Nghiên cứu điều khiển hệ thống lái điện trên ô tô con

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu điều khiển hệ thống lái điện trên ô tô con

1. MỞ ĐẦU Nghiên cứu về sự phát triển các hệ thống trên ô tô cho thấy ô tô thế giới đang có những thay đổi mạnh mẽ trong đó có những thay đổi của hệ thống lái. Xu thế dẫn động điều khiển kiểm soát toàn bộ động lực học xe thông qua điều khiển bằng điện đang dần trở nên rõ nét. Các nghiên cứu về hệ thống điều khiển bằng điện là tiền đề phát triển cộng nghệ lái tự động. Công nghệ này đã và đang được thử nghiệm ở các cấp độ khác nhau trên ô tô có khả năng kết nối với cơ sở hạ tầng giao thông thông minh. Có bốn cấp độ phát triển công nghệ lái ô tô khác nhau: Hỗ trợ người lái, kết hợp chức năng tự động với người lái, lái tự động mức độ giới hạn, lái tự động hoàn toàn. Trong đó, công nghệ lái tự động hoàn toàn ngoài việc cho phép phương tiện thực hiện tự động tất cả các chức năng lái xe còn có chức năng giám sát điều kiện giao thông khi vận hành. Công nghệ này giúp giải phóng sức lao động và thời gian lái xe, người sử dụng chỉ cần lựa chọn điểm đi và đến, công việc còn lại hoàn toàn tự động. Các nghiên cứu về hệ thống lái điện (SBW) là tiền đề để phát triển công nghệ lái tự động đã được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới thực hiện. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về hệ thống lái điện chưa được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đúng mức. Với mong muốn nắm bắt được các công nghệ điều khiển lái hiện đại trên thế giới một cách sâu sắc, tiến tới làm chủ công nghệ và phát triển các công nghệ mới tại Việt Nam tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển hệ thống lái điện trên ô tô con” làm luận án tiến sĩ. Chƣơng I. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Các loại hệ thống lái Tổng hợp quá trình phát triển các hệ thống lái trên xe ô tô có thể liệt kê thành các hệ thống lái sau: hệ thống lái thuần cơ khí, hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống lái tích cực, hệ thống lái điện, hệ thống lái tự động. Mặc dù mặt kết cấu các hệ thống lái khác biệt, tuy nhiên có thể tổng hợp các thành phần kết cấu hệ thống lái một cách chung nhất như Hình 1. Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái 1.1.1. Hệ thống lái cơ khí Hệ thống lái thuần cơ khí được bố trí trên các xe thế hệ đầu tiên từ thập kỷ 50. Về cấu tạo chúng gồm hai thành phần dẫn động lái và cơ cấu lái. Các nghiên cứu phát triển hệ thống lái cơ khí chủ yếu tập trung vào khả năng quay vòng ô tô trong thời gian ngắn nhất trên một diện tích bé, giữ cho xe ổn định chuyển động thẳng, lực tác dụng lên vành tay lái nhỏ trong giới hạn số vòng quay đánh lái cho phép, đảm bảo động lực quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt, sự tương thích động học giữa dẫn động lái và bộ phận dẫn hướng của hệ thống treo, khả năng ngăn được các va đập của các bánh xe dẫn hướng lên vành tay lái thông qua hiệu suất truyền lực, quan hệ chuyển động giữa bánh xe bên phải và bên trái. Nhìn chung hệ thống lái thuần cơ khí đáp ứng được yêu cầu ban đầu để xe chuyển động trên đường ứng với dải tốc độ hạn chế đảm bảo các điều kiện chuyển động quay vòng. Tuy nhiên, trong quá trình đánh lái, người lái phải sử dụng toàn bộ năng lượng để thực hiện việc điều khiển hướng chuyển động, đồng thời cũng tiếp nhận những phản hồi không mong muốn từ mặt đường điều này làm cho người lái cảm thấy mệt mỏi khi sử dụng. Các nghiên cứu hệ thống lái cơ khí chỉ tập trung vào bài 1
2. toán góc quay bánh xe dẫn hướng chuyển động theo vô lăng, do vậy ảnh hưởng của dịch chuyển thân xe đến quá trình quay vòng khi đánh lái ở tốc độ cao là rõ nét và chưa kiểm soát được, chưa tối ưu khối lượng, kích thước các chi tiết cơ khí nên cơ cấu chưa gọn nhẹ, chiếm nhiều không gian bố trí. Trên thị trường Việt Nam vẫn còn một số ít các xe cũ đang lưu thông sử dụng loại hệ thống lái này. 1.1.2. Hệ thống lái trợ lực thủy lực Hệ thống lái trợ lực thủy lực là sự cải tiến của hệ thống lái thuần cơ khí nhằm giải quyết vấn đề chính là hỗ trợ một phần năng lượng của người lái trong quá trình điều khiển xe tạo cảm giác thoải mái khi điều khiển lái. Tùy theo thiết kế và chế độ chuyển động của xe, năng lượng hỗ trợ của bộ trợ lực do động cơ tạo ra có thể lên đến 80% năng lượng tổn hao cho việc đánh lái. Việc trang bị hệ thống lái trợ lực giúp cho người lái ít tổn hao năng lượng khi quay vòng xe đồng thời giảm được những va đập từ bánh xe lên vô lăng. Không những thế, nó còn nâng cao được tính năng an toàn nhờ vào việc trong một số trường hợp lốp gặp sự cố đột ngột. Đây là một trong những ưu điểm nổi bật hệ thống lái trợ lực thủy lực. Vấn đề chính cần giải quyết ở hệ thống lái này là tỷ lệ trợ lực phù hợp với điều kiện chạy xe và sự thay đổi góc đánh lái. Có thể thấy rõ khi di chuyển ở vận tốc thấp mô men cản quay vòng tương đối lớn do vậy cần trợ lực nhiều, ngược lại tốc độ cao cần hạn chế trợ lực. Hay nói cách khác, đặc tính trợ lực của hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn thay đổi tỷ lệ trợ lực theo điều kiện chuyển động dựa trên giá trị mô men cản quay vòng. Mô men cản này thay đổi theo vị trí góc đánh lái và vận tốc chạy xe. Hệ thống lái trợ lực thủy lực ban đầu sử dụng thanh xoắn để điều khiển các chế độ trợ lực. 1.1.3. Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện là phiên bản cải tiến của hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn, được phát triển từ thập kỷ 90. Đặc điểm quan trọng của hệ thống này là thanh xoắn cảm biến mô men đánh lái không trực tiếp điều khiển van trợ lực thành tín hiệu điện gửi đến hộp điều khiển điều khiển trợ lực. Hộp điều khiển trợ lực tổng hợp các tín hiệu chạy xe, tính toán và xác định phần tỷ lệ trợ lực từ đó quyết định đặc tính trợ lực thông qua việc điều khiển áp lực dầu từ bơm trợ lực và lượng dầu đi vào xy lanh trợ lực. Thông qua việc điều khiển gián tiếp, các chế độ trợ lực và đặc tính trợ lực được thay đổi một các linh hoạt. So với hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện có nhiều ưu điểm hơn như: Dải làm việc làm việc của trợ lực đa dạng đáp ứng các dải tốc độ khác nhau đặc biệt là đặc tính trợ lực, tạo cảm giác lái ở dải tốc độ cao. Trên thị trường Việt Nam hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện thường được trang bị cho các dòng xe hạng trung và một số xe hạng sang. 1.1.4. Hệ thống lái trợ lực điện Hệ thống lái trợ lực điện được phát triển với mong muốn thay thế hệ thống trợ lực thủy lực truyền thống. Điểm chính của hệ thống trợ lực này là bộ phận trợ lực thủy lực truyền thống được thay thế bằng bộ điều khiển trợ lực sử dụng động cơ điện. Việc điều khiển trợ lực thông qua mô tơ điện được điều khiển bằng hộp