Устройство для поддержания безопасной дистанции

(191 (111 0 К 31 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯЬПРИ ГКНТ СОЛАР К ДвтОЕСК 0 М СвиДКТЕЛьСтв(71) Ставропольский политехнический институт(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ БЕЗОПАСНОЙ ДИСТАНЦИИ(57) Изобретение относится к системамавтоматизированного управления автомобилем, использующим локационные датчики,особенно эффективно оно для автомобилей,перевозящих людей, опасные грузы или специальное оборудование. Цель изобретения -повышение безопасности движения - достигается путем снижения неравномерности движения за счет уменьшения количества управляющих воздействий на автоматизированные исполнительные механизмы разгона и замедления, Для этого устройство содержитпередний и задний локационные датчики 1и 2, фиксирующие расстояния и относительные скорости движения по отношению 2к переднему и заднему автомобилям, блоки 4 и 5 определения абсолютных скоростей этих автомобилей и датчик 3 собственной скорости. Поддержание безопасной дистанции в неэкстренной ситуации осуществляется подсистемой с однонаправленным слежением путем расчета в блоке 6 безопасной дистанции, сравнения ее с действительной в блоке 7 и подачи сигнала рассогласования на исполнительный механизм разгона 8 или замедления 9 и сигнализатор 1 О.К подсистеме двунаправленного слежения, кроме датчиков, относятся блок 13 расчета оптимального запаздывания механизма 9 замедления, блок 14 сравнения оптимального запаздывания с действительным, контроллер 11 экстренного режима и блок 12 задержки экстренного режима. При движе- а нии непрерывно в блоке 13 по величинам скоростей всех трех автомобилей и дистанции до и сзади следующего автомобиля рассчитывается оптимальное запаздывание, С при котором обеспечивается минимальная тяжесть последствий столкновений автомобилей в экстренной ситуации. 2 з, п. ф-лы, 7 ил.Изобретение относится к автомобильной технике, а именно к системам автоматического и автоматизированного управления автомобилем, использующим локационные датчики, особенно эффективно оно для автомобилей, перевозящих людей, опасные грузы или специальное оборудование.Цель изобретения - повышение безопасности движения.На фиг. 1 представлена общая схема устройства для поддержания безопасной дистанции; на фиг. 2 - схемы устройства блоков вычисления безопасной дистанции и сравнения безопасной дистанции с текущей до впереди идущего автомобиля; на фиг. 3 - блок расчета оптимального запаздывания; на фиг, 4 - схема блока сравнения оптимального времени запаздывания с действительным; на фиг. 5 - схема контроллера экстренного режима; на фиг. 6 схема блока задержки экстренного режима; на фиг. 7 - графики, иллюстрирующие влияние параметров движения автомобилей на оптимальное время запаздывания исполнительного механизма замедления.Устройство для поддержания безопасной дистанции (фиг. 1) содержит передний 1 и задний 2 локационные датчики, датчик 3 собственной скорости автомобиля, блок 4 определения скорости впереди движущегося автомобиля, блок 5 определения скорости сзади следующего автомобиля, блок 6 расчета безопасной дистанции до впереди движущегося автомобиля, блок 7 сравнения безопасной дистанции с действительной, исполнительные механизмы 8 и 9 разгона и замедления, сигнализатор 1 О микроволнового, светового, звукового или иного типа для сзади следующего автомобиля, контроллер1 экстренного режима, блок 12 задержки экстренного режима, блок 13 расчета оптимального запаздывания исполнительного механизма замедления, блок 14 сравнения оптимального и действительного времени запаздывания исполнительного механизма замедления и разделительный диод 15.Блоки 4 и 5 являются простейшими сумматорами. Отрицательный вход сумматора блока 4 соединен с выходом сигнала относительной скорости сближения 1 г с впереди движущимся автомобилем датчика 1, а положительный вход - с выходом датчика 3 собственной скорости Г. Сумматор блока 5 имеет два положительных входа, один из которых соединен с выходом датчика 3 собственной скорости, другой - с выходом сигнала относительной скорости сближения Рз со сзади следующим автомобилем датчика 2.