بخشی از مقاله
چکیده
امروزه با گسترش روز افزون کاربرد خودرو در زندگی روزمره، توجه ویژهاي از سوي مجامع علمی و صنعتی در رابطه با کاهش تراکم ترافیک، مسالهي ایمنی و کاهش تنشهاي رانندگی شده است. سیستمهاي کنترلی مختلفی براي خودرو جهت رسیدن به اهداف فوق طراحی شده است. در اینجا سیستم کنترلی یکپارچهاي جهت کنترل حرکات طولی و عرضی خودرو بر مبناي کنترل مود لغزشی فازي طراحی شده است. در این راستا از مدل دینامیک غیر خطی بهره گرفته شده است . در نهایت از دادههایی در شرایط ترافیک واقعی براي بررسی عملکرد سیستم در فرآیند تعقیب خودرو استفاده شده است. نتایج حاصل از شبیه سازي سیستم، نشان دهندهي عملکرد مطلوب سیستم کنترلی طراحی شده جهت حفظ فاصلهي طولی مناسب با خودروي راهنما و ایمن نسبت به آن و همچنین ایجاد انحراف جانبی کمتر، میباشد.
واژه هاي کلیدي:سیستم کنترل مود لغزشی فازي، کنترل یکپارچه، تعقیب خودرو.
مقدمه
با توجه به اینکه خودرو در دهههاي اخیر به عنوان اصلیترین وسیله-ي حمل و نقل محسوب میشود و هر روزه بر تعداد آن افزوده می-شود به همین دلیل براي توسعه و پیشرفت آن تحقیقهاي زیادي انجام میشود که افزون بر بالا بردن کیفیت، به ایمنی سرنشینان نیز توجه زیادي میشود. پژوهشگران مطالعات فراوانی در جهت هوشمند سازي و افزایش ایمنی خودروها انجام دادهاند که براي نمونه میتوان به برنامهي 1PATH در آمریکا، برنامهي هوشمند سازي حمل و نقل در ژاپن و پروژهي Chauffeur در اروپا اشاره کرد که ایمنی، مسالهي ترافیک و مصرف انرژي از موضوعات اصلی آن میباشد .[1]
براي مثال سیستمهاي کنترل طولی خودرو بطور عمومی نظارت بر موقعیت جلو و پشت سر خودرو را برعهده دارند و همچنین در صورت نیاز از طریق عملگرهاي تعبیه شده بر روي سیستم ترمز و دریچهي گاز اقدامات لازم براي تنظیم سرعت را انجام میدهند.سیستمهاي کنترل جانبی نیز با ایجاد زاویهي فرمان مناسب حرکت عرضی مطلوبی براي خودرو ایجاد میکنند. براي دستیابی به این هدف امروزه فنآوريهاي کنترلی مختلفی در کنترل حرکات طولی و جانبی خودرو به کار گرفته میشود .[2]Chaibet و همکاران در [1] سیستم کنترلی براي کنترل حرکت طولی خودروهاي سواري ارائه کرده است. این سیستم بر اساس یک روش جدید کنترلی بر پایهي کنترل مود لغزشی درجه دوم ساختار متغیر طراحی شده است که در آن از خط مشی زمان ثابت پیش-روي2 استفاده شده است.
همچنین سیستم کنترلی براي کنترل حرکت یکپارچهي طولی و جانبی خودرو با سرعت کم در [3] بر اساس مود لغزشی مرتبهي اول و دوم پیشنهاد و ارزیابی شده است.کنترل مود لغزشی یکی از روشهاي کنترل مقاوم غیر خطی موثر است. با این وجود، اشکال عمدهي این روش وجود پدیدهي لرزش میباشد. براي مقالهب با این مشکل، اخیراً کنترل مود لغزشی فازي پیشنهاد شده است. به طور کلی کنترل فازي براي سیستمهایی که به صورت ناقص مدل 3 شدهاند، اما دانش کیفی از یک اپراتور با تجربه در دسترس است، قابل اجرا میباشد. این روش به ویژه براي سیستمهایی که داراي دینامیک پیچیده یا نامعینی هستند مناسب میباشد .[4]
بنابراین در مقابل الگوریتم کنترلی مرسوم، الگوریتم کنترل فازي وجود دارد که متشکل از مجموعهاي از قوانین تصمیمگیري ابتکاري است. این الگوریتم به ویژه زمانی که مدل دقیق سیستم تحت کنترل، در دسترس نیست و یا مهیا کردن آن هزینه بر است، بسیار مؤثر میباشد. در نتیجه تلفیق کنترل مود لغزشی و دانش فازي، مکانیزم طراحی سیستمهاي کنترلري مقاوم را براي سیستمهاي غیر خطی داراي نامعینی فراهم میکند .[4]در این مقاله ابتدا یک مدل دینامیکی براي خودرو در نظر گرفته شده است که معادلات تغییرات سرعت طولی و عرضی و تغییرات زاویهي سمت4 از آن به دست میآید. همچنین با استفاده از معادلات مطلق و نسبی موقعیت خودرو، فاصله طولی و انحراف جانبی بین دو خودرو و همچنین مشتقات آنها به دست میآید. عملکرد مطلوب مدل با استفاده از شبیهسازي مدل دینامیکی در جریان ترافیک واقعی در فرآیند تعقیب خودرو، سنجیده میشود.
