Khảo sát sự ổn định của xe khi chuyển làn bằng mô hình động lực học phức hợp

Bài viết Khảo sát sự ổn định của xe khi chuyển làn bằng mô hình động lực học phức hợp tiến hành khảo sát sự ổn định của ô tô khi chuyển làn dựa trên một mô hình động lực học phức hợp. Mô hình này là sự kết hợp giữa mô hình động lực học không gian, mô hình động lực học hai dãy phi tuyến và mô hình lốp phi tuyến.

BÀI BÁO KHOA HỌC KHẢO SÁT SỰ ỔN ĐỊNH CỦA XE KHI CHUYỂN LÀN BẰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHỨC HỢP Nguyễn Đức Ngọc1, Nguyễn Tuấn Anh1, Đặng Ngọc Duyên1 Tóm tắt: Bài báo tiến hành khảo sát ổn định ô tô chuyển dựa mơ hình động lực học phức hợp Mơ hình kết hợp mơ hình động lực học khơng gian, mơ hình động lực học hai dãy phi tuyến mơ hình lốp phi tuyến Các thơng số đầu vào tốn mơ bao gồm vận tốc góc đánh lái Các kết đầu thu góc nghiêng thân xe, góc xoay thân xe, quỹ đạo chuyển động xe, Q trình mơ thực phần mềm MATLAB-Simulink với hai trường hợp cụ thể Kết nghiên cứu cho thấy xe chuyển động tốc độ cao đánh lái với góc lớn hơn, thay đổi thông số đầu lớn Điều gây nên ổn định cho xe di chuyển số tình đặc biệt Do đó, cần xác định điều kiện di chuyển thời điểm để lựa chọn góc đánh lái chuyển phù hợp Từ khố: Động lực học tơ, chuyển đơn, mơ GIỚI THIỆU * Sự đời tồn ngành công nghiệp ô tô trải qua 130 năm Đi với phát triển mạnh mẽ Cuộc cách mạng Khoa học – Công nghệ 4.0, ngành công nghiệp ô tô ngày trọng phát triển mạnh mẽ Bên cạnh tính vận chuyển, an tồn xe ln vấn đề quan tâm hàng đầu Khi xe di chuyển đường, có nhiều tác động ảnh hưởng đến ổn định xe hành khách hàng hóa xe Đặc biệt, xe đánh lái để chuyển làn, tránh chướng ngại vật vào đường vòng, ổn định cao (Poussot-Vassal C., et al., 2011) Khi xe đánh lái, lực ly tâm xuất Dưới ảnh hưởng lực ly tâm, thân xe bị nghiêng Bên cạnh đó, góc xoay thân xe xuất Điều có ảnh hưởng đến ổn định an toàn xe Nếu vận tốc di chuyển lớn góc đánh lái lớn, ổn định lớn (Poussot-Vassal C., et al., 2007) Trong năm trở lại đây, có nhiều Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi 26 nghiên cứu động lực học quay vòng tính ổn định xe cơng bố Trong (Nguyen Trong Hoan, et al., 2021), hai tác giả Nguyễn Trọng Hoan Trần Phúc Hòa thực nghiên cứu động lực học quay vịng tô tải ba trục Trong báo này, tác giả sử dụng mơ hình động lực học vết tuyến tính với biến dạng đàn hồi lốp để mô quỹ đạo chuyển động ô tô Với vận tốc nhỏ, quỹ đạo chuyển động tơ giữ lái coi đường tròn Trong (Nguyễn Tuấn Anh, et al., 2019), tác giả đưa quy luật đánh lái kiểu J-turn Fish-hook để xác định quỹ đạo chuyển động xe Quỹ đạo hàm phụ thuộc vào vận tốc, góc hướng góc xoay thân xe Mơ hình động lực học để mơ dao động chuyển động xe thiết lập dựa phương pháp lượng với phương trình Laganger loại nguyên lý D’alembert (Liaw D.C., et al.,2006; Taewon A., et al., 2021) Đầu tốn dao động đánh lái góc nghiêng ngang thân xe, góc xoay thân xe, tốc độ xoay thân xe nhân tố khác (Wielitzka M., et al., 2014; Zhang H., et al, 2018) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 79 (6/2022) Bài báo tập trung vào việc thiết lập mơ hình động lực học khơng gian phức tạp để mô dao động xe chuyển đơn Đây mơ hình phi tuyến có xét đến ảnh hưởng yếu tố bên Nội dung cụ thể báo trình bày mục MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC Để mô dao động xe đánh lái, mơ hình động lực học cần phải thiết lập Trong nghiên cứu này, mơ hình động lực