авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Разработка и исследование математической модели человеко-машинной системы водитель – транспортное средство – внешняя среда

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 диссертацион ного совета Д 212.025.05 при ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет име ни Алексея Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» по адресу: 600000, г. Влади мир, ул. Горького, д.87, ауд. 335-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВлГУ.

Автореферат размещен на сай тах 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 разработ чиков. 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 транс портного средства;

3) водитель – транспортное средство. Последняя составляю щая отражает активное воздействие водителя на органы управления транспортно го средства, изменяющее параметры движения. В целом это мехатронная полуав томатическая система управления с замыканием главной обратной связи через оператора. В настоящей работе под человеко-машинной системой понимается со вокупность взаимодействующих объектов: трасса - транспортное средство - води тель. Водитель (человек-оператор) в этой системе рассматривается как динамиче ское звено в системе управления, работающий в режиме управления и восприни мающий возмущения со стороны движущегося объекта.

Возрастающая сложность задач управления техническим системами с чело веком-оператором в контуре управления требует учета его особенностей и харак теристик, как динамического звена СУ. Наряду с вопросами управления в транс портных ЧМС важное значение имеют вопросы активной и пассивной безопасно сти 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 транспорт ного средства с манекеном с бетонной преградой (краш-тест). Они продолжи тельны во времени и дорогостоящие, так как разбиваются автомобили и деформи руются 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 за мещения краш-теста представляет имитационное моделирование трех взаимосвя занных 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 ма шин в режиме экстренной или аварийной остановки. Далее в зависимости от рас сматриваемых вопросов используется понятие «водитель», или «человек оператор».

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

Для решения поставленной задачи необходимо рассмотреть и решить сле дующие вопросы:

- определить место рассматриваемой системы в классе ЧМС;

- провести анализ отечественных и международных норм в области актив ной и пассивной безопасности, выбрать критерий оценки безопасности на рабо чем 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 человека оператора;

- разработать математическую модель верхних и нижних конечностей чело века-оператора с учетом его физиологических особенностей в режимах управле ния и восприятия нагрузок;

- разработать математическую модель ЧМС в режиме краш-теста;

- провести исследование математической модели ЧМС в режиме краш теста.

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 автоматиче ского управления, аппарата дифференциальных уравнений и передаточных функ ций, теории графов, математическое моделирование.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработана модель водителя ТС, как экзоскелетона с древовидной струк турой;

- выделены характерные режимы физиологии человека в различных двига тельных 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 краш теста;

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

Практическая ценность работы.

- разработанную модель ЧМС с водителем можно использовать для замеще ния физических испытаний транспортных средств на краш-тест и для оценки без опасности специальных инженерных машин в экстренных и аварийных ситуаци ях;

- сокращение времени оценки пассивной безопасности транспортного сред ства;

- 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 конфе ренциях ВлГУ 2008 - 2011 г.г.;

на научно-технических конференциях: Научно техническая конференция молодых ученых и аспирантов «Вооружение. Техноло гия. Безопасность. Управление», 2010 г., КГТА, г. Ковров;

Международной науч но-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 ра бот, 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 автоматиче ского 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 алго ритмов управления движением и стабилизацией объекта с прогнозированием тра ектории 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 вве дения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 127 наименований. Общий объем работы 146 стр., в том числе содержит 4 табли цы и 52 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе показано состояние и дана классификация человеко машинных систем. Выделены основные группы ЧМС. Среди первых мехатрон ных ЧМС следует выделить системы для работы в агрессивных средах и с радио активными 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 важ ное значение. Характерной системой этого класса является САУ: оператор – лу ноход - трасса движения по лунной поверхности. Значительный вклад в развитие этих систем внесли Петров Б.Н., Болховитинов И.С., Охоцимский Д.Е., Кемур джиан А.Л., Авотин Е.В., Веселов В.С. и др.

Рассматриваемая система водитель – транспортное средство – внешняя сре да при движении и в экстремальных ситуациях относится к классу динамических ЧМС. Укрупненная структурная схема этой ЧМС приведена на рис.1, где обозна чено: F1() - возмущение на ТС при движении от рельефа ;

F2(t) - управляющее воздействие от водителя на ТС через двигатель и движитель и рулевое управле ние;

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, гид равлики, пневматики, прочности, газовой динамики, акустики, термодинамики, химии. При моделировании конкретного расчетного случая поведения ТС или ка кой-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 пас сивной 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 прово дятся 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 – пер вичный и вторичный. Вначале деформируется кузов автомобиля (первичный удар). Кинетическая энергия автомобиля при этом тратится на поломку и дефор мацию деталей. Человек внутри автомобиля продолжает движение по инерции с прежней скоростью. Силы, удерживающие тело человека (мышечные усилия ко нечностей, трение о поверхность сиденья), невелики по сравнению с инерцион ными 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 води теля. 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 антропометри ческого атласа. Проведенный анализ показал, что в работах рассматриваются за дачи динамического анализа и оптимального управления биомехатронных систем реабилитационных устройств конечностей человека, построенных на базе разо мкнутых кинематических цепей, лежащих в основе антропоморфных манипуля торов, а также экзоскелетона-ассистента человека, применимого как для физиоте рапии, так и для перманентного использования. Составлены динамические моде ли биомехатронной системы конечности человека с экзоскелетоном и решена смешанная задача ее динамики. На основании общей математической теории оп тимальных процессов рассматриваются задачи оптимального управления реаби литационных устройств конечностей человека, построенных на базе антропо морфных 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 уменьше нию 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., Ко стюк 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 насто ящее время критерии травмобезопасности представляют по существу только нор мированный уровень замедления головы в динамических испытаниях (80g в тече ние 3 мс). Для оценки степени контакта водителя с рабочей зоной ТС используют точку пересечения контрольной точки колена манекена с контуром интерьера пе редней части салона автомобиля в процессе столкновения и превышению норма тивного усилия на колено над фактическим. При наличии такого пересечения мо жет быть представлена двумя системами нелинейных дифференциальных уравне ний второго порядка, соответствующими первой и второй фазе столкновения ав томобиля 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 (мы шечный привод) учитываются недостаточно для оценки воздействия на скелет и мышечные ткани человека. В моделях не отражены режим и условия излома ко нечностей.

Методика исследования ЧМС включает четыре этапа: 1) составление плос кой кинематической модели водителя;

2) составление и исследование древовид ной кинематической структуры в режиме жесткого удара с внешней средой;

3) расширение древовидной модели путем нагружения ее динамическими составля ющими приводов суставов, отражающими физиологические свойства и особенно сти 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 допу щения: модель представляет собой шарнирно-сочлененный многозвенник с нало женными 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:

b q b q b q R M F1, 11 5 ст 12 6 13 7 1p b21q5 b22 q6 b23 q7 R2 p M ст 2 F2, b q b q b q R M F3, 31 5 ст 32 6 33 7 3p a11q1 a12q2 a13q3 a14q4 R1 M ст1 F1, a q a q a q a q R M F, 211 22 2 233 24 4 ст 2 a31q1 a32q2 a33q3 a34q4 R3 M ст3 F3, a41q1 a42q2 a43q3 a44q4 R4 M ст 4 F, где: qij – обобщенные координаты, Rjk - функции движущих моменты, Mcтl – статические моменты сопротивления, Fv – функции динамических моменты со противления;

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 мо дели ТС - водитель была разработана Simulink-модель, приведенная на рис. 3.

Рис. 3. Компьютерная модель ТС - водитель Проведенные исследования этой модели ЧМС показали ее работоспособ ность. 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 про странственную модель водителя ТС.

Второй этап предусматривает переход к древовидной пространственной модели. Здесь использован подход к описанию кинематической схемы человека оператора, как экзоскелетона с древовидной кинематической структурой на осно ве 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 кинемати ческая структура водителя;

незакреплённость кинематической схемы к непо движному основанию;

наличие внешних связей накладываемых на водителя, ко торые меняются в процессе его движения. Здесь приняты следующие допущения:

звенья оператора абсолютно жёсткие;

связи в сочленениях - голономные. Описа ние кинематической структуры водителя в условиях его непривязанности к непо движному 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 14 Звено Рис 4. Кинематическая структура оператора в виде древовидного направленного графа При описании структуры и записи математической модели приняты следу ющие 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 простран ство с инерциальной системой координат, фиксированной в какой- либо точке этого пространства (абсолютной системой координат);

– нумерация звеньев начинается с 1 и производится по возрастающим номе рам, 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 сочлене ния, такой же, как и у звена, присоединяемого этим сочленением к предыдущему звену.

Для формирования математической модели в блочном виде будем пред ставлять кинематическую структуру исполнительного механизма с помощью мат рицы достижимости. Это квадратная матрица D, каждый элемент которой dij ра вен 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)0 f в D(q)0 n в, где A(q) ( 0 z d ) ((( 0 c ))T m d ( D0 z d ( E ) T ( 0 c )0 z d ) fD fD DT 0 J d D0 z d ) C ( E ) ( 0 z d )T DT m d ( D0 z d ( E ) T ( 0 c )0 z d );

fD B(q, q) ( 0 z d ) {(( 0 c ))T m d [T ( 0 c ) T ( 0 z d q d ) ( D E ) fD fD T (T ( 0 c ) q d 0 z d D T ( 0 c ) ((D E ) 0 z d q) d ) fD fD 2 D T ( 0 z d ( E ) q d ( D E )] DT 0 J d D q d T ( 0 z d ) ( D E ) DT ( D0 z d q) d 0 J d D}0 z d C C ( E ) ( 0 z d )T DT m d [T ( 0 c ) T ( 0 z d q d ) ( D E ) fD 2 D T ( 0 z d ( E ) q d ) ( D E ) T (T ( 0 c ) q d 0 z d D T ( 0 c ) ((D E ) 0 z d q) d )]0 z d );

fD fD C (q) ( z ) ( D E) ( s ) D ( E ) ( 0 z d )T DT ;

0 d T T 0d T D(q) ( 0 z d )T DT ;

0 c d - блочная диагональная матрица векторов, соединяющих начала ос новных 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,..., q N )T – вектор обобщенных координат модели;

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

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

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

1 2 N t diag ( 0 t T, 0 t T,..., 0 t TN )T – блочная диагональная матрица векторов, со 0d 1 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 исследо ваний ЧМС.

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

Для этого проведен анализ физиологических особенностей двигательных функ ций локтевого и плечевого суставов. Движение конечностей осуществляется за счет одновременной работы мышц сгибателей и разгибателей, за счет чего полу чается 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 мо мента в неподвижном, любом угловом положении, работает другая группа мышц (головка миозина). По существу привод сустава работает в трех режимах: 1) дви гательном;

2) сопротивления внешнему моменту;

3) удержания с постоянным мо ментом и стабилизацией углового (линейного) положения. Тогда модель привода представляет систему с переменной структурой, которую можно представить в виде рис.5.

ДМ ИМ КС Pвн р F(р) Fp(t) • signx Квн С W1(р) Fo(t) Fи(t) M F1() + 1/p W0(р) 1/Jp 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 па раллельные подсистемы для позвоночника с шарнирами в виде тазобедренного и плечевого суставов. Голова с шейными позвонками представляет свободное зве но. 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) поло жения;

Wо(р) - передаточная функция интеллектуального модуля формирования управления;

F1() – воздействие транспортного средства, включающее воздей ствие 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 – интеллектуаль ный модуль;

ДМ – двигательный модуль;

КС – костная система с моделью изло ма;

С11 – жесткость механической системы;

bij – коэффициент сухого трения;

Рвн внешнее воздействие.

