RU2815190C1 - Способ настройки параметров динамической модели колесного транспортного средства - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области машиностроения. Способ управления движением высокоавтоматизированного колёсного транспортного средства содержит этапы, на которых осуществляют запись параметров колёсного транспортного средства, создают начальную динамическую модель колёсного транспортного средства, осуществляют численную оптимизацию параметров динамической модели колёсного транспортного средства, после чего осуществляют валидацию динамической модели колёсного транспортного средства с параметрами, полученными в ходе численной оптимизации. Технический результат – сокращение времени на разработку систем управления высокоавтоматизированным колёсным транспортным средством, повышение точности систем автоматического управления движением высокоавтоматизированного колёсного транспортного средства. 3 ил.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к области машиностроения, в частности, к управлению колёсными транспортными средствами. Изобретение предназначено для определения следующих параметров динамической модели колесного транспортного средства: сил и моментов, создаваемых средствами маневрирования колёсного транспортного средства, физических параметров (масса транспортного средства), сил сопротивления (коэффициенты вязкого и сухого трения). Изобретение может быть использовано для создания систем автоматического управления движением высокоавтоматизированных колёсных транспортных средств, для создания симуляторов движения колёсных транспортных средств.

Уровень техники

Известен способ настройки параметров динамической модели транспортного средства (US 2014207429 A1, G06F 17/50, опубл. 24.07.2014), согласно которому составляются две динамические модели транспортного средства: теоретически выведенная модель и модель в пространстве состояний. Выбирается как минимум один параметр из пространства состояний, который влияет на динамику транспортного средства. Далее происходит оптимизация до тех пор, пока разница между выходом теоретически выведенной динамической модели и динамической модели в пространстве состояний не будет в пределах допустимых значений.

Недостатком данного способа является то, что динамическую модель с параметрами, полученными данным способом, невозможно использовать в условиях, отличных от тех, в которых происходила запись данных для настройки параметров динамической модели.

Известен способ определения параметров динамической модели колёсного транспортного средства с использованием глубокого обучения (CN 109190171 A, G06F 17/50, опубл. 11.01.2019), выбранный за прототип. Данный способ основан на использовании нейросетевого алгоритма для определения параметров нелинейной модели динамики колёсного транспортного средства.

Основным недостатком данного способа является то, что для работы нейросетевого алгоритма необходимо большое количество вводных данных, таких как значения скорости движения транспортного средства, центростремительного ускорения во время движения транспортного средства, координаты центра масс транспортного средства во время движения и т.д.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа для настройки параметров динамической модели колесного транспортного средства.

Техническим результатом заявляемого изобретения является сокращение времени на разработку систем управления высокоавтоматизированным колёсным транспортным средством, повышение точности систем автоматического управления движением высокоавтоматизированным колёсным транспортным средством.

Заявленный технический результат достигается при помощи способа настройки параметров динамической модели колёсного транспортного средства, включающего запись данных, осуществляющуюся посредством внешнего энергонезависимого машиночитаемого запоминающего устройства, подключенного через шину данных к бортовому компьютеру, о заданном системе управления колёсного транспортного средства моменте, моменте, развиваемом тяговым двигателем колёсного транспортного средства, а также о скорости движения, полученной с энкодеров, установленных на колёсах транспортного средства, или с энкодера, установленного на выходном валу тягового двигателя и ускорении колёсного транспортного средства, полученного с инерционного измерительного модуля, установленного в транспортном средстве, после чего происходит создание начальной динамической модели колёсного транспортного средства посредством энергонезависимого запоминающего устройства, подключающегося к, по меньшей мере, одному процессору через системную шину, после чего происходит численная оптимизация параметров динамической модели колёсного транспортного средства посредством, по меньшей мере, одного процессора, включающая идентификацию суммарного коэффициента инерции, идентификацию коэффициента вязкого трения, идентификацию модуля силы трения скольжения, возникающей между колёсами и дорожным покрытием, идентификацию модуля максимальной силы трения покоя, возникающей между колёсами и дорожным покрытием, идентификацию максимального значения момента тягового двигателя при разгоне, идентификацию максимального значения момента тягового двигателя при торможении, после чего происходит валидация динамической модели колёсного транспортного средства с параметрами, полученными в ходе численной оптимизации, посредством, по меньшей мере, одного процессора.

