Тип работы:
Предмет:
Язык работы:


РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ АВТОМОБИЛЯ В УСЛОВИЯХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРЕПЯТСТВИЙ

Работа №77128

Тип работы

Магистерская диссертация

Предмет

информационные системы

Объем работы94
Год сдачи2017
Стоимость4915 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
320
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ АВТОНОМНЫХ
ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ 10
1.1 Анализ отечественных и зарубежных работ, посвященных созданию
беспилотных транспортных средств 12
1.2 Анализ автономных систем управления движением ТС 20
1.2.1 Классификация автоматических систем управления движением
автомобиля 20
1.3 Анализ существующих алгоритмов преодоления препятствий 23
1.4 Анализ научно-технической литературы 28
1.5 Анализ алгоритмов планирования траектории движения автомобиля 32
1.6 Математическое моделирование 36
1.7 Выводы по главе 1 45
ГЛАВА 2 ОПИСАНИЕ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ КРИВОЛИНЕЙНОГО
ДВИЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ 47
2.1 Описание математической модели движения автомобиля 47
2.1.1 Внешние воздействия на автомобиль при криволинейном движении47
2.1.2 Математическое описание криволинейного движения автомобиля .. 50
2.1.3 Анализ математической модели 53
2.2 Описание цифровой модели криволинейного движения автомобиля 55
2.3 Основные выводы по главе 2 57
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ДВИЖЕНИЕМ АВТОМОБИЛЯ ОБЪЕЗДА ПРЕПЯТСТВИЙ 59
3.1 Алгоритм планирования траектории движения автомобиля Rapidly
Exploring Random Tree 60
3.1.1 Начальные данные 60
3.1.2 Алгоритм RRT 60
3.2 Структура системы управления 65
3.3 Тестирование работы системы управления 68
3.4 Основные выводы по разделу 3 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 76
ПРИЛОЖЕНИЕ 81


