بخشی از مقاله
سیستم کنترل سرعت تطبیق پذیر در منطق فازي
چکیده:
این پژوهش به بررسی کروز کنترل تطبیقپذیر در منطق فازي میپردازد. این سیستم علاوه بر کنترل سرعت، فاصله طولی خودرو از خودروي مقابل را نیز کنترل میکند. در این سیستم پدالهاي گاز و ترمز و دنده تواماً کنترل میگردند تا با کنترل سرعت خودرو، فاصله مناسب از خودروي مقابل نیز حفظ شود. تحقیق حاضر سعی بر معرفی سیستم کنترل تطبیق سرعت و عملکرد آن، و ارائه راهکارهاي نوین در کاهش تصادفات دارد. با توجه به بالا بودن آمار تصادفات در ایران و سایر کشورها که منجر به خسارات جبرانناپذیر مالی و جانی می شود، شرکتهاي خودروسازي سعی میکنند با رعایت نکات و اضافه کردن سیستمهاي ایمنی، تا حد امکان از تصادفات جلوگیري کنند. در بخشهاي بعدي مقاله ابتدا به مرور کارهاي گذشته و سپس ارائه راهکاري جدید در ارتباط با سیستم کروز کنترل تطبیقپذیر خواهیم پرداخت.
واژگان کلیدي:
سیستم کنترل سرعت تطبیقی، سیستم کروز کنترل، ترمزگیري اضطراري، فاصله مجاز (فاصله ایمنی)، سرعت تنظیمی، شاخص زمان تا تصادف
-1 مقدمه
کروز کنترل سیستمی در خودرو میباشد که وظیفه ثابت نگه داشتن سرعت خودرو در میزان مورد درخواست راننده را بر عهده دارد. البته این تثبیت سرعت را تحت هر شرایطی، وزش باد مخالف، سراشیبیها، سر بالاییها و... بدون فشردن پدال گاز و ترمز انجام میدهد. سیستم کنترل سرعت تطبیقی (ACC1) خودرو در واقع نوع پیشرفته ( کروز کنترل) میباشد که توسط یک رادار اندازهگیري می شود و علاوه بر اینکه سبب تثبیت سرعت خودرو روي مقدار مطلوب میباشد، سبب کنترل فاصله طولی خودرو از خودروي مقابل میشود. سیستم کروز کنترل در حال حاضر توسط شرکتهاي خودروساز داخل به شکل آپشن روي خودروها نصب شده است، اما به دلیل
عملکرد ضعیف این سیستم در خودروهاي داخلی منجر به تصادفات دلخراشی میشود زیرا این سیستم هیچگونه کنترلی روي پدال ترمز و دنده ندارد و ترمز میبایستی توسط راننده انجام گیرد. به هنگام استفاده از سیستم کروز کنترل موارد زیر باید رعایت شود، عدم استفاده از این سیستم در جادههایی با ترافیک سنگین، پرپیچ و خم، لغزنده و خاکی و جادههایی با شیب زیاد میباشد. راننده به هنگام استفاده از سیستم کروز کنترل میبایستی همواره کنترل سرعت و فاصله طولی از خودروي مقابل را تحت کنترل خود داشته باشد. درصورتیکه راننده خودرو، پدال ترمز و دنده را تحت کنترل نداشته باشد سبب بروز تصادفات شدیدي می شود.[1] هدف این تحقیق، معرفی سیستم کنترل سرعت تطبیقی، شاخصهايTTC و UDI و چگونگی عملکرد آنها است که بتوانند ارزیابی قوانین فازي را براي مدیریت پدالهاي یک وسیله نقلیه، در
زمینههاي رانندگی شهري، امکانپذیر کنند. استفاده از منطق فازي zadeh)، (1965 براي سیستمهاي کنترلی، دو مزیت اصلی دارد، (1 منطق فازي، نیاز به استفاده از مدلهاي تقریباً پیچیده را که اگر واقعی یا غیرواقعی باشند حتی اگر از نظر محاسباتی مؤثر باشند را برطرف میکند. (2 هدف، ارائه سیستم از نظر ریاضی نیست، بلکه استفاده از رفتار و تجربه رانندگان انسانی است و طراحی کنترل کننده هاي فازي به دانش موجود در مورد سیستمی که باید طراحی و کنترل شود بستگی دارد.[4] همچنین شبیهسازي و طراحی سیستم کنترل سرعت تطبیقی با یک محدودهي مجاز سرعت در نرمافزار متلب انجام شده است تا سرعت خودرو از حد مجاز تجاوز نکند. این مقاله نیز به ارائه راهکارهاي پیشنهادي جهت بهبود بخشیدن به سیستمهاي ایمنی رانندگی در کاهش تصادفات و همچنین به ذکر معایب و مزایاي سیستم کنترل سرعت تطبیقی میپردازد.