học khơng gian với bậc tự (Hình 1) kết hợp với mơ hình động lực học hai dãy phi tuyến (Hình 2) So với kết hợp truyền thống (mơ hình động lực học phần hai kết hợp với mơ hình động lực học dãy tuyến tính), mơ hình có kể đến ảnh hưởng tất góc nghiêng thân xe chuyển vị đầy đủ bánh xe Bên cạnh đó, biến dạng lốp xem xét tới khảo sát Tuy nhiên, mơ hình phức tạp Sử dụng phương pháp tách hệ nhiều vật, phương trình mơ tả dao động xe đưa sau: Hình Mơ hình động lực học không gian ms zs    FKij  FCij  (1) i , j 1  J  ms h2      1 i , j 1  J  msh2     1 j 1 i 1 F Kij F Kij    FCij  twi   gsin  v y    vx  cos ms h       FCij  bi (2) (3) i , j 1 m uij  z uij  FKTij  FKij  FCij (4) Trong đó: j 1 i 1 FKij  K ij  z s  zuij   1 twi   1 bi    j 1 i 1 FCij  Cij  zs  zuij   1 twi   1 bi    FKTij  KTij  zrij  zuij    arctan (5) (6) (7) vy (8) vx Các thành phần chuyển động xe xác định dựa mơ hình động lực học quay vịng Mơ hình có bậc tự tương ứng với phương chuyển động xe (Tuan Anh Nguyen, 2020) 2      m  m v  F cos   F sin   F  m     s  ij  x  xij  s  mij    vy ij yij ij i , j 1 i , j 1 i , j 1     2      ms   mij  vy    Fxij sin ij  Fyij cosij   F2   ms   mij    vx i , j 1 i , j 1 i , j 1        KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 79 (6/2022)  (9) (10) 27 j J    1  Fxij cos ij  Fyij sin ij  twi   1  i , j 1 Để giải phương trình trên, lực moment bánh xe Fx, Fy Mz cần phải xác định trước Có nhiều phương pháp sử dụng để xác định giá trị Trong i 1 F xij  (11) sin ij  Fyij cos ij  bi  Fc i i  M zij  đó, mơ hình lốp Pacejka với thơng số thực nghiệm thường có nhiều tính ưu việt (Pacejka H.B., et al.,2007) Hình Mơ hình động lực học hai dãy phi tuyến Fx  Dx sin Cx artan  Bx x   (12) Fy  Dy sin C y artan  By y    Svy (13) M z  Dz sin Cz artan  Bz z    Svz (14) MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 3.1 Điều kiện mơ Q trình mơ thực môi trường MATLAB-Simulink với hai trường hợp cụ thể tương ứng với hai góc đánh lái (Hình 3) Trong trường hợp, vận tốc xe thay đổi với giá trị: v1 = 30 (km/h), v2 = 50 (km/h), v3 = 70 (km/h) Các kết đầu toán mơ bao gồm góc nghiêng thân xe, góc xoay thân xe, quỹ đạo thân xe, v.v Các thông số q trình mơ đưa Bảng Bảng Các thông số tham khảo Thông số Khối lượng treo Khối lượng không treo Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước cầu sau Một nửa chiều rộng sở cầu trước cầu sau 28 Ký hiệu ms muij b1/b2 tw1/tw2 Giá trị 1640 38 1210/1610 720/715 Đơn vị kg kg mm mm KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 79 (6/2022) Dưới ảnh hưởng lực ly tâm, thân xe bị nghiêng Nếu lực ly tâm lớn, tức gia tốc ngang lớn, thân xe bị nghiêng nhiều Sự thay đổi góc nghiêng thân xe theo thời gian giá trị vận tốc khác đồ thị Hình Giá trị góc nghiêng thân xe đạt lớn vận tốc v3 = 70 (km/h), đạt 0,530 Các giá trị giảm dần Hình Góc đánh lái tương ứng với vận tốc v2 = 50 (km/h) v1 = 30 (km/h), đạt 0,390 0,250 Bởi xe 3.2 Kết đánh giá Trường hợp Trong trường hợp thứ nhất, góc đánh lái bánh xe dẫn hướng nhỏ Biên độ góc đánh lái khoảng 0,80 Do đó, giá trị đầu chưa thực lớn Hình phụ thuộc góc xoay thân xe () gia tốc ngang (ay) dải vận tốc tương ứng v1, v2 v3 Theo kết này, gia tốc ngang xuất hiện, thân xe bị xoay Góc xoay thay đổi liên tục dựa theo tín hiệu gia tốc ngang Khi trình đánh lái kết thúc (gia tốc ngang ay = 0), góc xoay thân xe giảm dần không, xe quay trở lại trạng thái ổn định ban đầu Nếu xe di