بخشی از مقاله
چکیده
موضوع این مطالعه طراحی سیستم هوشمند کنترل و هدایت خودرو است که در ایجاد ترافیک هوشمند در محیطهاي مجازي کاربرد دارد. در ابتدا با استفاده از یک ترکیب خطی از بردار هاي مکان و جهت نسبت به مسیر، بردارجهت حرکت ایدهآل خودروي مجازي تعیین میگردد و زاویهي ایدهآل فرمان بدست میآید. این زاویه به مدل راننده ارسال میشود تا در آنجا با استفاده از یک کنترلر تناسبی-انتگرالگیر-مشتقگیر1 خطاي زاویهي فرمان کنونی صفر گردد.
ضرایب معادلهي این کنترلر با تعریف مشخصههاي مدل راننده و با استفاده از روش زیگلر-نیکلز تعیین شده است. در تهیهي این مدل تا حد امکان از یک رابطه ساده استفاده شده تا تاخیر در عکس- العمل راننده و زمان اجراي دستور مشخص، مشابه حالت واقعی باشد. در انتها از یک خودرو با این هدایتگر در محیط مجازي تست گرفته شده و کارایی آن نمایش داده شده است.
بکارگیري مدل تاکاگی-سوگنو[3] 4 و یا ترکیب تئوري لیاپانوف با روش نامساوي ماتریس خطی5 اشاره نمود.[3] [2] اما آنچه در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفته است، ایجاد سیستم کنترلر اتوماتیک فرمان خودرو جهت ایجاد ترافیک هوشمند است. هدف، بکارگیري این سیستم ترافیک هوشمند در محیطهاي شبیهسازي است؛ در نتیجه، در روند شبیهسازي، همواره زمان به عنوان عامل محدود کنندهي عملیات محاسباتی مدنظر است؛ با توجه به این پیش فرض، هوش مصنوعی مد نظر، بر خلاف مدلهاي پیشین باید تا حد امکان از محاسبات ساده براي هدایت خودروها بهره بگیرد.
ایجاد یک ترافیک هوشمند درمرحله اول نیازمند تعیین مسیر صحیح براي خودروها و در مرحله دوم تبعیت خودروها از مسیر مشخص شده میباشد. از این رو هدف ایجاد یک بلوك کنترلی است که با هدایت فرمان با زاویهي آزادي محدود، خودرو را روي مسیر هدایت کند. در نتیجه ابتدا باید زاویهي ایدهآل چرخها محاسبه گردد و سپس این زاویه به فرمان اعمال شود.[9]
مقدمه
امروزه فعالیتهاي فراوانی در زمینهي کنترل اتوماتیک اجزاي خودرو انجام شده است. با استفاده از کنترل اتوماتیک میتوان از سوانح ناشی از خطاي انسانی تا حدود زیادي پیشگیري نمود و هم چنین در وقت و هزینه ها صرفه جویی نمود.[1-4] از کاربردهاي این ایده می- توان به کنترل خودرو هاي بدون سرنشین اشاره نمود. براي مثال در کنترل حرکت عرضی آنها سیستمهاي کنترلی ارائه شده است.[5]
بعلاوه، از این راهکار براي کنترل خودرو بین خطوط مسیر و جلوگیري از انحراف آن نیز استفاده شده است. [6] همچنین از کنترل فرمان براي حرکت رباتهاي چرخدار روي مسیرهاي تعیین شده نیز استفاده شده است .[7]در زمینه طراحی سیستمهاي هدایت کمکی در خودروها نیز فعالیتهایی انجام شده و از طریق طراحی کنترلرهایی در کنار کنترل دستی2 به کمک روتورهاي الکتریکی خودرو را هدایت کردهاند.[8]
زاویه گردش فرمان
براي کنترل فرمان خودرو احتیاج به یک تابع براورد خطا داریم تا با استفاده از آن به عنوان بازخورد6، خودرو روي مسیر هدایت شود. گام اول در این هدایت تعیین زاویهاي است که چرخها براي تصحیح مسیر باید داشته باشند. با توجه به اهمیت سادگی محاسبات این تابع به صورت ترکیب خطی از دو تابع خطاي جداگانه ایجاد شده است.
