Mô phỏng hệ thống phanh ABS và TCS trên phần mềm carsim

MỤC LỤCLỜI CẢM ƠN1DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU2DANH MỤC CÁC HÌNH3CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN7CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT92.1. Tổng quan về hệ thống ABS (Anti Lock Brake System)92.1.1. Giới thiệu ABS92.1.2. Tính cần thiết của hệ thống92.2.1. Giới thiệu TCS102.2.2. Tính cần thiết của TCS102.3.1. Đặc điểm quá trình phanh ô tô112.3.2. Các tiêu chí đánh giá hiệu quả quá trình phanh112.3.2.1. Thời gian phanh112.3.2.2. Gia tốc chậm dần khi phanh122.3.2.3. Quãng đường phanh122.3.2.4. Lực phanh và lực phanh riêng132.3.3. Hệ số trượt132.3.4. Hệ số bám và lực bám17CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRÊN SIMULINK203.2.1. Xây dựng mô hình hệ thống ABS213.2.2. Mô hình hóa hệ thống ABS Matlab Simulink223.3.1. Xây dựng mô hình của hệ thống TCS253.3.2. Mô hình hóa hệ thống TCS Matlab Simulink26CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM SIMULINKCARSIM..304.1.1. Mô phỏng ABS trên đường có 2 hệ số bám khác nhau304.1.1.1. Các bước thiết lập304.1.1.2. Phân tích đồ thị kết quả đạt được374.1.2. Mô phỏng ABS khi xe chạy với vận tốc 120kmh vào cua và phanh394.1.2.1. Các bước thiết lập394.1.2.2. Phân tích đồ thị kết quả đạt được424.1.3. Mô phỏng ABS khi xe đi trên đường, đột ngột gặp vật cản, phanh và đánh lái tránh vật cản444.1.3.1. Các bước thiết lập444.1.3.2. Phân tích đồ thị kết quả đạt được484.2.1. Mô phỏng hệ thống TCS trên đường có 2 hệ số bám khác nhau514.2.1.1. Các bước thiết lập514.2.1.2. Phân tích đồ thị kết quả đạt được554.2.2. Mô phỏng xe có TCS và không có TCS chạy trên đường dốc có hệ số bám 0.3594.2.2.1. Các bước thiết lập594.2.2.2. Phân tích kết quả đạt được62CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ67TÀI LIỆU THAM KHẢO68

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

Tổng quan về hệ thống ABS (Anti- Lock Brake System)

Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) là một công nghệ an toàn quan trọng trên ô tô, giúp tài xế điều khiển xe một cách an toàn hơn ABS hoạt động bằng cách ngăn chặn bánh xe bị khóa khi phanh gấp, từ đó cải thiện khả năng kiểm soát và giảm nguy cơ tai nạn.

Hệ thống chống bó cứng phanh ABS là công nghệ tiên tiến giúp người lái xe kiểm soát tốc độ một cách tự động trong các tình huống khẩn cấp, mà không cần phải nhấp/nhả phanh liên tục ABS hoạt động nhanh chóng và hiệu quả hơn so với khả năng của hầu hết các tài xế, cải thiện khả năng kiểm soát xe và giảm khoảng cách dừng trên bề mặt khô và trơn trượt Tuy nhiên, trên các bề mặt gồ ghề hoặc tuyết, ABS có thể làm tăng quãng đường phanh nhưng vẫn duy trì khả năng kiểm soát lái tốt hơn Bằng cách ngăn bánh xe bị bó cứng, ABS giữ cho lực kéo tiếp xúc với mặt đường, cho phép người lái duy trì sự kiểm soát tốt hơn.

2.1.2 Tính cần thiết của hệ thống

Ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, với ô tô ngày càng trở nên phổ biến và đáp ứng nhu cầu đa dạng của người tiêu dùng, từ vận chuyển hành khách đến hàng hóa Tuy nhiên, sự gia tăng số lượng ô tô trên đường cũng dẫn đến tình trạng tai nạn giao thông gia tăng, khiến việc đảm bảo an toàn cho người sử dụng ô tô trở thành một vấn đề quan trọng Trong đó, hệ thống phanh, đặc biệt là công nghệ chống bó cứng phanh ABS, đóng vai trò thiết yếu giúp tài xế duy trì khả năng kiểm soát xe trong các tình huống phanh gấp Hiện nay, tiêu chuẩn thiết kế và sử dụng hệ thống ABS ngày càng nghiêm ngặt, và hầu hết các dòng xe ô tô đều được trang bị công nghệ này để nâng cao độ an toàn.

2.2 Tổng quan về hệ thống TCS (Traction Control System)

Hệ thống Kiểm Soát Độ Bám (TCS), còn được biết đến với các tên gọi như TRC, ASR hay DSC tùy theo nhà sản xuất, là công nghệ phổ biến trên nhiều loại xe TCS được thiết kế nhằm đảm bảo sự tiếp xúc tối ưu giữa lốp xe và mặt đường thông qua việc sử dụng các thiết bị điện tử hiện đại.

Hệ thống TCS giúp giảm trượt bánh xe và tối ưu hóa khả năng bám đường mà không gây trượt Nó điều chỉnh lực phanh và động cơ để kiểm soát lực tiếp xúc giữa lốp xe và mặt đường, không chỉ trong quá trình phanh mà còn khi tăng tốc.

Hệ thống kiểm soát lực kéo xe là một phần thiết yếu của hệ thống cân bằng điện tử (ESC), giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của xe trên đường có hệ số ma sát thấp TCS (Hệ thống kiểm soát lực kéo) hoạt động bằng cách điều chỉnh momen động cơ hoặc áp lực phanh, nhằm kiểm soát tỷ lệ trượt trong giới hạn tối ưu, từ đó phát huy tối đa hệ số ma sát theo chiều dọc.