-2 معرفی سیستم کنترل سرعت تطبیقی فازي
(ACC)
سیستم کنترل تطبیق سرعت یک ویژگی خودرو است که در آن سیستم کنترل، سرعت خودرو را مطابق شرایط ترافیکی اطراف تنظیم میکند. در طول رانندگی، سیستم ACC به راننده کمک میکند تا وسایل نقلیهي میزبان را کنترل نماید. به بیانی دیگر ACC، به کنترل ساسات و ترمز خواهد پرداخت تا امنیت وسیله نقلیه را علیرغم حالات عدم اطمینانی که با آن روبرو می شود، تامین نماید. دو کنترلر در سیستم ACC وجود دارد: بالایی و پایینی. همان طور که در شکل 1 قابل مشاهده است کنترلر بالایی به ایجاد شتاب مطلوب و کنترل سیگنال مربوط به پروفایل راننده میپردازد. یا به عبارت دیگر کنترلر سطح بالایی از شتاب طولی، فاصله و شتاب مربوطه استفاده میکند. این مقادیر براي محاسبهي شاخصها و شتاب مطلوب مورد استفاده قرار گرفتهاند. بر اساس شاخصهاي محاسبه شده، کنترلر سطح بالایی موقعیتهاي رانندگی که ایمن، هشداردهنده و خطرناك هستند را تعیین میکند. در خطی با موقعیت رانندگی، این کنترلر به تعیین ورودي کنترل میپردازد که شتاب مطلوب ماست.
شکل :1 کنترلر پایینی و بالایی
کنترلر زیرین به انتقال سیگنال شتاب مطلوب به ترمز یا کنترل ساسات مرتبط با شتاب موجود در وسیلهي نقلیهي میزبان میپردازد. کنترل کنندة سطح پایین شامل عملگرهاي گاز (میزان باز بودن دریچه سوخت) و ترمز است . اگر شتاب مطلوب مقداري مثبت باشد، با اعمال سیگنال به گاز خودرو، خودرو شتاب مثبت گرفته و سرعت خودرو افزایش مییابد، اگر شتاب مطلوب مقداري منفی باشد، با اعمال نیروي فشار به سیستم ترمز، خودرو شتاب خود را کاهش میدهد و در نتیجه سرعت کاهش مییابد. عمل کنترل پدال گاز و ترمز توسط کنترل کننده PID انجام میگیرد. اثرات مخرب محیطی روي سیستم کنترل سرعت تطبیقی، سبب ایجاد نوسانات شدیدي روي سیگنال پدال گاز و پدال ترمز خواهد شد که علاوه بر ایجاد ناراحتی و سلب آسایش سرنشینان خودرو، سبب آسیب رسیدن به خودرو نیز میشود.
-1-2 حالات رانندگی در ACC
در سیستم ACC با محدودهي گسترده فازي، موقعیتهاي رانندگی در وسایل نقلیهي میزبان میتواند در پنج وضعیت قرار بگیرد که در شکل 2 نشان داده شده است.
حالت :CC وسیلهي نقلیهي میزبان در سرعتی ثابت بدون وسیلهي نقلیهي هدف جلویی حرکت میکند.
حالت :ACC وسایل نقلیه هدف و میزبان با سرعت بالا اجرا میگردند و وسیلهي نقلیهي میزبان نیاز به سرعت بیشتري با وسایل نقلیه یا سرعت کم به منظور حفظ فاصلهي ایمنی دارد.
حالت :SG این وضعیت به شبیه سازي موقعیت رفت و برگشت در ترافیک شهر میپردازد. وسیله نقلیه هدف نخست متوقف می شود و سپس حرکت میکند. این پروفایل مجددا تکرار میشود.
حالت ترمز اضطراري:2 وسیله نقلیهي هدف به صورت اتفافی با یک شتاب غیرعادي بزرگ متوقف میشود. وسیله نقلیهي میزبان نیز عمل ترمزگیري را ارتقا میدهد.
حالت شکافتگی:3 در حالیکه ماشین میزبان در یک ACC عادي یا SG عمل میکند، وسیله نقلیهي سوم از خط کناري میآید و به موقعیتی بین میزبان و هدف وارد میشود. وسیلهي ورودي یک وسیلهي هدف جدید میباشد.
شکل:2 حالات رانندگی
طبق مقالاتی که بررسی شدند برخی سازندگان، سیستمهاي CC یا ACC را در اتومبیلهاي خود مشارکت میدهند، اما در بسیاري از موارد، آنها در سرعتهاي پایین عمل نمیکنند. سیستم کروز کنترل تطبیقی در سرعتهاي بالاتر از40 km تعریف شده است، براي سرعتهاي بین 0 تا 30 km/h از سیستم توقف و حرکت SG استفاده میشود.[6] دلیلی که زمینههاي سرعت پایین عموماً مدنظر قرار نمیگیرند، این است که عمل بر روي پدالها تاثیر قويتري بر پویایی خودرو میگذارد Davis)، (2004 که سیستم را براي مدلسازي، شبیه سازي یا کنترل، سخت میکند. در محیطهاي شهري،
٢ Emergency Breaking ٣ Cut In
این امري کاملاًٌ معمول است که سرعت بایستی کاهش یافته و سپس حتی زمانی که هیچ وسیله نقلیهاي در مقابل وجود ندارد، پایین نگه داشته شود، به عنوان مثال، در مناطق مدرسهاي، جایی که براي واکنش نشان دادن به وقایع غیر قابل پیش بینی یا سایر سوانح، بایستی زمان اختصاص داده شود ( عبور پیاده در مقابل خودرو یا روشن شدن چراغ قرمز ترافیک). در حقیقت، محدودیت بارز سرعت در محیطهاي شهري، 50 کیلومتر در ساعت است که اشکال مختلف سیستمهاي مدیریت سرعت CC براي آن نامناسب هستند
.[6]
-2-2 طریقه عملکرد سیستم ACC
بر اساس گفتهي Tribe یک سیستم ACC توسط یک رادار اندازه گیري میشود تا سرعت و فاصله مطلوب بین وسایل نقلیه را حفظ کند[5]، راننده می تواند در ابتداي فعال کردن سیستم، یک سرعت مطلوب را براي سیستم کنترل سرعت تطبیقی تنظیم نماید. اگر فاصله واقعی بین خودرویی که توسط سنسور رادار اندازه گیري میشود از فاصله مطلوب و مجاز بیشتر یا کمتر باشد یا خودرویی مقابل خودروي تحت کنترل باشد، سیستم کنترل سرعت تطبیقی در حالت کنترل سرعت قرار میگیرد و خودرو با همان سرعت تنظیم شده توسط راننده به طی مسیر می پردازد. اگر فاصله واقعی بین خودروها از حد مجاز کمتر گردد، سیستم کنترل سرعت تطبیقی در حالت کنترل فاصله قرار میگیرد. در حالت کنترل فاصله، سیستم کنترلی با کنترل کردن خودکار سیستم ترمز و پدال گاز و دنده سرعت خودرو را کنترل میکند و در نتیجه آن فاصله بین خودروها کنترل شده و روي مقدار مجاز حفظ خواهد شد. البته در حالتهاي بحرانی ترمز شدید و توقف ناگهانی خودروي مجهز به سیستم کنترل سرعت تطبیقی حداکثر نیروي فشار را به سیستم ترمز اعمال میکند و خودرو به صورت خودکار سریع متوقف میشود. کلیه این عملیات از دسته سیستمهاي ایمنی هوشمند موجود در خودروهاي هوشمند هستند و نکته اي که باید به آن توجه کرد این است که در این سیستمها با توجه به عملکرد خودکار عملگرهاي ترمز و گاز و دنده لازم است که خودرو مجهز به سیستم ترمز و گاز قابل برنامهپذیري و جعبهدنده اتوماتیک باشد و سیستم
کنترل سرعت تطبیقی در خودروهایی با جعبه دندهي دستی کاربرد ندارد.[1] ارتباطات سیستم ACC در شکل 3 نمایش داده شده است.
