Phương pháp tối ưu hóa các thông số của ô tô dựa trên phân tích quỹ đạo chuyển động

Bài viết này trình bày phương pháp tối ưu hóa các thông số động học của ô tô dựa trên phân tích quỹ đạo GPS của nó để xác định các dữ liệu về gia tốc tiếp tuyến, gia tốc pháp tuyến, độ dốc của mặt đường và công suất tức thời của xe trên toàn bộ tuyến đường. Phương pháp này bao gồm một thuật toán để cải thiện độ chính xác của sai số vị trí và tốc độ lấy mẫu thấp của quỹ đạo GPS.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HĨA CÁC THƠNG SỐ CỦA Ơ TƠ DỰA TRÊN PHÂN TÍCH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG A METHOD FOR THE OPTIMIZATION OF VEHICLE PARAMETERS BASED ON ANALYSIS OF VEHICLE TRAJECTORY Trần Xuân Trung1, *, Nguyễn Hữu Nam2, Phùng Văn Bình1, Vũ Hải Hà3 TĨM TẮT Bài báo trình bày phương pháp tối ưu hóa thơng số động học tơ dựa phân tích quỹ đạo GPS để xác định liệu gia tốc tiếp tuyến, gia tốc pháp tuyến, độ dốc mặt đường công suất tức thời xe toàn tuyến đường Phương pháp bao gồm thuật tốn để cải thiện độ xác sai số vị trí tốc độ lấy mẫu thấp quỹ đạo GPS Dữ liệu sử dụng để đánh giá yêu cầu hệ truyền động kéo ô tô tối ưu hóa thơng số Từ khóa: Quỹ đạo GPS; tơ; truyền động kéo; tối ưu hóa; gia tốc ABSTRACT This paper presents a method for optimization of vehicle kinematic parameters based on analysis of the vehicle GPS-track, yields data on the tangential and normal acceleration, on the road profile slope angle, and on the vehicle instantaneous power over its entire route The method comprises an algorithm to improve the accuracy of the results related to poor position estimation and low sampling rate of the GPS-track readings This data can be used to evaluate the requirements for the traction drive system of the vehicle and optimize its parameters Keywords: GPS-track; vehicle; traction drive; optimization; acceleration (phanh) thay đổi hướng chuyển động xe, dẫn đến kết đánh giá lượng tiêu thụ nhiên liệu thử nghiệm thực tế không trùng [2] Để khắc phục điều này, địi hỏi cần phải có phương pháp thu liệu xác quỹ đạo chuyển động ô tô chuyển động theo thời gian Dữ liệu gia tốc ô tơ nhận từ cảm biến gia tốc tích hợp xe Tuy nhiên, rung, lắc đường trình chuyển động xe gây sai số phép đo, làm quỹ đạo chuyển động thu khác so với quỹ đạo thực xe Do vậy, chúng không phù hợp để sử dụng cho việc phân tích [3] Một giải pháp khác để có thơng tin cần thiết lộ trình sử dụng định vị GPS Nhược điểm phương pháp tốc độ lấy mẫu thấp độ xác liệu vị trí bị ảnh hưởng yếu tố bên ngồi như: thời tiết, nhà cao tầng, cối Để cải thiện điều đó, liệu GPS cần phải xử lý cách sử dụng thuật toán đặc biệt để chuyển đổi vị trí thành gia tốc độ dốc (mặt đường) xe theo thời gian toàn tuyến đường v (km/h) Khoa Hàng khơng vũ trụ, Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn Khoa Kỹ thuật điều khiển, Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn Viện Tự động hóa kỹ thuật quân * Email: xuantrungtran85@gmail.com Ngày nhận bài: 20/9/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 25/11/2021 Ngày chấp nhận đăng: 27/12/2021 Chu kỳ lái thành phố 120 100 80 chu kỳ 60 40 20 GIỚI THIỆU Để xác định mức tiêu thụ nhiên liệu ô