2.2.2 Tính cần thiết của TCS

Hệ thống kiểm soát mô-men xoắn (TCS) hoạt động để duy trì ma sát giữa lốp xe và mặt đường trong quá trình gia tốc, giúp xe đạt được sự tiếp xúc tối đa ngay cả trên những đoạn đường xấu Nếu không có TCS, xe sẽ dễ bị lún sâu hoặc trượt trên các bề mặt trơn, lầy lội hay đóng băng, dẫn đến mất kiểm soát và nguy hiểm trong quá trình di chuyển.

Mặt đường ướt hoặc đóng băng làm giảm ma sát giữa lốp xe và mặt đất, dẫn đến nguy cơ mất kiểm soát khi lái xe Vì lốp xe là điểm tiếp xúc duy nhất với mặt đường, việc giảm ma sát có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) giúp giảm thiểu tình trạng mất mát công suất và tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao hiệu quả vận hành của xe.

Hệ thống TCS tự động giảm mômen xoắn của động cơ khi bánh xe trượt, mà không phụ thuộc vào ý định của người lái Đồng thời, nó điều khiển hệ thống phanh để giảm mômen truyền đến mặt đường xuống mức an toàn Trên những bề mặt có hệ số ma sát thấp như tuyết, băng hoặc đường ướt, bánh xe có thể quay tại chỗ khi xe khởi động hoặc tăng tốc nhanh, dẫn đến mất mát mômen chủ động và nguy cơ trượt xe.

Trên các dòng xe không được trang bị hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS), việc khởi hành và tăng tốc trên những đoạn đường xấu sẽ trở nên khó khăn cho tài xế, dẫn đến việc tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn.

Hệ thống TCS trên xe rất quan trọng vì nó không chỉ giúp người lái dễ dàng điều khiển xe mà còn tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả trong các tình huống khác nhau.

2.3 Cơ sở lý thuyết hoạt động hệ thống ABS, TCS

2.3.1 Đặc điểm quá trình phanh ô tô

Tính năng phanh hay chất lượng quá trình phanh được định lượng thông qua 2 nhóm chỉ tiêu: “Hiệu quả phanh” và “Tính ổn định khi phanh”.

Hiệu quả phanh đánh giá mức độ giảm tốc độ của ô tô khi người lái tác động lên cơ cấu điều khiển phanh trong trường hợp phanh khẩn cấp.

Tính ổn định khi phanh đánh giá khả năng duy trì quỹ đạo của ô tô theo ý muốn của người lái trong quá trình phanh.

2.3.2 Các tiêu chí đánh giá hiệu quả quá trình phanh

Thời gian phanh là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng hệ thống phanh Thời gian phanh càng ngắn, chất lượng phanh càng tốt Biểu thức để xác định thời gian phanh nhỏ nhất là yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo an toàn khi lái xe.

Trong đó: v1: vận tốc của xe tại thời điểm bắt đầu phanh. v2: vận tốc của xe tại thời điểm kết thúc phanh

: hệ số bám. δj: hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay

2.3.2.2 Gia tốc chậm dần khi phanh

Gia tốc chậm dần khi phanh là chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng hệ thống phanh của ô tô Nó phản ánh mức độ giảm tốc độ của xe trong quá trình phanh, với biểu thức xác định gia tốc chậm dần khi phanh lớn nhất là một yếu tố quan trọng cần lưu ý.

: Hệ số tính đến ảnh hưởng của các trọng khối quay của ô tô j pmax : Gia tốc chậm dần khi phanh lớn nhất.

Quãng đường phanh là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng phanh của ô tô, giúp người lái hình dung vị trí dừng xe trước chứng ngại vật và tránh tai nạn khi phanh ở tốc độ cao Các nhà chế tạo ô tô thường cung cấp thông tin về quãng đường phanh ứng với vận tốc bắt đầu phanh Đây là chỉ tiêu mà người lái có thể dễ dàng nhận thức, từ đó giúp họ xử lý tình huống phanh hiệu quả trên đường Biểu thức xác định quãng đường phanh nhỏ nhất là yếu tố cần thiết trong việc đảm bảo an toàn khi lái xe.

Trong đó: v1: Vận tốc chuyển động của ôtô lúc bắt đầu phanh.

: Hệ số bám. δj: Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay.

2.3.2.4 Lực phanh và lực phanh riêng

Lực phanh và lực phanh riêng là những tiêu chí quan trọng để đánh giá chất lượng hệ thống phanh Tiêu chí này đặc biệt hữu ích khi thực hiện các bài kiểm tra phanh ô tô trên bệ thử.

Mb: momen phanh cơ cấu phanh. rb: bán kính tính toán bánh xe.

Sự trượt của bánh xe được thể hiện thông qua hệ số trượt

Vận tốc chuyển động lý thuyết v0: v0 là vận tốc của xe khi chuyển động hoàn toàn không có trượt. v o = = = Ở đây:

Sl: Quãng đường lý thuyết mà bánh xe đã lăn. t: Thời gian bánh xe đã lăn. rb: Bán kính tính tốn của bánh xe.

N: Tổng số vòng quay của bánh xe

: Vận tốc góc của bánh xe.

Vận tốc chuyển động thực tế v: v là vận tốc chuyển động của xe khi có tính đến ảnh hưởng của sự trượt của bánh xe với mặt đường. v = = =

St: quãng đường thực tế mà bánh xe đã lăn t: thời gian mà bánh xe đã lăn. rl: bán kính lăn của bánh xe

*Trường hợp bánh xe lăn có trượt quay:

Sự trượt của bánh xe được thể hiện thông qua hệ số trượt khi kéo :

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRÊN SIMULINK

Xây dựng mô hình hệ thống ABS

Hình 3.2 Mô hình hệ thống phanh ABS

Hệ thống chống bó cứng phanh ABS hoạt động thông qua cảm biến tốc độ bánh xe, gửi tín hiệu về bộ điều khiển ABS Khi phát hiện bánh xe có tốc độ chậm hơn, hệ thống sẽ tự động giảm áp suất lên đĩa phanh qua van thủy lực và bơm, ngăn ngừa hiện tượng bó cứng ABS tác động ấn - nhả thanh kẹp trên phanh với tần suất 15 lần/giây, giúp duy trì khả năng điều khiển xe, khác với các hệ thống phanh truyền thống Hệ thống máy tính điều khiển sẽ tối ưu hóa áp lực phanh dựa trên thông số cảm biến và thao tác của người lái, đảm bảo ổn định thân xe và kiểm soát quỹ đạo di chuyển.

