Сегодня в автомобильном спорте, при скоростях движения автомобиля от 150 до 300 километров в час, ошибки в управлении, как правило, приводят к тяжелым авариям. Одна из основных причин связывается с задержками в восприятии и обработке информации, а также выполнении управляющих действий. Следует заметить, что многие водители сталкиваются с подобными проблемами уже на скорости в 130 км/ч.

Прямое исследование управляющих связей системы гонщик-автомобиль в реальных условиях достаточно сложно из-за опасности эксперимента. Поэтому задачей исследования являлось применение для этой цели метода компьютерного моделирования. Ход работы, в целом, подчиняется общим принципам организации такого рода исследований и представляет собой логическую цепочку, состоящую из выбора объекта, построения математической модели, проведения аналитического эксперимента, сравнения теоретических и практических результатов и оценки правильности теоретических предположений. В области теории физической культуры и спорта данный подход сегодня находит все более широкое распространение (Селуянов В.Н., 1997 г.).

Для проведения математического эксперимента разработан структурный аналог системы. Новизна предложенной концепции заключается в принципах построения модели. Существующие на сегодняшний день подходы (Катанаев Н.Т. 1984 г., Лата В.Н. 1989 г.) обладают недостаточной наглядностью, в связи с чем трудно проследить как изменение тех или иных параметров отражается на функционировании системы. Предлагаемая структурная схема свободна от этого недостатка. Программирование ЭВМ по структурной модели ведет к результату в обход аналитической модели и традиционных математических методов. Входным языком в этом случае являются структурные схемы из типовых звеньев, каждое из которых содержит определенные математические преобразования. При этом связи между звеньями обладают реальным физическим смыслом, а расчеты заканчиваются распечаткой графиков. Таким образом, посредством моделирования динамические компоненты системы можно сделать наглядными, что дает возможность предметно анализировать различные фазы в управляющих действиях спортсмена и соответствующие им изменения в характере движения объекта. В конечном итоге с помощью технологий компьютерной графики можно получать достаточно совершенные виртуальные образы.

В данном исследовании модель автомобиля, как объект управления, реализует два типа движений: продольное и вращательное относительно вертикальной оси. Управляя двумя входами этого объекта водитель реализует желаемый закон управления, который может заключатся в изменении линейных или угловых координат объекта.

Одной из задач исследования является моделирование управления продольным движением автомобиля. Структурная схема системы в этом случае представлена на Рис. 1. Она содержит два основных блока: модель водителя и модель автомобиля. Предположим, перед гонщиком стоит задача обеспечить наиболее интенсивный разгон автомобиля. В этом случае он должен так управлять тягой двигателя, чтобы обеспечить максимум силы, разгоняющей автомобиль. Сложность заключается в учете нелинейного характера зависимости силы сцепления колес с поверхностью от величины их проскальзывания. Итак, водитель воздействует на педаль акселератора с целью получить желаемое ускорение автомобиля. Сила тяги двигателя с учетом плеча приложения вызывает момент ускоряющий колесо. Разделив ускоряющий момент на момент инерции колеса, получаем угловое ускорение колеса. Символ ? означает, что выходная переменная угловая скорость колеса получается интегрированием по времени входного углового ускорения. Умножив ее на радиус колеса получаем его окружную скорость для сравнения со скоростью автомобиля. Результат сравнения на нелинейном элементе определяет действующую на автомобиль ускоряющую силу. Та же сила препятствует дальнейшему увеличения скорости вращения колеса, поэтому она подается на вход сумматора со знаком минус. При отличии сравниваемых скоростей более, чем на 15-20 процентов величина силы трения под действием положительной обратной связи самопроизвольно уменьшается до установившегося значения, величина которого меньше максимального на 20-30 процентов. И наконец, выходная координата автомобиля получается последовательным интегрированием его ускорения и скорости по времени.

Для анализа динамики системы использовались следующие параметры: сила ускоряющая автомобиль (поиск максимума, которой является задачей водителя), окружная скорость колеса и скорость автомобиля (их соотношение оказывает влияние на величину ускоряющей силы), и координата автомобиля.

По результатам моделирования, проведенном на аналоговом компьютере АВК-6 и с помощью аналогичной программы для ЭВМ "Марс" получены графики зависимости нормированных перечисленных параметров от времени, при 4 различных алгоритмах управления (Рис. 2).

Вариант 2а). иллюстрирует случай разгона в режиме предельного дросселирования. При этом значение ускоряющей силы значительно меньше максимального, из-за того, что окружная скорость колеса существенно превышает скорость автомобиля.

Случай, представленный на графике 2б). иллюстрирует попытку избежать большой величины проскальзывания за счет применения плавного дросселирования и работы на линейном участке характеристики сцепления. В данной ситуации значение силы также невелико, но уже по причине недостаточного значения входной величины, из-за сложности прогнозирования момента перехода на нелинейный участок характеристики и, следовательно, слишком осторожного управляющего воздействия.

Идеализированный разгон, с использованием максимума сцепных свойств представлен на графике 2в). Однако на практике такая ситуация недостижима. Наличие на поверхности дороги микронеровностей может вызвать кратковременное уменьшение сцепления в результате чего возникнет положительная обратная связь, приводящая к дальнейшему уменьшению сцепления и режим системы приблизится к случаю 2а).

Решение задачи оптимального разгона (Рис. 2г).) заключается в обеспечении оптимального режима проскальзывания колеса путем применения импульсного управляющего воздействия. В этом случае среднее значение величины ускоряющей силы приближается к максимально возможному. Это позволяет сделать вывод о целесообразности применения в спортивной практике приема переменного дросселирования и определить направление тренировочного процесса спортсменов высшей квалификации на развитие сенсорного и моторного компонентов управляющих действий при старте, разгоне и экстренном торможении.

Анализ зависимостей показал полное качественное совпадение полученных результатов с практическими экспериментами, проведенными с участием спортсменов высшей квалификации (МСМК Больших Н., Ганин В., Нарышкин М.).

Благодаря такому моделированию, изначально основанному на экспериментальных данных, но отработанному в ходе компьютерного исследования, появляется возможность четко и наглядно показать структуру управляющих действий гонщика, что полезно при освоении тонкостей процесса управления и физически корректному его пониманию

Визуализация динамических компонент движения объекта и выделение в управлении ключевых моментов, в рамках которых совершаются управляющие действия, позволяет использовать данный подход в системе спортивной тренировки. Понимание динамики системы и, как следствие, способность к прогнозированию ее поведения, особенно важны при обучении сложным высококоординированным приемам. В этом случае за счет опережающих действий можно осуществить переход от быстрых движений, с ограниченными возможностями по коррекции, к умеренно-быстрым, и в результате получить дополнительный запас по устойчивости системы.

Применение данного подхода значительно повышает эффективность обучения водителей действиям в критических ситуациях в рамках программы контраварийной подготовки. Трудность освоения контраварийных приемов, связанных с восстановлением устойчивости и управляемости автомобиля, заключается в появлении жестких требований к фазовым характеристикам управляющего воздействия..

В повседневной жизни при управлении автомобилем водитель главным образом решает задачу слежения: не выйти за пределы дороги и не столкнутся с препятствием. Обработка информации производится по простому и доступному алгоритму сравнения, а запас по устойчивости системы оставляет достаточно времени для корректирующих действий.

В экстремальных условиях водитель вынужден управлять неустойчивым объектом, в связи с чем значительно ужесточаются требования к управлению, и главным образом ко временному соответствию управляющего воздействия и состояния системы. При отсутствии знаний о поведении объекта сформировать такое управление не представляется возможным. Действия водителя все время как бы опаздывают и система выходит из области устойчивости. Это подтверждается статистическими данными о дорожно-транспотрных происшествиях, по которым до 75 % аварий происходит по вине водителей.

Результаты исследования позволили разработать новый метод обучения действиям в критических ситуациях. Применение компьютерной технологии и использование компьютерной графики позволяет создавать наглядные динамические формы и проследить элементы эволюции движения автомобиля в ответ на управляющие действия водителя.

Практическая значимость исследования заключается в создании учебного фильма по контраварийной подготовке для массового водителя, фрагменты которого в 1997-1998 г.г. демонстрировались по телевидению в учебных передачах "Центра высшего водительского мастерства" в программе "На дорогах России".

1. Алексаков Г.Н. и др. Персональный аналоговый компьютер. - М.: Энергоатомиздат, 1992 г.

2. Воронов А.А. Основы теории автоматического регулирования. - М.: Энергия, 1980 г.

3. Дорожно-транспортные происшествия в России (1991-1995 г.г.). Статистический сборник. - М.: НИЦ ГАИ МВД России, 1996.

4. Катанаев Н.Т. Анализ и синтез человеко-машинной системы "Автомобиль-Среда-Водитель". МАМИ - 1984 г.

5. Лата В.Н. Выбор и исследование критериев управляемости автомобиля по частотным характеристикам его реакций на управление. МАМИ - 1989 г.

6. Огарко К.Н., Розанцев П.Г., Пахалуева Е.Б. Теоретические основы устойчивого и управляемого движения автомобиля. Учебное пособие для студентов и слушателей РГАФК. М., 1995 г.

7. Селуянов В.Н., Шестаков М.П., Космина И.П. Основы науно-методической деятельности в физической культуре. Учебное пособие РГАФК. М., 1997 г.

8. Фарфель В.С. Управление движениями в спорте. М.: "Физкультура и спорт", 1975 г.

9. Цыганков Э.С. Управление автомобилем в критических ситуациях. - М.: Транспорт, 1993 г.

Рис. 1. Структурная схема системы.

При любом использовании данного материала ссылка на первоисточник обязательна!

Огарко, К.Н. Компьютерное моделирование управляющих связей в системе гонщик-автомобиль / Огарко К.Н., Цыганков Э.С. // Юбилейн. сб. науч. тр. молодых учен. и студентов РГАФК. - М., 1998. - С. 122-126.