điều khiển. Hệ thống trợ lực điện có thể xem là một trong những hệ thống cơ điện tử. Trong đó hộp điều khiển ECU của hệ thống trợ lực chứa chương trình điều khiển. Chương trình điều khiển được lập trình dựa trên thuật toán điều khiển trợ lực lái. Trong hệ thống này, cảm biến mô men cản sẽ xác định mô men cản quay bánh xe dẫn hướng, ứng với từng điều kiện chuyển động cụ thể chương trình sẽ tính toán lựa chọn đặc tính trợ lực thích hợp để quyết định giá trị mô men bao nhiêu phần trăm thông qua việc điều khiển trực tiếp mô tơ điện. 1.1.5. Hệ thống lái chủ động Hệ thống lái sử dụng trợ lực giúp người lái xe điều khiển chuyển động một các linh hoạt và dễ dàng, giảm được mệt mỏi khi lái xe trong thời gian dài. Tuy nhiên, hệ thống lái này vẫn còn một số vấn đề cần cải tiến. Hệ thống lái chủ động được thiết kế dựa trên phân tích về hướng chuyển động thực tế của xe khi lưu thông ở các tốc độ khác nhau tại các điều kiện khác nhau. Khi ô tô chuyển động ở dải tốc độ thấp hướng chuyển động của ô tô được quyết định bởi góc đánh lái. Tuy nhiên khi vận tốc chuyển động lớn hơn 60 km/h ảnh hưởng của lực quán tính tác động lên thân xe làm xoay thân xe do lốp biến dạng và ảnh hưởng hệ thống treo là rõ nét. Nói cách khác hướng chuyển động của ô tô phụ thuộc vào hai tín hiệu góc đánh lái (điều khiển góc quay bánh xe dẫn hướng từ vô lăng) 2
3. và góc xoay thân xe (thay đổi điều kiện chạy xe tác động lên hệ thống treo). Hệ thống lái chủ động là bước phát triển của hệ thống lái cơ khí giải quyết bài toàn ảnh hưởng của tình trạng quay vòng thiếu, quay vòng thừa do ảnh hưởng của hệ thống treo và biến dạng của lốp. Đặc điểm chính của hệ thống này là sự thay đổi tỷ số truyền theo tình trạng biến dạng lốp cầu trước và cầu sau. Các thông tin góc xoay thân xe, góc đánh lái, vận tốc xe, áp suất lốp được chương trình máy tính phân tích, tính toán quyết định tỷ số truyền giữa góc quay vô lăng và góc quay bánh xe dẫn hướng. 1.1.6. Hệ thống lái điện Với các hệ thống lái đã trình bày ở trên, khi quay vòng ở các tốc độ khác nhau người lái chỉ kiểm soát được một số trạng thái động lực học của xe. Hệ thống lái điện có khả năng tích hợp tất cả các hệ thống khác trên xe thành một đối tượng thống nhất. Trong các năm gần đầy, hệ thống lái này đang được tập trung nghiên cứu (Hình 1.2). Hình 1.2: Các kiểu hệ thống lái điện a) Dẫn động tích hợp; b) Dẫn động độc lập 1.1.7. Hệ thống lái trong tƣơng lai Các nghiên cứu về hệ thống lái điện là tiền đề phát triển công nghệ lái tự động. Công nghệ lái xe tự động đã được ứng dụng cho các dòng xe điện, xe lai điện (xe phối hợp giữa động cơ xăng và điện) trong giao thông tại một số nước phát triển (Mỹ, Đức, Nhật, Trung Quốc). Công nghệ này được dự báo sẽ được sử dụng trên nhiều phương tiện vận tải trong tương lai tại các thành phố lớn. Công nghệ lái tự động ứng dụng trên xe nhiều cấp độ khác nhau. Công nghệ này có thể chia thành bốn cấp độ khác nhau tùy vào khả năng công nghệ và kết cấu cơ sở hạ tầng giao thông. 1.2. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.2.1. Các nghiên cứu nƣớc ngoài Trên thế giới đã có nhiều tổ chức, tác giả, nhiều đề tài và công trình nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm về hệ thống lái điện. Các nghiên cứu được tiến hành trên nhiều khía cạnh khác nhau. Tuy nhiên, có thể thấy một vấn đề chính đó là việc truyền dẫn tín hiệu giữa vành tay lái phía trên và chuyển động của các bánh xe dẫn hướng. Vấn đề này có thể được chia thành hai nhóm chính: truyền tín hiệu và phản hồi tín hiệu. Tín hiệu được truyền đi dựa theo góc quay vành tay lái, tín hiệu phản hồi phản ánh tình trạng đường lên người lái. Khi nghiên cứu về hệ thống lái điện có thể chia thành năm phần: Bộ phận vô lăng, bộ phận chấp hành hệ thống lái điện, bộ phận xử lý tín hiệu đảm bảo an toàn, bộ điều khiển, động lực học xe. . Bộ phận vô lăng Các nghiên cứu tập trung vào các phương pháp điều khiển tạo cảm giác trên vô lăng. Trong lĩnh vực này nhiều tác giả nghiên cứu hình thành nên ba nhóm chính bao gồm phương pháp tạo cảm giác sử dụng biểu đồ cảm giác, phương pháp sử dụng cảm biến mô men, phương pháp sử dụng cảm biến dòng. Các nghiên cứu của Andrew Liu và Stacey Chang mô tả các kết quả thực nghiệm khi lái xe làm cơ sở phản hồi cảm giác lái khi cho thử nghiệm ở ba điều kiện thử nghiệm khác nhau. Sau khi thử nghiệm ở ba trạng thái quay vòng, tác giả so sánh với các kết quả đã công bố và đưa ra các thảo luận chung. Nguyen-Jee Hwan Ryu nghiên cứu tạo cảm giác xác thực nhất trên vành tay lái được tái tạo thông qua phương pháp đo dòng . Đặc điểm chính của phương pháp này là sử dụng cảm biến đo dòng để đo cường độ dòng điện động cơ đặt tại cơ cấu lái làm tín hiệu phản hồi lên vô lăng. Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phần mềm LabVIEW để mô phỏng đặc tính cảm giác thông qua phương trình. Tác giả so sánh với các phương pháp tạo cảm giác khác và cho rằng phương pháp này tái tạo cảm giác chính xác, đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn so với các phương pháp khác. 3
4. Phương pháp sử dụng cảm biến mô men phản hồi cảm giác lái được Sanket Amberkar nghiên cứu. Đây là phương pháp phản hồi cảm giác được phát triển từ các hệ thống lái trợ lực lái điện. . Bộ phận chấp hành hệ thống lái điện Bộ chấp hành bao gồm động cơ điện lắp lên bánh răng cơ cấu lái điều khiển bánh xe dẫn hướng. Các nghiên cứu trên thế giới sử dụng mô hình hai bậc tự do, ba bậc tự do và bốn bậc tự do làm đối tượng để phân tích hệ thống lái điện. Động lực học bộ phận chấp hành hệ thống lái đóng vai trò then chốt cho phương pháp điều khiển hệ thống lái điện và tái tạo cảm giác lái trên vô lăng. . Bộ phận xử lý tín hiệu và đảm bảo an toàn Các nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế các mạch điện tử có khả năng điều khiển hệ thống một cách linh hoạt và có độ tin cậy cao. Cơ cấu liên kết cơ khí đảm bảo an toàn cũng được xét đến. M. Segawa nhóm nghiên cứu tái tạo cảm giác lái khi tình trạng hỏng đột ngột xảy ra. Thông qua việc mô phỏng mômen phản ứng với hệ thống lái sử dụng cơ cấu an toàn. Nghiên cứu này đã chỉ ra thành phần mô men phản ứng được hạn chế bằng cách thay đổi động lực học hệ thống. . Bộ điều khiển Bộ điều khiển quyết định chất lượng điều khiển hệ thống. Nhiều bộ điều khiển đã được thiết kế và thử nghiệm. Se-WooK-Oh và nhóm nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái điện. Tác giả đưa ra thuật toán điều khiển với mục đích ban đầu là tái tạo cảm giác cho mô tơ vô lăng một cách xác thực nhất. Nhóm nghiên cứu thuộc Trường đại học Swinburne, Melbourne, Úc, thiết kế bộ điều khiển trượt thử nghiệm trên mô hình hệ thống thử nghiệm. Nhóm tác giả công bố mô hình nghiên cứu và kết luận phương pháp điều khiển trượt áp dụng cho