Мобильная система помощи водителю автомобиля с прицепом при маневрировании задним ходом
MOBILE SYSTEM FOR ASSISTANCE TO DRIVER OF VEHICLE WITH TRAILER AT REAR MANOEUVRING

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, в частности к системе и способу управления автомобилем с прицепом задним ходом. Изобретение позволяет облегчить управление автомобилем с прицепом при движении назад, изначально не оборудованным штатной системой помощи маневрированию с прицепом задним ходом. Предлагаемая система не требует вмешательство в штатные системы автомобиля и предполагает минимальные затраты на ее реализацию.
Предлагаемая система включает: датчики угла отклонения рулевого колеса (руля) водителя и угла сцепки прицепа с автомобилем (отклонения продольной оси прицепа от продольной оси автомобиля) с беспроводным каналом передачи данных и мобильное устройство типа смартфона или планшета, используемого для ввода параметров системы управления, заданного значения угла сцепки, ограничения сигналов, расчета угла поворота рулевого колеса водителя и выдачи команд водителю (голосовые и/или в виде динамического изображения) для их реализации.
Способ эксплуатации системы, который отличается малыми затратами из-за простоты установки системы на автомобиль. Способ включает последовательные шаги, в которых с помощью мобильного устройства инициализируют систему управления путем ввода параметров системы, задают требуемый угол сцепки при маневрировании задним ходом; производят ограничения сигналов для обеспечения работоспособности системы; формируют команды водителю, подлежащие к исполнению, для достижения заданного значения угла сцепки.
Область техники, к которой относится изобретение
Предполагаемое изобретение относится к системе и способу помощи водителю автомобиля, изначально не оборудованного системой помощи маневрирования задним ходом с прицепом, обладающей простотой ее установки на автомобиль и низкой стоимостью реализации.
Уровень техники
Парковка задним ходом с прицепом может вызвать сложности, как у начинающих водителей, так и у опытных. Опрос водителей, которые имеют прицеп, показал, что более 70% из них не могут парковаться задним ходом с прицепом. Особенностью такого движения является то, что двигаясь назад необходимо компенсировать небольшие отклонения прицепа от прямолинейного движения поворотами руля в обратную сторону. Неточное управление водителем может привести к складыванию системы (большое значение угла сцепки), вывести из этого положения можно только проехав вперед.
Для того чтобы помочь водителю при управлении транспортным средством с прицепом задним ходом, система помощи водителю должна учитывать намерения водителя, анализировать текущее значение угла сцепки, угла рулевого колеса водителя и генерировать подсказки водителю по управлению автомобилем, чтобы прицеп двигался устойчиво в заданном направлении с устранением возможности складывания сцепки «автомобиль-прицеп».
Известны близкие к изобретению по общим признакам и достигаемому техническому результату аналоги:
1. Система и способ помощи водителю транспортного средства с прицепом, патент RU 2574042, 31.10.2014, МПК B60R 1/00, B62D 13/06, B62D 15/02, G01C 21/20. Предлагается система помощи в размещении метки на прицепе, предназначенной для считывания через видеосистему автомобиля ее положения и реализации задачи управления автомобилем с прицепом при движении назад. При этом, как вариант, предлагается использовать мобильное устройство (смартфон, планшет и т.п.) для реализации помощи в установке метки и настройке видеосистемы.
Недостатком в ключе предполагаемого изобретения является то, что мобильное устройство не используется для текущего управления автомобилем с прицепом при маневрировании назад.
2. Система и способ помощи при движении транспортного средства задним ходом с прицепом, патент RU 2627219 С2, 17.07.2015, МПК B60W 30/00. Система помощи при движении задним ходом с прицепом для транспортного средства содержит прицеп, имеющий тормозную систему, устройство ввода рулевых команд и контроллер. Устройство ввода рулевых команд используется для задания желаемой кривизны траектории движения прицепа. Контроллер генерирует команду на автоматическое отклонение рулевых колес автомобиля и команду активации тормозной системы прицепа для достижения желаемой кривизны траектории прицепа.
