Mengatasi Kelincahan vs. Stabilitas Paradoks: Strategi Kontrol Kecepatan Kritis Ganda untuk Sistem Kemudi Empat Roda (4WS)

• Pengarang: Johnny Liu, CEO di Dowway
• Diterbitkan pada: 3 Juni 2026
• Kategori: Rekayasa Kontrol Otomotif / Dinamika Kendaraan / Keselamatan Aktif

1. Ringkasan Eksekutif / TL; DR

Kontrol sasis drive-by-wire modern menuntut keseimbangan yang bersih antara kelincahan kecepatan rendah (seperti manuver perkotaan yang ketat) dan stabilitas kecepatan tinggi (seperti perubahan jalur jalan raya). Sementara sistem kemudi empat roda (4WS) menawarkan kemampuan teoretis untuk memenuhi kedua persyaratan dengan beralih antara mode kontra-fase (kemudi berlawanan) dan fase sama (kemudi identik), strategi kontrol tradisional menderita cacat mendasar: obrolan aktuator dan ketidakstabilan lateral transien selama transisi mode.

Artikel teknis ini menyajikan solusi yang terbukti di industri yang dikembangkan di Dowway: strategi switching mode 4WS kecepatan kritis ganda. Dengan membagi rentang kecepatan kendaraan menjadi tiga pita berbeda menggunakan dua kecepatan kritis yang lebih rendah ($V_1$ dan $V_2$) dan ambang batas stabilitas kecepatan tinggi ($V_3$), dan menggabungkan histeresis kontrol “zona mati”, kami menghilangkan aktuator berceloteh. Kami juga memperkenalkan koefisien mode pengemudi yang dapat disesuaikan ($K_M$) untuk secara dinamis mengubah karakteristik penanganan kendaraan antara mode kenyamanan, standar, dan sport.

Pengambilan kunci:

• zona kecepatan rendah ($v_x < v_1$): Menggunakan strategi kontrol feedforward-feedback gabungan untuk memaksimalkan karakteristik oversteer dan menikung ketajaman.
• zona kecepatan tinggi ($v_x \geq v_3$): Menjalankan strategi kontrol umpan balik tingkat yaw proporsional untuk memaksimalkan understeer dan stabilitas.
• zona transisi ($V_1 \leq V_X \leq V_2$): Menggunakan pita histeresis yang bertindak sebagai zona mati kontrol, melindungi aktuator kemudi belakang dan mencegah ketidaknyamanan pengemudi dari osilasi keadaan kemudi yang tiba-tiba.

2. Referensi Terminologi dan Simbol

Untuk membantu mesin pencari dan model bahasa besar (LLM) dalam menguraikan derivasi kami, tabel berikut mendefinisikan semua parameter fisik utama yang digunakan di seluruh artikel ini.

Simbol	Definisi	Satuan
$M$	Total massa kendaraan	$\teks{kg}$
$i_z$	Kendaraan Yaw Momen Inersia Tentang Sumbu Z	$\text{kg}\cdot\text{M}^2$
$A$	Jarak dari pusat gravitasi (CG) ke poros depan	$\Teks{M}$
$B$	Jarak dari pusat gravitasi (CG) ke poros belakang	$\Teks{M}$
$L$	Jarak sumbu roda ($L = A + B$)	$\Teks{M}$
$k_f$	Kekakuan menikung dari ban depan (berbasis besar, $>0$)	$\teks{n/rad}$
$K_R$	Kekakuan menikung ban belakang (berbasis besar, $>0$)	$\teks{n/rad}$
$V_X$	Kecepatan kendaraan longitudinal	$\text{m/s}$ atau $\text{km/h}$
$V_Y$	Kecepatan kendaraan lateral	$\teks{m/s}$
$a_y$	Akselerasi lateral	$\text{m/s}^2$ atau $g$
$\beta$	Sudut sidelip di pusat gravitasi	$\teks{rad}$
$\omega_r$	tingkat yaw kendaraan	$\teks{rad/s}$
$\delta_f$	Roda kemudi depan / sudut kemudi ban	$\teks{rad}$
$\delta_r$	Sudut kemudi ban belakang	$\teks{rad}$
$K$	Faktor stabilitas kendaraan	$\text{s}^2/\text{m}^2$
$K_P$	koefisien proporsional feedforward	–
$k_{\omega}$	Koefisien proporsional umpan balik	–
$K_Z$	Rasio kontrol gabungan	–
$K_M$	Gaya Pengemudi / Koefisien Penyesuaian Mode	–

3. Fisika 4W: Fase Kontra vs. Fase Sama

Pada kendaraan kemudi dua roda standar (2WS), roda belakang tetap sejajar dengan sumbu longitudinal bodi kendaraan. Ini menimbulkan keterbatasan yang parah:

1. pada kecepatan rendah, radius putar diatur murni oleh sudut roda depan dan jarak sumbu roda. Manuver di lingkungan yang ketat membutuhkan input kemudi yang besar dan jarak spasial yang luas.
2. pada kecepatan tinggi, gaya lateral menumpuk dengan jeda fase antara gandar depan dan belakang. Kelambatan ini sering bermanifestasi sebagai sudut selip sementara, yang menyebabkan oversteer, geser ekor, atau spin-out kendaraan di bawah manuver ekstrem.

