ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АКТИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АВТОМОБИЛЯ НА ОСНОВЕ АДАПТИВНОГО НЕЙРО-НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ (5 глава коллектив. монографии)

С.В. Горбачев

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АКТИВНОЙ 

БЕЗОПАСНОСТИ АВТОМОБИЛЯ НА ОСНОВЕ 

АДАПТИВНОГО НЕЙРО-НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ 

(5 глава коллектив. монографии)

Москва

Инфра-М

2017

С.В. Горбачев

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АКТИВНОЙ 

БЕЗОПАСНОСТИ АВТОМОБИЛЯ НА ОСНОВЕ 

АДАПТИВНОГО НЕЙРО-НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ 

(5 глава коллектив. монографии)

Москва

Инфра-М; Znanium.com

2017

УДК 330.51-7

ББК 65.011.151

Г68

Горбачев, С.В.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ 
ТЕХНОЛОГИИ 
АКТИВНОЙ 
БЕЗОПАСНОСТИ 

АВТОМОБИЛЯ НА ОСНОВЕ АДАПТИВНОГО НЕЙРО-НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ: 
глава коллектив. монографии / С.В. Горбачев. – М.: Инфра-М; Znanium.com, 
2017. – 112 с.

ISBN 978-5-16-105856-5 (online)

ISBN 978-5-16-105856-5 (online)
© С.В. Горбачев, 2014, 2017

Глава 5

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

АКТИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
АВТОМОБИЛЯ НА ОСНОВЕ
АДАПТИВНОГО НЕЙРО-НЕЧЕТКОГО
УПРАВЛЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Современное автомобильное движение представляет большую

опасность для окружающих и участников движения. А поскольку
полностью избежать дорожно-транспортных происшествий пока
не представляется возможным, автомобиль совершенствуется
в направлении снижения вероятности аварии и минимизации ее
последствий. Этому способствуют ужесточения требований к безопасности автомобиля со стороны организаций, занимающихся
анализом и практическими опытами (краш-тесты). И такие мероприятия дают свои положительные «плоды». С каждым годом автомобиль становится безопасней как для тех, кто находится внутри него, так и для пешеходов.
К современным системам управления автомобилем предъявляются все большие требования:
– качественное управление скоростью;
– высокий момент при низких скоростях;
– низкие временные потери и высокая эффективность;
– высокие динамические характеристики.
Системы управления, построенные по классическому принципу,
показывают плохие показатели качества при управлении нелинейными и сложными системами, а также в условиях недостаточной
информации об объекте управления. В то же время создание прикладных интеллектуальных систем управления и их внедрение в различные сферы человеческой деятельности демонстрируют высокую
эффективность использования современных информационных технологий при управлении слабоформализуемыми объектами и процессами. Характеристики регуляторов в этих случаях можно улуч

Интеллектуальные технологии активной безопасности автомобиля 339

шить с помощью методов нечеткой (фаззи-) логики, нейронных сетей и генетических алгоритмов. Перечисленные методы за рубежом
называют «soft-computing», подчеркивая их отличие от «hardcomputing», состоящее в возможности оперировать неполными и неточными данными.

В данной главе описываются подходы к разработке интеллек
туальных технологий нейро-нечеткого управления автомобилем,
составляющих основу активных систем безопасности. Нейроуправление – частный случай интеллектуального управления, использующий искусственные нейронные сети для решения задач
управления динамическими объектами. Нейроуправление находится на стыке таких дисциплин, как искусственный интеллект,
нейрофизиология, теория автоматического управления, робототехника.

Нейронные сети обладают рядом уникальных свойств, кото
рые делают их мощным инструментом для создания систем
управления: способностью к обучению на примерах и обобщению
данных, способностью адаптироваться к изменению свойств объекта управления и внешней среды, пригодностью для синтеза нелинейных регуляторов, высокой устойчивостью к повреждениям
своих элементов в силу изначально заложенного в нейросетевую
архитектуру параллелизма.

Термин «нейроуправление», впервые был использован одним из

авторов 
метода 
обратного 
распространения 
ошибки 
Полом

Дж. Вербосом в 1976 г. [1, 2]. Известны многочисленные примеры
практического применения нейронных сетей для решения задач
управления самолетом [3, 4], вертолетом [5], автомобилем-роботом
[6], скоростью вращения вала двигателя [7], гибридным двигателем
автомобиля [8], электропечью [9], турбогенератором [10], сварочным аппаратом [11], пневмоцилиндром [12], системой управления
вооружением легкобронированных машин [13], моделью перевернутого маятника [14].

5.1. СИСТЕМЫ АКТИВНОЙ И ПАССИВНОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ АВТОМОБИЛЯ

Чтобы понять составляющие понятия «безопасность автомобиля», сначала разделим его на две части – активную и пассивную
безопасность.