tô chuyển động, người ta sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, số thử nghiệm vận hành ô tô theo chu trình tiêu chuẩn NEDC (New European Driving Cycle - Chu trình lái xe châu Âu), bao gồm thông số để mô tả chuyển động xe điều kiện thực tế [1, 2] Tuy nhiên, NEDC (hình 1) bị đánh giá khơng đủ tin cậy không biểu diễn thay đổi gia tốc thời điểm tăng tốc, thời điểm giảm tốc tức thời Chu kỳ lái thành phố 200 400 600 800 1000 1200 t (s) Hình Chu trình lái xe Châu Âu NEDC THUẬT TOÁN XỬ LÝ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG GPS 2.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS GPS hệ thống định vị toàn cầu Mỹ phát triển vận hành GPS tên viết tắt cụm từ “Global Positioning System” (Hệ thống định vị toàn cầu), hệ thống bao gồm nhiều vệ tinh bay quỹ đạo phía trái đất độ cao 20200km Có 24 vệ tinh GPS hoạt động 80 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 khoảng 95% thời gian Năm 2011, có thêm vệ tinh tổng cộng có 27 vệ tinh hoạt động liên tục [4, 5, 6] Hệ thống định vị GPS đại cung cấp tọa độ địa lý tương đối xác với sai số vị trí không vượt ± 1m, sai số đo độ cao khoảng ± 10m [7, 8] Tuy nhiên, sử dụng trực tiếp liệu nhận từ thu GPS tọa độ vị trí đối tượng chuyển động nhận trung bình khoảng lần/giây (có thể lâu hơn, phụ thuộc vào thiết bị thu GPS sử dụng), chúng chứa sai số Việc sử dụng phương pháp nội suy không giải vấn đề xử lý lỗi tọa độ GPS ảnh hưởng tượng nhiễu thiết bị thu dẫn đến việc trạng thái ô tô thời điểm dừng (không chuyển động) khơng thể xác 2.2 Xử lý gia tốc thuật tốn xấp xỉ Giả sử tô chuyển động điểm mút (điểm tham chiếu) với gia tốc khơng đổi, ví dụ từ điểm đến điểm (hình 2) Các thơng tin xe khoảng hai điểm không xác định Bên cạnh đó, thân điểm tham chiếu khơng phải vị trí xác ô tô thời điểm cụ thể, vị trí chứa thơng tin lỗi sai số hệ thống GPS Do đó, khơng cần thiết phải xác định xác điểm phép tính xấp xỉ giá trị gia tốc hàm phụ thuộc vào biến số thời gian Quỹ đạo chuyển động mô tả công thức sau: x  vx   y    v  dt;    y   z   v z        v x   ax    v   a  dt,   y   y    v z   az   (1) đó: x, y z - tọa độ ô tô; vx, vy vz - vận tốc ô tô theo hướng x, y z; ax, ay az - gia tốc ô tô theo hướng x, y z Đối với tập hợp điểm tham chiếu theo thời gian, giá trị gia tốc cần thiết để ô tô từ điểm tham chiếu đến điểm tham chiếu liền kề tính cơng thức sau:   x n  1  x n ax n  v x n           y n  1   y n  t  v y n    ay n  f  az n  t    z n  1   z n   v z n    y Các điểm tham chiếu hệ số xấp xỉ f=1 f=0,8 O x Hình Các đường quỹ đạo chuyển động với hệ số xấp xỉ khác Mặc dù quỹ đạo điểm tọa độ thu từ GPS xử lý, liệu nhận có sai số đáng kể sử dụng phép tính tích phân Để có thơng tin chuyển động xác hơn, sử dụng cảm biến đo gia tốc theo phương (gia tốc kế) Gia tốc thu từ gia tốc kế hồn tồn khơng phụ thuộc vào yếu tố bên Khi xử lý liệu thu từ gia tốc kế quay hồi chuyển, cần phải tính đến việc liệu có sai số Bởi vì, thực phép tính tích phân, có sai số tích lũy đại lượng vận tốc vị trí Tuy nhiên, kết hợp quỹ đạo nội suy (quỹ đạo tạo liệu xử lý thu GPS) có lỗi vị trí tức thời khơng chứa sai số tích lũy Các liệu gia tốc sử dụng cho hiệu chỉnh Bằng cách theo dõi độ lệch quỹ đạo tạo liệu từ gia tốc kế so với quỹ đạo nội suy, giá trị gia tốc hiệu chỉnh cho sai số phép tính tích phân loại bỏ biểu thức sau: ax _ hc k  1 ах _ gt k  1  Кhc х GPS k  1  xhc k    (3)   aу _ hc k  1 ау _ gt k  1  Кhc у GPS k  1  уhc k   đó: ax _ hc k  1 , ay _ hc k  1 - gia tốc quỹ đạo hiệu chỉnh thời điểm [k+1]; ах _ gt k  1 , ау _ gt k  1 - gia tốc thu gia tốc kế thời điểm [k+1]; К hc - hệ số hiệu chỉnh; х GPS k  1 , у GPS k  1 - tọa độ quỹ đạo nội suy thời điểm [k+1]; x hc k  , у hc k  - tọa độ (2) đó: ai[n] - gia tốc tơ chuyển động từ điểm n đến điểm n+1 theo phương x, y z; Δt = t[n+1] t[n] t[n], t[n+1] - thời gian điểm n n+1; x[n], x[n+1] tọa độ ô tô điểm n n+1 theo phương x; vi[n] - vận tốc ban đầu điểm n; f - hệ số xấp xỉ, thay đổi từ đến Hệ số xấp xỉ f xác định mức độ bám theo điểm tham chiếu đường quỹ đạo chuyển động tạo thành Website: https://jst-haui.vn công thức (1) Nếu hệ số 1, quỹ đạo qua điểm tham chiếu Nếu hệ số nhỏ 1, nằm gần điểm tham chiếu Ví dụ đường quỹ đạo cho bốn điểm tham chiếu với hệ số xấp xỉ khác trình bày hình quỹ đạo hiệu chỉnh thời điểm [k] Việc hiệu chỉnh thực cách thay đổi hệ số К hc cho quỹ đạo hiệu chỉnh có xu hướng tiến sát tới quỹ đạo nội suy Thực nghiệm sử dụng vi điều khiển MPU 9250 hãng InvenSense (hình 3a) Nó tích hợp trục gia tốc hướng (Accelerometer), trục góc quay (Gyroscope), điều khiển mạch МК19.2 (hình 3b) có vi điều khiển TMS320F28335 hãng Texas Instruments (TI) Sử dụng ngôn ngữ C++ phần mền Code Composer Studio (CCS) Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 81 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 hãng Texas Instruments (TI) để viết chương trình đọc giá trị gia tốc, góc quay từ MPU9250, thuật tốn xử lý tượng “trơi” gây sai số nhận liệu từ hai cảm biến gia tốc cảm biến quay hồi chuyển có MPU9250 phương pháp sử dụng lọc Madgwick Gia tốc tiếp tuyến pháp tuyến ô tô thay đổi hướng chuyển động xác định phép biến đổi tọa độ (hình 4):  a   a cosθ  a sinθ  (5)    a   a sinθ  a cosθ  t x n y x y MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ơ TƠ Ơ tơ mơ hình hóa phương trình vi phân động lực học tương ứng dựa định luật vật lý mơ tả chuyển động Cơng suất mơ men đặt lên trục động đại lượng đặc trưng cho động lực học, vận tốc tuyến tính vận tốc góc, gia tốc tuyến tính gia tốc pháp tuyến gọi thông số chuyển động xe Mơ hình đánh giá tin cậy để nghiên cứu khả hệ truyền động kéo giải thích việc sử dụng gia tốc thu từ công thức (5) để đánh giá thông số cần thiết hệ dẫn động (a) Hình chiếu tổng véc tơ lực tác dụng lên ô tô         chuyển động ma  FT  P  FA  FR12  FR34  R12  R 34 lên trục Ox Oz mô tả biểu thức: mat  FT  FG  FA  FR12  FR34 cosα (6) F1  R12  R34 (7) đó, FT - lực kéo; FG - hình chiếu trọng lực theo phương song song với mặt đường; FA - lực cản khơng khí; FR12, FR34 - lực cản lăn bánh xe; R12, R34 - phản lực tác dụng lên bánh xe; α - góc dốc mặt đường (b) Hình Cảm biến điểu khiển sử dụng thực nghiệm 2.3 Xác định gia tốc tiếp tuyến gia tốc pháp tuyến v Để tính tốn lực kéo ô tô điểm quỹ đạo chuyển động, cần phải xác định giá trị gia tốc tiếp tuyến at gia tốc pháp tuyến an Gia tốc tiếp tuyến liên quan đến giá trị vận