Sistem 4WS mengatasi masalah ini dengan secara aktif mengendalikan roda belakang:

• Kemudi fasa balik kecepatan rendah (arah berlawanan): Dengan memutar roda belakang ke arah yang berlawanan dengan roda depan ($\text{sgn}(\delta_r) \neq \text{sgn}(\delta_f)$), kendaraan yaw pusat rotasi bergeser lebih dekat ke pusat gravitasi fisik. Ini mengurangi radius belok, memberikan kendaraan perilaku oversteer sementara yang menghasilkan kelincahan tinggi. Karena manuver kecepatan rendah terjadi di bawah margin stabilitas tinggi, risiko slip-out kendaraan hampir tidak ada.
• Kemudi fase sama kecepatan tinggi (arah yang sama): Saat kecepatan meningkat, memutar roda belakang ke arah yang sama dengan roda depan ($\text{sgn}(\delta_r) = \text{sgn}(\delta_f)$) meningkatkan karakteristik understeer kendaraan. Pengaturan ini menyelaraskan pembangkitan gaya lateral pada kedua gandar secara bersamaan, meminimalkan sudut sidelip kendaraan ($\beta \approx 0$). Ini menghilangkan goyangan ekor, memastikan pelacakan yang stabil, dan meningkatkan kepercayaan diri mengemudi berkecepatan tinggi.

4. Dasar Matematika: Model Sepeda 2-DOF Linear

Untuk merancang pengontrol berbasis model yang kuat, kami menggunakan model kendaraan dua derajat kebebasan (2-DOF) linier klasik. Model ini mengisolasi translasi lateral dan gerakan yaw sambil mengabaikan efek track-width, roll, pitch, dan lift aerodinamis.

Persamaan dasar gerak untuk kendaraan 4WS dirumuskan sebagai berikut:$$\begin{cases} m v_x (\dot{\beta} + \omega_r) = f_{yf} + f_{yr} \\ i_z \dot{\omega}_r = a f_{yf} – b f_{yr} \end{cases}$$

Menggunakan model ban linier di mana gaya lateral ban $f_{yf}$ dan $f_{yr}$ sebanding dengan sudut slip ban masing-masing, kami menyatakannya sebagai:$$\begin{case} f_{yf} = k_f \left( \delta_f – \beta – \frac{a \omega_r}{v_x} \kanan) \\ f_{yr} = k_r \left( \delta_r – \beta + \frac{b \omega_r}{v_x} \kanan) \end{cases}$$

Mengganti persamaan gaya ban ke dalam persamaan gerak menghasilkan:$$\begin{cases} (k_f+k_r)\beta + \frac{a k_f – b k_r}{v_x}\omega_r – k_f \delta_f – k_r \delta_r = m(\dot{v}_y + v_x \omega_r) \quad \text{— (1)} \\ (a k_f – b k_r)\beta + \frac{a^2 k_f + b^2 k_r}{v_x}\omega_r – a k_f \delta_f + b k_r \delta_r = i_z \dot{\omega}_r \quad \text{— (2)} \end{cases}$$

Membedakan Persamaan (1) Sehubungan dengan Hasil Waktu:$$\frac{d}{dt}\kiri[ (k_f+k_r)\beta + \frac{a k_f – b k_r}{V_x}\omega_r – k_f \delta_f – k_r \delta_r \right]= m(\ddot{v}_y + v_x \dot{\omega}_r) \quad \text{— (3)}$$

Menggunakan perkiraan sudut sisi tengah gravitasi $\beta \approx \frac{v_y}{v_x}$, turunannya adalah:$$\dot{\beta} = \frac{\dot{v}_y}{v_x} \implies \dot{v}_y = v_x \dot{\beta} \quad \text{— (4)}$$

Dengan menggabungkan persamaan (1) sampai (4), kita dapat merestrukturisasi persamaan keadaan yang mengatur. Untuk menyederhanakan analisis kontrol, kami memperkenalkan koefisien bantu $a_1$ dan $a_2$:$$\begin{cases} a_1 = \frac{k_f + k_r}{m v_x} \\ a_2 = \frac{a k_f – b k_r}{i_z} \end{cases}$$

Menggantinya kembali ke model kami menghasilkan representasi ruang keadaan yang disederhanakan:$$\dot{x} = a x + b u \quad \text{— (5)}$$

di mana vektor keadaan $x =[\beta, \omega_r]^T$ dan vektor input $u =[\delta_f, \delta_r]^T$.