hệ thống lái điện sử dụng bộ điều khiển trượt có khả năng đáp ứng tốt trước các kính thích ngẫu nhiên. Nhóm nghiên cứu thuộc trung tâm nghiên cứu hãng Renault, Carlos Canudas-de-Wit, Xavier Claeys, J. Coudon and Xavier Claeys công bố mô hình hệ thống lái điện và thử nghiệm hai bộ điều khiển PD và bộ điều khiển thích nghi LQ. Nhóm kết luận rằng khi sử dụng bộ điều khiển thích nghi LQ cho khả năng đáp ứng tốt hơn so với bộ điều khiển PD. . Động lực học xe Nhiều nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của chuyển động quay vòng tác động lên hệ thống cũng như những ảnh hưởng theo phương dọc và ngang. Paul Jih mô phỏng và thực nghiệm hệ thống lái điện một các toàn diện trên xe thực tế. Trong nghiên cứu này cảm giác lái được khảo sát thông qua các tác động của động lực học của cả xe. Tác giả sử dụng mô hình động lực học lốp Pacejka để phân tích thành phần gây lên lực cản từ mặt đường làm cơ sở phản hồi lực tác dụng lên vô lăng. Ngoài ra tác giả cũng xem xét ảnh hưởng của các tác động trợ lực lái thủy lực lên vô lăng. 1.2.2. Các nghiên cứu trong nƣớc Trong nước, năm 2001, tác giả Nguyễn Thanh Quang nghiên cứu về hệ thống lái trợ lực thủy lực trên xe du lịch thông qua việc nghiên cứu động học, động lực học và độ bền các chi tiết trên hệ thống lái trên xe Mekông. Năm 2004, tác giả Mai Khoa tiến hành nghiên cứu tính điều kiển của ô tô tải với hệ thống lái có trợ lực thủy lực. Năm 2010, tác giả Nguyễn Tuấn Anh công bố công trình nghiên cứu về điều khiển tối ưu hệ thống lái tích cực trên ô tô. Năm 2015, tác giả Nguyễn Tuấn Anh công bố nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống lái trợ lực điện ESP. Ngoài các công trình trên, bản thân tác giả đã tiến hành nghiên cứu về hệ thống lái điện từ năm 2008 thông qua đề tài thạc sỹ.Trong đề tài này tác giả xây dựng mô hình hệ thống lái, đồng thời thiết kế các giao diện thực hiện điều khiển và quan sát hệ thống. Tác giả sử dụng phần mềm LabVIEW thiết kế giao diện điều khiển bộ phận chấp hành đồng thời quan sát tình trạng phản hồi trên vô lăng. Đây là nghiên cứu ban đầu về hệ thống nên các thông số hệ thống cũng như bộ điều khiển còn chưa được quan tâm nhiều. Trong nghiên cứu này bộ điều khiển PID được đưa vào thực nghiệm làm đồng bộ vô lăng và cơ cấu chấp hành. Nghiên cứu trên được phát triển qua đề tài cấp trường năm 2011. Trong nghiên cứu tiếp theo này, tác giả quan tâm nhiều đến động lực học của hệ thống đồng thời hoàn thiện thông số kết cấu cũng như mô phỏng 3D hệ thống. Đồng thời qua nghiên cứu này sai số giữa vô lăng và cơ cấu chấp hành được xem xét một cách trực quan. Trong đề tài nghiên cứu cấp thành phố “Nghiên cứu chế tạo bộ tạo cảm giác cho hệ thống lái gián tiếp”, tác giả tập trung nghiên cứu phương pháp tái tạo cảm giác lái trên vô lăng. Nghiên cứu 4
5. này được tiến hành thông qua giao tiếp giữa khối 3D mô phỏng hệ thống lái và vô lăng thực. Tác giả bước đầu cũng xây dựng được đặc tính tái tạo cảm giác lái trên vô lăng trong quá trình chuyển động xe. 1.2.3. Nhận xét, đánh giá Các kết quả nghiên cứu của các tác giả nước ngoài đã tương đối hoàn thiện về động lực học, kết cấu cũng như điều khiển nhưng đây là những nghiên cứu bản quyền của các công ty, chưa được công bố rộng rãi và sâu sắc. Có thể sử dụng một số kết quả của các công trình này phục vụ cho quá trình nghiên cứu của tác giả: Phương pháp tổng hợp để nghiên cứu động lực học hệ thống lái điện, bộ điều khiển PID, mô hình bán tự nhiên hệ thống lái điện Các nghiên cứu trong nước đã xây dựng cơ sở lý thuyết hệ thống lái cơ khí, hệ thống lái trợ lực thủy lực và hệ thống lái tích cực. Cơ sở lý thuyết trên là nền tảng phát triển hệ thống lái điện. Tuy nhiên, khả năng thí nghiệm của các hệ thống trên còn hạn chế, chưa có các sản phẩm để kiểm chứng và đánh giá. Các nghiên cứu của tác giả được tiến hành trên mô hình bánh xe không tiếp đất chưa được xây dựng một cách tổng thể cho nên kết quả thực nghiệm còn nhiều hạn chế, chưa xây dựng được mô hình động lực học hệ thống lái điện. Do vậy, cần có công trình nghiên cứu toàn diện hơn về hệ thống lái điện gồm nghiên cứu động lực học, xây dựng bộ điều khiển cho mô hình bánh xe tiếp đất. 1.3. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.3.1. Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Trên thế giới, các nghiên cứu về hệ thống lái điện chỉ mới bắt đầu từ hơn 10 năm trở lại đây và còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu và phát triển. Nghiên cứu về hệ thống lái điện đóng vai trò quan trọng trong việc nắm bắt các công nghệ lái tiên tiến trong tương lai gần. Tại Việt Nam, chưa có nghiên cứu chuyên sâu nào về hệ thống lái điện. Vì vậy, đây là nghiên cứu cần thiết để làm rõ cơ sở lý luận và thực tiễn của hệ thống lái điện và hệ thống cơ điện tử trên xe. Đây là một trong những công nghệ lái hoàn toàn mới tại Việt Nam nên cần tiếp cận và làm chủ công nghệ. 1.3.2. Ý nghĩa khoa học Đầu tiên ở Việt Nam đã thiết kế, chế tạo mô hình bán tự nhiên hệ thống lái điện bánh xe tiếp đất gồm nhiều bộ phận - cơ khí, điện, điều khiển, phần mềm thỏa mãn cơ bản các tiêu chí đối với hệ thống lái ô tô truyền thống. Mô hình trên là kết quả của việc phân tích kỹ lưỡng các nghiên cứu của nước ngoài kết hợp với điều kiện nghiên cứu trong nước. Trong đó, các bộ phận cơ khí trên mô hình được lấy từ ô tô nguyên bản, bộ phận điện và điều khiển sử dụng các thiết bị linh kiện hiện đại, các phần mềm tính toán hiện đại đảm bảo tính chính xác. Việc nghiên cứu đưa ra sản phẩm hệ thống lái điện đã phối hợp nhiều nghiên cứu chuyên môn khác nhau bao gồm các nghiên cứu về bộ phận cơ khí, phần mềm, phần cứng hệ thống lái điện. Thông qua đề tài nghiên cứu, tác giả mong muốn đưa ra các thông tin, kết nối các nhà nghiên cứu chuyên môn nhằm ứng dụng thực tế trên xe thật. 1.3.3. Ý nghĩa thực tiễn Trong các năm gần đây số lượng các hệ thống lái hiện đại sử dụng trên ô tô ngày càng phổ biến. Nghiên cứu hệ thống lái điện có ý nghĩa quan trọng trong việc tiếp cận và làm chủ công nghệ lái trên các xe ô tô hiện đại tại Việt Nam. Trên cơ sở nghiên cứu về hệ thống lái điện có thể tiến hành nghiên cứu các hệ thống điều khiển qua dây dẫn khác (Drive By Wire) trên ô tô. Các sản phẩm của quá trình nghiên cứu như phần cứng, phần mềm của hệ thống cơ điện tử có thể tiếp tục hoàn thiện để sử dụng trên hệ thống lái ô tô thực. Các sản phẩm trên có khả năng làm việc tốt và ổn định trên mô hình bán tự nhiên. Tuy nhiên, khi thử nghiệm trên các xe thực tế cần xác định thêm các yếu tố đảm bảo an toàn. Luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ. 5