Особенности структуры: 1) ЧМС представляет полуавтоматическую систе му управления, замкнутую по цепи главной обратной связи через водителя (опе ратора);

2) выделено три основных режима, переключение между режимами осу ществляется интеллектуальным модулем человека-оператора (центральная нерв ная система);

3) переключение между двигательными каналами (W1(р), W2(р)) осуществляется в функции знака скорости выходной координаты;

4) переключе ние на контур режима удержания выполняется в функции сигнала с интеллекту ального модуля и внешнего воздействия;

5) модель излома конечности (кость су става) представлена в виде сочетания нелинейных элементов Fо(t ), Fр(t ), Fи(t), размыкающих механический тракт при превышении действующего на него мо мента. В двигательном режиме в зависимости от требуемого положения осу ществляется переключение между передаточными функциями мышц сгибателей и разгибателей. При возникновении резкого изменения внешнего воздействия про исходит 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 функ ций. Коэффициенты передачи и постоянные времени звеньев выбраны в соответ ствии с их значениями, определяемыми физиологическими особенностями соот ветствующих групп мышц и реакций человека.

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

Рис.6. Компьютерная модель плечевого пояса Исследование модели проводились в указанных выше трех режимах. В ка честве возмущающего воздействия подавались ступенчатые функции с различ ным значением возмущающего воздействия. При этом регистрировались угловые положения суставов, скорости, ускорения и моменты в шарнирах. Адекватность модели оценивалась по соответствию характеристик модели характеристикам че ловека. 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 антропомет рическими характеристиками человека. В модели также учтены ограничения по всем степеням свободы согласно физиологии человеческого тела, а также мышеч ное 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 антро пометрические характеристики водителя соответствующего 50% уровню репре зентативности. Тела между собой связаны шарнирами, ограничивающими их вза имное 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 ка честве возмущающего воздействия внешней среды и ТС на водителя рассматри вались 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 км/ч) показал, что динамические свойства взаимодействия водителя существенно зависят от начальной скорости и массы ТС. Сравнение численных значений пара метров переходного процесса с данными эксперимента показало, что расхождение по величине перерегулирования не превышает 15%. Адекватность модели оце нивалась 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 допу стимое 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 – человек оператор», позволяет на этапе проектирования ТС с помощью методов имитаци онного моделирования осуществлять оценку нагрузки на человека-оператора в экстремальных ситуациях.

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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Показано, что процесс взаимодействия водителя с рабочей зоной движу щегося 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 позво ночника представляют последовательно-параллельную структуру в классе слож ных 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 пе ременной структурой, отражающие режимы работы и специфику физиологии и двигательного аппарата человека.

6. Введены блоки, отражающие эффект перелома костей суставов, в моде лях 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 структу ры в режиме жесткого удара с внешней средой;

3) расширение древовидной моде ли путем нагружения ее динамическими составляющими приводов суставов, от ражающими 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 // Со временные проблемы науки и образования. 2011. №4. ISSN 1817-6321. Электрон ное издание.

2. Кобзев А.А., Шахнин В.А., Шмаков В.С. Анализ взаимодействия системы оператор – рабочая зона оператора в транспортном средстве в экстремальных си туациях // Современные проблемы науки и образования. 2011. №5. ISSN 1817 6321. 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 мо дели динамической системы оператор - рабочее пространство подвижного транс портного средства в экстренных ситуациях // Труды МНТК ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвя щенная 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 объ ектов с прогнозируемым движением // Вооружение. Технология. Безопасность.

Управление. Материалы IV межотраслевой конференции с международным уча стием 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 транс портного средства как многозвенного скелетона // Труды МНТК «Пятые Уткин ские чтения», Санкт-Петербург, БГТУ «ВОЕНМЕХ». – СПБ: (Библиотека журна ла «Военмех. Вестник БГТУ», №12), 2011. – С. 131.

Личный вклад соискателя:

[5], [6] плоская кинематическая модель водителя ТС. [3], [7] модель водите ля 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, отражаю щие специфику физиологии и двигательного аппарата человека. [1] предложен методика исследования транспортной ЧМС в режиме краш-теста. [1], [7] исследо вание модели ЧМС в режиме краш-теста.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

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.