کنترل سرعت
ACC
کنترل فاصله
شکل : 3 نمایش ارتباطات ACC
-3-2 معماري سیستم ACC و پیاده سازي آن در متلب
براي روشن شدن رفتار سیستم کنترل سرعت تطبیقی، شبیهسازي و طراحی این سیستم با یک محدودهي مجاز سرعت در نرم افزار MATLAB انجام شده است تا سرعت خودرو از حد مجاز تجاوز نکند. مدل دینامیکی استفاده شده در نرم افزار MATLAB شامل پدال گاز و ترمز و دنده به عنوان ورودي و سرعت و شتاب خودرو به عنوان خروجی میباشد. خروجی کنترل کنندهي سطح پایین که سیگنالهاي مطلوب پدال گاز و ترمز میباشد، به مدل دینامیکی خودرو اعمال شده و سبب کنترل سرعت و شتاب میگردند. شکلهاي 4 و 5 خروجی سرعت و فاصله و شکلهاي 6، 7، 8 سیگنالهاي داخلی سیستم کنترل سرعت تطبیقی را نشان میدهد. مطابق با شکل 4، خودروي مجهز به سیستم کنترل سرعت تطبیقی به طور ایمن خودروي مقابل را تعقیب میکند. نکتهي قابل ذکر این است که یک محدوده ي مجاز سرعت در طراحی سیستم تعیین شده است تا سرعت خودرو از حد مجاز عبور نکند همچنین در شبیه سازي انجام شده فرض بر این است که خودروي مقابل نیز با سرعتی مجاز در مسیر حرکت کند. البته بر روي رفتار خودروي مقابل هیچ کنترلی وجود ندارد. مطابق شکل 4، هر جا که خودروي مقابل متوقف شده است، خودروي تحت کنترل نیز پشت سر آن و در فاصله حدود 15 متري از آن توقف کرده است و برخوردي صورت
نگرفته است، که این کار به طور خودکار از طریق سیستم انجام میشود و راننده هیچ دخالتی در این امر ندارد. شکل 5 به مقایسه فاصله مطلوب بین خودروها و فاصله واقعی بین آنها میپردازد که فاصله واقعی به صورت دقیق و ایمن فاصله مطلوب را دنبال کرده است. شکلهاي 6 و7 سیگنالهاي پدال گاز و ترمز را نشان میدهد که داراي رفتاري آرام و بدون هیچگونه نوسان است. شکل 8 سیگنال تعویض دنده خودکار خودرو را نشان میدهد و زمانی که خودروي مقابل سرعت خود را کاهش دهد کاهش دنده صورت میگیرد تا سرعت خودروي تحت کنترل کم شود.[1]
شکل :4 مقایسه سرعت خودروي مقابل و خودري مجهز به سیستم کنترل سرعت تطبیقی
شکل :5 مقایسه فاصله واقعی و فاصله مطلوب بین خودروها
شکل :6 سیگنال پدال گاز ( میزان باز بودن دریچه سوخت)
شکل :7 سیگنال فشار پدال ترمز
شکل :8 سیگنال تعویض دنده خودکار
-4-2 مزایا و معایب سیستم کنترل سرعت تطبیقی
از مزایاي این سیستم میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
-1 آسایش راننده و فراهم نمودن شرایط ایمنی
