NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT BỘ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ Nguyễn Thành Công(1), Đào Mạnh Hùng(1), Hồ Hữu Hải(2) (1) Trường Đại học Giao thông Vận tải, (2)Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt: Bài báo đề xuất bộ điều khiển logic mờ điều khiển chuyển động ổn định của ô tô thông qua việc phân phối lực phanh tại mỗi bánh xe Dựa vào tốc độ góc xoay thân xe thực tế được cung cấp bởi cảm biến bộ điều khiển sẽ so sánh với với giá trị mong muốn Thông qua tín hiệu sai lệch này, bộ chấp hành sẽ thực hiện phanh tại bánh xe điều chỉnh quỹ đạo chuyển động của ô tô gần với mong muốn Hệ thống được mô phỏng khi ô tô thực hiện chuyển làn, tín hiệu điều khiển vành lái dạng hình Sin Đánh giá tác động của bộ điều khiển quá trình mô phỏng được thực hiện khi có và không có tác động của bộ điều khiển với các vận tốc khác nhau I Đặt vấn đề L Cotgβ t 2 − Cotgβ t1 = B Nghiên cứu quỹ đạo chuyển động (1) của ô tô là vấn đề rất phức tạp Khi ô tô chuyển động trên đường với tốc độ cao có Khi ô tô quay vòng với vận tốc thể xảy ra quay vòng không theo quỹ đạo không đổi bán kính quay vòng Rqv được người điều khiển mong muốn làm mất ổn xác định từ sơ đồ (hình 1) như sau: định dẫn tới những tai nạn đáng tiếc Các L R qv = nghiên cứu gần đây cho thấy điều khiển (2) tg(β t − α t ) + tgα s mô men xoay thân xe là phương pháp hiệu Trong đó: L-chiều dài cơ sở của ô quả để cải thiện tính chuyển động ổn định tô [m]; βt- góc quay bánh xe dẫn của ô tô Phương pháp này tập trung vào hướng[rad]; αt-góc biến dạng bên của cầu điều khiển vận tốc góc xoay thân xe Khi trước [rad]; αs- góc biến dạng bên của cầu mất ổn định hệ thống điều khiển sẽ đưa ra sau[rad] tín hiệu điều chỉnh mô men xoay thân xe Nếu xe quay vòng với βt nhỏ thì ta bằng cách phân phối lực phanh hoặc điều có thể coi: tg(βt-αt) ≈βt-αt; tgαs ≈αs khiển lực kéo để giữ ô tô chuyển động ổn định Trong bài này, tác giả đưa ra bộ điều khiển logic mờ để điều khiển chuyển động của ô tô thông qua việc phân phối lực phanh tại mỗi bánh xe Điều khiển mờ sử dụng các kỹ năng của người điều khiển có kinh nghiệm hoặc các tri thức chuyên gia, có thể sử dụng các tiêu chí được mô tả bằng ngôn ngữ hoặc không định nghĩa được rõ ràng Vì thế, điều khiển mờ thường được dùng khi tiến trình điều khiển không được biết rõ hoặc khó mô tả chính xác vì quá phức tạp chẳng hạn II.Trạng thái chuyển động và đề xuất bộ điều khiển 2.1 Các trạng thái quay vòng của ô tô Điều kiện để các bánh xe dẫn hướng với hệ thống lái 2WS không bị trượt bên khi xe quay vòng thoả mãn: Hình 1 Xác định bán kính quay vòng theo L, β, αt, αs - Khi ( αt -αs ) = 0 là trạng thái quay vòng đúng Bán kính quay vòng không phụ thuộc vào gia tốc bên (Rqv = const) - Khi ( αt -αs ) < 0 là trạng thái quay vòng thiếu Khi đó bán kính quay vòng tăng, để thực hiện quay vòng theo bán kính 1 R thì người lái phải tăng góc quay vành lái một lượng Δβvl - Khi ( αt -αs ) > 0 là trạng thái quay vòng thừa Khi đó bán kính quay vòng giảm, lực ly tâm gia tăng Để khắc phục người lái phải giảm góc quay vành lái một lượng Δβvl Khi xe quay vòng thiếu (hình 3-b) xe được ổn định bằng cách tác dụng phanh ở bánh sau bên trong Vì thế mô men quay vòng sẽ tăng, ô tô chuyển động ổn định 2.2.Cấu trúc bộ điều khiển Cấu trúc bộ điều khiển được thể hiện ở hình 2 M TT M TP 1 Vx 2 d e lta Mz M TP MST dr M TT MST MSP MSP Mz Vx e x i_ d r_ m a)Xe quay vòng thừa d e lta B o d ie u k h ie n m o R e fe re n c e m o d e l b)Xe quay vòng thiếu FB- Lực phanh; FS- Lực bên B o chap h an h d e lta Hình 3 Trạng thái chuyển động của ô tô khi có điều khiển và không điều khiển 2.3.Xây dựng bộ điều khiển mờ Sơ đồ điều khiển mờ như trên hình 4 Biến vào tương tương ứng của bộ điều khiển như sau: - dr: Sai lệch vận tốc góc xoay thân xe, đánh giá sai lệch giữa giá trị thực tế(đo từ cảm biến) và giá trị mong muốn (xác định từ biểu thức 3) -ddr: Độ biến thiên sai lệch vận tốc góc xoay thân xe Được xác định từ giá trị sai lệch vận tốc góc xoay thân xe tại thời điểm tính toán với giá trị sai lệch vận tốc xoay thân xe thời điểm trước đó, trong khoảng thời gian trễ 0,005 (s) M o h in h o to Hình 2 Cấu trúc bộ điều khiển Từ các tín hiệu đầu vào: tốc độ ô tô, góc quay vành lái, khối Reference Model sẽ xác định tốc độ góc quay thân xe mong muốn Biểu thức xác định tốc độ góc quay thân xe mong muốn như sau [7]: v & rm = ε m = δ 2 m.v (lr C αr − lf Cαf ) (3) L+ 2Cαf Cαr L Trong đó: v – vận tốc của ô tô [m/s]; δ - góc quay của bánh xe dẫn hướng [rad]; m - khối lượng của ô tô [kg]; l f, lr - khoảng cách từ trọng tâm ô tô tới tâm cầu trước, cầu sau [m]; Cαf, Cαr - Độ cứng bên của lốp trước, sau [N/rad] Từ tốc độ góc xoay thân xe thực tế được đo bởi cảm biến Bộ điều khiển so sánh với giá trị mong muốn Qua tín hiệu sai lệch này xác định giá trị mômen xoay thân xe Từ đó bộ chấp hành sẽ thực hiện phanh tại bánh xe để điều chỉnh quỹ đạo chuyển động của ô tô Khi xe quay vòng thừa (hình 3-a) xe được ổn định bằng cách tăng lực bên ở bánh xe trước phía ngoài tạo ra mô men ngược chiều với mô men gây ra quay vòng thừa Lực phanh tác dụng lên bánh xe phía trước cũng làm giảm tốc độ của xe, vì thế tính ổn định của xe được đảm bảo 1 dr -K K1 1 z Un it De la y ddr Add -K - -K K2 S a tu ra tio n K3 Fuzzy Logic Controller S a tu ra tio n 1 Hình 4 Sơ đồ mô phỏng khối điều khiển mờ Biến vào được định lượng bằng 3 giá trị ngôn ngữ (hình 5a): “Âm”, ký hiệu N (Negative),“Không“, ký hiệu Z (Zero), “Dương“, ký hiệu P (Positive) Biến ra được định nghĩa là mô men xoay thân xe (ký hiệu Mz) Được định nghĩa bằng 5 giá trị ngôn ngữ (hình 5b):“Âm lớn”, ký hiệu NL (Negative 2 1 Mz công cụ fuzzy logic toolbox của Matlab 200 150 150 100 50 Bien do (do) Large),“Âm nhỏ”, ký hiệu NS (Negative Small), “Không”, ký hiệu Z (Zero),“Dương nhỏ”, ký hiệu PS (Positive Small),“Dương lớn”, ký hiệu PL (Positive Large) 0 -50 -100 -150 -200 0 2 Thoi gian (s) 2.5 Ký hiệu Thông số Khối lượng toàn bộ xe Mô men quán tính của khối lượng được treo Khoảng cách từ trọng tâm khối lượng được treo đến tâm cầu trước Khoảng cách từ trọng tâm khối lượng được treo đến tâm cầu sau Độ cứng bên của lốp trước, sau 1 2 b) Mô men xoay thân xe 3 Xây dựng tập luật điều khiển Bảng 1 Tập luật điều khiển của bộ điều khiển mờ 1.5 3 4 4 5 Đơn vị Giá trị m 1006 kg Isy 1500 kg.m2 a 0.8839 m b 1.4261 m Cαf, Cαr 30000 N/rad Kết quả mô phỏng thể hiện trên hình 7, đánh giá tác động của bộ điều khiển, khi có và không có tác động của bộ đều khiển 0.8 Co dieu khien Mong muon Khong dieu khien Van toc goc xoay than xe (rad/s) 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 0 0.5 1 1.5 2 Thoi gian (s) 2.5 3 3.5 4 a Vận tốc góc xoay thân xe 0.4 Co dieu khien Mong muon Khong dieu khien 0.35 0.3 Goc xoay than xe (rad) III Kết quả mô phỏng Khi ô tô chuyển làn với vận tốc chuyển động 20 m/s Điều khiển vành lái dạng hình Sin với biên độ đánh lái 150 0 (hình 6) Mô hình mô phỏng quỹ đạo chuyển động ô tô xây dựng trên phần mềm Matlab-Simulink [3] Các thông số kỹ thuật của ô tô được cho trong bảng 2 Bộ điều khiển logic mờ được tổng hợp bằng 3.5 Bảng 2 Thông số kỹ thuật của ô tô khảo sát STT Tập luật điều khiển mờ được xây dựng trên cơ sở nguyên lý điều khiển của mô hình kết hợp với tri thức các chuyên gia, theo tiêu chí nâng cao chuyển động ổn định của ô tô, gồm 9 luật thể hiện trong bảng 1 1 Hình 6 Tín hiệu góc quay vành lái a)Sai lệch, độ biến thiên sai lệch vận tốc góc xoay thân xe Hình 5 Các hàm quan hệ giá trị ngôn ngữ biến vào/ra bộ điều khiển mờ 0.5 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 -0.05 0 0.5 1 1.5 2 Thoi gian (s) 2.5 3 3.5 4 b Góc xoay thân xe 3 tô dựa vào việc phân phối lực phanh tại mỗi bánh xe Từ kết quả mô phỏng thấy rằng khi có điều khiển ô tô chuyển động ổn định hơn so với trường hợp không có điều khiển Kết quả của nghiên cứu có thể làm cơ sở để chế tạo bộ điều khiển chuyển động ổ định của ô tô 6 Co dieu khien 5 Khong dieu khien Y (m) 4 3 2 1 0 -1 0 10 20 30 40 X (m) 50 60 70 80 c Quỹ đạo chuyển động Hình 7 Kết quả mô phỏng chuyển động Kết quả cho thấy khi ô tô chuyển làn: trường hợp không có điều khiển ô tô mất ổn định chuyển động do sai lệch vận tốc góc xoay thân xe (hình 7a), mức mất ổn định thể hiện qua sai lệch góc xoay thân xe (hình 7b) Khi có điều khiển vận tốc góc xoay thân xe được duy trì gần giá trị mong muốn nên tăng mức ổn định chuyển động của ô tô Kết thúc chuyển làn góc xoay thân xe mong muốn là 0o do sự biến dạng đàn hồi của lốp trong quá trình trả lái nên có sự sai lệch góc xoay thân xe, do đó quỹ đạo chuyển động của ô tô (hình 7c) lệch với hướng chuyển động thẳng Bộ điều khiển duy trì giá trị vận tốc xoay thân xe gần với giá trị mong muốn nhằm duy trì hướng chuyển động thẳng của ô tô Kết quả mô phỏng cho thấy rằng quỹ đạo chuyển động phù hợp với tín hiệu điều khiển góc quay vành lái, khi có điều khiển quỹ đạo chuyển động của ô tô gần với quỹ đạo mong muốn hơn khi không có điều khiển IV.Kết luận: Tác giả đã đưa ra bộ điều khiển mờ để điều khiển chuyển động ổn định của ô Tài liệu tham khảo: [1] Nguyễn Khắc Trai – Tính điều khiển và quĩ đạo chuyển động của ô tô - Nhà xuất bản Giao thông vận tải, Hà Nội, 1997 [2] B.Bouchon-Meunier-Hồ Thuần-Đặng Thanh Hà – Logic mờ và ứng dụng – Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà nội, 2007 [3] Nguyễn Thành Công- Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển chuyển động ổn định của ô tô, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2009 [4] Jong Hyeon Park and Woo Sung Ahn H-infinite Yaw-Moment Control with Brakes for Improving Driving Performance and Stability – Proceedings of the 1999 IEEE/ASME International Conference on Advanced Advanced Mechatronics, September 1999, Atlanta, USA [5] Rajesh Rajamani – Vehicle Dynamics and control - Springer Science+Business, Inc., 233 Spring Street, New York, NY 10013, USA [6] Sang-Jin Ko, Jeong-Jung Kim and JuJang Lee - Yaw stabilization of a vehicle by yaw stability controller based on Fuzzy Logic – 8th International Symposium on Advanced Intelligent System (ISIS2007), September 2007, Sokcho-City, Korea 4 ... quay vành lái, có điều khiển quỹ đạo chuyển động ô tô gần với quỹ đạo mong muốn khơng có điều khiển IV.Kết luận: Tác giả đưa điều khiển mờ để điều khiển chuyển động ổn định ô Tài liệu tham khảo:... điều khiển Kết nghiên cứu làm sở để chế tạo điều khiển chuyển động ổ định ô tô Co dieu khien Khong dieu khien Y (m) -1 10 20 30 40 X (m) 50 60 70 80 c Quỹ đạo chuyển động Hình Kết mô chuyển động. .. Matlab-Simulink [3] Các thông số kỹ thuật ô tô cho bảng Bộ điều khiển logic mờ tổng hợp 3.5 Bảng Thông số kỹ thuật ô tô khảo sát STT Tập luật điều khiển mờ xây dựng sở nguyên lý điều khiển mơ hình kết