Формирование закона управления углом поворота рулевого колеса для поддержания заданной траектории движения автомобиля

Введение. Объектом исследования является система управления изменением траектории движения автомобиля. Предмет исследования – способы поддержания заданной траектории движения автомобиля на основе метода расчёта динамики твёрдых тел. Исследование влияния трансмиссии и подвески на изменение траектории движения автомобиля не рассматривается и выходит за рамки данной статьи.

Цель исследования – разработать модель управления изменением траектории движения автомобиля на примере двухосного полноприводного грузового автомобиля, включающую подсистемы – трансмиссию, систему подрессоривания и рулевое управление.

Методология и методы. Транспортное средство описывалось как система твёрдых тел, связанных шарнирами и силовыми взаимодействиями из библиотеки типовых элементов программного комплекса. По данному описанию системы программный комплекс автоматически формировал системы уравнений движения и связей. Решение уравнений производилось при помощи неявного численного метода с переменным шагом и с автоматическим контролем точности.

Результаты и научная новизна. В работе рассматривается формирование закона управления углом поворота рулевого колеса для поддержания заданной траектории движения. Приводятся подробное описание разработанной упрощённой модели управления и аналитические зависимости – для настройки параметров модели. Показан пример выбора коэффициентов для её настройки, предложены рекомендации для других типов расчётных режимов. В работе выполнен расчёт одного расчётного случая, соответствующего переставке автомобиля с последующим возвращением в первоначальную полосу движения. На этом примере доказана адекватность работы модели.

Практическая значимость. Разработанная математическая модель может использоваться в системах расчёта динамики твёрдых тел при моделировании автомобилей, управляемых водителем, беспилотных автомобилей и адаптивных систем помощи водителю. Динамические модели используются для расчёта нагрузок на несущую систему автомобиля, детали систем подрессоривания и рулевого управления и т.п.

1. Гинцбург Л.Л. Устойчивость и управляемость автомобиля. Виртуальный анализ. – М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2013. – 272 с.

2. Жилейкин М.М., Шинкаренко В.А. Качественный анализ методов повышения управляемости и устойчивости колёсных машин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2015. – № 1. С. 42–48.

3. Гладов Г.И., Петренко А.М. Специальные транспортные средства. Теория. – М.: Академкнига, 2006. 215 с.

4. Горелов В.А. Математическое моделирование движения многозвенных колёсных транспортных комплексов с учётом особенностей конструкций сцепных устройств // Наука и образование: научное издание МГТУ им Н.Э. Баумана. – 2012. – Вып. 2. – № 7730569. – С. 14.

5. Жилейкин М.М., Чулюкин А.О. Повышение устойчивости движения двухосных автомобилей за счёт автоматической коррекции углов поворота управляемых колёс (подруливания) // Промышленные АСУ и контроллеры. – 2015. – № 1. – С. 42–52.

6. Данилов И.К., Коноплёв В.Н., Косой А.С. Основы проектирования автотранспортных средств: учебное пособие. – М.: Российский университет дружбы народов, 2018. – 87 с.: ил.

7. Ларин В.В. Теория движения полноприводных колёсных машин: учебник. – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 392 c.: ил.

8. Карташов А.Б., Левенков Я.Ю., Чичекин И.В., Газизулин Р.Л. Разработка механической обратной связи рулевого управления шарнирно сочленённого транспортного средства // Справочник. Инженерный журнал с приложением. – 2018. – № 7 (256). – С. 25–31.

9. Вдовин Д.С., Чичекин И.В., Поздняков Т.Д. Виртуальный стенд для определения нагрузок на рулевое управление автомобиля // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2017. – № 8 (68). – С. 3.

10. Вдовин Д.С., Чичекин И.В., Левенков Я.Ю. Прогнозирование усталостной долговечности элементов подвески полуприцепа на ранних стадиях проектирования // Труды НАМИ. – 2019. – № 2. – С. 14–23.

11. Vdovin D.S., Chichekin I.V., Levenkov Y.Y., Shabolin M.L. Automation of wheeled vehicles load bearing frames finite-element models loading procedure by using inertia relief method and vehicle multi-body dynamics model // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 534. – Iss. 1. Art. no. 012024.

12. Levenkov Y.Y., Vol’skaya N.S., Rusanov O.A. Simulation of the tire enveloping properties in case of the unmanned car wheel interaction with a rigid uneven surface // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 534. – Art. no. 012023.

13. Volskaya N.S., Chichekin I.V. Dynamic model of the robotic vehicle motion on a deformable irregular terrain // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 534. – Art. no. 012022.

14. Вдовин Д.С., Чичекин И.В., Левенков Я.Ю. Автоматизация нагружения конечно-элементных моделей несущих систем колёсных машин с применением метода инерционной разгрузки и твердотельной динамической модели автомобиля // Труды НАМИ. 2018. – № 1 (272). – С. 36–50.

15. Чичекин И.В., Максимов Р.О. Моделирование работы автомобильного дифференциала в системе расчёта динамики твёрдых тел // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. – 2019. – № 2 (40). – С. 80–87.

16. Naunheimer H. et al. Automotive Transmissions, 2nd ed., DOI 10.1007/978-3-642-16214-5, © SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2011.

17. Chassis Handbook: Fundamentals, Driving Dynamics, Components, Mechatronics, Perspectives. Bernd Heißing | Metin Ersoy (Eds.) (ATZ/MTZ-Fachbuch) 2011th Edition, 591 pages.

18. Pacejka H.B. Tyre and Vehicle Dynamics. Second Edition. – Butterworth-Heinemann, Oxford, 2006.

19. Pacejka H.B., I.J.M. Besselink. Magic Formula Tyre model with Transient Properties // Supplement to Vehicle System Dynamics. – 1997. – Vol. 27. – P. 234–249.

20. TNO Automotive: “MF-Tool 6.1 User Manual”, TNO Automotive. – The Netherlands, 2008.

21. ГОСТ 31507-2012 Автотранспортные средства. Управляемость и устойчивость. Технические требования. Методы испытаний. – Введ. 2013–09–01. – М.: Стандартинформ, 2013. – 51 с.