Phương tiện giao thông thông minh BÀI GIẢNG 2 MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH TRÊN Ô TÔ 2 1 GIỚI THIỆU CHUNG CÁC HT ĐK TM TRÊN Ô TÔ Như đã định nghĩa, ô tô thông minh (Intelligent Vehicle) là nh.
Phương tiện giao thông thông minh BÀI GIẢNG MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH TRÊN Ô TÔ 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG CÁC HT ĐK TM TRÊN Ô TƠ Như định nghĩa, tơ thơng minh (Intelligent Vehicle) ô tô trang bị số hệ thống có tính thơng minh cho phép giao tiếp cach thông minh ô tô với tín hiệu hổ trợ thơng minh mạng lưới giao thơng phù hợp đường; qua tơ thơng minh thực cách tự động mà cần kiểm sốt hạn chế khơng cần đến can thiệp người lái xe ô tô tham gia đường (hình 2.1) Hình 2.1: Minh họa hệ thống hổ trợ ADAS cho xe tham gia đường Bên cạnh việc nghiên cứu hệ thống hổ trợ lái xe nâng cao ADAS (Advance Driver Assistance System) hệ thống cảm biến camera (xem hình minh họa 2.2) nhằm thu nhận thơng tin, xử lý truyền liệu đến hệ thống chấp hành nhằm thực việc điều khiển tự động, việc nghiên cứu chuyên sâu tất hệ thống điều khiển tự động thông minh xe quan trọng ô tô tự lái thông minh (Seft-Driving Cars) Phương tiện giao thông thông minh Hình 2.2: Minh họa hệ thống cảm biến & camera xe hổ trợ tự lái Để thực hổ trợ lái tự động, hệ thống tạo trì đồ mơi trường xung quanh nhờ hệ thống định vị GPS với hệ thống cảm biến camera bố trí quanh xe minh hoạ hình 2.2; theo chức chúng giải thích theo sau + Cảm biến RADAR giám sát vị trí phương tiện gần Có loại RADAR sử dụng: - Cảm biến RADAR tầm dài (Long-Range RADAR): Điều khiển hành trình thích ứng - Cảm biến RADAR ngắn (Short-Medium Range RADAR): Giúp phát điểm mù, cảnh báo va chạm z+ Cảm biến LIDAR (Light + RADAR) phản xạ xung ánh sáng từ môi trường xung quanh ô tô, giám sát khoảng cách người phương tiện khác phía trước nó; từ đó, lệnh phanh giảm tốc độ dừng khẩn cấp + Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensor) sử dụng truyền âm để phát vật thể Theo dõi chuyển động xe, phát lề đường Phương tiện giao thông thông minh phương tiện khác đỗ xe Thông thường, cảm biến kích hoạt xe chuyển động ngược chiều + Hệ thống camera để phát tín hiệu đèn giao thơng, đọc tín hiệu biển báo đường bộ, phát cảnh báo chệch đường, nhận dạng theo dõi người phương tiện khác Trong giới hạn học phần, nội dung chương nghiên cứu tổng quan hệ thống điều khiển vận hành chuyển động cho tơ hệ thống lái (Steering System), hệ thống phanh (Braking System) phận điều chỉnh vị trí chân ga (Position Throttle Control) có tham gia điều khiển điện tử từ xử lý trung tâm CPU ô tô tự lái thông minh 2.2 ĐẶC ĐIỂM CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ Với hổ trợ hệ thống hổ trợ lái nâng cao ADAS (xem thêm hình 2.2), phần mềm máy tính siêu tốc độ xử lý tín hiệu đầu vào tất cảm biến camera tình trạng giao thơng đường, thơng qua thuật toán, phần mềm cách vận hành tối ưu, gửi tín hiệu đến hệ thống chấp