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日常科学

日常科学

重新创建Cresta Run

04 Feb 2002

随着盐湖城冬季奥运会的开始,雪橇司机一直在根据物理定律在电动机械模拟器上磨练自己的技能。

追求黄金

 

雪橇非常昂贵 –创建世界一流的赛道通常需要花费15-30m美元,而设计和测试有竞争力的雪橇则需要25000美元。此外,美国雪橇队和亚洲雪橇队可以承担大笔旅行费用,因为除国际雪橇和雪橇联合会(FIBT)认证的世界杯比赛赛道以外,其他所有赛道都在欧洲。

这些经济上的激励措施促使人们使用类似于商用航空的模拟器来教授雪橇驾驶的复杂性。在加州大学戴维斯分校,我们小组开发了这样的模拟器,并将其中两个永久安装在普莱西德湖和盐湖城的美国雪橇联合会设施中。模拟器使运动员可以全年进行世界杯巡回赛和奥运会的训练(请参阅A Kelly和M Hubbard 2000 体育工程 3 13).

尽管现有的关于雪橇动力学和雪橇性能的一维研究非常有用,但要设计模拟器,我们需要在三个维度上全面表征轨道表面和雪橇的运动。我们基于永久性混凝土或石材地基(覆盖了几厘米的冰)的测量结果,建立了各种雪橇轨道表面的数学模型。实际上,我们模型中的表面精确到约4毫米,比冰本身的表面更精确。

然后,将轨道表面合并到三个微分方程中,这三个方程描述了沿着一个轨道旋转并具有一个旋转和两个平移自由度的物体的运动。这些方程式还包含各种车辆参数,例如雪橇的质量,其惯性矩,空气动力学阻力和升力系数以及在冰上的钢滑道的摩擦系数。我们还需要确切地知道驾驶员在尝试控制车辆时如何操纵雪橇。

走向胜利

经常举行雪橇比赛。例如,在1998年日本冬季奥运会上,大不列颠和法国以并列相同的时间完成了四次奔跑并列铜牌,而美国队仅落后0.02秒排在第四。

司机’我们的工作是操纵雪橇,以最大程度地减少完成课程所需的时间。但是控制雪橇是一项极其微妙的任务,因为只有前跑者才可以操纵。此外,冰上跑步者的摩擦阻力系数很小(〜0.015),这意味着横向转向力很小。

通常,驾驶员将赛跑者转弯的角度小于5°,以在向前赛跑者上产生横向力并产生角加速度。他或她的工作很困难,只能通过单个转向运动来控制雪橇的位置和角加速度–比同时转向和平衡自行车更具挑战性的任务。由于摩擦系数小,缺乏控制,使这一困难更加复杂。

在开始跑步时,团队将雪橇推至最高速度。驾驶员仅在推动完成后才控制车辆。因此,需要一个准确的推过程模型来为仿真提供现实的初始条件。滑板最终达到其最终前进速度,该速度由重力的前向分量,气动阻力和冰摩擦之间的平衡确定。由于雪橇的局部机械能(即其势能和动能之和)大致在转弯中保持不变,因此驾驶员必须转向弯道以使动能最大化,从而使速度最大化,同时使行进距离最小化。这些增益必须与由于额外的转向引起的摩擦而导致的速度损失进行权衡,以便在其余行驶过程中保持速度。

在模型开发的每个阶段,合并实际数据都非常重要。我们使用的车辆模拟参数来自风洞测试,冰摩擦研究,雪橇的质量和惯性测量以及轨道形状的测量。将仿真结果与测量结果进行比较可以验证模型并确定需要改进的地方。如果不对实验进行持续测试,该模型可能会迅速失去与现实的联系。

模拟动作

我们的雪橇模拟器是一种机电系统,其设计和构建可紧密模拟真实体验。驾驶员转向,模拟器计算滑板的反应方式。模拟器还为驾驶员提供了与实际事件类似的感觉。确实,让尽可能多的驾驶员参与非常重要’s senses as possible to heighten the 感觉ing of realism. Our bobsled simulator therefore addresses the visual, tactile and auditory senses, as well as the driver’同时使用硬件和软件的平衡感。

模拟器的核心是一台高速计算机,该计算机可以计算对动力学建模的微分方程。司机’s的转向是用光学编码器测量的,并直接送入计算机以影响运动方程。这些方程可在100 Hz下实时求解。同时,生成不断变化的视觉图像,显示驾驶员从他或她在轨道上的位置所看到的图像。

尽管视觉反馈约占感知运动的70%,但内耳器官的角运动也很重要。雪橇在所有三个方向上都经历角加速度,但是围绕前轴的侧倾分量是迄今为止最大和最猛烈的,角加速度经常超过60 rad s-2。直流电动机控制模拟器座舱的滚动来模仿该运动。

驾驶员的另一个重要因素是“feel”转向。我们的模拟器可计算跑步者上的力以及通过转向连杆传递给驾驶员的力’手。然后,我们在转向机构中使用有源直流电动机控制系统来再现这些力,以产生逼真的触感。由于履带表面很少光滑,因此滑道与冰上表面不规则性之间的相互作用会产生极其严重的振动和听觉噪声。实际轨迹运行中记录的声音噪声为模拟器提供了最终的逼真感。

尽管已尽一切努力获得准确和现实的感官反馈,但模拟器确实有其局限性。例如,雪橇涉及到极高的比力,而该团队一次承受的重力相当于加速度的5倍,每次长达2秒。但是不可能在实验室中的座舱中模拟这种加速度,从而将比力限制为1g.

由于一切都是实时计算的,因此几乎所有感兴趣的变量都可以在跑步后显示给驾驶员,以了解对错。这是模拟器相对于真正的雪橇的巨大优势之一–这是非常昂贵的,并且需要花费大量精力在实际运行中测量相同的变量。立即向驾驶员提供定量反馈对于帮助改善其驾驶技术极为重要。

模拟器的另一个好处是,驾驶员可以多次练习跑步。在真实的赛道上,由于其他希望使用相同赛道的车队的竞争,车手们幸运地进行了四分钟持续一分钟的奔跑。该模拟器的另一个明显优势是安全性:团队可以尝试过于冒险和危险而无法在实践中尝试的驾驶策略。

性能提升

那么,模拟器在比赛中带来了更快的速度并获得了更多的奖牌吗?不幸的是,几乎不可能通过实验来测试模拟器的有效性。原因是驱动程序的性能只是其中之一–甚至不是最重要的–决定完成时间的三个主要因素。另外两个–推力有效性(即推力结束时的速度和时间)以及雪橇的空气动力学和摩擦效率–与驾驶技能无关。

也就是说,模拟器使我们能够完全控制在真实比赛中无法控制的因素。由于所有其他条件保持不变,因此模拟器中完成时间的差异完全取决于驾驶技术。通过长时间测量这些时间,很明显,模拟器确实导致驾驶员性能的逐步提高。

尽管模拟体验永远无法完全取代实际的雪橇,但驾驶员仍称赞其真实感,捕捉驾驶基本特征的能力以及提高对特定赛道布局的熟悉度的有效性。到目前为止,我们的模拟器已被证明是调节世界一流驾驶员技能的有效工具。而在另一方面,模拟器可以帮助快速,安全地培训新手驾驶员。

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