رباتیک, کنترل

کاربرد مهندسی مکاترونیک در توسعه­ صنعت خودروهای جاده­ ای و غیرجاده ­ای و افزایش دقت و ایمنی

امروزه، چرخش تولیدات صنعتی به سمت و سویی است که به‌صورت خواسته یا ناخواسته در تولیداتشان از تخصص‌های مختلف استفاده می‌شود. در این میان صنعت خودروهای درون جاده ­ای[1] و برون جاده ­ای[2] و همچنین سامانه‌های [3]به‌کار رفته در این صنعت و محصول نهایی آن از دیرباز با این مقوله آمیخته بوده و برای همگان تقریباً شناخته‌شده‌است. در دهه‌های اخیر، گسترش الکترونیک و پیشرفت‌های رایانه‌ای گزینه جدیدی را در کنترل فرآیندهای مکانیکی پدید آورده است. این پدیده­ نوظهور با عنوان مکاترونیک[4] نامگذاری شده است. مهندسی مکاترونیک یک شاخه‌ میان رشته‌ای از مهندسی بوده و با سرعت در حال توسعه و گسترش است. این حوزه با وجود نوین بودن، به صورت چشمگیری در رشته‌های مهندسی مختلف در حال کاربردی شدن است. این پدیده توانسته جای خود را در صنعت خودرو باز نموده و با به‌کارگیری سامانه‌های پیشرفته در آن محبوبیت ویژه‌ای کسب کند. با این‌حال، بسیاری از توانمندی‌های این حوزه کمتر اطلاع دارند. این مقاله ضمن بیان پیشینه‌ مهندسی مکاترونیک، به شناخت، کاربردها، مزایا و چالش‌ها، و همچنین مثال‌هایی از سامانه‌های مکاترونیک در مهندسی خودرو (درون جاده ­ای و برون جاده ­ای) می‌پردازد. بدیهی است شناخت به‌عنوان اولین سطح از توسعه‌ فناوری[5] و کاربرد این سامانه‌ها به‌عنوان سطحی فراتر در صنعت خودرو امری گریز‌ناپذیر است.

1.مقدمه

واژه‌ «مکاترونیک» در سال 1969 برای اولین بار توسط مهندسی ژاپنی از شرکت یاسکاوا الکتریک[6] برای یکپارچه‌سازی زمینه‌های مکانیک و الکترونیک در کنترل موتورهای الکتریکی مطرح شد. در حقیقت، این واژه از ترکیب دو کلمه مکانیک و الکترونیک تشکیل‌شده‌است. در سال 1972 شرکت مذکور حقوق تجاری این واژه را برای خود انحصاری نمود. این عبارت به‌صورت گسترده در اروپا مورد استفاده قرار‌گرفت. اما این روند در آمریکا به‌شکل محدودتری رشد کرد. در سال 1982 شرکت مذکور تصمیم به صرف نظرکردن از حق انحصاری خود گرفت و از آن به بعد از این واژه به صورتی روزافزون و فراگیر استفاده شد. امروزه، واژه‌ مکاترونیک مفهومی گسترده‌تر یافته و در مکاترونیک فلسفه‌ای جدید برای طراحی و ساخت سامانه‌های مکانیکی تحت فرمان به‌وجود آورده است [4 و 1]. با این‌حال، هنوز هم زمینه‌های توسعه‌ مکاترونیک در ترکیب با حوزه‌‌های اینترنتی، اینترنت اشیاء، ارتباطات بدون‌سیم و سامانه‌‌های تصمیم‌گیری و هوشمند وجود دارد [5].
در دهه‌ هشتاد، این شاخه از مهندسی در دانشگاه‌های ایران را‌ه‌اندازی شده است؛ اگرچه محصولات این حوزه پیش از این دهه در تولیدات کالاهای خارجی و داخلی در کشور وجود داشت، اما این حوزه و محصولاتش ناشناخته بود. به‌علاوه، در دهه‌های اخیر، گسترش استفاده از رایانه در امور مهندسی به‌دلیل افزایش سرعت و به‌کارگیری فناوری‌های پیشرفته در آنها رشد بسیار چشم‌گیری داشته است [6]. این رویه به‌دلیل زنجیره­ای بودن با مهندسی مکاترونیک، پیشرفت و توانمندی‌های ویژه‌ای را به این حوزه افزوده است.
با توجه به اهمیت حوزه‌ مکاترونیک در ارتقاء کفیت در ساخت سامانه‌های مکانیکی، در نظر است در این مقاله، ضمن  شناخت و کاربردهای حوزه‌ی مکاترونیک در صنعت خودرو، مزایا و چالش‌های این حوزه معرفی شده و برخی از سامانه‌های مکاترونیکی مورداستفاده در خودروها معرفی شود.

2.شناخت و کاربردهای مهندسی مکاترونیک

طی سالیان گذشته سهم سرمایه­ فکری در تولید محصولات صنعتی که در واقع ارزش دانش فنی به‌حساب می­ آید، روز به‌روز در حال افزایش است [1]. این حقیقت را می‌توان از تغییر امکانات، شکل ظاهری، اندازه و وزن محصولات جدید صنعتی نسبت به قبل به‌خوبی دریافت. شکل 1 نمونه­ ای از این تغییرات را در کابین یک تراکتور قدیمی با سامانه­ های صرفاً مکانیکی در مقایسه با کابین یک تراکتور جدید با سامانه­ های مکاترونیکی نشان می ­دهد.

شکل 1. مقایسه­ امکانات کنترلی، پایش و شکل ظاهری کابین تراکتور قدیمی و صرفاض مکانیکی (راست) و کابین تراکتور پیشرفته و مکاترونیکی (چپ).

  یک سامانه­ مکاترونیکی نوعی کاربرد ویژه از مهندسی مکانیک است که تمرکز بیش تری بر اتوماسیون با استفاده از فناوری ­های نوظهور مانند علوم رایانه، الکترونیک و کنترل به جای عناصر کاملاً مکانیکی دارد. همین موضوع سبب شده است تا در سال‌های اخیر، مکاترونیک نقش خود را از صنایع صرفاً مکانیکی عبور داده و به حوزه ­های مختلف دیگر به‌منظور خودکارسازی فرآیندها و تسهیل در کنترل و پایش امور در جهت ارتقاء فناوری­ های گوناگون ورود پیدا کند [7 و 8]. از طرفی، فناوری به عنوان یکی از اصلی‌ترین راهبردهای رقابتی در سطح جهانی به رویکردی فرهنگی و انسانی برای موفقیت و درک بهتر در انتقال و مدیریت دانش و هوشمندی نیاز دارد [2 و 3]. همچنین، شناخت و کاربرد  فناوری بر اساس تعریف سازمان توسعه­ صنعتی ملل متحد[7] یکی از سطوح دستیابی به یک  فناوری است. از همین رو، برای شناخت بهتر و ارتباط این حوزه با حوزه‌های دیگر مهندسی، حوزه ­هایی که مهندسی مکاترونیک را تشکیل می­ دهند به‌صورت شماتیک در شکل 2 آمده است [5 و14]. آنچه در این شکل مشخص است آن است که این رشته از هم پوشانی چندین رشته­ مهندسی تشکیل شده و در برخی کاربردها، تفکیک‌‌پذیری و یا تعیین مرز دقیق دشوار است. همچنین، داشتن دانش در حوزه‌های مختلف از جمله مهندسی مکانیک، الکترونیک، کنترل و رایانه از اساسی‌ترین اجزاء این حوزه بین رشته‌ای به‌حساب می آید. در دنیای کنونی نیز كم تر ماشینی را می‌توان پیدا کرد كه حاصل تلاش حوزه‌های مختلف مهندسی به‌ویژه موارد فوق در آن دیده نشود.

شکل 2. اشتراک حوزه­ هایی که مهندسی مکاترونیک را تشکیل می ­دهد[1و5].

با بیان تعریفی که برای مکاترونیک گفته شد اکنون به کاربردهای این حوزه می‌پردازیم. امروزه در محصولات جدید صنعتی، از وسایل نقلیه، دوربین‌های خودتنظیم، ربات‌های صنعتی، سامانه‌های دفاعی مدرن و تجهیزات پزشكی و دندانپزشکی گرفته تا راه ­اندازهای دیسك رایانه[8]، چاپگرها و پویشگر[9]ها در محیط اداری و حتی ماشین‌های لباسشویی و خشك‌كن‌های هوشمند در خانه، همگی نمونه‌هایی از کاربرد حوزه­ مهندسی مکاترونیک می‌توان یافت. به‌طور مشخص همه این مثال‌ها تركیبی از حوزه‌های مختلف مهندسی و به‌ویژه مکاترونیک را نشان می‌دهند. درحقیقت، هر جا از علم مکانیک و الکترونیک، با تأکید بر اتوماسیون و یا کنترل برای انجام یک کار خاص استفاده شود، به‌نوعی در قلمرو کاربردی مهندسی مکاترونیک به‌حساب می ­آید.