Прототип предполагаемого изобретения: Система помощи при движении задним ходом с прицепом, патент RU 2608786 С2, 17.04.2015, МПК B62D 1/24, B62D 13/06, B60W 30/00. Здесь предлагается структура системы помощи водителю, включающая следующие составные части: датчики угла сцепки, угла отклонения рулевых колес автомобиля и скорости движения; модуль ввода требуемого значения кривизны пути прицепа; контроллер, содержащий регулятор кривизны и регулятор угла сцепки; устройство автоматического привода рулевых колес автомобиля; человеко-машинный интерфейс. Водитель перед маневрированием назад должен ввести кинематические параметры объекта «автомобиль-прицеп» и задать требуемое значение кривизны пути прицепа. Далее водителю предлагается управлять только скоростью движения и по мере продвижения назад уточнять заданную кривизну. При этом регулятор кривизны по заданному значению кривизны формирует на основе аналитической зависимости требуемое значение угла сцепки. Этот сигнал ограничивается величиной угла складывания (для устранения возможности складывания объекта «автомобиль-прицеп»), и далее отслеживается в замкнутом контуре, организованном регулятором угла сцепки. Выходной сигнал этого регулятора подается на автоматическое устройство привода рулевых колес автомобиля. Последнее, отрабатывая поступивший сигнал, отклоняет рулевые колеса автомобиля и обеспечивает движение прицепа с заданной кривизной.
Недостатками второго аналога и прототипа является то, что:
- монтирование таких систем производится на заводе-изготовителе автомобиля или в специализированном центре технического обслуживания с внедрением в штатные системы управления автомобилем, поэтому нет возможности мобильной переустановки системы с одного автомобиля на другой;
- обязательное наличие штатной видеосистемы и другого специального оборудования;
- высокая стоимость таких систем помощи водителю.
Задачей заявленного изобретения является создание такой системы помощи управления автомобилем с прицепом при маневрировании задним ходом, которая не требует вмешательства в штатные системы автомобиля, будет недорогой, простой в установке и мобильной для переустановки на другой автомобиль.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемой системе используются автономные, компактные, недорогие датчики для измерения угла отклонения рулевого колеса (руля) водителя и угла сцепки прицепа с автомобилем, которые с легкостью устанавливаются и снимаются с автомобиля, а для управления используется мобильное устройство (смартфон или планшет) с предустановленным специализированным программным обеспечением. Связь между указанным оборудованием производится по беспроводному каналу, например Bluetooth. Перед началом движения водитель посредством мобильного устройства задает параметры системы управления, заданный угол сцепки. Мобильное устройство ограничивает сигналы для обеспечения работоспособности системы и формирует команды управления по сигналам с указанных датчиков с целью достижения заданного значения угла сцепки. Управление автомобилем осуществляется водителем по этим командам (голосовые и/или в виде динамического изображения) путем отклонения рулевого колеса.
Краткое содержание фигур
На фиг. 1 представлены основные кинематические соотношения объекта управления «автомобиль-прицеп» (вид сверху).
На фиг. 2 представлена структура устройства помощи водителю.
На фиг. 3 представлен вариант человеко-машинного интерфейса, реализованного посредством мобильного устройства.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 и в дальнейших рассуждениях приняты следующие обозначения:
1 - автомобиль; 2 - продольная ось автомобиля; 3 - рулевые колеса автомобиля; 4 - ось рулевых колес автомобиля; 5 - ось заднего моста автомобиля; 6 - ось колес прицепа; 7 - прицеп; 8 - продольная ось прицепа; 9 - дышло прицепа; 10 - точка сцепки дышла прицепа с автомобилем;
max
ϕ - угол отклонения рулевых колес автомобиля 3, ограничен в виде:  обычно это ограничение не превышает величину 30°, поэтому примем: ϕ=30°; примем, что отклонение руля водителя и отклонение рулевых колес автомобиля связано соотношением:
рул
рул
где ϕ - угол отклонения рулевого колеса водителя, k - коэффициент пропорциональности рулевого управления.
скл
θ - угол сцепки, или угол отклонения продольной оси прицепа 8 от продольной оси автомобиля 2, примем, что  значение модуля угла сцепки, при превышении которого во время движения назад начинается непроизвольное увеличение  с невозможностью его компенсации из-за ограниченности ϕ называется углом складывания (θ);
авт
пр
Ψ, Ψ - угол поворота автомобиля 1 и прицепа 7 (соответственно) от какого-то направления, например, заданного (на рисунке обозначено вертикальной линией);
авт
пр
V, V - скорость автомобиля 1 и прицепа 7, соответственно, скорость автомобиля будем измерять по рулевым колесам 3 с точкой приложения в центре оси вращения рулевых колес 4;
авт
пр
0, 0 - центры (точки) вращения автомобиля 1 и прицепа 7 на повороте соответственно;
пр
R - радиус вращения прицепа 7, измеряемый вдоль оси вращения колес прицепа 6 (эффективной оси для многоосного прицепа);
a
а
, b, с - кинематические параметры объекта управления «автомобиль-прицеп» (, с - положительные ненулевые числа), соответственно: колесная база автомобиля, или расстояние между осями вращения колес автомобиля (4 и 5); расстояние от оси заднего моста автомобиля 5 до точки сцепки 10; расстояние от точки сцепки 10 дышла прицепа 9 до оси вращения колес прицепа 6 (эффективной оси для многоосного прицепа); отметим, что обычно  дополнительное требование к этим параметрам определится далее;
- угловая скорость прицепа 7, появляющаяся из-за внешних неконтролируемых возмущений, природа возникновения которых указана выше; будем считать эту величину ограниченной.
