Таҳқиқот барои идора кардани ҳаракати roll ё pitch-и кузови автомобил дар шароитҳое чун гардиш, тормозгирӣ, суръатгирӣ ва барҷастагии яктарафаи роҳ системаи овезаи фаъолро (Active Suspension System, ASS) бо системаи боли фаъоли аэродинамикӣ/airfoil-ро (Active Aerodynamic System, AAS) дар як сохтори ягонаи идоракунии оптималӣ муттаҳид мекунад. Дар идоракунандаи бозхӯрди пурраи ҳолат, ки бар модели нимавтомобили дорои чор дараҷаи озодӣ сохта шудааст, на танҳо шитоби кузов ва ҳаракати овеза, балки интеграли хатои байни кунҷи дилхоҳи roll/pitch ва кунҷи воқеӣ, инчунин интегралҳои деформатсияи динамикии ду шина низ ба функсияи самаранокӣ ворид карда шудаанд. Дар сенарияи барҷастагии яктарафа муҳаққиқон гузориш медиҳанд, ки сохтори пешниҳодшудаи овезаи фаъол + боли фаъол дар кунҷи roll ва шитоби кунҷии roll беш аз %90, дар шитоби heave нисбат ба системаи ғайрифаъол тақрибан %84 ва дар деформатсияи динамикии шина дар баъзе муқоисаҳо то %99 беҳбудӣ додааст. Бо вуҷуди ин, натиҷаҳо ба симулятсияи компютерӣ тааллуқ доранд; тасдиқ дар автомобили воқеӣ анҷом дода нашудааст, қувваҳои идоракунии овезаи фаъол ва аэродинамикӣ дар симулятсия маҳдуд нашудаанд ва таъхирҳои воқеии аэродинамикии боли фаъол содда карда шудаанд.
Ҳадафи асосии равиши идоракунӣ танҳо то ҳадди имкон уфуқӣ нигоҳ доштани кузов нест. Муҳаққиқон мақсад доранд, ки барои кам кардани қувваи инерсияи паҳлуӣ, ки мусофир ҳангоми гардиш эҳсос мекунад, автомобилро ба даруни гардиш ба таври идорашаванда моил кунанд, барои муқобила бо майли ба пеш фурӯ рафтан ҳангоми тормозгирӣ pitch-и идорашаванда ба қафо эҷод кунанд ва барои кам кардани таъсири squat ҳангоми суръатгирии аввалия ҳаракати tilt ба пеш ба вуҷуд оранд. Қувваҳои аэродинамикии фаъол ва қувваҳои актуаторҳои овеза аз ҷониби ҳамон як идоракунандаи оптималӣ якҷоя истифода шуда, ҳам ҳолати дилхоҳи кузов ва ҳам деформатсияи динамикии шина, ки тамоси шина–роҳро ифода мекунад, идора мешаванд.
Дар таҳлили барҷастагии роҳ истифодаи танҳо боли фаъол изолятсияи кофии ларзиш ва устувории тамоси шина бо роҳро таъмин накард. Гарчанде танҳо овезаи фаъол дар чанд меъёр нисбат ба системаи ғайрифаъол беҳбудии назаррас ба вуҷуд овард, сохтори пешниҳодшудае, ки бо боли фаъол якҷоя кор мекунад, аз ҷиҳати ҳаракати roll ва деформатсияи динамикии шина натиҷаҳои қавитар нишон дод. Дар иваз, ҳаракати овезаи тарафи рост дар баъзе шароитҳо аз системаи танҳо овезаи фаъол зиёдтар буд; муҳаққиқон инро ҳамчун созиши тарҳрезӣ байни устувории роҳ ва масофаи дастраси ҳаракати овеза арзёбӣ кардаанд.
Арзёбӣ аз нуқтаи назари Туркия: Усули ин таҳқиқот метавонад барои гурӯҳҳое дар Туркия, ки дар самтҳои овезаи фаъол, аэродинамикаи автомобилҳои баландсамар, идоракунии шассии автомобили барқӣ, динамикаи пешрафтаи ҳаракат ва идоракунии ҳамгирошудаи мехатроникии автомобил кор мекунанд, намунаи методологӣ бошад. Хусусан истифодаи ҳамоҳангшудаи актуаторҳои овеза ва сатҳҳои аэродинамикӣ на ҳамчун зерсистемаҳои мустақил, балки таҳти як ҳадафи умумии ҳолати автомобил қобили таваҷҷуҳ аст. Аммо азбаски таҳқиқот профилҳои воқеии роҳҳои Туркия, моделҳои воқеии шина, шамоли тағйирёбанда, сершавии актуатор, динамикаи сервои сатҳҳои аэродинамикӣ ё озмоишҳои воқеии автомобилро дар бар намегирад, нишондиҳандаҳои ададии гузоришшуда набояд мустақиман ҳамчун муваффақияти истеҳсоли силсилавӣ ё саҳроӣ тафсир шаванд.
Масъалаи асосии таҳқиқот чист?
Дар тарҳрезии овезаи автомобил бароҳатии ҳаракат ва устувории роҳ аксар вақт ду ҳадафи бо ҳам зид мебошанд. Овезаи нарм метавонад ларзиши ба кузов интиқолёбандаро кам кунад, аммо тамоси шина бо роҳ ва идоракунии ҳаракати кузовро душвор созад; сохтори сахттар бошад, бо беҳтар кардани устувории роҳ метавонад ларзиши эҳсосшавандаи мусофирро зиёд кунад.