3.مزایا و چالش‌های سامانه­ های مکاترونیک

به‌طورکلی هر فناوری دارای مزایای خاص خود بوده و از طرفی با چالش ­هایی روبرو شود. بدیهی است حوزه­ مهندسی مکاترونیک نیز از این اصل مستثنا نیست. اولین و مهم ­ترین مزیت سامانه‌های مکاترونیکی، افزایش دقت در هدایت و کنترل سامانه‌های مکانیکی است. همچنین حجم و جرم سامانه­ مکانیکی به‌دلیل استفاده از اجزای الکترونیکی و نرم‌افزاری به‌جای اجزای معادل مکانیکی کاهش می یابد. سومین مزیت، قابلیت نمایش، اندازه‌گیری و حتی امکان ثبت همزمان پارامترهای مکانیکی تحت کنترل و استفاده از بازخورد[10] آنهاست. چهارمین مزیت، افزایش ایمنی یک سامانه است. پنجمین مزیت، سهولت استفاده و راهبری یک سامانه است.
با وجود مزایای اصلی اشاره شده در بالا، این سامانه‌ها در خودرو با چالش‌هایی روبرو هستند. از این میان می‌توان به عدم آگاهی کافی در استفاده، تعمیر و نگهداری، و مهم­تر از همه مختل شدن کل سامانه با از کار افتادن بخش الکترونیکی، هزینه­ سرویس و تعمیر و نیاز به دانش بین رشته‌ای و چند رشته‌ای برای متولیان مدیریتی و صنایع مرتبط اشاره نمود.

4.مثال‌هایی از سامانه‌های مکاترونیکی در خودرو

اکنون با توجه به مقدمه و ذکر شناخت و کاربرد مکاترونیک، به بیان مثال‌هایی از این حوزه تخصصی در مهندسی خودرو می­ پردازیم.

4.1.سامانه­ ترمز ضد قفل در خودرو

یکی از خطرات رایج در رانندگی، قفل‌شدن چرخ‌های خودرو در هنگام ترمزهای شدید و به‌ویژه در جاده‌های لغزنده است. همین موضوع سبب می‌شود تا مسافت ترمز (طول طی شده از زمان عمل کردن ترمز تا توقف چرخ) افزایش یافته و اثرگذاری فرمان (تغییر زاویه‌ی چرخ‌های جلویی متصل به سامانه فرمان) بر تغییر مسیر خودرو به‌طور چشمگیری کاهش پیدا کند. حالت بدتر نیز آن‌است که قفل شدن همه‌ چرخ‌های خودرو رخ دهد. در چنین شرایطی امکان انحراف کامل خودرو از مسیر اصلی به دلیل وجود شیب سطح جاده و یا ناهمواری‌های احتمالی وجود دارد. در چنین شرایطی هدایت و کنترل خودرو بسیار سخت خواهد بود. به‌عبارت دیگر، زمانی که چرخ‌ها قفل‌ می‌شوند میزان بازدارندگی آنها از انحراف به طرفین به سمت صفر میل خواهد کرد. علت اصلی نیز بیشتر بودن میزان اصطکاک ایستایی چرخ‌های خودرو نسبت به اصطکاک جنبشی آنهاست. رانندگان با تجربه با درک غیرمستقیم این پدیده علمی از ترمز کردن متناوب‌ برای توقف وسیله نقلیه­ خود بهره می­ جویند. درحقیقت، سامانه ترمز ضد قفل[11] نیز نقشی مشابه روش ترمز کردن متناوب را در خودرو به صورت خودکار در زمان ترمز گرفتن ایفا می­ کند [9]. در شکل 3، اجزای هیدرولیکی سامانه­ ترمز ضد قفل در خودرو نشان داده شده است [10].  

شکل 3.مدار هیدرولیکی سامانه­ ترمز ضد قفل در خودرو[10].

در خودروهایی که سامانه­ ترمز ضد قفل وجود دارد، چرخ‌ها مجهز به حسگر[12]هایی برای سنجش سرعتشان هستند تا با قفل شدن چرخ‌ها سیگنالی[13] را برای ریزکنترل‌گر[14] ارسال ‌کنند. این ریزکنترل‌گر با بررسی اطلاعات، فرمانی را برای کم‌کردن فشار سیلندر ترمز چرخ مربوطه ارسال می‌کند تا چرخ دوباره بتواند به چرخش درآید، با آزاد شدن چرخ، فشار سیال ترمز (روغن ترمز) دوباره به حالت عادی برمی­ گردد [11]. این کار بسته به میزان تداوم عمل ترمز گرفتن و قفل شدن چرخ‌ها می­تواند به تعداد لازم تکرار شود. در شکل 4، روند و ارتباط اجزای سامانه­ ترمز ضد قفل در یک نوع خودروی سواری نمایش داده شده‌است.
ذکر این نکته ضروری است که هدف اصلی از کاربرد این  سامانه، افزایش میزان کنترل‌پذیری خودرو است. این سامانه بر خلاف باور رایج لزوماً سبب کاهش مسافت ترمز نمی‌شود؛ بلکه یک راننده­ ماهر در شرایط سخت ممکن است خودرو را در مسافت کمتری نسبت به راننده‌ای که از سامانه ترمز ضد قفل استفاده می‌کند متوقف نماید. با این حال، انجام این کار به تمرکز و مهارت بالای راننده نیاز دارد که عهده هرکسی ساخته نیست [11].