chuyển tốc độ cao, giá trị gia tốc ngang lớn, điều khiến cho góc xoay thân xe lớn chuyển với góc đánh lái nhỏ, giá trị góc nghiêng khơng lớn Điều khơng thể gây tượng lật xe Hình Sự thay đổi góc nghiêng thân xe Mối quan hệ tốc độ xoay thân xe vận tốc ngang thể Hình Góc xoay xuất xe đánh lái Do đó, tốc độ xoay tồn đồng thời với vận tốc ngang xe Nếu vận tốc chuyển động xe lớn, tốc độ xoay thân xe lớn Sự thay đổi Hình Sự phụ thuộc góc xoay thân xe gia tốc ngang phi tuyến, khó để xác định xác mối liên hệ chúng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 79 (6/2022) 29 có thay đổi Với góc đánh lái tăng gấp đơi, giá trị gia tốc ngang tăng lên gần gấp đơi Vì vậy, góc xoay thân xe tăng lên tương ứng (Hình 8) Nhìn chung, biên dạng đường cong thể phụ thuộc góc xoay thân xe vận tốc ngang trường hợp tương tự trường hợp thứ Điểm khác biệt độ lớn chúng Hình Sự phụ thuộc tốc độ xoay thân xe vận tốc ngang Khi xe chuyển làn, thông số quan tâm quỹ đạo chuyển động xe Giá trị giúp đánh giá cách xác hiệu chuyển xe Với góc đánh lái, vận tốc xe lớn, quỹ đạo xe lớn (Hình 7) Hình Sự phụ thuộc góc xoay thân xe gia tốc ngang Góc nghiêng thân xe theo thời gian trường hợp lớn (Hình 9) Các giá trị cực đại tương ứng với ba dải vận tốc 1,060; 0,780 0,500 So với trường hợp trên, giá trị thu có xu hướng tăng gấp lần Sau xe trả lái, góc nghiêng giảm dần khơng Hình Quỹ đạo chuyển động xe Trường hợp Trong trường hợp thứ hai, góc đánh lái xe tăng lên lớn với biên độ đạt 1,60 Do đó, giá trị thu từ trình khảo sát 30 Hình Sự thay đổi góc nghiêng thân xe KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 79 (6/2022) Với góc đánh lái lớn hơn, biến dạng bánh xe lớn Vì vậy, vận tốc ngang xe tăng lên Điều khiến cho góc xoay tần số góc xoay thân xe tăng lên cách nhanh chóng Ở tốc độ lớn, thay đổi lớn (Hình 10) Hình 10 Sự phụ thuộc tốc độ xoay thân xe vận tốc ngang Hình 11 Quỹ đạo chuyển động xe Với góc đánh lái lớn hơn, quỹ đạo chuyển động xe lớn hơn, điều thể đồ thị Hình 11 Do đó, cần phải ước lượng khoảng cách đường vận tốc thời điểm di chuyển để đánh lái với góc hợp lý để tránh tượng xe bị lệch khỏi đường chuyển KẾT LUẬN Sự ổn định an tồn xe đánh lái vấn đề ln quan tâm hàng đầu Các thông số đặc trưng cho ổn định kể đến góc nghiêng ngang thân xe, góc xoay thân xe, quỹ đạo chuyển động xe, … Nếu thay đổi giá trị lớn, tính ổn định xe đánh lái bị ảnh hưởng Bài báo tập trung vào việc đánh giá ổn định xe chuyển Để mơ chuyển động xe, mơ hình động lực học phức hợp thiết lập Quá trình mô thực với hai trường hợp cụ thể Trong trường hợp, vận tốc chuyển động xe thay đổi Theo kết nghiên cứu, góc đánh lái vận tốc di chuyển tăng lên, thông số đặc trưng cho ổn định xe tăng lên Trong số trường hợp nguy hiểm, điều gây ảnh hưởng tới độ ổn định xe Do đó, cần phải xác định điều kiện cụ thể trước đánh lái để đảm bảo quỹ đạo xe không bị lệch khỏi đường mong muốn Bên cạnh đó, giới hạn ổn định tơ (giới hạn góc nghiêng ngang góc xoay thân xe) thiết lập dựa số liệu thu thập từ q trình mơ TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Tuấn Anh, et al (2019), “Ứng dụng Carsim đánh giá mơ hình động lực học quay vịng ô tô xác định quỹ đạo chuyển động”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi Mơi trường, Số đặc biệt (10/2019) Nguyen Trong Hoan, et al., (2021), “Research in Kinematics and Dynamics of Turn for Special Three Axles Trucks”, Journal of Science & Technology, 57(1), pp 59-62 Liaw D.C., et al (2006), “Control Design for Vehicle's Lateral Dynamics”, IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics October 8-11, 2006, Taipei, Taiwan, pp 2081-2086 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 79 (6/2022) 31 Pacejka H.B., et al (2007), “The Magic Formula Tyre Model”, Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, 21:S1, pp 1-18 Poussot-Vassal C., et al (2007), “Toward global chassis control by integrating the brake and suspension systems”, 5th IFAC Symposium on Advances in Automotive Control, IFAC AAC 2007, Monterrey Coast: États-Unis d'Amérique Poussot-Vassal C., et al (2011), “Vehicle dynamic stability improvements through gain-scheduled steering and braking control”, Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, 49(10), pp 1597–1621 Taewon A., et al (2021), “Design of Integrated Autonomous Driving Control System that Incorporates Chassis Controllers for Improving Path Tracking Performance and Vehicle Stability”, MDPI Electronics 2021, 10,144 Tuan Anh Nguyen, (2020), “Establishing the Dynamics Model of the Vehicle Using the 4-Wheels Steering Systems”, Mathematical Modelling of Engineering Problems, 7(3), September, 2020, pp 436-44 Wielitzka M., et al (2014), “State Estimation of Vehicle’s Lateral Dynamics using Unscented Kalman Filter”, 53rd IEEE Conference on Decision and Control December 15-17, 2014, pp 5015-5020 Zhang H., et al (2018), “Input-Constrained LPV Output Feedback Control for Path Following of Autonomous Ground Vehicles”, Annual American Control Conference (ACC) June 27–29, 2018 Wisconsin Center, Milwaukee, USA, pp 3233-3238 Abstract: INVESTIGATION OF VEHICLE STABILITY WHEN CHANGING LANES BY COMPLEX DYNAMICS MODEL This article investigates the stability of automobiles when changing lanes based on a complex dynamics model This model is a combination of spatial dynamics model, nonlinear double-track dynamics model and nonlinear tire model The input parameters of the simulation problem include velocity and steering angle The output results obtained are the roll angle, yaw angle, and trajectory of the vehicle, The simulation process is performed by MATLAB-Simulink software with two specific cases The results of the study show that when the vehicle is moving at high speed or steering with a larger steering angle, the change of output values is also larger This can cause instability of the vehicle when moving in some special situations Therefore, it is necessary to determine the travel conditions at each time in order to be able to choose the appropriate steering angle to change lanes Keywords: Dynamics vehicle, Single Lane Change, Simulation Ngày nhận bài: 25/4/2022 Ngày chấp nhận đăng: 14/5/2022 32 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 79 (6/2022) ... tính ổn định xe đánh lái bị ảnh hưởng Bài báo tập trung vào việc đánh giá ổn định xe chuyển Để mô chuyển động xe, mơ hình động lực học phức hợp thiết lập Q trình mơ thực với hai trường hợp cụ... dao động xe đánh lái, mơ hình động lực học cần phải thiết lập Trong nghiên cứu này, mơ hình động lực học khơng gian với bậc tự (Hình 1) kết hợp với mơ hình động lực học hai dãy phi tuyến (Hình 2)... So với kết hợp truyền thống (mô hình động lực học phần hai kết hợp với mơ hình động lực học dãy tuyến tính), mơ hình có kể đến ảnh hưởng tất góc nghiêng thân xe chuyển vị đầy đủ bánh xe Bên cạnh