Συμβολή στην δυναμική των τροχοφόρων οχημάτων - Σύγκριση δυναμικής οχήματος με ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου ευστάθειας (ESC) και οχήματος με σύστημα τετραδιεύθυνσης (4WS)

Abstract

Στη παρούσα Διδακτορική Διατριβή, πραγματοποιήθηκε σύγκριση και αξιολόγηση της δυναμικής δύο συστημάτων ελέγχου της δυναμικής τροχοφόρων οχημάτων, του συστήματος Ηλεκτρονικού Ελέγχου Ευστάθειας (ESC) και του συστήματος Τετραδιεύθυνσης (4WS), σε δοκιμές ανοιχτού και κλειστού βρόγχου. Η προσομοίωση των δοκιμών, έγινε με την χρήση μοντέλου 10 βαθμών ελευθερίας για τον υπολογισμό της κίνησης του οχήματος και μοντέλου Magic Formula, για τον υπολογισμό των δυνάμεων, που αναπτύσσουν οι ελαστικοφόροι τροχοί. Επίσης ενσωματώθηκαν στο μοντέλο, υποσυστήματα του οχήματος, τα όποια είναι αναγκαία για την προσομοίωση των συστημάτων ελέγχου του οχήματος. Για τις ανάγκες ελέγχου του οχήματος, στις δοκιμές κλειστού βρόγχου, αναπτύχθηκε μοντέλο οδηγού, το οποίο είναι ικανό να ελέγξει δυναμικά τη διαμήκη ταχύτητα και την εγκάρσια θέση του οχήματος, ώστε το όχημα να ακολουθήσει μια επιθυμητή διαδρομή. Η υλοποίηση του συστήματος Ηλεκτρονικού Ελέγχου Ευστάθειας (ESC) έγινε με βάση της διαθέσιμη βιβλιογραφία που αφορά το εμπορικό σύστημα ESP της εταιρείας Bosch. Το ESC εφαρμόζει ροπή πέδησης σε ένα τροχό, έτσι ώστε να αναπτυχθεί η κατάλληλη ροπή εκτροπής και να ελεγχθεί η κίνηση του οχήματος με βάση τις επιθυμίες του οδηγού. Το σύστημα Τετραδιεύθυνσης (4WS) αποτελείται από δύο ελεγκτές για τον υπολογισμό της γωνία διευθύνσεως των οπίσθιων τροχών. Ο πρώτος ελεγκτής είναι κλειστού βρόγχου, στον οποίο χρησιμοποιήσαμε την απόκλιση της επιθυμητής από τον οδηγό κατάστασης του οχήματος, σε σχέση με την πραγματική κατάσταση του οχήματος, όπως υπολογίζεται για τις ανάγκες του συστήματος ESC. Ο δεύτερος ελεγκτής είναι ανοιχτού βρόγχου και υπολογίζει τη γωνία διευθύνσεως των οπίσθιων τροχών ως γραμμική συνάρτηση της γωνίας διευθύνσεως των εμπρός τροχών και του ρυθμού μεταβολή αυτής. Η επιλογή των παραμέτρων του μοντέλου οδηγού και των συστημάτων ελέγχου του οχήματος (ESC και 4WS), δεν είναι δυνατή να γίνει με αναλυτικές μεθόδους, λόγω της μη γραμμικής φύσεως του δυναμικού συστήματος. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε αλγόριθμός παραμετρικής βελτιστοποίησης εξελικτικού τύπου για την επιλογή του βέλτιστου διανύσματος παραμέτρων. Η υλοποίηση και επίλυση των μοντέλων προσομοίωσης του οχήματος, πραγματοποιήθηκε σε λογισμικό Simulink και αναπτύχθηκε κώδικας παράλληλης επεξεργασίας, ώστε να γίνει δυνατή η εκμετάλλευση των πολλαπλών πυρήνων των σύγχρονων επεξεργαστών. Πραγματοποιήθηκε προσομοίωση δύο δοκιμών ανοιχτού βρόγχου και συγκεκριμένα με διέγερση βαθμίδος και με ημιτονοειδή διέγερση (ISO7401) και τριών δοκιμών κλειστού βρόγχου και συγκεκριμένα, σε στροφές με σταθερή ακτίνα καμπυλότητας, σε δοκιμή αποφυγής εμποδίου (ISO3888) και σε πραγματική διαδρομή (αυτοκινητοδρόμιο "Enzo e Dino Ferrari" - Imola). Σύμφωνα με την αξιολόγηση, μέσω της αντικειμενικής συνάρτησης, το σύστημα τετραδιεύθυνσης (4WS) απέδωσε καλύτερα στις δοκιμές ανοιχτού βρόγχου, ενώ το σύστημα ελέγχου ηλεκτρονικής ευστάθειας (ESC), υπερείχε στις δοκιμές κλειστού βρόγχου. Και στις δύο περιπτώσεις, το όχημα το όποιο ήταν εξοπλισμένο και με σύστημα τετραδιεύθυνσης (4WS) και με σύστημα ελέγχου ηλεκτρονικής ευστάθειας (ESC), υπερείχε των οχημάτων τα οποία ήταν εξοπλισμένα, μόνο με ένα από τα δύο συστήματα. Η συνεργασία του συστήματος τετραδιεύθυνσης (4WS) και του συστήματος ελέγχου ηλεκτρονικής ευστάθειας (ESC), και πιθανώς και άλλων συστημάτων ελέγχου, σε ένα ολοκληρωμένο σύστημα διαχείρισης της δυναμικής του οχήματος, αποτελεί ένα σημαντικό πεδίο μελλοντικής έρευνας, ώστε να επιτευχθεί περαιτέρω βελτίωση της ενεργητικής ασφάλειας του αυτοκινήτου.

