Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы устойчивости и управляемости колесных машин 14
1.1 Обзор работ в области устойчивости и управляемости колесных машин 14
1.1.1 Оценка устойчивости колесных машин 14
1.1.2 Определение понятия управляемости 23
1.1.3 Критерии и оценочные показатели управляемости 27
1.2 Теории и методики описания взаимодействия пневматического колеса с опорной поверхностью 35
1.2.1 Основные методики описания бокового увода пневматического колеса 35
1.2.2 Современные иностранные модели описания взаимодействия пневматического колеса с опорной поверхностью 45
1.3 Использование спутниковых радионавигационных систем в сельском хозяйстве 57
1.3.1 Принцип функционирования и характеристики спутниковых радионавигационных систем 57
1.3.2 Системы точного земледелия в сельском хозяйстве 60
1.4 Выводы и задачи исследования 64
2 Математические и мехатронные модели для разработки и апробации системы управления движением колесных машин 66
2.1 Механико-математические модели динамических систем 66
2.1.1 Разработка моделей механических систем в CAMeL-View 66
2.1.2 Модель стенда «рулевое управление - передняя подвеска автомобиля» 69
2.1.3 Модель плоского движения экспериментального автомобиля 79
2.1.3.1 Кинематические и силовые соотношения в плоской модели экспериментального автомобиля 79
2.1.3.2 Модель экспериментального автомобиля в CAMeL-View 82
2.1.4. Плоская модель колесного трактора с шарнирной рамой 90
2.1.4.1 Кинематические и силовые соотношения в плоской модели колесного трактора с шарнирной рамой 90
2.1.4.2 CAMel-View-модель колесного трактора с шарнирной рамой в горизонтальной плоскости 93
2.1.5 CAMel-View-модель пневматического колеса в пространственной модели колесной машины 99
2.1.6 Пространственная модель колесного трактора с шарнирной рамой.. 107
2.1.7 Модель машинно-тракторного агрегата в составе колесного трактора и полунавесного плуга 115
2.1.8 Модель шарнирно-соединенной колесной машины 125
2.1.8.1 Дифференциальные уравнения движения колёсной машины в горизонтальной плоскости 125
2.1.8.2 Пространственная модель колесной машины в CAMel-View... 136
2.1.9 Модель гашения вертикальных колебаний колесной машины 148
2.2 Математические модели управления движением колесных машин 159
2.2.1 Управление движением с использованием основных базисных маневров 159
2.2.1.1 Определение закона управления колесной машиной 159
2.2.1.2 Алгоритм определения параметров управляющего воздействия при моделировании движения по задаваемой траектории в CAMeL-View 163
2.2.2 Определение параметров ПИД-регулирования поворотом рулевого колеса 168
2.2.3 Разработка управления движением с использованием ПИ-регулирования 170
2.2.3.1 Алгоритм синтеза ПИ-регулятора с наблюдателем в контуре управления 170
2.2.3.2 Линеаризованная модель трактора в пространстве состояний 172
2.2.3.3 Реализация Пи-регулирования в CAMeL-View 173
2.2.4 Результаты моделирования управляемого движения 175
2.2.4.1 Управление поворотом рулевого колеса 175
2.2.4.2 Пи-регулирование движением колесных машин 179
2.2.4.3. Управление на основе трех базисных маневров 183
2.3 Выводы 190
3 Определение характеристик взаимодействия колес с опорной поверхностью и рабочих органов сельскохозяйственных машин с почвой 192
3.1 Механико-математическая модель колеса для определения деформационной составляющей бокового движения колеса 192
3.1.1 Принятые допущения 192
3.1.2 Определение нормального давления в контакте колеса с основанием 192
3.1.3 Распределение касательных сил в контакте с опорной поверхностью 195
3.1.4 Механическая модель шины 198
3.2 Экспериментальные исследования скольжения и напряжений в контакте шины с опорной поверхностью 204
3.2.1 Исследование проскальзывания протектора шин при действии боковых сил 204
3.2.2 Экспериментальное определение напряжений в контакте шины с опорной поверхностью 217
3.2.3 Методика определения проскальзывания колеса относительно опорной поверхности при действии боковой силы 226
3.3 Определение характеристик взаимодействия колес с опорной поверхностью 231
3.3.1 Характеристики увода при действии боковой силы 231
3.3.2 Зависимости касательной силы тяги от продольного 244
скольжения 244
3.3.3 Экспериментальное определение характеристик увода шины 7,5-20 246
3.3.4 Расчётное определение характеристик силового взаимодействия металлических опорных колес плуга с грунтом 249
3.4 Определение характеристик силового взаимодействия рабочих органов сельхозмашин с почвой 252
3.5 Выводы 258
4 Применение спутниковых радионавигационных систем для управления движением колесных машин 260
4.1 Структура системы управления движением колесной машины 260
4.1.1 Аппаратное обеспечение 260
4.1.2 Программное обеспечение 262
4.2 Экспериментальные исследования управляемого движения 265
4.2.1 Управление поворотом управляемых колес стенда «рулевое управление - передняя подвеска автомобиля» 265
4.2.2 Управление движением экспериментального автомобиля 274
4.2.3 Полевые испытания системы управления движением колесного трактора 279
4.3 Выводы 283
Результаты работы и выводы 285
Литература 288
Приложение А 325
- Современные иностранные модели описания взаимодействия пневматического колеса с опорной поверхностью
- Кинематические и силовые соотношения в плоской модели экспериментального автомобиля
- Методика определения проскальзывания колеса относительно опорной поверхности при действии боковой силы
- Управление поворотом управляемых колес стенда «рулевое управление - передняя подвеска автомобиля»
Введение к работе
Актуальность. Важнейшей задачей сельскохозяйственного производства является обеспечение дальнейшего роста производительности труда на всех операциях по возделыванию сельскохозяйственных культур при сохранении высокого качества выполнения работ.
