Modelowanie i sterowanie w półaktywnych układach zawieszenia pojazdów mechanicznych

Projekt sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/01/B/ST7/06027.

 

 

Cel projektu

Celem projektu badawczego było zbadanie nowych możliwości sterowania w półaktywnych układach tłumienia drgań mechanicznych. Główną platformą testową wykorzystywaną w trakcie realizacji projektu był pojazd typu quad, w którym klasyczne tłumiki zastąpiono tłumikami magnetoreologicznymi (MR).

Tło

Tłumienie drgań mechanicznych w pojazdach z wykorzystaniem rozwiązań pasywnych (klasyczne zawieszenie z tłumikami) ma bardzo długą historię i jest powszechnie stosowane w praktyce. Występują tu jednak ograniczenia wynikające z istoty tych układów. Odpowiedzią na chęć poprawy jakości tłumienia miały być układy aktywne, wykorzystujące siłowniki w układzie zawieszenia. Jednak układy tego typu nie doczekały się powszechnego wykorzystania w zastosowaniach cywilnych. Wynika to z faktu, że aktywne tłumienie drgań niesie za sobą spore koszty i trudności w implementacji. W drugiej połowie XX wieku zaproponowano kompromis pomiędzy układami pasywnymi i aktywnymi, czyli tzw. układy półaktywne. Najbardziej popularnym rozwiązaniem okazały się tu tłumiki magnetoreologiczne, zawierające ciecz, której tarcie wewnętrzne zmienia się na skutek oddziaływania pola magnetycznego. Dzięki temu możliwe jest sterowanie stopniem tłumienia za pomocą prądu płynącego przez cewki, przy niewielkim wydatku energetycznym. Niestety, układy te mają bardzo złożone własności dynamiczne i stąd bardzo trudno opracowuje się dla nich odpowiednie algorytmy sterowania. Z początkiem XXI wieku rozpoczęto prace nad implementacją układów półaktywnych i udało się doprowadzić do pierwszych realizacji w zastosowaniach cywilnych, w tym do tłumienia drgań w pojazdach.

Wyniki projektu

Zrealizowany projekt badawczy składał się z kilku zadań dotyczących modelowania i zastosowania półaktywnych układów tłumienia drgań. Badania były prowadzone na drodze symulacji modelu zawieszenia półaktywnego w celu testowania różnych algorytmów sterowania tłumikami MR, jak i na zbudowanym stanowisku badawczym. W tym celu zaprojektowano i wykonano układ kontrolno-pomiarowy, umożliwiający sterowanie zawieszeniem eksperymentalnego pojazdu w czasie rzeczywistym.

W trakcie badań opracowano nowe półaktywne algorytmy tłumienia drgań. Autorzy projektu próbowali odpowiedzieć na zapotrzebowanie poprawy jakości tłumienia na kilka sposobów. W pierwszym etapie skupiono się na poprawieniu jakości modeli tłumika i pojazdu. Wykonano eksperymenty identyfikacyjne pozwalające na otrzymanie dokładniejszych modeli elementów półaktywnych. Lepsze modele wykorzystane zostały do symulacji i syntezy algorytmów sterowania.

W następnym etapie projektu opracowano nowe półaktywne algorytmy tłumienia drgań mechanicznych. Ich implementacja na pojeździe testowym pozwoliła na znaczącą redukcję drgań przenoszonych na nadwozie pojazdu.

Oprócz nowych rozwiązań w zakresie sterowania zawieszeniem, Autorzy testowali również nowatorskie rozwiązania pomiarowe. I tak na przykład, w celu zastosowania algorytmów wykorzystujących informację o nierównościach drogi i przeszkodach na drodze przed pojazdem, zastosowano skaner laserowy, kamerę wizyjną oraz popularny czujnik ruchu Kinect firmy Microsoft.

Poza pracami nad poprawą komfortu jazdy, rozważono również możliwość poprawy bezpieczeństwa jazdy. W sytuacjach nierówności na drodze i wykonywania takich manewrów, jak gwałtowne hamowanie lub awaryjne skręcanie, można w taki sposób zmienić parametry zawieszenia, aby zmniejszyć negatywny wpływ obu czynników na zachowanie całego pojazdu.