В условиях роста острой конкурентной борьбы среди мировых производителей автомобильной техники, которая, в свою очередь, становится все наиболее наукоемкой и высокотехнологичной, актуальной становится задача создания алгоритмов автоматической системы управления движением автомобиля.
Основной направленностью современного автомобилестроения является повышение безопасности автомобиля. Одной из важнейших характеристик автомобиля считается его активная безопасность, понимаемая как совокупность свойств автомобиля, которые уменьшают возможность появления ДТП. Одним из усиленно развивающихся направлений автоматизации управления автомобилем является создание беспилотных мобильных комплексов.
Беспилотный автомобиль - транспортное средство, оборудованное системой автоматического управления, которое может передвигаться без участия человека.
Интенсивная разработка беспилотных транспортных средств основными иностранными автопроизводителями началась в 80-ых годах XX века. Объектами исследований этого направления являются легковые автомобили, грузовой транспорт, сельскохозяйственная техника, техника военного назначения, обеспечивающий ведение всех транспортных работ в современных логистических центрах и на складских территориях.
Работы по созданию беспилотных автомобилей ведут всемирные автопроизводители, в особенности в США, Германии, Японии, Италии, Китае, Великобритании, Франции, Корее (автоконцерны BMW, Mercedes-Benz, Audi, Ford, Volkswagen, Volvo, General Motors, Cadillac). Существенный объем трудов ведется по засекреченной тематике в рамках оборонного заказа, и согласно данной причине итоги исследований практически не опубликовываются в открытой печати. Непростые наукоемкие технические решения, программное обеспечение, датчики систем управления беспилотных транспортных средств в многочисленных странах отнесены к продукции двойного назначения.
Преимуществами беспилотных транспортных средств являются:
- минимизация ДТП и числа человеческих жертв в них;
- снижение затрат на транспортировку грузов и пассажиров;
- перевозка грузов в опасных зонах, во время природных и техногенных катастроф или военных действий;
- снижение затрат на топливо;
- экономия временных ресурсов;
- расширение возможностей использования автомобиля для людей с ограниченными возможностями (людей без водительских прав, возможно, включая несовершеннолетних).
Реализация преимуществ беспилотных транспортных средств не может быть достигнута без эффективной работы систем управления движением, которая ограничена быстродействием измерительных, вычислительных и исполнительных устройств.
Разработка надежного и безопасного автомобиля предполагает построение и анализ соответствующих математических моделей на начальном этапе проектирования. Их использование позволяет оценить влияние параметров конструкции автомобиля на его движение, а также разработать эффективные алгоритмы управления автомобилем.
Наиболее актуальным является разработка и использование алгоритмов автоматической системы управления движением автомобиля, программного обеспечения для бортовых систем автомобилей, которые позволят максимально облегчить процесс вождения. В связи с этим появляется много новых, инженерно-технических решений, подкрепленных математическими моделями.
Моделирование является основным методом исследований во многих областях знаний и научно-обоснованным методом оценок характеристик сложных систем, используемым для принятия решений в различных сферах инженерной деятельности. Существующие и проектируемые системы можно эффективно исследовать с помощью математических моделей (аналитических
и имитационных), реализуемых на современных ЭВМ, которые, в этом случае, выступают в качестве инструмента экспериментатора с моделью.
В результате введения автоматизации предполагается понижение числа дорожно-транспортных происшествий, которые, как правило, связаны с переоценкой способностей человеческого зрения, с погрешностями при управлении автомобилем в наиболее опасных ситуациях либо с недостаточной реакцией водителя, обеспечение увеличения безопасности дорожного движения, наибольшее упрощение процесса вождения.
Выпускная квалификационная работа посвящена решению актуальной научной проблемы, связанной с разработкой алгоритмов системы управления движением автомобиля для определения оптимальной траектории объезда препятствий.
Цель работы
Создание алгоритмов системы управления движением двухосного автомобиля, позволяющие определить оптимальную траекторию преодоления препятствий.
Задачи
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• выполнить теоретические исследования существующих алгоритмов преодоления препятствий;
• осуществить анализ автономных систем управления движением транспортного средства;
• создать алгоритм для определения оптимальной траектории преодоления препятствий;
• разработать цифровую модель системы управления движением автомобиля для обеспечения оптимальной траектории объезда препятствий;
• выполнить анализ работоспособности разработанного алгоритма на основе компьютерного математического моделирования управляемого криволинейного движения автомобиля.
Методы исследования
Проводимые теоретические исследования базируются на методе математического моделирования, основывающемся на фундаментальных положениях теоретической механики и теории автомобиля, а также с использованием численных методов. Для решения поставленных задач были привлечены классические методы системного анализа, теории автоматического управления, оптимального управления, методов оптимизации.
Виртуальные испытания, анализ и тестирование модели проводились в среде Simulink (MATLAB).
Объектом исследования является управления движением автомобиля.
Предмет исследования: динамические процессы управляемого движения автомобиля.
Научная новизна исследования заключается:
• в разработке программного комплекса для определения оптимальной траектории объезда препятствий, который включает в себя цифровую модель планирования движения по ровному горизонтальному опорному основанию.
На защиту выносятся наиболее значимые результаты диссертационного исследования, составляющие научную новизну работы:
1. исследование в области существующих алгоритмов преодоления препятствий, автономных систем управления движением беспилотного транспортного средства;
2. алгоритм для определения оптимальной траектории преодоления препятствий;
3. цифровая модель системы управления движением автомобиля для обеспечения оптимальной траектории преодоления препятствий;
4. результаты теоретических исследований криволинейного движения системы управления движением автомобиля при заданных начальных и конечных позициях.
Практическая значимость работы
На основе итогов проделанных исследований с целью фактического применения при разработке алгоритмов систем управления движением автомобиля создана совокупность программ для ЭВМ. Применение комплекса дает возможность моделировать динамику транспортного средства и определять квазиоптимальную траекторию объезда препятствий.
При соответствующей доработке на основе полученных результатов могут разрабатываться алгоритмы управления для беспилотных мобильных транспортных комплексов.
Публикации
Основные положения и результаты исследований опубликованы в двух печатных работах, в том числе материалах научной конференции:
- Сарварова Э. Р. Анализ существующих методов преодоления препятствий // Матрица научного познания. 2017. №4. С. 14-19.
- Сарварова Э. Р. Алгоритм определения расстояния до препятствия // Символ науки. 2017. №3. С. 117-119.
- Сарварова Э. Р. Планирование траектории движения автомобиля // Сборник статей международной научно-практической конференции «Проблемы формирования единого научного пространства». Волгоград: НИЦ АЭТЕРНА, 2017.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 3 глав, общих выводов и результатов, приложения, списка использованных источников. Работа изложена на 80 страницах машинописного текста, включая 50 рисунков и 3 таблицы. Библиографический список литературы составляет 45 наименований.
Во введении обосновывается актуальность разработки эффективных алгоритмов управления движением автомобиля для преодоления препятствий, базирующихся на компьютерном математическом моделировании.
Сформулирована цель работы, задачи, выделены научная новизна, практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава представляет собой литературный обзор автономных систем управления движением беспилотного транспортного средств. Проанализированы работы существующих алгоритмов преодоления препятствий и методов планирования траекторий движения автомобиля.
Вторая глава посвящена описанию математической модели движения автомобиля, а также описанию цифровой модели криволинейного движения автомобиля.
В третьей главе разработан алгоритм работы системы управления движением автомобиля объезда препятствий. Создан алгоритм планирования движения автомобиля, обеспечивающее движение по оптимальной траектории, а также тестирование работы системы управления.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!


