Nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển quỹ đạo chuyển động ô tô tự lái đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MƠN CƠ KHÍ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NĂM 2019 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ TỰ LÁI Sinh viên thực hiện: Phạm Trịnh Ngọc Sơn Lớp: CKOT K56 Khoa: Cơ khí Nguyễn Lê Quốc Bình Khoa: Cơ khí Lớp: CKOT K56 Người hướng dẫn: TS Trần Văn Lợi Tp.Hồ Chí Minh,tháng năm 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MƠN CƠ KHÍ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NĂM 2019 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ TỰ LÁI Sinh viên thực hiện: Phạm Trịnh Ngọc Sơn Lớp: Cơ khí ô tô K56 Nam, nữ: Nam Dân tộc: Kinh Khoa: Cơ khí Năm thứ: 4/4 Nguyễn Lê Quốc Bình Lớp: Cơ khí tơ K56 Nam, nữ: Nam Dân tộc: Kinh Khoa: Cơ khí Năm thứ: 4/4 Ngành học: Kỹ thuật khí Ngành học: Kỹ thuật khí Người hướng dẫn: TS Trần Văn Lợi Tp.Hồ Chí Minh,tháng năm 2019 Mục lục Mục lục MỞ ĐẦU Chương : TỔNG QUAN XE TỰ LÁI 1.1 Tổng quan mơ hình xe tự lái 1.2 Xây dựng mơ hình động lực học tơ quay vòng 1.2.1 Giả thiết xây dựng mơ hình 1.2.2 Mô hình động lực học quay vịng tơ vết 1.2.3.Mơ hình lực tương tác bánh xe với mặt đường 1.3 Mô khảo sát ổn định hướng chuyển động ô tô 13 1.3.1 Thiết lập mô hình tốn mơ tả chuyển động tơ 13 Chương : GIỚI THIỆU MATLAB 17 2.1 Tổng quan Matlab 17 2.1.1 Khái niệm Matlab 17 2.1.2 Tổng quan cấu trúc liệu Matlab, ứng dụng 17 2.1.3 Hệ thống MATLAB 18 2.1.4 Làm quen với matlab 19 2.1.5 Các cửa sổ Làm việc MATLAB 20 2.2 Tìm hiểu SIMULINK BLOCK LIBRARY 23 2.2.1 Cách khởi tạo SIMULINK vẽ sơ đồ mô 23 Chương CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ TỰ LÁI 28 3.1 Các thơng số tốn 28 3.2 Nhập lệnh Matlab 28 3.2.1 Khai báo thông số đề 28 3.2.3 Tính thơng số A,B,C,D 29 3.2.4 Xuất đồ thị 29 3.3 Mô Simulink 30 3.4 Một số đồ thị xe 32 Chương III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35 3.1 Kết luận 35 3.2 Kiến nghị 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 Danh mục hình Hình 1.1 Mơ tả lưu lượng thơng minh Google Hình 1.2 Hệ thống tự lái Hình 1.3 Mơ hình vết mặt phẳng đường Hình 1.4 Mơ hình động lực học bánh xe Hình 1.5 Lực tương tác bánh xe với mặt đường Hình 1.6 Sự lăn lệch bên bánh xe Hình 1.7 Sự phụ thuộc lực bám dọc ngang vào hệ số trượt dọc góc lăn lệch 10 Hình 1.8 Mơ hình lốp Pacejka 11 Hình 1.9 Đặc tính bám ngang số loại đường khác 11 Hình 1.10 Sự phụ thuộc độ cứng ngang CFα giá trị lực ngang cực đại Fy, peak vào tải trọng số loại lốp 13 Hình 2.1 Cửa sổ desktop cửa sổ phụ 19 Hình 2.2 Cửa sổ Command window 20 Hình 2.3 Cửa sổ Command history 21 Hình 2.4 Cửa sổ Workspace 21 Hình 2.5 Cửa sổ Array editor 22 Hình 2.6 Cửa sổ M-file 23 Hình 2.7 Màn hình từ cửa sổ thư viện Simulink 24 Hình 2.8 Mơ hình phân tích sóng hình sin 24 Hình 2.9 Chọn vẽ Model (Schme) 25 Hình 2.10 Cửa sổ sơ đồ khối coppy 25 Hình 2.11 Cửa sổ mơ hình vẽ xong 26 Hình 2.12 Hộp thoại Parameter Simulink 26 Hình 2.13 Cửa sổ hiển thị tín hiệu sơ đồ 26 Hình 3.1 Mơ Simulink xe vào cua 30 Hình 3.2 Mơ Simulink xe chuyển 31 Hình 3.3 Mơ Simulink xe quay vòng 31 Danh mục bảng biểu Bảng Thông số đề 28 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: -Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng mơ hình điều khiển quỹ đạo chuyển động tơ tự lái - Sinh viên thực hiện: Phạm Trịnh Ngọc Sơn Lớp: CKOT-56 Năm thứ Số năm đào tạo: Nguyễn Lê Quốc Bình Lớp: CKOT-56 Năm thứ Số năm đào tạo: Bộ mơn:Cơ khí Bộ mơn:Cơ khí -Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Văn Lợi Mục tiêu đề tài: - Nghiên cứu động học, động lực học tơ quay vịng - Xây dựng chương trình điều khiển thể mối quan hệ góc quay vơ lăng, vận tốc, kích thước tơ, tải trọng với quỹ đạo chuyển động mặt phẳng đường Tính sáng tạo: - Ứng dụng phần mềm MATLAB SIMULINK vào nghiên cứu quỹ đạo chuyển động mơ hình tơ tự lái Kết nghiên cứu: - Thuyết minh đề tài - Chương trình tính tốn xác định mối quan hệ góc quay vơ lăng, vận tốc, kích thước tơ, tải trọng với quỹ đạo chuyển động mặt phẳng đường Đóng góp mặt kinh tế - xã hội, giáo dục đào tạo, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: - Là tảng để tiếp tục nghiên cứu, phát triển, hồn thiện mơ hình xe tự lái Cơng bố khoa học sinh viên kết nghiên cứu cuả đề tài (ghi rõ họ tên tác giả nhan đề yếu tố xuất có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Khơng có TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019 Sinh viên chịu trách nhiệm thực đề tài (ký, họ tên) Phạm Trịnh Ngọc Sơn Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học sinh viên thực đề tài: (Phần người hướng dẫn ghi) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019 Người hướng dẫn Trần Văn Lợi MỞ ĐẦU Ngày với phát triển công nghệ tin học, việc ứng dụng tin học vào nghiên cứu quỹ đạo chuyển động rô bốt ô tô trở nên phổ biến Hệ thống lái tự động hướng nghiên cứu tơ ngày Mức cao chế độ lái tự động cho phép phương tiện thực tất chức lái xe theo dõi tình trạng đường Dựa sở đó, nhóm chúng em đưa ý tưởng ứng dụng phần mềm Matlab Simulink vào “ Nghiên cứu, xây dựng mơ hình quỹ đạo chuyển động ô tô tự lái” Đề cương gồm chương: Chương 1: Tổng quan xe tự lái Chương 2: Giới thiệu xe tự lái Chương 3: Chương trình tính tốn xác định quỹ đạo xe tự lái Chương 4: Kết luận kiến nghị Trong trình thực đề tài này, nhóm nghiên cứu nhận nhiều giúp đỡ từ thầy cô, bạn bè đặt biệt giúp đỡ trực tiếp thầy Võ Hoài Sơn Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn quý thầy cơ,bạn bè tạo điều kiện cho nhóm hồn chỉnh đề tài Vì điều kiện thời gian khơng có nhiều,kiến thức cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Nhóm mong nhận ý kiến góp ý thầy tồn thể bạn đọc đề nhóm hồn thiện Một lần nhóm xin chân thành cảm ơn./ Chương : TỔNG QUAN XE TỰ LÁI 1.1 Tổng quan mơ hình xe tự lái Hệ thống lái tự động hướng nghiên cứu tơ ngày Mức cao chế độ lái tự động cho phép phương tiện thực tất chức lái xe theo dõi tình trạng đường Để nghiên cứu động lực học lái xe, cần nghiên cứu kết hợp nhiều công nghệ khác nhau: quỹ đạo chuyện động xe, mạng Thơng tin tín hiệu giao thông thông minh, khả kết nối thông tin phương tiện tham gia giao thơng Hình 1.1 Mô tả lưu lượng thông minh Google Đặc biệt,, quỹ đạo chuyển động xe xác định GPS, máy quét laser, cảm biến radar, cảm biến vị trí, camera… quỹ đạo thực tế tơ phanh lái Hệ thống lái tự động bao gồm hệ thống quỹ đạo mong muốn hệ thống quỹ đạo thực tế (bao gồm hệ thống truyền động điện, hệ thống điện, hệ thống phanh điện) Hệ thống xác định quỹ đạo mong muốn hệ thống: GPS, máy quét laser, cảm biến vị trí, camera điều khiển máy tính Hệ thống truyền động điện hệ thống thành phần hệ thống lái tự động Hệ thống truyền động điện bao gồm ba thành phần chính: tạo tín hiệu, điều khiển, truyền động Hình 1.2 Hệ thống tự lái 1.2 Xây dựng mơ hình động lực học tơ quay vịng 1.2.1 Giả thiết xây dựng mơ hình Trong trường hợp tổng qt mơ hình chuyển động ô tô không gian gồm bậc tự (tọa độ suy rộng) Đối với thân xe có bậc tự do: dịch chuyển theo phương thẳng đứng (phương OZ); góc quay thân xe theo trục OZ (yaw angle); dịch chuyển theo phương dọc (OX); góc lắc ngang thân xe (roll angle); dịch chuyển theo phương ngang (OY); góc lắc dọc thân xe (pitch angle) Đối với bánh xe dẫn hướng có bậc tự do: dịch chuyển theo phương thẳng đứng kích thích mấp mơ mặt đường (wheel lift); góc quay bánh xe theo trục góc quay bánh xe dẫn hướng quanh trục quay đứng Bỏ qua ảnh hưởng mấp mô mặt đường, nghiêng thân xe tác dụng lực ly tâm đổi hướng chuyển động Khi thân xe ba bậc tự (dịch chuyển theo phương dọc, phương ngang, góc thay thân xe theo trục OZ) bậc tự dao động theo phương thẳng đứng, lắc dọc, lắc ngang không xem xét Trên bánh xe dẫn hướng bậc tự (quay quanh trụ đứng quay quanh trục nó) bậc tự theo phương thẳng đứng không xem xét Không xét đến động lực học hệ thống lái, coi góc quay bánh xe dẫn hướng xem xét thơng số đầu vào mơ hình bánh xe dẫn hướng cịn bậc tự góc quay quanh trục Như mơ hình cịn bậc tự do: dịch chuyển theo phương dọc, ngang, quay quanh trục thẳng đứng thân xe, góc quay bánh xe quanh trục Bỏ qua thay đổi phản lực bánh xe bên phải, bên trái trục, coi tổng lực ngang tổng hợp trục không thay đổi phản lực thẳng đứng bên bánh xe bên phải bên trái thay đổi ta đưa mơ hình hai vết mơ hình vết với bánh xe giả định nằm trục, phương chuyển động bánh xe giả định qua giao điểm phương chuyển động bánh xe bên phải bên trái trục Mơ hình vết ô tô định nghĩa bánh xe cầu trước cầu sau quy bánh xe giả tưởng đặt tâm cầu trước cầu sau, chúng nối với dầm cứng tuyệt đối Giả thiết bánh xe chủ động đặt cầu trước, bánh xe cầu trước cầu dẫn hướng, với góc đánh lái  = (t) Khối lượng xe quy tọa độ trọng tâm, khối lượng bánh xe cầu trước cầu sau chuyển tâm cầu Trong mơ hình thân xe xem dầm cứng nối với bánh xe cầu trước bánh xe cầu sau Các lực tác dụng lên bánh xe trước, bánh xe sau bao gồm: lực kéo , , ự , , ự ả ă , Trong trường hợp tổng quát xét đến biến dạng lốp xe, điểm đặt lực điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường bị lệch so với tâm trục bánh xe khoảng n1 n2, n1