6. 1.4. Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài 1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm động lực học hệ thống lái điện làm cơ sở khoa học thay thế hệ thống lái điện cho hệ thống lái cơ khí truyền thống trên mô hình bán tự nhiên. 1.4.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu điều khiển bám và tái tạo cảm giác lái trên mô hình bán tự nhiên hệ thống lái điện tích hợp của ô tô con có công thức bánh xe 42 R , cầu trước dẫn hướng, hệ thống treo độc lập, không kể đến ảnh hưởng của biến dạng lốp. Điều khiển bám trong trường hợp này được hiểu là tối thiểu hóa sai lệch về thời điểm và trị số giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái hệ thống lái điện. 1.4.3. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. 1.4.4. Nội dung nghiên cứu Nội dung của luận án bao gồm những phần chính sau: 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu. 2. Xây dựng mô hình nghiên cứu điều khiển hệ thống lái điện. 3. Thiết kế, chế tạo, lắp đặt mô hình thí nghiệm hệ thống lái điện. 4. Thí nghiệm động lực học lái trên mô hình thí nghiệm bán tự nhiên hệ thống lái điện. 5. Kết luận. Chƣơng II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN 2.1. Mô hình tổng quát hệ thống lái điện Hệ thống lái điện là một trong những hệ thống cơ điện tử tích hợp, do vậy mô hình khảo sát cần mô tả các tính chất động lực học quan trọng của ô tô như động lực học bánh xe, động lực học quay vòng, động lực học chuyển động thẳng, dao động ô tô và các bộ phận cơ điện tử. Mô hình trên được chia thành năm môdul thành phần liên kết với nhau bao gồm: tín hiệu điều khiển, động lực học vô lăng, bộ phận điện tử, bộ điều khiển hệ thống lái, bộ chấp hành và động lực học xe (Hình 2.1). Hình 2.1: Mô hình tổng quát nghiên cứu hệ thống lái điện 2.2. Mô hình động lực học hệ thống lái điện Hình 2.2: Hệ thống lái điện 1-Vô lăng; 2-Mô tơ tạo cảm giác; 3-Cảm biến mômen cảm giác và tốc độ trục vô lăng; 4-Bộ phận điều khiển; 5-Cảm biến mômen và tốc độ trục lái; 6-Mô tơ điều khiển quay vòng; 7-Cơ cấu bánh răng, thanh răng; 8-Thước lái; 9-bánh xe dẫn hướng. 2.2.1. Bộ phận vô lăng Bộ phận điều khiển bao gồm vô lăng, trục lái và động cơ điện một chiều. Vô lăng có mô 6
7. men quán tính Js chịu tác động mô men đánh lái  d , dịch chuyển một góc d . Trục lái có hệ số ma sát Ks, độ cứng xoắn Cs, dịch chuyển góc 1 . Động cơ điện một chiều có mô men quán tính Je1, mô men tạo cảm giác lái 1 (Hình 2.3). Hình 2.3: Mô hình cơ học bộ phận vô lăng Khi bỏ qua ảnh hưởng của các khe hở trong các bộ phận, mô hình toán học bộ phận vô lăng nêu trên được biểu diễn bằng hệ phương trình: JCK.      s d d s d 11 s d (2.1) JCK.      e1 1 s d 1 sd 1 1 Hệ phương trình trên được viết lại thành phương trình 2.2 để giải bằng phương pháp ma trận. JKKCCs0 dd s s s s dd (2.2) 0 JKKCC  e1 11 s s s s 11 2.2.2. Bộ phận điện tử Động cơ một chiều là bộ phận chính trực tiếp điều khiển vô lăng và bộ phận chấp hành hệ thống lái. Do vậy, cần xây dựng mô hình khảo sát đặc tính làm việc của chúng. Động cơ điện một chiều có thể biểu diễn bằng mô hình trên Hình 2.4. Hình 2.4: Mô hình động cơ điện một chiều Phương trình cân bằng mô men cho hệ thống thể hiện qua công thức 2.3. d  –  J . m motor c dt (2.3) di trongđó: K . i N . m ,  B . N . m , i E / R A , UER .i L . m motor phi m cm m u u u u m u dt Sức điện động được tính theo biểu thức EKu phi  kt m với Kphi hệ số khuếch đại đặc trưng bởi kết cấu mô tơ điện một chiều, từ thông kích từ kt ki kt. kt . Phương trình 2.3 được viết lại thành phương trình 2.4 như sau: d K i B J m phi m m dt (2.4) Edum KJBphi  m Ru dt Từ phương trình trên ta có thể khảo sát được đáp ứng vận tốc, mô men, biến thiên theo thời 7
8. gian khi lắp đặt động cơ lên hệ thống lái. 2.2.3. Bộ phận chấp hành Bộ phận chấp hành được phân tích như mô Hình 2.5. Hình 2.5: Mô hình bộ phận chấp hành hệ thống lái điện Trong mô hình trên, động cơ điện một chiều có nhiệm vụ chính cung cấp mô men  M thay thế cho mô men đánh lái. Động cơ điện một chiều có mô men quán tính J 0 , được nối với cơ cấu lái qua trục có độ cứng xoắn C0 và dịch chuyển với hệ số giảm chấn K0 . Cơ cấu lái là cơ cấu thanh răng, bánh răng với rp là khoảng cách tâm thanh răng đến điểm ăn khớp với bánh răng. Thanh răng có khối lượng m, có độ cứng C1 , dịch chuyển với hệ số giảm chấn K1 . Khoảng các từ thanh răng tới trục bánh xe rl , bánh xe có mô men quán tính J bx . Với giả thiết hai bánh xe dẫn hướng có độ cứng, góc quay và hệ số giảm chấn được thay thế bằng một bánh xe có độ  cứng C , hệ số giảm chấn K , góc quay trung bình bánh xe dẫn hướng  12, góc biến 2 2 2 dạng trung bình bánh xe dẫn hướng 12. Mô men cản quay vòng bánh xe dẫn hướng 2 bao gồm mô men cản tại bánh xe bên phải  cq1 và mô men cản bánh xe bên trái  cq2 . Hình 2.6: Sơ đồ xác định mô men cản quay vòng Khi ô tô chuyên động quay vòng, hiện tượng biến dạng lốp gây nên trượt cục bộ tạo thành mô men cản chuyển động quay vòng do ảnh hưởng thành phần lực ngang tác động lên thân xe Fy . Giá trị của mô men này không đủ lớn để gây nên hiện tượng quay xe, tuy nhiên đây là mô men cản chính trong quá trình đánh lái có thể xem là mô men cản quay vòng. Mô men cản quay vòng tại bánh xe dẫn hướng được xác định cqcq 1  cq 2 M z ( l cpy l ). F C 2 .( l cp l ). . 8
9. Trong đó: llcp, là khoảng cách được xác định theo góc đặt bánh xe và áp suất lốp. Mô hình toán học của bộ phận chấp hành biểu diễn bằng hệ phương trình vi phân 2.5. xx JKC  (  ) (  ) 0 M orr o pp (2.5) xx1 m. x Ko( )( C o  ) C11 (.)(.) x  r l K x  r l rp r p r p J C ( x  . r ) K ( x  . r ) r C .(ll ). bx 11 l l l2 c p Từ phương trình hệ thống lái điện phân tích như trên, ta có thể khảo sát các trạng thái điều khiển hệ thống, thử nghiệm bộ điều khiển khác nhau, so sánh chất lượng điều khiển, mô phỏng tình trạng làm việc của hệ thống với điều kiện thí nghiệm khác nhau. 2.3. Xây dựng mô hình khảo sát quỹ đạo chuyển động ô tô sử dụng hệ thống lái điện Hình 2.7 minh họa mô hình ô tô hai vết nghiên cứu chuyển động lệch của ô tô trong trường hợp tổng quát chịu tác dụng của lực gió ngang Fwy và lực cản không khí Fwx với giả thiết tải trọng tĩnh phân bố đối xứng theo phương chuyển động của ô tô, vận tốc chuyển động bằng hằng số, bề mặt đường phẳng, thông số kết cấu hệ thống treo ảnh hưởng không đáng kể trong quá trình chuyển động. Fwx Hình 2.7: Mô hình chuyển động của ôtô trong mặt phẳng đường Các ký hiệu trong hình vẽ được giải thích như sau: C : Trọng tâm ô tô δi : Góc quay của các bánh xe 1,  2 0,  3 ,  4 0 αi : Góc lệch bên của bánh xe thứ i (i = 1 ÷ 4) ψ : Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm β : Góc lệch thân xe so với phương chuyển động v : Vận tốc chuyển động của ô tô vxc , vyc : Các thành phần vận tốc ô tô trong hệ tọa độ trọng tâm vi : Vận tốc của bánh xe thứ i (i = 1÷ 4) Fyi : Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe thứ i Fxi : Phản lực dọc tác dụng lên bánh xe thứ i (i = 1÷ 4) 2 Fwx : Lực cản không khí Fwx 0, 5 C w A w v x , trong đó Cw là hệ số cản không khí, ρw là mật độ không khí, và A là diện tích cản chính diện của ô tô Fwy : Lực gió ngang tác dụng lên ô tô 9