Широкое внедрение электронных систем управления является одним из трендов развития автомобильной промышленности во всем мире. Чтобы конкурировать с иностранными фирмами, российские автопроизводители будут вынуждены устанавливать аналогичные системы на свою продукцию. Таким образом, фактически имеется только две альтернативы развития отечественного автомобилестроения: либо закупка иностранных систем и их дальнейшее
совершенствование в тесном сотрудничестве с разработчиками, либо переход на самостоятельное внедрение электронных систем управления на отечественном рынке.
В данной работе разработан алгоритм планирования траектории движения автомобиля для определения оптимальной траектории объезда препятствий, а также цифровая модель системы управления движением двухосного автомобиля следования по траектории. Но такая модель не позволяет достичь высокой точности. Следует отметить, что полученная модель транспортного средства адекватно воспроизводит криволинейное движение автомобиля при данных допущениях и условиях движения. Это дает основания считать, освещенную в данной работе, теорию верной. Но эта модель не позволяет в полной мере сравнивать результаты с натурными испытаниями из-за недостаточного учета конструктивных факторов ТС, но может занимать промежуточное место между велосипедной и пространственной моделями, и использоваться в последующем развитии имитации динамики автомобиля.
Были выполнены все поставленные задачи и достигнута цель преддипломной практики, в результате чего был получен опыт в создании алгоритмов для определения оптимальной траектории преодоления препятствий, а также был закреплен опыт проектирования в среде MATLAB.
В процессе работы была исследована модель, которая описывает движение реального автомобиля, согласно физическим законам. Для этого были изучены процессы, происходящие при движении автомобиля. В результате чего была рассмотрена система дифференциальных уравнений, которая описывает криволинейное движение автомобиля.
Проведен анализ работоспособности разработанного алгоритма на основе цифрового математического моделирования. Полученные результаты показали, что цифровая модель системы управления движением автомобиля корректно воспроизводит криволинейное по траектории. Исследования проводились с использованием численных методов моделирования движения автомобиля. В основу теоретических исследований были положены методы математического моделирования, положения теоретической механики и теории автомобиля, численные методы. Практические исследования и тестирование модели проводились в среде Simulink.Математическое моделирование движения автомобиля, синтез законов управления и анализ результатов проведены средствами MATLAB.
Научная новизна работы заключается в разработке программного комплекса для определения оптимальной траектории объезда препятствий, в который входит создание цифровой модели криволинейного движения по ровному горизонтальному опорному основанию.
На основе итогов проделанных исследований с целью фактического применения практическая значимость заключается в разработке алгоритмов систем управления движением автомобиля. Применение комплекса дает возможность моделировать динамику транспортного средства и осуществлять оценку воздействия управляющего влияния на безопасность движения в различных дорожных обстоятельствах, вследствие чего вероятно обосновано приступать к созданию технических условий к системам управления движением, то, что дает возможность обеспечивать безопасность при эксплуатации автономных ТС для объезда препятствий.
Особенность данной работы состоит в применении разработанных алгоритмов системы управления в различных моделях криволинейного движения для определения оптимальной траектории объезда препятствий. При соответствующей доработке на основе полученных результатов могут разрабатываться алгоритмы управления для беспилотных мобильных комплексов.
Создание данного алгоритма может принести максимальную пользу, если проводить моделирование движения автомобиля с использованием условий, которые опасны на практике (занос). В частности, в процессе моделирования может обнаружиться непредсказуемое поведение динамики системы «дорога- шина-автомобиль-водитель», вызывающее опасную ситуацию, которую следует избегать в реальных процессах.
Область применения являются информационные технологии, программное обеспечение (ПО). Тематическое направление - автомобилестроение, компьютеры и электроника.



