Podręcznik

Opracowany prototyp pojazdu załogowego lub bezzałogowego o podwoziu zrobotyzowanym lub pojedyncze podwozie zrobotyzowane do zabudowy przed wdrożeniem tychże do produkcji powinny być przetestowane celem sprawdzenia oraz weryfikacji przyjętych założeń konstrukcyjnych. Procedura taka powinna sprawdzić m.in. spełnienie przez takie prototypy wymagań taktyczno-technicznych, które będą miały wpływ na własności trakcyjne oraz mobilność podwozia lub pojazdu. (Przyjmijmy, że mówiąc o parametrach taktyczno-technicznych mamy na myśli zarówno parametry pojazdu mobilnego jako komplet lub podwozia zrobotyzowanego).
Należy zaznaczyć, że istnieje szereg parametrów, które podlegają kontroli w procesie określania przydatności wyżej wskazanych prototypów dla konkretnego zastosowania (tu: wojskowego). Można przyjąć, że parametry te w zasadzie mogą być wspólne dla pojazdów załogowych i bezzałogowych, ponieważ jak już wspomniano, zadania, które wykonują jedne i drugie wzajemnie się uzupełniają zatem i parametry nie mogą się wykluczać. 
Do najważniejszych parametrów mających wpływ na zdolności taktyczno-techniczne pojazdu mobilnego lub podwozia zrobotyzowanego zaliczamy: [Źródło: Przemysław Simiński, Wojkowe pojazdy kołowe]
1.    Parametry masowe – należą do nich m.in. masa własna, dopuszczalna masa całkowita, ładowność, położenie środka masy oraz naciski jednostkowe. Ten ostatni parametr bezpośrednio wpływa na mobilność i jest określany jako stosunek masy na koło podwozia do pola powierzchni styku opony z podłożem. Właśnie dzięki systemom CPK i CTIS możliwe jest korzystne kształtowanie tego stosunku. (Patrz rysunek 13).
2.    Parametry liniowe – należą do nich m.in. wymiary zewnętrzne pojazdu/podwozia, wymiary skrzyni ładunkowej, prześwit podwozia, zwis przedni i zwis tylny oraz zdolność tzw. krzyżowania osi.
3.    Parametry kątowe – należą do nich m.in. statyczny kąt pochylenia , kąt rampowy , kąt zejścia  oraz kąt natarcia pojazdu/podwozia $\alpha$.
4.    Parametry trakcyjne – należą do nich m.in. prędkość maksymalna, prędkość minimalna, średnia prędkość w terenie, intensywność rozpędzania, zwrotność oraz kierowalność pojazdu/podwozia.
Należy podkreślić, że szczególnego znaczenia nabiera ocena pojazdu mobilnego lub podwozia zrobotyzowanego w warunkach terenowych i bezdrożach. Duża różnorodność postaci terenu, przypomnijmy rozciągająca się od terenów piaszczystych, błotnistych do terenów o różnym ich ukształtowaniu ze stromymi zjazdami i podjazdami, poprzecznymi rowami, okopami, itp. powoduje, że ww. parametry mogą nie być wystarczające do oceny przydatności prototypu pojazdu/podwozia do wypełnienia przewidywanego w przyszłości zadania terenowego. W przypadku pojazdów załogowych niejednokrotnie doświadczenie kierowcy takiego pojazdu może określić jego przydatność pomimo wcześniejszych negatywnych ocen wystawionych takiemu pojazdowi na etapie innych badań. Zatem pewien błąd w koncepcji podwozia/pojazdu może być usuwany przez odpowiednio przeszkolonego kierowcę. Przykładowo doświadczony kierowca jest w stanie ocenić rodzaj terenu, po którym jego pojazd będzie miał się poruszać i oceni, czy trasa ta jest możliwa do pokonania czy należy się wycofać celem poszukania np. odpowiedniego objazdu. W przypadku pojazdów/podwozi bezzałogowych powyższe kryterium błędu będzie niższe, gdyż pojazd taki będzie musiał „radzić” sobie sam, będąc wyposażony tylko w to, co posiada.
Opracowanie i wykonanie podwozia zrobotyzowanego uwzględniając wszystko to, co zawarto w rozdziale 1.3 nie gwarantuje jeszcze całkowitej (według przyjętych założeń) przydatności konkretnego podwozia zrobotyzowanego „pod” projektowany pojazd lub robot mobilny, które mają poruszać się w trudnym terenie. Końcową przydatność tychże mogą dopiero potwierdzić lub wykluczyć odpowiednie badania terenowe.
Jest rzeczą oczywistą, że testowanie podwozia zrobotyzowanego (lub pojazdu mobilnego) pod kątem określenia podanych wcześniej zdolności taktyczno-technicznych jest pracochłonne i ze względu na objętość bieżącego modułu autor nie zdecydował się na ich opisywanie. (Czytelnik może skorzystać z bogatej literatury w tym zakresie). Na użytek autorskiej propozycji podwozia zrobotyzowanego, która również z podanych wyżej względów musiała być uszczuplona, opisano tylko sposób oceny dwóch parametrów podwozia zrobotyzowanego w odniesieniu do jego badań terenowych. 
 