Для составления математического описания объекта управления «автомобиль-прицеп» приняты следующие допущения:
- автомобиль движется с относительно низкой скоростью;
- не будут учитываться эффект боковой податливости шин, боковой юз автомобиля;
- не учитывается динамика движения, в частности, получаемые соотношения не зависят от ускорений.
Известно [Мирошниченко А.Н. Основы теории автомобиля и трактора. - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2014. - 490 с], что угловая скорость автомобиля определяется зависимостью:
Из фиг. 1 можно определить, что
авт
На точку сцепки 10 при движении автомобиля действуют два вектора линейной скорости: вектор поступательного движения автомобиля, соответствующий продольной скорости автомобиля (Vcosϕ), и вектор  соответствующий вращательному движению автомобиля. Исходя из этих векторов, определим линейную и угловую скорость прицепа. Путем проекции указанных векторов на продольную ось прицепа найдем скорость прицепа:
Подставляя сюда выражение для  по зависимости (2), найдем
Угловая скорость прицепа определяется вектором линейной скорости  перпендикулярным продольной оси прицепа (см. фиг. 1). Из кинематической схемы ясно, что при
Также делая подстановку по (2), и учитывая ненулевое в общем случае возмущающее воздействие, найдем:
Поскольку из (3) следует, что  то по зависимостям (2) и (5) несложно определить скорость изменения угла θ:
Зависимость (6) можно переписать по-другому, используя известное равенство [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 177 с.]:  Комбинируя по этой формуле синусы и косинусы по ϕ, можно найти:
где  - положительный коэффициент усиления (утверждение о положительности легко установить из принятых условий);
- балансировочная зависимость угла рулевых колес автомобиля по углу θ; или значение ϕ такое, что если его зафиксировать, то при  текущее значение угла сцепки будет находиться в балансировочном положении:  или объект «автомобиль-прицеп» будет находиться в установившемся развороте, причем как при движении вперед, так и назад;
бал
- параметр линеаризации функции ϕ(θ) около точки θ=0;
бал
- производная функции ϕ(θ) по своему аргументу.
авт
Изучим динамику изменения угла θ в соответствии с равенством (7) при движении вперед (V>0) и отсутствии внешнего возмущения
бал
бал
а
Для этого рассмотрим вначале производную функции ϕ(θ). Из ее значения можно видеть, что если параметры , б, с все положительные, тогда в полном диапазоне изменения угла сцепки λ(θ)>0, т.е. функция ϕ(θ) является возрастающей. Если параметр b отрицательный, тогда для указанного свойства требуется условие
где  - максимально возможное значение модуля угла сцепки. Будем понимать условие (8) как дополнительное условие при отрицательном параметре b, которое считаем выполненным.
бал
бал
бал
бал
Далее рассмотрим случай, когда значение угла рулевых колес автомобиля удовлетворяет условиям: ϕ(θ)>ϕ=const,  т.е. текущее положение рулевых колес автомобиля меньше, чем балансировочное значение, соответствующее текущему углу θ. Из зависимости (7) следует, что это порождает  т.е. уменьшение угла θ. А поскольку функция ϕ(θ) возрастающая, то при этом будет уменьшаться и сам эта функция. Это будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равенство ϕ=ϕ(θ).
бал
авт
бал
Аналогичные рассуждения можно построить и для случая ϕ(θ)<ϕ≡const. А это значит, что при движении вперед (V>0) при постоянном угле поворота рулевых колес θ→θ≡const, где последний соответствует назначенному углу ϕ. То есть движение системы по углу сцепки является устойчивым.
авт
Если же автомобиль движется назад (V<0) - из подобных рассуждений следует, что система точно неустойчива, чем объясняются все проблемы управления таким движением. При этом уравнение (7) будет иметь вид:
бал
Используя подход, подобный тому, что был применен при выводе уравнения (7), можно найти зависимость, обратную к ϕ(θ):
бал
max
скл
В силу возрастающего характера функции ϕ(θ) следует, что максимальное значение угла поворота рулевых колес автомобиля (ϕ) соответствует максимальному значению модуля реализуемого балансировочного значения угла сцепки при движении вперед  Следует отметить, что при движении назад из-за неустойчивости системы этот угол имеет смысл угла складывания (θ). Из (10) следует:
Из полученных соотношений (4) и (5) можно найти кривизну пути прицепа (κ) при отсутствии внешнего возмущения:
бал
бал
Найдем также кривизну пути прицепа на установившемся движении (повороте) с заданным значением ϕ≡const≠0 в отсутствии внешнего возмущения. По выше изложенному этому движению соответствует θ=θ=const по (10). Значение кривизны пути прицепа для этого случая также назовем балансировочным значением (κ). Из (7) и (12) непосредственной подстановкой несложно найти:
бал
бал
где приблизительная зависимость получена линеаризацией около θ=0. Это соотношение показывает, что управление по сигналу θ, если принять его за заданное значение, в приблизительно пропорциональной зависимости соответствует управлению по кривизне пути прицепа, и поэтому может заменить последнее. Это и реализуется в предполагаемом изобретении.
max
Уравнения (1)-(13) с принятыми допущениями описывают кинематические и связанные с ними динамические соотношения объекта управления «автомобиль-прицеп», необходимые для синтеза закона управления при движении задним ходом. Приблизительные равенства в соотношениях (7), (10), (11), (13) в силу их определения точно описывают соответствующие им зависимости в области нулевого значения углов. При увеличении модуля углов погрешность увеличивается, но как показывают расчеты для типовых практических задач с ограничением ϕ=30° погрешность не превышает 10-15%. Также заметим, что из анализа зависимостей следует, что величина  определенная из (11) по линейному приближению, меньше точного значения.
рул
зад
а
Рассмотрим варианты закона управления. Будем считать, что параметры объекта управления k, , b, с заданы, а заданное значение угла сцепки (обозначим его как θ) будет формироваться водителем. Для устранения возможности складывания системы этот сигнал ограничивается на основании (11) очевидным неравенством:
с использованием линейного приближения, а значит, как указывалось, с запасом 10-15%.
Предложим закон управления:
ЗУ
где k - положительный коэффициент закона управления, который влияет на скорость переходного процесса и снижение влияния внешнего возмущения; предполагаем, что этот параметр находится внутри ограничения:
Это требование вытекает из последующих рассуждений.
Действительно, если закон управления (15) подставить в уравнение (9), получим описание динамики угла сцепки в замкнутой системе управления при движении назад:
где приблизительное равенство приведено по линейному приближению и зависимостям по (7). Очевидным требованием устойчивости и пропорциональности управления в отсутствии возмущения здесь является то, чтобы модуль аргумента синуса не превышал величину π/2. Отсюда следует верхнее ограничение (16).
зад
зад
бал
зад
ЗУ
бал
зад
ЗУ
Рассмотрим случай отсутствия внешнего возмущения  Считая сигнал θ постоянным, из точного равенства (17) несложно найти при назначенных ограничениях, что θ→θ≡const. Это в свою очередь приводит по (1) и (15) ϕ→ϕ(θ)≡const. Налицо устойчивое поведение объекта управления, в частности, устойчивый поворот. Причем, сравнивая приблизительную часть (17) с уравнением динамики при движении вперед (7), можно видеть, что при k=1 динамика движения объекта «автомобиль-прицеп» при движении назад приблизительно такая-же, что и при движении вперед с ϕ=ϕ(θ)=const. Если k увеличить, то увеличится и скорость переходного процесса.
Такие рассуждения будут справедливыми при отсутствии внешнего возмущения, даже если синтезированное по (15) управление выходит на ограничение:  При выходе угла поворота рулевых колес на свой конструктивный максимум будет просто ограничиваться скорость переходного процесса и, соответственно, затягиваться переходный процесс (по сравнению с «безлимитным» управлением).
Таким образом, закон управления (15) при движении объекта «автомобиль-прицеп» назад при указанных условиях обеспечивает такое же устойчивое поведение системы, как и при движении вперед.
