Тренажеры для водителей и пилотов станут долговечнее и реалистичнее

Ученые разработали математическую модель с адаптивной цифровой системой управления, которая сделает авто- и авиатренажеры более реалистичными и поможет уберечь их от поломок из-за перегрузок. Ученые сравнили предложенную модель с аналогами, используемыми в тренажерах российской компании «Транзас», и выяснили, что новая система позволяет управлять поршнями, которые отвечают за движение кабины-симулятора, в более широких условиях, до трех раз быстрее и в полтора раза точнее. Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ) и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, опубликованы в журнале Control Engineering Practice.

Чтобы натренировать водителя или пилота правильно управлять автомобилем или самолетом соответственно, используются тренажеры. Они обычно имеют вид кабины, установленной на платформе Стюарта — устройстве, имеющем шесть независимых «ног», прикрепленных попарно в трех точках на нижней — опорной — плите платформы и в трех на верхней плите. Длины этих «ног» можно изменять встроенными в них приводами и, тем самым управлять ориентацией платформы. Такое движение может имитировать наклон самолета при маневрировании или машины при движении по неровной поверхности.

Сделать такие тренажеры максимально реалистичными и безопасными можно только, обеспечив практически моментальную и высокоточную отработку приводами команд компьютера. Существующие на сегодняшний день устройства часто не столь быстро реагируют на подаваемые им сигналы, как это происходит в автомобиле или самолете, на которые действует окружающая среда (погодные условия, дорожное покрытие и другие факторы). Кроме того, известны случаи поломки тренажеров из-за перегрузок и ошибочном срабатывании системы управления, что может сделать работу на них небезопасной.

Чтобы исправить эти недостатки, ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Института проблем Машиноведения РАН (Санкт-Петербург) детально исследовали динамику пневматических приводов платформы Стюарта. Анализ позволил авторам определить параметры движения, которые важно учитывать при разработке систем управления платформой. В частности, диаметр и массу поршней, длину штоков (подвижных «стержней» в приводах), давление, создаваемое той или иной нагрузкой на элементы. Опираясь на эти характеристики, исследователи разработали алгоритмы, обеспечивающие высокое быстродействие и точность управления движением платформы Стюарта.

«От кабины, в которой сидит человек, подается сигнал на платформу о том, что она должна совершить какое-то движение, например, наклониться при повороте руля. Если быть точнее, этот сигнал поступает на цифровой регулятор — устройство, связанное с поршнями и "решающее", как изменить в них давление, чтобы система обеспечила нужное угловое и пространственное перемещение платформы. Предложенная нами математическая модель позволяет сделать такое "принятие решений" регулятором (или "системой управления") более точным, быстродействующим и менее ресурснозатратным, чем у ранее существующих», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Николай Кузнецов, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, руководитель Ведущей научной школы Российской Федерации в области математики и механики, заведующий кафедрой прикладной кибернетики СПбГУ, заведующий лабораторией информационно-управляющих систем ИПМаш РАН.

Кроме того, авторы проанализировали динамику движений разрабатываемого российской компанией «Транзас» тренажера для автомобиля КАМАЗ, и с помощью своей модели скорректировали выявленные недостатки и неточности системы управления, в частности скорость и силу реагирования поршней на подаваемые сигналы. Также ученые проанализировали возможность появления и устранения скрытых колебаний, которые могли бы привести к аварийным ситуациям при работе тренажера. В результате система управления этого же тренажера с новым алгоритмом быстрее и точнее отвечала на разнообразные команды человека, тем самым реалистичнее имитируя поведение автомобиля.

Разработанная авторами система позволит также сделать авто- и авиатренажеры безопаснее, поскольку в математическом алгоритме, помимо характеристик, влияющих на движение поршней, заложены данные о максимальной нагрузке, которую они способны выдержать. Это предотвратит возможность перегрузок, из-за которых тренажер может перестать работать или даже разрушиться. В дальнейшем ученые планируют в сотрудничестве с инженерами внедрить предложенную модель в реальные тренажеры, чтобы протестировать свою разработку.