Podręcznik

Można przyjąć na użytek niniejszej publikacji, że dla podwozia zrobotyzowanego, które ma być bazą konstrukcji pojazdu mobilnego najbardziej istotne mogą być następujące rodzaje przeszkód terenowych:

1.  Prostopadła ściana, do której dojeżdżają koła przedniej osi podwozia - rysunek 11.

Rysunek 11: Najazd koła podwozia na przeszkodę – prostopadłą ścianę

Przy rozpatrywaniu przeszkody jak na rysunku 11 wprowadza się pojęcia tzw. wspinania. Wspinanie jest zatem zdolnością podwozia pojazdu (koła) do pokonania bez rozpędu maksymalnej wysokości prostopadłej ścianki. Badania terenowe pojazdów pokazują, że mniejszą możliwość wspinania posiada podwozie mobilne z napędem tylko tylnych (lub tylnej) osi kół. W tym przypadku koła przedniej osi nie przyczyniają się do uchwyceniu krawędzi ścianki lub jej powierzchni, gdyż nie są napędzane. Wspinanie jest wtedy ograniczone wyłącznie przyczepnością kół tylnej osi oraz wysokością przeszkody. Utrzymanie natarcia koła na przeszkodę powoduje jej pokonanie.
Zakładając, że podwozie pojazdu jest tak skonstruowane, że nacierające na przeszkodę koło może bez przeszkód dojechać do tej ściany (np. rama podwozia tego nie ogranicza – rysunek 11), oraz że podwozie posiada nienapędzaną oś przednią kół, maksymalną wysokość przeszkody h, którą może pokonać koło pojazdu mobilnego można obliczyć z następującego wzoru:

gdzie r oznacza promień koła podwozia. 
Przy wyżej wymienionych warunkach dojazdu koła do przeszkody, tzn. dysponując podwoziem, w którym napędzane są również i koła osi przedniej oraz pionowa ściana posiada wysokość h₁ większą niż h, tę pierwszą można obliczyć z kolei z poniższego wzoru:

Taki przypadek zilustrowano na rysunku 12.

Rysunek 12: Pokonywanie przeszkody typu ściana przez koło przedniej osi napędzanej

W przypadku widocznym na rysunku 12 utrzymywanie natarcia koła podwozia pojazdu na pionową przeszkodę wraz z jednoczesnym napędem tego koła (strzałka umieszczona na rysunku 12) wywołuje najpierw (lub jest to równoczesne) wystąpienie „nawiązania” przyczepności koła z przeszkodą, potem zaś unoszenie przodu pojazdu kontynuowane dalej na skutek jego napędu, pochodzącego od napędzanych kół osi tylnej. Efektem jest pokonanie przeszkody o wysokości h₁ większej niż wysokość przeszkody h z rysunku 11.    
Jest rzeczą oczywistą, że w zmieniających się warunkach terenowych, (tzn. przeszkodach trudnych do przewidzenia), jakie może „zastać” poruszające się po terenie podwozie, sama praktyka zweryfikuje zasadność założeń konstrukcyjnych, przyjętych przy realizacji fizycznej podwozia dla pojazdu mobilnego. Nie jest łatwo bowiem opracować podwozie zrobotyzowane na tyle uniwersalne, aby pojazd mobilny oparty na tym podwoziu mógł pokonać każdy teren, w którym użytkownik go „umieścił”. Trudno sobie bowiem wyobrazić sytuację, aby za każdym razem zmieniać np. średnicę kół podwozia mobilnego po wykryciu przeszkód o większej wysokości.
Powyższe wyrażenia (1) i (2) do obliczenia możliwości pokonania pionowej ściany przez podwozie zrobotyzowane mogą tylko pomóc przy koncepcji doboru wielkości kół podwozia w odniesieniu do określonego przeznaczenia pojazdu (czytaj: wiadomo, jakie przeszkody pojawią się na drodze ruchu pojazdu), nie zaś spowodować, aby pojazd mobilny pokonał każdą przeszkodę określonego typu. Niemniej jednak możliwe jest zwiększenie osiągów podwozia do pokonania pionowej ściany, czyli wysokości przewyższającej wysokość h1 (rysunek 12) przy zachowaniu poprzednich parametrów konstrukcyjnych podwozia. Realizuje się to poprzez doposażenie podwozia zrobotyzowanego np. w system określany międzynarodową nazwą CTIS (ang. Central Tire Inflation System).  
Wykorzystanie systemu CTIS (polska nazwa to CPK – Centralne Pompowanie Kół) w podwoziu mobilnym powoduje po pierwsze, zwiększenie przyczepności do podłoża tylnej osi kół podwozia na skutek zmniejszenia wartości ciśnienia powietrza w tych kołach, co jest pożądane przy nienapędzanych kołach przedniej osi, oraz po drugie, powoduje zmniejszenie wartości ciśnienia w kołach przedniej osi (nienapędzanej lub napędzanej), co również może być pożądane przy pokonywaniu pionowej przeszkody o większej wysokości niż pokazana na rysunku 11 i 12. (Na system CTIS autor poświęcił osobny materiał w dalszej części tekstu). Uzyskiwane ślady opony na podłożu na skutek działania systemu CTPS ilustruje rysunek 13. [Źródło: https://www.tssh.com/en/vehicle-security-products/teleflow-ctis].

