obr

Hlavným cieľom bezpečnosti cestnej premávky je ochrana zdravia a života posádky vozidla, prípadne minimalizovanie následkov nehody. Na dosiahnutie tohto cieľa sa vo vozidlách aplikujú rôzne bezpečnostné prvky. V zásade ich delíme do dvoch skupín – aktívne a pasívne prvky bezpečnosti.

 

 

Medzi najvýznamnejšie prvky aktívnej bezpečnosti patrí brzdný systém vozidla, ktorý sa pokladá za najdôležitejší systém vo vozidle. Bezpečné zastavenie alebo spomalenie vozidla je jedným zo spôsobov, ako je možné zabrániť dopravnej nehode. [3, 4] Z tohto dôvodu sa tento článok zaoberá návrhom vylepšenia klasického ABS systému vozidla a jeho zdokonalením zavedením prvkov umelej inteligencie, v tomto prípade zavedením Fuzzy regulátora.

Pre splnenie tohto cieľa bola použitá kombinácia dvoch simulačných nástrojov MATLAB/Simulink a program CarSim, ktorý ponúka podrobné nastavenie parametrov vozidla a simuláciu v rôznych prostrediach. Vhodným nastavením a pripojením sa k iným programom ponúka možnosti testu správania sa vozidla v reálnom čase.

ANTIBLOKOVACÍ SYSTÉM VOZIDLA (ABS) A KLASICKÝ SYSTÉM ABS

Základný model riadenia klasického systému ABS sa skladá z ABS regulátora – ABS Controller, a z akčného člena regulácie brzdného tlaku – Brake Actuator Model. Schéma modelu tohto systému je zobrazená na obr.1.

obr1

Vstupom do ABS regulátora je rýchlosť vozidla a rýchlosť jednotlivých kolies. V regulátore sú spracované tieto rýchlosti a vyhodnocuje sa sklz. Výstupom z regulátora sú hodnoty od -1 do 1 v závislosti na rýchlosti a sklze. Pre zadné kolesá je to menšia hodnota z vypočítaných hodnôt.

Vstupom do regulátora brzdného tlaku je výstup z regulátora ABS, t. j. hodnoty -1 až 1 pre každé koleso a tlak brzdnej kvapaliny z rozdeľovača tlaku, ktorý vzniká stlačením brzdového pedálu. Váhy regulácie pre zadné kolesá sú nastavené na hodnotu 0,4, pretože pri brzdení sa ťažisko vozidla prenesie dopredu a zadné kolesá sa odľahčia. Plný brzdný tlak dodaný pre zadné kolesá spôsobí zablokovanie týchto kolies, a následne neovládateľnosť vozidla. Ak príde signál 1 (sklz je menší ako 0, 05) do regulátora na výstup bude dodaný plný brzdný tlak. V prípade hodnoty signálu 0 (sklz sa pohybuje  medzi 0,05 a 0,2) brzdný tlak sa preruší. Hodnota -1 (sklz je väčší ako 0,2) znamená dodanie záporného tlaku, t. j. koleso sa odbrzďuje.

NÁVRH FUZZY RIADENIA ABS

Štruktúra Fuzzy ABS systému pozostáva z regulátora rýchlosti, Fuzzy regulátora a rozdeľovača brzdného tlaku. Schéma modelu tohto systému je zobrazená na obr. 2.

obr2

Vstupom do regulátora rýchlosti je rýchlosť vozidla a rýchlosti jednotlivých kolies. Výstupom z regulátora je rýchlosť vozidla ošetrená o konštantu, ktorá normuje rýchlosť pre vstupnú hodnotu do Fuzzy regulátora. Druhým výstupom je podiel rýchlosti kolesa a rýchlosti vozidla. Podielom rýchlosti vozidla a rýchlosti kolies dosiahneme rozsah hodnôt od 0 do 1. Kde hodnota 0 predstavuje odblokované koleso (sklz 0) a 1 predstavuje úplné zablokované koleso (sklz 1).

Vstupom do Fuzzy regulátora je upravená rýchlosť vozidla a rýchlosti kolies. Odozva regulátora závisí na základe rozhodovacích pravidiel a na základe dát. Výstupná hodnota z Fuzzy regulátora je rozsah od -1 do 1. Hodnota 1 predstavuje plný brzdný tlak dodávaný pre kolesá, hodnota -1 dodávanie záporného tlaku, čo znamená, že koleso sa odbrzďuje.

Rozhodovacie pravidlá pre nastavenie Fuzzy regulátora sú v tabuľke 1 a graf závislosti medzi rýchlosťou vozidla, podielom rýchlosti kolies a vozidla a výsledným tlakom je na obr. 3.

tab1
obr3

Vstupom do rozdeľovača je vypočítaný tlak z Fuzzy regulátora ohraničený hornou hodnotu 15 MPa a tlakom z rozdeľovača bŕzd vozidla. Modul zisťuje, či bol stlačený brzdový pedál, čo sa prejaví nárastom tlaku z rozdeľovača.

SIMULAČNÉ VÝSLEDKY

Na otestovanie navrhnutého Fuzzy riadenia bolo nasimulované vozidlo vyššej strednej triedy s nezávislým zavesením kolies pri dvoch rôznych situáciách, a to nasledujúcimi testami:

• Test na kombinovanom povrchu

• Test slalomu na povrchu s nízkou priľnavosťou

Výsledky jednotlivých testov sú zobrazené nižšie.

TEST NA KOMBINOVANOM POVRCHU

Test bol vykonaný na rovnej vozovke s rôznou hodnotou priľnavosti pri rýchlosti vozidla 130 km/h. Ľavý pruh s hodnotou priľnavosti 0,2 a pravý 0,5. Vozovka predstavuje zľadovatený povrch. Vozidlo sa nachádza v strede cesty. Ľavé kolesá zasahujú do ľavého zľadovateného pruhu, pravé do pravého klzkého pruhu.