In the present thesis, we compared and evaluated the dynamics of two active systems that control vehicle dynamics, Electronic Stability Control (ESC) and Four-Wheel Steering (4WS), in open and closed-loop tests. The simulation of the tests, was performed with the use of a 10 DOF model, for the calculation of vehicle motion and the Magic Formula tyre model, for the calculation of the forces induced by the tyres. Also the necessary subsystems of the vehicle were included in the simulation model, In order to control the vehicle, during the closed-loop tests, a comprehensive driver model was developed, that is capable of controlling the longitudinal velocity and the lateral position and heading of the vehicle, so that the vehicle can follow a predefined trajectory. Electronic Stability Control (ESC) was implemented by using the available data on the algorithm used by commercial ESP system of Bosch. ESC applies braking torque on a single wheel of the vehicle in order to induce additional yaw moment and control the vehicle's motion according to the desire of the driver. Four-Wheel Steering (4WS) is comprised of two controllers for the calculation of the steering angle of rear wheels. The first controller is an open-loop proportional controller based on the steering wheel angle and the second one a closed-loop controller based on the deviation of the vehicle from the desired state of the vehicle, that is calculated in the same way as in the case of ESC. The analytical estimation of the operating parameters of the driver model and the control systems (ESC-4WS) is not possible, due to the non-linearity of the dynamic system and the parameters were selected with the use of a genetic algorithm for parametric optimization. The simulation of the model was performed with the use of Simulink software and optimization code with parallel processing capabilities was developed, in order to fully utilize modern multi-core central processors. We performed simulation of two open-loop tests and specifically step and sinusoidal input (ISO7401) and three closed-loop tests and specifically, corners with fixed curvature, obstacle avoidance test (ISO3888) and a real path (racing track "Enzo e Dino Ferrari" - Imola). According to the evaluation of the control systems, with the use of a penalty function, in the open loop test, the 4WS only vehicle has shown a better behaviour than the ESC only vehicle, whereas in the closed loop tests, the ESC only vehicle has achieved better results. The vehicle equipped with a combination of ESC and 4WS has achieved consistently better results in all our tests. The cooperation of Four-Wheel Steering (4WS) and Electronic Stability Control (ESC) and possibly other active control systems, in an integrated vehicle dynamics management system, is an important field for future research, in order to improve active safety of automobiles.