1. Volkswagen: сайт компании. Режим доступа:http://www.volkswagenag.com(Дата обращения 04.12.2016).
2. RoboCV: сайт компании. Режим доступа: http://www.robocv.ru
(Дата обращения: 05.01.2017).
3. Audi: сайт компании. Режим доступа: http://www.audi.com(Дата обращения: 07.01.2017).
4. Сайкин, А. М. Современное состояние разработок по созданию «беспилотных» автотранспортных средств за рубежом и в ФГУП «НАМИ» / А. М. Сайкин, Д. В. Ендачев, И. В. Холодилин // Труды НАМИ. - 2012. - №250. - С. 80-95.
5. Петрусь, И. П. Технология «общения» дорожного транспорта / И. П. Петрусь // Интернет-журнал Науковедение. - 2014. - № 2. - С. 135.
6. Беспилотные автомобили становятся реальностью // Информатика
и образование. - 2007. - №10. - С. 89-91.
7. Артёмкин, В. В. Реализация сценария «следуй за мной» беспилотной системы управления автомобилем-роботом на основе данных лидара и видеодатчика / В. В. Артёмкин, С. С. Лукша, А. Ю. Маликов // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. - 2013. - №4. - 3(46). - С. 28-34.
8. Дьяконов, В. П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 в математике
и моделировании. Серия «Библиотека профессионала» / В. П. Дьяконов - М. : СОЛОН - Пресс, 2005. - 576 с.
9. Борисов, А. Г. Открытая аппаратная платформа для тестирования программного обеспечения беспилотного автомобиля / А. Г. Борисов, С. А. Голь, В. Е. Корнеев // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. - 2013. - №4-3(46). - С. 50-55.
10. Ветлинский, В. Н. Автоматические системы управления движением
автотранспорта / В. Н. Ветлинский, А. В. Осипов. - Ленинград:
Машиностроение, 1986. - 216 с.
11. Лупичев, Л. Н. Управление движением и техническое зрение автономных транспортных роботов / Л. Н. Лупичев. - М. : ИФТП, 1989. - 192 с.
12. Елизаров, В. А. Автоматизированные системы управления на автомобильном транспорте / В. А. Елизаров, М. Е. Львин, В. П. Сахаров. - М. : Транспорт, 1983. - 144 с.
13. Аттетков, A. B. Методы оптимизации / A. B. Аттетков, С. В. Галкин, В. С. Зарубин. - M. : Изд-во МГТУ. - 2001. - 201 с.
14. Пегат А. Нечеткое моделирование и управление / А. Пегат. - M. : БИНОМ. Лаборатория знаний. - 2013. - 798 с.
15. Круглов, В. В. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети / В. В. Круглов, М. И. Дли, Р. Ю. Голунов. - М. : «ФИЗМАТЛИТ», 2001.
- 201 с.
16. Рутковская, Д. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы / Д. Рутковская, М. Пилиньский, Л. Рутковский. - М.: Горячая линия
- Телеком, 2006. - 452 с.
17. Вахламов, В. К. Автомобили: Теория и конструкция автомобиля и двигателя: Учебник для студ. учреждений / Вахлямов В. К., Шатров М. Г., Юрчевский А. А. - 2-е изд., стер. - М. : Издательский центр «Академия», 2005. - 816 с.
18. Хачатуров, А. А. Динамика системы «дорога-шина-автомобиль-водитель» / А. А. Хачатуров. - М. : Машиностроение, 1976. - 286 с.
19. Катанаев, Н. Т. Параметрическая идентификация объекта управления человеко-машинной системы «автомобиль-среда-водитель»: Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.05.03. / Н. Т. Катанаев - Моск. гос. техн. ун-тет. - М. : «МАМИ», 2009. - 45 с.
20. Литвинов, A. C. Управляемость и устойчивость автомобиля. Учеб. пособие /А. С. Литвинов - М. : «Машиностроение», 1971. - 416 с.
21. Агейкин, Я. С. Вездеходные колесные и комбинированные движители / Я. С. Агейкин. - М. : Машиностроение, 1972. - 184 с.
22. Бахмутов, C. B. Изучение потенциальных возможностей по маневренности и устойчивости движения на трехстепенной модели / C. B. Бахмутов, О. И. Карузин // Межвузовский сборник научных трудов «Безопасность и надежность автомобиля». - М. : МАМИ, 1983. - С. 3-17.
23. Ендачев, Д. В. Прогнозирование характеристик криволинейного движения беспилотного автомобиля: дис. ... канд. техн. наук: 05.05.03 / Д. В. Ендачев; ФГУП «НАМИ». - М., 2016. - 183 с.
