21227

۲۱۲۲۷

بهينه‌سازي ساختار ژيروسكوپ MEMS مناسب كاربرد خودرويي

كارشناسي ارشد

طراحي سيستم هاي ديناميكي

۹۴-۹۶

۱۳۹۷/۷/۲۷

دكتر محمد حسن شجاعي فرد - دكتر مسعود دهمرده

خودرو

در اين پژوهش اندازه‌هاي هندسي يك ژيروسكوپ MEMS با هدف كاربرد در سامانه‌هاي ديناميك عرضي خودرو بهينه‌سازي شد. پيكربندي چرخش‌سنج پژوهيده شده برپايه ساختار دو جرمي، داراي سازوكار سنجش و انگيزش الكترو استاتيكي است كه از فنربندي سنجاقي و ناوداني به ترتيب براي رانش و سنجش بهره مي‌برد. همچنين پنداشته شد كه براي ساخت چنين چرخش‌سنجي از فرآيند متداول ممزي با پهناي خط 1 ميكرومتر بهره گرفته خواهد شد. در اين پژوهش از ديد طراحي، بهينه‌سازي هندسي ساختاري چرخش‌سنج انتخاب شده سازگار با فناوري ساخت معرفي‌شده كه بتواند در سامانه‌اي خودرويي بكار برده شود، برنامه‌ريزي شده است. در اين راستا چندين مدلسازي جداگانه از چرخش‌سنج و سامانه خودرويي انجام شد. در مدل نخست كه با نام مدل فيزيكي آورده شده است، شناسه‌هاي نوساني (جرم، بسامد و ميرايي) چرخش‌سنج را مي‌توان از روي اندازه‌هاي هندسي چرخش‌سنج، برآورد كرد. در ادامه به كمك رابطه‌هاي پاسخ ديناميكي بازه بسامدي (Frequency Domain)، هشت شناسه انگاره‌اي كاركردي چرخش‌سنج (فاكتور مقياس، معيار خطي بودن، كران بالا، برد ديناميكي، خطاي باياس، رزولوشن و در نهايت فاز و دامنه خطاي ديناميكي) برآورد مي‌گردد. سپس با بكارگيري اين شناسه‌هاي كاركردي تابع هدف‌ بهينه‌سازي فراهم مي‌شود. در گام ديگر به كمك آناليز حساسيت ضريب‌هاي وزني تابع هدف فراهم مي‌گردد. بهينه‌سازي براي تابع هدف با ضريب‌هاي وزني بدست آمده به يافتن چرخش‌سنج‌هاي بهين بر پايه شناسه‌كاركردي مي‌انجامد. به كمك مدل دوم چرخش‌سنج (مدل واپايشي)، چرخش‌سنج‌هاي بهين (نامزدهاي بهينه) در شبيه‌سازي مانور سبقت‌گيري خودرو (DLC) بر روي مدل خودروي مجازي نصب شده و نرخ زاويه ياو خودرو را مي‌سنجند. در پايان ريشه ميانگين توان دوم (RMS) خطاي نرخ ياو خوانده شده هر چرخش‌سنج در آزمون سبقت‌گيري، معيار نهايي بافتن چرخش‌سنج بهينه است. در اين ميان براي هرچه راستين شدن عدم‌قطعيت‌هاي خودرويي خورانده شده به شبيه‌سازي، مدلسازي و برنامه‌نويسي مفصلي صورت گرفت. از آن جمله مي‌توان به تنظيم زاويه فرمان براي حركت خودرو در مانور سبقت‌گيري منطبق با استاندارد 1-3888 ISO و برآورد شناسه‌هاي خودور در مدل دو درجه آزادي به كمك خروجي مانور در نرم‌افزار CarSim اشاره كرد. همچنين در اين پژوهش، همگام‌سازي سازوكار انگيزش و سنجش چرخش‌سنج با سازوكار بهينه شده از سوي آزمايشگاه X-Fab انجام شده است كه به كاربردي‌تر شدن آن در صنعت مي‌انجامد. نتيجه بدست آمده از شبيه‌سازي‌ها كاهش خطاي خوانش چرخش‌سنج از 40% به 4/1% را براي ساختار بهينه‌شده نسبت به ساختار بهينه نشده نشان مي‌دهد. همچنين بهينه‌سازي با اين روش نسبت به روش متداول بهبود خطاي خوانش را تا حدود 17% به دنبال داشت كه نشان از سودمندي بكارگيري از اين روش نسبت به روش متداول است. همچنين بايد توجه داشت كه برتري ديگر اين روش نسبت به روش متداول رسيدن به پاسخ يكتا براي طراحي ساختار بهينه است، اين در حالي است كه در روش متداول يك پيشاني بهينه‌گي پارتو (Pareto Optimality Front) بدست داده مي‌شود. اگرچه اين پيشاني مي‌تواند در برگيرنده بهينه‌ترين هندسه ساختاري باشد اما با بكارگيري هيچكدام از روش‌هاي متداول تصميم‌گيري (Multi-Criteria Decision Making [MCDM]) نمي‌توان اين هندسه را يافت. در اينجا بهينه‌ترين هندسه ساختاري، هندسه‌اي است كه الزاما بهترين دقت خوانش را براي چرخش‌سنج به ارمغان آورد. درپايان هندسه‌ي بهينه يك چرخش‌سنج دوجرمي رفت و برگشتي كوريوليسي با سازوكار سنجش و انگيزش الكترو استاتيكي با فناوري ساخت پهناي خط 1 ميكرومتري نيز ارائه شد.

1398/08/04

Structure Optimization of MEMS Gyroscope Proper for Automotive Applications

10/26/2019 12:00:00 AM

The geometric dimensions of a MEMS gyroscope optimized for use in transverse vehicle dynamics systems. The investigated gyroscope is a dual-mass structure with electrostaticaly mechanism that utilizes pinion and studs for thrust and measurement, respectively. It was also assumed that a gyroscope would be used in the conventional membrane process with a line width of 1 micrometer. In this research, from the design point of view, the geometric optimization of the selected gyroscope is consistent with the manufacturing technology that can be used in automobile systems. In this regard, several separate models of gyroscope and car systems were made. In the first model, which is called the physical model, the gyroscope is estimated from the geometric dimensions of the virtual gyroscope samples, oscillatory identifiers (mass, frequency and damping). In the following, with the help of the Frequency Domain dynamic response relationships, eight glycoscope functionalities (scale factor, linearity criterion, upper bound, dynamic range, bias error, resolution, and eventually phase and range of dynamic error) are estimated. Then, using these functional identifiers, the goal function is optimized. In another step, the sensitivity analysis of the weighting coefficients of the target function is provided. Optimization for the objective function with the weighted coefficients results in finding optimal gyroscopes based on the functional identifier. With the help of the second model of the gyroscope, the optimal gyroscope (optimal candidates) is installed in the vehicle's road-holding maneuvering simulation (DLC) on a virtual vehicle model and measures the angular velocity of the vehicle. At the end of the root mean of second power (RMS), the error rate of yo reads every gyroscope in the test of overtaking, the final criterion is the optimal gyro weaving. In the meantime, simulations, modeling and joint programming have been made to ensure that the car's uncertainties are true. Including the setting of the steering angle for driving the car in an override maneuver in accordance with ISO 1-3888 and the estimation of self-design identifiers in the two degrees of freedom with the help of the maneuver output in the CarSim software. Another clear indication in this study is the synchronization of the gyroscope's mechanism of motivation and measurement with the optimized mechanism by the X-Fab laboratory, because this synchronization has become more and more applicable to the research result in the industry.