Возмущения со стороны микрорельефа опорной поверхности, действие сил инерции при криволинейном движении, продольный и поперечный наклоны опорной поверхности вызывают отклонение колёсных мобильных машин от задаваемого направления движения. При этом ухудшается качество почвооб- работки вследствие образования огрехов, при междурядной обработке повреждаются растения, при опрыскивании гербицидами увеличивается их расход из- за перекрытия зон опыления и происходит отравление растений при передозировке. Отклонение от задаваемой траектории движения вызывает увеличение пройденного пути при почвообработке или уборке урожая, происходит образование клиньев в конце обработки поля. Повышение скорости движения вызывает увеличение отклонений от задаваемого направления движения, водитель не успевает реагировать должным образом на возмущения, и вынужден снижать скорость, что ведет к снижению производительности труда.
При колебаниях происходит отклонение вектора скорости рабочих органов от их продольной оси, вследствие чего происходит увеличение тягового сопротивления и расхода топлива. Проведенные с участием автора испытания рабочего органа КПГ-2,2 при отклонении продольной оси от направления движения на 6 градусов показали увеличение на 5-8 % продольной и поперечной составляющих главного вектора сил почвенного воздействия.
Вышеперечисленные негативные моменты, вызванные отклонениями машинно-тракторных агрегатов от задаваемой траектории движения, увеличивают расход топлива, время выполнения работ, психомоторные затраты водителя.
Эффективность использования колесных машин может быть повышена путем улучшения их устойчивости и управляемости. Эта цель может быть достигнута за счет выбора рациональных конструктивных и эксплуатационных параметров, применением тягово-сцепных устройств улучшенной конструкции, снижением уровня вертикальных колебаний. Результаты полевых испытаний и контрольных смен трактора Т-150К с культиватором КТС-10-01 при использовании тягово-сцепного устройства Алтайского политехнического института, проведённые Поспелихинской МИС, показали, что происходит снижение среднеквадратичных отклонений курсовых углов трактора на 15-26 % и культиватора на 18-34 %. Это повышает скорость движения на 2, 8 %, производительность труда за час основного времени на 2, 6 %, снижает расход топлива на 3 %. Снижение среднеквадратичных отклонений курсовых углов трактора Т-150К на 12-30 % и плуга ПЛ-5-40 на 14- 28 % позволило понизить удельный расход топлива на 1, 73 кГ/га.
Одним из наиболее эффективных средств повышения устойчивости и управляемости движения является разработка и внедрение систем точного земледелия, позволяющих осуществлять управление движением без участия водителя. Системы точного земледелия, использующие GPS- навигацию, получили широкое распространение в странах западной Европы и Америки, начато их использование в России с техникой иностранного производства. В многочисленных публикациях отмечается их высокая эффективность при выполнении сельскохозяйственных работ, особенно при работе широкозахватной техники. Использование систем прецизионного земледелия дает экономию топлива до 20 %, удобрений и гербицидов до 30 % . Однако применение зарубежных систем автоматического управления движением, в частности систем подруливания, на технике отечественного производства затруднено вследствие большого сопротивления повороту рулевого колеса. Система воспринимает это как вмешательство человека в управление и отключается. Также следует отметить высокую для отечественного потребителя стоимость зарубежных систем прецизионного земледелия. Присутствующие на рынке системы параллельного вождения отечественного производства позволяют водителю управлять движением по курсоуказателю экрана, однако отсутствуют системы, обеспечивающие движение колесных машин без участия водителя.
В Концепции развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года, утвержденной приказом N 342 Минсельхоза России от 25 июня 2007 года, одним из основных направлений фундаментальных и приоритетных прикладных исследований аграрной науки в области механизации, электрификации и автоматизации, является создание научных основ для разработки техники нового поколения с использованием робототехники для реализации высокоэффективных технологий производства приоритетных групп сельскохозяйственной продукции.
Следовательно, проведение исследований, ставящих целью создание отечественных систем управления движением колесными мобильными машинами в агропромышленном комплексе, является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности использования мобильных колесных машин на основе улучшения их устойчивости и управляемости, обеспечиваемых функционированием разработанной электромеханической системы управления движения.
Цель достигается:
-
-
Разработкой механико-математической модели динамической системы «опорная поверхность - шина - колесная машина - система управления движением».
