ป้องกันรถพ่วงไถลอย่างอัตโนมัติ

ป้องกันรถพ่วงไถลอย่างอัตโนมัติ

เป็นที่ทราบกันดีว่าอุบัติเหตุที่เกิดจากรถพ่วงและรถกึ่งพ่วง มักจะรุนแรง และสร้างความสูญเสียทั้งชีวิตและทรัพย์สินเป็นจำนวนมาก นอกจากนั้น การที่รถพ่วง และรถกึ่งพ่วงมีขนาดใหญ่จึงต้องใช้อุปกรณ์ หรือเครื่องมือพิเศษในการกู้ภัย และเสียเวลานานในการกู้ภัยส่งผลให้การจราจรติดขัด ทำให้เกิดความเสียหายแก่เศรษกิจอย่างยิ่ง สถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม (ฟีโบ้) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรีจึงได้ทำการศึกษาสาเหตุทางเทคนิค เพื่อหลีกเลี่ยงปัจจัยของเหตุการณ์ดังกล่าวได้อย่างอัตโนมัติ จนกระทั่งนำองค์ความรู้ดังกล่าวมาออกแบบระบบหุ่นยนต์เพื่อใช้ประโยชน์จากสภาวะดังกล่าวมาควบคุมการลื่น (Drift Motion) ของรถนั่งบุคคลเพื่อความแม่นยำของทิศทางและความปลอดภัย

สำหรับในทางทฤษฏีนั้น ได้มีการศึกษารถพ่วงและรถกึ่งพ่วงเพื่อหาว่าตัวแปรใดที่เป็นมูลเหตุสำคัญที่ ก่อให้เกิดอุบัติเหตุ เนื่องจากความไม่เสถียรของตัวรถ เช่น การหักพับ(jackknifing) และการสะบัด (snaking) เพื่อหามาตราการป้องกัน ในปี ค.ศ.1963 Jindra จัดเป็นกลุ่มแรกที่ได้ศึกษาความเสถียรของรถกึ่งพ่วงโดยใช้หุ่นจำลองแบบเชิง เส้น กลุ่มที่สองนำโดย Mikulcik (ปี ค.ศ. 1971) ใช้ทฤษฎีของ Lyapunov แบบที่หนึ่ง และในกลุ่มที่สาม คือกลุ่มของ Olusola และ Linkins (ปี ค.ศ. 1975) และกลุ่มของ Khan (ปี ค.ศ. 1992) ใช้ทฤษฎีของ Lyapunov แบบที่สอง Lyapunov ทั้งสองแบบนักศึกษาวิศวกรรมควบคุมจะรู้จักกันดี ผมขอโทษท่านผู้อ่านครับที่ไม่มีโอกาสขยายความ

โดยปกติขอบเขต (domain) ของความเสถียรที่พบโดยทางทฤษฎีที่ได้ศึกษากันมา มักจะเล็กกว่า ผลจากการใช้วิธีการทางตัวเลขคำนวณสมการการเคลื่อนที่ และหาขอบเขตของความเสถียรโดยวิธีการแทนค่าตัวแปรต่าง ๆ Kahn (ปี ค.ศ. 1992) ได้ศึกษาการเปลี่ยนเลนของรถพ่วงโดยเทคนิคทางการคำนวณเปรียบเทียบกับการทดลอง พบว่ารถพ่วงที่มี draw bar แบบมาตราฐาน มีตัวแปรที่แย่กว่า เช่น ต้องการระยะความกว้างในการเปลี่ยนเลนมากกว่าเพราะท้ายมีการสะบัดไปมา ต้องการมุมลื่นไถลมากกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับแบบ Central axle trailer ซึ่งมีลักษณะเดียวกับตัวท้ายของรถกึ่งพ่วง (semi trailer)

การพลิกคว่ำ (Rollover) เป็นปรากฏการณ์ความไม่เสถียรทางพลวัตอีกแบบซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิด อุบัติเหตุ มีการศึกษาความเสถียรจากพื้นเอียง (tilt-table) โดย Winkler (ปี ค.ศ. 1992) ส่วน George (ปี ค.ศ. 1992) ซึ่งได้ศึกษาการพลิกคว่ำเช่นกันพบว่า สาเหตุประการหนึ่งของการพลิกคว่ำเกิดจากห้องขับขี่มีระบบกันสะเทือน จึงทำให้ผู้ขับขี่ไม่ทราบถึงสถานะของตัวรถโดยแท้จริงว่าถึงขอบเขตของการพลิก คว่ำ (0.35g – g คือความเร่งเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก) หรือไม่? ได้มีการค้นพบว่าภายใน 1 ปีของรถกึ่งพ่วงแต่ละคันจะขับขี่เข้าถึง 20% ของโอกาสที่จะเกิดการพลิกคว่ำ(ความเร่งด้านข้างมีค่าอยู่ระหว่าง 0.28-0.35g)ประมาณ 100 ครั้ง

