پایان نامه طراحی سیستم یکپارچه کنترل جهت بهبود پایداری جانبی و دینامیک غلت خودرو

ارائه شده برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

ارائه شده برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

چکیده

علاوه بر ناپایداری جانبی، یکی از تهدیدهای عمده برای خودروهای سواری به ویژه خودروهای شاسی­بلند، خطر واژگونی است. در این پایان­نامه یک استراتژی هماهنگی بر اساس منطق فازی، برای عملکرد یکپارچه زیرسیستم­های فعال فرمان، دیفرانسیل، ترمز و میله ضدغلت طراحی شده است. تحلیل­های جداگانه روی هر یک از زیرسیستم­ها به طور مستقل و نیز اثر هم­افزایی آنها صورت گرفته است. این استراتژی هماهنگی تلاش می­کند ضمن حفظ شتاب طولی مطلوب راننده تداخل میان زیرسیستم­ها و اهداف کنترلی آنها را که عبارتند از: تعقیب نرخ چرخش، شتاب جانبی و حرکت غلت خودرو، تا حد امکان برطرف نماید و مصالحه­ای میان آنها برقرار سازد. بررسی عملکرد این استراتژی در غیاب دیفرانسیل فعال نیز نتایج موفقی را به همراه داشته است. زاویه لغزش جانبی و نرخ چرخش به عنوان شاخص­های پایداری جانبی و زاویه غلت، نرخ غلت و انتقال وزن جانبی به عنوان شاخص­های پایداری غلت در نظر گرفته شده­اند. نتایج شبیه­سازی بر روی یک مدل ده درجه آزادی ساخته شده در نرم­افزار Simulink نشان می­دهد که عملکرد سیستم یکپارچه نسبت به عملکرد مستقل تک­تک زیرسیستم­ها بهبود داشته و پایداری غلت در کنار پایداری جانبی حفظ شده است. همچنین، نتایج شبیه­سازی برای مانور «بدترین حالت» حاکی از عملکرد رضایت­بخش این سیستم یکپارچه است. نتایج با مدلسازی در محیط نرم­افزار Carsim صحه­گذاری شده است.

کلمات کلیدی:

کنترل یکپارچه، کنترل پایداری، کنترل غلت، فرمان فعال، دیفرانسیل فعال، ترمز فعال

ضرورت تحقیق

در سال­های اخیر، موسسات دولتی و خصوصی، تحقیقات گسترده­ای را روی فناوری­های ایمنی فعال[1] خودرو انجام داده­اند. تخمین زده شده است که در کشورهای عضو اتحادیه اروپا، هزینه­های مستقیم و غیرمستقیم ناشی از سوانح جاده­ای در سال 2009، 130 میلیارد یورو بوده است [1]. یکی از موثرترین راه­کارهای کاهش این سوانح، استفاده از سیستم­های یکپارچه کنترل پایداری است [2]. موسسه NHTSA[2] آمریکا تخمین زده است که به­کارگیری سیستم­های الکترونیکی کنترل پایداری[3] (ESC)، رخداد سوانح برای یک خودروی سواری را تا 34% و همین سوانح را برای خودروهای شاسی­بلند[4] (SUV) تا 59% کاهش داده است. میزان این کاهش، در سوانح منجر به واژگونی[5] بسیار بیشتر بوده است [2].