Nếu trong quá trình di chuyển, một hoặc nhiều bánh xe quay quá nhanh, hệ thống phanh sẽ tự động tác động lực trở lại để đảm bảo quá trình hãm an toàn.

Mô hình hóa hệ thống ABS Matlab Simulink

Có hai loại điều khiển chính: điều khiển ON/OFF Phương pháp này có những ưu điểm và nhược điểm riêng, vì vậy chúng ta cần xem xét các kết quả để đưa ra kết luận về tính phù hợp của ABS.

Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển hệ thống ABS

Hình 3.4 Khối Process Đầu vào gồm: áp suất phanh tại các bánh xe.

Figure 3.5 illustrates the input for the Process block, which includes the wheel speeds, vehicle speed (Vx_SM), and the brake pressure at the master cylinder (Pbk_Con).

Hình 3.6 Đầu ra khối Process

Hình 3.7 Sơ đồ khối Controller

Sau khi xử lý độ trượt của từng bánh xe, hệ số trượt được truyền vào hai bộ Relay (ON-OFF) cho hai bánh xe phía trước và hai bánh xe phía sau, với '0' biểu thị việc nhả lực phanh và '1' thể hiện việc tác dụng lực phanh Tín hiệu này sau đó đi qua bộ Speed Limit, có chức năng so sánh tốc độ xe với giá trị định sẵn là 7 km/h Nếu tốc độ xe đạt hoặc vượt 7 km/h, tín hiệu ON-OFF từ bộ Relay sẽ được truyền tiếp đến cơ cấu chấp hành (Actuator) Tín hiệu ON/OFF của hai bánh xe sau sẽ được kiểm tra và lấy tín hiệu chung từ bánh xe có độ trượt nhỏ hơn thông qua khối “min” Khi tốc độ xe dưới 7 km/h, bộ điều khiển ABS sẽ ngừng hoạt động, vì lúc này chỉ cần sử dụng phanh bình thường là đủ.

“Increase Signal” có giá trị không đổi là “1” sẽ được truyền sang Actuator như bình thường.

Hình 3.8 Thông số khối Relay

Hình 3.9 Thông số khối Speed Limit

Hình 3.10 Sơ đồ khối Actuator

Tín hiệu từ hệ thống Brake Control được truyền vào Actuator và qua khối "Gain" với giá trị 1 cho hai bánh trước và 0,4 cho hai bánh sau, nhằm đảm bảo phân bố tải trọng hiệu quả khi phanh Các hệ số này được nhân với áp suất xy lanh phanh chính, sau đó được biến đổi và tạo độ trễ 0,06 trước khi đưa vào Process (Carsim S-Function 2) bằng hàm truyền (Transfer Fcn) Cuối cùng, áp suất xy lanh bánh xe được trả về môi trường Carsim để áp dụng lên từng bánh xe, phục vụ cho quá trình vận hành của hệ thống ABS trong mô phỏng.

Xây dựng mô hình của hệ thống TCS

Hình 3.11 Mô hình hệ thống TCS

Nguyên lý hoạt động của hệ thống TCS (Hệ thống kiểm soát lực kéo) bao gồm việc điều khiển momen xoắn động cơ và quá trình phanh Bộ điều khiển TCS liên tục nhận dữ liệu từ cảm biến tốc độ bánh xe, tính toán tốc độ của từng bánh và ước lượng tốc độ xe dựa trên hai bánh bị động Từ đó, nó xác định momen xoắn thực tế của động cơ và tính toán momen xoắn lý thuyết, gửi tín hiệu đến các đơn vị điều khiển như bướm ga, hệ thống phun xăng và hộp số Đồng thời, bộ điều khiển ABS nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ bánh xe để điều chỉnh áp suất dầu phanh, đảm bảo xe hoạt động ổn định khi có độ trượt.

Mô hình hóa hệ thống TCS Matlab Simulink

Khi mở bướm ga, xe tăng tốc nhờ vào các cảm biến tốc độ, thông tin về tốc độ bánh xe và tốc độ xe được gửi đến bộ điều khiển TCS Bộ điều khiển TCS xử lý tín hiệu và truyền thông tin áp suất xy lanh chính trực tiếp tới bộ truyền động phanh Cuối cùng, bộ truyền động phanh điều khiển áp suất tại cả bốn bánh xe để đảm bảo hiệu suất phanh tối ưu.

Hình 3.12 Sơ đồ khối bộ điều khiển hệ thống TCS

The Process Block (Figure 3.13) receives several input signals, including the control signal for reducing the motor torque of the ESC (IMP_ESC_ENGINE_CON_STATE), the motor torque control signal of the ESC (IMP_MENGINE_ESC_REQUEST), and the brake pressure at the wheels (IMP_PBK_L1/R1/L2/R2).

Đầu vào khối Process bao gồm các thông số quan trọng như tốc độ của các bánh xe (Vx_L1/R1/L2/R2), tốc độ xe (Vx_SM), momen trục khuỷu động cơ (M_Eng_In) và momen trục khuỷu yêu cầu bởi tài xế (M_Eng_Rq).