Глава 5
340

АКТИВНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Говоря научным языком – это совокупность конструктивных
и эксплуатационных свойств автомобиля, направленных на предотвращение дорожно-транспортных происшествий и исключение
предпосылок их возникновения, связанных с конструктивными особенностями автомобиля.
А если говорить проще, то это те системы автомобиля, которые
помогают в предотвращении аварии.
Подробнее о параметрах и системах автомобиля, влияющих на
его активную безопасность [9], сказано ниже.

1. Безотказность

Безотказность узлов, агрегатов и систем автомобиля является
определяющим фактором активной безопасности. Особенно высокие требования предъявляются к надежности элементов, связанных с осуществлением маневра: тормозной системе, рулевому
управлению, подвеске, двигателю, трансмиссии и т.д. Повышение
безотказности достигается совершенствованием конструкции, применением новых технологий и материалов.

2. Компоновка автомобиля

Компоновка автомобилей бывает трех видов:
а) Переднемоторная  компоновка автомобиля, при которой двигатель расположен перед пассажирским салоном. Является самой
распространенной и имеет два варианта: заднеприводную (классическую) и переднеприводную. Последний вид компоновки  переднемоторная переднеприводная  получил в настоящее время широкое распространение благодаря ряду преимуществ перед приводом на
задние колеса:
– лучшая устойчивость и управляемость при движении на большой скорости, особенно по мокрой и скользкой дороге;
– обеспечение необходимой весовой нагрузки на ведущие колеса;
– меньший уровень шума, чему способствует отсутствие карданного вала.
В то же время переднеприводные автомобили обладают и рядом
недостатков:
– при полной нагрузке ухудшается разгон на подъеме и мокрой
дороге;

Интеллектуальные технологии активной безопасности автомобиля 341

– в момент торможения слишком неравномерное распределение
массы между осями (на колеса передней оси приходится 70–75%
массы автомобиля) и соответственно тормозных сил (см. «Тормозные свойства»);
– шины передних ведущих управляемых колес нагружены больше, соответственно больше подвержены износу;
– привод на передние колеса требует применения сложных узлов – шарниров равных угловых скоростей (ШРУСов);
– объединение силового агрегата (двигатель и КПП) с главной
передачей усложняет доступ к отдельным элементам.
б) Компоновка с центральным расположением двигателя – двигатель находится между передней и задней осями, для легковых автомобилей является достаточно редкой. Она позволяет получить
наиболее вместительный салон при заданных габаритах и хорошее
распределение по осям.
в) Заднемоторная – двигатель расположен за пассажирским салоном. Такая компоновка была распространена на малолитражных
автомобилях. При передаче крутящего момента на задние колеса она
позволяла получить недорогой силовой агрегат и распределение такой нагрузки по осям, при которой на задние колеса приходилось
около 60% массы. Это положительно сказывалось на проходимости
автомобиля, но отрицательно на его устойчивости и управляемости,
особенно на больших скоростях. Автомобили с этой компоновкой
в настоящее время не выпускаются.

3. Тормозные свойства

Возможность предотвращения ДТП чаще всего связана с интенсивным торможением, поэтому необходимо, чтобы тормозные свойства автомобиля обеспечивали его эффективное замедление в любых
дорожных ситуациях.
Для выполнения этого условия сила, развиваемая тормозным механизмом, не должна превышать силы сцепления с дорогой, зависящей от весовой нагрузки на колесо и состояния дорожного покрытия. Иначе колесо заблокируется (перестанет вращаться) и начнет
скользить, что может привести (особенно при блокировке нескольких колес) к заносу автомобиля и значительному увеличению тормозного пути. Чтобы предотвратить блокировку, силы, развиваемые
тормозными механизмами, должны быть пропорциональны весовой

Глава 5
342

нагрузке на колесо. Реализуется это с помощью применения более
эффективных дисковых тормозов.
На современных автомобилях используется антиблокировочная
система (АБС), корректирующая силу торможения каждого колеса и
предотвращающая их скольжение.
Зимой и летом состояние дорожного покрытия разное, поэтому
для наилучшей реализации тормозных свойств необходимо применять шины, соответствующие сезону.

4. Тяговые свойства

Тяговые свойства (тяговая динамика) автомобиля определяют
его способность интенсивно увеличивать скорость движения. От
этих свойств во многом зависит уверенность водителя при обгоне,
проезде перекрестков. Особенно важное значение тяговая динамика
имеет для выхода из аварийных ситуаций, когда тормозить уже
поздно, маневрировать не позволяют сложные условия, а избежать
ДТП можно, только опередив события.
Так же, как и в случае с тормозными силами, сила тяги на колесе не должна быть больше силы сцепления с дорогой, в противном случае оно начнет пробуксовывать. Предотвращает это противобуксовочная система (ПБС). При разгоне автомобиля она
притормаживает колесо, скорость вращения которого больше, чем
у остальных, а при необходимости уменьшает мощность, развиваемую двигателем.