Bez względu na przyjęte poprawnie określone parametry zaprojektowanego podwozia zrobotyzowanego, takie jak właściwy kąt natarcia i zejścia lub właściwa szerokość i średnica opony koła na nic się one zdadzą, jeżeli na koła podwozia nie będzie przenoszona odpowiednia moc napędowa, pochodząca od silnika napędowego odpowiedniego rodzaju. Spełnienie tego warunku zagwarantuje odpowiednie osiągi trakcyjne podwozia do pokonania niezdeterminowanego zazwyczaj terenu, „najeżonego” niespodziewanie rowami czy błotem.
Do nakreślenia zdolności koła podwozia zrobotyzowanego do pokonania trudnego terenu posłużmy się najpierw rysunkiem 86, ilustrującym oddziaływanie składowych sił i reakcji podłoża na napędzane koło podwozia (przyjmujemy, iż tylko takie koła posiadają podwozia zrobotyzowane np. robotów mobilnych). 

Rysunek 86: Ilustracja oddziaływania składowych sił i reakcji osi i podłoża na napędzane koło podwozia

Widoczny na rysunku 86 moment napędowy Mk uzyskiwany jest od napędu osi podwozia lub napędu silnika koła. Iloraz tego momentu przez wartość promienia dynamicznego koła rd wyraża tzw. siłę napędową Pn:

Widoczny na rysunku 86 odcinek e przedstawia odległość osi koła od linii działania prostopadłej składowej reakcji drogi Q i jest tzw. ramieniem momentu oporu toczenia Mt wyrażonego następującą zależnością:

Uwzględniając parametry koła oraz siły reakcji podłoża na to koło, równanie momentów dla ruchu jednostajnego koła jest następujące:

gdzie: 
P – składowa wypadkowej reakcji drogi na koło, nazywana siłą pędzącą, która jest odpowiedzialna za ruch koła po podłożu.
W przypadku niejednostajnego ruchu koła po podłożu obowiązują poniższe zależności:

gdzie:     I_k     –     moment bezwładności koła względem jego osi obrotu;
 m_k     –     masa koła;
$\dfrac{{d\omega}_k}{dt}$    –     przyśpieszenie kątowe koła;
$\dfrac{dv}{dt}$    -    przyspieszenie liniowe osi koła;
Po    -    siła pędząca skierowana w kierunku ruchu pojazdu.    
Analizując powyższe zależności natychmiast można dojść do słusznego wniosku, że zarówno dla ruchu jednostajnego jak i niejednostajnego promień dynamiczny koła r_d odgrywa ważną rolę w dynamice koła po podłożu. (Przy braku siły na obwodzie koła jest równy promieniowi tocznemu). Zatem, im większa jego wartość to tym większy i moment napędowy M_k, niezbędny do napędu podwozia. W aspekcie podwozia wyposażonego w system CPK lub CTIS oznacza to, że możliwym się staje kształtowanie wartości promienia dynamicznego koła rd poprzez modyfikowanie wartości ciśnienia w kołach podwozia, bowiem opór toczenia koła po odkształcalnym podłożu zależy również od nacisku tego koła na podłoże. A to, jak wiemy kształtuje m.in. wartość ciśnienia powietrza w kołach podwozia.    
Innym parametrem, który jest proponowany do określania własności podwozia do pokonywania terenu jest tzw. wartość funkcji mocy jednostkowej w zależności od prędkości jazdy f(v), pobieranej z napędu pojazdu na pokonanie oporów ruchu mechanizmów jezdnych. Wyraża ją poniższa zależność:

gdzie:    
N    -    moc oporów ruchu;
G    -    ciężar pojazdu (podwozia).
Moc oporów ruchu N wyraża się iloczynem siły oporów ruchu P_t i prędkości ruchu v.