Выходы блока 4 и датчика 3 подключены соответственно к первому и второму входам блока 6 расчета безопасной дистанции 5 выход которого соединен с первым входом блока сравнения безопасной дистанции с действительной, Второй вход 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 блока 7 связан с выходом сигнала расстояния 5 до впереди движущегося автомобиля переднего локационного датчика 1. Первый выход блока 7 соединен с входом исполнительного механизма 8 разгона, второй - с входом исполнительного механизма 9 замедления, а также с сигнализатором 10 через разделительный диод 15,включенный в эту линию в прямом направлении, Вход контроллера 11 подключен к выходу блока 4 определения скорости впереди движущегося автомобиля, а выход - с вторым из двух входов блока 12 задержки экстренного режима.Четыре входа блока 13 расчета оптимального запаздывания т связаны по отдельности соответственно с выходом сигнала расстояния 5 з до сзади следующего автомобиля датчика 2, с выходом блока 4определения скорости Г впереди идущего автомобиля, с выходом датчика 3 собственной скорости У и с выходом блока 5 определения скорости (з сзади следующего автомобиля. Указанная совокупность параметров используется в блоке 13 для определения такого оптимального запаздывания исполнительного механизма замедления в экстренной ситуации, при котором обеспечивается равенство оценок степени тяжести возможных столкновений с впереди и сзади движущимися автомобилями вследствие экстренного торможения переднего и при ссютветствующей тормозной реакции операторов следующих за ним автомобилей, второй из которых оборудован предлагаемым устройством, а третий управляется водителем.Выбор критерия Равенство оценок степени тяжести столкновений, а не нулевое их значение, обусловлен тем, что в общем случае, характеризующемся двухсторонним приближением на опасные расстояния одновременно и впереди идущего, и сзади следующего автомобилей, нет возможности в экстренной ситуации предотвратить столкновение с обоими автомобилями. Уравнивание тяжести столкновений путем регулирования запаздывания исполнительного механизма замедления снижает тяжесть последствий наиболее опасного из них и, следовательно, тяжесть столкновений для автомобиля, оборудованного предлагаемым устройством,Степень тяжести столкновения оценивается величиной квадрата относительной скорости к моменту столкновения. Этот параметр оценивается по исходным координатам положения (5 д и 5 м), абсолютным скоростям (У, 1, 1 з) элементов системы и по характеристикам процесса экстренного торможения, в частности по показателям быстродействия. Входными переменными величинами для блока 13 являются 5 з,что достаточно для определения по указанному выше критерию оптимального запаздывания, поскольку при 16328205 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 нимаем прочие показатели быстродействия постоянными и учитываем, что при текущем регулировании обеспечивается равенство 5 д=56, а безопасная дистанция определяется скоростями У 1 и Уг.Выход блока 13 соединен с входом блока 14 сравнения оптимального запаздывания с действительным, выход которого подключен к первому входу блока 12 задержки экстренного режима и к входу сигнализатора 1 О.Безопасная дистанция 5, определяется следующим выражением5 й =(т с+0,5то) Уг+ Уг/(2(г умв - Л/(2/ )+С, (1)где т сг, - время запаздывания автоматизированного исполнительного механизма замедления;тн - время нарастания замедления;1 гс у, - установившиеся замедления автомобиля, оборудованного устройством, и впереди движущегося, соответственно;С - запас дистанции,Согласно (1) блок 6 вычисления 5 6 а (фиг, 2) содержит два квадратора 16 и 17, делитель 18 напряжения и сумматор 19. Входы квадратора 16 соединены с первым входом блока 6, второго квадратора 17 - с вторым входом блока 6. Сумматор 19 имеет четыре входа. К первому подключен выход делителя 18 напряжения, к второму - выход квадратора 16, к третьему - выход квадратора 17, к четвертому - второй вход блока 6. Коэффициенты передачи входов сумматора соответственно равны С; ( - 1/2ус); (1/2)га,); (тсг+0,5 тнг). Выход сумматора 19 является выходом блока 6. Этот выход подключен к первому входу блока 7 сравнения дистанций. Блок 7 содержит сумматор 20 и разделительные диоды 21 и 22, Положительный вход сумматора 20 соединен с первым входом блока 7, отрицательный - с вторым входом блока, а выход сумматора связан через диод 21, включенный в обратном направлении, с первым выходом блока 7, а через диод 22, включенный в прямом направлении, с вторым выходом блока 7.