Hình 3.15 Đầu ra khối Process

Hình 3.17 Sơ đồ khối tính toán độ trượt và kiểm soát vận tốc xe

Sau khi tính toán độ trượt khi phanh ở mỗi bánh xe, tín hiệu được truyền vào bộ Relay (ON/OFF), chia thành hai phần cho bánh xe phía trước và phía sau, với ‘1’ biểu thị nhả lực phanh và ‘-1’ là tác dụng lực phanh Tín hiệu này sau đó đi qua bộ Speed Limit, có nhiệm vụ kiểm soát tốc độ xe qua tín hiệu ON/OFF của Relay và tín hiệu tăng, trong đó ‘-1’ thể hiện việc tác dụng thêm lực phanh Bộ Speed Limit được cài đặt để không cho bộ điều khiển ABS hoạt động khi tốc độ xe dưới 1,5 km/h Cuối cùng, tín hiệu (ON/OFF) từ bộ Speed Limit được truyền tới bộ điều khiển 4 bánh xe qua bộ truyền động phanh.

Áp suất từ xy lanh chính (Master Cylinder Pressure) tối đa đạt 10MPa sẽ được phân phối đến các bánh xe qua khối MUX Dựa vào các giá trị độ trượt khác nhau, chúng ta sẽ xác định được các giá trị áp suất M/C khác nhau thông qua khối Look-up Table, sau đó áp suất này sẽ được truyền đến từng bánh xe.

Hình 3.19 Khối xử lý tín hiệu ESC

Hệ thống ESC nhận yêu cầu từ xe và phân tích để điều chỉnh momen cần thiết Nếu tín hiệu điều khiển 4 bánh xe nhỏ hơn 0,001, hệ thống sẽ giảm momen qua khối Transfer Fcn, trong đó hệ số trước s thể hiện thời gian trễ của cơ cấu cơ khí Kết quả là momen đầu ra của "ESC request" sẽ tăng Cuối cùng, tổng momen của xe và giá trị cần thay đổi được gửi đến Process (Carsim S-Function).

Hai tín hiệu điều khiển và áp suất phanh từ bộ phận điều khiển sẽ được gửi trực tiếp đến cơ cấu chấp hành

Hình 3.20 Sơ đồ khối Actuator

Bộ điều khiển phanh xử lý hệ thống phanh để phân phối tín hiệu đến từng bánh xe theo thứ tự: bánh trước bên trái (L1), bánh trước bên phải (R1), bánh sau bên trái (L2) và bánh sau bên phải (R2) Tín hiệu này phải đi qua Relay để chuyển đổi thành hai tín hiệu “0” và “1”, sau đó qua bộ “Gain” để phân biệt giữa bánh trước và bánh sau Tín hiệu này được nhân với áp suất xy lanh chính từ bộ điều khiển, tiếp theo là hàm truyền Transfer Fcn, thể hiện sự biến đổi nhằm nhận được áp suất xy lanh bánh xe W/C cylinder, với độ trễ 0,2 giây từ cơ cấu cơ học (thủy lực) truyền dầu đến các cơ cấu phanh của bánh xe.

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM SIMULINK/CARSIM

Mô phỏng ABS trên đường có 2 hệ số bám khác nhau

Bước đầu tiên là lựa chọn một dataset phù hợp với case study để thuận tiện cho việc điều chỉnh các thông số Tiếp theo, hãy tạo một dataset mới bằng cách sao chép từ dataset đã chọn trước đó.

Ví dụ: Chọn dataset Braking – Slip Mu: ABS, Sau đó ấn tổ hợp phím Ctrl + N để tạo một dataset mới và đặt tên cho case study của chúng ta.

Hình 4.1 Tạo dataset mới ABS

Bước 2: Sau khi tạo được một case study mới bắt đầu thay đổi thông số.

Hình 4.2 Thay đổi các thông số

- (1): Thay đổi bộ điều khiển Simulink:

+ Đầu tiên chúng ta copy and link Simulink hệ thống ABS của hệ thống để khi thay đổi không ảnh hưởng đến bộ điều khiển của hệ thống.

Hình 4.3 Thay đổi bộ điểu khiển Simulink

+ Sau khi tạo một Simulink mới, chúng ta nhấp vào và thay đổi đường dẫn simulink, các đầu nhận và xuất của chúng ta.

Hình 4.4 Thay đổi đường dẫn Simulink

+ (1.1): Chọn vào 3 chấm và thay đổi đường dẫn simulink của chúng ta.

+ (1.2): Copy and link Import Channels và Export Channels để việc thay đổi không ảnh hưởng tới hệ thống.

Import Channels: Ở hệ thống ABS nhóm sử dụng 4 chân input.

Hình 4.5 Các chân input ABS

Export Channels: Ở hệ thống ABS nhóm sử dụng 6 chân output.

Hình 4.6 Các chân output ABS

- (2): Copy and link thông số kết cấu xe, loại xe. Ở hệ thống ABS nhóm sử dụng xe B-Class, HatchBack 2017:

Hình 4.7 Copy and link thông số xe

Chúng tôi sẽ tạo từng trường hợp riêng cho mỗi chế độ chạy trên các loại đường khác nhau, nhằm đảm bảo quy trình vận hành hiệu quả.

Hình 4.8 Copy and link phương thức vận hành

Các thông tin cài đặt:

Phương thức vận hành/Procedure:

Hình 4.9 Phương thức vận hành

- (1): Chế độ vận hành của xe: Vận tốc ban đầu 65 km/h.

+ Đóng bướm ga hoàn toàn.

+ Tác dụng bàn đạp phanh để áp suất phanh đạt 15 MPa trong 0,3 giây.

+ Xe chạy với toàn bộ tay số.

- (2): Loại đường: Đường thẳng có hệ số bám khác nhau ở 2 mặt đường, mặt đường bên trái có hệ số bám 0,2, mặt đường bên phải có hệ số bám 0,5

Hình 4.10 Thiết lập loại đường

Thông số kết cấu, loại xe:

- (1): Sử dụng bộ điều khiển ABS bằng Simulink của nhóm đã link ban đầu.

- (2): Giữ nguyên thông số kết cấu của xe.

Hình 4.11 Thiết lập xe ABS Đối với xe không có ABS:

- (1): Tạo một dataset mới “No ABS case 1”.

- (2): Tắt bộ điều khiển ABS bằng Simulink.

- (3): Tạo một xe mới cùng loại với xe có hệ thống ABS nhưng tắt chế độ ABS đi.

Hình 4.12 Thiết lập xe không có ABS

Bước 3: Thực hiện chạy và so sánh:

- (1): Bấm “Run now/Run Math Model” ở cả 2 case “ABS case 1” và “No ABS case 1” để hệ thống chạy lại những thông số đã thay đổi.

- (2): Tích mở Overlay videos, sau đó chọn “No ABS case 1” để có thể chạy cùng lúc nhiều trường hợp.

Trong trường hợp xe di chuyển trên đường với hệ số bám khác nhau giữa hai mặt đường, nhóm sẽ tiến hành phân tích thông qua hai đồ thị: “Vận tốc mỗi bánh xe” và “Áp suất phanh mỗi bánh xe” Việc so sánh các kết quả từ hai đồ thị này sẽ giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất và tình trạng hoạt động của xe trong các điều kiện khác nhau.

Hình 4.14 Đồ thị vận tốc mỗi bánh xe

Xe không trang bị hệ thống ABS có thể gặp tình trạng giảm tốc không ổn định, dẫn đến mất kiểm soát Khi phanh, tốc độ của bốn bánh xe sẽ giảm nhanh chóng về 0 km/h do bị bó cứng, làm giảm hiệu quả phanh của xe.

Xe có hệ thống ABS giúp duy trì tốc độ giảm dần ổn định, đảm bảo an toàn khi phanh Đồ thị vận tốc của các bánh xe cho thấy tốc độ luôn được kiểm soát, giúp xe phanh hiệu quả trên mọi bề mặt đường.

Hình 4.15 Đồ thị áp suất phanh mỗi bánh xe

Xe không trang bị hệ thống ABS sẽ chịu áp lực phanh hoàn toàn từ người lái, với áp suất phanh đạt 15 MPa trong 0,3 giây Lực phanh chủ yếu tập trung ở 2 bánh trước, trong khi 2 bánh sau chỉ nhận 6 MPa, phù hợp với nguyên tắc phân bố trọng lượng khi phanh Khi di chuyển trên mặt đường trơn và có độ bám khác nhau, áp suất phanh này có thể khiến xe mất độ bám và không còn khả năng phanh hiệu quả.

Xe được trang bị hệ thống ABS giúp kiểm soát áp suất phanh tại các bánh xe, đảm bảo lực phanh luôn nhỏ hơn lực bám Hệ thống này hoạt động bằng cách nhấp nhả phanh liên tục cho đến khi xe dừng hẳn.

Hệ thống ABS giúp kiểm soát độ trượt của bánh xe, đảm bảo bánh xe lăn tốt trên đường, nhưng trong điều kiện mặt đường có hệ số bám thấp, hệ số trượt có thể vượt quá 5% - 10% đã thiết lập Mặc dù xe vẫn được kiểm soát tốt, tần số tác động cao của bộ điều khiển ABS là nhược điểm của hệ thống này Ngược lại, xe không có ABS sẽ khiến các bánh xe bị bó cứng hoàn toàn, dẫn đến hệ số trượt đạt giá trị -1 khi quay vòng, trong khi khi vận tốc đổi chiều, hệ số trượt đạt giá trị 1.

Mô phỏng ABS khi xe chạy với vận tốc 120km/h vào cua và phanh

Tạo mới hai trường hợp "ABS case 2" và "No ABS case 2" mà không thay đổi thông số kết cấu xe và bộ điều khiển ABS trong Simulink Chúng ta chỉ cần thực hiện các bước thiết lập như đã nêu trước đó.

Còn về phương thức vận hành/Procedure thì sẽ cần phải thay đổi chế độ vận hành và loại đường.

Phương thức vận hành/Procedure:

Hình 4.17 Thiết lập phương thức vận hành

- (1): Chế độ vận hành của xe: Vận tốc ban đầu 120 km/h.

+ Đóng bướm ga hoàn toàn.

+ Tác dụng bàn đạp phanh để áp suất phanh đạt 15 MPa trong 0,3 giây.

+ Xe chạy với toàn bộ tay số.

- (2): Loại đường là đường cong với hệ số bám là 0,85 trên toàn bộ mặt đường.

- (3): Hiệu chỉnh lại các thông số, vị trí cho phù hợp với đường.

+ Cho xe xuất phát từ vị trí 100m.

Hình 4.18 Thiết lập vị trí xuất phát

Để tối ưu hóa thời gian phanh, chúng ta cần điều chỉnh thông số và tạo một trường hợp mới mang tên “Spike: 15 MPa @ 0.3 sec Case 2” Trong trường hợp này, nhóm sẽ điều chỉnh thời gian bắt đầu phanh vào giây thứ 6.

Hình 4.19 Thiết lập thời gian bắt đầu phanh

Thực hiện chạy và so sánh:

- (1): Bấm “Run now/Run Math Model” ở cả 2 case “ABS case 2” và “No ABS case 2” để hệ thống chạy lại những thông số đã thay đổi.

- (2): Tích mở Overlay videos, sau đó chọn “No ABS case 2” để có thể chạy cùng lúc nhiều trường hợp.

Hình 4.20 Thực hiện chạy và so sánh 4.1.2.2 Phân tích đồ thị kết quả đạt được

Hình 4.21 Đồ thị vận tốc xe, các bánh xe của hai xe ABS và không ABS

Khi xe di chuyển với tốc độ cao 120 km/h và vào cua, việc phanh là cần thiết để tránh nguy cơ lật xe Đồ thị áp suất phanh từ từng xy lanh bánh xe của hai loại xe, có và không có hệ thống ABS, cho thấy sự khác biệt trong hiệu suất phanh khi xe gặp tình huống khẩn cấp.