10. Tf , Tr : Khoảng cách giữa tâm hai vết bánh xe cầu trước, sau Lf, Lr : Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm vết bánh trước, sau. Động lực học chuyển động của ô tô theo quỹ đạo có thể được miêu tả bởi ba thông số: vận tốc chuyển động của ô tô vx, vận tốc ngang vy và tốc độ góc quay thân xe  đặc trưng cho chuyển động lệch của ô tô. Phương trình cân bằng lực trong hệ tọa độ mặt đường I(xI, yI) có dạng: (2.7) d vFIx Ix m f dt I vFIy Iy Trong đó: m: khối lượng ô tô, bao gồm cả khối lượng các bánh xe vIx , vIy: các thành phần của vận tốc trong hệ tọa độ mặt đường fI : véc tơ các ngoại lực tác dụng lên ô tô FIx , FIy : các thành phần lực trong hệ tọa độ mặt đường. Quan hệ giữa phản lực dọc và ngang từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe được thể hiện qua Hình 2.8. Hình 2.8: Các thành phần lực tác dụng lên bánh xe Thành phần lực theo phương dọc thay đổi theo tình trạng chuyển động, giá trị lớn nhất có thể truyền xuống mặt đường được giới hạn bởi hệ số bám φxi và tải trọng thẳng đứng Fzi theo công thức 2.8. FF (2.8) ximax xi max zi Với giả thiết các góc lệch bên của lốp nhỏ, phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe quan hệ tuyến tính với góc lệch bên theo công thức: FCyi i i (2.9) Khi đó, phương trình (2.34) mô tả chuyển động lệch của viết lại như sau: 1 4 v   v F cos  F sin  F x ym  xi i yi i wx i 1 (2.10) 1 4 v   v Fsin  Fcso  F y xm  xi i yi i wy i 1 với góc lệch thân xe β được xác định theo công thức: vy tan  (2.11) vx Phương trình mô men đối với trọng tâm xe được viết như sau: 4 Fxi J r r (2.12) z yi xi F i 1 yi 4 r F sin F cos  r F cos  F sin  l . F  yi yi i xi i xi yi i xi i w wy i 1 Trong đó Jz là mô men quán tính khối lượng của ô tô theo trục z, rxi và ryi là tọa độ của bánh xe 10
11. thứ i trong hệ quy chiếu chuyển động gắn với trọng tâm ô tô. Tổng hợp các phương trình thành hệ phương trình mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô: 1 4 v   v F cos  F sin  F x ym  xi i yi i wx i 1 (2.13) 1 4 v   v F sin  F cos  F y xm  xi i yi i wy i 1 1 4  r F sin  F cos  r F cos  F sin  l . F J  yi yi i xi i xi yi i xi i w wy z i 1 2.4. Thiết kế mô phỏng bộ điều khiển hệ thống lái điện Trong nội dung nghiên cứu của luận án, hai bộ điều khiển PID, điều khiển mờ Fuzzy –PID được ứng dụng nhằm tìm ra bộ điều khiển thích hợp cho hệ thống lái điện (bộ điều khiển vô lăng, bộ điều khiển bộ phận chấp hành). Bộ điều khiển chính được lập trình trong chương trình điều khiển hệ thống lái điện bao gồm: Bộ điều khiển vô lăng và bộ điều khiển bộ phận chấp hành. Sơ đồ điều khiển cho hệ thống lái điện trong luận án này được trình bày như Hình 2.9. Hình 2.9: Sơ đồ điều khiển hệ thống lái điện 2.5.1. Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID xác định ba giá trị: thông số tỉ lệ KP, tích phân KI và đạo hàm KD Đối với các mô hình tuyến tính các phương pháp lựa chọn hệ số Kp, KI , KD thường sử dụng là: Phương pháp Ziegler-Nichols, chỉnh bằng phần mềm, thực nghiệm. Hệ thống lái điện được phân tích dưới dạng mô hình ba bậc tự do cho nên cần tính toán thiết kế bộ điều khiển để xác định bộ thông số điều khiển hợp lý. Từ các thông số mô hình trên, sử dụng công cụ Autotuner toolkit trong phần mềm Matlab để xác định các thống số Kp, KI, KD bộ điều khiển hệ thống lái điện. Chương trình mô phỏng thử nghiệm như Hình 2.10. 11
12. Hình 2.10: Chương trình mô phỏng bộ điều khiển PID Do tác động của các yếu tố như quán tính khối lượng, ma sát cho nên luôn có sai số giữa giá trị đặt vận tốc yêu cầu ở đầu vào và vận tốc đáp ứng. Khảo sát trạng thái làm việc của hệ thống khi thay đổi độ cứng lốp tương ứng với tình trạng đường khác nhau (đường nhựa phủ tuyết C2 = 12000 N/rad, đường nhựa ướt C2 = 45000 N/rad, đường nhựa khô C2 = 80000 N/rad), chọn các thông số cho bộ điều khiển PID Kp =10, KI =1.7, KD=0.15. Hình 2.11: Kết quả mô phỏng với 03 tình trạng mặt đường với bộ điều khiển PID Kết quả trên cho thấy nếu bộ điều khiển PID với các tham số Kp, KI, KD cố định sai số đáp ứng hệ thống thay đổi theo tình trạng cản. Để giải quyết vấn đề trên, cần phát triển bộ điều khiển khác phù hợp với đặc tính cản thay đổi tác dụng lên hệ thống lái điện. 2.5.2. ộ điều khiển uzzy-PID Vấn đề thay đổi tình trạng cản ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển trình bày phần trên có thể giải quyết thông qua phương pháp hiệu chỉnh bộ tham số KP, KI, KD. Ý tưởng sử dụng bộ điều khiển Fuzzy để hiệu chỉnh tự động tham số KP, KI, KD tương ứng với các trạng thái cản mặt đường được hình thành. Do vậy có thể kết hợp giữa bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ Fuzzy thành bộ điều khiển Fuzzy-PID. Mục tiêu của bộ điều khiển Fuzzy-PID là tối ưu hóa sự lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển Fuzzy-PID với một biến đầu vào là sai số giữa tín hiệu đánh lái và góc quay đáp ứng cơ cấu lái, trạng thái cản, tín hiệu đầu ra là thông số hiệu chỉnh cho tham số PID KKKPID, , . Tham số này được dịch chuyển trong khoảng thay đổi [KPmin, KImax ], [KImin , KImax], [KDmin, KDmax] tương ứng với trạng thái của mô men cản và sai số hệ thống. Quy đổi trạng thái này về dạng không chính tắc. KKKKKK KKK''' PDPmin,, I Imin Dmin P Ip (2.13) KKKKKKPmax Pmin Pmax Pmin Dmax Dmin Trong đó các giá trị KP, KI, KD được hiệu chỉnh theo công thức sau: '' KKKKKKKKPII Pmax Pmin p 10, Imax Imin 1.7, (2.14) ' KKKKDD Dmax Dmin 0.85 2.5. Khảo sát khả năng làm việc hệ thống lái điện Khảo sát khả năng làm việc hệ thống tương ứng với các trạng thái mặt đường khác đường nhựa phủ tuyết, đường nhựa ướt, và đường nhựa khô. Tình trạng cản mặt đường trên được thay đổi bằng cách thay đổi độ cứng lốp tương ứng với tình trạng đường khác nhau (đường nhựa phủ tuyết C2 = 12000 N/rad, đường nhựa ướt C2 = 45000 N/rad, đường nhựa khô C2 = 80000 N/rad). Thông số cài đặt cho bộ điều khiển PID Kp = 10, KI = 1.7, KD = 0.15, bộ điều khiển Fuzzy-PID như trình bày phần trên. Chương trình Matlab như Hình 2 12
13. Hình 2.12: Chương trình mô phỏng hệ thống lái điện với hai bộ điều khiển Hình 2.13: Đáp ứng hệ thống khi C2 = 12000 N/rad Hình 2.14: Đáp ứng hệ thống khi C2 = 45000 N/rad Hình 2.15: Đáp ứng hệ thống khi C2 = 80000 N/rad 13
14. Hình 2.16: Góc quay bánh xe dẫn hướng Hình 2.17: Gia tốc theo phương ngang Hình 2.18: Phân bố tải trọng thẳng đứng lên bánh xe dẫn hướng bên trái và bên phải Hình 2.19: Quỹ đạo chuyển động ô tô khi sử dụng hệ thống lái điện KẾT LUẬN CHƢƠNG II Trong Chương II, luận án hoàn thành công việc xây dựng mô hình tổng quát nghiên cứu hệ thống lái điện. Mô hình tổng quát này bao gồm nhiều mô hình thành phần liên kết với nhau như: Bộ phận vô lăng, bộ phận điện tử, bộ phận chấp hành và động lực học xe. 14
