режиме краш-теста с моделью водителя, как многозвенного скелетона, и подтверждена возможность ее использования для замещения натурных испытаний ТС.

Практическая ценность работы.

- разработанную модель ЧМС с водителем можно использовать для замещения физических испытаний транспортных средств на краш-тест и для оценки безопасности специальных инженерных машин в экстренных и аварийных ситуациях;

- сокращение времени оценки пассивной безопасности транспортного средства;

- экономическая составляющая состоит в замещении натурных испытаний и, как следствие, в сохранении транспортного средства и манекена.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Автоматические и мехатронные системы» ВлГУ и научно-технических конференциях ВлГУ 2008 - 2011 г.г.; на научно-технических конференциях: Научнотехническая конференция молодых ученых и аспирантов «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление», 2010 г., КГТА, г. Ковров; Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России:

приоритеты развития и подготовка кадров», посвященная 145-летию МГТУ «МАМИ» 2011г., г. Москва; Международной научно-технической конференции «Пятые Уткинские чтения», БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова 2011г., г.

Санкт-Петербург; Международной конференции по математической теории управления в механике, г. Суздаль, 2011г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе в 3-х работах по перечню ВАК.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы использованы:

1. В проекте № 2.1.2.-3091 «Разработка и исследование систем автоматического управления с прогнозирующими моделями для объектов с не полностью наблюдаемой регулируемой координатой» Федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы».

2. В эскизном проекте ОКР №1401100/246-400; 4175/11, «Разработка алгоритмов управления движением и стабилизацией объекта с прогнозированием траектории движения» ( с ОАО «ВНИИ «Сигнал»).

Разработанные модели ЧМС могут быть использованы для моделирования краш-теста колесных и гусеничных транспортных средств, с целью определения прочности элементов конструкции и элементов пассивной безопасности водителя, а также в учебном процессе.

Структура и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 127 наименований. Общий объем работы 146 стр., в том числе содержит 4 таблицы и 52 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационного исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе показано состояние и дана классификация человекомашинных систем. Выделены основные группы ЧМС. Среди первых мехатронных ЧМС следует выделить системы для работы в агрессивных средах и с радиоактивными элементами. Состав ЧМС: оператор – копирующий манипулятор - объект манипулирования. Большой вклад в развитие этого направления внесли Лакота Н.А., Кулешов В.С., Юревич Е.И., Игнатьев М.Б., Кулаков Ф.М., Ющенко А.С., Покровский А.М., Потапов А.М., Егоров И.Н., Дорохов В.П. и др.

В транспортных ЧМС роль человека-оператора имеет исключительно важное значение. Характерной системой этого класса является САУ: оператор – луноход - трасса движения по лунной поверхности. Значительный вклад в развитие этих систем внесли Петров Б.Н., Болховитинов И.С., Охоцимский Д.Е., Кемурджиан А.Л., Авотин Е.В., Веселов В.С. и др.

Рассматриваемая система водитель – транспортное средство – внешняя среда при движении и в экстремальных ситуациях относится к классу динамических ЧМС. Укрупненная структурная схема этой ЧМС приведена на рис.1, где обозначено: F1() - возмущение на ТС при движении от рельефа ; F2(t) - управляющее воздействие от водителя на ТС через двигатель и движитель и рулевое управление; Q(t) – деформации корпуса водителя (звеньев системы), причем Qt F(F3,t).

F1() F3 [F1, F2] WТ(р) WTC(р) WМВ(р) F4(t) F2(t) F2(t) Формир. упр.

ТС Q(t) Физиологическ ая система F3 [F1, F2] Рис. 1. Укрупненная структурная схема процесса ЧМС Каждая такая подсистема является мультидисциплинарной и состоит из различных физических моделей, таких как модели электроники, механики, гидравлики, пневматики, прочности, газовой динамики, акустики, термодинамики, химии. При моделировании конкретного расчетного случая поведения ТС или какой-то отдельной подсистемы важно точно моделировать поведение ключевых подсистем, а поведение других можно моделировать приближенно без потери точности. Это достигается с помощью разделения математических моделей на уровни.