در زمینه ایمنی خودرو، تلاش­های گسترده­ای صورت گرفته که در یک تقسیم­بندی، آنها را به دو بخش غیرفعال[6] و فعال[7] تقسیم می­نمایند. کلیه تمهیداتی که برای حفظ جان سرنشینان پس از وقوع تصادف به کار می­روند، در زمره روش­های غیرفعال ایمنی خودرو هستند که از آن جمله می­توان کیسه هوا، کمربند ایمنی، محافظ سر و جاذب ضربه را نام برد (شکل 1-1). این روش­ها موضوع بحث این پایان­نامه نیستند. در سوی دیگر، روش­های فعال قرار دارند که شامل سیستم­های اخطار خروج از خط، سیستم هشدار برخورد و کنترلرهایی هستند که به منظور حفظ پایداری خودرو و پیشگیری از وقوع سانحه به کار می­روند (شکل 1-2). در سیستم­های فعالِ اشاره شده، دو مورد اول صرفاً سیستم­های هشداردهنده هستند، در حالی که سیستم­های کنترل پایداری، مستقیماً بر دینامیک خودرو اثر می­گذارند. این روش­ها امروزه به طور گسترده­ای توسعه یافته­اند و مهم­ترین آنها سیستم­های ترمز ضدقفل، تنظیم­کننده لغزش چرخ­ها، فرمان فعال، ترمز فعال، دیفرانسیل فعال و تعلیق نیمه­فعال و فعال هستند. این سیستم­ها عملاً با هدف تنظیم رفتار مجموعه­ای از متغیرهای دینامیکی خودرو مانند نرخ چرخش، لغزش جانبی، لغزش طولی و متغیرهای غلت طراحی می­گردند. در بخش­های بعدی، شرح مختصری از روش­های مذکور می­آید.

پیشینه کنترل پایداری خودرو

1-2-1 کنترل نرخ چرخش

یکی از معیارهای مهم پایداری جانبی و چرخشی خودرو، نرخ چرخش[8]  آن می­باشد. در مانورهای سریع و ناگهانی، ممکن است برای خودرو یکی از دو وضعیت کم­فرمانی[9] یا بیش­فرمانی[10] حاد پیش آید که در آنها به ترتیب، نرخ چرخش خودرو بسیار کمتر و بیشتر از مقدار مطلوب (که وابسته به سرعت و زاویه فرمان راننده است) می­باشد. بنابراین، این معیار یکی از مسائل مورد توجه در رفتار خودرو است.

به منظور کنترل نرخ چرخش خودرو، از عملگرهای گوناگونی استفاده شده است که برخی از آنها عبارتند از فرمان (زاویه چرخ­ها)، دیفرانسیل (نیروی رانش اختلافی زیر چرخ­ها)، ترمز (ترمزگیری اختلافی بین چرخ­های راست و چپ)، سیستم تعلیق (توزیع بار عمودی بین چرخ­ها و در نتیجه تغییر نیروهای طولی و جانبی).

منینگ[11] و همکاران [4] مروری بر این تحقیقات داشته­اند. در این مرور، اشاره شده که کرامر[12] و همکاران از فرمان فعال[13] و الگوریتم پیشخوراند[14] استفاده کرده­اند (شکل 1-3). در این روش، کنترلر با افزایش زاویه فرمان اعمالی راننده، زمان پاسخ را کاهش می­دهد. روش متداول­تر، الگوریتم­های پسخوراند[15] هستند که در آنها، کنترلر با اصلاح زاویه چرخ­ها تلاش می­کند نرخ چرخش را به نرخ چرخش مطلوب یک مدل مرجع برساند (شکل 1-4). در ادامه مرور اشاره شده که آکرمن[16] و همکاران (1992، 1996 و 1997) تحقیقاتی جداگانه در زمینه جداسازی[17] دینامیک چرخش از دینامیک جانبی انجام داده­اند با این هدف که راننده مسیر مطلوب را دنبال کند و کنترلر اغتشاشات ناشی از بادهای جانبی و سطوح اصطکاکی متفاوت در جاده را حذف کند.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

ماتسوموتو[18] و همکاران (1992) به شرح سیستم اولیه «توزیع نیروی ترمز» (BFD[19]) مورد استفاده در نیسان می­پردازد. در این سیستم و همچنین سیستم­های مشابه «کنترل مستقیم پایداری[20]» (مورد استفاده در BMW)، از روش کنترل تعقیبی پیشخوراند-پسخوراند استفاده می­شود (شکل 1-5). نکته مهم اینجاست که اگر هدف کنترلر تامین همزمان پایداری خودرو و راحتی سرنشینان باشد، به جز در مواردی که راننده قصد ترمزگیری داشته باشد، استفاده از این سیستم به علت کاهش ناخواسته سرعت قدری نامطلوب است. اما، چنان­چه تنها هدف، پایداری باشد، ترمز قوی­ترین ابزار برای این منظور به شمار می­رود. با این حال، باید توجه داشت که ترمز بیشتر برای کاهش لغزش جانبی به کار می­رود تا کنترل نرخ چرخش.