15. Từ các mô hình đã xây dựng, sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng, phân tích hệ thống và thử nghiệm các chế độ làm việc của hệ thống lái điện. Các kết quả mô phỏng cho thấy cần phải sử dụng bộ điều khiển có chất lượng đảm bảo khả năng bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái, tái tạo cảm giác lái. Kết quả nghiên cứu trong Chương II đã xây dựng 02 bộ điều khiển PID và Fuzzy-PID, cho thấy khi sử dụng bộ điều khiển PID sai số bám giữa vô lăng và bộ phận chấp hành thay đổi từ 0 - 0.23 rad khi tác động đầu vào theo quy luật hình sin với tần số 1/6 Hz, biên độ lớn nhất khoảng 3.5 rad . Với bộ điều khiển PID với tham số không đổi, khi mô men cản quay tăng, sai số có xu hướng tăng theo, đây là nhược điểm của bộ điều khiển PID. Để đảm bảo khả năng làm việc khi tải trọng thay đổi ở phạm vi lớn, luận án tiến hành phân tích, thử nghiêm bộ điều khiển Fuzzy-PID. Khi sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PID sai số dao động trong khoảng nhỏ hơn từ 0 - 0.132 rad. Cả hai bộ điều khiển đều đáp ứng được tiêu chuẩn hệ thống lái thông thường, bộ điều khiển Fuzzy-PID có khả năng bám tốt hơn so với bộ điều khiển PID. Do vậy, bộ điều khiển Fuzzy-PID được lựa chọn làm bộ điều khiển bám giữa vô lăng và trục lái. Kết quả nghiên cứu trên mô hình lý thuyết làm cở sở cho nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình bán tự nhiên. Các tính toán trên mô hình lý thuyết làm cở sở thay đổi tải trọng lên các bánh xe dẫn hướng khi thí nghiệm trên mô hình. Chƣơng III: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN 3.1. Thiết kế mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm bán tự nhiên hệ thống lái điện là mô hình dùng để nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm có bộ phận giả lập các điều kiện ô tô chuyển động trên đường thí nghiệm. Hình 3.1: Sơ đồ mô hình thí nghiệm hệ thống lái điện 1- Cụm động cơ DC và hộp giảm tốc, 2-Cơ cấu lái, 3-Khung, 4-Kích đội bánh xe, 5- Chốt hãm, 6-Mâm đo góc đặt bánh xe, 7-Bánh xe, 8-Giảm chấn, 9-Lò xo, 10-Càng đỡ trên, 11- Ngõng quay, 12-Cảm biến tải trọng, 13-Bộ phận điện tử, 14-Bộ phận vô lăng, 15-Máy tính, 16-Hộp điều khiển hệ thống lái Hình 3.2: Bộ phận tạo tải trên mô hình thí nghiệm 15
16. 1-Bánh xe, 2-Chốt cố định mâm xoay, 3-Mâm xoay, 4-Cảm biến tải trọng, 5-Kích tạo tải thẳng đứng, 6-Đường bê tông thí nghiệm Sau khi phân tích và thiết kế hệ thống bằng phần mềm Solidworks các phần tử khung chính, thanh đỡ kích nâng, thanh ngang phụ và thanh dọc và thanh dọc kết quả cho thấy các phần tử khung chịu lực chính, thanh ngang phụ, thanh dọc có biến dạng không đáng kể, đủ bền. Kết quả tính bền thể hiện qua Hình 3 a) b) c) d) Hình 3.3: Kiểm tra độ bền khung thiết kế a) Kiểm tra biến dạng thanh ngang, thanh dọc và tấm đỡ trên, b) Kiểm tra chuyển vị thanh ngang, thanh dọc và tấm đỡ trên, c) Kiểm tra độ chuyển vị thanh đỡ kích, d) Kiểm tra biến dạng thanh đỡ kích. Hình 3.4: Hộp điều khiển mô hình thí nghiệm hệ thống lái điện Xây dựng bộ điều khiển trong môi trường LabVIEW: Hình 3.5: Chương trình điều khiển bám sử Hình 3.6: Chương trình điều khiển bám sử dụng dụng bộ điều khiển PID bộ điều khiển Fuzzy-PID 16
17. Hình 3.7: Mô hình thí nghiệm hệ thống lái điện hoàn chỉnh 3.2. Thử nghiệm so sánh hệ thống lái điện và hệ thống lái cơ khí truyền thống Bảng 3.1: Kết quả thử nghiệm đánh lái bên phải Góc quay bánh Góc quay bánh Góc quay bánh Góc quay vô xe bên phải xe bên trái xe bên trái lý Tỷ số truyền lăng (độ) (độ) thực tế (độ) thuyết (độ) thực tế 0 0 0 0 20 5.1 4.9 4.74 99 19.8 10 9.6 9.29 195 19.9 15.5 14.1 13.61 290 19.6 20.1 17.8 17.79 378 19.9 25.3 22.2 21.89 471 19.8 30.2 25.8 26.01 557 19.9 35.4 31.4 30.17 674 20.2 38.1 33.1 32.95 714 20.1 Bảng 3.2: Kết quả thử nghiệm đánh lái bên trái Góc quay bánh Góc quay bánh Góc quay bánh Góc quay vô xe bên phải xe bên phải lý xe bên trái (độ) lăng(độ) thực tế (độ) thuyết (độ) Tỷ số truyền 0 0 0 0 20 5.1 4.9 4.75 99 19.8 10.1 9.6 9.29 196 19.9 15.3 14.2 13.6 290 19.7 20.2 17.9 17.79 379 19.9 25.3 22.3 21.89 471 19.8 30.3 26.1 26.01 557 19.8 34.8 31 30.1 675 20.5 37.9 33.2 32.95 714 20.1 3.3. Thử nghiệm tái tạo cảm giác lái Phương pháp sử dụng bản đồ mô men cản điều khiển tạo cảm giác được phát triển bởi Se Wook Oh. Trong phương pháp này, bản đồ mô men được xây dựng từ tín hiệu chính là cảm biến góc đánh lái và tốc độ chuyển động. Mô men cảm giác phụ thuộc vào vận tốc quan hệ theo biểu thức: 2 11 1 K . v . v Vmax T in (3.1) 32 Trong đó: Tin mô men cản ban đầu hệ thống, K hiệu chỉnh theo tọa độ trọng tâm và diện tích cản gió thay đổi áp lực tác dụng lên mặt đường, v vận tốc chạy xe, Vmax vận tốc max cực đại. Mô men cảm giác phụ thuộc vào góc đánh lái quan hệ theo biểu thức: 2 K . d . sign d (3.2) Góc đánh lái quyết định thay đổi vị trí hình học của góc đặt bánh xe trên mặt phẳng tính toán. 17
18. K là hệ số hiệu chỉnh do dẫn động lái ảnh hưởng góc bên phải và trái. Sử dụng phần mềm LabVIEW xây dựng bản đồ mô men tạo cảm giác thay đổi theo vận tốc và góc quay vô lăng làm cơ sở để điều khiển, kết quả được thể hiện trong Hình 3.8. Hình 3.8: Bản đồ tổng hợp mô men tạo cảm giác theo vận tốc và góc đánh lái Chuyển đồ thị tổng hợp dưới dạng 3D về đồ dạng đồ thị 2D, đặc tính cảm giác được thể hiện qua Hình 3.9 và Hình 3.10. Hình 3.9: Đặc tính mô men cảm giác lái thay Hình 3.10: Đặc tính mô men cảm giác thay đổi đổi theo vận tốc theo góc đánh lái KẾT LUẬN CHƢƠNG III Để hoàn thành mô hình thí nghiệm, đã nghiên cứu các mô hình thí nghiệm trên thế giới để đưa ra phương án thiết kế mô hình thí nghiệm bán tự nhiên. Mô hình trình bày trong Chương III là kết quả nghiên cứu trong một thời gian dài và liên tục, nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các nhà khoa học, các chuyên gia và thợ lành nghề. Dựa trên cở sở lý thuyết xây dựng trong Chương II, đã nghiên cứu sử dụng phần mềm LabVIEW để thực hiện tính toán, thiết kế hai bộ điều khiển PID và Fuzzy-PID, lắp đặt chúng lên mô hình thực tế. Kết quả chạy thử nghiệm cho thấy các thông số kết cấu cơ khí của hình thang lái, cơ cấu lái đảm bảo độ chính xác. Bên cạnh đó, nghiên cứu tái tạo cảm giác lái được thử nghiệm trên mô hình. Kết quả thử nghiệm hoạt động mô hình khi cài đặt điều khiển PID, thay đổi tải trọng tại bánh xe dẫn hướng cho thấy: Ở chế độ bánh xe tiếp xúc mâm xoay tự do, trạng thái tĩnh, tải trọng đặt lên bánh xe dẫn hướng 4250 N, sử dụng bộ điều khiển PID, sai số giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu chấp hành bé dao động từ 0 rad đến 0.06 rad. Khi thay đổi tải ứng với các vận tốc thử nghiệm sai số giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu chấp hành dao động có xu hướng tăng từ 0.06 rad đến 0.09 rad. Ở chế độ bánh xe tiếp xúc mâm xoay cố định, trạng thái tĩnh, tải trọng đặt lên bánh xe dẫn hướng 4250 N, sử dụng bộ điều khiển PID, sai số giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu chấp hành tương đối lớn dao động từ 0 rad đến 0.26 rad. Khi thay đổi tải ứng với các vận tốc thử nghiệm sai số giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu chấp hành dao động có xu hướng tăng từ 0 rad đến 0.28 rad. Kết quả cho thấy cần kiểm soát sai số giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu chấp hành khi mô men cản thay đổi. Kết quả thử nghiệm bộ điều khiển phù hợp với các nghiên cứu lý thuyết trong Chương II. Các kết quả nghiên cứu trên làm cơ sở cho việc thí nghiệm các chế độ làm việc của hệ thống lái. 18
