در سالهای اخیر، سامانههای کنترل پایداری به یکی از مهمترین فناوریهای ایمنی خودروها تبدیل شدهاند. یکی از شناختهشدهترین این سامانهها، کنترل پایداری الکترونیکی (Electronic Stability Control یا ESC) است. این سیستم با ترمز گرفتن هوشمند روی هر یک از چرخها، به خودرو کمک میکند در مسیر موردنظر راننده باقی بماند و از لغزش یا از دست رفتن کنترل، بهویژه در پیچها یا هنگام مانورهای ناگهانی، جلوگیری کند. در این پژوهش نیز عملکرد ESC بر اساس همین روش ترمزگیری هوشمند بررسی شده است.
در مقابل، فناوری فرمان جلوی فعال (Active Front Steering یا AFS) بدون استفاده از ترمز، زاویه فرمان را بهصورت خودکار تنظیم میکند تا خودرو پایداری بیشتری داشته باشد. مزیت این روش آن است که سرعت خودرو کاهش پیدا نمیکند؛ اما زمانی که چسبندگی لاستیکها به سطح جاده به حد نهایی خود نزدیک میشود، تأثیر فرمان فعال نیز کمتر خواهد شد.
به همین دلیل، پژوهشگران به دنبال راهکاری بودهاند که این دو فناوری در کنار یکدیگر کار کنند؛ بهگونهای که هر کدام در زمان مناسب وارد عمل شوند و بهترین عملکرد را برای حفظ پایداری، فرمانپذیری و راحتی رانندگی ارائه دهند.
چالش اصلی: چه زمانی فرمان وارد عمل شود و چه زمانی ترمز؟
وقتی دو سامانه فرمان فعال و کنترل پایداری بهطور همزمان روی خودرو نصب میشوند، مهمترین سؤال این است که هر کدام چه زمانی باید وارد عمل شوند؟
در بسیاری از روشهای قبلی، این تصمیم با تنظیم چند پارامتر ثابت گرفته میشد. نتیجه این بود که گاهی سیستم خیلی زود از ترمز استفاده میکرد؛ موضوعی که باعث کاهش سرعت خودرو و احساس ناراحتی برای سرنشینان میشد. از طرف دیگر، اگر استفاده از ترمز بیش از حد به تعویق میافتاد، ممکن بود خودرو در شرایط بحرانی پایداری کافی نداشته باشد.
برخی پژوهشها تلاش کردهاند این تصمیم را هوشمندتر کنند، اما هنوز هم بسیاری از آنها نمیتوانند بهخوبی تشخیص دهند که در هر لحظه استفاده از فرمان مؤثرتر است یا ترمز. به همین دلیل، عملکرد این دو سامانه همیشه به بهترین شکل ممکن با یکدیگر هماهنگ نمیشود.
راهکار پیشنهادی پژوهش
در این پژوهش، یک روش کنترلی جدید مبتنی بر کنترل پیشبین مدل (Model Predictive Control یا MPC) ارائه شده است. ایده اصلی این روش ساده است: تا زمانی که فرمان بتواند بهتنهایی خودرو را پایدار نگه دارد، نیازی به استفاده از ترمز نیست.
این تصمیم بر اساس میزان چسبندگی باقیمانده هر لاستیک گرفته میشود. به بیان ساده، سیستم بررسی میکند هر لاستیک هنوز چه مقدار توانایی برای ایجاد نیرو و حفظ تعادل خودرو دارد. اگر این ظرفیت کافی باشد، فقط فرمان فعال وارد عمل میشود؛ اما اگر این ظرفیت رو به پایان باشد، سیستم بهصورت هوشمند از ترمز نیز کمک میگیرد.
به این ترتیب، ترمز فقط زمانی استفاده میشود که واقعاً ضروری باشد. این موضوع علاوه بر حفظ پایداری خودرو، از کاهش بیدلیل سرعت نیز جلوگیری میکند و رانندگی نرمتر و راحتتری را به همراه دارد.
برای شبیهسازی دقیق رفتار لاستیکها نیز از مدل پیشرفته UniTire استفاده شده است تا عملکرد خودرو در شرایط واقعی با دقت بیشتری بررسی شود.
عملکرد سیستم کنترل
در این روش، ابتدا سیستم با توجه به زاویه فرمان راننده، مسیر و رفتار مورد انتظار خودرو را محاسبه میکند. سپس کنترلکننده تصمیم میگیرد که چه مقدار از اصلاح مسیر توسط فرمان فعال انجام شود و در صورت نیاز، چه میزان ترمز روی هر چرخ اعمال شود.
این محاسبات بهصورت لحظهای و در کسری از ثانیه انجام میشوند تا خودرو همواره در پایدارترین وضعیت ممکن قرار داشته باشد. هدف این کنترلکننده آن است که خودرو دقیقاً همان مسیری را طی کند که راننده قصد دارد، بدون آنکه تغییرات ناگهانی در فرمان یا ترمز احساس شود.
نتایج شبیهسازی
پژوهشگران عملکرد این روش را در نرمافزارهای MATLAB/Simulink و CarSim و در سه سناریوی مختلف رانندگی آزمایش کردند.
نتایج نشان داد تا زمانی که فرمان فعال بهتنهایی قادر به حفظ تعادل خودرو باشد، سیستم از ترمز استفاده نمیکند. تنها زمانی که شرایط بحرانیتر شود، ترمز نیز وارد عمل میشود.
در مقایسه با روشهای متداول، این کنترلکننده باعث شد:
- خودرو با پایداری بیشتری مسیر خود را حفظ کند؛
- از ترمزگیریهای غیرضروری جلوگیری شود؛
- کاهش سرعت خودرو کمتر باشد؛
- فرمان نرمتر عمل کند؛
- و نوسانات خودرو در مانورهای شدید کاهش پیدا کند.
در آزمون تغییر مسیر ناگهانی نیز، خودرویی که از این روش استفاده میکرد، کنترل بسیار بهتری نسبت به خودروی فاقد سیستم کنترل پایداری و همچنین روشهای رایج داشت.
جمعبندی
نتایج این پژوهش نشان میدهد که بهترین راه برای افزایش پایداری خودرو، تنها استفاده همزمان از فرمان فعال و ترمز هوشمند نیست؛ بلکه مهمتر از آن، تشخیص درست زمان استفاده از هر کدام است.
روش پیشنهادی با بررسی لحظهای توان باقیمانده لاستیکها تصمیم میگیرد که چه زمانی تنها از فرمان استفاده کند و چه زمانی ترمز نیز وارد عمل شود. این رویکرد علاوه بر افزایش پایداری خودرو، از کاهش غیرضروری سرعت جلوگیری کرده، کیفیت فرمانپذیری را بهبود میبخشد و آسایش سرنشینان را نیز افزایش میدهد.
البته نویسندگان مقاله تأکید کردهاند که این روش تاکنون تنها در محیط شبیهسازی بررسی شده است و برای اطمینان از عملکرد آن، باید در آینده روی خودروهای واقعی نیز آزمایش شود.
نویسنده: زهرا شیربند – کارشناس امور بینالملل ISQI
منبع:
New Integrated Vehicle Stability Control of Active Front Steering and Electronic Stability Control Considering Tire Force Reserve Capability (DOI: 10.1109/TVT.2021.3056560)