Xe không trang bị hệ thống ABS sẽ khiến toàn bộ áp suất phanh dồn vào các bánh xe khi phanh, dẫn đến hiện tượng bó cứng và làm giảm tốc độ nhanh chóng về 0 km/h Khi đó, hai bánh trước sẽ mất khả năng dẫn hướng, gây ra tình trạng xe không đi đúng hướng mong muốn khi vào cua và có thể văng ra ngoài theo lực quán tính.

Xe trang bị hệ thống ABS giúp điều chỉnh nhấp nhả phanh liên tục, kiểm soát vận tốc bánh xe theo tốc độ xe mà không gây bó cứng Điều này cho phép bánh xe trước duy trì khả năng dẫn hướng hiệu quả, mang lại sự an toàn và ổn định khi lái.

Hình 4.23 Đồ thị hệ số trượt các bánh xe của xe có ABS và không ABS

Hình 4.24 Đồ thị hệ số trượt các bánh xe của xe có ABS

Hệ thống ABS can thiệp hiệu quả trong việc điều chỉnh lực phanh trên các bánh xe từ giây 6,15 đến 6,55, giúp kiểm soát độ trượt và dẫn hướng vào cua Tuy nhiên, vẫn có sự vọt lố khoảng 5% - 10% so với thiết lập ban đầu do ảnh hưởng của độ trễ trong vận hành cơ khí.

Xe không trang bị ABS sẽ gặp vấn đề khi phanh và vào cua Ngay tại giây thứ 4,5, khi xe bắt đầu phanh, lực phanh tác động mạnh khiến bánh xe bị bó cứng, dẫn đến hệ số trượt giảm nhanh xuống -1 Kết quả là bánh xe trước không còn khả năng dẫn hướng, gây ra tình trạng xe văng ra khỏi đường do quán tính.

Mô phỏng ABS khi xe đi trên đường, đột ngột gặp vật cản, phanh và đánh lái tránh vật cản

Tiến hành tạo một dataset mới bằng cách copy dataset từ Carsim Ở dataset này sẽ là dữ liệu mô phỏng của xe có ABS:

- (1): Đặt tên Dataset phù hợp

- (2): Ở Vehicle, thiết lập xe mặc định từ dataset đã copy, không chỉnh sửa.

- (3): Thiết lập Procedure để có được mặt đường chúng ta mong muốn.

- (4): Link Carsim với Simulink với bộ điều khiển “ABS Nhom 1”.

Bước 2: Thiết lập các thông số.

Hình 4.26 Thiết lập các thông số

- (1): Driver Controls: thiết lập lần lượt các chế độ vận hành của xe như trên ảnh minh họa.

+ Thiết lập vận tốc đầu của xe 100km/h.

+ Không mở bướm ga trong quá trình mô phỏng.

+ Thiết lập áp suất phanh và thời gian đạp phanh qua dataset được copy từ dataset Spike: 15 MPa @ 0.3 sec.

Hình 4.27 Thiết lập thời gian phanh

+ Xe chạy với tất cả các số, để mặc định của dataset, không chỉnh sửa.

Thiết lập chế độ đánh lái cho xe thông qua dataset được sao chép và liên kết từ dataset Accident Avoidance Path, giúp xe tự động điều chỉnh hướng đi khi gặp vật cản, nhằm tránh va chạm hiệu quả.

Hình 4.28 Thiết lập đánh lái

To create a comprehensive 3D road model, copy and link the dataset from the Many Lanes 4 Lanes Section, focusing on adjacent lanes This process will enable you to construct a wider road segment while allowing for naming and editing of the dataset parameters.

Hình 4.29 Thiết lập dạng đường

To create a straight road with multiple lanes, the team utilized the Path Segment Builder by copying and linking the dataset from the Curves Single Curve They adjusted the dataset parameters by disabling the curvature of the road, ensuring a smooth, straight path for the vehicle.

In the 3D Shapes project, we utilize the "Copy and Link" dataset from the Railroad Crossing dataset to establish the types of obstacles and their coordinates along the track, as illustrated in the accompanying image.

Trong mô phỏng này, việc thiết lập tọa độ vật cản, thời điểm phanh và tọa độ đánh lái của xe là rất quan trọng Tất cả các yếu tố này cần phải khớp nhau để đảm bảo quá trình mô phỏng phản ánh chính xác tình huống thực tế, nơi tài xế sẽ phanh và đánh lái gấp khi gặp vật cản bất ngờ.

Sau khi hoàn thành thiết lập, nhấn Send to Simulink Run hoặc Run Now để chạy dữ liệu mô phỏng.

Bước 3: Tạo một dataset mới xe không có ABS.

Tiến hành tạo một dataset mới khác bằng cách copy dataset từ Carsim, ở dataset này sẽ là dữ liệu mô phỏng của xe không có ABS:

- Đặt tên Dataset phù hợp.

- Ở Vehicle, thiết lập xe mặc định từ dataset đã copy, sau đó ngắt hệ thống ABS trên xe bằng cách chọn vào B-Class, Hatchback w/o (without) ABS.

- Thiết lập Procedure, dùng dữ liệu từ “Case 3 (ne vat can)” để 2 xe cùng chạy trên một đường và có cùng một thiết lập điều khiển xe.

Xe không trang bị ABS sẽ không thể liên kết với Simulink và Carsim Sau khi hoàn tất thiết lập, hãy thay đổi màu sắc của xe không có ABS để dễ dàng so sánh Cuối cùng, nhấn "Run Math Model" để thực hiện mô phỏng dữ liệu.

4.1.3.2 Phân tích đồ thị kết quả đạt được

Trong quá trình phanh, xe không trang bị hệ thống ABS sẽ khiến bánh xe bị bó cứng, dẫn đến việc vận tốc của cả 4 bánh xe giảm đột ngột về 0, gây trượt và mất khả năng điều khiển Điều này làm cho xe không thể di chuyển theo hướng mong muốn và có nguy cơ va chạm với vật cản Ngược lại, xe trang bị ABS sẽ điều khiển nhấp nhá phanh, giúp bánh xe vẫn lăn trên đường, duy trì tính dẫn hướng và cho phép người lái điều khiển xe tránh các vật cản hiệu quả hơn.

Trong nghiên cứu so sánh áp suất phanh giữa xe có và không có hệ thống ABS, xe không trang bị ABS đạt giá trị cực đại áp suất phanh 15 MPa ở bánh trước trong 0.3 giây, trong khi bánh sau chỉ đạt khoảng 6 MPa do nguyên tắc phân bố trọng lượng Hiện tượng này dẫn đến việc bánh xe bị bó cứng và trượt lếch Ngược lại, xe có ABS điều chỉnh áp suất phanh để ngăn chặn hiện tượng bó cứng, cho phép bánh trước nhận áp suất lớn hơn bánh sau, tạo ra đồ thị lực phanh khác biệt.

Hình 4.33 Đồ thị hệ số trượt các bánh xe của 2 xe có ABS và không có ABS

Hình 4.34 Đồ thị hệ số trượt các bánh xe của xe có ABS trong khoảng 4,2 đến 6,8 giây

Hệ thống ABS trên xe đã can thiệp hiệu quả trong việc điều chỉnh lực phanh và kiểm soát độ trượt, giúp bánh xe duy trì khả năng đánh lái để né vật cản, như thể hiện qua đồ thị từ giây 4,2 đến 6,8 Tuy nhiên, vẫn có sự vọt lố từ 5% đến 10% so với thiết lập ban đầu, gây ra một số mất ổn định, đặc biệt khi xe thực hiện phanh và đánh lái gấp Điều này phần nào do độ trễ trong vận hành cơ khí, cho thấy rằng mặc dù xe có khả năng kiểm soát phanh và đánh lái, nhưng hệ thống vẫn chưa đạt được tối ưu nhất, phản ánh nhược điểm của bộ điều khiển on-off trong các tình huống khẩn cấp.

Xe không trang bị hệ thống ABS có thể gặp nguy hiểm khi phanh đột ngột và đánh lái Trong trường hợp này, bánh xe sẽ bị bó cứng, khiến hệ số trượt giảm nhanh xuống -1, dẫn đến mất kiểm soát Do quán tính, xe sẽ tiếp tục trượt về phía trước và va chạm với vật cản.

4.2 Các trường hợp mô phỏng hệ thống TCS bằng Simulink/Carsim

Mô phỏng hệ thống TCS trên đường có 2 hệ số bám khác nhau

Tiến hành tạo một dataset mới bằng cách copy dataset từ Carsim Ở dataset này sẽ là dữ liệu mô phỏng của xe có TCS:

Hình 4.35 Tạo data set TCS mới

- (1): Đặt tên Dataset phù hợp

- (2): Ở Vehicle, thiết lập xe mặc định từ dataset đã copy, không chỉnh sửa.

- (3): Thiết lập Procedure để có được mặt đường chúng ta mong muốn.

- (4): Link Carsim với Simulink với bộ điều khiển “TCS Nhom 1”.

- (5): Ngắt kết nối dạng đường Miscellaneous vì ở Case Study này nhóm không sử dụng dạng đường mặc định của Dataset.

Bước 2: Thiết lập các thông số

Hình 4.36 Thiết lập các thông số

- (1): Driver Controls: thiết lập lần lượt các chế độ vận hành của xe như trên ảnh minh họa.

+ Thiết lập vận tốc đầu của xe 0km/h vì xe sẽ xuất phát từ trạng thái đứng yên.

+ Xe sẽ mở hoàn toàn bướm ga trong 0.1s trong quá trình mô phỏng.

+ Không thực hiện phanh trong trường hợp mô phỏng này.

+ Xe chạy với tất cả các số, để mặc định của dataset, không chỉnh sửa.

- (2): Miscellaneous 3D Road: Straight Split Mu.

Sau khi hoàn thành thiết lập, nhấn Send to Simulink Run hoặc Run Now để chạy dữ liệu mô phỏng.

Bước 3: Tạo dataset xe không có TCS

Tiến hành tạo một dataset mới khác bằng cách copy dataset từ Carsim Ở dataset này sẽ là dữ liệu mô phỏng của xe không có TCS:

Trong thiết lập xe không có TCS, giữ nguyên dữ liệu mô phỏng của Vehicle, Procedure và chỉ ngắt kết nối với bộ điều khiển của Simulink Để dễ dàng quan sát trong quá trình mô phỏng, hãy chọn màu sắc khác cho xe Sau khi hoàn tất thiết lập, nhấn Run Math Model để tiến hành chạy dữ liệu mô phỏng.

4.2.1.2 Phân tích đồ thị kết quả đạt được

Khi xe không có hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS), việc người lái dậm chân ga sẽ khiến hệ thống tính toán lực kéo mong muốn từ động cơ và điều chỉnh chỉ số nhiên liệu để đạt được lực kéo cần thiết Ngược lại, với xe trang bị TCS, hệ thống này sẽ kiểm soát lực kéo từ động cơ tới các bánh xe, đồng thời sử dụng phanh để giảm lực kéo khi cần thiết.