شکل 4. سامانه­ ترمز ضد قفل در خودرو

در خصوص اجباری کردن سامانه­ ضد قفل در خودروهای غیرجاده ­ای از جمله تراکتورها در دنیا و به ­ویژه در اروپا اختلاف نظر وجود دارد. برخی کم بودن و محدود بودن سرعت را دلیل عدم به‌کارگیری در خودروهای غیرجاده ­ای از جمله در تراکتور می ­دانند و برخی امکان سرعت گیری تراکتور در جاده ­ها و جلوگیری از بروز تصادف را استدلال می‌کنند. با این‌حال برخی سرعت حد را 40 کیلومتر بر ساعت و عده­ ای سرعت 60 کیلومتر بر ساعت را مبنای الزام این نوع ترمزها در خودروهای غیرجاده­ای عنوان می‌کنند [12]. اما، از سال 2016 در اتحادیه­ اروپا، تراکتورهایی که توانایی حرکت با سرعتی بالای 60 کیلومتر بر ساعت را دارند ملزم به تجهیز به چنین سامانه ­ای هستند [13]. در بین متخصصان در مورد داشتن و یا نداشتن سامانه ترمز ضدقفل برای دنباله‌بند­ها نیز اختلاف و تناقض نظرات به چشم می­ خورد. با این وجود، برخی از تراکتورهای جدید امکان بهره­ گیری از  ترمز ضد قفل را با نصب اتصال لازم در عقب خودرو برای دنباله بند­ها فراهم کرده­ اند.

4.2.سامانه­ کنترل موتور در خودرو

در خودروهای قدیمی، تنظیم مخلوط سوخت و هوا و زمان احتراق و دیگر اجزای ماشین به‌‌صورت مکانیکی هدایت شده و با ابزارهای مکانیکی و پنوماتیکی هدایت می‌شد. با پیشرفت الکترونیک و پیدایش مکاترونیک، مهندسان خودرو به‌دنبال سامانه‌هایی رفتند تا بتواند بازده موتور را در شرایط مختلف بهینه نگه‌دارند. برای این منظور واحد کنترل الکتریکی موتور طراحی و ساخته شد. این واحد عملگرهای درون موتور را به‌منظور حصول اطمینان از عملکرد بهینه­ موتور درون سوز خودرو هدایت و راهبری می‌کند. این مجموعه را واحد کنترل موتور یا سامانه کنترل موتور[15] می ­گویند.
واحد کنترل موتور با دریافت سیگنال‌های مختلف از حسگرهای  موتور درون سوز، آنها را همانند یک رایانه پردازش نموده و براساس برنامه­ کاربردی خود دستورات لازم را به عملگرها ارسال می‌کند. وظایف واحد کنترل موتور به این قرار است:

1-کنترل نسبت هوا به سوخت[16]؛
2-کنترل زمان احتراق[17]؛
3-کنترل دورآرام[18]؛
4-کنترل زمان‌بندی متغیر سوپاپ[19]؛
5-کنترل الکترونیکی سوپاپ[20].

واحد کنترل موتور قابل برنامه‌ریزی بوده و توسط کاربر متخصص این کار انجام می‌پذیرد. برنامه‌ریزی می‌تواند هنگام روشن بودن موتور از طریق درگاه سری[21] و یا یواس‌بی[22]توسط لپ‌تاپ (رایانه همراه یا دستی) صورت پذیرد [15]. در شکل 5، یک نمونه از واحد کنترل موتور در ارتباط با سایر اجزای موتور درون سوز آمده است.

شکل 5. واحد کنترل موتور در ارتباط با سایر اجزای موتور

4.3.سامانه­ کیسه­ هوا در خودرو

یکی از وسایل ایمنی در خودروها، کیسه‌ هوا است. این کیسه در هنگام تصادف پرباد شده و به شکل بالشی بین راننده و یا سرنشین و بدنه خودرو نقش محفاظتی را ایفا کرده و از بروز ضربات شدید جلوگیری می­ کند. این وسیله حتی می‌تواند امکان مرگ سرنشین را ‌کاهش دهد. امروزه کیسه‌های هوا در زمان وقوع تصادف در کسری از ثانیه عمل می­ کنند [10]. شکل 6 (الف و ب) وجود و عدم وجود سامانه کیسه هوا[23] در خودرو را نشان می­ دهد. همان‌طور که در شکل مشاهده می­شود سطح تماس بیشتر (شکل 7 الف) سبب کاهش ضربه به راننده یا سرنشین می ­شود. در حالی‌که عدم وجود کیسه­ هوا به‌دلیل کاهش سطح تماس ضربه­ بیش تری به راننده یا سرنشین وارد می ­کند. همچنین میزان نرمی و سفتی سطح برخورد در این مقایسه از دیگر دلایل کاهش یا افزایش میزان ضربه است.

