بخشی از مقاله
چکیده:
رانندگان وسایل نقلیه در طول رانندگی به طور دائم در معرض ارتعاش تمام بدن قرار دارند که این مسئله ممکن است منجر به بروز اختلالات اسکلتیBعضلانی، عصبی، گردش خون، گوارشی و بروز سایر بیماریهای شغلی ناشی از ارتعاش گردد. در این مقاله ابتدا معادلات سیستم دینامیکی غیر خطی به صورت تحلیلی بررسی و با استفاده از سری تیلور معادلات خطی سازی میشود.
سپس معادلات در فضای حالت توسط نرمافزار متلب به شکل عددی حل و بررسی میشود و برای طراحی کنترلر چند متغیره از تحقق کانونیکال و تبدیلات همانند استفاده میشود. نهایتا با استفاده از الگوریتم ژنتیک، بهینهسازی عملکرد کنترلر سیستم دینامیکی با هدف کاهش شتاب ریشه مجموع مربعات در دو جهت عمودی و افقی تحت شرایط تشدید و جاده با زبری سطح تصادفی به عنوان عامل تحریک سیستم انجام شده است.
بررسی نتایج نشان داد که با برایند 2 جهت، مجذور میانگین مربعات وزندار شتاب ارتعاش دو متغیر افقی x1 و عمودی z1 مربوط به مرکز جرم قسمت ① از بدن انسان که شامل استخوان ران، لگن و مهره میشود، بدون کنترلر 76 m/s2 - ، - 2، با کنترلر 268 m/s2 - ، - 0 و با کنترل بهینه این میزان به - 06m/s2، - 0 کاهش یافته که نشان میدهد استراتژی کنترلی عملکرد قابل قبولی داشته است.
.1 مقدمه
توسعه فناوریهای جدید، به خصوص در صنعت حمل و نقل باعث شده که مواجهه منظم بدن انسان با ارتعاشات ایجاد شده از وسیله نقلیه و اثرات ارتعاش بر روی سلامت انسان در چندین تحقیق، مورد مطالعه قرار گیرد
تحقیقاتی که در زمینه اختلالات ناشی از ارتعاش انجام شده، نشان میدهد که ناراحتی-های قلبی، گوارشی، عصبی و کاهش حرکات معدهای باعث اختلالات ناشی از ارتعاش نامطلوب میباشد
مطالعات انجام شده در برخی کشورها با استفاده از اندازه گیریهای دقیق و ثبت و بررسی متغیرهای موثر بر میزان مواجهه با ارتعاش، مانند نوع خودرو، حجم موتور، سرعت خودرو، سیستم تعلیق، شرایط جاده، ، وزن راننده و وضعیت ترافیک مدلهای پیش بینی مواجهه با ارتعاش را ارائه دادهاند - . - /DNX L 6 HW DO.' 2011; .LP HW DO .' 2011 در برخی مطالعات دیگر نیز نتایج نشان داده که افزایش سرعت خودرو میزان مواجهه با ارتعاش را افزایش می دهد - /DNX L 6 HW DO.' 2011; . - Jazani et al., 2013 تفاوت در نوع خودرو نیز از عوامل تاثیر گذار در میزان مواجهه با ارتعاش شناخته شده است، همچنین عمر خودرو و شرایط جاده از جمله مهمترین عوامل موثر بر افزایش ارتعاش میباشد
قرار گیری بدن نشسته انسان در معرض ارتعاشات مسئلهی پیچیدهای است، به طوری که حتی خواص دینامیکی آن در فردی نسبت به فرد دیگر متفاوت است. تا به حال در تحقیقات زیادی مدلهای بیومکانیکی برای توصیف حرکات ارتعاشی بدن انسان طراحی شده است، در این تحقیقات، چندین مدل بدن انسان وجود دارد که میتوان از آنها برای ارزیابی ارتعاشات در جهت عمودی استفاده کرد
از این رو، این مدلها برای بررسی ارتعاشات در جهت جلو و عقب کاربردی ندارند. بنابراین، در این مقاله، از یک مدل پنج درجه آزادی برای توصیف بدن نشسته انسان بر روی صندلی که نقصهای ذکر شده را حذف میکند، استفاده میشود