Hình 4.39 Đồ thị vận tốc các bánh xe, xe của 2 xe với chế độ mở hoàn toàn bướm ga

Khi so sánh hai loại xe với và không có hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS), xe không có TCS gặp phải hiện tượng thừa lực kéo khi xuất phát, dẫn đến tốc độ bánh xe bên trái tăng nhanh hơn bánh bên phải khi vào đoạn đường trơn trượt, gây mất ổn định và nguy hiểm Dù độ mở bướm ga không quá lớn, xe vẫn có thể di chuyển ổn định sau một thời gian mà không có lực phanh tác động Ngược lại, với xe có TCS, hệ thống sẽ tự động can thiệp khi phát hiện thừa lực kéo, áp dụng lực phanh để giảm tốc độ bánh xe, giúp duy trì khả năng dẫn hướng và ổn định cho xe Tuy nhiên, do luôn phải điều chỉnh lực kéo trên đường xấu, xe có TCS sẽ không đạt được tốc độ cao như mong muốn của người lái.

Hình 4.41 Đồ thị hệ số trượt từng bánh xe của hai xe TCS và không TCS

Ở xe có hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS), các bánh xe bên phải hoạt động trên bề mặt có hệ số bám tốt, dẫn đến hệ số trượt ổn định và thấp Ngược lại, bánh xe bên trái di chuyển trên bề mặt trơn trượt, buộc TCS phải can thiệp bằng cách điều chỉnh lực phanh để duy trì hệ số trượt trong khoảng 0,02 – 0,1 Trong khi đó, xe không trang bị TCS khi di chuyển qua đoạn đường với hai loại bề mặt khác nhau sẽ gặp phải sự mất ổn định, gây ra sự xoay vòng và làm tăng hệ số trượt ở các bánh xe, dẫn đến giá trị này biến động lớn và không ổn định.

Mô phỏng xe có TCS và không có TCS chạy trên đường dốc có hệ số bám 0.3

Tiến hành tạo một dataset mới bằng cách copy dataset từ Carsim Ở dataset này sẽ là dữ liệu mô phỏng của xe có TCS:

- (1): Đặt tên Dataset phù hợp

- (2): Ở Vehicle, thiết lập xe mặc định từ dataset đã copy, không chỉnh sửa.

- (3): Thiết lập Procedure để có được mặt đường chúng ta mong muốn.

- (4): Link Carsim với Simulink với bộ điều khiển “TCS Nhom 1”.

- (5): Thiết lập điều chỉnh dạng đường.

Hình 4.44 Thiết lập điều chỉnh dạng đường

Hình 4.45 Thiết lập Driver Controls

- (1) Driver Controls: thiết lập lần lượt các chế độ vận hành của xe như trên ảnh minh họa.

+ Thiết lập vận tốc đầu của xe 0km/h vì xe sẽ xuất phát từ trạng thái đứng yên.

+ Xe mở hoàn toàn bướm ga.

+ Xe chạy với tất cả các số, để mặc định của dataset, không chỉnh sửa.

Sau khi hoàn thành thiết lập, nhấn Send to Simulink → Run hoặc Run Now để chạy dữ liệu mô phỏng.

Tạo một dataset mới bằng cách sao chép từ Carsim, trong đó chứa dữ liệu mô phỏng của xe không có TCS Giữ nguyên các dữ liệu mô phỏng của Vehicle và Procedure, chỉ ngắt kết nối với bộ điều khiển của Simulink Chọn màu sắc khác cho xe để dễ dàng quan sát trong quá trình mô phỏng Khi hoàn tất thiết lập, nhấn Run Math Model để bắt đầu chạy dữ liệu mô phỏng.

4.2.2.2 Phân tích kết quả đạt được

Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất lái xe Ở xe không có TCS, động cơ sẽ cung cấp lực kéo trực tiếp theo yêu cầu của người lái mà không có sự can thiệp nào, dẫn đến khả năng trượt bánh khi gặp điều kiện đường trơn trượt Ngược lại, ở xe có TCS, hệ thống này sẽ tự động điều chỉnh lực kéo từ động cơ và kết hợp với hệ thống phanh để giảm thiểu tình trạng trượt bánh, đảm bảo sự ổn định và an toàn khi lái xe.

Hình 4.47 Đồ thị vận tốc các bánh xe, xe của hai xe TCS và không TCS

Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện khả năng tăng tốc của xe trên những đoạn đường có hệ số bám thấp Ở xe không có TCS, bánh xe có xu hướng trượt quay, dẫn đến vận tốc bánh xe cao nhưng vận tốc xe lại thấp hơn, gây tiêu hao nhiên liệu do dư thừa lực kéo Ngược lại, ở xe có TCS, khi bắt đầu di chuyển trên đường trơn, hệ thống này nhận diện sự trượt và can thiệp bằng cách điều chỉnh lực phanh, giúp ổn định vận tốc bánh xe Dù ban đầu TCS không tác dụng phanh, nhưng quá trình nhấp nhả phanh vẫn diễn ra, giúp xe duy trì chuyển động ổn định Trong giai đoạn đầu, xe có thể di chuyển chậm do giảm lực kéo, nhưng sau khi ổn định, TCS sẽ ngưng can thiệp và tốc độ xe sẽ tăng lên, chứng tỏ hiệu quả của hệ thống trong việc cải thiện khả năng tăng tốc trên đường trơn.

Hình 4.49 Đồ thị hệ số trượt từng bánh xe của 2 xe TCS và không TCS

Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) trên xe giúp duy trì hệ số trượt trong khoảng 0.02 – 0.1, vượt qua ngưỡng 0.05 – 0.1 do độ trễ của cơ khí, nhưng vẫn đảm bảo xe hoạt động ổn định trên đường dốc với độ bám thấp Sau 20 giây, khi xe đã ổn định, TCS giảm tác dụng phanh, cho phép xe tăng tốc nhanh hơn Ngược lại, với xe không có TCS, khi di chuyển trên đường trơn trượt, bánh xe sẽ gặp hiện tượng thừa lực kéo, dẫn đến hệ số trượt cao Khi tốc độ xe tăng dần và đạt được vận tốc của bánh xe, hệ số trượt sẽ trở về khoảng 0.02, nhưng để đạt độ ổn định hoàn toàn, xe cần đến 28 giây.