tốc tuyệt đối tơ, cịn gia tốc pháp tuyến xác định bán kính góc cua xe FA FG x       R12 (4) α FR34 O Hình Mơ hình động lực học ô tô FT  mat  FG  FA  FR12  FR34 cosα P = FTv v vy  at ax Hình Phương pháp biến đổi tọa độ cực (8) Giả thiết hiệu suất hệ thống truyền lực 1, ta xác định công suất động cách nhân lực kéo với vận tốc: a ay O mg Từ phương trình (6) thu lực kéo cần thiết: y an F1 R34 đó, v - giá trị tuyệt đối vận tốc θ - góc véc tơ vận tốc  z FR12 Vận tốc ô tô hệ tọa độ cực tính cơng thức:  v 2x  v 2y v       θ  atan2 x x ,v y  C FT vx  (9) Mô men xoắn trục động kéo, khơng tính đến hiệu suất hộp số, tính theo bán kính bánh xe Rbx tỷ số truyền hộp số i P Rbx (10) iv Để phân tích xác, cần tính đến rằng, thực tế chuyển động, ô tô ln chịu tác dụng 82 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) M Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 n n FR  FR12  FR34  Fki   fR i i  fk mgcosα i1 (11) i1 Vận tốc Vận tốc (m/s) Công thức tổng quát lực ma sát lăn: Đồ thị gia tốc tiếp tuyến vận tốc theo thời gian quỹ đạo chuyển động trình bày hình Gia tốc m/s2 lực theo phương ngang, là: lực thành phần trọng lực; lực gió; lực ngẫu nhiên qua chỗ mấp mơ mặt đường Dưới tác dụng lực này, xuất hiện tượng “bẻ lái” Nguyên nhân véc tơ vận tốc bánh xe so với mặt phẳng quay bị lệch góc σps, góc lệch có độ lớn từ - 8o [9], điều dẫn đến tăng hệ số ma sát lốp mặt đường Gia tốc đó, fi - hệ số cản lăn bánh xe ô tô; n - số lượng bánh xe (n = ô tô con); fk  f0 1 (0, 0216v)2  , f0 - hệ số cản lăn bánh xe chuyển động với tốc độ thấp đường nhựa, f0 = 0,015 - 0,020; v - vận tốc ô tô [9] Lực cản khơng khí (FA) lực cản khí động học tác dụng lên xe chuyển động phía trước, tính cơng thức sau: (12) FA  c х ρAv 2 đó: cx - hệ số lực cản khơng khí, phụ thuộc hình dáng xe, cx nhận giá trị 0,15 ÷ 0,7; ρ - khối lượng riêng khơng khí (kg/m3), ρ = 1,225(kg/m3); A - diện tích mặt trước ô tô (m2) [9] Thời gian (s) Hình Đồ thị vận tốc gia tốc Công suất cần thiết động tính tích lực kéo vận tốc ô tô theo công thức (9) Hình mơ tả cơng suất tơ chuyển động, điểm cực đại công suất ứng với thời điểm xe tăng tốc Phần đồ thị nằm trục hoành, biểu thị khoảng thời điểm xe giảm tốc độ (đạp phanh) Thử nghiệm tiến hành tơ chỗ Hình biểu diễn phần quỹ đạo chuyển động quỹ đạo gần với hệ số xấp xỉ f khác Dễ dàng nhận thấy, đường quỹ đạo chuyển động ô tô với f = (đường màu tím) có độ dao động lớn, ứng với trường hợp ô tô giảm tốc dừng, gia tốc xe thay đổi giá trị âm, sau tiến đến giá trị Khi f = 0,6 quỹ đạo tương đối trơn có xu hướng lệch xa điểm tham chiếu khoảng lớn sai số thu GPS (đường xanh cây) Kết tốt thu với f = 0,8; đường quỹ đạo (đường màu đỏ) khơng có độ dao động bám theo điểm tham chiếu y (m) Hệ số xấp xỉ f = Dữ liệu GPS f = 0,8 f = 0,6 Thời gian (s) Hình Kết trình xử lý phần tuyến đường Website: https://jst-haui.vn Cơng suất (kW) THỬ NGHIỆM Thời gian (s) Hình Đồ thị công suất cần thiết động KẾT LUẬN Phương pháp phân tích xử lý liệu cung cấp thông tin cần thiết xác quỹ đạo chuyển động xe tơ dựa hệ thống định vị tồn cầu GPS hiệu chỉnh liệu thu từ cảm biến gia tốc Đây liệu đầu vào cho mơ hình tốn học hệ thống điện tơ để phân tích công suất, mức