Devrilme (Yalpa) Uyarı Sisteminin Geliştirilmes

Devrilme tehlikesinin hassas bir şekilde belirlenmesi devrilme engelleyici uyarı ya da kontrol sistemi tasarımında önemli bir adımdır. Buna göre bu çalışmada, devrilme zamanı ölçütü olarak Chen ve Peng'in [10,11] önermiş olduğu TTR yöntemi kullanılmıştır. Chen ve Peng’in yapmış oldukları çalışmada, tehlikeli manevralarda taşıt dinamiği ile çok iyi örtüşmeyen savrulma-yalpa dinamiğinin ayrık olarak ele alındığı üçüncü merteben basit bir modelin kullanılması, gerçekte bir araç belirli yalpa açısında mutlaka devrilmemesine rağmen olası bir devrilme tehlikesinin asılı kütle yalpa açısının daha önce belirlenen sabit bir eşik değeri ile karşılaştırılarak belirlenmeye çalışılması gibi çeşitli ihmal edilen noktalar bulunmaktadır. Göz ardı edilen bu noktaların giderilmesi adına, Yu, Güvenç ve Özgüner [2] devrilme kriteri olarak yalpa açısı eşik değeri yerine aracın yalpa kararlılığını yitirmeye başladığı, herhangi bir tekerleğinin yer ile temasının kesilmesine ilişkin net fikir veren yük transfer oranının (LTR) kullanılmasının daha doğru bir yaklaşım olacağını belirtmişlerdir. Bununla birlikte, devrilme savrulma ve yalpa dinamiği ile sıkı bir ilişki içerisinde olduğundan, ikinci bölümde ayrıntılı olarak ele alınan savrulma- yalpa dinamiğinin bileşimini içeren beş serbestlik dereceli doğrusal model kullanılmıştır. Bu tip doğrusal bir model yük transfer oranının devrilme eşiği olarak kullanılmasına olanak vermektedir.

Yük transfer oranı, aracın tekerlekleri tarafından taşınan iki yanı arasındaki yük dağılımıdır. Bu oran aracın sağ ve sol tarafındaki düşey lastik kuvvetlerine bağlı olarak aşağıdaki eşitlikle ifade edilebilir.

zr zl zr zl F F LTR F F − = + (4.1)

(4.1) denklemine göre eğer araç herhangi bir manevraya zorlanmadan düz bir şekilde yoluna devam ediyorsa aracın sağ ve sol tarafındaki düşey lastik kuvvetleri eşit olacağından LTR=0'dır. Eğer araç devrilme eşiğinde ise, örneğin aracın sol tarafındaki tekerleklerin yer ile teması takriben kesilmek üzere ise, LTR=1'dir. Tekerleklerin yer ile teması kesildikten sonra basitleştirilmiş doğrusal model ile araç dinamiği açıklanamayacağı için, devrilme kıstası olarak yük dağılımının net bir şekilde ortaya konduğu yük transfer oranının kullanılması kabul edilebilirdir; fakat

günümüzde geliştirilmiş basit bir yöntem olmadığından dolayı gelecekteki yük transfer oranı diğer ölçümlerden yola çıkarak kestirilmelidir. Buna göre yük transfer oranının belirlenmesinde kaynak [2]’de önerilen (4.2) denklemindeki yaklaşım kullanılmıştır.

u u

LTR K≈ φ (4.2)

(4.2) denkleminde, Ku yük transferinden dolayı lastiklerde düşey yönde deformasyona neden olan sertlik katsayısını, φυ ise asılı olmayan kütlenin (aks) yalpa

açısını ifade etmektedir. Bununla birlikte devrilme zamanı hesabına ait simülasyonları gerçekleştirmeden önce, TTR değerinin belirlenmesinde referans olarak kullanılan yük transfer oranının doğru şekilde tespit edilip edilmediğini anlamak adına değişken hız ve direksiyon profillerinde çeşitli denemeler yapılmıştır.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 -200 -150 -100 -50 0 50 Zaman [s] δ [ d er e ce] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 20 30 40 50 60 70 Zaman [s] U [ km /h] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 Zaman [s] LT R

Şekil 4.2 : Değişken hız ve basamak direksiyon açısı profilinde yük transfer oranı TruckMaker ile doğrusal modelden elde edilen yük transfer oranının karşılaştırmasına ilişkin yapılan ilk simülasyonda değişken hız profilinde 150o

TruckMaker Doğrusal

basamak direksiyon açısı girişi uygulanmıştır. Şekil 4.2'de görüldüğü üzere doğrusal model ile yük transfer oranı çok iyi bir yaklaşıklıkla tahmin edilebilmektedir.

