سیستم فرمان سیمی (SBW) چیست؟

سیستم فرمان سیمی (SBW) سیستمی است که به‌جای استفاده از اتصالات مکانیکی مستقیم بین فرمان و چرخ‌های جلو، از سیستم‌های الکترونیکی و سیگنال‌های دیجیتالی برای انتقال فرمان راننده به چرخ‌ها استفاده می‌کند. در این سیستم، وقتی راننده فرمان را می‌چرخاند، حسگرها این حرکت را به سیگنال الکتریکی تبدیل کرده و به یک واحد کنترل مرکزی ارسال می‌کنند. این واحد، سیگنال‌ها را پردازش کرده و به موتورهای الکتریکی روی چرخ‌ها فرمان می‌دهد تا زاویه چرخ‌ها را مطابق با زاویه فرمان تنظیم کنند.

مزایای کلیدی این سیستم شامل موارد زیر است:

• کاهش وزن خودرو: حذف اجزای مکانیکی مثل ستون فرمان باعث کاهش وزن می‌شود که در نتیجه باعث بهبود مصرف سوخت می‌شود.
• کاهش لرزش‌ها و ارتعاشات: با حذف ستون مکانیکی، لرزش‌های جاده مستقیماً به فرمان منتقل نمی‌شوند و تجربه رانندگی بهتری فراهم می‌شود.
• امکان طراحی فرمان‌های خودکار و هوشمند: SBW زیرساخت مناسبی برای خودروهای خودران و سیستم‌های پیشرفته رانندگی فراهم می‌کند.

خلاصه مقاله مرجع

مقاله مرجع با عنوان “The Vehicle Steer-By-Wire Control System by Implementing PID Controller” به بررسی توسعه و به‌کارگیری کنترلر PID برای کنترل جهت و هماهنگی چرخ‌های سیستم فرمان سیمی (SBW) می‌پردازد. سیستم SBW به دلیل حذف کامل اجزای مکانیکی میان فرمان و چرخ‌های جلو، چالش‌های کنترلی بسیاری به همراه دارد؛ از جمله کنترل دقیق جهت و هماهنگی چرخ‌ها. در این مقاله، دو کنترلر PID به‌منظور کنترل زاویه فرمان و زاویه چرخ‌ها طراحی شده‌اند. پارامترهای PID با استفاده از روش زیگلر-نیکولز تنظیم شده و شبیه‌سازی‌های انجام‌شده در محیط Matlab/Simulink، عملکرد این کنترلرها را در پیگیری ورودی‌های مختلف و تحمل اغتشاشات نشان می‌دهند.

اهمیت مدل‌سازی سیستم فرمان سیمی (SBW)

سیستم فرمان سیمی (Steer-By-Wire یا SBW) یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های کنترل فرمان در خودروها است که در آن تمامی اتصالات مکانیکی میان فرمان و چرخ‌های جلو حذف شده و جای خود را به سیگنال‌های الکترونیکی می‌دهد. این تکنولوژی امکان کنترل دقیق‌تر، انعطاف‌پذیری بالاتر در طراحی و بهبود ایمنی خودرو را فراهم می‌کند. با توجه به اینکه فرمان‌دهی الکترونیکی با کاهش وزن و نیاز کمتر به اجزای مکانیکی همراه است، این سیستم‌ها به طور گسترده در خودروهای مدرن و خودران به‌کار می‌روند.

سیستم‌های فرمان سیمی می‌توانند ارتعاشات و ضربات ناشی از جاده را کاهش دهند و امکان طراحی‌های جدیدی مانند فرمان‌دهی خودکار و استفاده در خودروهای بدون راننده را میسر کنند. مدل‌سازی و شبیه‌سازی سیستم SBW اهمیت بالایی در درک عملکرد آن دارد و برای توسعه‌دهندگان، مهندسین و محققین در صنعت خودروسازی به‌عنوان ابزاری ارزشمند در طراحی، آزمایش و بهینه‌سازی سیستم‌های فرمان مدرن به شمار می‌رود.

کارهای انجام شده برای مدل‌سازی سیستم SBW

این مدل‌سازی با استفاده از داده‌های مقاله مرجع و با بهره‌گیری از کنترلر PID بهینه شده انجام شده است. مراحل اصلی مدل‌سازی به شرح زیر است:

1. مدل‌سازی دینامیکی سیستم فرمان سیمی: با استفاده از معادلات دینامیکی و قوانین نیوتن، یک مدل ریاضی برای سیستم SBW طراحی شده است. در این مدل، گشتاور ورودی راننده به عنوان ورودی سیستم و زاویه چرخ‌ها به عنوان خروجی در نظر گرفته شده است. این مدل، دینامیک حرکت فرمان و انتقال نیرو به چرخ‌ها را با در نظر گرفتن پارامترهایی همچون اصطکاک، ممان اینرسی و واکنش سیستم توصیف می‌کند.