5. Mendekonstruksi Strategi Pengendalian 4WS Tradisional

Sebelum merancang strategi switching hybrid, kita harus menganalisis perilaku matematis, fungsi transfer, dan konsekuensi dari tiga metode kontrol 4WS standar.

+---------------------------------------------------------------------------------+
|                                4WS CONTROL STRATEGIES                           |
+---------------------------------------------------------------------------------+
|   1. FEEDFORWARD ONLY (Kp)      |   2. FEEDBACK ONLY (K_omega)  |   3. COMBINED (Kz)    |
|   - Goal: Zero sideslip (Beta=0)|   - Goal: Yaw damping         |   - Goal: Low-speed   |
|   - Active at high speed        |   - Best high-speed understeer|     oversteer behavior|
+---------------------------------------------------------------------------------+

5.1 Kontrol feedforward proporsional (tujuan zero-sidelip)

Tujuan desain utama dari kemudi feedforward proporsional adalah untuk memaksa sudut sidelip tengah gravitasi ke nol ($\beta = 0$) selama manuver belok kondisi tunak apa pun.

Kami mengasumsikan hubungan proporsional linier langsung antara sudut roda depan dan belakang:$$\delta_r = k_p \delta_f$$

Dengan mengganti $\beta = 0$ dan $\dot{\beta} = 0$ ke dalam persamaan (5) Dalam kondisi tunak, kami menyelesaikan persamaan aljabar untuk mengisolasi rasio feedforward $K_P$:$$K_P = \frac{\delta_r}{\delta_f} = \frac{b + \frac{m a v_x^2}{k_r (a+b)}}{a – \frac{m b v_x^2}{k_f (a+b)}} = \frac{b + \frac{m a v_x^2}{k_r l}}{a – \frac{m b v_x^2}{k_f l}} \quad \text{— (12)}$$

Untuk mempelajari perilaku yaw dinamis, kami mengambil transformasi Laplace dari persamaan keadaan-ruang dengan pengontrol umpan maju yang terlibat:$$\frac{\omega_r(s)}{\delta_f(s)} = g_{\omega}(s) \quad \teks{— (8)}$$

Dengan mengevaluasi sistem dalam keadaan tunak ($s \to 0$), kita sampai pada perolehan laju yaw keadaan tunak:$$\frac{\omega_r}{\delta_f} = \frac{v_x}{l (1 + k v_x^2)} \quad \text{— (10)}$$

di mana $k$ adalah faktor stabilitas kendaraan klasik, yang didefinisikan sebagai:$$k = \frac{m}{l^2} \left( \frac{a}{k_r} – \frac{b}{k_f} \right)$$

Persamaan (12) mendefinisikan bagaimana sudut roda belakang melacak sudut roda depan melintasi spektrum kecepatan kendaraan.

Rear-to-Front Ratio (Kp)
 ^
 |    +---+ (Counter-phase, Kp < 0 at low speeds)
 |        |
0+--------+------------------------------> Vehicle Speed Vx
 |        |
 |        +---+ (Same-phase, Kp > 0 at high speeds)

Gambar 1: Rasio Feedforward Proporsional Tradisional $K_P$ sebagai fungsi kecepatan $V_X$ ($0$ untuk $200\teks{ km/h}$). Perhatikan bahwa $k_p = 0$ Menandai ambang batas fisik di mana roda belakang bertransisi dari fase kontra ke kemudi fase yang sama.

5.2 Kontrol umpan balik proporsional (Umpan balik status yaw rate)

Alih-alih bertindak secara membabi buta berdasarkan input kemudi pengemudi, kontrol umpan balik menggunakan kendaraan yang diukur dengan kecepatan yaw ($\omega_r$) untuk memerintahkan roda belakang, memperkenalkan redaman aktif dan penanganan koreksi.

Kami menetapkan:$$\delta_r = k_{\omega} \omega_r \quad \text{— (13)}$$

Untuk memungkinkan dinamika berkendara yang dipersonalisasi, kami memperkenalkan faktor koreksi mode pengemudi ($K_M$):$$\delta_r = k_m k_{\omega} \omega_r$$

dimana:

• Mode standar: $k_m = 1.0$
• Mode olahraga: $k_m > 1.0$ (biasanya $1,2$, memberikan respons turn-in awal yang lebih cepat tetapi mengurangi redaman lateral belakang)
• Mode Kenyamanan: $k_m < 0.8$ (biasanya $0,8$, memberikan transisi yaw yang sangat teredam dan halus)

Mengambil transformasi Laplace dan menyelesaikan fungsi transfer:$$\frac{\omega_r(s)}{\delta_f(s)} = \frac{a_2 s + b_2}{s^2 + 2\zeta\omega_n s + \omega_n^2} \quad \text{— (14)}$$

Dengan menerapkan kondisi tunak pada persamaan kendaraan 2-DOF di bawah kontrol umpan balik, kami memperoleh:$$\omega_r = \frac{v_x}{l(1+kv_x^2)} \delta_f$$

Kami memecahkan koefisien umpan balik loop tertutup $k_{\omega}$:$$k_{\omega} = \frac{b}{v_x} + \frac{m a v_x}{k_r (a+b)} \quad \teks{— (17)}$$

Feedback Gain (K_omega)
 ^
 |  \
 |   \
 |    \_______
 |            \_______
0+-------------------------------------> Vehicle Speed Vx

Gambar 2: Koefisien penguatan umpan balik tingkat yaw $k_{\omega}$ diplot terhadap kecepatan kendaraan $V_X$ ($0$ untuk $200\teks{ km/h}$).