Ҳангоми гардиш, тормозгирӣ ва суръатгирӣ ба ин масъала қувваҳои инерсияи паҳлуӣ ё тӯлонӣ низ илова мешаванд. Азбаски маркази вазни автомобил аз сатҳи замин болотар ҷойгир аст, ин қувваҳо дар кузов моменти roll ё pitch ба вуҷуд меоранд. Дар натиҷа, ҳангоми гардиш интиқоли бор ба чархи берунӣ, ҳангоми тормозгирӣ фурӯравӣ ба пеш ва ҳангоми суръатгирӣ нишастан ба қафо рух дода метавонад.
Холигии асосие, ки таҳқиқот ҳадаф қарор медиҳад, ин аст, ки ҳангоми муттаҳид кардани қувваи овезаи фаъол ва қувваи аэродинамикии фаъоли ба поён нигаронидашуда дар як идоракунанда, ҳам кунҷи дилхоҳи кузов ва ҳам деформатсияи динамикии шина мустақиман тавассути ҳолатҳои интегралӣ идора шаванд.
Чаро боли фаъоли аэродинамикӣ бо овеза якҷоя истифода мешавад?
Фарқи фишор байни сатҳҳои болоӣ ва поёнии бол қувваи бардории аэродинамикӣ ба вуҷуд меорад. Дар истифодаи автомобилӣ болҳое, ки баръакс кор мекунанд, қувваи аэродинамикии ба поён нигаронидашуда ҳосил карда, бори нормалии рӯи чархро тағйир дода метавонанд.
Расми 2-и таҳқиқот ин ғояро аз нуқтаи назари динамикаи автомобил нишон медиҳад: қувваҳои аэродинамикие, ки ба нуқтаҳои пеш ва ақиб/рост ва чап татбиқ мешаванд, дар масофаҳои муайян аз маркази вазн ҷойгир карда мешаванд, то дар кузов моменти roll ё pitch ба вуҷуд оварда тавонанд. Дар ҳоле ки қувваҳои овезаи фаъол ҳаракати нисбии байни чарх ва кузовро идора мекунанд, болҳои фаъол мустақиман ба кузов қувваи беруна меоранд.
Дар равиши муҳаққиқон ду системаи актуатсия як вазифаро иҷро намекунанд; онҳо якдигарро пурра мекунанд. Овезаи фаъол ларзиш ва ҳаракати кузовро, ки аз роҳ ба вуҷуд меоянд, идора мекунад, дар ҳоле ки сатҳҳои аэродинамикӣ махсусан барои эҷоди моменти иловагӣ бар зидди интиқоли бори паҳлуӣ ва тӯлонӣ дар суръати баланд истифода мешаванд.
Модели нимавтомобил чӣ гуна сохта шуд?
Дар таҳқиқот барои таҳлили roll ва pitch модели хаттии нимавтомобили дорои чор дараҷаи озодӣ истифода шудааст. Дараҷаҳои озодӣ аз ҳаракати амудии кузов, кунҷи roll ё pitch ва ҳаракатҳои амудии ду чарх иборатанд.
Ҳаракати heave-и кузов:
\[ m_s\ddot{z}_c=f_r+u_3+f_l+u_4 \]
ва ҳаракати roll ё pitch бошад:
\[ I\ddot{\phi}=(f_r+f_1+u_3)a-(f_l+f_2+u_4)b \]
моделсозӣ шудааст.
Дар ин ҷо \(m_s\) массаи кузов, \(I\) моменти инерсияи roll ё pitch, \(z_c\) ҷойивазкунии амудии кузов, \(\phi\) кунҷи roll/pitch-и кузов ва \(a\) ва \(b\) масофаҳо аз маркази вазн то нуқтаҳои овезаро ифода мекунанд. \(u_1\) ва \(u_2\) қувваҳои овезаи фаъол; \(u_3\) ва \(u_4\) қувваҳои аэродинамикии фаъол мебошанд.
Қувваҳои овеза ва шина чӣ гуна моделсозӣ шудаанд?
Қувваҳои чандирии овезаи рост/пеш ва чап/қафо ҳамчун ҷамъбасти қувваҳои пружина, дампер ва актуатори фаъол навишта шудаанд:
\[ f_r = k_{s1}(z_1-z_c-a\phi) + b_{s1}(\dot{z}_1-\dot{z}_c-a\dot{\phi}) + u_1 \]
\[ f_l = k_{s2}(z_2-z_c+b\phi) + b_{s2}(\dot{z}_2-\dot{z}_c+b\dot{\phi}) + u_2 \]
Шинаҳо бошад ҳамчун унсури чандир моделсозӣ шудаанд:
\[ m_1\ddot{z}_1=-k_{t1}(z_1-z_{r1})-f_r \]
\[ m_2\ddot{z}_2=-k_{t2}(z_2-z_{r2})-f_l \]
\(z_{r1}\) ва \(z_{r2}\) вурудҳои баландии роҳ, \(k_{t1}\) ва \(k_{t2}\) сахтии амудии шинаҳо мебошанд. Дар таҳқиқот саҳми дампинги шина маҳдуд ҳисобида шуда, ба модел ворид карда нашудааст.
Дар модел кадом параметрҳои автомобил истифода шудаанд?
| Параметр | Модели Pitch | Модели Roll | Воҳид |
|---|---|---|---|
| Массаи кузов \(m_s\) | 500 | 500 | kg |
| Моменти инерсия \(I\) | 1200 | 200 | kg·m² |
| Массаи овезанашуда \(m_1,m_2\) | 25 | 25 | kg |
| Сахтии овеза \(k_{s1},k_{s2}\) | 18 | 18 | kN/m |
| Сахтии шина \(k_{t1},k_{t2}\) | 180 | 180 | kN/m |
| Коэффисиенти дампинг \(b_{s1},b_{s2}\) | 1 | 1 | kN·s/m |
| Масофаи маркази вазн \(a\) | 1,25 | 0,74 | m |
| Масофаи маркази вазн \(b\) | 1,51 | 0,74 | m |
| Баландии маркази вазн \(h\) | 0,70 | 0,70 | m |
Модели pitch нимавтомобили тӯлониро аз пеш ба қафо ва модели roll нимавтомобили паҳлуиро аз рост ба чап ифода мекунад. Аз ин рӯ, моменти инерсия ва масофаҳо аз маркази вазн то нуқтаҳои овеза дар ду модел фарқ мекунанд.