Ilość koncepcji rozwiązań podwozi zrobotyzowanych o kołach pneumatycznych, na których w konsekwencji budowane są pojazdy mobilne jest tak duża, że trudno byłoby opracować standardy przeszkód terenowych, które byłyby właściwe dla każdego rozwiązania podwozia. Firmy producenckie, które opracowały swoje koncepcje podwozi posiadają najczęściej własne standardy przeszkód terenowych, które pozwalają im określić zdolności swoich podwozi zrobotyzowanych, które później i tak zweryfikuje wolny rynek. Jednak w pewnych zastosowaniach podwozi zrobotyzowanych opracowane są standardy przeszkód terenowych, którymi muszą być „potraktowane” zaprojektowane podwozia. Takim standardem jest opracowanie STANAG (ang. Standardization Agreement), które zostało opracowane pod kątem spełniania przez podwozia pojazdów wojskowych państw – członków NATO. 
Należy zaznaczyć, co już autor niniejszej publikacji sugerował, że w przypadku niektórych podwozi zrobotyzowanych, które nie są przeznaczone dla pojazdów wojskowych, ich producenci mogą posiłkować się ustalonymi już normami celem określenia różnych parametrów swoich podwozi zrobotyzowanych, bowiem działania lub ćwiczenia wojskowe są prawdziwym poligonem potwierdzającym przydatność pojazdu w terenie. (Moduł 1-szy omawia kilka wybranych przeszkód terenowych, które powinno pokonywać badane podwozie).
Nawiązując do standardu STANAG „sugerowaną” tam przeszkodą terenową, którą pojazd powinien pokonać jest mur o odpowiedniej wysokości. Standard ten stanowi, że przy podwoziu zrobotyzowanym, które posiada nienapędzane koła osi przedniej wysokość muru powinna kształtować się w przedziale 0.3 do 0.6 promienia statycznego koła. Przy podwoziu, w którym napędzane są koła wszystkich osi wysokość tego muru kształtuje się w przedziale 0.9 do 1.5 wartości promienia r_st koła przy nawierzchni sztywnej. Rysunki 87÷89 ilustrują pokonywanie muru przez pojazd wojskowy. [Źródło:

Rysunek 87: Pojazd wojskowy HUMVEE po dojechaniu do muru o wysokości h >> r_st koła

Widoczny na rysunkach 87÷89 pojazd wojskowy HUMVEE charakteryzuje się bardzo wysokim kątem wejścia, który po zdemontowaniu zderzaka wynosi aż 90o. Dzięki temu możemy zaobserwować unikalną w skali pojazdów (nawet) wojskowych cechę tego podwozia: pokonanie pionowej ściany muru o wysokości h będącej wielokrotnością promienia statycznego koła r_st. Czytelnik zapewne domyśli się, że prezentowany na rysunkach pojazd nie przejedzie przez ten mur, czyli nie pokona go, ponieważ „zawiesi” się na podwoziu. Stanie się tak dlatego, że tak naprawdę mur ten jest ścianą podwyższenia, które za tąże posiada powierzchnię płaską. Gdyby to była wyłącznie ściana muru o niewielkiej szerokości (jak to mur), HUMVEE zrobiłby „kołyskę” i mur pokonał. Autorowi chodziło po prostu o pokazanie Czytelnikowi pojazdów wojskowych, które ze względu na swoje cechy legitymują się parametrami terenowymi znacznie przekraczającymi obowiązujące standardy ujęte w STANAG. 
Kolejną znormalizowaną w STANAG przeszkodą terenową, której pokonanie określa dane parametry terenowe podwozia jest przeszkoda trapezoidalna. Przeszkodę tę ilustruje rysunek 90.

Rysunek 90: Przeszkoda terenowa trapezoidalna według standardu STANAG

Według standardu STANAG wymiary przeszkody trapezoidalnej uwidocznionej na rysunku 90 są następujące: 

• wysokość przeszkody h w granicach 0.1m do 0.4m;
• długość najazdu l w granicach 0.2m do 0.5m;
• kąt nachylenia $\alpha$ równy 30^o.

Jako przykład trzeciej przeszkody terenowej ujętej w standardzie STANAG podajmy przeszkodę półokrągłą uwidocznioną na rysunku 91.

Rysunek 91: Przeszkoda terenowa półokrągła według standardu STANAG

Według standardu STANAG promień r przeszkody półokrągłej uwidocznionej na rysunku 91 powinien posiadać trzy rozmiary: r = 0.1m, r = 0.15m i r = 0.25m.
Często to rzeczywisty teren nie zaś plac manewrowy ze sztucznymi przeszkodami jest najlepszym poligonem doświadczalnym dla pojazdu mobilnego, który został opracowany i jest oferowany np. na targach wojskowych potencjalnym nabywcom. Rysunek 92 ilustruje przykład takiego rzeczywistego poligonu dla nowo zaprojektowanego pojazdu wojskowego firmy Zastawa. [Źródło:

Rysunek 92: Test terenowy pojazdu wojskowego marki Zastawa