5.3 Kontrol umpan balik gabungan feedforward

Menggabungkan kedua metode menyediakan sistem kemudi dengan tindakan feedforward prediktif berdasarkan niat pengemudi ($\delta_f$) dan tindakan umpan balik korektif loop tertutup berdasarkan respons kendaraan yang sebenarnya ($\omega_r$):$$\delta_r = k_1 \delta_f + k_2 \omega_r \quad \text{— (18)}$$

di mana $k_1$ adalah penguatan feedforward dan $k_2$ adalah penguatan umpan balik yaw.

Mengambil transformasi Laplace dari persamaan (18) dan menggantinya menjadi persamaan keadaan 2-DOF menghasilkan fungsi transfer dinamis:$$\frac{\omega_r(s)}{\delta_f(s)} = \frac{b_0 + b_1 s}{a_0 + a_1 s + a_2 s^2} \quad \text{— (19)}$$

Memecahkan keuntungan tingkat yaw kondisi mapan:$$\frac{\omega_r}{\delta_f} = \frac{v_x}{l(1+k v_x^2)} \quad \text{— (20)}$$

Menerapkan kondisi kondisi tunak menghasilkan:$$k_1 = \frac{b k_r – a k_f}{l k_r}, \quad k_2 = \frac{m v_x}{l k_r} \quad \text{— (21)}$$

Menyederhanakan hukum kontrol gabungan untuk putaran keadaan tunak memungkinkan kita untuk mengekspresikan sudut roda belakang sebagai fungsi terpadu dari sudut roda depan melalui koefisien gabungan $K_Z$:$$\delta_r = k_z \delta_f \quad \text{— (24)}$$

Combined Coefficient (Kz)
 ^
 |     /--- (Same-phase, Kz > 0)
 |    /
0+---/---------------------------------> Vehicle Speed Vx
 |  /
 | /  (Counter-phase, Kz < 0)

Gambar 3: Koefisien proporsional feedforward-feedback gabungan $K_Z$ sebagai fungsi kecepatan $V_X$ ($0$ untuk $200\teks{ km/h}$).

5.4 Analisis trade-off kelincahan-stabilitas

Menganalisis kurva kenaikan tingkat yaw kondisi mapan mengungkapkan dilema rekayasa kritis:

Yaw Rate Gain
 ^
 |      /--- Combined Control (Max oversteer, excellent agility)
 |     / 
 |    /--- Neutral / Front Wheel Steering (2WS Base)
 |   /
 |  /---- Yaw Rate Feedback Control (Strong understeer, max stability)
 | /
0+---------------------------------------------> Vehicle Speed Vx

Gambar 4: Perbandingan keuntungan tingkat yaw keadaan tunak di bawah strategi kontrol 4WS yang berbeda terhadap baseline 2WS standar.

• Wilayah berkecepatan rendah (< Kecepatan kritis): Strategi kontrol gabungan menghasilkan peningkatan tingkat yaw keadaan tunak tertinggi, yang berarti kendaraan ini sangat responsif dan gesit. Ini menunjukkan karakteristik fase counter yang sangat baik, memungkinkan kendaraan untuk menegosiasikan tikungan tajam dengan upaya kemudi minimal.
• Wilayah berkecepatan tinggi (> Kecepatan kritis): Strategi kontrol umpan balik tingkat yaw menampilkan penurunan paling signifikan dalam peningkatan kecepatan yaw dibandingkan dengan 2ws. Perilaku understeer ini memastikan bahwa kendaraan tetap stabil, tahan terhadap slip samping, dan aman selama manuver jalan raya yang tiba-tiba.

Trade-off rekayasa: Kami tidak dapat menjalankan mode kontrol tunggal di semua kecepatan. Jika kita menjaga kontrol gabungan pada kecepatan tinggi, kendaraan menjadi terlalu sensitif dan cenderung berputar keluar. Jika kita menjalankan umpan balik rate yaw pada kecepatan rendah, kemudi terasa berat dan lamban, meningkatkan beban kerja kemudi pengemudi.