Чаро идоракунии интегралӣ илова карда шуд?
Яке аз навгониҳои муҳими таҳқиқот илова кардани се ҳолати интегралӣ ба state vector мебошад:
- интеграли хатои байни кунҷи воқеии roll/pitch ва кунҷи дилхоҳ,
- интеграли деформатсияи динамикии шинаи якум,
- интеграли деформатсияи динамикии шинаи дуюм.
Ин сохтор махсусан барои кам кардани хатои steady-state дар истинодҳои доимӣ ё оҳиста тағйирёбанда пешбинӣ шудааст. Муҳаққиқон қайд мекунанд, ки амали интегралӣ ҳам барои нигоҳ доштани ҳолати дилхоҳи кузов ва ҳам барои наздик кардани деформатсияи шина ба сифр ва бо ин роҳ беҳтар кардани устувории роҳ истифода шудааст.
Ҳамагӣ чанд тағйирёбандаи ҳолат истифода шуд?
State vector ҳамагӣ 13 ҳолат-ро дар бар мегирад. Онҳо аз мавқеъ ва суръати кузов, кунҷи roll/pitch-и кузов ва суръати кунҷӣ, деформатсияи динамикии ду шина ва суръатҳои чархҳо, мавқеи ду unsprung-mass ва се ҳолати интегралӣ иборатанд.
Вектори вуруди идоракунӣ:
\[ u= \begin{bmatrix} u_1 & u_2 & u_3 & u_4 \end{bmatrix}^{T} \]
мебошад. Ду ҷузъи аввал қувваҳои овезаи фаъол ва ду ҷузъи охир қувваҳои аэродинамикии фаъолро ифода мекунанд.
Кунҷи дилхоҳи кузов ҳангоми гардиш чӣ гуна муайян шуд?
Дар таҳқиқот барои кам кардани таъсири шитоби паҳлуӣ ба мусофир моил кардани автомобил ба даруни гардиш ҳадаф қарор дода шудааст. Дар Бахши 2.2 кунҷи дилхоҳи roll:
\[ m_sgh\sin\phi_d = m_s\frac{v^2}{R}h\cos\phi_d \]
ва:
\[ \phi_d= \arctan \left( \frac{v^2}{Rg} \right) \]
муайян карда мешавад. Дар ин ҷо \(v\) суръати автомобил, \(R\) радиуси гардиш, \(g\) шитоби ҷозиба ва \(\phi_d\) кунҷи дилхоҳи roll мебошад.
Бо вуҷуди ин, дар бахши минбаъдаи симулятсияи гардиш суръати 30 m/s, радиуси 200 m ва кунҷи ҳадафии roll-и 5° истифода мешавад; дар ҳамон бахш кунҷи steady-state roll инчунин:
\[ \phi_d(t)= \frac{m_s a_y h}{k_\phi} \]
дода мешавад. Таҳқиқот ба таври равшан шарҳ намедиҳад, ки ин ду таърифи гуногуни ҳадаф-roll дар кадом шароит ба ҷойи якдигар истифода мешаванд.
Чаро ба муодилаи pitch, ки барои тормозгирӣ дода шудааст, бояд диққат дод?
Дар бахши тормозгирӣ робитаи аввал шитоби тӯлониро ошкоро дар бар мегирад:
\[ m_sgh\sin\theta_d = m_s a_x h\cos\theta_d \]
Аммо фавран пас аз он дар манбаъ:
\[ \theta_d= \arctan \left( \frac{v^2}{Rg} \right) \]
навишта шудааст. Ифодаи дуюм бо муодилаи roll барои гардиш яксон аст ва бо вобастагии \(a_x\) дар ҳамон гурӯҳи муодилаҳо мутобиқат надорад. Дар ин матн муодила бидуни шарҳ тағйир дода нашудааст.
Қувваҳои инерсия ба нуқтаҳои овеза чӣ гуна тақсим мешаванд?
Ҳангоми гардиш бузургии қувваҳое, ки дар тарафи рост ва чап ба вуҷуд меоянд:
\[ f_{r1,2}= \left| \frac{m_s v^2}{R} \frac{h}{a+b} \right| \]
ва қувваҳое, ки ҳангоми тормозгирӣ ё суръатгирӣ дар пеш ва қафо ба вуҷуд меоянд:
\[ f_{p1,2}= \left| m_s a_x \frac{h}{a+b} \right| \]
муайян карда мешаванд. Ин қувваҳои баробар ва муқобил дар кузов моменти roll ё pitch ба вуҷуд меоранд.
Идоракунандаи оптималӣ чӣ гуна тарҳрезӣ шуд?
Идоракунанда дар модели state-space-и вақти пайваста бо равиши бозхӯрди пурраи ҳолат сохта шудааст:
\[ \dot{x}=Ax+Bu+D_1v+er \]
Дар ин ҷо \(x\) вектори ҳолат, \(u\) чор қувваи идоракунӣ, \(v\) халалҳои роҳ ва инерсия ва \(r\) кунҷи дилхоҳи roll ё pitch-ро ифода мекунад.
Қонуни идоракунии оптималӣ:
\[ u= -R^{-1} \left[ (B^TP+N_1^T)x+ M_{11}^Tv \right] + kr \]
дода шудааст. Матритсаи \(P\) аз ҳалли муодилаи алгебравии Riccati ба даст меояд.
Дар функсияи самаранокӣ кадом ҳадафҳо якҷоя оптимизатсия шудаанд?