-
Математическим моделированием управляемого движения колёсных машин.
-
Экспериментальными исследованиями скольжения и напряжений пневматических шин в контакте колеса с опорной поверхностью для разработки механико-математической модели шины. Определением характеристик силового взаимодействия рабочих органов с почвой.
4. Созданием электронно-механической системы автоматического управления, использующей спутниковую радионавигационную систему, и проведением её полевых испытаний.
Объект исследования - мобильные колесные машины.
Предмет исследования - процессы взаимодействия звеньев динамической системы «опорная поверхность - шина - колесная машина - система управления движением».
Методы исследования. Математическое моделирование с использованием аналитической механики, дифференциального и интегрального исчисления, дифференциальных уравнений, численных методов решения дифференциальных уравнений. Использовались визуальные объектно-ориентированные пакеты MATLAB R2009b, MATLAB-SIMULINK, CAMeL- View R 6.6. Экспериментальные исследования проводились в полевых условиях и на лабораторных стендах с использованием современной измерительной аппаратуры, оснащенной прикладным программным обеспечением.
Научная новизна исследований.
-
-
-
При разработке модели системы «опорная поверхность - шина - колесная машина - система управления движением» использован современный мехатронный принцип построения динамических систем, позволяющий воспроизвести пространственную, динамическую, многосвязную, регулируемую систему с использованием основных положений механики, электроники и теории регулирования. В отличие от широко распространенных механико- математических моделей колесных машин, полученных с использованием уравнений Лагранжа 2 рода, произведено описание внутреннего силового взаимодействия между телами системы, что максимально приближает модель к реальному объекту и позволяет вводить внутренние силы и моменты для осуществления движения колесных машин, регулирования и управления. Модели реализованы в виде программ для ЭВМ и зарегистрированы в Государственном реестре.
-
При расчёте системы управления движением колёсной машины, как многосвязного объекта с неполной информацией о состоянии, использовались методы пространства состояний, в частности наблюдатель.
-
Предложен метод снижения уровня вертикальных колебаний, основанный на использовании масс отдельных узлов колёсных машин в качестве динамических гасителей колебаний. Разработаны математические модели для определения оптимальных параметров гасителей.
-
В математическом описании модели для определения стационарных силовых характеристик шин использованы новые, полученные на основании экспериментальных исследований, закономерности скольжения протектора и распределения напряжений в контакте шины с опорной поверхностью. При проведении экспериментов использовались устройства, новизна и оригинальность которых подтверждена авторскими свидетельствами и патентами РФ. Математическая модель пневматического колеса, как составная часть динамической системы «опорная поверхность - шина - колесная машина - система управления движением», определяет главный вектор и главный момент силового взаимодействия с опорной поверхностью при неустановившемся движении и одновременном действии продольных и поперечных сил. Учитываются действие микрорельефа опорной поверхности и наклон плоскости обода колеса.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
-
-
-
-
Механико- математические модели колесных машин позволяют заменить часть дорогостоящих полевых экспериментов математическим моделированием, используются для создания математических моделей управления движением. Созданные динамические модели позволяют производить оценку эффективности разработанных систем управления и конструктивных мероприятий по улучшению устойчивости и управляемости, определять энергетические показатели работы машинно-тракторных агрегатов.
-
Разработанная система управления движением может обеспечивать движение по заданной траектории с большой точностью без участия водителя. Это позволяет значительно снизить уровень колебаний машины и отклонений от задаваемой траектории, что сокращает пройденный путь, снижает тяговое сопротивление сельскохозяйственных машин, расход топлива, уменьшает энергозатраты водителя на управление, повышает качество выполнения технологических операций.
-
Модель расчетно-эмпирического определения характеристик пневматических шин и динамическая модель колеса позволяют определять силы и моменты в контакте с опорной поверхностью для шин любых типоразмеров. Методики и результаты расчетного и экспериментального определения характеристик пневматических шин внедрены в ПФ НАТИ, Челябинском заводе автотракторных прицепов, Красноярском заводе прицепов в расчетно- конструкторской работе и при составлении отраслевых рекомендаций.
-
Конструкция стенда для испытаний шин отмечена дипломом 1 степени ВДНХ Алтайского края. Стенд для испытания пневматических шин и устройства для определения деформаций и скольжений шины внедрены в АлтГТУ и используются при проведении НИР «Механико-математическая модель пневматической шины для исследования устойчивости и управляемости колёсных машин», «Разработка теоретических основ для повышения устойчивости управляемого движения колесных мобильных машин» и в учебном процессе на кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство».
-
Результаты научных исследований по теме диссертации были применены на кафедре техники регулирования и мехатроники технического университета г. Падерборн (Германия) при разработке полноприводного экспериментального автомобиля «Хамелеон» со всеми управляемыми колесами, предназначенного для апробации новейших технологий и активного управления системами с целью повышения устойчивости движения, управляемости и комфорта.
-
Разработанная экспериментальная система управления движением с использованием GPS - навигации была применена для управления движением экспериментального автомобиля, трактора К-701, прошла полевые испытания в крестьянском хозяйстве Алейского района Алтайского края. Результаты экспериментов подтвердили её работоспособность.
7. Исследования по теме диссертации проводились по заданию Федерального агентства по образованию в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы. Мероприятие № 1».
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях АлтГТУ, СибАДИ, ЧИМЭСХ, ЧПИ, ПФ НАТИ, СибИМЭ, на Всесоюзной конференции «Проблемы шин и ре- зинокордных композитов» (г. Москва, НИИШП, 1989 г.), 3 Всесоюзном симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов. Нелинейность и нестационарность» (г. Москва 1991 г.), международной научно-технической конференции «Совершенствование рабочих органов сельхозмашин и агрегатов» (г. Барнаул, 1994 г.), 6 симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов. Математические методы в механике, конструировании и технологии» (г. Москва, НИИШП, 1995 г.), 10 Симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов. Десятый юбилейный симпозиум» (г. Москва, НИИШП, 1999 г.), 2 Международной конференции «Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов» (АГТУ, г. Барнаул , 2000 г.), 4-й международной научно - практической конференции «Прогрессивные технологии развития» ( г. Тамбов, 2007 г.), 5 международной научно-технической конференции «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России» (г. Пенза, 2008 г.), международной конференции «Современные проблемы науки. Теория и практика агропромышленного комплекса» (г. Тамбов , 2008 г.), 2 Международной научно- практической конференции «Интеграция науки и производства. Теория и практика агропромышленного комплекса» (г. Тамбов, 2009 г.), на семинарах кафедры динамики автомобилей (Fachgebiet Fahrzeugteehnik) технического университета г. Дармштадт (Германия) и кафедры техники регулирования и мехатрони- ки (Lehrstuhl fuer Regelungstechnik und Mechatronik) технического университета г. Падерборн (Германия) во время прохождения автором научной стажировки по линии ДААД в 1999 и 2006 годах.
На защиту выносятся следующие результаты:
-
-
-
-
-
Динамическая модель системы «опорная поверхность - шина - колесная машина - система управления движением», реализованная в виде меха- тронных моделей колесного трактора, экспериментального автомобиля, пахотного колесного машинно - тракторного агрегата, шарнирно-соединенной колесной машины и стенда «рулевое управление - передняя подвеска».
-
Математические модели управления движением с использованием базисных маневров и ПИ-регулирования с наблюдателем в контуре управления, результаты моделирования управляемого движения колесных машин.
-
Система автоматического управления движением колесных машин с использованием GPS- навигации и прикладное программное обеспечение, обеспечивающее взаимодействие разработанной системы с аппаратурой.
-
Механико-математическая модель шины для определения стационарных характеристик взаимодействия пневматического колеса с основанием и динамическая модель для определения сил и моментов в контакте при неустановившемся боковом и продольном движении колеса.
-
Результаты экспериментальных исследований пневматических шин, рабочих органов почвообрабатывающих машин, лабораторных и полевых испытаний системы управления движением.
-
Комплекс экспериментального оборудования для испытания шин, стенд «рулевое управление - передняя подвеска», аналоговая и цифровая аппаратура для управления движением с использованием систем глобального позиционирования.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 53 научных работах, в том числе: 7 статей из перечня ВАК для докторских диссертаций, 4 авторских свидетельства, 4 патента РФ, монография, 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, результатов работы и выводов. Текст диссертации изложен на 315 страницах машинописного текста, включает 205 рисунков, 346 наименований литературы, приложения.
Современные иностранные модели описания взаимодействия пневматического колеса с опорной поверхностью
И. К. Пчелиным [209] составлены уравнения кинематических связей при торможении с уводом и со скольжением. Уравнение, описывающее взаимосвязь кинематических и жесткостных параметров в поперечном и продольном направлениях содержит большое число корректирующих коэффициентов, учитывающих изменение коэффициентов сцепления в зависимости от скорости качения и скольжения шины в поперечном и продольном направлениях. В данном уравнении помимо жесткостных параметров шины, обычно применяемых при составлении уравнений неголономных связей, введен коэффициент сопротивления боковому уводу при экстремальной вертикальной нагрузке. Ввиду громоздкости уравнение не приводится.
Уточнения уравнений неголономных связей, связанные со скольжением, не устраняют, однако их основного недостатка - повышения порядка системы дифференциальных уравнений движения (за исключением методики, изложенной в [63]).