-2 کنترل لغزش جانبی

از قدیمی­ترین روش­های کمینه نمودن زاویه لغزش جانبی، کنترل پیشخوراند خطی سیستم­های فرمان عقب فعال[21] است [5]. شکل 1-6 شمای کلی این روش را نمایش می­دهد. در این الگوریتم، قانون کنترل از حل مدل دو درجه آزادی خودرو برای صفر شدن لغزش جانبی محاسبه می­گردد.

روش­های اولیه، مبتنی بر استخراج قانون کنترل بر اساس شرایط پایا بودند. در سال 1994، ایناگاکی[22] [6] پیشنهاد کرد برای تحلیل بهتر دینامیک پاسخ، از جمله استهلاک و فرکانس طبیعی آن، کنترلر بر اساس رفتار خودرو در صفحه فاز  طراحی گردد. در این روش، طراحی قانون کنترل بر اساس مقادیر لغزش جانبی و نرخ آن صورت می­پذیرد. یاسویی[23] و همکاران [7] در سال 1996، نتایجی تجربی از این رویکرد را بر روی یک نمونه Aisin Seiki که از ترمز فعال استفاده می­کرد ارائه کردند.

مطالعات متعددی نیز روی تاثیر سیستم­های کنترل یکپارچه بر لغزش جانبی صورت گرفته است. از آن جمله اسمکمن[24] [8] در سال 2000، عملکرد سیستم ترمز فعال را با سیستم یکپارچه ترمز فعال و کنترل بار چرخ[25] (تعلیق فعال) مقایسه کرده و نتیجه گرفته است که ترمزگیری اختلافی، بیشترین اثر را بر دینامیک جانبی می­گذارد، اما در سرعت طولی مطلوب راننده تداخل ایجاد می­کند. در حالی که کنترل بار چرخ، اگرچه اثر ناچیزی بر دینامیک طولی دارد، اما توانایی ایجاد گشتاورهای چرخشی مورد نیاز بزرگ را ندارد. در استراتژی هماهنگی ارائه شده در آن تحقیق، تا زمانی که چرخ­ها به اشباع برسند، تعلیق فعال عمل می­کند و از آن پس، ترمز  وارد عمل می­شود.

l

Abstract

Besides lateral instability, one major threat to all ground vehicles, especially SUVs is the danger of rollover during cornering. A coordination strategy based upon fuzzy logic has been devised to coordinate the sub-controls, namely active steering, active differential, active brake and active roll control. Independent analysis of each sub-control, as well as an analysis on their inter-relationship has been carried out. The coordination strategy is supposed to resolve the conflict among control targets which are sideslip regulation, yaw rate tracking, lateral acceleration tracking and roll motion control, all of which are to be done while maintaining driver’s desired longitudinal acceleration. Thus, a compromise must be reached. The aforementioned strategy has been redesigned for the case of unavailability of active differential, the functionality of which has also been approved by similar tests. Vehicle sideslip angle and yaw rate were considered to be the criteria for lateral stability; and a combination of roll angle, roll rate and lateral load transfer was selected as the criterion for roll stability. The results of simulation on a 10-DOF model developed in Simulink indicate that the performance of the integrated controller has been improved relative to each independent sub-control. Moreover, the Worst Case Maneuver simulation results were satisfactory. The 10-DOF Simulink model has been validated by Carsim software.

  Keywords:

  Integrated control, stability control, roll control, active steering, active differential, active brake