Предпочтительно, данные, записанные во время проезда колёсного транспортного средства, можно перенести на запоминающее устройство 102 через сеть Интернет с помощью коммуникационного сетевого модуля.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена блок-схема компьютерной системы, приспособленная для осуществления способа настройки параметров динамической модели колёсного транспортного средства.

На фиг. 2 представлена последовательность операций данного способа настройки параметров динамической модели колёсного транспортного средства.

На фиг. 3 представлены результаты работы заявленного способа настройки параметров динамической модели транспортного средства.

Осуществление изобретения

Фиг. 1 является блок-схемой иллюстративной компьютерной системы, приспособленной для осуществления способа настройки параметров динамической модели колёсного транспортного средства. В одном варианте осуществления компьютерная система включает в себя, по меньшей мере, один процессор 101, энергонезависимое машиночитаемое запоминающее устройство 102, внешнее энергонезависимое, машиночитаемое запоминающее устройство 103, на котором хранятся данные, полученные по шине данных 104 с бортового компьютера колёсного транспортного средства 105, устройства отображения 106 и устройства ввода/вывода 107. При этом процессор, энергонезависимое машиночитаемое запоминающее устройство, внешнее энергонезависимое машиночитаемое запоминающее устройство, устройства ввода/вывода и устройства отображения соединены через системную шину 108. Команды программного средства, необходимые для моделирования динамической модели колёсного транспортного средства, выполняемые процессором 101, согласно варианту осуществления, описанному здесь, могут храниться на запоминающем устройстве 102. Следует также отметить, что команды программного средства, необходимые для моделирования динамической модели колёсного транспортного средства, могут быть загружены в запоминающее устройство 102 с компакт-диска (CD-ROM), доступного только для чтения или других соответствующих носителей данных.

Фиг. 2 является последовательностью операций данного способа, настройки параметров динамической модели колёсного транспортного средства. Данный способ начинается с блока 201, в котором происходит запись данных для настройки параметров динамической модели колёсного транспортного средства. Перед началом записи данных к бортовому компьютеру ТС 105 через шину данных подключается внешнее энергонезависимое машиночитаемое запоминающее устройство 103, на которое будут сохраняться данные. В ходе записи данных для настройки параметров динамической модели колёсного транспортного средства записываются следующие данные: управляющее воздействие по моменту, которое подаётся на вход системе управления колёсным транспортным средством, момент, развиваемый тяговым двигателем транспортного средства, согласно задающему воздействию, полученному от системы управления скоростью колёсного транспортного средства, скорость движения транспортного средства, полученная с энкодеров, установленных на колёсах транспортного средства, ускорение движения транспортного средства, полученное с инерционного измерительного модуля, установленного в транспортном средстве.

Также существует способ настройки параметров динамической модели транспортного средства, в котором скорость движения транспортного средства берётся с энкодера, установленного на выходном валу двигателя. После того, как данные записаны, внешнее энергонезависимое запоминающее устройство 103 подключается к процессору 101 через системную шину 108. Также следует отметить, что возможен вариант осуществления данного способа настройки, в котором данные, записанные во время проезда колёсного транспортного средства, можно перенести на запоминающее устройство 102 через сеть Интернет с помощью коммуникационного сетевого модуля. Ссылаясь на фиг. 2 после того, как необходимые данные записаны, данный способ приступает к блоку 202, где создаётся начальная динамическая модель колёсного транспортного средства. Рассмотрим подробнее динамическую модель колёсного транспортного средства. Из неё можно выделить 2 модели: модель тягового двигателя колёсного транспортного средства, модель линейного перемещения колёсного транспортного средства.