hành điều khiển chuyển động ô tô Các hệ thống chấp hành điều khiển chuyển động ô tô giao thức thực lái xe tự động thông minh xe bao gồm hệ thống lái, hệ thống phanh phận tăng/giảm chân ga; hệ thống khác tham gia phụ trợ 2.2.1 Điều khiển tự động thông minh hệ thống lái Quá trình trình chuyển động tơ ln ln theo dõi điều khiển lái xe nhằm bảo đảm an tồn chuyển động cho tơ, bánh xe dẫn hướng thiết kế ràng buột hệ thống lái có tính ổn định cao nhờ góc đặt trụ quay đứng góc dỗng bánh xe dẫn hướng [ 1-4], [7], [14] Với mục đích giảm nhẹ lực điều khiển vơ lăng cho lái xe, hệ thống lái tất loại ô tô có trang bị hệ thống hổ trợ lái (cịn gọi trợ lực lái); phổ biến hệ thống trợ lực lái thủy lực nhờ có cấu tạo đơn giản [ 7], [14] Phương tiện giao thông thông minh 2.2.1.1 Hệ thống trợ lực lái thủy lực Các cấu thành chi tiết hệ thống trợ lực lái thủy lực minh họa hình 2.3 bao gồm bơm thủy lực (2), đường ống dẫn động dầu (3) (4), van phân phối trạng thái (7), cụm xy lanh (8) piston (9) Ngoài cịn có bình dầu (5) cụm van an tồn khống chế áp suất làm việc bố trí tích hợp cụm bơm dầu Bơm dầu dẫn động truyền động đai (1) trích dẫn từ động Khi xe chuyển động thẳng (không thực quay vịng tơ), vơ-lăng vị trí trung gian, van phân phối (7) vị trí trung gian mở thơng dịng dầu (3) tới xy lanh thơng với dịng dầu (4) để trả dầu bơm luân chuyển bình chứa Bơm dầu lúc làm việc với chế độ không tải; áp suất dòng chất lỏng bơm tạo cần đủ thắng tổn thất sức cản thủy lực đường ống đi, cụm van phân phối đường ống bình chứa Khi cho tơ quay vịng, người lái quay vơ lăng (6) để dẫn động (11) dịch chuyển sang trái (hoặc sang phải); đồng thời điều khiển van phân phối (7) chia dầu cao áp bên phải (hoặc bên trái) piston (9) xy lanh (8) nhằm tạo thêm lực đẩy lên (12), với lực lái xe để quay bánh xe dẫn hướng (nhờ địn quay 14), thực quay vịng tô theo yêu cầu Phương tiện giao thông thông minh Hình 2.3: Sơ đồ cấu tạo chi tiết hệ thống trợ lực lái thủy lực Chú thích hình 2.3: 1- Truyền động đai dẫn động bơm dầu; 2- Bơm dầu cụm van không chế áp suất; 3- Đường ống dẫn dầu cao áp đến xy lanh trợ lực; 4Đường ống dẫn dầu thấp áp bình chứa; 5- Bình chứa dầu; 6- Vơ-lăng lái; 7Van phân phối dầu cho xy lanh trợ lực; 8- Xy lanh trợ lực; 9-Piston trợ lực; 10Bánh cấu lái; 11- Thanh cấu lái; 12- Ống su che chắn bụi; 13- Thanh kéo ngang bên trái hình thang lái; 14- Địn quay bánh xe bên trái hình thang lái; 15- Đĩa phanh bánh xe bên trái; 16- Bán trục (kiểu trục đăng) dẫn động bánh xe chủ động bên trái Ưu điểm hệ thống lái trợ lực thủy lực: + Hệ thống lái trợ lực thủy lực có cấu tạo đơn giản + Cảm giác lái nhẹ nhàng ưu điểm bật hệ thống lái trợ lực thủy lực + Tốc độ nhả vơ lăng vị trí trung gian trợ lực thủy lực diễn nhanh chóng, tạo điều kiện cho xe có tính ổn định tốt Phương tiện giao thông thông minh + Làm việc tin cậy, tuổi thọ cao Việc sửa chữa, bảo dưỡng trợ lực thủy lực diễn dễ dàng với chi phí thấp Nhược điểm hệ thống lái trợ lực thủy