طراحی یک کنترل مدل پیش بین برای خودروی مفصلی سنگین هنگام انجام مانور تعویض خط بحرانی

نوع مقاله: گرایش دینامیک،ارتعاشات و کنترل

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران

2 گروه طراحی جامدات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران

3 گروه خودرو، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

چکیده

این پژوهش یک کنترل فرمان فعال به‌منظور هدایت یک خودروی مفصلی سنگین در هنگام انجام مانور تعویض خط هوشمند با سرعت بالا و با هدف اجتناب از برخورد با موانع را ارائه می دهد. برای این منظور، پس از ایجاد یک مدل ساده شده از خودروی مفصلی در نرم‌افزار متلب، به طراحی سه کنترل کننده مدل پیش بین (MPC)، بهینه خطی انتگرالی (LQI) و همچنین PID دو درجه آزادی برای سیستم فرمان محور جلوی واحد کشنده پرداخته شده است. در این راستا، قیود مرتبط با پایداری جانبی خودرو با استفاده از زوایای لغزش دو واحد کشنده و نیم-تریلر و همچنین زاویه مفصل مرجع برای مسیر حرکت خودرو تعریف شده و پایداری آن در هنگام حرکت بر روی جاده‌های خشک و لغزنده بررسی شده است. سپس عملکرد سیستم های کنترلی ارائه شده برای دو سناریوی متفاوت، یعنی یک، وجود یک مانع در مسیر در جاده خشک و دیگری همان شرایط در جاده لغزنده، با شبیه‌سازی همزمان توسط دو نرم افزار متلب و تراک سیم مطالعه گردیده است. در ادامه جهت بهینه سازی ضرایب کنترل کننده‌ها، آزمون‌های مختلفی در نرم افزار تراک سیم تعریف و اجرا شده و با استفاده از یک روش هوشمند ضرایب بهینه بدست آمده است. در پایان، با مقایسه عملکرد سه سیستم کنترل کننده، و نقاط ضعف و قوت آن ها مورد بحث قرار گرفت. نتیجه این مقایسه نشان دهنده برتری کنترل کننده مدل پیش بین برای این منظور می باشد.