tiêu thụ lượng thời điểm xe trình di chuyển theo quỹ đạo định Có thể sử dụng kết nghiên cứu cho việc xây dựng mô hình xe tơ lai (hybrid) để đánh giá tiết kiệm nhiên liệu so với ô tô tuyền thống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Abdul Waheed, Katja Buss, 2016 Modeling and validation of a threedimensional thermoelectric model of a 50 Ah lithium-iron-phosphate battery cell at Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 83 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 three different ambient temperatures in the New European Driving Cycle (NEDC) AmE 2016 - Automotive meets Electronics; 7th GMM-Symposium [2] A S Anuchin, M F Kozachenko, M M Lashkevich, V N Ostrov, A M Rusakov, 2015 State and development prospects of electric transmission for electric and hybrid vehicles for 2015 Collection of reports of the scientific and technical conference "Topical issues and prospects for the development of electrical engineering", pp 43-50 [3] B Wallace, M Rockwood, R Goubran, F Knoefel, S Marshall, M Porter, 2015 Measurement of vehicle acceleration in studies of older drivers from GPS position and OBDII velocity sensors 2015 IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications Proceedings, pp 391-396 [4] Li Shen, Peter R Stopher, 2014 Review of GPS Travel Survey and GPSData-Processing Methods Transport Reviews: A Transnational Transdisciplinary Journal, DOI:10.1080/01441647.2014.903530 [5] K Oduan, B Guinot, Yu S Domina V.M Tatarenkova, MB Kaufman, 2002 Time measurement Basics of GPS Moscow: Technosphere, 400p [6] Yu A Soloviev, 2000 Satellite navigation systems M.: Eco-Trends, 270p [7] Qayyum Ejaz, Mohsin Zeeshan, Malik Junaid, 2013 Real-time Vehicle Tracking System Using GPS & GSM Lap Lambert Academic Publishing GmbHK [8] Irum Sanaullah, 2013 Real-time Estimation of Travel Time Using Low Frequency GPS Data from Moving Sensors Loughborough University, 2013 [9] V K Vakhlamov, M G Shatrov, A A Yurchevsky; Ed A A Yurchevsky, 2003 Cars: Theory and design of the car and engine: Textbook for students Institutions of Environments prof Education/M : Publishing Center "Academy", 816p AUTHORS INFORMATION Tran Xuan Trung1, Nguyen Huu Nam2, Phung Van Binh1, Vu Hai Ha3 Department of Aerospace Technology and Equipment (DATE), Le Quy Don Technical University Department of Automation and Computing Techniques (DACT), Le Quy Don Technical University Military Technical Automation Institute 84 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) Website: https://jst-haui.vn ... quỹ đạo chuyển động quỹ đạo gần với hệ số xấp xỉ f khác Dễ dàng nhận thấy, đường quỹ đạo chuyển động ô tô với f = (đường màu tím) có độ dao động lớn, ứng với trường hợp ô tô giảm tốc dừng, gia tốc... HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ơ TƠ Ơ tơ mơ hình hóa phương trình vi phân động lực học tương ứng dựa định luật vật lý mơ tả chuyển động Cơng suất mô men đặt lên trục động đại lượng đặc trưng cho động. .. (9) Mô men xoắn trục động kéo, khơng tính đến hiệu suất hộp số, tính theo bán kính bánh xe Rbx tỷ số truyền hộp số i P Rbx (10) iv Để phân tích xác, cần tính đến rằng, thực tế chuyển động, ô tô