Rysunek 13: Wielkość powierzchni śladu opony ze względu na wartość ciśnienia powietrza w kole podwozia

Na rysunku 13 widzimy, że „odcisk” po lewej stronie przy nominalnym ciśnieniu powietrza w hipotetycznej oponie, wynoszący 4 bary, jest przynajmniej dwa razy mniejszy niż odcisk opony po prawej stronie przy ciśnieniu 0,8 bar. Pozostałe, widoczne na rysunku dwa ślady opony są wynikiem redukcji ciśnienia w oponie między wartością 4bar a 0,8bar. 
Odnieśmy powyższe do rysunków 11 i 12. Przeprowadzanie przez system CTIS operacji modyfikacji ciśnienia powietrza w kołach tylnej osi podwozia mobilnego przed pokonaniem prostopadłej ściany spowoduje, że koła tej osi po dotarciu kół przedniej osi do ściany (pojazd jest chwilowo zatrzymany) nie utracą przyczepności do podłoża (nie zaczną „buksować”). Nawet przy wysokości przeszkody większej niż h lub h₁ pojazd ją pokona. Przy braku systemu CTIS buksowanie kół, spowodowane utratą przyczepności tychże do podłoża, uniemożliwia pokonanie takich przeszkód. (Napęd kół przedniej osi z system CTIS umożliwia pokonanie ścian o większej wysokości). Z kolei drugi wspomniany przypadek, tj. zmniejszenie wartości ciśnienia w kołach przedniej, nienapędzanej lub napędzanej osi podwozia spowoduje, iż występuje ugięcie lub uginanie opon tej osi podczas próby wspinania podwozia na pionową ścianę. (System CTIS może być uruchamiany i monitorowany w trybie ON-Line przez kierowcę pojazdu lub zdalnie). Wówczas, gdy wysokość przeszkody nie jest nadmierna, ale wyższa niż wynikałoby to z zależności (1) lub (2), opony pierwszej osi ze zmniejszonym ciśnieniem w oponie przemieszczać się będą nad przeszkodą na skutek rodzaju zakleszczenia, powodując w konsekwencji pokonanie tej pionowej ściany. Pokonywanie ściany kołem o zmniejszonej wartości ciśnienia powietrza w oponie ilustruje schematycznie rysunek 14. 

Rysunek 14: Pokonywanie przeszkody przez podwozie z systemem CTIS

Umieszczone na kole podwozia strzałki symbolizują możliwe „stopniowanie” w upuszczaniu powietrza z koła przy jednoczesnym stopniowym i powolnym wymuszaniu kontynuowania kierunku jazdy podwozia na wprost. W efekcie przy utrzymaniu tego „trendu” następuje uniesienie podwozia i pełny najazd koła na przeszkodę. Jak można się domyśleć dalsze utrzymywanie napędu podwozia powoduje pełny wjazd koła na szczyt przeszkody.
Należy zaznaczyć, że upuszczanie powietrza z kół danych osi podwozia pojazdu mobilnego może odbywać ć się również ręcznie. Nie trzeba chyba bliżej tego sposobu charakteryzować. Jednak systemy typu CPK mogą robić to wygodniej, bo automatycznie. Jeżeli system CPK zainstalowany jest w pojeździe załogowym, to sterowanie systemem realizuje kierowca pojazdu, najczęściej ze swojej kabiny. W przypadku pojazdu bezzałogowego pod warunkiem istnienia na jego pokładzie systemu CPK, sterowanie systemem odbywa się za pomocą zdalnego sterowania. Nic jednak nie stoi na przeszkodzie, aby przy wykorzystaniu mechatroniki (bo przecież tematem są podwozia zrobotyzowane), upuszczanie ciśnienia z kół pojazdu realizował samoczynnie komputer pokładowy.   