Устройство блока 13 расчета оптимального запаздывания регламентируется следующим соотношением между входными и выходными сигналами:тсопт=по+215 гз+юг У+031 г+Й 41 3+пвггз+ +йв У+й 7 Уг+йв 5 гз У+по 5 гз Уг+ао 5 гз Уз+ +а 1 У 1 Уг+агУ Уз (2) где коэффициенты равны: ао= - 0,15; а= =0,0483; аг= 0,0953; аз= - 0,0988; а 4 = 0,0162; аз= - 0,00161; ав=0,00399; а 7= =0,00392; ав= - 0,00298; ав=0,00144; а 1 о= =0,00141; а 1= - 0,00648; а 1 г= - 0,0016.Оценка дисперсии ошибок расчетов по соотношению (2) составляет 0,003 с. Выражение (2) справедливо для значений входных параметров в диапазонах Ьгз= = (5 - 25) м; У= (10 - 25) м/с;=(О - 25) м/с; Уз=(15 - 30) м/с и при коэффициенте сцепления колес с дорогой фА О г 7Соотношение (2) получено методом имитационного моделирования параметров движения рассматриваемой группы автомобилей при экстренных торможениях с учетом перераспределения энергии при последовательных столкновениях, а также с использованием оптимизационной процедуры по критерию равенства оценок степени тяжести столкновений. В исходных данных учтены следующие среднестатические значения параметров быстродействия тормозных приводов при экстренных торможениях: время нарастания замедления впереди движущегося автомобиля равно 0,2 с; время нарастания замедления автомобиля, оборудованного предлагаемым устройством, 0,3 с; время реакции водителя сзади следующего автомобиля 1,0 с; время запаздывания привода этого автомобиля 0,2 с, а время нарастания замедления 0,2 с. Взаимосвязь входных и выходного параметров по виду (2) обуславливает наличие в блоке 13 следующих элементарных звеньев (фйг. 3): квадраторов 23 - 25, блоков 26 - 30 умножения, делителя 31 напряжения и сумматора 32. Входы квадраторов 23 - 25 соединены соответственно с первым (5 гз), вторым (У) и третьим (Уг) входами блока 13, первые входы блоков 26 - 28 умножения - с первым входом (Ягз) блока 13, первые входы блоков 29 и 30 умножения, а также второй вход блока 26 умножения - с вторым входом ( У 1 ) блока 13, вторые входы блоков 27 и 29 умножения - с третьим входом (Уг) блока 13, вторые входы блоков 28 и 30 умножения - с четвертым входом (Уз) блока 13. Сумматор 32 имеет тринадцать входов, из которых первые четыре подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам блока 13 расчета. Пятый, шестой и седьмой входы сумматора 32 соединены с выходами квадраторов 23 - 25 соответственно, входы с восьмого по двенадцатый - с выходами соответственно первого 26, второго 27, третьего 28, четвертого 29 и пятого 30 блоков умножения, а тринадцатый вход сумматора 32 - с выходом делителя 3 напряжения. Коэффициенты передачи входов сумматора с первого по тринадцатый соответственно равны: аь аг, аз, а 4, ав, ав, аг, ав, ао, ао, а, аг, ао. Выходы сумматора 32 является выходом блока расчета оптимального запаздывания.Блок 14 сравнения оптимального времени запаздывания с действительным (фиг. 4) состоит из делителя 33 напряжения, сумматора 34 и диода 35. Положительный входсумматора 34 соединен с входом блока 4, отрицательный - с выходом делителя 33 напряжения, а выход через диод 35, включенный в прямом направлении, связан с выходом блока 14 в целом. Коэффициент передачи по отрицательному входу сумматора 34 равен действительному времени ЗаПаЗДЫВаНИЯ тсг ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХаНИЗ- ма замедления.Контроллер 11 (фиг, 5) содержит дифференциатор 36, делитель 37 напряжения и компаратор 38. Вход дифференциатора связан с входом контроллера, а выход - с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу делителя 37 напряжения. Выход компаратора является выходом контроллера, соединенным с вторым входом блока 12 задержки,Блок 12 задержки экстренного режима (фиг. 6) включает в себя триггер 39, систему 40 установки триггера 39 в нулевое (исходное) состояние при включении питания, интегратор 41 с управляемым сбросом, диоды 42 и 43, компаратор 44 напряжения и одновибратор 45.Устройство работает следующим образом.Изменение текущих параметров движения ( У 1, Уг, Уз, 512, 52 з) автомобилей непрерывно фиксируется датчиками 1 - 3 (фиг. 1), В сумматоре 4 по сигналу относительной скорости У 12 со впереди движущимся автомобилем с переднего локационного датчика 1 и сигналу собственной скорости Уг с датчика 3 рассчитывается скорость У 1 впереди идущего автомобиляУ 1= У 2 У 12 (3)В сумматоре 5 скорость Уз сзади следующего автомобиля определяется по величине собственной скорости Уг с датчика 3 и относительной скорости Угз со сзади следующим автомобилем с заднего локационного датчика 2УЗ - Уг+ У 23 (4)В блоке 6 по значениям скоростей и Уг оценивается безопасная дистанция 5 а в соответствии с выражением (1). При этом делитель 18 напряжения (фиг, 2) подает на вход сумматора 19 сигнал, пропорциональный запасу дистанции С, квадратор 16 - сигнал, пропорциональный Я, квадратор 17 - Уг, а с второго входа блока 6 - сигнал Уг. Сигнал на выходе сумматора соответствует величине безопасной дистанции. Блок 7 сравнения дистанций определяет разность Л 5=55 г, - 5 гг и управляет подачей сигнала рассогласования на тот или иной исполнительный механизм, Отрицательный сигнал рассогласования (Л 5(0) с выхода сумматора 20 проходит через диод 21 на первый выход блока 7 и далее к исполнительному механизму 8 разгона, что приводит к его включению, к увеличению скорости автомобиля, к уменьшению текущей дистанции 512 и к уве 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 личению безопасной дистанции 5 йг,. В результате сигнал рассогласования приводится к нулю. При А 5)0 сигнал с выхода сумматора 20 поступает через диод 22 на ис. полнительный механизм 9 замедления, а также на сигнализатор 10 через диод 15. Происходит уменьшение скорости и восстановление равенства между 5 и 55 а. Так работает в предлагаемом устройстве подсистема однонаправленного слежения и поддержания безопасной дистанции.Одновременно и непрерывно в процессе текущего движения контроллер 11 и блок3 расчета оптимального запаздывания обрабатывают информацию, необходимую для работы подсистемы двунаправленного слежения. Квадраторы 23 - 25 блока 13 вырабатывают сигналы 5223, У 1, Уг соответственно, блоки 26 - 30 умножения - сигналы(52 з 1" 1), (52 з Уг), (52 зУз), (У 1 Уг) и (У 1 Уз), которые поступают на указанные выше входы сумматора 32 вместе с сигналом с делителя 31 напряжения, соответствующим постоянному коэффициенту ао. Сумматор 32 формирует сигнал оптимального запаздывания т, подаваемый на выход блока 13 и далее на вход блока 14 сравнения времен (фиг. 4). Вычитание из величины т,в сумматоре 34 блока 14 действительного (собственного) запаздывания тсг исполнительного механизма, которое поступает на отрицательный вход сумматора 34 в виде постоянного напряжения с делителя 33 напряжения, создает сигнал рассогласования времени А 1Лс =тсолсл тсг(5)Значение собственного запаздывания тсг устанавливается для конкретного типа автоматизированного привода по результатам его испытаний.