5. Устойчивость автомобиля

Устойчивость – способность автомобиля сохранять движение по
заданной траектории, противодействуя силам, вызывающим его занос и опрокидывание в различных дорожных условиях при высоких
скоростях.
Различают следующие виды устойчивости:
– поперечная при прямолинейном движении (курсовая устойчивость). Ее нарушение проявляется в рыскании (изменении направления движения) автомобиля по дороге и может быть вызвано действием боковой силы ветра, разными величинами тяговых или
тормозных сил на колесах левого или правого борта, их буксованием
или скольжением, большим люфтом в рулевом управлении, неправильными углами установки колес и т.д.;

Интеллектуальные технологии активной безопасности автомобиля 343

– поперечная при криволинейном движении. Ее нарушение приводит к заносу или опрокидыванию под действием центробежной
силы. Особенно ухудшает устойчивость повышение положения центра масс автомобиля (например, большая масса груза на съемном
багажнике на крыше);
– продольная. Ее нарушение проявляется в буксовании ведущих
колес при преодолении затяжных обледенелых или заснеженных
подъемов и сползании автомобиля назад. Особенно это характерно
для автопоездов.

6. Управляемость автомобиля

Управляемость – способность автомобиля двигаться в направлении, заданном водителем.
Одной из характеристик управляемости является поворачиваемость – свойство автомобиля изменять направление движения при
неподвижном рулевом колесе. В зависимости от изменения радиуса
поворота под воздействием боковых сил (центробежной силы на повороте, силы ветра и т.д.) поворачиваемость может быть:
– недостаточной – автомобиль увеличивает радиус поворота;
– нейтральной – радиус поворота не изменяется;
– избыточной – радиус поворота уменьшается.
Различают шинную и креновую поворачиваемость.
Шинная поворачиваемость связана со свойством шин двигаться
под углом к заданному направлению при боковом уводе (смещение
пятна контакта с дорогой относительно плоскости вращения колеса).
При установке шин другой модели поворачиваемость может измениться и автомобиль на поворотах при движении с большой
скоростью поведет себя иначе. Кроме того, величина бокового
увода зависит от давления в шинах, которое должно соответствовать
указанному в инструкции по эксплуатации автомобиля.
Креновая поворачиваемость связана с тем, что при наклоне кузова
(крене) колеса изменяют свое положение относительно дороги и автомобиля (в зависимости от типа подвески). Например, если подвеска
двухрычажная, колеса наклоняются в стороны крена, увеличивая увод.

7. Информативность

Информативность – свойство автомобиля обеспечивать необходимой информацией водителя и остальных участников движения.
Недостаточная информация от других транспортных средств, нахо

Глава 5
344

дящихся на дороге, о состоянии дорожного покрытия и т.д. часто
становится причиной аварии. Информативность автомобиля подразделяют на внутреннюю, внешнюю и дополнительную.
Внутренняя обеспечивает возможность водителю воспринимать
информацию, необходимую для управления автомобилем.
Она зависит от следующих факторов:
– обзорность должна позволять водителю своевременно и без
помех получать всю необходимую информацию о дорожной обстановке. Неисправные или неэффективно работающие омыватели,
система обдува и обогрева стекол, стеклоочистители, отсутствие
штатных зеркал заднего вида резко ухудшают обзорность при определенных дорожных условиях;
– расположение панели приборов, кнопок и клавиш управления,
рычага переключения скоростей и т.д. должно обеспечивать водителю минимальное время для контроля показаний, воздействий на переключатели и т.д.
Внешняя информативность – обеспечение других участников
движения информацией от автомобиля, которая необходима для
правильного взаимодействия с ними. В нее входят система внешней
световой сигнализации, звуковой сигнал, размеры, форма и окраска
кузова. Информативность легковых автомобилей зависит от контрастности их цвета относительно дорожного покрытия. По статистике
автомобили, окрашенные в черный, зеленый, серый и синий цвета,
в два раза чаще попадают в аварии из-за трудности их различения
в условиях недостаточной видимости и ночью. Неисправные указатели поворотов, стоп-сигналы, габаритные огни не позволят другим
участникам дорожного движения вовремя распознать намерения водителя и принять правильное решение.
Дополнительная информативность – свойства автомобиля, позволяющие эксплуатировать его в условиях ограниченной видимости: ночью, в тумане и т.д. Она зависит от характеристик приборов
системы освещения и других устройств (например, противотуманных фар), улучшающих восприятие водителем информации о дорожно-транспортной ситуации.

8. Комфортабельность

Комфортабельность автомобиля определяет время, в течение которого водитель способен управлять автомобилем без утомления.
Увеличению комфорта способствует использование АККП, регуля