Výsledky tohto testu sú zobrazené na obr. 4 a v tab. 2. Na obr. 4 je fialovou čiarou zobrazený priebeh trasy vozidla s Fuzzy ABS, modrou čiarou priebeh trasy vozidla s klasickým ABS a červenou čiarou priebeh trasy vozidla bez ABS.

obr4
tab2

Z testu vyplýva, že najstabilnejšie bolo vozidlo so systémom Fuzzy ABS. Prešlo najkratšiu vzdialenosť, zastavilo ako prvé a vychýlilo sa z daného smeru na konci testu iba o 6 cm. Ostatné dve vozidlá v danom teste dostali šmyk a začali sa otáčať, lepšie však dopadlo vozidlo s klasickým systémom ABS, ktoré síce dostalo tzv. „hodiny“, ale udržalo sa na vozovke.

TEST SLALOMU NA POVRCHU S NÍZKOU PRIĽNAVOSŤOU

Test na povrchu s nízkou hodnotou priľnavosti pri rýchlosti 130km/h simuluje situáciu, pri ktorej je nutné manévrovanie vozidla za prudkého brzdenia. Táto situácia môže nastať v prípade, že sa počas jazdy nečakane objaví pred vozidlom prekážka. Situácia bola simulovaná rozmiestnením dopravných kužeľov na ceste.

Rozmiestnenie kužeľov je každých 10 metrov, oproti sebe 4 metre do vzdialenosti 70 metrov. Vo vzdialenosti 100 metrov sú kužele posunuté o 3,5 metra  vľavo na vzdialenosť 20 metrov. Od vzdialenosti 130 metrov sú kužele rozmiestnené ako na začiatku dráhy.

Výsledky tohto testu sú zobrazené na obr. 5 a v tab. 3. Na obr. 5 je zelenou čiarou zobrazený priebeh trasy vozidla s Fuzzy ABS, modrou čiarou priebeh trasy vozidla s klasickým ABS a fialovou čiarou priebeh trasy vozidla bez ABS. Čiernou čiarou je zobrazená požadovaný priebeh trasy pre vozidlo.

obr5
tab3

Z testu slalomu pri rýchlosti 130 km/h vidno, že rýchlejšie zastavilo vozidlo so systémom Fuzzy ABS a taktiež prešlo najkratšiu dráhu oproti vozidlu s klasickým ABS. Na konci testu malo toto vozidlo najmenší priečny odklon od plánovanej trasy. Vozidlo s klasickým systémom ABS nemalo takú manévrovaciu schopnosť ako vozidlo s Fuzzy ABS a pri obchádzaní kužeľov narazilo pravou aj ľavou časťou do prekážky. Vozidlo bez systému ABS síce zastavilo najrýchlejšie a taktiež prešlo najkratšiu dráhu, ale stratilo schopnosť manévrovať pri prudkom brzdení a išlo rovno.

ZÁVER

Možnosťou nastavenia regulácie a overením správania sa vozidla v rôznych podmienkach pomocou simulácie, je možné jednoduchšie, rýchlejšie a bezpečnejšie otestovať vozidlo v rôznych situáciách. V tomto článku bol prezentovaný návrh systému ABS s Fuzzy regulátorom a jeho simulačné overenie.

Použitím Fuzzy regulátora pre systém ABS sa zlepšili manévrovacie schopnosti vozidla pri brzdení na klzkom povrchu, ako aj pri vysokej rýchlosti a súčasnom vyhýbaní sa prekážke. Pri týchto testoch reagoval Fuzzy regulátor rýchlo a vozidlo sa udržalo na predpísanej dráhe. Dobre je to vidieť najmä pri teste na rôznych povrchoch vozovky. Prínos takéhoto systému aktívnej bezpečnosti vozidla je najmä v jeho variabilnosti. Nastavením Fuzzy regulátora, alebo doplnením iných častí sa tento systém môže rozšíriť o iné systémy riadenia vozidla aktívnej bezpečnosti ako ESP, BAS, ASR a pod.

POĎAKOVANIE

Vďaka za podporu projektu VaV operačného programu, Centrum excelentnosti výkonových elektronických systémov a materiálov pre ich komponenty No. OPVaV-2008/2.1/01-SORO, ITMS 26220120003 financovaného Európskym fondom regionálneho rozvoja (ERDF).

Vďaka za podporu projektu APVV-0185-10.

LITERATÚRA:

[1] Mechanical Simulation Corporation. Brake System with Boost and Thermal Effects. [CarSim help].

[2] KESHMIRI, Roozbeh; SHAHRI, Alireza Mohamad: Intelligent ABS Fuzzy controller for diverse road surfaces, Research Gate, 2007. http://www.researchgate.net/publication/228883550

[3] MAREŠ, Albert: Aktívne a pasívne prvky bezpečnosti automobilov, Transfer inovácií, 2003, ISBN 80 – 8075 – 075 – X. http://www.sjf.tuke.sk/transferinovacii/pages/archiv/transfer/6-2003/pdf/193-194.pdf.

[4] MAXIM, Vladislav; KOVÁČ, Jozef ; KUDLÁČ, Ľuboš: Systém ABS (Antilock Brake System ) v motorových vozidlách, 2005. http://www.sjf.tuke.sk/transferinovacii/pages/archiv/transfer/8-2005/pdf/162-165.pdf.

 

TEXT/FOTO Ing. Peter Girovský, PhD., Technická univerzita, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra elektrotechniky a mechatroniky, Ing. Marek Kollárik