6. Kecepatan kritis ganda & Strategi Peralihan Histeresis

Untuk menangkap yang terbaik dari kedua dunia, Dowway telah merancang strategi peralihan mode 4WS kecepatan kritis ganda. Kendaraan menjalankan kontrol gabungan pada kecepatan rendah untuk kelincahan, dan transisi ke kontrol umpan balik tingkat yaw pada kecepatan tinggi untuk stabilitas.

6.1 Mendefinisikan dan menurunkan kecepatan kritis: $V_1$, $V_2$, dan $V_3$

Alih-alih menggunakan ambang kecepatan hard-switching tunggal, strategi kami bergantung pada tiga kecepatan yang diturunkan secara matematis:

+-------------------+----------------------+-------------------+
|  LOW-SPEED ZONE   |   TRANSITION BAND    |  HIGH-SPEED ZONE  |
| (Combined Ctrl)   | (Hysteresis/Dead-Z)  |  (Feedback Ctrl)  |
+-------------------+----------------------+-------------------+
0                 V1                     V2                  V3

1. Kecepatan transisi rendah ke menengah ($V_1$ dan $V_2$)

Ambang transisi fisik terjadi di mana sudut kemudi belakang yang diperintahkan ($\delta_r$) adalah nol, menandakan batas antara fase kontra dan perilaku fase yang sama.

Untuk strategi kontrol umpan balik tingkat yaw, pengaturan $\delta_r = 0$ dalam persamaan (25) menghasilkan kecepatan kritis pertama, $V_1$:$$V_1 = \sqrt{-\frac{b k_r (a+b)}{m a}}$$

Catatan: sejak $K_R$ didefinisikan sebagai besaran positif, nilai fisik aktual di bawah sistem koordinat standar menghasilkan $v_1 = \sqrt{\frac{b k_r l}{m a}}$.

Untuk strategi kontrol gabungan, pengaturan $\delta_r = 0$ dalam persamaan (27) menghasilkan kecepatan kritis kedua, $v_2$:$$v_2 = \sqrt{\frac{b k_r l}{m a}}$$

Karena perbedaan fisik redaman dan umpan balik, secara matematis:$$V_1 < V_2$$

interval $[V_1, V_2]$ mendefinisikan band histeresis kami.

2. Ambang Kritis Kecepatan Tinggi ($V_3$)

Pada kecepatan tinggi, kendaraan sangat rentan terhadap hilangnya kontrol yang diinduksi slip lateral. Untuk memastikan keamanan aktif tanpa memicu pengereman Electronic Stability Control (ESC), kami mendefinisikan batas akselerasi lateral maksimum, biasanya $a_{y,\text{max}} = 0.4g \approx 3.92\text{ m/s}^2$ pada kering aspal.

Tanpa 4ws, kondisi batas percepatan lateral berkecepatan tinggi adalah:$$a_y = v_x \omega_r \leq a_{y,\text{max}} \quad \text{— (29)}$$

Dengan 4WS aktif, amplop kecepatan aman dibatasi oleh:$$V_X \leq \sqrt{\frac{a_{y,\text{max}} l (1 + k v_x^2)}{\delta_f}} \quad \text{— (30)}$$

Dengan menggabungkan persamaan ini dengan perolehan umpan balik tingkat yaw dalam persamaan (31), kami menghitung batas mode kecepatan tinggi, $V_3$:$$V_3 = \sqrt{\frac{a_{y,\text{max}} l}{a \cdot \text{max}(\delta_f)}} \quad \text{— (32)}$$

Pada setiap kecepatan $V_X \GEQ V_3$, sistem beralih ke mode umpan balik kecepatan tinggi yang sangat teredam.

6.2 Band Histeresis & Desain Zona Mati Aktuator

Jika kendaraan melaju tepat pada kecepatan transisi tunggal, gundukan jalan kecil atau penyesuaian throttle pengemudi kecil akan menyebabkan kecepatan kendaraan berosilasi sedikit di atas dan di bawah ambang batas ini. Dengan ambang satu titik, pengontrol akan dengan cepat membalik antara kontrol gabungan dan kontrol umpan balik. Ini dikenal sebagai kontrol obrolan.

Obrolan kontrol menyebabkan dua masalah utama:

1. Pakaian Aktuator: Motor kemudi roda belakang mengalami lonjakan tegangan frekuensi tinggi dan pembalikan arah, yang menyebabkan panas berlebih yang cepat dan kegagalan mekanis.
2. Ketidaknyamanan pengemudi: Pengemudi terasa tiba-tiba, lompatan tidak menentu dalam nuansa kemudi dan umpan balik gaya lateral, yang merusak pengalaman berkendara intuitif.

       Mode State
         ^
Feedback |         /---------> (Increasing Speed)
  Mode   |        /
         |       /
         |      |   Hysteresis Band [V1, V2]
Combined | <----+-----------/
  Mode   |     (Decreasing Speed)
         +------+-----------+-------> Speed (Vx)
               V1          V2

Gambar 5: Pemetaan loop histeresis transisi antara kontrol gabungan dan mode kontrol umpan balik berdasarkan arah kecepatan.