Второе направление по исследованию увода основывается на гипотезе Рокара [213], согласно которой боковая сила принимается пропорциональной углу бокового увода Py=KyS, где Ку - коэффициент сопротивления боковому уводу. Известно множество работ, посвященных определению коэффициента сопротивления боковому уводу и установлению характера зависимости его от вертикальной нагрузки и давления воздуха в шине [20, 29, 30, 36, 55, 68, 83, 105, 104, 128, 204, 206, 211,244, 258 и другие]. Основным недостатком гипотезы Рокара является то, что она не отражает всего многообразия нелинейных форм взаимосвязи колеса с опорной поверхностью. В большинстве случаев она использовалась для описания установившегося движения. Д. А. Антоновым [14, 13] разработана нелинейная гипотеза бокового увода. Суть ее заключается в том, что производится коррекция экстремального значения коэффициента сопротивления боковому уводу по вертикальной нагрузке. Реакция опорной поверхности определяется выражением где - экстремальное значение коэффициента сопротивления боковому уводу. Общий коэффициент коррекции q представляет собой произведение частных коэффициентов коррекции qi, учитывающих различные условия качения колеса Предлагаются аналитические выражения для определения частных коэффициентов коррекции q,. Из анализа данных выражений можно сделать вывод, что для определения q необходимо располагать значительным объемом экспериментальных данных по жесткостным характеристикам шин и по физико-механическим свойствам опорных поверхностей. Это является одним из наиболее существенных недостатков изложенной теории. Широкое распространение для исследования увода получило так называемое модельное направление. Основной целью, которую преследовали ученые при разработке моделей, было получение аналитических зависимостей между боковой силой и углом увода колеса, а также выражений для определения стабилизирующего момента. В большинстве случаев принимается, что коронная часть шины лежит на упругом основании. В модели "балка на упругом основании" [257] коронная часть шины рассматривается как балка, поддерживаемая упругими стенками шин, которые выполняют функцию упругого основания. Для определения поперечной деформации шины применяется дифференциальное уравнение изгиба бесконечной: балки на упругом основании где EJ — изгибная жесткость балки; к - жесткость упругого основания; q - поперечный прогиб; P(S) - интенсивность поперечной нагрузки. Данная модель применялась Фиалой для получения выражений боковой силы и стабилизирующего момента. Следует отметить, что все расчеты основывались на том, что угол наклона экваториальной линии к плоскости обода есть угол увода, и деформация шины происходит лишь в зоне контакта. Кроме того, изгиб коронной части определялся при действии сосредоточенной боковой силы, что в общем случае неточно. Исходя из этого, можно сделать вывод, что расчет боковой силы о данной методике может быть произведен с небольшой погрешностью лишь для малых углов увода, когда поперечное скольжение шины еще незначительно. В модели "нить на упругом основании", предложенной Темпле и Фон Шлиппе [44], принимается, что протекторный пояс шины эквивалентен натянутой струне, сжимаемой поперечными прулшнами, представляющими собой стенку шины. Опорой этих пружин является обод колеса. Как и в модели "балка на упругом основании" принимается, что при действии боковой силы угол наклона экваториальной линии к плоскости обода колеса равен углу увода, т. е. предполагается, что скольжение отсутствует. Боковая сила и стабилизирующий момент определяются через постоянные величины Ку (поперечная жесткость шины), 1Y (длина релаксации) и lt (длина контакта). По методу Темпле боковая сила определяется интегрированием поперечной силы, действующей на шину со стороны опорной поверхности. Способ же Фон Шлиппе заключается в том, что боковая сила определяется интегрированием поперечной силы, действующей на обод через шину по всей ее периферии, включая длину контакта. Недостатком данной модели является то, что она основывается на отсутствии поперечного проскальзывания и приемлема с некоторыми допущениями лишь для малых углов увода.
В модели "щетка" [108, 321] колесо представляется в виде жесткого цилиндра, по боковой поверхности которого расположено бесконечное число радиальных упругих стержней, имеющих заданные приходящиеся на единицу площади протектора продольную Сх и поперечную Су жесткости. Обычно жесткости Сх и Су принимаются равными. Считается, что необходимые упругие свойства шины обеспечивают элементы протектора, моделируемые упругими стержнями. При этом принимается, что шина деформируется лишь в области контакта. Данная модель применялась при рассмотрении качения колеса при-одновременном действии продольных и поперечных сил [67].
Следует отметить, что распространение поперечной деформации шин за пределы контакта происходит даже при действии незначительных боковых сил, поэтому применение данной модели может привести к погрешности при определении выходных характеристик колеса.
Кинематические и силовые соотношения в плоской модели экспериментального автомобиля
Информация о характеристиках движения объекта может быть получена при помощи приемников спутниковой радионавигационной системы (ПСРНС), получающих все большее распространение в последние годы [229].
Спутниковая радионавигационная система (СРНС) представляет собой комплекс технических средств, состоящий из трех сегментов: орбитальной группировки навигационных космических аппаратов, наземного комплекса управления и навигационной аппаратуры пользователей системы. Основными требованиями, которыми должна удовлетворять СРНС, являются: глобальность, независимость от гидрометеорологических условий, от подстилающей поверхности, рельефа, окружающей растительности, застройки, времени суток и года, непрерывность, помехозащищенность, доступность, высокая надежность, точность определения навигационных параметров и времени [229].
В настоящее время в мире существует две системы спутниковой радионавигации - это ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) и GPS NAVSTAR (Global Positioning System). По своим техническим характеристикам эти системы во многом схожи. Использование приемников ГЛОНАСС часто затруднительно из-за недостаточного количества НКА, развернутых в орбитальную группировку.