Quadratic performance index ҳамзамон чандин меъёри динамикаи автомобилро ҷарима мекунад:
- шитоби heave-и кузов,
- шитоби кунҷии roll ё pitch,
- масофаи ҳаракати ду овеза,
- деформатсияи динамикии ду шина,
- интеграли хатои байни кунҷи воқеӣ ва дилхоҳи roll/pitch,
- интеграли деформатсияи ду шина,
- қувваҳои овезаи фаъол,
- қувваҳои аэродинамикии фаъол.
Ин сохтор ба ҷойи оптимизатсияи танҳо бароҳатии мусофир ё танҳо устувории роҳ ҳадафи ба вуҷуд овардани тавозуни чандмақсадаро дорад.
Коэффисиентҳои вазн чӣ гуна интихоб шуданд?
| Меъёри самаранокӣ | Коэффисиент | Арзиши дар манбаъ истифодашуда |
|---|---|---|
| Деформатсияи овеза | \(\rho_1\) | 10³ |
| Деформатсияи шина | \(\rho_2\) | 10⁴ |
| Интеграли хатои кунҷи roll/pitch | \(\rho_3\) | 10¹⁰ |
| Интеграли деформатсияи шина | \(\rho_4\) | 10¹⁰ |
| Қувваи актуатори ASS | \(\rho_5\) | 10⁻⁶ |
| Қувваи Airfoil | \(\rho_6\) | 10⁻⁶ |
Муҳаққиқон мегӯянд, ки ин коэффисиентҳо бо усули trial-and-error бо дарназардошти шароитҳое чун суръати автомобил, сатҳи роҳ, радиуси гардиш ва манёври ҳаракат танзим шудаанд. Оптимизатсияи системавии глобалии вазнҳо ё таҳлили ҳассосият гузориш нашудааст.
Симулятсия кадом фарзияҳои муҳимро дар бар мегирад?
Се фарзияи асосӣ мавҷуд аст, ки натиҷаҳои таҳқиқотро аз самаранокии воқеии автомобил ҷудо мекунад. Якум, ҳамаи тағйирёбандаҳои state, ки барои бозхӯрди пурраи ҳолат заруранд, дастрас ҳисобида шудаанд. Дуюм, ҳамаи қувваҳои овезаи фаъол ва аэродинамикӣ unconstrained, яъне бе сершавӣ ё маҳдудияти қувва моделсозӣ шудаанд. Сеюм, дар таҳлили гардиш динамикаи yaw ва кунҷи sideslip-и шина берун аз доираи модели нимавтомобил мондаанд.
Қувваи airfoil-и фаъол низ на бо динамикаи актуатори аэродинамикии дараҷаи баланд, балки бо вуруди хаттии соддакардашудаи қувва ифода шудааст. Муаллифон қайд мекунанд, ки динамикаи воқеитари қувваи дараҷаи якум ё дуюм метавонад таъхир ва ларзиш ба вуҷуд орад, вале дар ин таҳқиқоти ададӣ барои омӯхтани саҳми эҳтимолии идоракунӣ модели сода истифода шудааст.
Сенарияи якум: дар барҷастагии яктарафаи роҳ чӣ рӯй дод?
Барҷастагии роҳ ба чархи чап татбиқ шуда, вуруди шакли косинусӣ бо баландии 0,1 m дар фосилаи 1,25–1,40 сония истифода шудааст:
\[ z_{r1}(t)= A[1-\cos(20\pi(t-1.25))] \]
Дар ин ҷо \(A=0,1\) m аст.
Дар Расми 6 кунҷи roll, шитоби heave, шитоби кунҷии roll, деформатсияҳои овеза ва деформатсияҳои шина барои системаҳои ғайрифаъол, танҳо овезаи фаъол, танҳо airfoil ва овезаи фаъол + airfoil муқоиса мешаванд.
Муҳаққиқон гузориш медиҳанд, ки системаи муттаҳидаи пешниҳодшуда тавонистааст каҷшавии кунҷи roll-ро нисбат ба системаи ғайрифаъол тақрибан %99 кам кунад, шитоби heave-ро нисбат ба системаи ғайрифаъол тақрибан %84 ва нисбат ба танҳо овезаи фаъол тақрибан %14 беҳтар кунад ва дар шитоби кунҷии roll нисбат ба ду системаи асосӣ беш аз %90 беҳбудӣ диҳад.
Аз ҷиҳати деформатсияи шина дар ҳар ду чарх нисбат ба истиноди ғайрифаъол камшавии беш аз %90 ва дар баъзе меъёрҳо то %99 гузориш шудааст. Аммо ҳаракати овезаи тарафи рост аз системаи танҳо овезаи фаъол бадтар буд. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки ҳангоми беҳтар кардани устувории роҳ масофаи кории овеза ҳамеша дар ҳамон самт беҳтар намешавад.
Чаро танҳо airfoil-и фаъол кофӣ набуд?
Дар озмоиши барҷастагии роҳ системаи airfoil-only аз ҷиҳати шитоби heave ва деформатсияи шина самаранокии суст нишон медиҳад. Дар Ҷадвали 3 хеле баландтар аз истиноди ғайрифаъол гузориш шудани меъёри heave-и airfoil-only ва калон боқӣ мондани деформатсияҳои шина нишон медиҳад, ки қувваи аэродинамикӣ ҳаракати босуръати чархро, ки аз роҳ бармеояд, танҳо идора карда наметавонад.
Аз ин рӯ, хулосаи асосии таҳқиқот ин нест, ки аэродинамикаи фаъол ҷойи овезаро мегирад, балки он аст, ки ҳангоми истифода бо овезаи фаъол ҳадафҳои муайяни roll/pitch ва устувории роҳро пурра мекунад.