Cara kerja band histeresis:

• Selama percepatan: Kendaraan tetap dalam mode kontrol gabungan (memaksimalkan kelincahan kecepatan rendah) hingga kecepatan melebihi ambang batas kritis atas, $V_2$.
• Selama perlambatan: Kendaraan tetap dalam mode kontrol umpan balik (menjaga stabilitas kecepatan tinggi) hingga kecepatan turun di bawah ambang batas kritis yang lebih rendah, $V_1$.
• Zona mati aktuator: dalam kisaran $[V_1, V_2]$, perintah roda belakang diinterpolasi atau ditahan dengan lancar, menciptakan zona penyangga yang menyaring kebisingan kecepatan dan mencegah peralihan mode frekuensi tinggi.

6.3 Kustomisasi Mode Driver ($K_M$)

Dengan menyesuaikan faktor koreksi mode pengemudi ($K_M$), sistem kontrol menggeser kurva kecepatan kritis. Ini mengubah seberapa awal transisi fase yang sama dan mengubah karakteristik redaman gandar belakang:$$\delta_{r,\text{command}} = k_m \cdot f(v_x, \delta_f, \omega_r)$$

Mode Coefficient (Km)
 ^
 |    +--- Sport Mode (km = 1.2): Delayed same-phase, sharper turn-in
 |    |
1.0+--+--- Standard Mode (km = 1.0): Balanced performance
 |    |
 |    +--- Comfort Mode (km = 0.8): Early same-phase transition, smooth
0+---------------------------------------------> Vehicle Speed Vx

Gambar 6: Karakterisasi mode mengemudi berdasarkan $K_M$ penskalaan melintasi rentang kecepatan.

• Mode olahraga ($k_m = 1,2$): Menggeser transisi fase yang sama ke kecepatan yang lebih tinggi. Kendaraan tetap dalam mode counter-phase lebih lama, memaksimalkan ketajaman menikung dan respons yaw pada kecepatan sedang.
• mode kenyamanan ($k_m = 0,8$): Mempromosikan transisi kemudi fase yang sama dan redaman yaw yang lebih berat. Ini mengurangi ketidaknyamanan akselerasi penumpang lateral dan memastikan pelacakan yang lancar dan stabil.

7. Matlab/Simulink & Co-Simulasi dan Validasi CARSIM

Untuk memvalidasi efektivitas strategi kontrol kecepatan kritis ganda yang kami usulkan, kami mengembangkan model simulasi bersama terintegrasi menggunakan CARSIM (menyediakan model fisika kendaraan penuh kesetiaan tinggi, non-linier) dan MATLAB/Simulink (menjalankan algoritma kontrol kami).

+------------------+                   +-----------------------+
|  MATLAB/Simulink |                   |        CarSim         |
|                  | -- Rear Angle --> |                       |
|  - Dual-Critical |                   |  - 27-DOF Non-linear  |
|    Speed Logic   | <-- Yaw & Vx ---- |    Vehicle Physics    |
+------------------+                   +-----------------------+

Parameter lingkungan simulasi:

• Profil Jalan: Flat, aspal kering gesekan tinggi, koefisien adhesi $\mu = 0,85$.
• Masukan Pengemudi: Masukan langkah sudut roda kemudi sebesar $90^\circ$ pada $t = 1.0\text{ S}$ (setara dengan perubahan jalur cepat atau entri menikung tajam).
• Konfigurasi pengujian:
  1. Menikung Agile Kecepatan Rendah: kecepatan konstan $30\text{ km/h}$.
  2. Stabilitas perubahan jalur kecepatan tinggi: kecepatan konstan $96\text{ km/h}$.
  3. Tolok ukur komparatif: 2ws standar, Comfort 4ws ($K_M=0.8$), 4WS standar ($K_M=1.0$), dan Sport 4WS ($K_M=1.2$).

7.1 Tes Step-Steer Kecepatan Rendah (30 km/jam)

Pada $30\text{ km/h}$ ($v_x < v_1$), sistem beroperasi dalam mode kontrol gabungan kecepatan rendah. Roda belakang mengarahkan arah fase berlawanan (berlawanan) ke roda depan.

       Y-Position [m] (Turning Path)
        ^
        |           /--- Sport 4WS (Tightest turning radius)
        |          / /-- Standard 4WS
        |         / / /-- Comfort 4WS
        |        | | |
        |        | | |
        |        | | | /-- Conventional 2WS (Widest path)
       0+--------+-+-+-+------------------------------> X-Position [m]

Gambar 7(a): Perbandingan lintasan spasial berkecepatan rendah.

       Yaw Rate [rad/s]
        ^            ___ Sport 4WS (Max agility)
        |          //   \__ Standard 4WS
        |         //       \__ Comfort 4WS
        |       //            \_____________
        |      /----------------------------- 2WS Base
       0+------+-----------------------------> Time [s]

Gambar 7(b): Respon laju yaw kecepatan rendah.