Существующие приемники, использующие одновременно системы ГЛОНАСС и GPS обеспечивают несколько большую точность, чем приемники, использующие одну систему, однако стоимость таких приемников выше, чем приемников системы GPS. Имеется возможность значительного повышения точности работы приемников GPS за счет использования дифференциального режима работы, например путем применения стационарно установленных наземных маяков, подающих дополнительные сигналы на приемники.
GPS содержит 24 спутника, находящихся по 4 на 6-ти орбитах высотой около 20200 км над поверхностью Земли с наклоном 55 к плоскости экватора. В любой точке Земли приемник GPS может принимать радиосигналы с НКА. Число спутников, передающих информацию на приемник зависит от окружающей обстановки и может достигать 12-ти. Прием ухудшается в лесу, в окружении зданиями и другими предметами, затрудняющими прохождение радиоволн.
Для уверенной работы приемника необходима уверенная связь с числом спутников не менее четырех. Точность работы системы возрастает с увеличением мощности сигнала, принимаемого от спутника и с увеличением числа спутников. На основании информации, содержащейся в сигналах спутников, приемник определяет местоположение в пространстве (трехмерные координаты), скорость движения и точное время. Возможна совместная работа ПСРНС с персональным компьютером в режиме реального времени, что существенно расширяет функциональные возможности навигации.
В последние годы все большее применение находят СРНС в сельскохозяйственном производстве [339] при решении задач наблюдения, землеустройства, организации землеиспользования, для точных работ во время сева и обработки посевных площадей, при внесении удобрений. Синтезируются алгоритмы предсказания траектории, визуализации внешних условий при использовании картографических данных. Для проведения сельскохозяйственных работ выпускается специализированная аппаратура, позволяющая создавать карты сельхозугодий, размечать маршруты, составлять навигационную сеть [229].
Основное влияние на точность работы приемника спутниковой радионавигационной системой (ПСРНС) оказывает число спутников, от которых поступают сигналы, и мощность сигнала, поступающего от каждого спутника: Из общего числа спутников 24, максимально возможное число спутника с которыми может быть установлена связь, является 12. С увеличением числа спутников точность определения текущего местоположения увеличивается.
Нахождение между спутником и; антенной ПСРНС объектов, затрудняющих прохождение радиоволн, может препятствовать уверенному приему. Для частот, применяемых в ПСРНС, такими; объектами являются здания; деревья, стекла, туннели и т. п. Возможен прием отраженного от внешних объектов от внешних объектов сигнала, что также влияет на качество связи.
С целью получения данных о влиянии препятствий на качество принимаемых сигналов были проведены исследования. Определялись характеристики работы приемника GPS III PLUS фирмьг «GARMTN» с наружной антенной: Питание напряжением 12 В прибор получал от бортовой сети. Внешняя, антенна устанавливалась на крыше автомобиля.
Оценка уровня приема производилась по числу спутников, от которых поступали сигналы и мощности получаемого сигнала от каждого спутника. Были получены следующие результаты.
В лесной местности (деревья — сосны) при расстоянии до ближайших деревьев около 3 м возможен прием сигналов от 4...8 спутников, суммарная мощность сигналов составляет 50...80 % от максимально возможной для данного числа спутников. Наилучшие условия приема в утренние часы, во второй половине для числа взаимодействующих с приемником спутников уменьшается до 50 %. На открытой местности условия приема наилучшее - число спутников 9... 11, мощность сигналов - 85...95 % от максимально возможной. Заметного изменения условий приема от времени суток отмечено не было. Точность определения местоположения зависела от числа спутников, взаимодействующих с приемником и мощности сигналов. Если принять наименьшую полученную погрешность за 100 %, то на открытой местности в течение дня эта погрешность составляла 100...200 %, для лесной местности значения погрешности были в пределах 170.. .300 %.
При нахождении ПСРНС среди городской застройки все характеристики приема зависели от высоты зданий и расстояния их до ПСРНС. В целом можно считать, что при увеличении высоты окружающих зданий и сокращения расстояния между зданиями и ПСРНС характеристики приема были близки к характеристикам приема в лесной местности. И, наоборот, при снижении этажности застроек, увеличении расстояния до ПСРНС характеристики приема были близки к характеристикам приема в условиях открытой местности.
Использование внутренней антенны, установленной на корпусе приемника, (приемник находится вблизи ветрового стекла внутри салона) вместо наружной приводило к снижению мощности принимаемых сигналов и числа спутников, от которых принимались сигналы, на 10...30 %.