همچنین از یک مدل دو درجه آزادی نیم خودرو برای اعمال ارتعاشات وارده از سطح جاده بر روی بدن نشسته انسان استفاده شده است
چنگ چن و همکاران در مقاله خود کاربرد یک کنترل غیر خطی سازگار با جاده و نحوه اعمال آن توسط تعلیق فعال به مدل نیم خودرو با استفاده از طرحهای الگوریتم سازگار با جاده را توصیف کردند
عسکرزاده و مرادی پس از ارزیابی و مشاهده کمبود مدلهای قبلی و استراتژیهای کنترل پیشنهاد شده برای مدل بدن انسان، از یک روش کنترل فعال بر پایه تجزیه و تحلیل روش کنترل عمومی کانونیکال استفاده کردند
سعید بدران و همکاران با استفاده از الگوریتم ژنتیک - GA - برای تعیین پارامترهای سیستم تعلیق خودرو جهت رسیدن به بهترین آسایش انسان اقدام کردند
در بسیاری از آثار قبلی برای مدلهای مختلف خودرو کنترلر طراحی شده است، اما نکته حائز اهمیت این مقاله، طراحی استراتژی کنترل فعال به روش جایاب قطب برای خودرو با قرار گیری مدلی از بدن نشسته انسان بر روی خودرو می باشد، که نسبت به مدلهای قبلی به واقعیت نزدیکتر است. روش جایاب قطب بر خلاف روشهای کنترل غیرخطی و تطبیقی از قوانین پیچیده و دشوار کنترلی که گاهی اوقات غیرعملی است، برخوردار نمیباشد. همچنین برای مدل چند متغیره با توجه به خطیسازی سیستم غیرخطی، استفاده از استراتژی کنترل به عنوان جایاب قطب به سادگی انجام میشود.
در ادامه رفتار سیستم دینامیکی در اطراف فرکانسهای طبیعی سیستم بررسی شده است. از سوی دیگر برای ورودی چرخهای خودرو از زبری سطح جاده تصادفی استفاده شده که دادههای ورودی این جاده تصادفی به روش عددی نیومارک حل شده است و در نهایت نشان داده شده که کنترل کننده در شرایط تشدید و غیر تشدید در انواع ورودیها به طور موثر عمل میکند.
.2 مدل دینامیکی چند متغیره نیم خودرو و بدن نشسته انسان
.1-2 تعریف مدل و معادلات سیستم
شکل - 1 - هندسه یک مدل هفت درجه آزادی از بدن نشسته انسان، سوار بر روی خودرو را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود این سیستم از دو بخش تشکیل شده که مدل پنج درجه آزادی بدن نشسته انسان براساس مقاله کیم و همکاران - - Kim et al., 2011 و مدل نیمخودرو براساس مقاله وانگ و همکاران - - Wang et al ., 2017 میباشد. پارامترهای این مدل در دو جدول جداگانه آورده شده، به طوری که پارامترهای مربوط به بدن نشسته انسان در جدول - - 1 و پارامترهای مربوط به مدل نیم خودرو در جدول - - 2 نیز ارائه شده است.
معادلات دینامیکی حرکت از روش لاگرانژ بدست میآید. مختصات عمومی در این مدل 2,x3, zb, b]T 1' x=[z1,x1' میباشد و معادلات لاگرانژ به فرم انرژی جنبشیT، انرژی پتانسیلV و انرژی دمپینگ R در فرمول زیر جایگذاری میشود:
که در آن U بردارهای نیروی خارجی و اینرسی، شامل دو نیروی u1 وu2 در راستای عمودی Zyf وZyr میباشند. انرژی های جنبشی، پتانسیل و دمپینگ این مدل در مختصات دکارتی به صورت زیر نوشته میشود:
شکل .1 شماتیک مدل هفت درجه آزادی متشکل از مدل نشسته بدن انسان و مدل نیم خودرو.