19. Chƣơng IV: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH 4.1. Mục đích thí nghiệm Mục đích cụ thể của thí nghiệm trong nghiên cứu bao gồm: - Xác định mô men cản quay các bánh xe dẫn hướng phục vụ cho việc nghiên cứu động lực học xe và xây dựng bộ điều khiển. - Thí nghiệm điều khiển bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái để đánh giá chất lượng bộ điều khiển. 4.2. Phƣơng pháp xác định mô men cản quay bánh xe dẫn hƣớng Hình 4.1: Nguyên lý đo mô men cản quay bánh xe dẫn hướng gián tiếp qua cường độ dòng điện 4.3. Phƣơng pháp xác thí nghiệm khả năng bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái a) b) Hình 4.2: Nguyên lý thí nghiệm khả năng bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái a) Bánh xe tiếp xúc với mâm xoay; b) Bánh xe tiếp xúc với đường nhựa 1-Tín hiệu đo tải trọng, 2- Mô men cản hệ thống, 3- Tín hiệu vị trí trục lái, 4-Dây dẫn kết nối máy tính, 5- Tín hiệu vị trí vô lăng 4.4. Trình tự thí nghiệm xác định mô men cản quay các bánh xe dẫn hƣớng Thí nghiệm xác định mô men cản quay bánh xe dẫn hướng được thực hiện theo các bước sau: Bước 1: Chuẩn bị thí nghiệm. Bước 2: Chạy chương trình đo ghi và chương trình điều khiển. 0 0 0 Bước 3: Thực hiện thay đổi góc đánh lái từ 0 đến 720 sang phải rồi trả lái về 0 , sau đó đánh sang trái 7200 rồi trả về 00. Bước 4: Lưu kết quả đo ghi. Kết quả đo mô men cản quay các bánh xe dẫn hướng đo trên mô hình thí nghiệm ở trạng thái bánh xe tiếp xúc với mâm xoay tự do. 4.5. Trình tự thí nghiệm bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái Sai lệch bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái là kết quả của bài toán điều khiển hệ thống lái điện khi tải trọng thay đổi. Thí nghiệm xác định sai lệch bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái được thực hiện theo các bước sau: Bước 1: Chuẩn bị thí nghiệm. 19
20. Bước 2: Lựa chọn chế độ thí nghiệm: Chế độ thí nghiệm bộ điều khiển được lựa chọn theo bảng 4.1. Bước 3: Chạy chương trình đo ghi trên giao diện máy tính và chương trình điều khiển. Bước 4: Thực hiện đánh lái đều một góc sang phải 900 sau đó đánh lái ngược sang trái, lặp lại trạng thái đánh lái trên 30 lần với các vận tốc khác nhau. Bước 5: Ghi lại các kết quả: Sai số giữa tín hiệu góc quay vô lăng và góc quay trục lái được lưu lại dưới dạng đồ thị liên tục. 4.6. Kết quả thí nghiệm 4.6.1. Kết quả thí nghiệm xác định mô men cản quay Kết quả đo mô men cản quay các bánh xe dẫn hướng đo trên mô hình thí nghiệm ở trạng thái bánh xe tiếp xúc với mâm xoay tự do như Hình 4.3. Hình 4.3: Mô men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe tiếp xúc mâm xoay tự do Kết quả đo mô men cản quay các bánh xe dẫn hướng đo trên mô hình thí nghiệm ở trạng thái bánh xe tiếp xúc với mâm xoay cố định như Hình 4.4. Hình 4.4: Mô men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe tiếp xúc mâm xoay cố định Kết quả đo mô men cản quay các bánh xe dẫn hướng đo trên mô hình thí nghiệm ở trạng thái bánh xe tiếp xúc với mặt đường nhựa như Hình 4.5. Hình 4.5: Mô men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe tiếp xúc mặt đường nhựa 4.6.2. Kết quả thí nghiệm điều khiển bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái Hình 4.6: Sai số góc quay vô lăng và góc quay trục lái (bộ điều khiển PID, Zl =4250 N, Zr = 4250 N) 20
21. Hình 4.7: Sai số góc quay vô lăng và góc quay trục lái (bộ điều khiển Fuzzy-PID, Zl =4250 N, Zr = 4250 N) Hình 4.1: Sai số góc quay vô lăng và góc quay trục lái (bộ điều khiển PID, Zl = 4250 N, Zr = 4250 N) Hình 4.2: Sai số góc quay vô lăng và góc quay trục lái (bộ điều khiển Fuzzy-PID, Zl = 4250 N, Zr = 4250 N) Bảng 4.2: Bảng tổng hợp sai số góc quay vô lăng và góc quay trục lái Kết quả thí nghiệm bộ điều khiển trạng thái bánh xe tiếp xúc với mâm xoay cố định Tải Bộ điều Tải trọng thẳng đứng Sai số Sai số khiển (N) (rad) (độ) Bánh xe bên trái Bánh xe bên phải ố 4250 4250 0-0.132 7.6 PID 1950 6550 0-0.135 7.7 nh ị 6550 1950 0-0.131 7.5 đ 4250 4250 0-0.130 7.5 Mâm xoay c 1950 6550 0-0.134 7.7 FUZZ Y PID 6550 1950 0-0.131 7.5 Bảng 4.3: Tổng hợp sai số giữa tín hiệu góc quay vô lăng và góc quay trục lái Kết quả thí nghiệm bộ điều khiển trạng thái bánh xe tiếp xúc với mặt đƣờng nhựa Tải Bộ điều Tải trọng thẳng đứng Sai số Sai số khiển (N) (rad) (độ) Bánh xe bên trái Bánh xe bên phải a 4250 4250 0-0.280 16.1 ự PID 1950 6550 0-0.285 16.3 6550 1950 0-0.287 16.5 ng nh ờ - 4250 4250 0-0.150 8.6 Đƣ 1950 6550 0-0.159 9.1 PID FUZZY 6550 1950 0-0.162 9.3 21
22. Từ bảng kết quả thực nghiệm trên mô hình so sánh với kết quả mô phỏng. Kết quả so sánh trình bày trong bảng. Bảng 4.4: So sánh điều khiển bám giữa tính toán lý thuyết và thực tế SO SÁNH CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ THỰC TẾ Tải Bộ điều Tải trọng thẳng đứng Sai số (rad) khiển (N) Bánh xe Bánh xe bên phải Mô phỏng Thực tế ố bên trái PID 4250 4250 0.180 0-0.132 nh ị đ 4250 4250 0.125 0-0.130 Mâm xoay c PID FUZZY a 4250 4250 0.230 0-0.28 ự PID 4250 4250 0.132 0-0.15 ng nh ờ PID FUZZY Đƣ Hình 4.4: Sai số giữa góc quay vô lăng và Hình 4.3: Sai số giữa góc quay vô lăng và góc góc quay trục lái tính toán lý thuyết và thí quay trục lái khi sử dụng hai bộ điều khiển nghiệm khi sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PID 4.7. Khảo sát xe sử dụng hệ thống lái điện qua thí nghiệm chuyển làn DLC Trong phạm vi đề tài, mô hình bán tự nhiên mặc dù cơ bản đã đáp ứng được các yêu cầu hệ thống lái, tuy nhiên chúng chỉ là mô hình tĩnh vì vậy để có thể sử dụng mô hình này trên ô tô thực tế cần khảo sát chất lượng hệ thống lái điện khi lắp đặt lên xe thông qua mô phỏng quỹ đạo chuyển động ô tô khi chuyển làn. Các kết quả nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm thực tế (mô men cản, sai số góc quay vô lăng và góc quay trục lái) kết hợp với điều kiện và vận tốc chạy xe được đưa vào mô hình tổng quát để nghiên cứu đánh giá các tiêu chuẩn hệ thống lái theo các tiêu chuẩn quốc tế nhắm đánh giá chất lượng hệ thống lái điện. Hình 4.12: Chương trình mô phỏng quỹ đạo ô tô sử dụng hệ thống lái điện khi thực hiện thí nghiệm chuyển làn DLC 22