Входной сигнал для модели тягового двигателя – задание на момент. Выход – момент на выходном валу двигателя, без учета потерь мощности, которые будут учтены на уровне модели линейного перемещения колёсного транспортного средства. Рассмотрим изменение момента за время на тяговом двигателе. Оно рассчитывается по формуле:

где - интерполированное по времени (с учетом дополнительной суммарной задержки по времени d отработки сигнала тяговым двигателем) задание на привод. Таким образом, момент в момент времени можно описать формулой:

где – момент на двигатели в предыдущий момент времени . Далее введём коэффициенты - максимальный момент развиваемый тяговым двигателем при разгоне, и - максимальный момент развиваемый тяговым двигателем при торможении. Таким образом, момент, получаемый на выходном валу тягового двигателя колёсного транспортного средства описывается формулой:

Далее, полученное по результатам моделирования модели тягового двигателя колёсного транспортного средства, значение момента передается на вход модели линейного перемещения колёсного транспортного средства. Модель линейного перемещения колёсного транспортного средства учитывает силы, воздействующие на колёсное транспортное средство, для расчета ее ускорения и скорости. Рассмотрим случай, когда скорость на предыдущем шаге моделирования динамической модели колёсного транспортного средства отлична от нуля. Тогда итоговая сила, которая воздействует на колёсное транспортное средство вдоль оси движения описывается формулой:

где F – итоговая сила, воздействующая на колёсное транспортное средство вдоль оси движения, – модуль силы трения скольжения, возникающей между колёсами и дорожным покрытием, – модуль максимальной силы трения покоя, возникающей между колёсами и дорожным покрытием, – модуль силы трения качения, - вспомогательная переменная, описывающая силу на поверхности колеса, учитывающую воздействия от двигателя, тормоза и вязкого трения, которая равна:

где - модуль момента, воздействующего на колёса от тормоза, – радиус колеса, - коэффициент вязкого трения, - скорость в предыдущий момент времени. Таким образом, при и :

при и :

Тогда ускорение колёсного транспортного средства может быть рассчитано по формуле:

где – суммарный момент инерции вращающихся элементов колёсного транспортного средства, – масса колёсного транспортного средства с нагрузкой. Тогда скорость колёсного транспортного средства имеет значение:

Полученная скорость является выходом модели линейного перемещения колёсного транспортного средства и соответственно выходом динамической модели колёсного транспортного средства. Под начальной моделью понимается динамическая модель, которая основана на параметрах, которым присваиваются некоторые стандартные параметры, которые описывают динамику колёсного транспортного средства и которые не подвергались оптимизации.

Стандартные параметры определяются путём проведения оценочного расчёта для каждого из параметров. Ссылаясь на фиг. 2 после того, как начальная модель создана, способ переходит к блоку 204, где решается задача численной оптимизации параметров динамической модели колёсного транспортного средства с использованием целевой функции. В ходе решения этой задачи начальная динамическая модель колёсного транспортного средства может менять один или несколько параметров в течение курса многочисленных итераций моделирования динамической модели на данных, полученных с бортового компьютера колёсного транспортного средства 105, до тех пор, пока не будут найдены такие параметры динамической модели колёсного транспортного средства, моделирование динамической модели с которыми не будет удовлетворять целевой функции. В качестве целевой функции может быть использована функция среднеквадратичной ошибки между скоростью, полученной с энкодеров, установленных на колёсах транспортного средства, и скоростью, полученной в ходе моделирования динамической модели колёсного транспортного средства. На фиг. 3 представлены результаты численной оптимизации, где 301 - данные о скорости движения колёсного транспортного средства, полученные с энкодеров, установленных на колёсах транспортного средства, 302 - результат моделирования начальной динамической модели колёсного транспортного средства, 303 - результат моделирования динамической модели колёсного транспортного средства, с параметрами, полученными в ходе численной оптимизации.