24. Ендачев, Д. В. Разработка схем и алгоритмов автоматических систем управления к составным частям «Беспилотного» автотранспортного средства / Д. В. Ендачев, А. М. Сайкин, И. А. Плиев // Труды НАМИ: сб. науч. ст.
- М., 2013. - Вып. № 254. - С. 20-46.
25. Karaman, S. Sampling-based algorithms for optimal motion planning
/ S. Karaman, E. Frazzoli // Int J Rob Res. - 2011. - vol. 30. - pp. 846-894.
26. Bohlin, R. Path planning using Lazy PRM / R. Bohlin, L. E. Kavraki // In proc. IEEE Int. conf. robot. autom. (ICRA). - 2000. - pp. 521-528.
27. Abbadi, A. RRT’s Review and Statistical Analysis / A. Abbadi, R. Matousek // Int. J. Math. Comput. Simul. - 2012. - vol. 6, no. 1.
28. Strandberg, M. Augmenting RRT-planners with local trees. / M. Strandberg / In proceedings of the IEEE International conference on robotics and automation, vol. 4. - 2004. - pp. 3258-3262.
29. Введение в математическое моделирование: учеб пособие / под ред. П. В. Трусова. - М. : Логос, 2005. - 440 с.
30. Советов, Б. Я. Моделирование систем: учеб. для вузов - 3-е изд., перераб. и доп. / Б. Я. Советов, С. А. Яковлев. - М. : Выш. шк., 2001. - 343 с.
31. Асанов, А. З. Математические модели динамических систем: учеб пособие / А. З. Асанов. - Казань : изд-во Казан. гос. ун-та, 2007. - 205 с.
32. Юревич, Е. И. Теория автоматического управления / Е. И. Юревич. - СПб. : БХВ-Петербург, -2007. - 560 с.
33. Мирошник И. В. Теория автоматического управления. Линейные системы.
- СПб. : Питер, 2005. - 336 с.
34. Паничев, В. В. Компьютерное моделирование: учеб пособие / В. В. Паничев, Н. А. Соловьев. - Оренбург : ГОУ ОГУ, 2008. - 130 с.
35. Терёхин, В. В. Моделирование в системе MATLAB: учебное пособие / В. В. Терёхин. - Новокузнецк: Куззбассвузиздат, 2004. - 376с.
36. Тарасик, В. П. Теория движения автомобиля: Учебник для вузов / В. П. Тарасик. - СПб. : БВХ-Петербург, 2006. - 478 с.
37. Лата, В. Н. Выбор и исследование критериев управляемости автомобиля по частотным характеристикам его реакций на управление: дис. канд. техн. наук: 05.05.03 / В. Н. Лата. - М. : МАМИ, 1989. - 201с.
38. Смирнов, Г. А. Теория движения колесных машин: Учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов. -2-е изд., доп. и перераб. / Г. А. Смирнов.- М. : Машиностроение, 1990. - 352 с.
39. Сивухин, Д. В. Общий курс физики, т. 1 Механика / Д. В. Сивухин. - М. : «Наука», 1979. - 520 с.
40. Дьяконов, В. П. Matlab 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения / В. П. Дьяконов. - М. : СОЛОН-Пресс, 2005. - 800 с.
41. LaValle, S. M. Rapidly-exploring random trees: A new tool for path planning / S. M. LaValle // Computer science department, Iowa State university. - 1998.
- No 98-11.
42. Большаков А. А. Планирование траектории движения мобильного робота / А. А. Большаков, М. Ф. Степанов, А. М. Степанов, Ю. А. Ульянина // Вестник Саратовского государственного технического университета.
- 2010. - №3с. - С. 176-180.
43. Frazzoli, E. Real-time motion planning for agile autonomous vehicles
/ E. Frazzoli, M. A. Dahleh and E. Feron // AIAA J. Guid. Control. - 2002. - vol. 25, no. 1. - pp. 116-129.
44. Lan, X. Continuous curvature path planning for autonomous vehicle maneuvers using RRT* / X. Lan, S. Di Cairano // European control conference (ECC).- 2015.
45. Камаев, В. А. Расчет траектории движения мобильного робота с гусеничным движителем для применения в алгоритме RRT / В. А. Камаев, А. И. Крыжановский, И. Ю. Никляев, П. С. Пыхтин // Известия Волгоградского государственного технического университета. - 2013. - №24 (127). - С. 38-43.


Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.



Подобные работы


©2024 Cервис помощи студентам в выполнении работ