уст
Если на прицеп действует внешнее возмущение  то на установившемся режиме (когда ) при линейных приближениях установившееся значение угла сцепки (θ) выражается как:
уст
зад
ЗУ
Поскольку θ≠θ, то и остальные параметры движения не будут соответствовать ожидаемым. Но из равенства (18) можно видеть, что выбором k>1 можно ослабить влияние внешнего возмущения.
В силу вынужденной неточности управления при воздействии внешнего возмущения, сам закон управления может быть упрощен: вместо (15), с учетом (7), можно записать:
бал
Он отличается от закона (15) только приблизительным заданием функции ϕ(θ), рассмотрим, что он дает. Его можно переписать как
бал
ЗУ
где  - новое заданное значение угла сцепки, смещенное из-за неточности назначения ϕ(θ). Здесь по аналогичным рассуждениям следует, что  но при увеличении параметра k указанная неточность уменьшается.
Моделирования системы управления с законом управления (19) указывают на его справедливость. Он и используется в предполагаемом изобретении.
На фиг. 2 представлена структура устройства помощи водителю.
Датчик угла отклонения рулевого колеса (руля) водителя 11 и датчик угла сцепки прицепа с автомобилем 12 фиксируются водителем перед началом маневрирования назад с прицепом на рулевое колесо и фаркоп соответственно с помощью систем быстрого крепления (магниты, зацепы, липкая лента и др.) и включаются. Датчики 11 и 12 передают сигналы измерения по беспроводному каналу в мобильное устройство 13.
Датчики 11 и 12 могут быть построены различными способами. Основными критериями являются: автономность, беспроводной канал связи с мобильным устройством, компактность, легкосъемность, низкая стоимость и погрешность не хуже 1 град.
Вариантом исполнения датчика угла поворота рулевого колеса 11 может быть реализация на основе микромеханического датчика MPU6050 [MPU-6000/MPU-6050 Product Specification. InvenSense, 2013, 54 p. Website: www.invensense.com], который представляет собой трехосевой датчик угловой скорости (гироскоп) и трехосевой акселерометр. Поскольку ось вращения рулевого колеса современных автомобилей отклонена от вертикальной оси, можно с использованием комплементарного фильтра на основе показаний об угловой скорости и ускорениях построить автономный достаточно точный датчик угла поворота рулевого колеса. Подобные решения используются в современных гаджетах. Кроме того, датчик имеет микроконтроллер для обработки данных, беспроводной канал передачи данных и элементы питания.
Вариантом исполнения датчика угла сцепки 12 может быть автономный датчик с микроконтроллером, беспроводным каналом передачи данных и элементами питания, в котором в качестве чувствительного элемента используется оптический энкодер, поворотный потенциометр и др. На этот чувствительный элемент через рычаги или гибкую связку передается угол отклонения продольных осей автомобиля и прицепа - угол сцепки (см. фиг. 2).
рул
max
ЗУ
зад
зад
ЗУ
зад
a
Мобильное устройство 13 устанавливается на удобное для наблюдения водителем место (приборную панель, держатель и др.) и инициализируется его специализированное программное обеспечение. Вначале в мобильное устройство вводятся или корректируются (при необходимости) параметры системы управления: k, ϕ, , b, c, k. Далее, также с помощью мобильного устройства 13, вводится заданное значение угла сцепки (θ). Мобильное устройство 13 ограничивает сигналы θ и k по зависимостям (14), (11), (7), (16) и формирует требуемый угол отклонения рулевого колеса водителя по зависимости (19). Кроме того, сравнивая текущий угол рулевого колеса водителя с требуемым значением, мобильное устройство 13 выдает водителю команды (голосовые и/или в виде динамического изображения) на корректировку этого угла. Скоростью движения транспортного средства водитель управляет самостоятельно. Также во время маневрирования возможна корректировка угла θ.
На фиг. 3 представлен вариант человеко-машинного интерфейса, реализованного посредством мобильного устройства 13 в виде программы «Ассистент». Интерфейс реализован посредством нескольких страниц для настройки и инициализации всей системы, задания требуемого угла сцепки и управления автомобилем по командам от мобильного устройства (на фиг. 3 представлены некоторые из них). Страница 14 демонстрирует процедуру ввода заданного угла сцепки путем перемещения на интерактивном мониторе изображения прицепа. На страницах 15 и 16 показаны процедуры выдачи команд водителю на корректировку положения рулевого колеса и текущее положение прицепа относительно заданного.