Yük transfer oranının karşılaştırmasına ilişkin gerçekleştiren ilk simülasyonda elde edilen sonuç iyi olmasına rağmen, modelin geniş çalışma aralığında da doğru sonuç verdiğini doğrulamak amacıyla, gerçekleştirilen ikinci simülasyonda Şekil 4.3'te görülebileceği gibi değişken hız profilinde farklı genliğe ve karakteristiğe sahip direksiyon açısı girişi uygulanmıştır. Buna göre araç yüksek hızla seyrederken, büyük direksiyon açısı girişinde TruckMaker'den ve doğrusal modelden elde edilen yük transferinde çok küçük farklılıklar gözlemlense de, doğrusal modelin çok geniş bir çalışma aralığında doğru sonuç verdiği görülmektedir. Elde edilen simülasyon sonuçlarından yola çıkarak, (4.2) denklemi ile verilen yaklaşım yük transfer oranının hassas bir şekilde belirlenmesinde kullanılabilir.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 -600 -400 -200 0 200 400 600 Zaman [s] δ [ d er ec e ] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 20 40 60 80 Zaman [s] U [ km /h] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -1 -0.5 0 0.5 1 Zaman [s] LT R

Şekil 4.3 : Değişken hız ve değişken direksiyon açısı profilinde yük transfer oranı Doğrusal modelin geleceğe yönelik olarak belirli bir zaman dilimi içerisinde simülasyonu sonucu hesaplanan yük transfer oranının herhangi bir anda kritik bir

TruckMaker Doğrusal

olan süre olarak ölçülmüş olur. Normal sürüş şartlarında devrilme zamanı ölçütünün çoğu zaman çok büyük ya da sonsuz değere ulaşacağı çok açıktır. Bu nedenle 3 saniyeden daha fazla bir süre için aracın davranışının kestirilmesinin çok anlamlı olmadığı düşünüldüğünden uygulamada hesaplamalar gelecek 3 saniyelik zaman dilimi için gerçekleştirilecektir. Aracın gelecek 3 saniye içerisinde devrilmeyeceği öngörülüyorsa devrilme zamanı 3 saniye olarak atanmaktadır.

Şekil 4.4 : TTR hesaplama yapısı ve uyarı sistemi

Devrilme zamanı ölçütünün hesaplanmasına ilişkin genel yapı Şekil 4.4'de görülmektedir. TTR hesaplamaları Şekil 4.5’te gösterilen Matlab/Simulink'te geliştirilen model yapısı kullanılarak 50 milisaniyelik zaman adımları ile hesaplanmaktadır. Doğrusal olmayan modelden çok daha hızlı çalışabilen beş serbestlik dereceli doğrusal modelin başlangıç şartları gerçekçi araç modelinden (TruckMaker) elde edilmekte ve TTR hesaplamaları bu modelin 3 saniye boyunca simüle edilmesi ile gerçekleştirilmektedir. Gerçek uygulamada doğrusal modelin ihtiyaç duyduğu tüm durum değişkenlerinin başlangıç şartlarının ölçülmesi mümkün olmadığından, bu değerler ölçülebilen diğer durum değişkenlerinin bir kalman filtresi ile kullanılmasıyla kestirilebilir. TTR hesabının başlangıcında aracın geçerli boyuna hızı (U), yanal kayma açısı (β), savrulma hızı (r), asılı kütle yalpa açısı (φ), asılı kütle yalpa açısal hızı (_φ•), aks yalpa açısına (φυ) ek olarak direksiyon açısı

beslenmektedir. Daha sonra girilen direksiyon açısı ve boyuna hız, hesaplamanın yapılacağı 3 saniyelik zaman zarfı boyunca sabit kabul edilerek hesaplama başlatılır. Gerçekleştirilen hesaplama sonunda yük transfer katsayısının 1 ya da -1 değerine

ulaştığı öngörülüyorsa yalpa uyarı sistemi bir uyarı sinyali gönderilir, aksi halde devrilme zamanı 3 saniye olarak atanır ve hesaplama sonlandırılır.

5. SİMÜLASYONLAR

Otomotiv alanına ilişkin uyarı ve/veya kontrol sistemi tasarımının gerçek araç üzerinde yapılması çoğu zaman tehlikeli, maliyetli ve zaman alıcı bir süreci de beraberinde getirmektedir. Günümüzde, bahsedilen bu dezavantajları ortadan kaldırmak amacıyla, gerekli uyarı ve/veya kontrol sistemi tasarımları gerçek araç üzerinde test edilmeden ve hatta araç üretilmeden önce tüm geliştirme sürecini içerisinde barındıran simülasyon çalışmaları ile gerçekleştirilebilir. Buradaki amaç, aracın gerçek durumda karşılaşacağı çevre veya şartların benzetiminin yapılması için gerekli tüm matematiksel veya fiziksel denemeleri içeren bir tasarım süreci üzerinden ilerlemektir.

Yapılan araştırmanın amacına göre, simülasyon çalışmaları gerçek zamanlı olmayan ve gerçek zamanlı olarak iki farklı yaklaşımla gerçekleştirilebilir. Örneğin, araç dinamiği kontrol sistemi tasarımı gerçekleştirilmek isteniyorsa, bu sistemin son aşamada gerçek sisteme entegre edilmesi gerekeceğinden bu işlem yapılmadan önce tasarlanan sistemin gerçek zamanlı olarak istenilen şekilde çalıştığı doğrulanmalıdır; ancak bu doğrulama çalışmasından önce sistem tasarımı gerçek zamanlı olmayan simülasyonlarla gerçekleştirilebilir. Bu amaçla tasarlanan yalpa uyarı sistemi öncelikle gerçek zamanlı olmayan simülasyon çalışmaları ile doğrulanmıştır. Tasarlanan sistem, gerçek araçta kullanıldığında gerçek zamanlı olarak çalışması gerekeceğinden, sistemin bu şartlar altında nasıl bir davranış sergilediğini görebilmek adına gerçek zamanlı simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen bu simülasyonlarda aracın sürücü girişine göre daha kolay devrilebilir bir dinamiğe sahip olmasını sağlamak amacıyla ağırlık merkezi yüksekliği