شکل 6. ناحیه­ تماس راننده در زمان برخورد: الف. در خودرو با کیسه هوا، ناحیه­ نارنجی نشان­ دهنده­ سطح تماس سرنشین در برخورد، ب. خودرو بدون کیسه­ هوا، ناحیه­ قرمز نشان­ دهنده­ سطح تماس سرنشین در برخورد[16].

هر سامانه‌ کیسه‌ هوا از سه قسمت اصلی تشکیل یافته است:

1-کیسه هوا: از جنس پارچه­ نایلونی و سبک ساخته شده و معمولاً درون فرمان، داشبورد، صندلی‌ها، درها و یا حتی در کمربند ایمنی قرار گرفته ‌است؛
2-حسگر: حسگر هنگامی عمل می ­کند که تقریباً نیرویی معادل با نیروی برخورد خودرو با سرعت 23-13 کیلومتر در ساعت به دیواری آجری را حس کند. در این هنگام، مدار الکتریکی مربوطه بسته شده و کیسه به‌شکل بالشی پر از باد در می ­آید. در واقع جریان گاز نیتروژن گرم، کیسه را باد می‌کند.
3- باد کننده: گاز نیتروژن گرم از ترکیب تری نیترید سدیم و نیترات پتاسیم جامد که اشتعال‌زاست تولید می‌شود. این گاز در طی مدت زمان 40 میلی ثانیه از ضربه­ تصادف تولید می‌شود. یعنی در این مدت زمان، سه واکنش شیمیایی زیر به‌ترتیب صورت می‌گیرد [16]:
 گاز تولید شده نیز با سرعتی در حدود ۳۲۲ کیلومتر در ساعت کیسه‌ها را پر می ­کند. گاز تولید شده یک ثانیه بعد از پرکردن کیسه سریعاً از سوراخ‌های ریزی که در کیسه‌های هوا تعبیه شده خارج می‌شود.

4.4.سامانه­ کنترل کشش در چرخ‌های خودرو

يكی از سامانه مکاترونيكی و ايمنی فعال در خودرو سامانه­ کنترل کشش[24] است. این سامانه به نام‌های ضد­سُرِش[25]، ضد هرزگردی، كنترل هرزگردی و لغزش[26] نيز معروف است.
در خودروهای معمولی هنگام حرکت سر پيچ‌ها و یا حركت روی سطوح لغزنده (مانند جاده بارانی، يخی و برفی و مانند آن) اگر پدال گاز بيش از اندازه فشار داده شود، سبب هرزگردی چرخ‌های محرک شده و همین امر به سر خوردن، لغزش و در نتیجه كاهش كنترل خودرو منتهی می شود. اما در خودرو‌های مجهز به سامانه‌ كنترل كشش جلوی این هرزگردی چرخ‌های محرک تحت هر شرايط جاده ­ای گرفته می شود و ايمنی و گیرایی چرخ‌های محرک خودرو تأمين می شود.
نحوه‌ عملکرد سامانه به‌نحوی است که هرگاه يكی از چرخ‌هاي محرک خودرو بيش از حد معمول شروع به هرزگردی یا چرخش نماید، اين سامانه وارد عمل شده و با كاهش ميزان گاز به‌طور مرحله‌ای قدرت موتور را تا اندازه مطلوب و لازم کم می ­کند تا از هرزگردی چرخ‌های محرک جلوگیری شود. در نتیجه ميزان گیرایی و تماس لاستيک ها با زمين افزایش یافته و خودرو به شكل ايمن‌تری به حركت خود ادامه می‌دهد. شمای سامانه کنترل کشش به‌ترتیب برای خودروهای دوچرخ و چهار چرخ محرک در شکل‌های 7 و 8، نشان داده‌شده‌است.

شکل 7. سامانه­ کنترل کشش در خودرو دوچرخ محرک[27]
شکل 8. سامانه­ کنترل کشش در خودرو چهار چرخ محرک[28]

4.5.سامانه­ مکان‌یابی و فرمان گیری[29] خودکار در خودروهای برون جاده‌ای[30]

دقت مورد نیاز برای موقعیت افقی هواپیما، خودروهای درون جاده‌ای[31] و کشتی‌های دریایی می‌تواند در حد ده‌ها متر باشد. این مورد برای وسایل نقلیه خارج از جاده که اغلب نیاز به ناوبری و حرکت در طول خطوط باریک، ساختارهای فشرده، و یا ردیف‌های متراکم محصول دارند، صدق نمی­ کند. بدیهی است برای چنین شرایطی نیاز به دقت بالاتری وجود دارد. شکل 9 (ب)، یک تراکتور با هدایت خودکار[32] را در حال حرکت بین ردیف‌های ذرت با فاصله­ 75 سانتی متر نشان می‌دهد. به فضای در دسترس برای اصلاحات جانبی توجه داشته باشید؛ به‌طوری‌که چرخ‌های جلو در امتداد نواری از زمین بین ردیف‌های مجاور در حرکت است. در شکل 9 (الف)، تراکتور رباتیک باید بین درختان پرتقال حرکت کند که فضای کافی برای حرکت وسیله نقلیه به‌طور آزادانه به‌سختی فراهم‌شده‌است. این نیازهای فیزیکی در بالاترین سطح تقاضا برای برنامه‌های کاربردی براساس بومی‌سازی[33] رهیاب یا موقعیت‌یاب (GPS)[34]ها نتیجه می‌شود که به‌طور معمول نیازمند راه‌حل‌های تخصصی با دقت بالا است؛ از جمله موقعیت‌یاب تفاضلی[35] (DGPS). لذا لزوم به‌کارگیری سامانه‌ای که بتواند با دقت و با این محدودیت‌های محیطی سازگاری داشته باشد و خطای دید و انسانی را به حداقل برساند ضروری به‌نظر می­ رسد [17].