2.  Wzniesienie terenu, po którym porusza się podwozie pojazdu mobilnego - rysunek 15.

Rysunek 15: Ilustracja pokonywania przez pojazd mobilny wzniesienia o kącie nachylenia $\alpha$

Podczas ruchu robota mobilnego w urozmaiconym terenie pokonuje on wzniesienia różnej długości i o różnym nachyleniu. Przyjmując, że siła napędowa podwozia pojazdu jest wystarczająca do pokonania hipotetycznego wzniesienia, (np. moc silnika lub silników napędowych kół, wielkość kół, itp.), ograniczenie powyższego może wynikać z tzw. przyczepności wzniesienia. Pokonywanie przez podwozie mobilne wzniesienia ze względu na przyczepność określane jest maksymalnym kątem wzdłużnym stoku, który pojazd mobilny jest zdolny pokonać z punktu widzenia przyczepności kół do podłoża. Podczas ruchu podwozia po wzniesieniu (rysunek 15) występują następujące siły:
siła przyczepności F_gd wyrażona zależnością:

opór wzniesienia wyrażony zależnością:

opór toczenia wyrażony zależnością:

gdzie:
G     –     ciężar pojazdu;
$\xi$    -    współczynnik przyczepności;
f    -    współczynnik oporu toczenia;
T    -    środek masy pojazdu.
Dla podwozi mobilnych, w których wszystkie osie kół są napędzane, czyli wszystkie koła są też napędzane, wprowadza się następującą zależność:

Z powyższych zależności wynika, że do oszacowania zdolności podwozia do pokonania wzniesienia potrzebne są dodatkowe dane. Zilustrowano je w Tabelach 1÷3.
Tabela 1: Zależność kąta wzniesienia $\alpha$ od rodzaju podłoża na wzniesieniu

Tabela 2: Wartości współczynnika przyczepności $\xi$ w zależności od podłoża na wzniesieniu

Tabela 3: Wartości współczynnika oporów toczenia f w zależności od podłoża na wzniesieniu

Podobnie jak to miało miejsce przy analizie pokonywania pionowej ściany przez koło podwozia (rysunki 11 oraz 12), wyrażenia (3) do (6) oraz Tabele 1÷3, pozwalające na obliczenie możliwości pokonania wzniesienia przez podwozie zrobotyzowane, mogą tylko pomóc np. przy doborze wielkości kół podwozia w odniesieniu do określonego przeznaczenia pojazdu, nie zaś spowodować, aby pojazd mobilny pokonał wzniesienie o kącie nachylenia  większym niż to wynika np. z Tabeli 1 lub powierzchni wzniesienia, określonej w Tabelach 2 i 3. 
Należy zaznaczyć, że technika sterowania pojazdem mobilnym podczas jazdy na wzniesieniu lub przejazdu przez wzniesienie może mieć również duże znaczenie. W przypadku pojazdu załogowego będzie to zdolność kierowcy do m.in. wykorzystanie energii kinetycznej pojazdu przy włączonym napędzie kół przedniej osi oraz ewentualnie załączone blokady mechanizmów różnicowych, obowiązkowo przy prostopadłym do wzniesienia kierunku najechania pojazdu na to wzniesienie. Przy pojeździe bezzałogowym nie wszystko wyżej wymienione może być zrealizowane, jednak przy zdalnym kierowaniu pojazdu można tak nim pokierować, aby wjechał na wzniesienie prostopadle.
Na podstawie powyższego nie wymaga długiego wywodu wyjaśnienie Czytelnikowi, iż może zaistnieć sytuacja, w której podwozie mobilne, nawet w dużym stopniu zrobotyzowane nie pokona wzniesienia o większym niż dopuszczalny kącie nachylenia $\alpha$. Ilustruje to rysunek 16. 

Widoczna na rysunku 16 próba pokonania przez pojazd mobilny wzniesienia o nadmiernym kącie nachylenia ($\beta>\alpha$) za każdym razem może skończyć się niepowodzeniem, pomimo właściwych prób pokonania wzniesienia, np. wykorzystania energii kinetycznej pojazdu, napędu wszystkich osi kół podwozia czy najazdu na wzniesienie z kierunku prostopadłego do wzniesienia. Pochyłość o widocznej na rysunku dużej długości powoduje, że pojazd mobilny „w końcu” wytraci swoją energię kinetyczną, co zatrzyma jego ruch na tym wzniesieniu. Koła napędowe zaczną buksować, tracąc przyczepność z podłożem wzniesienia i pojazd w konsekwencji zostanie „sprowadzony” (stoczy się) do podnóża wzniesienia. Kolej próba wtedy pokonania wzniesienia, ale już bez energii kinetycznej, czyli z zatrzymania pojazdu przed wzniesieniem może skończyć się tak samo i to jeszcze wcześniej.  
Podobnie, jak to miało miejsce przy dyskusji na temat pokonywania przez koło podwozia pionowej ściany, również i w tym miejscu można wskazać, że wykorzystanie systemu CTIS, zainstalowanego w podwoziu pojazdu może doprowadzić, iż pojazd mobilny pokona wzniesienie nawet o znacznym kącie nachylenia $\gamma$, dużo większym od kąta $\alpha$. Stanie się tak, ponieważ upuszczenie powietrza z kół podwozia wszystkich bądź wybranych osi (wiemy, że podwozie mobilne może zawierać nawet sześć lub więcej osi kół) spowoduje zwiększenie przyczepności opon tych kół do nawierzchni wzniesienia i jego pokonanie. (Autor proponuje Czytelnikowi skorzystanie z materiału multimedialnego celem zapoznania się z działaniem systemu typu CPK, który dostępny jest w domenie publicznej np. pod adresem:

Widoczne na rysunku 17 pokonywanie przez pojazd mobilny wzniesienia o znacznie większym od $\alpha$ kącie nachylenia $\gamma$ przy zmniejszonym ciśnieniu powietrza w kołach jest tak naprawdę pokonaniem tego wzniesienia. Właściwość upuszczania powietrza z kół podwozia dzięki systemowi CTIS ma to do siebie, że nie jest np. niezbędne wykorzystywanie energii kinetycznej pojazdu, jak to miało miejsce wcześniej. Pojazd może startować nawet bezpośrednio z tzw. startu zatrzymanego z przed wzniesienia lub nawet upuszczenie powietrza może nastąpić na wzniesieniu, gdy operator lub kierowca pojazdu mobilnego zbyt późno zorientuje się, że rozpoczął wjazd na zbyt duże wzniesienie. Taka pomyłka kierowcy pojazdu mobilnego przy braku na pokładzie systemu CTIS zawsze skończy się jednakowo – brakiem pokonania przez pojazd mobilny tego wzniesienia.

3. Rów lub okop, który musi pokonać podwozie zrobotyzowane – rysunek 18.

Rysunek 18: Przejazd koła podwozia o średnicy r przez rów lub okop o szerokości S

Zdolność podwozia mobilnego do pokonania rowu lub okopu, które posiadają prostopadłe pionowe ściany określa się tzw. pokonywalnością lub zdolnością do przekraczania. Przez zdolność przekraczania przez rów lub okop podwozia mobilnego rozumiemy maksymalną szerokość rowu lub okopu z pionowymi ścianami, które mogą być pokonane przez to podwozie bez rozpędu. 
Należy podkreślić, że przy najeździe prostopadłym osi kół podwozia na rów lub okop w przypadku pojazdu dwuosiowego przekraczalność ograniczona jest średnicą kół osi podwozia. W przypadku podwozi wieloosiowych średnica kół tych mostów może tak nie determinować przekraczalności. Wyjaśnia to rysunek 19.

Rysunek 19: Pokonywanie rowu przez podwozie mobilne: a) podwozie dwuosiowe; b) podwozie trzyosiowe

Na rysunku 19a) przednia oś kół podwozia dwuosiowego „zapadła” się w rowie podczas próby jego pokonania. Odmienna sytuacja „panuje” na rysunku 19b) – najazd kół na rów przedniej osi podwozia spowodował tylko nieznaczne jego odchylenie w dół. Kontakt z podłożem pozostałych dwu osi poskutkował pokonaniem rowu.  
Należy zaznaczyć, że osiągnięcie zdolności z rysunku 19b) wymaga, aby środek masy T podwozia mobilnego leżał nad środkową osią kół podwozia. Technika pokonywania rowu polega na tym, że do momentu, aż kierowca zauważy, że pierwsza oś nie dotknie przeciwległej ściany pokonywanego rowu przyśpiesza. W ten sposób pionowa składowa siły bezwładności przyciśnie tylną część podwozia do podłoża i zapobieganie wpadnięciu przedniej osi kół do rowu. W momencie, gdy środkowa oś podwozia pokona przeciwległą krawędź rowu, kierowca zwalania gaz, aby siła bezwładności docisnęła przednią część pojazdu do podłoża i zapobiegła w ten sposób wpadnięciu tylnej osi do rowu. 
Powyższa technika pokazuje, że nie może się ona obyć bez specjalnych szkoleń i doświadczenia kierowcy pojazdu lub operatora, gdy mówimy o pojeździe bezzałogowym. Uzupełnijmy, że dla celów pokonania rowu przez podwozie dwuosiowe (rysunek 19a)) należy skorzystać z następującego wzoru:

zaś dysponując podwoziem trzyosiowym (rysunek 19b) należy skorzystać ze wzoru:

L - odległość między osiami kół (wartość jednakowa dla wszystkich osi podwozia).