Проведен анализ существующих норм и правил при оценке активной и пассивной безопасности водителя. В нашей стране испытания транспортных средств проводят по новой методике включающей в себя удар о жесткую преграду с тремя установленными номиналами скоростей. В нашей стране эти испытания проводятся на автополигоне НАМИ в г. Дмитров. Значительный вклад в исследование и испытаний автомобилей с манекеном в режиме краш-теста внесли Эйдинов А.А., Котиев Г.О., Никульников Э.Н., Сальников В.И., Барашков А.В., и др.

При столкновении ТС с препятствием выделяют две стадии удара – первичный и вторичный. Вначале деформируется кузов автомобиля (первичный удар). Кинетическая энергия автомобиля при этом тратится на поломку и деформацию деталей. Человек внутри автомобиля продолжает движение по инерции с прежней скоростью. Силы, удерживающие тело человека (мышечные усилия конечностей, трение о поверхность сиденья), невелики по сравнению с инерционными нагрузками и не могут воспрепятствовать перемещению. Вторая стадия - контакт водителя с элементами конструкции (рулевое колесо, панель приборов, ветровое стекло и др.).

Для исследования взаимодействия ТС и водителя, и оценки деформаций его корпуса следует разработать и осуществить моделирование данного процесса как человеко-машинной системы.

Во второй главе проведен анализ антропометрических особенностей водителя. С точки зрения антропометрии человек рассматривается исключительно как тело, имеющее определенные размеры. Антропометрические данные оператора можно выбрать из международного стандарта ИСО 3411-82 или из антропометрического атласа. Проведенный анализ показал, что в работах рассматриваются задачи динамического анализа и оптимального управления биомехатронных систем реабилитационных устройств конечностей человека, построенных на базе разомкнутых кинематических цепей, лежащих в основе антропоморфных манипуляторов, а также экзоскелетона-ассистента человека, применимого как для физиотерапии, так и для перманентного использования. Составлены динамические модели биомехатронной системы конечности человека с экзоскелетоном и решена смешанная задача ее динамики. На основании общей математической теории оптимальных процессов рассматриваются задачи оптимального управления реабилитационных устройств конечностей человека, построенных на базе антропоморфных манипуляционных механизмов с разомкнутой кинематической цепью.

Представление решения задачи в виде степенных рядов позволяет значительно сократить число искомых параметров, что, в свою очередь, приводит к уменьшению объема вычислений. Проблемам моделирования биомехатронных систем уделили в своих работах отечественные и зарубежные ученые: Мартыненко Ю.В., Казарян С., Арутюнян М., Аракелян В., Agrawal S., Fattah A., Боровин Г.К., Костюк А.В., Д.Сит и др.

Оценка травмобезопасности водителя ТС в результате краш-теста сводится к определению воздействий на контрольные точки водителя: голова, грудная клетка, таз, колени. Оценка ведется по пятибальной шкале. Действующие в настоящее время критерии травмобезопасности представляют по существу только нормированный уровень замедления головы в динамических испытаниях (80g в течение 3 мс). Для оценки степени контакта водителя с рабочей зоной ТС используют точку пересечения контрольной точки колена манекена с контуром интерьера передней части салона автомобиля в процессе столкновения и превышению нормативного усилия на колено над фактическим. При наличии такого пересечения может быть представлена двумя системами нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка, соответствующими первой и второй фазе столкновения автомобиля с препятствием.

Рассмотренные группы скелетонов используются в двигательном режиме.

Приводы суставов синтезированы из условия максимально возможных нагрузок при контакте с рабочим объектом. При этом физиологические особенности (мышечный привод) учитываются недостаточно для оценки воздействия на скелет и мышечные ткани человека. В моделях не отражены режим и условия излома конечностей.

Методика исследования ЧМС включает четыре этапа: 1) составление плоской кинематической модели водителя; 2) составление и исследование древовидной кинематической структуры в режиме жесткого удара с внешней средой; 3) расширение древовидной модели путем нагружения ее динамическими составляющими приводов суставов, отражающими физиологические свойства и особенности человека; 4) исследование ЧМС в режиме краш-теста.

В третьей главе рассмотрен первый и второй этапы исследования ЧМС.