تابع اول اختلاف جهت خودرو با جهت مماس مسیر در نقطه مرجع - نزدیکترین نقطه از مسیر به خودرو- و تابع دوم نشاندهنده انحراف خودرو از نقطه مرجع است .[12][11][10] این تابع در محیط مجازي و بر روي خودروهاي مجازي اجرا شده و از کارایی بسیار بالایی برخوردار است. محاسبهي لحظه به لحظهي این تابع خطا مستلزم دریافت ur اندازهي سرعت خودرو، بردار مکان R و همچنین بردار یکه مماس ur ur بر مسیر در نقطهي مرجع Τ است.
کنترل جهت فرمان
براي هدایت فرمان در جهت زاویهي دلخواه از یک بلوك کنترلی استفاده شده است. باتوجه به اینکه هدف اصلی ایجاد یک ترافیک هوشمند است، این کنترلر باید تا حد امکان رفتاري شبیه به رفتار راننده داشته باشد؛ لذا در کنترل جهت فرمان باید از حرکات ناگهانی خودداري نمود و تلاش باید در جهت ایجاد کنترلري با حرکات پیوسته و در عین حال آرام باشد.
از سوي دیگر، با دقت در رفتار رانندگان به سادگی میتوان دریافت که در سیستم عصبی یک راننده از زمان صدور یک دستور تا عملیاتی شدن آن، یک روند غیر مستقیم صورت میگیرد که سامانهاي با پارامترهاي متفاوت و سرعت عکسالعمل مشخص است. تحقیقات زیادي در زمینه مدلسازي سیستم عصبی رانندگان صورت گرفته[13]، اما پیاده سازي اینگونه مدلها در ترافیک هوشمند اصولا یک روند زمانبر است که با توجه به آنی بودن محاسبات، به صرفه نیست. آنچه در این مطالعه انجام شده جایگذاري مدل رفتاري راننده با یک مدل کنترلی دینامیکی است.
طراحی مدل دینامیکی راننده و کنترلر آن
در سالیان اخیر یکی از روشهاي اساسی در تعیین کنترلرهاي ایده- آل استفاده از ضرایب زیگلر-نیکلز است. با استفاده از این ضرایب می- توان به رفتار مورد نظر در قبال ورودي دست یافت. با توجه به تفاسیري که در مورد سامانه کنترلی صورت گرفت، در این مقطع هدف استفاده از این ضرایب براي رسیدن یک سامانه مشابه سامانهي عصبی راننده است. اگر زمان عکس العمل راننده برابر L و بازهي زمانی انجام عمل یعنی چرخاندن فرمان برابر T در نظر گرفته شود به ازاي انحراف زاویهاي K، عملکرد راننده چیزي مشابه شکل 2 خواهد بود.
نتایج
در انتهاي این مطالعه، براي بررسی عملکرد مدل ایجاد شده جهت کنترل هوشمند فرمان و کارایی آن در مسیر هاي از پیش طراحی شده، بلوك هدایت به طور کلی در دو نرمافزار شبیه ساز سه بعدي Virtools و OGRE ایجاد شد و بر روي خودرو مجازي مختلف اجرا شد. دینامیک حرکتی این خودرو در نرمافزار Virtools توسط خود نرمافزار ایجاد شده و توانایی اجراي حرکات خودرو را تا 7 درجه آزادي به خوبی دارا میباشد.
این دینامیک در OGRE با استفاده از موتور فیزیکی PhysX ایجاد شد. پس از اتصال بلوك طراحی شده به بلوك دینامیک خودرو ، حرکت بر روي مسیر مشخص و با میزان نیروي محرکه ثابت و مشخص آزمایش شد. در این آزمایش با حرکت روي دو مسیر مشخص عملکرد سیستم به خوبی قابل ارزیابی است. علی رغم عدم امکان کنترل پارامتر سرعت توسط بلوك کنترلی ، مشاهده میشود که سیستم به خوبی و با انحراف معیار حداقلی خودرو را روي مسیر هدایت کرده است.
نتیجهگیري
با هدف ایجاد یک ترافیک هوشمند مدلی براي کنترل و هدایت خودرو بر روي مسیري خاص ایجاد شد. در این مدل در مرحله اول با استفاده از یک ترکیب خطی از دو تابع خطا زاویهي انحراف مشخص شد. سپس با استفاده از مدل کردن رفتار راننده در پشت فرمان و ایجاد یک کنترلر براي اجراي فرامین زوایاي تعیین شده در مرحله اول، در این مرحله اجرا شد. با شبیه سازي کل بلوك در محیط مجازي و اتصال آن به بلوك دینامیک خودرو 7 درجه آزادي، نتایج حاصل از عملکرد سیستم روي مسیر بررسی شده و کارایی سیستم تایید شده است.