Сенарияи дуюм: гардиш чӣ гуна арзёбӣ шуд?
Дар сенарияи гардиш суръати автомобил 30 m/s, радиуси гардиш 200 m ва кунҷи ҳадафии roll, ки дар манбаъ истифода шудааст, 5° аст. Дар тарафи рост ва чап қувваҳои берунаи инерсияи баробар ва муқобили тақрибан 1064 N татбиқ шудаанд.
Дар Расми 8 системаи муттаҳидаи овезаи фаъол + airfoil кунҷи ҳадафии roll-и 5°-ро бо вақти болоравии кӯтоҳ ва аз ҳад гузариши хурд пайгирӣ мекунад. Системаи ғайрифаъол кунҷи ҳадафро пайгирӣ намекунад; ҳарчанд танҳо овезаи фаъол метавонад ҳадафро пайгирӣ кунад, нисбат ба системаи муттаҳидаи пешниҳодшуда сусттар ҷавоб медиҳад.
Дар графикҳои деформатсияи шина системаи муттаҳидаи дорои таъсири интегралӣ каҷшавии steady-state-ро ба таври назаррас кам мекунад, дар ҳоле ки дар системаҳои active-only ва airfoil-only деформатсияи доимии шина дида мешавад. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки беҳтар кардани танҳо яке аз ҳадафҳои идоракунии кунҷ ва road-holding кофӣ нест.
Сенарияи сеюм: ҳангоми тормозгирӣ чӣ ҳадаф буд?
Ҳангоми тормозгирӣ интиқоли бор ба меҳвари пеш боиси ба пеш фурӯ рафтани автомобил мешавад. Дар таҳқиқот идоракунанда барои кам кардани ин таъсир кузовро ба таври идорашаванда ба қафо моил карда, ҳолати anti-dive-ро эҷод кардааст.
Дар Расми 9 дида мешавад, ки ҳангоми пайгирии кунҷи ҳадафии pitch аз ҷониби системаи муттаҳида деформатсияҳои шина ба истинод наздик мемонанд. Дар сохтори airfoil-only, махсусан дар деформатсияи шина, каҷшавии калони steady-state мавҷуд аст. Дида мешавад, ки танҳо овезаи фаъол дар минтақаи кории овеза аз ҳад гузариш нишон медиҳад ва муҳаққиқон қайд мекунанд, ки ин метавонад аз ҷиҳати сохтори механикӣ номатлуб бошад.
Сенарияи чорум: ҳангоми суръатгирӣ чӣ ҳадаф буд?
Ҳангоми суръатгирии аввалия inertial load transfer ба меҳвари қафо мегузарад ва кузов ба қафо менишинад. Идоракунандаи пешниҳодшуда барои кам кардани ин рафтори squat автомобилро ба таври идорашаванда ба пеш моил мекунад.
Дар Расми 10 системаи муттаҳида траекторияи манфии дилхоҳи pitch-ро аз наздик пайгирӣ мекунад. Системаи ғайрифаъол танҳо ҷавоби маҳдуди pitch медиҳад, дар ҳолати airfoil-only бошад дар кунҷи pitch ва деформатсияҳои шина каҷшавиҳои steady-state дида мешаванд.
Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад
- Қувваҳои овезаи фаъол ва аэродинамикии фаъол дар як қонуни умумии идоракунии оптималии пурраи ҳолат якҷоя истифода шуда тавонистанд.
- Ҳолатҳои интегралии хатои кунҷи roll/pitch ва деформатсияи шина барои кам кардани каҷшавиҳои steady-state ба индекси самаранокӣ ворид карда шуданд.
- Дар симулятсияи барҷастагии яктарафаи роҳ системаи муттаҳида кунҷи roll ва шитоби кунҷии roll-ро нисбат ба системаҳои ғайрифаъол ва танҳо овезаи фаъол беш аз %90 кам кард.
- Дар ҳамон сенарияи барҷастагӣ шитоби heave нисбат ба системаи ғайрифаъол тақрибан %84 кам карда шуд.
- Беҳбудии деформатсияи динамикии шина дар баъзе муқоисаҳо то %99 расид.
- Дар симулятсияи гардиш системаи муттаҳида тавонист кунҷи ҳадафии roll-и 5°-ро, ки дар манбаъ истифода шудааст, пайгирӣ кунад ва хатои steady-state-и деформатсияи шинаро кам кунад.
- Ҳангоми тормозгирӣ ва суръатгирӣ ҳаракати идорашавандаи pitch ба самте истифода шуд, ки таъсири интиқоли бори тӯлонии моделро кам мекунад.
- Сохтори airfoil-only барои ҳамаи ҳадафҳо кофӣ набуд; ҳамкорӣ бо овезаи фаъол муҳим дониста шуд.
Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад ё насанҷидааст
- Нишон дода нашудааст, ки идоракунии пешниҳодшуда дар автомобили воқеӣ ҳамон самаранокиро таъмин мекунад.
- Озмоиши воқеии роҳ гузаронида нашудааст.
- Дар туннели бодӣ бо ин алгоритми идоракунӣ озмоиши боли фаъоли ҳалқаи пӯшида анҷом дода нашудааст.
- Сершавии актуаторҳои овезаи фаъол ва airfoil ба ҳисоб гирифта нашудааст.
- Таъхири servo ва рафтори воқеии аэродинамикии transient-и сатҳҳои фаъоли аэродинамикӣ моделсозӣ нашудааст.
- Динамикаи yaw ва кунҷи sideslip-и шина таҳқиқ нашудааст.
- Садои воқеии сенсор ё хатои state-estimation санҷида нашудааст.
- Истеъмоли воқеии нерӯи барқ чен карда нашудааст.
- Таъсири воқеии аэродинамикаи фаъол ба истеъмоли сӯзишворӣ ё масофаи ҳаракат чен карда нашудааст.
- Бехатарии rollover бо озмоиши воқеии автомобил тасдиқ нашудааст.
- Тафсири “dynamic safety”-и таҳқиқот ба меъёрҳои road-holding ва body-attitude дар симулятсия такя мекунад; он сертификатсияи физикии бехатарӣ нест.
Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот
Ҷараёни техникии системаи идоракунӣ
Verianla Live: Идоракунии муштараки овезаи фаъол ва боли фаъол чӣ гуна кор мекунад?
Ин раванд меъмории идоракунии таҳқиқотро ҷамъбаст мекунад. Ҷараён ба симулятсияи нимавтомобили дорои чор дараҷаи озодӣ тааллуқ дорад; он занҷири идоракунии вақти воқеӣ дар автомобили физикӣ нест.
| Марҳила | Шарҳ | Манбаъ |
|---|---|---|
| 1. Шароити ҳаракат | Сенарияи ҳаракати рост, гардиш, тормозгирӣ ё суръатгирӣ интихоб мешавад. | Бахши 3 ва Расми 5 |
| 2. Халали беруна | Вурудҳои баландии роҳ ва қувваҳои инерсияи паҳлуӣ/тӯлонӣ муайян мешаванд. | Муодилаҳои 10–12 |
| 3. Кунҷи ҳадафии кузов | Вобаста ба манёври интихобшуда кунҷи дилхоҳи roll ё pitch ҳамчун истинод ба система дода мешавад. | Бахшҳои 2.2–3 |
| 4. Модели 13-ҳолатаи автомобил | Кузов, чарх, деформатсияи шина ва ҳолатҳои хатои интегралӣ дар модели state-space якҷоя пайгирӣ мешаванд. | Муодилаҳои 5 ва 12 |
| 5. Ҳисоби идоракунии оптималӣ | Қонуни идоракунии бозхӯрди пурраи ҳолат, ки аз муодилаи Riccati ба даст омадааст, татбиқ мешавад. | Муодилаҳои 13–19 |
| 6. Овезаи фаъол | Қувваҳои u1 ва u2 динамикаи кузов–чархро дар нуқтаҳои овеза танзим мекунанд. | Муодилаҳои 3 ва 6 |
| 7. Аэродинамикаи фаъол | Қувваҳои u3 ва u4 дар кузов моменти иловагии roll/pitch ба вуҷуд меоранд. | Расмҳои 2–3 ва Муодилаҳои 1–2 |
| 8. Арзёбии самаранокӣ | Кунҷи кузов, шитобҳо, ҳаракати овеза ва деформатсияи динамикии шина якҷоя муқоиса мешаванд. | Расмҳои 6, 8, 9 ва 10 |
Вазнҳои индекси самаранокӣ
| Ҳадафи идоракунӣ | Вазн | Арзиш | Мақсад |
|---|---|---|---|
| Деформатсияи овеза | ρ1 | 10³ | Маҳдуд кардани масофаи кории ҳаракати овеза |
| Деформатсияи шина | ρ2 | 10⁴ | Кам кардани тағйирот дар тамоси шина–роҳ |
| Интеграли хатои кунҷи кузов | ρ3 | 10¹⁰ | Кам кардани хатои steady-state-и roll/pitch |
| Интеграли деформатсияи шина | ρ4 | 10¹⁰ | Кам кардани каҷшавии доимӣ дар деформатсияи динамикии шина |
| Қувваи идоракунии ASS | ρ5 | 10⁻⁶ | Ворид кардани вуруди идоракунии овезаи фаъол ба хароҷот |
| Қувваи идоракунии Airfoil | ρ6 | 10⁻⁶ | Ворид кардани вуруди идоракунии аэродинамикӣ ба хароҷот |
Натиҷаҳои нисбие, ки манбаъ дар шароити барҷастагии роҳ гузориш кардааст
Ҷадвали 3-и таҳқиқот системаи ғайрифаъолро дар ҳамаи сатрҳо ҳамчун истиноди 100% нишон медиҳад. Гарчанде сарлавҳаи ҷадвал онҳоро “mean squared values” меномад, гузариш байни MSE-и хом бо воҳидҳои физикӣ ва фоизи нормализатсияшударо алоҳида шарҳ намедиҳад. Аз ин рӯ, арзишҳои зер танҳо дар миқёси муқоисавии ғайрифаъол=100, ки дар манбаъ дода шудааст, нишон дода мешаванд; тағйирёбандаҳои физикии гуногун набояд ҳамчун як воҳиди мутлақи ягона тафсир шаванд.
Verianla Live: Самаранокии нисбии чор система дар барҷастагии роҳ
Арзиши пасттар нисбат ба истиноди ғайрифаъол=100, ки дар манбаъ истифода шудааст, бузургии ҷавоби пасттарро ифода мекунад. Бояд ба назар гирифта шавад, ки дар деформатсияҳои овеза арзиши пасттар дар ҳар ҳолат худ аз худ маънои самаранокии беҳтари умумии автомобилро надорад.
| Меъёри самаранокӣ | Овезаи фаъол + airfoil | Танҳо airfoil | Танҳо овезаи фаъол | Истиноди ғайрифаъол | Манбаъ |
|---|---|---|---|---|---|
| Шитоби кунҷии Roll | 0,38 | 0,53 | 12,82 | 100 | Ҷадвали 3 |
| Шитоби Heave | 15,12 | 2040 | 17,57 | 100 | Ҷадвали 3 |
| Кунҷи Roll | 0,0066 | 0,0137 | 0,0851 | 100 | Ҷадвали 3 |
| Деформатсияи шинаи чап | 3,61 | 96,88 | 40,47 | 100 | Ҷадвали 3 |
| Деформатсияи шинаи рост | 0,000179 | 908,99 | 96,00 | 100 | Ҷадвали 3 |
| Деформатсияи овезаи чап | 74,98 | 45,22 | 80,79 | 100 | Ҷадвали 3 |
| Деформатсияи овезаи рост | 216,71 | 464,52 | 9,64 | 100 | Ҷадвали 3 |
Муҳимтарин натиҷаи Ҷадвали 3 ин аст, ки гарчанде системаи фаъоли муттаҳида дар меъёрҳои вобаста ба roll ва тамоси шина–роҳ беҳбудии хеле қавӣ медиҳад, ҳамаи баромадҳои механикиро ҳамзамон кам намекунад. Аз системаи танҳо овезаи фаъол хеле калонтар будани деформатсияи овезаи рост равшантарин намунаи ин созиш мебошад.
Хулосаи чор сенарияи симулятсия
| Сенария | Халали асосӣ | Рафтори идорашавандаи кузов | Натиҷаи асосии манбаъ |
|---|---|---|---|
| Барҷастагии яктарафа | Вуруди баландии роҳ 0,1 m | Каҷшавии Roll ва ларзиш | Системаи муттаҳида roll, heave ва деформатсияи шинаро ба таври назаррас кам кард; дар ҳаракати овезаи рост созиш ба вуҷуд омад. |
| Гардиш | Қувваи инерсияи паҳлуӣ | Roll-и идорашаванда ба даруни гардиш | Системаи муттаҳида кунҷи ҳадафии roll-и 5°-ро зуд пайгирӣ карда, каҷшавии steady-state-и деформатсияи шинаро кам кард. |
| Тормозгирӣ | Қувваи манфии тӯлонӣ | Pitch ба қафо барои anti-dive | Сохтори муттаҳида рафтори ҳадафии pitch-ро пайгирӣ кард; дар ҳолати airfoil-only деформатсияи шина каҷшавии доимӣ нишон дод. |
| Суръатгирии аввалия | Қувваи мусбати инерсияи тӯлонӣ | Pitch ба пеш барои кам кардани squat | Системаи муттаҳида кунҷи ҳадафро пайгирӣ кард; системаи airfoil-only дар pitch ва устувории роҳ хатои steady-state нишон дод. |
Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот
- Идоракунии овеза ва аэродинамикаро дар як масъалаи ягонаи идоракунии оптималӣ мепайвандад.
- Пайгирии кунҷ ва деформатсияи шинаро дар як индекси самаранокӣ якҷоя арзёбӣ мекунад.
- Барои хатои steady-state-и кунҷ ва шина ҳолатҳои интегралиро истифода мебарад.
- Ба ҷойи як шароити ягонаи ҳаракат сенарияҳои барҷастагии роҳ, гардиш, тормозгирӣ ва суръатгириро муқоиса мекунад.
- Чор сохтор — ғайрифаъол, овезаи фаъол, airfoil-only ва системаи муттаҳида — дар ҳамон як модел муқоиса мешаванд.
- Дар Appendix A ҷузъҳои state-space ва матритсаи самаранокӣ ба таври муфассал дода шудаанд.
Маҳдудиятҳои асосии методологӣ
- Натиҷаҳо пурра ба симулятсияи компютерӣ асос ёфтаанд.
- Модел бо нимавтомобили дорои чор дараҷаи озодӣ маҳдуд аст.
- Динамикаи yaw ва tire sideslip вуҷуд надорад.
- Қувваҳои актуатор unconstrained қабул шудаанд.
- Динамикаи воқеии servo-и airfoil ва таъхири аэродинамикӣ моделсозӣ нашудаанд.
- Таъсири Drag аз нуқтаи назари динамикаи овеза сарфи назар шудааст.
- Weighting coefficients бо trial-and-error интихоб шудаанд.
- Сохтори воқеии сенсор/state-estimator санҷида нашудааст.
- Ғайрихаттии воқеии шина ва модели тамоси роҳ–шина муфассал нестанд.
- Озмоиши воқеии автомобил ё тасдиқи hardware-in-the-loop вуҷуд надорад.
- Формулаи ошкори pitch дар Муодилаи (9) бо робитаи шитоби тӯлонӣ дар ҳамон гурӯҳи муодилаҳо мувофиқат намекунад.
- Байни таърифҳои кунҷи ҳадаф-roll дар бахшҳои гардиш фарқи дар манбаъ шарҳнашуда мавҷуд аст.
- Усули нормализатсия байни сарлавҳаи “mean squared values”-и Ҷадвали 3 ва нишондиҳии ғайрифаъол=100 ба таври равшан муайян нашудааст.
Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул
Номи пурраи аслии таҳқиқот: Attitude Control of a Vehicle with Active Airfoil and Suspension Systems Using Integral Action for Body Angle and Tire Deflection
Муаллифон: Syed Babar Abbas ва Iljoong Youn.
Тартиби муаллифон: 1. Syed Babar Abbas; 2. Iljoong Youn.
Муаллифи масъул: Iljoong Youn.
Саҳми баробар/муаллифии якуми баробар: Дар манбаъ зикр нашудааст.
Муассиса: Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University, 501 Jinju-daero, Jinju 52828, Gyeongnam, Republic of Korea.
Маҷалла: Actuators.
Ношир: MDPI, Basel, Switzerland.
Маълумоти библиографӣ: Actuators 2026, 15, 317.
Пайванди расмии нашр:MDPI – Actuators 15(6), 317
Санаи нашр: 4 июни 2026. Таҳқиқот 13 марти 2026 қабул гардида, 29 апрели 2026 бознигарӣ шуда ва 1 июни 2026 барои нашр пазируфта шудааст.
Навъи манбаъ ва ҳолати тақриз: Мақолаи таҳқиқотии тақризшуда мебошад, ки дар маҷаллаи Actuators нашр шудааст. Кори илмӣ асосан ба моделсозии динамикаи автомобил ва симулятсияи идоракунӣ такя мекунад.