شکل 9. سامانه­ های موقعیت یابی و فرمان گیری خودکار در خودروهای برون جاده ­ای. الف) کنترل موقعیت برای حرکت بین درختان ب) کنترل و هدایت خودکار تراکتور برای محصول ردیفی[17].

4.6.سامانه‌ تثبیت سرعت خودرو 

سامانه‌ تثبیت سرعت خودرو[36] یا کروز مثال دیگری از کاربرد مکاترونیک در خودرو است. این سامانه با به‌کارگیری حسگرها و در ارتباط با سامانه­ کنترل می‌تواند سرعت خودرو را در حد موردنظر راننده ثابت نگه دارد. این کار با فعال‌سازی سامانه (شکل 10) توسط راننده، در واقع میزان فشردگی پدال گاز خودرو را از حالت مکانیکی (استفاده از پا)، به خودکار تبدیل می‌کند. در نتیجه، برای ثابت ماندن سرعت خودرو، نیازی به استفاده از پدال گاز نخواهد بود. هرچند که راننده برحسب نیاز می‌تواند با فشردن پدال گاز، بر سرعت خود بیفزاید.

شکل 10: کلید (راست) و نماد (چپ)  تثبیت سرعت خودرو

این سامانه بسته به شرکت سازنده معمولاً در سرعت‌های زیر ۴۰-۵۰ کیلومتر در ساعت قابلیت تثبیت سرعت را نداشته، زیرا برای استفاده در جاده و بزرگراه ساخته شده است. بنابراین، عملاً در سطح شهر، که نیاز مکرر به تغییر سرعت خودرو است، قابل بکارگیری نیست.

4.7.سامانه‌ کنترل پایداری الکترونیکی خودرو

حال به‌عنوان یک کاربرد ویژه به سامانه‌ کنترل پایداری الکترونیکی[37] در افزایش ایمنی خودرو اشاره می­ کنیم.  براساس مصوبه­ اتحادیه­ اروپا، همه­ خودروهای جدید در این اتحادیه از سال 2014 باید به این سامانه مجهز باشند. چرا که وجود آن می‌تواند در شرایط عادی رانندگی تا 20 درصد از تصادفات جلوگیری کرده و این مقدار در شرایط لغزنده بودن جاده تا 30-40 درصد می‌تواند افزایش یابد [18]. نخست به وجود و چرایی کاربرد آن می‌پردازیم. وجود این سامانه در خودروهای جدید از انحراف خودرو در پیچ‌های مسیر حرکت و یا در شرایط لغزنده‌ جاده از بسیاری از تصادفات و حوادث پیش‌گیری می‌نماید.

شکل 11. وجود سامانه‌ کنترل پایداری الکترونیکی در خودرو از انحراف در مسیر حرکت از جمله بیش فرمانی و کم فرمانی و واژگونی جلوگیری می ­کند[19].

 شکل 11 نشان می ­دهد که وجود این سامانه در خودرو برای حفظ حرکت در مسیر مورد نظر و جلوگیری از انحراف در مسیر حرکت از جمله در پیش گیری از پدیده ­های ناخوشایند بیش-فرمانی[38] ، کم-فرمانی[39]  و واژگونی[40] مفید است [19].
به‌طورکلی، بیش‌-فرمانی اغلب در خودروهای با چرخ محرک عقب رخ می‌دهد. درحالی‌که کم-‌فرمانی معمولاً در خودروهای با چرخ محرک جلو اتفاق می‌افتد. بااین‌ حال، احتمال وقوع این پدیده در هر خودرویی ممکن است. بیش‌-فرمانی به معنای پیچیدن خودرو در سر پیچ، بیش از انتظار راننده است. بیش-‌فرمانی زمانی رخ می ­دهد که چرخ‌های عقب، کشش خود را زودتر از چرخ‌های جلو از دست می‌دهند.
 پدیده­ کم-‌فرمانی نیز زمانی رخ می ­دهد که پیچیدن خودرو در سر پیچ، کمتر از انتظار راننده و کمتر از مسیر مورد نظر اوست. درنتیجه خودرو از عرض از جاده منحرف می‌شود. این پدیده زمانی که کشش چرخ‌های جلو زودتر از چرخ‌های عقب از دست می‌رود، به وجود می‌آید.
 سامانه‌‌ کنترل پایداری الکترونیکی زمانی که انحراف خودرو را در مسیر حرکت تشخیص می‌دهد، برای کمک به راننده اقدام به کاهش سرعت موتور و ترمز گرفتن می‌کند. این ترمزها می‌تواند بر روی هریک از چرخ‌های خودرو به صورت جداگانه اعمال شود تا خودرو به مسیر صحیح هدایت شده و ایمنی سرنشینان در مسیر حرکت افزایش یابد. وجود این سامانه در خودرو باعث می‌شود تا خودرو در مسیر حرکت با پایداری بیش تری به حرکت خود ادامه داده و از انحراف‌های ناگهانی و ناخواسته تا حد امکان جلوگیری ­شود.