Ссылаясь на фиг. 2 после того, как проведена численная оптимизация параметров динамической модели колёсного транспортного средства, способ переходит к блоку 205, где происходит валидация полученной динамической модели колёсного транспортного средства. Для данного способа настройки параметров динамической модели колёсного транспортного средства существуют два способа валидации. В первом варианте результаты моделирования начальной модели, модели с параметрами, полученными после блока 205, и данные, записанные на колёсном транспортном средстве, выводятся в виде графиков на устройство отображения 106. На основании данных графиков оператор ЭВМ, который производит настройку параметров динамической модели с помощью программной реализации данного способа, принимает решение насколько полученные параметры валидны. Во втором варианте реализации данного блока рассчитывается ряд метрик, направленных на оценку “физичности”, полученных параметров динамической модели. Примером таких метрик являются: среднеквадратичная ошибка между максимальными ускорениями динамической модели и реального колёсного транспортного средства, среднеквадратичная ошибка разница между минимальными ускорениями динамической модели и реального колёсного транспортного средства, процент совпадения времени разгона у динамической модели и реального колёсного транспортного средства и т.д. Рассчитанные метрики сравниваются со своими предельными значениями, которые предварительно вносятся в запоминающее устройство 102. Данные предельные значения для соответствующих метрик выбираются путём оценочного расчёта.

Ссылаясь на фиг. 2, если, полученная динамическая модель колёсного транспортного средства валидна, то её параметры записываются на запоминающее устройство 102. Если же нет то, необходимо поменять параметры численной оптимизации параметров динамической модели колёсного транспортного средства и перейти к блоку 204.

В то время как некоторые признаки и варианты осуществления данного изобретения подробно описаны здесь, будет совершенно понятно, что раскрытие сущности данного изобретения охватывает все модификации и улучшения в пределах объема и сущности приведенной ниже формулы изобретения. Кроме того, не предполагается никаких ограничений в подробностях конструкции или дизайна, показанных здесь, за исключением тех, которые описаны ниже в формуле изобретения. Следовательно, является очевидным, что конкретные иллюстративные варианты осуществления, описанные выше, могут изменяться и модифицироваться и все такие вариации находятся, как предполагается, в пределах объема и сущности раскрытия данного изобретения. Кроме того, термины в формуле изобретения имеют свое понятное обычное значение.

Claims (1)

1. Способ управления движением высокоавтоматизированного колёсного транспортного средства, включающий запись данных, осуществляющуюся посредством внешнего энергонезависимого машиночитаемого запоминающего устройства, подключенного через шину данных к бортовому компьютеру, о заданном системе управления колёсного транспортного средства моменте, моменте, развиваемом тяговым двигателем колёсного транспортного средства, а также о скорости движения, полученной с энкодеров, установленных на колёсах транспортного средства, или с энкодера, установленного на выходном валу тягового двигателя, и ускорении колёсного транспортного средства, полученного с инерционного измерительного модуля, установленного в транспортном средстве, после чего происходит создание начальной динамической модели колёсного транспортного средства посредством энергонезависимого запоминающего устройства, подключающегося к по меньшей мере одному процессору через системную шину, после чего происходит численная оптимизация параметров динамической модели колёсного транспортного средства посредством по меньшей мере одного процессора, включающая идентификацию суммарного коэффициента инерции, идентификацию коэффициента вязкого трения, идентификацию модуля силы трения скольжения, возникающей между колёсами и дорожным покрытием, идентификацию модуля максимальной силы трения покоя, возникающей между колёсами и дорожным покрытием, идентификацию максимального значения момента тягового двигателя при разгоне, идентификацию максимального значения момента тягового двигателя при торможении, после чего происходит валидация динамической модели колёсного транспортного средства с параметрами, полученными в ходе численной оптимизации, посредством по меньшей мере одного процессора.