Иҷозатнома: Creative Commons Attribution (CC BY).
Муҳаррирони академӣ: Norman M. Wereley ва Keigo Watanabe.
Маблағгузорӣ: Таҳқиқот маблағгузории беруна нагирифтааст.
Кумитаи ахлоқ: Татбиқ намегардад.
Розигии огоҳона: Татбиқ намегардад.
Дастрасии маълумот: Муаллифон изҳор доштаанд, ки ҳамаи маълумот дар дохили мақола мавҷуд аст.
Ихтилофи манфиатҳо: Муаллифон изҳор доштаанд, ки ихтилофи манфиатҳо вуҷуд надорад.
Саҳми муаллифон: Syed Babar Abbas баррасии адабиётро анҷом дода, симулятсияҳои муфассалро иҷро карда ва тарҳи аввалро омода кардааст. Iljoong Youn стратегияи идоракуниро тарҳрезӣ карда, дар тасдиқи таҳқиқот ва симулятсияҳои MATLAB R2025b саҳм гузошта, мақоларо бозбинӣ намуда ва ба навишти техникӣ кӯмак кардааст.
Доираи илмӣ: Таҳқиқот қувваҳои овезаи фаъол ва аэродинамикии фаъолро дар модели нимавтомобили 4-DoF бо идоракунандаи ягонаи оптималии бозхӯрди пурраи ҳолат муттаҳид мекунад. Сенарияҳои барҷастагии роҳ, гардиш, тормозгирӣ ва суръатгирӣ бо симулятсияи компютерӣ арзёбӣ шудаанд.
Маҳдудияти тасдиқ дар ҷаҳони воқеӣ: Автомобили физикӣ, airfoil-и фаъоли воқеӣ, озмоиши роҳ, озмоиши ҳалқаи пӯшида дар туннели бодӣ ё озмоиши hardware-in-the-loop анҷом дода нашудааст. Муаллифон қайд мекунанд, ки тасдиқ бо таъсирҳои муфассали аэродинамикӣ, sensor robustness ва актуаторҳои пешрафта дар автомобили воқеӣ кори ояндаро талаб мекунад.
Маҳдудияти актуатор: Дар симулятсияи ададӣ қувваҳои актуаторҳои овезаи фаъол ва қувваҳои аэродинамикӣ unconstrained қабул шудаанд. Аз ин рӯ, дар ин таҳқиқот тасдиқ нашудааст, ки қувваҳои зарурӣ метавонанд аз ҷониби муҳаррики воқеӣ, овезаи гидравликӣ/электромеханикӣ ё системаи боли фаъол ҷисман тавлид шаванд.
Маҳдудияти модели аэродинамикӣ: Қувваҳои боли фаъол ҳамчун вурудҳои хаттии control-oriented моделсозӣ шудаанд. Динамикаи дараҷаи якум/дуюми рушди қувваи воқеии аэродинамикӣ, таъхири servo ва ларзишҳои эҳтимолӣ ба модели таҳқиқот ворид нашудаанд.
Номувофиқии муодила дар дохили манбаъ: Дар сатри якуми Муодилаи (9) кунҷи дилхоҳи pitch тавассути шитоби тӯлонии \(a_x\) муайян мешавад, аммо дар сатри дуюм \(\theta_d=\arctan(v^2/Rg)\) дода шудааст. Ин ифодаи дуюм бо робитаи гардиш/roll дар Муодилаи (8) яксон аст ва бо вобастагии \(a_x\) дар дохили ҳамон муодила мутобиқат надорад. Муодилаи манбаъ бидуни шарҳ ислоҳ карда нашудааст.
Ёддошт дар бораи кунҷи ҳадафии roll: Дар ҳоле ки Бахши 2.2 робитаи \(\arctan(v^2/Rg)\)-ро барои кунҷи roll медиҳад, дар симулятсияи гардиш дар суръати 30 m/s ва радиуси 200 m кунҷи ҳадафии roll-и 5° истифода шудааст ва дар Бахши 5.2 инчунин робитаи \(\phi_d=m_sa_yh/k_\phi\) муайян шудааст. Манбаъ робитаи байни ин ду равиши кунҷи ҳадафро ба таври равшан шарҳ намедиҳад.
Ёддошт оид ба нормализатсияи Ҷадвали 3: Гарчанде Ҷадвали 3 сарлавҳаи “mean squared values”-ро истифода мебарад, овезаи ғайрифаъол дар ҳамаи меъёрҳои самаранокӣ ҳамчун 100% нишон дода шудааст. Бо муодилаи равшан нишон дода нашудааст, ки рақамҳои дигар арзишҳои хоми MSE бо воҳидҳои физикӣ ҳастанд ё нишондиҳандаҳои нисбат ба ҳолати ғайрифаъол нормализатсияшуда. Аз ин рӯ, дар мундариҷаи Verianla ин арзишҳо ҳамчун муқоисаҳои нисбӣ дар миқёси манбаъии ғайрифаъол=100 пешниҳод шудаанд.
Маҳдудияти муҳтавои илмӣ: Усул, муодилаҳо, арзишҳои самаранокӣ ва тафсирҳои натиҷа дар ин муҳтавои Verianla ба таҳқиқоти баррасишуда асос ёфтаанд. Манбаи беруна танҳо барои тасдиқи ҳувияти библиографии мақола ва ҳолати нашри маҷалла истифода шудааст; аз берун натиҷаи нави динамикаи автомобил, самаранокии таҷрибавӣ ё бехатарӣ илова нашудааст.
Шарҳ гузоред
Нишонии почтаи электронии шумо нашр намешавад. Майдонҳои ҳатмӣ бо * нишон дода шудаанд