lực - Trợ lực thủy lực chiếm nhiều không gian xe để bố trí - Lái xe cảm giác nặng tốc độ thấp nhẹ tốc độ cao Nguyên nhân vấn đề tốc độ vòng quay bơm phụ thuộc vào tốc độ vòng quay động Ở tốc độ thấp, áp suất bơm tạo thấp khiến trợ lực yếu - Phải thường xuyên kiểm tra dầu trợ lực rị rỉ dầu hệ thống dầu để có phương án bảo dưỡng, thay cần - Mặt khác, so sánh với trợ lực điện trợ lực thủy lực có mức tiêu hao nhiên liệu nhiều bơm trạng thái hoạt động 2.2.1.2 Hệ thống trợ lực lái thủy lực điện tử Trợ lực lái thủy lực – điện tử gọi xác trợ lực lái thủy lực điều khiển điện tử Hệ thống tương tự hệ thống trợ lực thủy lực, điểm khác biệt van phân phối dầu điều hướng thủy lực điều khiển điều khiển điện tử thơng qua cảm biến thay đóng mở cách khí tác động vô lăng hệ thống trợ lực thủy lực thơng thường (xem hình 2.4) [1], [14-15] Hình 2.4: Sơ đồ cấu tạo hệ thống trợ lực lái thủy lực – điện tử Phương tiện giao thông thông minh Đặc biệt, trợ lực lái thủy lực – điện tử khắc phục nhược điểm lái nặng tốc độ thấp tơ việc bơm dầu khơng cịn dẫn động động đốt mà dẫn động trực tiếp bới mô tơ điện độc lập Hình 2.5: Đặc tính trợ lực lái hệ thống lái thủy lực – điện Nhờ dẫn động độc lập mô-tơ điện, nên điều khiển trung tâm kiểm sốt dịng điện đến mơ-tơ điện để cung cấp dòng chất lỏng đáp ứng yêu cầu áp suất tỷ lệ nghịch với tốc độ vận hành xe; tức cung cấp áp suất trợ lực cao xe tốc độ thấp ngược lại cung cấp áp suất thấp xe chạy với tốc độ cao để bảo đảm tốt tính ơn định cho xe (xem hình 2.5) [15] Trợ lực lái thủy lực – điện tử cho phép giảm tiêu hao nhiên liệu nhờ bơm không hoạt động vô lăng trạng thái trung gian khơng quay vịng Có thể nói phương pháp trợ lực lái tương đối đại ứng dụng phổ biến nhiều dòng hãng Nissan, Infinity, Toyota, Lexus, BMW, Audi, Mercedes-Benz, Honda, Ford, Mitsubishi… Phương tiện giao thông thông minh 2.2.1.3 Hệ thống trợ lực lái điện Nhày nhờ công nghệ điều khiển điện – điện tử phát triển nhanh mạnh mẽ, nên hệ thống trợ lực lái điện ngày áp dụng phổ biến loại ô tô; ô tô Hệ thống trợ lực lái điện khắc phục nhược điểm trợ lực thủy lực chạy xe với tốc độ cao Nhờ điều khiển lập trình định trước, nên trợ lực lái điện điều khiển giảm mô-men trợ lực xe chạy với tốc độ cao, người lái có cảm giác kiểm sốt hệ thống lái, nên tự tin trì tính an tồn ổn định tơ vận hành đường cao tốc Cấu tạo chung hệ thống trợ lực lái điện đơn giản (hình 2.6), gồm mơ tơ điện (3), giảm tốc trục vít – bánh vít (4) Mơ-tơ điện điều khiển mô-dule điều khiển điện tử (7) ECM (Electronic Control Module) thơng qua tín hiệu (6) từ cảm biến tốc độ xe, tín hiệu (5) từ cảm biến mơmen xoắn (2) để đo chiều góc quay vơ-lăng tốc độ quay vô lăng Khi muốn cho ô tơ quay vịng, người lái quay vơ lăng (1), thơng qua cảm biến mơ-men (2), tín hiệu (5) chiều góc quay tốc độ quay vơ lăng, cộng với tín hiệu tốc độ xe (6) truyền đến ECM (7) nhằm xử lý cung cấp hiệu điện cho mô-tơ điện tạo thêm mô-men quay; với mô-men từ lái xe, truyền