23. Hình 4.13: Kết quả mô phỏng quỹ đạo ô tô sử dụng hệ thống lái điện khi thực hiện thí nghiệm chuyển làn DLC 40km/h Hình 4.14: Kết quả mô phỏng quỹ đạo ô tô sử dụng hệ thống lái điện khi thực hiện thí nghiệm chuyển làn DLC 60 km/h KẾT LUẬN CHƢƠNG IV Trong Chương IV, luận án đã xây dựng được phương pháp thí nghiệm xác định mô men cản quay bánh xe dẫn hướng, quy trình thí nghiệm điều khiển bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái khi thay đổi điều kiện làm việc thông qua việc xác định sai lệch về thời điểm và trị số góc quay vô lăng và góc quay trục lái. Thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Cơ khí ô tô của Trường Đại học Giao thông Vận tải với sự hỗ trợ của các chuyên gia với các thiết bị đo kiểm có độ tin cậy cao. Thí nghiệm xác định mô men cản quay cho thấy tại vị trí trung gian mô men cản có giá trị bé, khi tăng góc đánh lái, mô men cản có xu hướng tăng theo. Mô men cản thay đổi từ 6.2 N.m đến 6.8 N.m ứng với chế độ bánh xe tiếp xúc mâm xoay tự do, 51 N.m đến 59 N.m ứng với chế độ bánh xe tiếp xúc mâm xoay cố định, 485 N.m đến 701 N.m ứng với chế độ bánh xe tiếp xúc mặt đường nhựa. Thí nghiệm điều khiển bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái cho thấy sai số giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái mô hình thí nghiệm hệ thống lái khi thử nghiệm bộ điều khiển PID dao động từ 0 – 0.28 rad và Fuzzy-PID dao động từ 0 – 0.15 rad khi mô men cản thay đổi. Kết quả đo trên mô hình thực tế có sai số từ 4-6% so với tính toán lý thuyết. So sánh với quy định về tiêu chuẩn hệ thống lái cơ khí, hệ thống lái điện thiết kế có sai số nằm trong phạm vi cho phép. Kết quả thử nghiệm cảm giác lái cho thấy phương pháp tái tạo cảm giác lái trên mô hình thí nghiệm hệ thống lái điện có đặc tính thực tế có quy luật phản ảnh đặc tính cản của hệ thống. Kết quả khảo sát ô tô sử dụng hệ thống lái điện thực hiện thí nghiệm DLC theo tiêu chuẩn quốc tế cho thấy hệ thống lái điện đã thiết kế đủ tiêu chuẩn khi tiến hành ở hai vận tốc 40 và 60 km/h. KẾT LUẬN Nghiên cứu về hệ thống lái ô tô là một lĩnh vực được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Tuy nhiên, nghiên cứu về hệ thống hệ thống lái điện chưa có công trình nghiên cứu công bố ở Việt Nam. Luận án là một công trình có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, phù hợp với trào lưu nghiên cứu công nghệ ô tô thế giới. Cách đặt vấn đề và giải quyết vấn đề phù hợp với hoàn cảnh kinh tế - kỹ thuật và mục tiêu nghiên cứu. 23
24. 1. Kết quả nghiên cứu, đóng góp mới của luận án Công trình nghiên cứu đã tổng hợp và phân tích quá trình phát triển công nghệ trên ô tô nói chung và hệ thống lái nói riêng, các nghiên cứu trong và ngoài nước. Trên cơ sở đó đề ra định hướng nghiên cứu phù hợp. Luận án đã xây dựng được mô hình động lực học tổng quát nhằm nghiên cứu hệ thống lái điện bao gồm nhiều thành phần liên kết với nhau. Mỗi thành phần của mô hình tổng quát có thể tách riêng thành các môdul tách rời giúp việc khảo sát, điều khiển trở nên linh hoạt. Trên cơ sở mô hình xây dựng có thể tính toán, thử nghiệm các phương án điều khiển hệ thống lái điện. Kết quả nghiên cứu lý thuyết đã hoàn tất việc xây dựng thuật toán điều khiển bám giữa vô lăng và bộ phận chấp hành bằng bộ điều khiển Fuzzy-PID. Thông qua việc khảo sát bằng mô phỏng cho thấy khi mô men cản quay thay đổi bộ điều khiển Fuzzy –PID có khả năng kháng nhiễu tương đối tốt. Sai số góc quay vô lăng và trục lái dao động trong phạm vi bé từ 0- 0.15 rad nằm trong phạm vi cho phép sai số hệ thống lái truyền thống. Đã xây dựng mô hình động lực học ô tô sử dụng hệ thống lái điện nhằm xác định quỹ đạo chuyển động ô tô và phân bố lại tải trọng lên các bánh xe dẫn hướng phục vụ nghiên cứu thực nghiệm. Việc thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm bán tự nhiên hệ thống lái điện đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thành mục tiêu nghiên cứu và nắm bắt, làm chủ các công nghệ tiên tiến trong hệ thống cơ điện tử. Từ mô hình thí nghiệm đã thử nghiệm đo các thông số đầu vào cho bài toán mô phỏng và kiểm chứng các kết quả tính toán lý thuyết. Mô hình thí nghiệm đã xây dựng sử dụng công nghệ giao tiếp ảo DAQ là một trong những giải pháp tiên tiến được sử dụng tại các phòng thí nghiệm ứng dụng trên thế giới. Luận án đã xây dựng được quy trình đo mô men cản quay bánh xe dẫn hướng. Kết quả đo là thông số đầu vào quan trọng cho bài toán mô phỏng hệ thống lái điện. Kết quả điều khiển bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái đã khẳng định sự cần thiết phải xây dựng bộ điều khiển Fuzzy-PID cho mô hình và khả năng thay thế hệ thống lái điện cho các hệ thống lái truyền thống. Luận án đã tái tạo được cảm giác lái cho mô hình hệ thống lái điện. Kết quả khảo sát quay vòng ô tô sử dụng hệ thống lái điện trong thí nghiệm DLC theo tiêu chuẩn quốc tế cho thấy hệ thống lái điện nghiên cứu đáp ứng được các yêu cầu đặt ra khi chuyển động ở tốc độ 40 km/h và 60 km/h. Với các kết quả đã đạt được như trên có thể khẳng định hệ thống lái điện với bộ điều khiển Fuzzy-PID hoàn toàn có thể thay thế được hệ thống lái truyền thống trên mô hình bán tự nhiên và trên ô tô như mục tiêu nghiên cứu đã đặt ra. 2. Những hạn chế và hƣớng nghiên cứu tiếp theo - Hoàn thiện mô hình tổng quát: Mô hình hệ thống lái điện trong luận án chủ yếu tập trung phân tích các yếu tố bản thân hệ thống lái chưa đề cập tới yếu tố an toàn và tự chẩn đoán. Các bộ phận khác của ô tô có ảnh hưởng lớn đến tính năng điều khiển lái như hệ thống treo, phanh, truyền lực chưa được xem xét kỹ lưỡng. Do vậy khi bố trí, lắp đặt trên ô tô thực tế cần xây dựng mô hình không gian, kết hợp với các mô hình khác để khảo sát các yếu tố của ô tô gần sát với thực tế, có xét đến biến dạng lốp. - Hoàn thiện mô hình thí nghiệm: Việc chế tạo mô hình thí nghiệm đòi hỏi kinh phí tương đối lớn, trong điều kiện hạn chế về kinh phí đã sử dụng các bộ phận cũ của một xe nguyên bản làm mô hình do vậy không thể tránh khỏi các sai số về cơ khí. Các nghiên cứu sau nên sử dụng các bộ phận mới, hiện đại hơn để có độ chính xác cao hơn. - Hoàn thiện thí nghiệm: Việc thử nghiệm trên mô hình tĩnh thu được các kết quả nhất định. Tuy nhiên, các chế độ tải khi ô tô chuyển động trên đường thay đổi một cách liên tục do vậy mô hình tĩnh không thể thể hiện tất cả các yếu tố ảnh hưởng đặc biệt là cảm giác lái. Do vậy, trong tương lai cần có những nghiên cứu cụ thể trên xe thật. 24