На первом этапе составлена плоская кинематическая модель водителя ТС, как многозвенного скелетона, рис. 2. При этом были приняты следующие допущения: модель представляет собой шарнирно-сочлененный многозвенник с наложенными на него упруго-вязкими динамическими связями; пренебрегаем силами трения в кинематических парах; считаем связи идеальными, голономными и удерживающими; звенья абсолютно жесткие.

Рис. 2. Кинематическая схема водителя Дифференциальные уравнения динамической модели имеют вид:

b11q5 b12q6 b13q7 R1p M F1, ст b21q5 b22q6 b23q7 R2 p Mст2 F2, b31q5 b32q6 b33q7 R3 p Mст3 F3, a11q1 a12q2 a13q3 a14q4 R1 Mст1 F1, a q1 a22q2 a23q3 a24q4 R2 Mст2 F2, a31q1 a32q2 a33q3 a34q4 R3 Mст3 F3, a41q1 a42q2 a43q3 a44q4 R4 Mст4 F , где: qij – обобщенные координаты, Rjk - функции движущих моменты, Mcтl – статические моменты сопротивления, Fv – функции динамических моменты сопротивления; b11, …,b33 и а11, …,а44 - инерционные характеристики, зависящие от обобщенных координат.

Первая система уравнений для верхних конечностей, вторая – для нижних конечностей, спины и головы. Компьютерное моделирование в работе проведено с использованием прикладных программ пакета MATLAB. Для исследования модели ТС - водитель была разработана Simulink-модель, приведенная на рис. 3.

Рис. 3. Компьютерная модель ТС - водитель Проведенные исследования этой модели ЧМС показали ее работоспособность. Получены характеристики реакций водителя в опорных точках суставов в режиме жесткого удара, соответствующие расчетным параметрам. Однако здесь не учитывается реакция в других плоскостях. Для этого следует рассмотреть пространственную модель водителя ТС.

Второй этап предусматривает переход к древовидной пространственной модели. Здесь использован подход к описанию кинематической схемы человекаоператора, как экзоскелетона с древовидной кинематической структурой на основе теории графов. Разработана математическая модель оператора с замкнутыми обратными связями по положению, с учётом взаимодействия водителя с опорной поверхностью. При этом учтены следующие особенности: древовидная кинематическая структура водителя; незакреплённость кинематической схемы к неподвижному основанию; наличие внешних связей накладываемых на водителя, которые меняются в процессе его движения. Здесь приняты следующие допущения:

звенья оператора абсолютно жёсткие; связи в сочленениях - голономные. Описание кинематической структуры водителя в условиях его непривязанности к неподвижному основанию было реализовано путём введения шести дополнительных фиктивных звеньев, связывающих корпус водителя с неподвижным основанием.

В этом случае оператор имеет 18 степеней подвижности, и его кинематическая структура становится ветвящейся (рис. 4).

Звено Звено Звено Звено Звено Звено Звено Звено Звено Звено 18 Звено Звено Звено 19 Звено Звено Звено Звено 12 Звено Звено Звено Звено Звено Рис 4. Кинематическая структура оператора в виде древовидного направленного графа При описании структуры и записи математической модели приняты следующие допущения:

– кинематическая структура оператора представляется в виде древовидного направленного графа, звенья в таком графе являются вершинами, а соединяющие их сочленения – дугами;

– за звено с номером 0 (корень дерева) принимаем окружающее пространство с инерциальной системой координат, фиксированной в какой- либо точке этого пространства (абсолютной системой координат);

– нумерация звеньев начинается с 1 и производится по возрастающим номерам, без пропусков, двигаясь от корня дерева к его листам, т. е. для каждого звена должно выполняться условие: собственный номер звена меньше номера любого звена – потомка;

– номер обобщённой координаты, как и номер соответствующего сочленения, такой же, как и у звена, присоединяемого этим сочленением к предыдущему звену.

Для формирования математической модели в блочном виде будем представлять кинематическую структуру исполнительного механизма с помощью матрицы достижимости. Это квадратная матрица D, каждый элемент которой dij равен 1, если вершина iя достижима из вершины j. Размерность матрицы D равна числу звеньев исполнительного механизма.