Методика определения проскальзывания колеса относительно опорной поверхности при действии боковой силы
Одним из этапов создания системы управления является разработка ее математической модели и математическое описание с использованием теории автоматического управления. Для разработки управления в инженерной практике применяются пакеты расширения MATLAB (Simulink, Control System Toolbox, NSD Blockset). Их использование предполагает наличие математических моделей колесных машин в матричном виде. Следует отметить, что возможно получение системы дифференциальных уравнений, описывающих поведение колесной машины, традиционными методами с использованием уравнений Лагранжа 2 рода на основании расчетной схемы. Однако для случая системы с несколькими степенями свободы (например, рассмотрение движения шар-нирно-сочлененной машины в пространстве) эта задача существенно усложняется и увеличивается вероятность ошибки в аналитических расчетах. Кроме всего прочего желательна проверка эффективности разработанного управления при моделировании рабочего движения колесной машины. При этом математическая модель колесной машины должна быть адекватна - учитывать взаимодействие её отдельных составных частей друг с другом и с опорной поверхностью. При выполнении этих требований происходит появление дополнительных степеней свободы и усложнение модели. Развитие вычислительной техники и современного прикладного объектно-ориентированного программного обеспечения позволяет произвести разработку модели колесной машины, как мехатроннои системы, состоящей из отдельных частей. Такие возможности предоставляют специализированные пакеты Matlab-SimMechanik, CaMEL-View, Dymola и другие.
Прикладной пакет CaMEL-View, разработанный специалистами фирмы iXtronics GmbH (Падерборн, Германия), использует идеологию визуального объектно-ориентированного программирования и предназначен для создания моделей различных механических систем, их анализа и оптимизации [297]. Для составления моделей в пакете используются собственная библиотека объектов, позволяющая описывать отдельные тела системы, их механические связи между собой, производить математическое описание их взаимодействия. Моделируемая механическая система представляется как совокупность отдельных тел RigidBody, соединяемых при помощи сочленений Joint.
Для тела имеется возможность задавать его массово-геометрические характеристики (массу, тензор инерции). В качестве входа для тела могут быть применены силы и моменты, приложенные в центре масс тела или портах (точках тела). Положение портов задается переменными, описывающих их положение относительно центра масс тела и поворот координатной системы порта относительно системы отсчета, жестко связанной с центром масс тела. Выходами для тела являются его кинематические параметры — линейное ускорение в инерциальной системе отсчета, линейные и угловые скорости в различных системах отсчета, текущие координаты. Кинематические и силовые параметры могут быть определены в инерциальной системе отсчета Ics, связанной с центром масс Bcs и добавленной в произвольной точкой тела Acs.
Сочленение Joint определяет тип связи между телами. Его можно представить его в общем случае, как пространственную пружину с задаваемыми жесткостью и демпфированием в направлениях осей X, Y, Z и угловыми-жесткостью и демпфированием при угловых деформациях относительно осей. Сочленение может быть двух типов — кинематическое и динамическое. При соединении тел кинематическим JointoM есть возможность обеспечить свободное (линейное или угловое) перемещение тел в желаемых направлениях. Таким образом, можно описать любой тип связи между телами (сферический или цилиндрический шарниры в пространстве, на плоскости и т. д.). Силы взаимодействия в высвобождающемся направлении для кинематического Jointa описываются при помощи математического блока StateSpace. Обычно при описании сил применяются кинематические выходы тела и задаваемые параметры. Если применяется динамический Joint, то генерация сил упругого взаимодействия происходит автоматически с использованием задаваемых в блоке коэффициентов жесткости и демпфирования.
Механический блок AktuatorClass выполняет две функции - определяет относительные линейные и угловые перемещения и скорости- двух тел;, соединенных при помощи сочленений Joint, и позволяет вводить между ними,силы, и моменты внутреннего взаимодействия. Перемещения, скорости, силы и моменты определяются в системе координат порта актуатора Л. Кинематические параметры (перемещения, скорости) являются входами, а силовые (силы и моменты) - выходами этого блока. В отличие от блока описания твердого тела актуа-тор имеет только два порта Л и J2 типа BodyAtpMbs, которые могут быть соединены с портами типа PairAtpMbs соединяемых тел.
Математический блок StateSpace позволяет производить математические вычисления, применять программирование с использованием объектного языка программирования Objective-DSS, основой которого является язык Smalltalk. При программировании и вычислениях используются задаваемые в блоке параметры и его входы. В качестве входов могут быть скалярные, векторные величины, матрицы. При составлении топологической схемы модели обычно выходы твердого тела соединяются с входами StateSpace, имеющими одинаковую размерность (становятся её- входами). Таким образом, кинематические параметры тела могут быть использованы при вычислениях в StateSpace. Выходами блока являются векторные, скалярные величины, матрицы. Довольно часто при разработке мехатронных моделей в качестве выходов StateSpace являются векторы сил и моментов взаимодействия тел системы, которые подаются на входы тел.
Вышеперечисленные блоки являются наиболее важными для составления моделей (не умаляя значимость остальных библиотечных модулей). В состав библиотеки объектов входят также блоки таблиц, источники сигналов различной формы, цифровые фильтры, блоки регуляторов, передаточных функций и т. д. Применение библиотеки объектов позволяет создавать модели механических систем различной сложности с использованием элементов управления и регулирования.
Встроенное в CAMeL символьное ядро позволяет по составленной из библиотечных модулей топологической схеме модели генерировать её математическую модель, представляющую собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) первого порядка в форме Коши. Пакет включает в себя также элементы линейного анализа - определение собственных значений матрицы управления, получать фазовую и амплитудно-частотную характеристики системы, производить линеаризацию модели в заданной окрестности. Имеется возможность экспорта модели в MATLAB-Simulink в виде модельного файла для дальнейшего его использования при разработке системы управления и генерации си-кода для использования модели при лабораторных испытаниях в режиме реального времени.