При Л 1)0 сигнал рассогласования поступает через диод 35 на выход блока 14 и далее на сигнализатор 10 и на первый вход блока 12 задержки. Включение при этом сигнализатора (в простейшем случае - это оптический стол-сигнал) дает водителю сзади следующего автомобиля информацию об опасном приближении его автомобиля и необходимости увеличить дистанцию путем притормаживания, Сигнал Л 1, поданный на вход блока 12 задержки, определяет длительность временной задержки, на величину которой должно увеличиться собственное запаздывание исполнительного механизма замедления при выработке контроллером 11 команды на экстренное торможение. Дифференциатор 36 контроллера по изменению скорости впереди идущего автомобиля оценивает его замедление 11, которое подается на первый вход компаратора 38. Пороговое значение замедления 1 Р, подаваемое на второй вход компаратора 38 от делителя 37 напряжения, ссютветствует режиму экстренного тор 1632820510 50 формула изобретения можения при заданном коэффициенте сцепления с дорогой. Сигнал управления исполнительным механизмом замедления, соответствующий по величине режиму экстренного торможения, появляется на выходе компаратора 38, являющемся и выходом контроллера в целом, лишь тогда, когда интенсивное замедление впереди идущего автомобиля вызывает аварийную ситуацию, т, е. при 1 )1. Для повышения надежности срабатывания контроллера величину порогового замедления можно установить на уровне, лр=(0,90 - 0,95) макс, (6) Где /макс=ай г 1 - максимально возможное поусловиям сцепления колес с дорогой замедление;д - ускорение свободного падения.Блок2 задержки экстренного режима работает следующим образом. При включении питания блока на выходе системы 40 установки триггера 39 в нулевое состояние формируется одиночный импульс, поступающий на Я-вход триггера 39. При этом на выходе триггера 39 устанавливается сигнал логического нуля (исходный в данной схеме).Сигнал с выхода контроллера 11 (фиг. 1) поступает на 5-вход триггера 39 и устанавливает последний в единичное состояние.Сигнал логической единицы с выхода триг.гера 39 поступает на вход интегратора 41 и запускает его, при этом на выходе последнего формируется нарастающий во времени сигнал, поступающий на один вход компаратора 44. Сигнал с выхода блока 14 сравнения времен (фиг.) поступает на вход диода 42. На выходе последнего сигнал присутствует только при превышении т над т,г и он пропорционален разности указанных времен. Сигнал с выхода диода 42 поступает на другой вход компаратора 44 и сравнивается последним с сигналом с выхода интегратора 41. Выход компаратора 44 соединен через диод 43 с входом одновибратора 45. При превышении сигнала с выхода диода 42 над сигналом с выхода интегратора 41 полярность сигнала на выходе компаратора 44 такова, что последний сигнал не пропускается диодом 43 на вход одновибратора 45.При обратном превышении сигналов полярность сигнала на выходе компаратора 44 меняется на противоположную и указанный сигнал проходит на вход одновибратора 45 через диод 43. Одновибратор 45 при поступлении сигнала на его вход формирует на своем выходе импульс определенной длительности, поступающий на входы исполнительного механизма 9 замедления (фиг. 1) и сигнализатора 10, а также на Я-вход триггера 39 и вход сброса интегратора 41. 15 20 25 ЗО 35 40 45 Таким образом, трипер 39 и ннгегр- тор 41 возвращаются в исходное состояние и блок готов к дальнейшему слс жс. нию за входными сигналами.Ввиду того, что скорость нарсз анин выходного напряжения интегратора 4 постоянна, время, проходящее с момента запуска интегратора 41, до момента перемены знака на выходе компаратора 44, а следовательно, и момента формирования импульса на выходе одновибратора 45. зависит только от величины сигнала, поступающего с выхода блока 14 сравнения времен,Таким образом, блок 12 задержки экстренного режима (фиг. 1) обеспечивает регулируемую временную задержку формированияимпульса на его выходе в зависимостиот превышения времени ,над временем т,.г (разность которых формируется блоком 14 сравнения времен) при наличиисигнала на выходе контроллера 11.Зависимости т,(графики 46 и 47) получены по соотношению (2) при следующихчастных условиях;1=1 г=22 м/с=сопз (график 48);1 з=1 зн+0,5(график 49); (7)5 гз=5 гзн+(1"г - Чзм) 1 - 0,25 г (график 50)иГ = 1 и - 2 ып (0,35 1) (график 51);1 г=22 м/с=сопз 1 (график 48);Гз=Рзи+0,5(график 49); (8)5 гз=5 гзн+(1 г - 1 з и) - 0,25 1 г (график 50),где 1=22 м/с; 1 зк=18 м/с; 5 гзн - 5 м;1 - текущее время, с.Условия (7), когда изменяет свое положение только сзади следующий автомобиль,обуславливают варьирование оптимальногозапаздывания в диапазоне (0,28 - 0,37) с.