Уравнение динамики модели, имеющей древовидную КС:

A(q)q B(q,q)q C(q)0fв D(q)0nв , где T 0zd A(q) (0zd )(((0c fD)) md (D0 zd (E ) T (0c fD) ) d DT 0 JC D0 zd ) 0zd (E )(0zd )T DT md (D0 zd (E ) T (0c fD) );

T T B(q,q) (0zd ){((0c fD)) md [T (0c fD) (0zd qd )(D E) T (T (0c fD) qd 0zd D T (0c fD)((D E)0zd q)d ) 2 D T (0zd (E )qd (D E)] d d DT 0 JC D qd T (0zd )(D E) DT (D0zd q)d 0 JC D}0zd T (E )(0zd )T DT md [T (0c fD) (0zd qd )(D E) 2 D T (0zd (E )qd )(D E) T (T (0c fD) qd 0zd D T (0c fD)((D E)0zd q)d )]0zd );

C(q) (0zd )T (DT E) (0sd ) DT (E ) (0zd )T DT ;

D(q) (0zd )T DT ;

0cd - блочная диагональная матрица векторов, соединяющих начала основных СК звеньев, с их ЦМ;

i{1,0} – диагональная матрица коэффициентов i{1,0}, определяющих типы сочленений, звенев со звеньями-отцами (телескопический и вращательный шарнир соответственно);

D – матрица достижимости;

q ( q1,q2,...,qN )T – вектор обобщенных координат модели;

q ( q1,q2,...,qN )T – вектор обобщенных скоростей модели;

m (m1,m2,...,mN )T – матрица масс звеньев исполнительного механизма;

JC (JC,JC,...,JC )T – блочная матрица тензоров инерции звеньев;

1 2 N 0 0 td diag(0tT, tT,..., tT )T – блочная диагональная матрица векторов, со1 2 N единяющих начала систем координат звеньев f (i),ns(i) с точками, через которые проходят равнодействующие внешних сил, приложенных к звеньям i.

В четвертой главе рассматриваются третий и четвертый этапы исследований ЧМС.

Третий этап - расширение древовидной модели путем нагружения ее динамическими составляющими приводов суставов, отражающими физиологические свойства и особенности человека, и исследование ее в режиме краш-теста.

Для этого проведен анализ физиологических особенностей двигательных функций локтевого и плечевого суставов. Движение конечностей осуществляется за счет одновременной работы мышц сгибателей и разгибателей, за счет чего получается требуемая скорость и плавность движений с одновременным обеспечением требуемого момента. При сгибании, например, руки в локтевом суставе, основной мышцей, осуществляющей работу и формирующей момент, является бицепс (мышца-сгибатель), в то время как скорость и плавность регулируется величиной напряжения трицепса (мышца-разгибатель). В режиме парирования внешнего момента в неподвижном, любом угловом положении, работает другая группа мышц (головка миозина). По существу привод сустава работает в трех режимах: 1) двигательном; 2) сопротивления внешнему моменту; 3) удержания с постоянным моментом и стабилизацией углового (линейного) положения. Тогда модель привода представляет систему с переменной структурой, которую можно представить в виде рис.5.

ДМ ИМ Pвн КС F(р) р Fp(t) • signx Квн СW1(р) Fo(t) Fи(t) F1() M - W0(р) 1/Jp 1/p + W2(р) bijsign W3(р) Рис. 5. Структурная схема мышечного привода Полная модель ЧМС представляет параллельно-последовательную структуру.

Последовательные подсистемы верхних и нижних конечностей представляют параллельные подсистемы для позвоночника с шарнирами в виде тазобедренного и плечевого суставов. Голова с шейными позвонками представляет свободное звено. Рассмотрим как базовую структурную схему для суставов верхних и нижних конечностей, рис. 5.

На схеме обозначено: W1(р), W2(р) - передаточная функция мышц сгибателей и разгибателей соответственно;W3(р) - передаточная функция мышечного привода удержания с постоянным моментом и стабилизацией углового (линейного) положения;Wо(р) - передаточная функция интеллектуального модуля формирования управления; F1() – воздействие транспортного средства, включающее воздействие внешней среды; Fо(t ) – функция ограничения выходного момента; Fр(t ) – функция анализирующая максимально допустимый момент сустава; Fи(t) – ключ в канале механической компоненты сустава (несущая кость); ИМ – интеллектуальный модуль; ДМ – двигательный модуль; КС – костная система с моделью излома; С11 – жесткость механической системы; bij – коэффициент сухого трения; Рвн - внешнее воздействие.