2. طراحی و پیاده‌سازی کنترلر PID: برای کنترل و هماهنگی بین زاویه فرمان و زاویه چرخ‌ها، از دو کنترلر PID استفاده شده است. یکی از کنترلرها برای تنظیم زاویه فرمان و دیگری برای هماهنگی زاویه چرخ‌ها طراحی شده است. پارامترهای PID با استفاده از روش زیگلر-نیکولز تنظیم شده‌اند تا بهترین عملکرد را از نظر پایداری، دقت و پاسخ‌دهی ارائه دهند.

3. پیاده‌سازی مدل در نرم‌افزار متلب-سیمولینک: کل مدل در محیط متلب-سیمولینک پیاده‌سازی شده که یک محیط استاندارد برای شبیه‌سازی و تحلیل سیستم‌های دینامیکی به‌شمار می‌آید. با استفاده از بلوک‌های موجود در سیمولینک، مدل‌سازی دقیق سیستم و اجرای شبیه‌سازی‌های مختلف انجام شده است.

صحه‌گذاری و اعتبارسنجی مدل

برای اطمینان از صحت مدل و بررسی دقت عملکرد کنترلر PID، شبیه‌سازی‌هایی در شرایط مختلف انجام شده است:

• ورودی پلکانی (Step Input): این ورودی برای بررسی توانایی سیستم در پیگیری تغییرات ناگهانی و دستیابی سریع به زاویه هدف اعمال شده است. نتایج نشان می‌دهند که سیستم با خطای حالت ماندگار صفر و زمان تنظیم کوتاه به زاویه هدف می‌رسد و هیچ نوسان ناخواسته‌ای ندارد.

• ورودی سینوسی (Sinusoidal Input): این ورودی برای بررسی پایداری سیستم در شرایط نوسانی و پیگیری ورودی‌های متناوب مورد استفاده قرار گرفته است. مدل به‌خوبی قادر به پیگیری این ورودی با خطای کم و تأخیر ناچیز بوده و نشان می‌دهد که کنترلر PID توانایی کنترل مناسب در شرایط نوسانی را دارد.

• بررسی مقاومت در برابر اغتشاشات: برای بررسی تحمل سیستم در برابر اغتشاشات و تغییرات ناگهانی در جاده، پارامترهای اختلال مانند گشتاور تصادفی و اصطکاک به سیستم اعمال شده‌اند. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که سیستم با کنترلر PID قادر به مقابله با این اغتشاشات است و پایداری و هماهنگی بین زاویه فرمان و زاویه چرخ‌ها حفظ می‌شود.

نتایج خروجی

نتایج شبیه‌سازی‌های انجام شده نشان می‌دهند که سیستم فرمان سیمی با کنترلر PID دارای ویژگی‌های زیر است:

• دقت پیگیری ورودی‌های راننده: کنترلر PID به سیستم امکان می‌دهد تا با دقت بالا و خطای حالت ماندگار نزدیک به صفر ورودی‌های راننده را دنبال کند.
• پایداری در برابر اغتشاشات و تغییرات ناگهانی: مدل به‌خوبی می‌تواند تغییرات ناگهانی و اختلالات جاده‌ای را کنترل کند و از پایداری و تعادل چرخ‌ها اطمینان حاصل کند.
• پاسخ سریع و بدون نوسان: تنظیم بهینه پارامترهای PID موجب شده تا سیستم با زمان تنظیم کوتاه و بدون نوسان به ورودی‌ها پاسخ دهد.

ویژگی‌های محصول

این محصول دارای ویژگی‌های منحصربه‌فردی است که آن را به گزینه‌ای عالی برای آموزش و پژوهش تبدیل می‌کند:

• مدل‌سازی دقیق و مبتنی بر داده‌های واقعی: مدل SBW با استفاده از معادلات دقیق دینامیکی و داده‌های به‌دست‌آمده از مقاله مرجع طراحی شده است.
• کنترلر PID بهینه‌شده: با بهره‌گیری از روش زیگلر-نیکولز، پارامترهای کنترلر PID بهینه شده‌اند تا بهترین عملکرد سیستم تضمین شود.
• قابلیت شبیه‌سازی در شرایط مختلف جاده‌ای و ورودی‌های مختلف: این مدل می‌تواند انواع ورودی‌ها (پلکانی، سینوسی) و اغتشاشات را شبیه‌سازی کرده و عملکرد سیستم را در این شرایط بررسی کند.
• کاربرد آموزشی و پژوهشی: این محصول برای دانشجویان، محققان و مهندسین