Система управления безопасным движением транспортных средств при их сближении Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ И МОДУЛЕЙ

УДК 004.946

Г.Н. Лебедев, д-р техн. наук, проф.,

Чан Ван Туен, асп., 8-499-158-44-62, [email protected] (Россия, Москва, МАИ)

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПРИ ИХ СБЛИЖЕНИИ

Рассматривается проблема автоматического управления движением транспортных средств с целью обхода препятствии при опасном сближении. Основное внимание уделяется количественной оценке текущего риска движения и перестройке системыуправления на основе этой информации.

Ключевые слова: оценка степени риска, безопасное движение, функция риска, синтезрегулятора, синтез оптималъногоуправления.

Существующие методы автоматического управления позволяют синтезировать структуры регуляторов управления движением транспорта в аналитической форме, однако они не дают количественной оценки степени риска при опасном сближении с препятствием или с другим транспортом. Целью настоящей работы является получение количественной оценки текущего риска движения с помощью предложенной специальной системы контроля процесса сближения и, главное, последующей перестройки системы управления на примере обхода препятствий при встречном движении речных судов.

Чтобы обеспечить более точную оценку функции риска, учтем такой важный фактор, как скорость сближения транспортного средства с препятствием при следующих допущениях.

Заданы уравнения бокового и поступательного движения

х^=^2+С »

^2 =-0^2 +Ъи

У\=~Л

где х 1 - координата бокового отклонения судна от заданной траектории (форватер); х2 - координата боковой скорости судна; С1- боковая скорость течения.

1. Задан переменный штраф за сближение с препятствием

Г [х1 - (2 - О)]2

(1)

ш =

2

(2)

1 +

у_____

(Х1 + О)2

Требуется решить прямую задачу динамического программирования, чтобы найти функцию управления.

Представим в данном случае функцию Беллмана в виде степенного полинома:

2 2 2 о Х1 _ Х2 у

8 = а + р1Х1 +У1 + р2 х2 +^2~^ + Рз У + Ї3 — + ^12Х1Х2 + ЩХУ + ^23Х2У +

+ 0у2 Х2 + ру2 Х1Х2. (3)

Оптимизируем функцию риска в виде правой части уравнения Беллмана по параметру и1. Тогда получим оптимальное управление и1 в виде линейного регулятора:

(4)

2 2

и1 =~КР2 + Ї2 Х2 +^12 Х1 +^23 У + вУ + РУ Х1)

Дополнительно заметим, что нужный вид полинома (3) был найден при замене функции штрафов М(у) на следующее приближение:

г3(Х1 - 2 + О)2

х2(1-

У

(Х1 + О)

)

. ^ . Х,2 2(О - 2)2 у2 2(О - 2 V

ГЪ(Б - 2 ) Х1+ Г3—-----------------ЬГ3 —Ь--------------------------------3 ^3

3 2 О2 2 3 О3

3 У2Х1 + 1)4 (О _ 1.52)у2Х12 х

П2

В результате удается вычислить искомые коэффициенты функции Беллмана. С помощью найденных коэффициентов можно окончательно определить закон управления и1 как явную функцию от пяти параметров: х1,х2,у,Со,Б. Полученные результаты в качестве примера позволяют промоделировать движение судна, которое показывает, что после обхода препятствия судно возвращается на форватер.

Пример маневрирования судна при обходе препятствия показан на

Рис. 1. Процесс маневрирования для бокового движения судна при обходемалоразмерного препятствия

Также можно проанализировать зависимость найденной функции текущего риска Г(хх,х2,у) от скорости сближения с препятствием. Функция Г растет при увеличении скорости сближения ^ с препятствием. Это также соответствует физическому смыслу: чем «быстрее» движение, тем это опаснее: да

ді

Ъ 2 п ^ г —+ У1с1 г

X + (-—Р2У2 + + УС1 - аРі)х2 +

г

‘ Л

Ъ2 х 2 Ъ2 х2 Ъ2

+ (------Щ2 + гі)^ + (------Г22 + г2 + 2¿V - 2Уга+ (------------УіУ + У$ - а¥)х1х2 +

г 2 г 2 г

= Р (хі, х2) (5)

Проведенное моделирование также показало, что в начале маневрирования на малых дистанциях судно не успевает безопасно обойти место сближения. Это впервые наводит на мысль проанализировать значение функции риска в виде правой части уравнения Беллмана Б(х). Оказалось, что эта функция сильно увеличена при малых дистанциях маневрирования и поэтому может быть использована для контроля безопасности движения.

Решение задачи позволяет также окончательно найти в квадратурах новое оптимальное управление, если учесть скорость у2 движения препятствия.

Рассмотренный пример обхода препятствия при перечисленных условиях подтвердил рост функции при увеличении скорости движения судна и при сближении с препятствием.

График увеличения риска при повышении скорости показан на

Рис. 2. Функцияриска при условиях: у0 = 50, г3 = 100, г1 = 4, Утах = Утт = \т / с

После того, как стал ясен факт очевидного роста функции риска при сближении с препятствием, остается сделать последний шаг - осуществить контроль этой функции риска и затем повлиять на скорость движения судна, а именно в случае недопустимого снижения безопасности за счет бокового маневра необходимо дополнительно предпринять аварийное снижение скорости поступательного движения вплоть до полного торможения.

Для этого нужно сравнить контролируемую текущую функцию риска Б с некоторым порогом Едоп, при котором экспериментально доказана успешность обхода препятствия на высокой скорости утах. Тогда разность ^ -¥доп =АР дает нужную команду на управление поступательным движением ут1п. Если ^ положительна, то нужно снизить скорость хода судна до значения, если разность отрицательна, то увеличить до заданного значения Утах.

Приведенные соображения можно отобразить в виде принципиально новой двухуровневой структуры управления и контроля безопасности встречного движения, представленной на рис.3.

На рис. 3 канал бокового движения нижнего уровня осуществляет управление обходом препятствия, но если он не справляется с задачей обеспечения безопасности, то верхний уровень контроля формирует сигнал тревоги, подающий команду на другой канал нижнего уровня, управляющий поступательным движением. В этом случае скорость хода судна снижается, а безопасность движения возрастает до нужной величины, и задача управления судном в целом будет успешно решена.

Верхний уровень контроля безопасности

Блок (-) Блок вычисления

перепланирования функции риска

скорости

сближения F

* Регулятор

поступательного

(-) движения

Канал

продольных

сил

Блок управления поступательным движением

Блок расчета заданного бокового движения

Регулятор бокового (-) канала

Канал

бокового

движения

Блок управления боковым движением

Рис.3. Двухуровневая структура контроля иуправления безопасным

встречным движением

Выводы

1. Предложена объединенная двухуровневая система контроля и управления, способная адаптивным путем обеспечить необходимую безопасность движения.

2. Полученная система может использоваться как в автоматическом режиме, если доступна нужная измерительная информация об относительном сближении с препятствием, так и в тренажерах обучения операторов ручного управления при использовании сигналов тревоги в качестве подсказки.

G.N. Lebedev, Chan Van Tuen

THE SYSTEM OF VEHICLE MOVEMENT'S AUTOMATIC CONTROL WHEN APPROACH IS DANGEROUS

The problem of vehicle movement's automatic control with target of obstacle's rounding when approach is dangerous is considered. Principal attention to qualitative valuation of current movement's risk and rebuilding of control system on the base of this information is devoted.

Key words: valuation of risk's degree, safe movement, function of risk, synthesis of regulator, synthesis of optimal control.