فرآیند تعقیب خودرو، به عنوان یک مدل اساسی سیستم شبیهسازي، حرکت طولی یک راننده و خودرو را در زمانی که خودرو جلویی را دنبال میکند و تلاش میکند تا یک فاصله ایمن را با آن حفظ کند، توصیف میکند. در گام بعد با استفاده از مدل دینامیکی ارائه شده، یک سیستم کنترلی بر اساس مود لغزشی فازي طراحی میشود که میتواند به کنترل حرکات طولی و عرضی یکپارچه براي دنبال کردن مسیر خودروي راهنما بپردازد. سیستم کنترلی این عمل را به وسیله ایجاد زاویه فرمان مناسب - - δ انجام میدهد. علاوه بر این، حفظ فاصله مطلوب طولی از طریق گشتاور مرکب - Tc - براساس گشتاور موتور یا ترمز حاصل میشود.
مدل دینامیکی خودرو
مدل دینامیک خودرو به صورت یک مدل سه درجه آزادي غیر خطی و با فرضهایی که عبارتند از:
- رول، پیچ و دینامیک عمودي خودرو قابل چشم پوشی است.
- زاویه لغزش خودرو کوچک می باشد.
- فقط در جهت طولی و عرضی حرکت وجود دارد و فقط زاویه سمت مجاز است.
- تمام زوایا به اندازه کافی کوچک هستند که می توان زوایا را بهصورت خطی تخمین زد.
در نظر گرفته شده است . [3] بنابراین مدل دینامیکی خودرو جهت طراحی سیستم کنترلی در فرم کانونیکال به صورت زیر میباشد:
بایستی توجه داشت که تمامی معادلات ارائه شده در مختصات خودرو تعقیب کننده نوشته شده است. معادلات مشابهی را نیزهمانند فوق، میتوان براي خودروي راهنما و یا براي هر خودروي دیگر در زنجیرهاي از خودروها نوشت.فاصلهي طولی و انحراف جانبی نسبی به منظور تسهیل طراحی و تجزیه و تحلیل استراتژيهاي کنترل ارائه میشود. طبق شکل - 1 - موقعیت مطلق و زاویه سمت خودروي تعقیب کننده طبق روابط - 4 - به دست میآید. در این روابط، اندیسهاي r، s و l به ترتیب مربوط به خودرو جلویی، عقبی و ارتباط متغیرها - روابط نسبی - میباشند .[1]که این روابط براي خودروي تعقیب کننده برابر خواهد بود با:
- 0 - بیان کننده زاویه سمت اولیه میباشد. همین روابط براي خودروي راهنما تکرار میشود تا - ، ، - همانند روابط فوق محاسبه شوند. در نهایت و که به ترتیب بیانگر فاصلهي طولی و انحراف جانبی بین خودروي تعقیب کننده نسبت به راهنما میباشند، از طریق رابطهي زیر به دست میآید:
که فوق - ماتریس دوران با زاویه است. با مشتق گرفتن ازعبارت - روابط زیر به دست میآید:
و همچنین با مشتق گیري دوباره معادلات که متغیرها در آن بصورت زیر تعریف میشوند:
با استفاده از این معادلات دینامیکی ارائه شده براي خودرو، طراحی سیستم کنترلی در ادامه صورت میپذیرد.
طراحی سیستم کنترلی مبتنی بر مود لغزشی فازي
براي دستیابی به فاصلهي ایمن و مقادیر مطلوب جابجایی جانبی و زاویهي سمت نسبی بین دو خودروي تعقیبگر و راهنما، حرکات طولی و جانبی خودرو کنترل میشوند. در این قسمت با استفاده از کنترل مود لغزشی فازي که تلفیقی از دانش فازي و مود لغزشی است، سیستمی به این منظور طراحی خواهد شد.ابتدا بایستی سطح لغزش به منظور طراحی سیستم کنترلی مود لغزشی تعریف شود. براي کنترل حرکت طولی، سطح لغزش به صورت زیر است :[1]
که مقادیر h و به ترتیب برابر ثوابت زمان پیشروي و فاصلهي متوقف شدن میباشند.براي کنترل حرکت جانبی روشی براي تعقیب خودروي راهنما انتخاب میشود که هدف از آن، حداقل کردن جابجایی جانبی خودروي تعقیبگر و زاویهي سمت نسبی تا حد امکان میباشد .[1]این معیار عبارت است از :
با توجه به روابط - 9 - و - 12 - سطوح لغزش برابر میشوند با . = , بنابراین وروديهاي کنترلی معادل توسطروابط زیر محاسبه میشوند:
و به صورت زیر باز نویسی میشود:
در نتیجه وروديهاي کنترلی حرکات طولی و جانبی معادل برابرند با:
براي طراحی کنترل مود لغزشی فازي، ورودي کنترلی به دو بخش ورودي معادل و فازي تقسیم میشوند که از رابطهي زیر به دست میآید:
از رابطهي طبق رابطهي - 14 - محاسبه شده است و فازي است، از طریق رابطهي زیر به دست میآید:
