Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển ga tự động CCS đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN vii TÓM TẮT viii MỤC LỤC xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU xv DANH MỤC CÁC HÌNH xvi DANH MỤC CÁC BẢNG xx Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI: 1.4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: 1.4.1 Phương pháp nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu: 1.5 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GA TỰ ĐỘNG (CCS) 1.6 GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI BỘ CHẤP HÀNH CCS Chương NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.1 KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ PHẬN 2.1.1 Các phận cấu thành hệ thống CCS: 2.1.2 Công tắc điều khiển 2.1.3 Cảm biến tốc độ xe 2.1.4 Các công tắc hủy: 16 2.1.5 Công tắc phanh tay 16 2.1.6 Công tắc khởi động trung gian (kiểu xe A/T) 17 xi 2.1.7 Công tắc ly hợp (kiểu xe M/T) 18 2.1.8 Công tắc đèn phanh 18 2.1.9 ECU điều khiển chạy tự động 19 2.1.10 Bộ chấp hành 19 2.1.11 Cảm biến vị trí bướm ga 26 2.2 CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG CCS 27 2.2.1 Chức điều khiển tốc độ không đổi 27 2.2.2 Chức cài đặt tốc độ (Set) 27 2.2.3 Chức tăng tốc(Acc) 28 2.2.4 Chức giảm tốc(Coast) 28 2.2.5 Chức phục hồi (Resume) 29 2.2.6 Chức điều khiển giới hạn tốc độ thấp 29 2.2.7 Chức điều khiển giới hạn tốc độ cao 29 2.2.8 Chức hủy thường 29 2.2.9 Chức hủy tự động 30 2.2.10 Chức chẩn đoán 31 2.2.11 Chức kiểm tra tín hiệu vào 32 2.3 CẢI TIẾN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GA TỰ ĐỘNG CCS 33 2.3.1 Hệ thống ACCS 33 2.3.2 Hệ thống ACCS stop and go 35 2.4 GIỚI THIỆU VỀ MATLAB SIMULINK VÀ BOARD MẠCH ARDUINO MEGA 2560 R3 36 2.4.1 Giới thiệu phần mềm matlab simulink 36 2.4.2 Giới thiệu board mạch arduino mega 2560 R3 37 xii Chương 3: NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CCS VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK TRONG LẬP TRÌNH CCS ECU 39 3.1 NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CCS 39 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý 39 3.1.2 Thuật toán điều khiển CCS 40 3.1.3 Thuật toán giải thuật PID 42 3.2CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CCS BẰNG SIMUNLINK 44 3.2.1 Cụm tín hiệu SWITCHES SENSORS 44 3.2.2 Cụm ENABLE/SETPIONT 46 3.2.3 Cụm PID &CONTROLER BLOCK 47 3.2.4 Cụm điều khiển Bộ chấp hành 48 3.2.5 Cụm cảm biến vị trí bướm ga motor mơ tốc độ xe 49 3.2.6 Các BLOCK hiển thị báo hiệu 49 Chương 4: THIẾT KẾ THI CƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG CCS 51 4.1 BỘ CHẤP HÀNH 51 4.2 CÔNG TẮC ĐIỀU KHIỂN 52 4.3 CỤM PEDAL BƯỜM GA 53 4.4 CÁC CÔNG TẮC HỦY 54 4.5 ĐÈN BÁO VÀ GIẮC KIỂM TRA 54 4.6 ECU ĐIỀU KHIỂN GA TỰ ĐỘNG: 54 4.7 MOTOR MÔ PHỎNG TỐC ĐỘ XE 55 4.8 THIẾT KẾMƠ HÌNH 56 Chương 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUÁ 58 Chương 6: KẾT LUẤN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 61 xiii 6.1 NHỮNG THÀNH QUẢ THU ĐƯỢC 61 