xuống cấu lái (9) để đẩy/hoặc kéo ngang (12) hình thang lái, thực quay bánh xe dẫn hướng để quay vịng tơ theo u cầu Phương tiện giao thơng thơng minh Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo hệ thống trợ lực lái điện Chú thích hình 2.6: 1- Vơ lăng; 2- Cảm biến mơ-men xoắn; 3- Mơ-tơ điện; 4- Bộ giảm tốc trục vít - bánh vít; 5- Tín hiệu từ cảm biến mơ-men xoắn; 6- Tín hiệu từ cảm biến tốc độ tơ; 7- Bộ điều khiển trung tâm ECM; 8- Trục lái; 9- Cơ cấu lái kiểu răng; 10- Thân vỏ răng; 11- Ống su che chắn bụi; 12- Thanh kéo ngang bên phải hình thang lái Ưu điểm hệ thống trợ lực lái điện: + So với hệ thống lái thủy lực, trợ lực lái điện khắc phục tượng lái nặng tốc độ thấp ô tô nêu trên; mà ngược lại vận hành xe với tốc độ thấp, dòng điện điều khiển tăng cao để lái nhẹ, vận hành xe với tốc độ cao, dòng điện điều khiển giảm thấp để giảm mô-men trợ lực, tạo cảm giác nặng tay lái nhằm kiểm sốt an tồn xe quay vòng xe chuyển động với tốc độ cao đường cao tốc (xem hình 2.7) [15] + Và không bị tiêu hao thêm nhiên liệu vô lăng trạng thái trung gian khơng quay vịng (mơ tơ điện không hoạt động) + Hệ thống lái ổn định ô tô chuyển động với tốc độ cao nhờ điều khiển tự động giảm mô-men trợ lực + Khi xe di chuyển chậm hay vào bãi đỗ xe, vô-lăng nhẹ nhàng dễ dàng đánh lái nhờ trợ lực điều khiển tăng Phương tiện giao thông thông minh + Hệ thống trợ lực điện phải kiểm tra, dễ dàng sửa chữa Hình 2.7: Bản đồ đặc tính điều chỉnh nguồn điện (U) cho mơ-tơ trợ lực lái theo tốc độ góc quay vơ-lăng (w) theo tốc độ vận hành xe (V) Phương pháp trợ lực lái điện trang bị phổ biến dòng xe đại Mercedes-Benz, Audi, BMW, Lexus…, dòng xe hạng C Toyota, Honda, Kia, Hyundai, Mazda, Ford… 2.2.1.4 Hệ thống lái điện tử “Steer-By-Wire” Ngày nay, công nghệ hệ thống lái điện tử kiểu “lái dây” (Steer-ByWire), loại bỏ hồn tồn liên kết khí trục lái với thước lái (cơ cấu lái) phương diện truyền lực [18-19] Chúng kết nối ly hợp có trục trặc hệ thống lái “Steer-By-Wire” để lái xe can thiệp Cấu trúc dễ dàng che dấu xe điều khiển lái tự động hoàn toàn Với hệ thống lái “Steer-By-Wire” (xem hình 2.8), dây dẫn nhận tín hiệu (bao gồm chiều góc quay tốc độ quay vơ-lăng) từ cảm biến tích hợp tốc độ vị trí (2), để truyền đến ECU Bộ điều khiển trung tâm ECU xử lý điều khiển nguồn điện đến mô-tơ điện (8) Truyền động từ trục rô-to mô tơ điện, 10 ... trợ lực lái thủy lực làm 12 Phương tiện giao thông thông minh 2.2.2 Điều khiển tự động hệ thống phanh Song song với hệ thống hổ trợ lái cho phương tiện ơt đại thơng minh ngày nay, hệ thống phanh... phát lề đường Phương tiện giao thông thông minh phương tiện khác đỗ xe Thơng thường, cảm biến kích hoạt xe chuyển động ngược chiều + Hệ thống camera để phát tín hiệu đèn giao thơng, đọc tín hiệu... nói phương pháp trợ lực lái tương đối đại ứng dụng phổ biến nhiều dòng hãng Nissan, Infinity, Toyota, Lexus, BMW, Audi, Mercedes-Benz, Honda, Ford, Mitsubishi… Phương tiện giao thông thông minh