4.8.سایر کاربردهای جانبی مکاترونیک در خودروها

از دیگر کاربردهای مکاترونیک در خودرو می‌توان به قفل برقی درب‌های خودرو[41]، بالابر برقی شیشه[42]، تنظیم برقی آینه‌ها[43]، شیشه‌های سقفی برقی[44] و تنظیم برقی صندلی[45] اشاره‌کرد. شکل‌های 12 و 13 دو نمونه از مکانیزم‌های این نوع کاربرد را به‌ترتیب برای بالابر شیشه و تنظیمات صندلی نشان می ­دهند. در هر دو مورد از مکانیزم لولایی، ریل، چرخ دنده، موتور و سامانه کشویی و کلید کنترل استفاده شده است.

شکل 12. یک نوع بالابر برقی شیشه در خودرو
 شکل 13. تنظیمات قسمت­ های مختلف صندلی در خودرو که می‌تواند به‌صورت مکاترونیکی انجام گیرد

اگرچه بسیاری از سامانه­ های پیشرفته در خودروهای سواری جدید به عنوان یک گزینه­ انتخابی وجود دارد اما وجود این سامانه‌ها در تراکتورها و دنباله‌بند­ها (تریلرها) ضرورتی دوچندان دارد. یکی از این سامانه­ ها ترمز الکترونیکی[46]است. این سامانه علاوه بر کنترل توقف چرخ ­ها در حرکت به جلو، برای ایمنی حرکت به عقب به­ ویژه برای خودروهای بزرگ و با ارتفاع زیاد که دید راننده کم است اهمیت ویژه ­ای دارند. شکل 14 نمونه ­ای از عملکرد این سامانه را نشان می ­دهد. در این سامانه به ­خاطر وجود حسگرهای مجاورتی[47] در انتهای تریلر (دنباله بند) از بروز برخورد با موانع پشت سر جلوگیری می ­شود [20]. حسگرهای مجاورتی عموماً از امواج فراصوتی[48](امواج اولتراسونیک) استفاده می­ کنند. به این صورت که ارسال و دریافت امواج در یک حد معینی موانع را تشخیص می دهد و همین به سامانه­ ترمز فرمان توقف را صادر می‌کند. روش‌های متعددی از فاصله­ یابی با توجه به کاربرد و دقت مورد نظر به کار می ­روند كه عملکرد، مزایا و ایرادهای خود را دارند. از مهم ­ترین روش­ های فاصله­ یابی می ­توان استفاده از لیزر [49] و فراصوت را نام برد.

شکل 14. ترمز الکترونیکی و استفاده از حسگر مجاورتی در انتهای خودرو برای ایمنی حرکت به عقب[20].

در روش فاصله­ یابی به کمک لیزر، نور مريی يا پرتو مادون­ قرمز[50] در جهتی فرستاده می ­شود که قصد تعیین فاصله جسم را داریم. بازتاب این پرتو، توسط لنز و حسگری مخصوص دریافت و متمرکز می ­شود. به این ترتیب می‌توان با محاسبه‌ زاویه‌ی پرتو بازتابی، فاصله را محاسبه نمود. از مهم ترین مزایای فاصله­ یابی توسط لیزر می‌توان به سرعت و دقت بالا و برد مناسب آن اشاره کرد. مهم ترین عیب این روش عدم فاصله­ یابی مناسب برای اجسام شفاف و یا براق مانند فلزات براق و یا سطوحی که نور را به شدت منحرف می­ کنند، می­ توان برشمرد. فاصله ­یابی و یا سنجش ارتفاع توسط لیزر در صنعت خودرو، راه­ سازی و كشاورزی کاربردهای­ متعددی و مختلفی دارد. از جمله می توان به خودروهای غیرجاده ­ای تسطيح­ ليزری زمین به عنوان نمونه اشاره نمود. در شکل 15 نمونه ­ای از این نوع کاربرد آمده است.

