Введение к работе
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 «человек-оператор».
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 человека-
оператора;
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 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 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 краш-теста;
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: Научно-техническая 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:
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».
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.
Похожие диссертации на Разработка и исследование математической модели человеко-машинной системы "водитель - транспортное средство - внешняя среда"