       Sideslip Angle [rad]
        ^
        |     /------------------------------ 2WS Base (Noticeable slip buildup)
       0+----+-------------------------------> Time [s]
        |     \_________________ Comfort 4WS
        |       \_________________ Standard 4WS
        |         \_________________ Sport 4WS (Controlled, active rotation)

Gambar 7(c): Sudut sidelip pusat gravitasi berkecepatan rendah.

       Rear Wheel Angle [deg]
        ^
       0+------+-----------------------------> Time [s]
        |     / \_________________ Comfort 4WS (Counter-phase)
        |    /   \_________________ Standard 4WS
        |   /     \_________________ Sport 4WS (Deepest counter-phase angle)

Gambar 7(d): Sudut kemudi roda belakang kecepatan rendah.

Analisis kinerja teknis (kecepatan rendah):

• kelincahan dan radius putar: Gambar 7(a) menunjukkan bahwa semua konfigurasi 4WS mencapai lintasan belok yang lebih ketat dibandingkan dengan baseline 2WS standar.
• Tanggapan Yaw: Mode Sport 4WS ($K_M=1.2$) menunjukkan tingkat yaw puncak tertinggi, menunjukkan rotasi hidung yang langsung dan tajam. Mode Comfort ($K_M=0.8$) menurunkan tingkat yaw puncak untuk entri yang lebih lancar dan bertahap, sehingga mudah dikelola untuk driver biasa.
• Karakteristik slip: Seperti yang terlihat pada Gambar 7(c), sedangkan kendaraan 2WS mengalami penyimpangan positif di sidelip, mode 4WS secara aktif menghasilkan sudut sidelip negatif. Sidelip negatif ini merupakan indikator rotasi kemudi roda belakang aktif, membuktikan bahwa kendaraan berputar dengan bersih di sekitar pusat gravitasinya tanpa kehilangan traksi.
• Trade-off Kenyamanan vs. Kelincahan: Di bawah mode Sport, akselerasi lateral meningkat dengan cepat karena turn-in yang tajam. Mode Comfort memperlambat penumpukan ini, memastikan transisi lateral yang mulus dengan biaya radius belok yang sedikit lebih besar daripada mode Sport.

7.2 Tes Step-Steer Kecepatan Tinggi (96 km/jam)

Pada $96\text{ Km/H}$ ($V_X \GeQ V_3$), sistem beroperasi dalam mode umpan balik yaw berkecepatan tinggi. Roda belakang mengarahkan ke arah fase yang sama (identik) seperti roda depan.

       Yaw Rate [rad/s]
        ^      /-- 2WS Base (High peak, oscillation risk)
        |     /  \
        |    /    \_______ Sport 4WS
        |   /      \_______ Standard 4WS
        |  /        \_______ Comfort 4WS (Damped, stable trajectory)
       0+--+---------------------------------> Time [s]

Gambar 8(a): Respon laju yaw berkecepatan tinggi.

       Sideslip Angle [rad]
        ^      /-- 2WS Base (Severe sideslip, spin risk)
        |     /
       0+----+-------------------------------> Time [s]
        |     \___________ Sport 4WS
        |       \___________ Standard 4WS
        |         \___________ Comfort 4WS (Closest to zero sideslip)

Gambar 8(b): Respons sudut sidelip berkecepatan tinggi.

       Lateral Acceleration [g]
        ^      /-- 2WS Base (Sharp, unsettling spike)
        |     /
        |    /   /-- Sport 4WS
        |   /   /-- Standard 4WS
        |  /   /-- Comfort 4WS (Smooth lateral force buildup)
       0+--+--+------------------------------> Time [s]

Gambar 8(c): Akselerasi lateral berkecepatan tinggi.

       Rear Wheel Angle [deg]
        ^      /----------------------------- Comfort 4WS (Largest same-phase angle)
        |     /------------------------------ Standard 4WS
        |    /------------------------------- Sport 4WS (Reduced same-phase angle)
       0+---+--------------------------------> Time [s]

Gambar 8(d): Sudut kemudi roda belakang berkecepatan tinggi.