Управление поворотом управляемых колес стенда «рулевое управление - передняя подвеска автомобиля»
На вход блока tireKinematics в процессе моделирования подаются текущие значения координат центра масс posOs, угловой скорости omega, скорости центра масс velTirePatch обода колеса в проекциях на инерциальные оси. Трансформационная матрица oriTirePatch содержит значения косинусов углов, составляемых осями подвижной системы координат, связанной с вращающимся колесом, с осями инерциальной системы отсчета (направляющие косинусы).
Используя операции векторного и скалярного произведения векторов кинематических характеристик обода колеса, определяются величины проекций скорости на направления осей, одна из которых проходит вдоль плоскости обода в горизонтальной плоскости, вторая перпендикулярно ей (вдоль оси вращения колеса).
По проекциям скорости определяется угол отклонения вектора скорости центра колеса от плоскости его обода (угол увода); Угол увода определяет боковую силу, действующую на колесо со стороны опорной поверхности.
Одним из функций,блока tireKinematics является определение продольного скольжения, по величине которого просчитывается продольная сила..Продольное скольжение определяется как отношение скорости проскальзывания контакта колеса относительноюпоры к величине проекции скорости; центра колеса на направление плоскости обода при его качении без скольжения при текущей угловой скорости колеса.
По текущим значениям координаты Z центра, колеса, углов наклона плоскости обода (трансформационная матрица oriTirePatch) и вектора возмущений-со стороны опорной поверхности zAnregung получаем значения динамического радиуса колеса,и величину вертикальной деформации шины. Величина динамического радиуса используется дляь определения продольного скольжения колеса и является входным параметром блока TireForcesMoments, определяющего проекции главного вектора и главного момента сшт со стороны опорной поверхности. Вертикальная: деформация:используется в модели для- определения: вертикальной силы в контакте и; является входом для блока RoadForce. Вертикальная сила принимается пропорциональной величинам вертикальной деформации и скорости ее изменения.
Зависимости боковых и продольных сил для различных значений вертикальной нагрузки, углов увода.и продольного скольжения при установившемся боковом и продольном движениях колеса определены расчетным путём, (глава 3) и занесены в 3D табличные блоки tjag_charaktetristiki (продольная сила) и bokowaja_sila ( боковая сила). На вход табличных блоков подаются текущие значения вертикальной нагрузки на колесо и значений продольного скольжения (для блока tjag_charaktetristiki) и угла увода (для блока bokowaja_sila), выходами являются текущие значения сил для установившегося движения колеса.
В действительности при изменении угла поворота управляемого колеса или слома рамы колесного трактора происходит запаздывание роста сил - некоторое время происходит нарастание силы до установившегося значения. Для учета этого явления - неустановившегося увода (или неустановившегося продольного скольжения) выходы блоков боковой и продольной сил соединены с входами интегрирующих блоков РТ1 Controller, на выходе которых получается реальное значение сил.
На вход блока TireForcesMoments подаются значения сил, определенных в проекциях на оси координат, связанных с ободом колеса. При использовании значений выхода блока tireKinematics производится их пересчет в инерциаль-ной системе отсчета.
Для проверки адекватности модели шины пневматического колеса было проведено моделирование движения трактора К-701 при маневре смены полосы влево по движению. Закон изменения-угла слома рамы трактора К-701 изображен на рисунке 2.22.
Полученные траектории движения центров масс передней и задней частей трактора (рисунок 2.23) соответствуют действительному движению трактора при выполнении данного маневра, что говорит об адекватности модели реальной шине колеса трактора.
На рисунке 2.24 и 2.25 представлены законы изменения углов увода и боковых сил передних колес трактора при смене полосы движения. Положительным считается угол увода, отсчитываемый от плоскости обода колеса против часовой стрелки. Ось, перпендикулярная плоскости обода колеса, направлена влево по движению трактора и совпадает при прямолинейном движении трактора вперед с положительным направлением оси Y инерциальнои системы отсчета. Углы увода и боковые силы внутреннего к центру поворота колеса больше, чем у внешнего колеса, что согласуется с результатами рассмотрения кинематики поворота колесной машины и еще раз подтверждает адекватность модели.
При криволинейном движении трактора происходит перераспределение вертикальных реакций на колесах, обусловленное действием инерциальных сил. Происходит увеличение вертикальной силы на внешнем от центра поворота колесе и уменьшение на внутреннем (рисунок 2.26). На рисунке 2.27 изображено изменение боковой силы неустановившегося (реальная сила) и установившегося увода переднего левого колеса при смене трактором полосы движения. Из рассмотрения заметно отставание реальной боковой силы от расчетного значения при установившемся боковом уводе, описываемой формулой Пасей-ки.
Похожие диссертации на Повышение эффективности использования колесных мобильных машин в АПК на основе улучшения их устойчивости и управляемости
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