Особенности структуры: 1) ЧМС представляет полуавтоматическую систему управления, замкнутую по цепи главной обратной связи через водителя (оператора); 2) выделено три основных режима, переключение между режимами осуществляется интеллектуальным модулем человека-оператора (центральная нервная система); 3) переключение между двигательными каналами (W1(р), W2(р)) осуществляется в функции знака скорости выходной координаты; 4) переключение на контур режима удержания выполняется в функции сигнала с интеллектуального модуля и внешнего воздействия; 5) модель излома конечности (кость сустава) представлена в виде сочетания нелинейных элементов Fо(t ), Fр(t ), Fи(t), размыкающих механический тракт при превышении действующего на него момента. В двигательном режиме в зависимости от требуемого положения осуществляется переключение между передаточными функциями мышц сгибателей и разгибателей. При возникновении резкого изменения внешнего воздействия происходит переключение на режим удержания W3(р).

На основе данного анализа разработана модель мышцы водителя как аналог гидравлического привода с исполнительным цилиндром двустороннего действия.

Для описания и исследования приводов использован аппарат передаточных функций. Коэффициенты передачи и постоянные времени звеньев выбраны в соответствии с их значениями, определяемыми физиологическими особенностями соответствующих групп мышц и реакций человека.

Спроецировав полученную модель на все суставы верхних конечностей, получим компьютерную модель плечевого пояса водителя (рис.6.).

Рис.6. Компьютерная модель плечевого пояса Исследование модели проводились в указанных выше трех режимах. В качестве возмущающего воздействия подавались ступенчатые функции с различным значением возмущающего воздействия. При этом регистрировались угловые положения суставов, скорости, ускорения и моменты в шарнирах. Адекватность модели оценивалась по соответствию характеристик модели характеристикам человека. Отклонение составило не более 7%.

Четвертый этап предусматривает моделирование всей ЧМС в режиме краш-теста. Модель ЧМС содержит рассмотренные модели человека-оператора и внешней среды. В данной модели водитель представляет скелетон с антропометрическими характеристиками человека. В модели также учтены ограничения по всем степеням свободы согласно физиологии человеческого тела, а также мышечное сопротивление водителя. Для каждого блока, моделирующего твердое тело, задается масса, координаты центра масс и характерных точек, осевые моменты инерции относительно осей локальных систем координат Jx, Jy, Jz и центробежные моменты инерции Jxy, Jyz, Jxz, составляющие тензору инерции тела, а также антропометрические характеристики водителя соответствующего 50% уровню репрезентативности. Тела между собой связаны шарнирами, ограничивающими их взаимное перемещение. Компьютерная модель ЧМС в режиме краш-теста приведена на рис.7.

Рис.7. Компьютерная модель ЧМС в режиме краш-теста Проведены исследования компьютерной модели в режиме краш-теста. В качестве возмущающего воздействия внешней среды и ТС на водителя рассматривались ступенчатые функции с различным значением возмущающего воздействия.

При этом регистрировались угловые положения суставов, скорости, ускорения и моменты в шарнирах.

Анализ полученных характеристик динамической системы при приложении трех вариантов нагрузок (краш-тест при начальных скоростях ТС 30, 72 и 1км/ч) показал, что динамические свойства взаимодействия водителя существенно зависят от начальной скорости и массы ТС. Сравнение численных значений параметров переходного процесса с данными эксперимента показало, что расхождение по величине перерегулирования не превышает 15%. Адекватность модели оценивалась по соответствию характеристик модели характеристикам реальных краш-тестов, приведенных в литературе. Отклонение составило не более 12%.

Одна из реализаций эксперимента показаны на примере зависимости ускорений головы водителя при моделировании краш-теста на скорости 100 км/ч (рис.8.).

Процесс носит колебательный характер и на третьей полуволне превышает допустимое значение в 80g.

Рис.8. Ускорение головы водителя Сравнительный анализ данных характеристик с характеристиками натурных испытаний, показывает, что разработанная математическая модель ЧМС, как сложной динамической системы «трасса – транспортное средство – человекоператор», позволяет на этапе проектирования ТС с помощью методов имитационного моделирования осуществлять оценку нагрузки на человека-оператора в экстремальных ситуациях.

Разработанная математическая модель человеко-машинной системы "трасса – транспортное средство – человек-оператор" и проведенные исследования показывают возможность замены натурных испытаний краш-теста моделированием.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Показано, что процесс взаимодействия водителя с рабочей зоной движущегося транспортного средства следует рассматривать как человеко-машинную систему: трасса – транспортное средство – водитель.

2. Предложено в модели транспортной ЧМС водителя представлять в виде скелетона как древовидного направленного графа.

3. Определено, что совокупность нижних и верхних конечностей и позвоночника представляют последовательно-параллельную структуру в классе сложных технологических машин.

4. Раскрыты три режима работы суставов верхних и нижних конечностей 1) двигательный; 2) сопротивление внешнему моменту; 3) удержание с постоянным моментом и стабилизацией углового (линейного) положения.

5. Показано, что приводы суставов следует рассматривать как системы с переменной структурой, отражающие режимы работы и специфику физиологии и двигательного аппарата человека.

6. Введены блоки, отражающие эффект перелома костей суставов, в моделях приводов конечностей.

7. Предложен метод исследования транспортной ЧМС в режиме краш-теста, предполагающей четыре этапа: 1) составление плоской кинематической модели водителя; 2) составление и исследование древовидной кинематической структуры в режиме жесткого удара с внешней средой; 3) расширение древовидной модели путем нагружения ее динамическими составляющими приводов суставов, отражающими физиологические свойства и особенности человека; 4) исследование ЧМС в режиме краш-теста.

8. Доказано что исследования ЧМС модели водителя, как многозвенного скелетона, в режиме краш-теста, можно использовать для замещения натурных испытаний.

Статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Шмаков В.С. Компьютерная модель водителя транспортного средства // Современные проблемы науки и образования. 2011. №4. ISSN 1817-6321. Электронное издание.

2. Кобзев А.А., Шахнин В.А., Шмаков В.С. Анализ взаимодействия системы оператор – рабочая зона оператора в транспортном средстве в экстремальных ситуациях // Современные проблемы науки и образования. 2011. №5. ISSN 18176321. Электронное издание.

3. Шмаков В.С. Кинематическая схема водителя автомобиля как многозвенная система // Фундаментальные исследования. №12 (часть 1), 2011. – C.199-201.

В других изданиях:

4. Шмаков В.С., Кобзев А.А. Разработка и исследование математической модели динамической системы оператор - рабочее пространство подвижного транспортного средства в экстренных ситуациях // Труды МНТК ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященная 145-летию МГТУ «МАМИ». В 2 ч. Ч.1 – Москва: МГТУ «МАМИ», 2010.

– С. 281.

5. Шмаков В.С. Кинематическая модель оператора подвижного транспортного средства // Сборник трудов конференции «ПУВТ-2010» – Владимир: ГОУ ВПО «ВлГУ им. А.Г. и Н.Г. Столетовых», 2010. – С. 131.

6. Шмаков В.С. Кинематическая модель механика-водителя подвижных объектов с прогнозируемым движением // Вооружение. Технология. Безопасность.

Управление. Материалы IV межотраслевой конференции с международным участием аспирантов и молодых ученых. В 3 ч. Ч.1 – Ковров: ГОУ ВПО «КГТА им.

В.А. Дегтярева», 2009. – С. 273.

7. Кобзев А.А., Шмаков В.С., Зубарева Е.В. Модель механика-водителя транспортного средства как многозвенного скелетона // Труды МНТК «Пятые Уткинские чтения», Санкт-Петербург, БГТУ «ВОЕНМЕХ». – СПБ: (Библиотека журнала «Военмех. Вестник БГТУ», №12), 2011. – С. 131.

Личный вклад соискателя:

[5], [6] плоская кинематическая модель водителя ТС. [3], [7] модель водителя ТС, как экзоскелетона с древовидной структурой. [1], [4] модель транспортной ЧМС. [2] структура и математическое описание верхних и нижних конечностей водителя. [2] приводы суставов как системы с переменной структурой, отражающие специфику физиологии и двигательного аппарата человека. [1] предложен методика исследования транспортной ЧМС в режиме краш-теста. [1], [7] исследование модели ЧМС в режиме краш-теста.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.