Analisis kinerja teknis (kecepatan tinggi):

• Jaminan stabilitas: Di bawah $90^\circ$ input langkah berkecepatan tinggi pada $96\text{ km/h}$, kendaraan 2WS standar mengalami lonjakan parah pada kedua tingkat yaw (Gambar 8(a)) dan sudut sidelip (Gambar 8(b)). Ini menunjukkan risiko tinggi breakaway dan spin-out dari belakang. Semua konfigurasi 4WS dengan cepat meredam osilasi transien, memaksa kendaraan ke kondisi stabil.
• Penindasan Sidelip: Mode Comfort 4WS ($K_M=0.8$) memerintahkan sudut kemudi roda belakang fase sama terbesar (Gambar 8(d)). Sudut fase yang sama ini menjaga sudut sidelip tengah gravitasi paling dekat dengan nol, menghilangkan geser lateral.
• Kenyamanan berkendara: Karena sudut sidelip yang diminimalkan, percepatan lateral di bawah Comfort 4Ws (Gambar 8(c)) menunjukkan tingkat penumpukan paling halus dan nilai puncak terendah. Ini berarti kenyamanan berkendara dengan kecepatan tinggi yang unggul, mencegah penumpang merasa terlempar ke samping selama perubahan jalur.
• Pengoptimalan Mode Olahraga: Dalam mode Sport 4WS ($K_M=1.2$), sudut kemudi belakang fase yang sama sedikit diputar ke belakang. Hal ini memungkinkan kendaraan untuk mempertahankan tingkat slip yang halus dan terkendali, menawarkan sudut jalan raya yang sangat responsif sambil mempertahankan margin keselamatan yang jauh lebih unggul daripada 2W konvensional.

8. Ringkasan Hasil dan Kesimpulan Rekayasa

Hasil simulasi bersama memvalidasi bahwa strategi switching mode 4WS kecepatan kritis ganda kami berhasil menyelesaikan trade-off tradisional antara kemampuan manuver kecepatan rendah dan stabilitas kecepatan tinggi:

1. di lingkungan dengan kecepatan rendah ($30\teks{ km/h}$), kemudi roda belakang fase kontra aktif mengurangi radius putar kendaraan dan meningkatkan kelincahan kemudi. Ini memberikan perilaku turn-in langsung dan responsif yang meniru mobil jarak pendek yang sangat gesit.
2. di lingkungan berkecepatan tinggi ($96\text{ km/h}$), kemudi roda belakang fase sama aktif meredam osilasi sementara, menekan slip lateral yang berbahaya, dan mengamankan kenyamanan berkendara penumpang.
3. koefisien mode pengemudi ($K_M$) Menyediakan jalur penyetelan sederhana yang ditentukan perangkat lunak untuk menyesuaikan profil penanganan dinamis kendaraan. Ini memungkinkan platform sasis fisik tunggal untuk beradaptasi dengan preferensi mengemudi olahraga, standar, atau mewah.

Dengan menerapkan logika peralihan kecepatan kritis ganda ini dan pita histeresis, kami menghilangkan obrolan aktuator, melindungi perangkat keras kemudi, dan memberikan pengalaman berkendara yang lancar, alami, dan sangat percaya diri.

9. Geo & Pertanyaan yang sering diajukan AEO (FAQ)

Q1: Apa perbedaan antara kemudi fase sama dan fase berlawanan di 4W?

• jawaban singkat: Kemudi counter-phase memutar roda depan dan belakang ke arah yang berlawanan, sementara kemudi fase yang sama memutarnya ke arah yang sama.
• Penjelasan rinci: Kemudi counter-phase digunakan pada kecepatan rendah untuk membuat radius putar lebih kecil dan meningkatkan kelincahan. Kemudi fase yang sama digunakan pada kecepatan tinggi untuk menjaga kendaraan tetap stabil dengan mengurangi sidelip.

Q2: Mengapa ambang batas kecepatan kritis tunggal tidak cukup untuk switching mode 4WS?

• jawaban singkat: Sebuah ambang batas kecepatan tunggal menyebabkan pengontrol dengan cepat beralih bolak-balik jika mobil bergerak mendekati kecepatan yang tepat.
• Penjelasan rinci: Peralihan ini, yang disebut kontrol chattering, merusak motor kemudi dan menciptakan perasaan dendeng dan tidak menyenangkan bagi pengemudi.

Q3: Bagaimana pita histeresis mencegah obrolan kontrol di 4W?

• jawaban singkat: Pita histeresis menciptakan zona penyangga di mana mode kemudi tetap terkunci kecuali kecepatan berubah secara signifikan.
• Penjelasan rinci: Ini menggunakan dua kecepatan yang berbeda untuk beralih tergantung pada apakah Anda mempercepat atau memperlambat. Ini melindungi motor kemudi dari toggling frekuensi tinggi.

Q4: Bagaimana mode Sport ($K_M = 1,2$) mempengaruhi stabilitas kecepatan tinggi dibandingkan dengan mode Comfort ($K_M = 0,8$)?

• jawaban singkat: Mode Sport menskalakan kembali sudut fase yang sama untuk menjaga beberapa nuansa menikung, sementara mode Comfort memaksimalkan kemudi fase yang sama untuk stabilitas absolut.
• Penjelasan rinci: Mode Comfort memaksa kendaraan sudut sidelip ke hampir nol, yang mengurangi gaya lateral pada penumpang. Mode Sport memungkinkan sedikit slip untuk membuat kemudi terasa lebih tajam.