کلیدواژه‌ها


  1. Elhemly, M.A.E., Fayed, M.A.A., and Elmaihy, A.A.E. “Tractor–Semitrailer Jackknifing Elimination Using Semitrailer Differential Braking Technique”, International Journal of Heavy Vehicle Systems, Vol. 20, No. 1, pp. 19-34, 2013.##
  2. Yang, X., and Xiong, J. “Nonlinear Yaw Dynamics Analysis and Control for The Tractor-Semitrailer Vehicle”, International Journal of Heavy Vehicle Systems, Vol. 20, No. 3, pp. 253-88, 2013.##
  3. Tabatabaei Oreh, S. H., Kazemi, R., and Azadi, S. “A Sliding-Mode Controller for Directional Control of Articulated Heavy Vehicles”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol. 22, No. 3, pp. 45-62, 2014.##
  4. Tabatabaei Oreh, S. H., Kazemi, R., and Azadi, S. “A New Method for Off-Tracking Eliminating in a Tractor Semi-Trailer”, International Journal of Heavy Vehicle Systems, Vol 23, No. 2, pp.07-30, 2016.##
  5. Yang, X., Song, J., and Gao, J. “Fuzzy Logic Based Control of the Lateral Stability of Tractor Semitrailer Vehicle”, Mathematical Problems in Engineering, 2015.##
  6. Saeedi. M. A., Kazemi, R., and Azadi, S. “Transient Dynamic Analysis of an Articulated Vehicle Carrying Liquid Compared with the Rigid Cargo Vehicle”, Aerospace Mechanics Journal, Vol. 13, No. 2, pp. 49-64, 2016, (in Persian).##
  7. Saeedi, M. A., Kazemi, R., and Azadi, S. “A New Robust Controller to Improve the Lateral Dynamic of an Articulated Vehicle Carrying Liquid”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part K: Journal of Multi-body Dynamics, Vol. 231, No. 2, pp.295-315, 2017.##
  8. Saeedi, M. A., Kazemi, R., and Azadi, S. “Improvement in the Rollover Stability of a Liquid-Carrying Articulated Vehicle Via a New Robust Controller”,  Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol. 231, No. 3, pp. 322-346, 2017.##
  9. Kazemi, R., Azadi, S., Esmaeilii, N., and Tabatabaei Oreh, S. H. “Directional Stability Analysis of the Articulated Vehicle Based on Phase Plane”, Modares Mechanical Engineering, Vol. 15, No. 2, pp. 124-134, 2015, (in Persian).##
  10. Esmaeili, N., Kazemi, R., and Tabatabaei Oreh, S. H. “Increase the Stability of an Articulated Long Vehicle by Active Disturbance Rejection Backstepping Sliding Mode Control Method”, Modares Mechanical Engineering, Vol. 18, No. 04, pp. 253-264, 2018, (in Persian).##
  11. Esmaeili, N., Kazemi, R., and Tabatabaei Oreh, S. H. “An Adaptive Sliding Mode Controller for the Lateral Control of Articulated Long Vehicles”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part K: Journal of Multi-body Dynamics, Vol. 233, No. 3, pp. 487-515, 2019.##
  12. Sikder, T. “Design of Active Trailer Steering Systems for Long Combination Vehicles Using Robust Control Techniques”, Master Thesis, University of Ontario Institute of Technology, Faculty of Engineering, 2017.##
  13. Ni, Z. “Design and Validation of High Speed Active Trailer Steering System for Articulated Heavy Vehicle”, Master Thesis, University of Ontario Institute of Technology, Faculty of Engineering, 2016.##
  14. Brown, J., He, Y., and Lang, H. “Modeling and Control Design for Active Trailer Steering of Heavy Vehicles”, ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2017.##
  15. Abroshan, M., Taiebat, M., Goodarzi, A., and Khajepour, A. “Automatic Steering Control in Tractor Semi-Trailer Vehicles for Low-Speed Maneuverability Enhancement”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part K: Journal of Multi-body Dynamics, Vol. 231, No. 1, pp. 83-102, Mar 2017.
  16. Shojaei, S., Rahmani Hanzaki, A., Azadi, S., and Saeedi, M. A. “Design of Decision-Making Lane Change Algorithm of Truck-Semitrailer in Real Dynamic Environment”, Modares Mechanical Engineering, Vol. 15, No. 9, pp. 51-60, 2017, (In Persian).##
  17. Shojaei, S., Rahmani Hanzaki, A., Azadi, S., and Saeedi, M. A. “A Novel Decision-Making Unit for Automated Maneuver of Articulated Vehicles in Real Traffic Situations”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2019.##
  18. Mechanical Simulation Corporation (MSC), TruckSim 8.1 Reference Manual, February, 1999.##
  19. Adar, N. G., and Kozan, R. “Comparison between Real Time PID and 2-DOF PID Controller for 6-DO Robot Arm”, 2nd International Conference on Computational and Experimental Science and Engineering (ICCESEN), Vol. 130, No 1, pp.269-271, 2016.##
  20. Kennedy, J., and Eberhart, R. “Particle Swarm Optimization (PSO)”, In Proc. IEEE International Conference on Neural Networks, Perth, Australia, Vol. 4, No. 1, pp.1942-1948, 1995.##
  21. Wang, L. “Model Predictive Control System Design and Implementation Using MATLAB”, Springer Science & Business Media, Berlin, Germany, 2009.##
  22. Wang, Q., Oya, M., Takagi, N., Taira, Y., and Ota, H. “Adaptive Steering Controller to Improve Handling Stability for Driver-Combined-Vehicles System”,  In Computational Intelligence in Robotics and Automation (CIRA), IEEE, pp. 409-414, 2009.##
  23. Chandrasekharan, S., “Development of a Tractor – Semitrailer Roll Stability Control Model”, Master Thesis, Ohio State University, Faculty of Engineering, 2007.##
Walus, K. J., and Olszewski, Z. “Analysis of Tire-Road Contact under Winter Conditions”, In Proceedings of the World Congress on Engineering, London, U.K, 2011.##