ฟีโบ้มีขอบเขตการศึกษาเพื่อประเมินความปลอดภัยในการขับขี่รถบรรทุกทั้งสองประเภท จะพิจารณาจากการขับขี่ในกรณีดังต่อไปนี้

การเลี้ยวโค้งที่ความเร็วคงที่ (ISO Committee Recommendation)
การเปลี่ยนเลนกว้าง 3 เมตร ในระยะทาง 70 เมตร
การกระจายแรงเบรกที่ให้ผลดีที่สุดในการเบรก

สมมติฐานของการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของรถ จะพิจารณาจากการเคลื่อนที่ของรถในระนาบของถนนเท่านั้น ไม่มีการพิจารณาการถ่ายเทมวลของรถ หรือ ถือว่ามวลของตัวรถอยู่ในระดับเดียวกับแรงกระทำด้านข้าง และพิจารณาว่าทุกชิ้นส่วนของตัวรถ เช่น ยาง ระบบกันกระเทือน ไม่มีการยืดหยุ่น ถึงแม้หุ่นจำลองดังกล่าวจะเป็นสมมติฐานที่มีขีดจำกัด แต่ก็สามารถที่จะพิจารณาเป็นการศึกษาเชิงเปรียบเทียบระหว่างรถพ่วง และรถกึ่งพ่วง ว่าคำตอบที่ได้จากการคำนวณสมการของการเคลื่อนที่ตามรูปแบบที่กำหนดมีขอบเขต ของความเสถียรในการขับขี่ต่างกันอย่างไร ส่วนการพิจารณาผลของความเร่งด้านข้างที่มีผลต่อการพลิกคว่ำ (rollover) จะพิจารณาขอบเขตของการพลิกคว่ำที่ 0.35g ซึ่งเป็นค่าที่ใช้พิจารณาสำหรับรถบรรทุกทั่วไป

การศึกษานี้ ใช้กรรมวิธีทางตัวเลขคำนวณหาคำตอบในการเคลื่อนที่ของรถบรรทุก โดยใช้ตัวแปรทางกายภาพที่เหมือนกัน เช่นโค้งที่มีรัศมีเท่ากัน การเปี่ยนเลนในระยะทางที่เท่ากัน เว้นแต่การบังคับเลี้ยวเพื่อให้รถทั้งสองแบบอยู่ในสภาพเดียวกัน จะต้องการตัวแปรเช่น มุมเลี้ยวที่ต่างกัน จำเป็นต้องเปลี่ยนค่าตัวแปรต่าง ๆ ของการบังคับเลี้ยวจนได้รัศมีความโค้งหรือ ระยะเปลี่ยนเลน เท่ากัน และหาความเร็วสูงสุดซึ่งเป็นขอบเขตของการขับที่เสถียร โดยพิจารณาจากรูปแบบการตอบสนองของรถลากและรถพ่วง โดยใช้ขอบเขตของการพลิกคว่ำ 0.35g เป็นหลักเช่นกัน

เนื่องจากเงื่อนไขของการใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ยังคงมีข้อจำกัด ด้วยสภาพขอบเขตของการตรวจสอบ (verify) ผลของสมมติฐานทางคณิตศาสตร์ ดังนั้นการนำค่าตัวแปรที่ได้จากการวิเคราะห์หุ่นจำลองทางคณิตศาสตร์ เช่น ค่าความเร็ว หรือ ค่าความเร่ง มาบ่งชี้โดยตรงว่าจะทำให้เกิดความไม่เสถียรจึงอาจคลาดเคลื่อนกับสภาพความ เป็นจริง อย่างไรก็ตามค่าที่ได้สามารถนำมาใช้เป็นแนวทางในการชี้ถึงพฤติกรรมเชิง เปรียบเทียบ ระหว่างรถพ่วงและรถกึ่งพ่วงได้

การศึกษาครั้งนี้ ข้อจำกัดของหุ่นจำลองยังคงมีอยู่โดยเฉพาะอย่ายิ่งที่ยาง ทั้ง ๆ ที่เป็นสิ่งสำคัญที่สุดในการตอบสนองทางพลวัตต์ของยานยนต์ทุกกรณี โดยการยืดหยุ่นของโครงสร้างและระบบกันสะเทือนมีความสำคัญในลำดับถัดไป การสร้างหุ่นจำลองของยางเพื่อให้ผลการวิเคราะห์สามารถทำนายได้ใกล้เคียงสภาพ ความเป็นจริงมากที่สุดนั้น ควรจะมีการทำวิจัยสืบเนื่องต่อไป

สำหรับหุ่นจำลองในงานวิจัยนี้ ใช้รูปแบบการจำลองยางเป็นสปริงแบบอ่อน (soft spring) และไม่ยืดหยุ่น มีสมมติฐานให้ศูนย์กลางมวลของรถอยู่ที่ระดับเดียวกับแรงที่กระทำด้านข้าง ซึ่งเกิดจากมุมลื่นไถลของยาง การยืดหยุ่นของระบบกันสะเทือนจะทำให้ค่าขอบเขตของการพลิกคว่ำลดลง (สามารถรวมผลได้โดยพืจารณาว่าขอบเขตการพลิกคว่ำควรจะต่ำลง) ในขณะที่การถ่ายเทโมเมนตัมของรถด้านข้างต้องการมุมลื่นไถลมากขึ้น (ทำให้เกิดการสลับสูงขึ้นที่ความเร็วเดียวกัน) ในกรณีนี้ความเร่งสู่ศูนย์กลางจะขึ้นอยู่กับเส้นทางการวิ่ง และความเร็วเท่านั้น อย่างไรก็ตามหุ่นจำลองที่ใช้ในงานวิจัยนี้ก็สามารถตอบสนองต่อเขื่อนไขที่ เกี่ยวกับความเสถียรของรถทั้งสองประเภท และแสดงถึงพฤติกรรมทางพลวัตต์ซึ่งจำเป็นสำหรับการเปรียบเทียบระหว่างรถพ่วง และรถกึ่งพ่วงได้ดี

การค้นพบที่สำคัญในการศึกษาครั้งนี้อยู่ทีว่า สำหรับ รถพ่วง ในทุกกรณีส่วนต่อพ่วงมีการตอบสนองต่อการขับที่ยากกว่า โดยพิจารณาจากการสะบัดหรือเลื้อย (snaking) ของส่วนต่อพ่วง ตลอดจนมีความซับซ้อนของพฤติกรรมทางพลวัตต์ และส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของรถหัวลากสูงกว่ารถกึ่งพ่วง เมื่อประกอบกับผลจาก อุปกรณ์เชื่อมต่อ และความหลวมของแกนข้อต่อ จะเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ผู้ขับขี่รถพ่วงไม่สามารถรับทราบถึงสภาพที่แท้จริง ของส่วนต่อพ่วงได้ เป็นเหตุให้มีโอกาสเกิดอุบัติภัยสูง การสะบัดที่สูงกว่าของรถพ่วง ก็จะเป็นสาเหตุให้โครงสร้างต่างๆ เช่น รถหัวลากจะได้รับแรงกระแทกบ่อยและรุนแรงกว่ารถลากของรถรถกึ่งพ่วง และมีโอกาสเสียหายสูง จึงต้องทำการตรวจเช็คบ่อยครั้งกว่า นอกจากนั้นก็เป็นสาเหตุให้ต้องการพื้นที่ของถนนสูงกว่าในการบังคับเลี้ยว เช่นในการเปลี่ยนเลน

การพลิกคว่ำของรถพ่วงและรถกึ่งพ่วง เมื่อมองจากการเลี้ยวที่รัศมีความโค้งและความเร็วเท่ากันจะไม่มีความแตกต่าง นอกจากรถพ่วงเกิดอาการสะบัดมากกว่ารถกึ่งพ่วง ดังนั้นผู้ขับขี่จึงต้องอาศัยความชำนาญสูง การติดอุปกรณ์สำหรับเตือนภัยผู้ขับเมื่อความไม่เสถียรของส่วนต่อพ่วงสูงเกิน ขีดจำกัดจะช่วยป้องกันอันตรายได้
ผลของการวิเคราะห์ระบบเบรกก็ให้ข้อสรุปได้ในทำนองเดียวกันคือ การกระจายของแรงเบรกของรถพ่วงมีความซับซ้อนมากกว่า และการเลือกออกแบบระบบในทางปฏิบัติจะมีข้อจำกัดสูง ซึ่งจะทำให้ขอบเขตของพิกัดการบรรทุกน้อยกว่ารถกึ่งพ่วงเพื่อหลีกเลี่ยง การหักพับ หรือ การสะบัด การติดตั้งระบบเบรกป้องกันล้อตาย (Anti-skid Braking System – ABS) จะช่วยเสริมการป้องกันให้กับระบบเบรก

สรุปได้ว่าในทุกกรณีของการขับขี่ที่ทำการตรวจสอบวิเคราะห์สมรรถนะทางกลของหุ่นจำลอง รถพ่วงจะมีความซับซ้อนและอาจเกิดอันตรายสูงกว่ารถกึ่งพ่วง

ท่านผู้อ่านสามารถส่งข้อคิดเห็น/เสนอแนะมาที่ผู้เขียนที่ djitt@fibo.kmutt.ac.th