Если при тех же прочих параметрах будетменяться и скорость впереди движущегосяавтомобиля (график 51 условия (8, токолебания т, рд значительно вырастают:от 0,26 до 0,48 с (график 47).При изменении параметров группы автомобилей во всей области их допустимыхзначений, при которых справедливо (2),значения т, получаются в пределах(0,0 - 1,4) с,Применение предлагаемого устройства обеспечивает уменьшение расхода энергии на приведение в действие исполнительных механизмов, увеличение срока службы и надежности исполнительных механизмов, повышение равномерности движения как автомобиля, управляемого устроиством, так и всего потока. Это в целом повышает безопасность движения. 1, Устройство для поддержания безопасной дистанции между автомобилями в по1632820 оку 8 токе, содержащее передний и задний локационные датчики, датчик собственной скорости автомобиля, блоки определения ско. рости впереди движущегося и сзади следующего автомобилей, блок расчета безопасной дистанции до впереди движущегося автомобиля, блок сравнения безопасной и действительной дистанций, исполнительные механизмы разгона и замедления автомобиля и сигнализатор опасности для сзади следующего автомобиля, отличающееся тем, что, с целью повышения безопасности движения, оно снабжено контроллером экстренного режима, вход которого связан с выходом блока определения скорости впереди движущегося автомобиля, блоком расчета оптимального запаздывания исполнительного механизма замедления, имеющим четыре входа, первый из которых соединен с выходом сигнала дистанции заднего локационного датчика, второй - с выходом блока определения скорости впереди движущегося автомобиля, третий - с выходом датчика собственной скорости автомобиля, четвертый - с выходом блока определения скорости сзади следующего автомобиля, а выход подключен к входу блока сравнения оптимального времени запаздывания с действительным, выход которого связан с входом сигнализатора и с первым входом блока задержки экстренного режима, второй вход которого соединен с выходом контроллера экстренного режима, а выход - с исполнительным механизмом замедления и сигнализатором.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок расчета оптимального запаздывания содержит сумматор, делитель напряжения, пять блоков умножения н три квадратора, при этом входы квадраторов соединены соответственно с первым, вторым и третьим 5 входами блока расчета, первые входы первого, второго и третьего блоков умножения - с первым входом блока расчета, первые входы четвертого и пятого, а также второй вход первого блоков умножения - с вторым входом блока расчета, вторые входы второго и четвертого блоков умножения - с третьим входом блока расчета, вторые входы третьего и пятого блоков умножения - с четвертым входом блока расчета, а из тринадцати входов сумматора первые четыре подключе ны соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам блока расчета, пятый, шестой и седьмой входы сумматора - с выходами соответственно первого, второго и третьего квадраторов, входы сумматора 20с восьмого по двенадцатый - с выходами соответственно первого, второго, третьего, четвертого и пятого блоков умножения, а тринадцатый вход сумматора - с выходом делителя напряжения, при этом выход сумматора является выходом блока расчета 25 оптимального запаздывания. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем,что контроллер экстренного режима содержит дифференциатор, делитель напряженияи компаратор, при этом вход дифференциаЗ 0 тора соединен с входом контроллера, выход - с первым входом компаратора, к второму входу которого подключен делительнапряжения, а выход компаратора являетсявыходом контроллера, 16328201632820 Йи дл Г. б б 04 б г 4 ОМ 18О 8,с МЯ Редактор Н.Заказ 588 ОаЪ НИИПИ Государственного комитета113035, Москва, Ж Производственно-издательский ком ставитель И, КецарисА. Кравчук Корректор О. Ципл 337 Подписное по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР- 35, Раушская наб., д. 4/5инат Патент, г. Ужгород, ул, Гагарина, 101