6.2 HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI 61 6.3 ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC 63 xiv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU CCS : Cruise Control System (Hệ thống điều khiển ga tự động) ACCS : Adaptive Cruise control system (Hệ thống điều khiển ga tự động đáp ứng) CCS ECU: Cruise Control System Electronic Control Unit (Bộ điều khiển điện tử hệ thống điều khiển ga tự động ) ECTS-i: Electronic Throttle Control System – Intelligent (Hệ thống bướm ga thông minh) xv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Hình kỹ sư Ralph Teetor phát minh hệ thống CCS ô tô Hình 1.2 Bộ chấp hành dẫn động chân không Hình 1.3 Bộ chấp hành dẫn động motor điện Hình 2.1 Các phận hệ thống CCS Hình 2.2 Cơng tắc điều khiển hệ thống CCS dạng cần gạt Hình 2.3 Công tắc điều khiển hệ thống CCS dạng nút bấm vơ lăng Hình 2.4 Cảm biến tốc độ xe – Vehicle speed sensor .7 Hình 2.5 Cảm biến tốc độ loại công tắc lưỡi gà Hình 2.6 Cảm biến tốc độ loại cảm biến quang điện Hình 2.7 Sơ đồ mạch điện cảm biến tốc độ loại cảm biến quang điện 10 Hình 2.9 Cấu tạo cảm biến tốc độ loại cảm biến điện tử 11 Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động cảm biến tốc độ loại cảm biến điện tử 11 Hình 2.11 Sơ đồ mạch điện cảm biến tốc độ loại cảm biến điện tử .12 Hình 2.13 Cấu tạo cảm biến tốc độ loại MRE – phần tử điện từ 13 Hình 2.14 Nguyên lý hoạt động cảm biến tốc độ loại MRE – phần tử điện từ 14 Hình 2.15 Sơ đồ mạch điện cảm biến tốc độ loại MRE 20 cực – loại điện áp 15 Hình 2.16 Sơ đồ mạch điện cảm biến tốc độ loại MRE cực – biến trở 15 Hình 2.17 Vị trí lắp đặt cảm biến tốc độ .16 Hình 2.18 Phanh tay .17 Hình 2.19 Cần số xe 17 Hình 2.20 Bàn đạp ly hợp .18 Hình 2.21 Bàn đạp phanh .18 xvi Hình 2.22 CCS ECU .19 Hình 2.23 Sơ đồ mạch điện hệ thống CCS loại bô chấp hành dẫn động chân khơng 20 Hình 2.24 Bộ chấp hành dẫn động chân khơng khơng có bơm chân khơng 20 Hình 2.25 Bộ chấp hành dẫn động chân khơng có bơm chân khơng 21 Hình 2.26 Van chân khơng điều khiển 22 Hình 2.27 Bộ chấp hành dẫn động motor 23 Hình 2.28 Ly hợp từ .24 Hình 2.29 Bướm ga điện tử ECT 24 Hình 2.30 Một sơ đồ hoạt động thực tế hệ thống CCS 25 Hình 2.31 Cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính 26 Hình 2.32 Chức điều khiển tốc độ không đổi 27 Hình 2.33 Chức cài đặt tốc độ .27 Hình 2.34 Chức tăng tốc 28 Hình 2.35 Chức giảm tốc .28 Hình 2.36 Chức phục hồi (resume) 29 Hình 2.37 Đèn báo 31 Hình 2.38 Dắt chẩn đốn xe thực tế kiểu xe lắp động 7M-GE 32 Hình 2.39 Dắt chẩn đốn xe thực tế kiểu xe lắp động 5M-E .32 Hình 2.40 Khóa điện .33 Hình 2.41 Cơng tắc điều khiển CCS 33 Hình 2.42 Hình mơ hoạt động hệ thống Adaptive cruise control .34 Hình 2.43 Hình mô hoạt động hệ thống Adaptive Cruise Controlcự ly hẹp .35 Hình 2.44 Hình mơ hoạt động hệ thống Adaptive Cruise Control Stop And Go 36 xvii Hình 2.45 Phần mềm MATLAB SIMULINK 37 Hình 2.46 board mạch ARDUINO MEGA 2560 R3 .38 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt độnghệ thống CCS .39 Hình 3.2 Động lực học dọc xe .40 Hình 3.3 Giải thuật PID 41 Hình 3.4 Hoạt động khâu P 42 Hình 3.5 Hoạt động khâu D .42 Hình 3.6 Hoạt động khâu I .43 Hình 3.7 Chương trình điều khiển CCS SIMULINK 44 Hình 3.8 Cụm tín hiệu SWITCH SENSOR .45 Hình 3.9 Cụm Enable/ Setpoint 46 Hình 3.10 Chi tiết hoạt động cụm Enable/ Setpoint 47 Hình 3.11 Cụm khối PID Controler 47 Hình 3.12 Cụm CCS MODULE .48 Hình 3.13 Cụm mô tốc độ xe .49 Hình 3.14 Block hiển thị LCD .49 Hình 3.15 Block hiển thị đèn báo 50 Hình 4.1 Bộ chấp hành 51 Hình 4.2 Cơng tắc điều khiển 52 Hình 4.3 Pedal 53 Hình 4.4 Bướm ga 53 Hình 4.5 Các cơng tắc hủy .54 Hình 4.6 LCD hiển thị dãy đèn báo 54 xviii Hình 4.7 Cảm biến tốc độ .55 Hình 4.8 Khung mơ hình 56 Hình 4.9 Mơ hình mơ gá lắp .56 Hình 4.10 Mơ hình hồn chỉnh .57 Hình 5.1 Hệ thống CCS trạng thái hoạt động .58 Hình 5.2 Hệ thống CCS trạng thái “CANCEL” 58 Hình 5.3 Hệ thống CCS trạng thái “RESUME” 59 Hình 5.4 Đồ thị đáp ứng tăng tốc độ 59 Hình 5.5 Đồ thị đáp ứng giảm tốc độ .60 Hình 7.1 Sơ đồ mạch điện hệ thống ccs xe toyota coralla 1996 .63 Hình 7.2 Sơ đồ mạch điện thực tế mơ hình nghiên cứu 64 Hình 7.3 Cửa sổ giao diện MATLAB 65 Hình 7.4 Giao diện trang “Add-Ons” .65 Hình 7.5 Cách cài đặt thư viện ARDUINO 66 Hình 7.6 Chọn “Open Model Report” 66 Hình 7.7 Chọn file chứa code cần tìm 66 xix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Chú thích sơ đồ hoạt động thực tế hệ thống CCS 26 Bảng 2.2 Tín hiệu hủy thường 30 Bảng 2.3 Tín hiệu hủy tự động 30 xx 4.2 CÔNG TẮC ĐIỀU KHIỂN Cơng tắc điều khiển dùng cho mơ hình loại cơng tắc điều khiển TOYOTAcó cơng tắc phía đầu cơng tắc điều khiển Đầu giắc có chân : CCS, CMS, GND Hình 4.2 Cơng tắc điều khiển Cách kiểm tra: Nhấn cơng tắc chân CMS GROUND thông nhau, chân CCS GROUND không thông Khi đo chân CCS GROUND cần ý: R = 418 Ω, với công tắcđiều khiển bật vị trí CANCEL R = 68 Ω, với công tắc điều khiển bật vị trí RES/ACC R=198 Ω, với cơng tắc điều khiển bật vị trí SET/COAST 4.3 CỤM PEDAL BƯỚM GA Cảm biến vị trí bướm ga gắn bướm ga cấp nguồn 5V tín hiệu tương tự biến đổi từ 0V đến 5V, tùy thuộc vào vị trí bàn đạp ga để điều khiển tăng hay giảm tốc độ motor mô tốc độ Thông qua motor cảm biến tốc độ quay tạo tín hiệu xung tốc độ 52 Hình 4.3 Pedal Hình 4.4 Bướm ga Do tín hiệu xung tăng hay giảm bướm ga mở rộng hay hẹp Tín hiệu xung từ cảm biến tốc độ gửi ECU CCS để xử lý để phù hợp với tốc độ thực tế xe Khi đo chân tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga cần ý: 53 VC: 5V ; VTA: giá trị điện áp chạy từ 0V đến 5V theo vị trí bướm ga; E2 chân mass 4.4 CÁC CƠNG TẮC HỦY Gồm có cơng tắc hủy: Tương ứng người lái đạp phanh; đạp ly hợp xe số thường vị trí cần số số trung gian xe số tự động; kéo phanh tay chế độ CCS tự hủy Hình 4.5 Các cơng tắc hủy 4.5 ĐÈN BÁO VÀ GIẮC KIỂM TRA Gồm đèn báo :CCS, Brake Clutch.khi người điều khiển nhấn cơng tắc đèn CCS màu xanh sáng lên báo chế độ CCS thiết lập, tương ứng người điều khiển đạp phanh, kéo phanh tay hay đạp ly hợp đèn brake, clutch tương ứng sáng lên báo chế độ CCS hủy Giắc kiểm tra cải biên thành cổng giao tiếp USB kết nối trực tiếp với máy vi tính để chẩn đốn, kiểm tra lỗi code Ngồi ta theo dõi trạng thái hoạt động hệ thống CCS hình LCD Hình 4.6 LCD hiển thị dãy đèn báo 54 4.6 ECU ĐIỀU KHIỂN GA TỰ ĐỘNG: ECU điều khiển ga tự động nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe công tắc khác, đồng thời xử lý chúng theo chương trình nạp trước Dựa tín hiệu này, ECU gửi tín hiệu điều khiển đến motor ly hợp từ chấp hành ECU gồm chân: B, Batt, STP-, CMS, CCS, TC, PI, SPD, N&C, IDL, ECT, OD, MC, MO, VR1, VR2, VR3, L, L-, GND 4.7 CẢM BIẾN TỐC ĐỘ Ở mơ hình người làm sử dụng cảm biến điện từ quay nhờ motor mơ qua xuất tín hiệu xung cho ECU CCS Giá trị điện áp chân: B+ : 5V SPD : tín hiệu xung 0V 5V cảm biến hoạt động Hình 4.7 Cảm biến tốc độ 55 4.8THIẾT KẾ MƠ HÌNH Khung mơ hình làm sắt mạ kẽm 20×20 mm dày 1,4mm Hình 4.8 Khung mơ hình Mơ gá lắp hệ thống lên bề mặt khung Hình 4.9Mơ hình mơ gá lắp 56 Mơ hình sau gá lắp hồn chỉnh Hình 4.10 Mơ hình hồn chỉnh 57 Chương 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUÁ  Hoàn thành chương trình điều khiển hệ thống CCS Simulink  Hoạt động tất chế độ Chế độ cài đặt ban đầu(SET) Hình 5.1 Hệ thống CCS trạng thái hoạt động Trong q trình hoạt động ta tăng giảm vận tốc mong muốn dễ dàng cách điều khiển công tắc điều khiển CCS theo vị trí hoạt động khác Chế độ tạm ngưng(CANCEL) Hình 5.2 Hệ thống CCS trạng thái “CANCEL” Ở chế độ vận tốc cài đặt trước tạm ngưng lưu vào nhớ ECU 58 CCS, vận tốc cài đặt kích hoạt trở lại thực hiện thao tác phục hồi (RESUME) Chế độ phục hồi (RESUME) Hình 5.3 Hệ thống CCS trạng thái “RESUME” Tốc độ cài đặt phục hồi từ ECU CCS Điều kiện để sử dụng chế độ RESUME vận tốc xe phải lớn 40 km/h Chế độ tăng tốc (ACC) Hình 5.4 Đồ thị đáp ứng tăng tốc độ 59 Chế độgiảm tốc (COAST) Hình 5.5 Đồ thị đáp ứng giảm tốc độ Tốc độ đáp ứng ổn định khoảng :40 km/h đến 130km/h với độ sai lệch so với tốc độ cài đặt khoảng ±2km Các chế độ tăng tốc giảm tốc hoạt động tốt Nhưng dãy tốc độ đáp ứng cịn nhảy bậc, chưa mơ hồn tồn giống với tốc độ thực tế tô 60 Chương 6: KẾT LUẤN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1NHỮNG THÀNH QUẢ THU ĐƯỢC  Nắm vững việc vận dụng thuật toán PID điều khiển tốc độ xe  Nắm kiến thức bảng sử dụng Matlab Simulink lập trình cho ECU CCS  Được thực hành hàn, sơn khung mơ hình  Nghiên cứu lý thuyết Cruise control bước phát triển hệ thống  Mô hệ thống hoạt động khác nhiều chế độ hoạt động  Board mạch hoạt động tương đối ổn định  Học thêm nhiều kiến thức điện tử, công nghệ thông tin, hoạt động board mạch ARDUINO MEGA 2560 R3 6.2 HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI  Tḥt tốn mơ MATHLAB SIMULINK cịn dài dịng, chưa đưa tốc độ đáp ứng hoàn toàn với tốc độ mong muốn  Hệ thống chưa thử nghiệm xe thực tế  Chưa mô đầy đủ trường hợp xảy xe vận hành  Mơ hình chưa tích hợp cảm biến LIDAR RADAR nên hệ thống chưa đạt đến mức chủ động đáp ứng  Cảm biến thu tín hiệu cịn nhiễu  Motor mơ tốc độ xe không mong muốn 6.3 ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI  Tích hợp thêm cấu khác ABS; bướm ga điện tử, bảng tap lô hiển thị để việc điều khiển thực tế  Thử nghiệm mơ hình hệ thống xe tơ  Phát triển lên hệ thống điều khiển ga tự động chủ động đáp ứng  Tiến hành đánh giá thử nghiệm phần mềm giả lập 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Văn Dũng, Hệ thống điện thân xe điều khiển tự động ô tô, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 2007 [2] Nguyễn Thị Phương hà, Lý thuyết điều khiển đại, NXB ĐHQG TP Hồ Chí Minh, 2009 [3] TS Trương Đình Nhơn, KS Phạm Quang Huy, Hướng dẫn sử dụng ARDUINO, NXB Thanh Niên, 2017 [4]https://en.wikipedia.org/wiki/Cruise_control [5]https://patentimages.storage.googleapis.com/28/aa/35/edf861a5a76094/US567865 0.pdf [6]http://sunnyday.mit.edu/safetyclub/workshop5/Adaptive_Cruise_Control_Sys_Ove rview.pdf [7] https://www.mathworks.com/videos/teaching-state-machines-and-control-logicwith-simulink-and-stateflow-part-181711.html?elqsid=1521038977019&potential_use=Student [8] https://www.oto-hui.com/diendan/threads/tim-hieu-cam-bien-toc-do-xe-vehiclespeed-sensor.111689/ [9]https://www.automotiveworld.com/news-releases/bosch-acc-automaticallymaintains-right-distance/ [10] https://www.youtube.com/watch?v=BT2fN0niYW0 [11] https://www.youtube.com/watch?v=wkBCARbdTEA [12] https://www.youtube.com/watch?v=bp4Q_tLnayw 62 PHỤ LỤC SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN HỆ THỐNG CCS TRÊN XE TOYOTA CORALLA 1996 Hình 7.1 Sơ đồ mạch điện hệ thống ccs xe toyota coralla 1996 63 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN TRÊN MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU Hình 7.2 Sơ đồ mạch điện thực tế mơ hình nghiên cứu 64 CÁCH CÀI THƯ VIỆN ARDUINO VÀO THƯ VIỆN MATLAB SIMULINK  Bước 1: Chọn “Add-Ons” Hình 7.3 Cửa sổ giao diện MATLAB  Bước : Chọn thư viện “Simulink Support Package for Arduino Hardware” Hình 7.4 Giao diện trang “Add-Ons”  Bước 3: Chọn “Install” 65 Hình 7.5 Cách cài đặt thư viện ARDUINO  Bước 4: Chọn “ I Accept” sau “ Next” đợi hồn tất  Cuối vào thư viện SIMULINK xuất hiên khối hỗ trợ ARDUINO CÁCH XUẤT CODE SIMULINK  Bước 1: Chọn “Open Model Report” Hình 7.6 Chọn “Open Model Report”  Bước 2: Chọn file chứa code cần tìm “OK” Hình 7.7 Chọn file chứa code cần tìm 66 ... Các công tắc hủy bao gồm công tắc điều khiển (và công tắc kiểu xe mà công tắc tách rời), công tắc đèn phanh, công tắc phanh tay, công tắc ly hợp công tắc khởi động trung gian Khi công tắc công. .. ga tự động  Nắm kiến thức từ môn học ứng dụng điều khiển tự động ô tô sử dụng phần mềm matlab Simulink  Chế tạo thành công mô hình hệ thống điều khiển ga tự động với tín hiệu tốc độ động. .. bướm ga điện tử;ACCS; ACCS stop and go,… 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Môn học ứng dụng điều khiển tự động ô tô thực tập hệ thống điện thân xe môn học áp dụng cho sinh viên năm 3, ngành công