شکل 15. تسطيح ­­کننده ليزری زمین

5.نتیجه گیری

در این مقاله مهندسی مکاترونیک به‌صورت شفاف و به بیانی روان معرفی شده و سابقه­ کاربرد، چرایی استفاده و چگونگی بهره ­گیری از آن با ذکر مزایا و چالش‌های پیش‌رو با مثال‌هایی از کاربرد آن در صنعت خودروهای جاده­ ای و غیرجاده ­ای مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به حوزه‌های کاربردی فراوان و فراگیر این رشته می‌توان گفت که استفاده از این حوزه در مهندسی مکانیک و صنعت خودرو امری اجتناب‌ناپذیر است. بنابراین، باید متناسب با فرهنگ صنعتی و علمی کشور از آن بهره‌مند شد.
توانایی این علم در تجهیز و افزایش توانمندی و پیشرفت صنعت خودروها اعم از درون جاده‌ای و برون جاده‌ای در افزایش ایمنی و دقت از دیگر مزایای استفاده از آن است. با تمام این اوصاف و با توجه به شرایط کشور، الزام تولید قطعات مکاترونیکی صنعت خودرو در داخل کشور به‌منظور رفع وابستگی و پیش گیری از معطل ماندن تولید خودرو به­ خاطر عدم دسترسی به خرید یا واردات آنها رویکردی منطقی و علمی خواهد بود. همچنین ذکر این نکته ضروری است که این علم محدود به خودرو یا رشته­ خاصی نشده و بهره ­مندی از آن در علوم مختلف و به‌ویژه در مهندسی مکانیک خودرو (درون جاده­ ای و برون جاده‌ای) می ­تواند به ارتقاء کیفی، کنترل بهتر و افزایش ایمنی محصول تولیدی منتهی شود.
در پایان، مهم­ترین اصل قبل از ورود و استفاده از امکانات این حوزه، بهره ­مندی از تحقیقات و استفاده از نظرات صاحب نظران متخصص و با تجربه در این رشته را باید تأکید و یادآوری نمود.

منابع:

باقری، نیکروز؛ کاربرد مهندسی مکاترونیک در توسعه فناوری ماشین آلات کشاورزی صنعتی (چالش‌ها و راه‌کارها)“، مجله علمی- ترويجی توسعه تكنولوژی صنعتی، شماره 31، ص 55 تا 68، بهار سال 1397.
مروری بر مفهوم هوشمندی فناوری (تعاریف، ساختارها، فرآیند، بازیگران، روش ها و ابزارها)، مجله علمی- ترويجی توسعه تكنولوژی صنعتی، شماره 30، ص 47 تا 58، پاییز سال 1396.

. David; Mechatronics – More questions than answers. Mechatronics, 20(8), 827–841, 2010.
. Jalal; Computational Simulations: Alternative Solution in Sensing and Monitoring of Biomaterials. Journal of Biosensors & Bioelectronics. 4:e118. doi: 10.4172/2155-6210.1000e118, 2013.
. M.J.; Light and Heavy Vehicle Technology. Fourth edition, Butterworth-Heinemann, ISBN ‎978-0-7506-8037-0, 2007.
. Case Studies in Mechatronics –Applications and Education. Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-84996-079-3, 2010.
. Vic; Porsche High-Performance Driving Handbook. MotorBooks International. ISBN ‎978-0-7506-8037-0, 200

پی نویس:

1. On-road vehicles
2. Off-road
3. Systems
4. Mechatronics/ Mechatronics Engineering
5. The first level of technology
6. Yaskawa Electric Corporation
7. United Nations Industrial Development Organization )UNIDO(
8. Disk drive
9. Scanner
10. Feedback
11. Antilock Braking System (ABS)
12. Sensor
13. Signal
14. Microcontroller
15. Engine Control Unit (ECU)
16. Control of air/fuel ratio
17. Control of ignition timing
18. Control of variable valve timing
19. Control of idle speed
20. Electronic valve control
21. Serial port
22. Universal Serial Bus (USB)
23. Airbag system
24. Traction Control System (TCS)
25. Anti-patinage
26. Slippage
27. Two-wheel drive (2WD)
28. Four-wheel drive (4WD)
29. Positioning and steering systems
30. Off-road vehicles
31. On-road vehicles
32. Autosteered
33. Localization
34. Global Positioning System (GPS)
35. Differential Global Positioning System (DGPS)
36. Cruise control
37. Electronic Stability Program (ESP)/Electronic Stability Control (ESC)/Dynamic Stability Control (DSC)
38. Oversteer
39. Understeer
40. Rollover
41. Power door locks
42. Power windows
43. Power mirrors
44. Power sunroofs
45. Power seat adjustment/Electric seat adjustment
46. Electronic Braking System (EBS)
47. Preoximal sensors
48. Ultrasound
49. Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
50. Infrared radiation (IR)


برای امتیاز به این نوشته کلیک کنید!
[کل: 0 میانگین: 0]

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *