Luận án tiến sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa nghiên cứu thiết kế bộ quan sát hệ số trượt và ước lượng tốc độ tuyệt đối cho điều khiển lực kéo của ô tô điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Võ Duy Thành NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT HỆ SỐ TRƯỢT VÀ ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ TUYỆT ĐỐI CHO ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO CỦA Ô TÔ ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội, 2019 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Võ Duy Thành NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT HỆ SỐ TRƯỢT VÀ ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ TUYỆT ĐỐI CHO ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO CỦA Ô TÔ ĐIỆN Ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Tạ Cao Minh Hà Nội, 2019 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ "Nghiên cứu thiết kế quan sát hệ số trượt ước lượng tốc độ tuyệt đối cho điều khiển lực kéo tơ điện" cơng trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn người hướng dẫn khoa học Các kết trình bày luận án trung thực chưa công bố tác giả khác Toàn nội dung kế thừa tham khảo trích dẫn, tham chiếu đầy đủ Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh i Luận án tiến sĩ Kĩ thuật LỜI CẢM ƠN Một điều dễ nhận thấy việc nghiên cứu hoàn thành báo cáo phần Kết luận đặt cuối lại phần mà người nghiên cứu phải hồn thành nội dung đầu tiên; đó, phần Lời cảm ơn đặt đầu viết sau Khơng phải tầm quan trọng phần mà sau hồn thành xong tồn đóng gói luận án ta nhìn lại chặng đường dài làm việc thầm cảm ơn người ta suốt thời gian Tơi thức bảo vệ đề cương Nghiên cứu sinh vào đầu tháng 5/2013 với tên đề tài ban đầu gợi ý Tiến sĩ Nguyễn Bình Minh, người có nhiều cơng trình nghiên cứu thành cơng tơ điện Nhật Bản Sau trình bày đề cương, có khơng ý kiến cho rằng, đề tài khó làm, thiếu tính thực tiễn, khơng có sở nghiên cứu giới Bản thân thời điểm đó, tơi tự nhận thấy nội dung đề xuất mơ hồ thiếu tính hàn lâm Phải nhiều thời gian kiên trì tìm hiểu, trao đổi khám phá, cộng với động viên, giúp đỡ người thầy hướng dẫn khả kính tận tụy, Phó Giáo sư Tạ Cao Minh, tơi thấy thực yêu thích đề tài biết có lựa chọn sáng suốt Vì vậy, lời cảm ơn xin gửi tới người thầy tơi, Phó Giáo sư Tạ Cao Minh, người không quản ngại thời gian, công sức tơi từ đầu tới cuối cơng trình, người kiên trì giải thích, hỗ trợ, giảng giải khúc mắc trình nghiên cứu, kể câu hỏi "ngu ngơ" nhất, người bỏ bữa tối với gia đình để nghe tơi trình bày ý tưởng sửa chữa sai sót cơng trình nghiên cứu Với thầy, tơi người khoa học, dũng cảm thể tất thiếu sót mà khơng cảm thấy ngại ngùng Cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Binh Minh gợi ý ban đầu cho đề tài nghiên cứu, có thay đổi, bổ sung định xương sống định hướng đề tài giữ vững từ đầu tới cuối cơng trình Mỗi lần báo cáo định kỳ kết nghiên cứu đơn vị đào tạo, Bộ mơn Tự động hóa Công nghiệp, Viện Điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, ln có người thầy phản biện gay gắt Mỗi lần báo cáo tranh luận sôi thẳng thắn Chỉ tới tơi trình bày hồn chỉnh nghiên cứu tơi cách có hệ thống, kết hợp với q trình triển khai thực nghiệm, tơi nhận "cái gật đầu" thầy Tôi nhận thấy rằng, tranh luận, ý kiến phản biện gay gắt mà sắc sảo tạo động lực nghiên cứu cho tơi, kích thích tính "hiếu thắng khoa học", đơi khi, đồng ý thầy giống đích đến mà nỗ lực để đạt Nếu khơng có kiện ấy, tơi khơng biết tới hoàn thành nghiên cứu Người thầy thầy Phó Giáo sư Trần Trọng Minh Xin cảm ơn thầy tất quan tâm, sát sao, động viên bảo suốt thời gian qua Tôi xin cảm ơn thầy giáo Bộ mơn Tự động hóa, nơi công tác, anh chị em đồng nghiệp động viên, cổ vũ để cảm nhận niềm vui ii Luận án tiến sĩ Kĩ thuật nghiên cứu khoa học Tôi xin đặc biệt cảm ơn thầy Phó Giáo sư Nguyễn Văn Liễn, Phó Giáo sư Bùi Quốc Khánh, Giáo sư Nguyễn Phùng Quang quan tâm, góp ý, động viên coi tơi người Tự động hóa Đồng thời, xin chân thành cảm ơn thầy Phó Giáo sư Hồ Hữu Hải Phó Giáo sư Đàm Hồng Phúc cơng tác Viện Cơ khí Động lực, ĐH BKHN trao đổi góp ý để hồn thiện thiếu sót "kẻ ngoại đạo" ngành ô tô Tại Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Sáng tạo Công nghệ, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tơi có người đồng nghiệp, người bạn cho không khí nghiên cứu khoa học nghĩa trao đổi chuyên môn, thảo luận chi tiết, vào chất vấn đề nghiên cứu Cám ơn bạn Nguyễn Bảo Huy trao đổi hiệu Mỗi lần Huy nước lần "không khí khoa học" Trung tâm lại thổi bùng lên cách hứng khởi Cám ơn chị Nguyễn Thu Hà, chuyên môn Kinh tế kiên trì ngồi nghe tơi giải thích vấn đề khoa học kỹ thuật tưởng khơ khan Có kết nghiên cứu hôm không nhắc tới giúp đỡ bạn sinh viên ngành Tự động hóa Các bạn giúp tơi triển khai thực tế ý tưởng nghiên cứu Cảm ơn bạn lần thầy trị đẫm mồ hôi xưởng vào ngày hè để giải mã thơng tin xe tơ điện, lần "cẩu" xe ô tô Nam Định để đo đạc đặc tính động học, lần bị đói cố chạy thực nghiệm nốt lần cuối chưa thành lần cuối Đó ln trải nghiệm mà khơng làm thực khơng có Đồng thời, tơi xin cảm ơn bạn Nguyễn Trung Kiên, giảng viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đồng nghiệp Bộ mơn Kiên giúp đỡ tơi q trình làm thực nghiệm lấy đặc tính xe tô Nam Định Cuối quan trọng ln gia đình Tơi có gia đình tuyệt vời Đó cha mẹ tơi, người quan tâm động viên không gây sức ép sợ tơi phải vất vả làm việc, chăm lo cho cách vô tư thâm tâm biết rằng, cha mẹ lo lắng tiến độ nghiên cứu không nói Đó vợ tơi, người bạn đời tôi, hỗ trợ vật chất lẫn tinh thần lúc khó khăn nhất, "chịu đựng" sớm muộn, giúp tơi gánh vác sống gia đình Đó trai tơi, đứa trẻ mà lần tơi nhìn lần tơi thấy tiếp thêm động lực làm việc Tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc chân thành tới gia đình mình, chỗ dựa vững mà tơi khơng thể tìm thấy khác Hà Nội, tháng năm 2019 iii Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Mục lục Mở đầu 1 Tổng quan 1.1 Khái quát đối tượng nghiên cứu 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.1 Điều khiển chuyển động xe ô tô điện 1.2.2 Các trạng thái xe ô tô 1.2.3 Giới hạn nội dung nghiên cứu đề xuất yêu cầu luận 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.3.1 Ước lượng trạng thái xe ô tô điện 1.3.2 Các nghiên cứu điều khiển lực kéo - TCS 1.4 Đề xuất phương hướng thực nghiên cứu Kết luận chương án 4 5 11 16 17 17 22 27 29 Mơ hình hóa mơ xe tơ điện Tóm tắt nội dung 2.1 Cấu hình mơ hình mơ 2.2 Mơ hình hóa động học động lực học xe ô tô điện 2.2.1 Động học xe ô tô 2.2.2 Động lực học xe ô tô 2.2.3 Mô kiểm chứng 2.3 Xây dựng hệ thống mô Signal Hardware-in-the-loop cho xe ô tô điện 2.3.1 Mô Hardware-in-the-loop - Định nghĩa phân loại 2.3.2 Cấu hình hệ thống mô Signal Hardware-in-the-loop cho xe ô tô điện 2.3.3 Mô hình hệ thống truyền động xe tơ điện 2.3.4 Thiết kế ghép nối phần cứng tổng thể hệ thống 2.4 Kết kiểm chứng mơ hình 2.4.1 Các kịch thử nghiệm 2.4.2 Kết Kết luận chương 30 30 30 32 32 33 37 41 41 Ước lượng trạng thái xe tơ điện Tóm tắt nội dung 3.1 Tổng hợp liệu đa cảm biến - mơ hình số vấn đề cần giải 3.2 Nâng cao tốc độ trích mẫu cảm biến lọc Multirate Kalman 3.2.1 Giới thiệu chung 3.2.2 Bộ lọc Multirate Kalman 3.2.3 Đề xuất cải tiến lọc Multirate Kalman 53 53 53 56 56 58 60 iv Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 44 44 46 46 46 49 52 MỤC LỤC 3.2.4 Kết mô 3.3 Ước lượng trực tiếp hệ số trượt xe ô tô điện 3.3.1 Mơ hình thu gọn xe ô tô điện 3.3.2 Thiết kế ước lượng trực tiếp hệ số trượt 3.3.3 Thiết kế quan sát trực tiếp hệ số trượt 3.3.4 Kết mô 3.3.5 Nhận xét 3.4 Ước lượng tốc độ dài sử dụng Tổng hợp liệu đa cảm biến 3.4.1 Đặt vấn đề 3.4.2 Tổng hợp tối ưu thông tin từ nhiều nguồn liệu 3.4.3 Ứng dụng cho ước lượng vận tốc tuyệt đối Kết luận chương 62 65 65 66 67 69 70 70 70 73 74 75 Điều khiển hệ số trượt Tóm tắt nội dung 4.1 Giới thiệu chung 4.2 Điều khiển giới hạn hệ số trượt 4.2.1 Cấu hình hệ thống điều khiển đề xuất 4.2.2 Xây dựng điều khiển 4.2.3 Kết mô 4.3 Điều khiển chống trượt sở giới hạn mô men truyền cực đại 4.3.1 Ước lượng mô men truyền cực đại MTTE (Maximum Transmissible Torque Estimation) 4.3.2 Cải tiến điều khiển giới hạn mô men cực đại 4.3.3 Phân tích khảo sát tính ổn định 4.3.4 Kết mô Kết luận chương 77 77 77 78 78 79 82 86 86 87 88 91 95 Xây dựng hệ thống thực nghiệm kết 96 Tóm tắt nội dung 96 5.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm 96 5.1.1 Đặt vấn đề 96 5.1.2 Thiết kế hệ thống phần cứng 97 5.1.3 Hệ thống tham chiếu DAS-3 101 5.1.4 Lắp đặt hệ thống 102 5.1.5 Xây dựng hệ thống thực nghiệm điều khiển Signal Hardware-in-the-loop104 5.2 Kết thực nghiệm 105 5.2.1 Đặc điểm đường chạy thử 105 5.2.2 Phương pháp đánh giá kết ước lượng 105 5.2.3 Thử nghiệm độc lập hệ thống thu thập liệu 107 5.2.4 Thử nghiệm thuật tốn nâng cao tốc độ trích mẫu 109 5.2.5 Ước lượng tham số xe ô tô điện 111 5.2.6 Điều khiển chuyển động xe ô tô điện 115 Kết luận chương 122 Kết luận 123 Danh mục cơng trình cơng bố luận án 125 v Luận án tiến sĩ Kĩ thuật MỤC LỤC Tài liệu tham khảo 127 vi Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Danh sách bảng 2.1 Các thông số sử dụng mơ hình 48 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 Dữ liệu số tin CAN Các thông số MyRIO 1900 Các thông số hệ thống DAS-3 Thông số đường thử nghiệm Chất lượng phương pháp nâng cao tốc độ trích mẫu encoder bánh xe Chất lượng phương pháp ước lượng trực tiếp hệ số trượt Chất lượng phương pháp ước lượng tốc độ dài Chất lượng phương pháp tính tốn hệ số trượt thông qua tốc độ dài vii Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 99 100 102 105 111 112 115 115 Danh sách hình vẽ 1.1 Các lớp tốn điều khiển xe tơ điện 1.2 Xe ô tô người điều khiển điều khiển chuyển động 1.3 Các phương chuyển động xe ô tô 1.4 Mơ hình chuyển động ngang Segel - Mơ hình xe đạp 1.5 Các lực tác dụng lên xe theo phương dọc 1.6 Các trạng thái xe ô tô 1.7 Mối quan hệ hệ số trượt λ hệ số bám µ 1.8 Quan hệ tốc độ bánh xe, tốc độ xe hệ số trượt 1.9 Bộ sản phẩm đo tốc độ Kistler 1.10 Phân loại nghiên cứu điều khiển lực kéo ô tô điện 1.11 Điều khiển lực kéo sở mơ hình mẫu 1.12 Điều khiển lực kéo sở ước lượng điều kiện mặt đường 1.13 Điều khiển lực kéo không dùng thông tin vận tốc 1.14 Điều khiển hệ số trượt khoảng ổn định 1.15 Cấu trúc hệ điều khiển hệ số trượt sở điều khiển trượt 1.16 Các nhiệm vụ luận án 6 12 12 13 14 22 23 23 24 25 26 28 Các hướng chuyển động xe ô tô Mơ hình xe tô bậc tự với lực tác dụng Cấu hình hệ thống Lưu đồ thuật toán thực mơ hình xe tơ Mơ hình Simulink động lực học động học xe ô tô Trường hợp - Tốc độ bình thường Trường hợp - Tốc độ cao Trường hợp - Chuyển hướng lái Phân loại mô Hardware-in-the-loop (a) Signal hardware-in-the-loop (b) Power Reduced-scale hardware-in-the-loop 2.10 Signal Hardware-in-the-loop với hệ điều khiển cho xe ô tô điện 2.11 Cấu hình đề xuất hệ thống mô Signal HIL 2.12 Cấu hình hệ thống truyền động xe ô tô điện 2.13 Mơ hình hệ thống truyền lực xe ô tô điện 2.14 Mơ hình tổng thể hệ thống Signal HIL cho xe ô tô điện 2.15 Ghép nối phần cứng hệ thống 2.16 Kết mô cho thử nghiệm thẳng 2.17 Kết đánh lái 30 31 31 36 37 38 39 40 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 42 43 44 45 46 47 47 50 51 3.1 Mơ hình q trình tổng hợp cảm biến JDL 54 3.2 Sự khác biệt thời gian trích mẫu hệ thống điều khiển 56 viii Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm kết 10 Encoder 1000 xung/vòng Phương pháp đề xuất Encoder 36 xung/vòng Vận tốc bánh xe (m/s) 2 10 12 14 16 18 Thời gian (s) Hình 5.11: Nâng cao tốc độ trích mẫu encoder 36 xung/vịng 10 Đo từ GPS Phương pháp đề xuất Vận tốc xe (m/s) 2 10 12 14 16 18 Thời gian (s) Hình 5.12: Nâng cao tốc độ trích mẫu GPS 10Hz kỳ T (100ms) Như vậy, theo công thức (5.5), vận tốc bánh xe vω = 0.52n(m/s) Có thể thấy, chu kỳ, số xung đếm bị sai số xung tốc độ bánh xe bị sai số 0.52m/s Đó lý khiến dạng đặc tính encoder 36 xung/vịng đơi chỗ bị dạng lược hình 5.11 Trong kết thực nghiệm này, thấy, lọc đa tốc độ Multirate Kalman đề xuất thực tốt chức Điều thể rõ bảng 5.5 với sai số tiêu chuẩn 1.096% Tín hiệu tốc độ bánh xe đo trực tiếp encoder giảm nhiễu rõ rệt làm sai lệch tức thời lớn 0.34m/s Trong kết nâng cao tốc độ GPS, khơng có thiết bị kiểm chứng nên kết tạm thời dừng mức nâng cao tần số làm việc cảm biến Trong đó, với cảm biến đo tốc độ bánh xe, tín hiệu khỏi M-MKF khơng tăng tốc độ trích mẫu mà cịn giảm 110 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm kết Bảng 5.5: Chất lượng phương pháp nâng cao tốc độ trích mẫu encoder bánh xe Tham số đánh giá Giá trị emax 0.34 Đơn vị Ghi Tại thời điểm t=13.5s m/s Giá trị ước lượng = 8.4376m/s Giá trị đo = 8.0976m/s 0.0103 0.1015 1.096 MSE RMSD NRMSD m/s m/s % KF Encoder (rad/s) M-MKF Accelerometer (m/s2) KF Fusion algorithm based on Slip Ratio Observer Slip ratio Hình 5.13: Cấu hình hệ thống ước lượng hệ số trượt không dùng vận tốc nhiễu, cho kết bám sát với tín hiệu chuẩn Trong kết này, luận án đẩy tốc độ trích mẫu encoder GPS từ 10Hz lên 500Hz 5.2.5 Ước lượng tham số xe ô tô điện 5.2.5.1 Ước lượng hệ số trượt không dùng thơng tin vận tốc Cấu hình hệ thống ước lượng trực tiếp hệ số trượt không dùng thông tin vận tốc trình bày hình 5.13 Như cơng thức quan sát hệ số trượt (3.33) trình bày chương 3, quan sát cần có thơng tin gia tốc, tốc độ góc bánh xe gia tốc góc bánh xe Việc xác định gia tốc góc thực cách lấy vi phân theo thời gian vận tốc góc Việc làm phát sinh nhiễu kết vi phân Do đó, q trình thực nghiệm, gia tốc góc lọc nhiễu lọc Kalman trước đưa vào tính tốn quan sát Đối với tín hiệu encoder, lọc M-MKF sử dụng để nâng tốc độ trích mẫu cảm biến từ 10Hz lên 500Hz Dữ liệu từ cảm biến gia tốc lọc lọc Kalman chạy tần số 500Hz Như vậy, hệ số trượt sau ước lượng có tần số 500Hz Tần số lớn nhiều so với tần số yêu cầu xe ô tô (thường yêu cầu từ 100Hz - 200Hz) Để thử nghiệm thuật toán ước lượng hệ số trượt thực nghiệm, mặt đường trơn tạo đường thử cách sử dụng dung dịch có độ nhớt cao đổ lên bề mặt có độ bám thấp Xe tơ thử nghiệm cách tăng tốc mặt phẳng Hình 5.14 kết thuật toán ước lượng trực tiếp hệ số trượt Trong đó, hình 5.14(a) kết thử nghiệm hệ thống Signal HIL hình 5.14(b) kết thử nghiệm xe i-MiEV Trên kết HIL, thời gian trượt thử nghiệm dài (khoảng 5s) nên hệ số trượt lớn lên tới gần 0.5 Ở thí nghiệm xe thực, điều kiện làm 111 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm kết 0.5 Tỉ số trượt đo Tỉ số trượt ước lượng 0.45 0.4 0.35 Tỉ số trượt 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 15 20 25 30 35 40 45 Thời gian (s) (a) Ước lượng hệ số trượt mơ hình Signal HIL 0.4 Tính tốn trực tiếp Phương pháp đề xuất 0.3 Tỉ số trượt 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 0.5 1.5 2.5 Thời gian (s) (b) Ước lượng hệ số trượt thực nghiệm xe i-MiEV Hình 5.14: Kết ước lượng hệ số trượt hệ thống khác Bảng 5.6: Chất lượng phương pháp ước lượng trực tiếp hệ số trượt Tham số đánh giá Giá trị Đơn vị Ghi Tại thời điểm t=1.725s emax 0.0758 Giá trị ước lượng = 0.053 Giá trị đo = -0.0228 MSE RMSD NRMSD 0.001024 0.032 4.9 % 112 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm kết Slip-Ratio Calculation GPS (m/s) Encoders (rad/s) Accelerometer Slip-Ratio M-MKF M-MKF Longitudinal Velocity Optimal Estimation Long Velocity Long Velocity KF E-KF Lat Velocity Coefficients Calculation Accelerator Pedal Brake Pedal Position Position Gyroscope Accelerometer Hình 5.15: Cấu hình hệ thống ước lượng vận tốc dài thí nghiệm khơng cho phép nên qng đường trơn tạo ngắn hơn, thời gian bánh xe bị trượt ngắn nên hệ số trượt lên tới 0.3 Trong kết quả, thấy, thuật tốn ước lượng thực tốt, giá trị ước lượng bám sát với giá trị đo Đánh giá sở thống kê, bảng 5.6 trình bày số thể độ xác phương pháp ước lượng trực tiếp hệ số trượt không dùng thông tin vận tốc Sai số tiêu chuẩn phương pháp lên tới 7.5% lớn Điều dễ hiểu nhiễu xuất nhiều tín hiệu thực lẫn tín hiệu ước lượng, sai số tức thời lớn lên tới 0.0758 Tuy nhiên, thời điểm sai số lớn nằm khoảng thời gian xe ít/khơng bị trượt (tại thời điểm t=1.725s, lúc kết thúc trình trượt) Trong trình xe bị trượt, thuật toán ước lượng cho kết bám sát giá trị thực, điều có ý nghĩa lớn cho trình điều khiển 5.2.5.2 Ước lượng vận tốc dài xe ô tô Cấu hình hệ thống ước lượng tốc độ dài trình bày hình 5.15 Trong đó, KF lọc Kalman, M-MKF lọc Multirate Kalman đề xuất, E-KF lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter) Như trình bày, việc ước lượng tốc độ dài cần thông tin gồm: gia tốc dọc trục ax đo từ cảm biến gia tốc, vận tốc góc bánh xe ωi đo từ encoder gắn sẵn bánh xe, vận tốc dài xe đo từ cảm biến GPS vGPS , vị trí chân ga pa vị trí chân phanh pb thu thập từ mạng CAN tơ Ngồi ra, liệu tốc độ quay quanh tâm xe gz gia tốc ngang ay đề xuất cấu hình, kết hợp với lọc Kalman mở rộng để phục vụ cho ước lượng vận tốc ngang, công việc tương lai luận án Đầu cấu hình vận tốc dài vx , đối tượng ước lượng hệ số trượt λ tính theo cơng thức 2.12 Các liệu có tốc độ cập nhật thấp gồm vận tốc đo từ GPS, tốc độ quay bánh xe nâng tần số trích mẫu M-MKF, gia tốc xe lọc lọc Kalman Các liệu vị trí chân ga, chân phanh kết hợp với gia tốc xe sử dụng để tính tốn hệ số trọng số ki theo phương trình (3.49), (3.50) (3.51) Tồn thông tin đưa vào ước lượng theo quy tắc (3.53), (3.54) (3.55) Kết thực nghiệm trình bày hình 5.16 điều kiện thử nghiệm xấu 113 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm kết 16 Vận tốc bánh xe Vận tốc xe đo với DAS-3 Vận tốc dài tổng hợp 14 Vận tốc (m/s) 12 10 2 10 12 14 16 12 14 16 Thời gian (s) (a) Ước lượng vận tốc dài 0.5 0.4 0.3 Tỉ số trượt 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 Giá trị đo Ước lượng -0.4 -0.5 10 Thời gian (s) (b) Hệ số trượt tính tốn dựa vận tốc ước lượng Hình 5.16: Ước lượng vận tốc dài tính tốn hệ số trượt nhất, bánh xe bị trượt, để thể khả hệ thống ước lượng Trong hình 5.16(a), vận tốc dài ước lượng vận tốc đo từ cảm biến S350 hệ thống DAS-3 so sánh với Tại giây thứ 9.6, xe vào vùng đường trơn có độ bám đường thấp, tốc độ bánh xe mức 8m/s bị tăng đột biến lên tới gần 14m/s Quá trình trượt diễn khoảng 0.5s xe quay trở lại mặt đường tốt làm tốc độ bánh xe giảm lại bình thường Trong tồn q trình di chuyển, ước lượng tốc độ dài xe bám sát giá trị đo, kể trình bánh xe bị trượt 114 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm kết Bảng 5.7: Chất lượng phương pháp ước lượng tốc độ dài Tham số đánh giá Giá trị Đơn vị emax 0.6367 m/s Ghi Tại thời điểm t=12.138s Giá trị ước lượng = 7.4086 m/s Giá trị đo = 6.7719 m/s 0.0182 0.1351 1.479 MSE RMSD NRMSD m/s m/s % Bảng 5.8: Chất lượng phương pháp tính tốn hệ số trượt thơng qua tốc độ dài Tham số đánh giá Giá trị Đơn vị Ghi Tại thời điểm t=4.2s emax 0.2647 Giá trị ước lượng = -0.1237 Giá trị đo = -0.3883 MSE RMSD NRMSD 0.00395 0.0629 3.92 % Trong kết này, đặc tính tốc độ bánh xe sử dụng M-MKF để nâng cao tốc độ trích mẫu Hình 5.16(b) so sánh giá trị hệ số trượt tính từ liệu ước lượng gồm tốc độ bánh xe sau qua M-MKF, tốc độ ước lượng liệu gồm tốc độ bánh xe, tốc độ dài xe đo từ thu thập liệu DAS-3 Kistler Hai dạng tín hiệu hệ số trượt đồng với Điều này, mặt hiển thị, thuật toán nâng cao tốc độ trích mẫu cho cảm biến tốc độ cập nhật chậm thuật toán tổng hợp cảm biến để ước lượng vận tốc dài xác Đánh giá sâu chất lượng ước lượng, bảng 5.7 bảng 5.8 trình bày định lượng tiêu đánh giá Trước hết, thuật toán tổng hợp cảm biến ước lượng tốc độ dài, độ xác kết đạt cao sai số tiêu chuẩn 1.479% Mặc dù sai số tức thời lớn lên tới 0.6367m/s xét tổng thể phương sai 0.1351m/s Điều lý giải tốc độ dài đo từ cảm biến S350 hệ thống DAS-3 gặp nhiễu dày Tuy nhiên, kết ước lượng tốc độ dài thể độ xác cần thiết Kết tính tốn hệ số trượt qua tốc độ dài có sai số tiêu chuẩn lên tới 5.92% nhiễu kết đo DAS-3 Sai số nhỏ sai số ước lượng trực tiếp Và tương tự vậy, thời điểm sai số tức thời lớn nằm gần đầu trình ước lượng (tại thời điểm t=4.2s), bánh xe không bị trượt Khi vào đường trơn, giá trị ước lượng giá trị đo bám sát nhau, thể độ xác biên độ pha tín hiệu 5.2.6 Điều khiển chuyển động xe ô tô điện 5.2.6.1 Điều khiển giới hạn hệ số trượt Quá trình thử nghiệm điều khiển hệ số trượt thực tảng hệ thống Signal Hardware-in-the-loop xây dựng chương Việc điều khiển hạn chế hệ số trượt u cầu phải có thơng tin hệ số trượt thực tế Trong thử nghiệm này, thuật toán ước 115 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm kết 15 Vị trí chân ga (%) 12 0 10 15 20 25 30 35 40 45 30 35 40 45 35 40 45 Thời gian (s) (a) Vị trí chân ga 14 Vận tốc bánh xe Vận tốc xe 12 Vận tốc (m/s) 10 0 10 15 20 25 Thời gian (s) (b) Tốc độ bánh xe tốc độ dài xe 0.35 0.3 Giá trị thực Giá trị ước lượng Tỉ số trượt 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 -0.05 10 15 20 25 30 Thời gian (s) (c) Hệ số trượt đo ước lượng Hình 5.17: Kết không điều khiển hệ số trượt HIL 116 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm kết 18 16 Vị trí chân ga (%) 14 12 10 0 10 20 30 40 50 Thời gian (s) (a) Vị trí chân ga 14 Vận tốc xe Vận tốc bánh xe 12 Vận tốc (m/s) 10 0 10 20 30 40 50 Thời gian (s) (b) Tốc độ bánh xe tốc độ dài xe 0.14 0.12 Tỉ số trượt 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 -0.02 Giá trị đo Giá trị ước lượng 10 20 30 40 50 Thời gian (s) (c) Hệ số trượt đo ước lượng Hình 5.18: Kết điều khiển hệ số trượt HIL với bù kiểu 117 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm kết 18 16 Vị trí chân ga (%) 14 12 10 0 10 15 20 25 30 35 25 30 35 Thời gian (s) (a) Vị trí chân ga Vận tốc xe Vận tốc bánh xe Vận tốc (m/s) 0 10 15 20 Thời gian (s) (b) Tốc độ bánh xe tốc độ dài xe Giá trị đo Giá trị ước lượng 0.45 0.4 Tỉ số trượt 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 -0.05 10 15 20 25 30 35 Thời gian (s) (c) Hệ số trượt đo ước lượng Hình 5.19: Kết điều khiển hệ số trượt HIL với bù kiểu 118 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm kết lượng trực tiếp hệ số trượt không dùng vận tốc sử dụng để làm tín hiệu phản hồi cho điều khiển Để đánh giá chất lượng điều khiển, kịch thử nghiệm diễn sau Ban đầu, người lái nhấn chân ga, xe ô tô tăng tốc lên tốc độ định Trong trình tăng tốc này, chất lượng mặt đường thay đổi Việc thay đổi độ bám đường đảm nhiệm tín hiệu đặt từ người vận hành Nếu khơng có điều khiển, tốc độ bánh xe tăng đột biến làm hệ số trượt tăng theo Khi có can thiệp điều khiển, tốc độ bánh xe giữ ổn định Trong thí nghiệm này, giá trị hạn chế hệ số trượt λ giữ mức 0.1 Đồng thời, điều khiển bù kiểu kiểu thử nghiệm để đánh giá Các hình 5.17, 5.18 5.19, cách tương ứng, kết thử nghiệm khơng có điều khiển, có điều khiển với bù kiểu điều khiển với bù kiểu Các kết thể đặc tính: vị trí chân ga (hình 5.17(a), 5.18(a) 5.19(a)), so sánh tốc độ tốc độ bánh xe tốc độ dài xe (hình 5.17(b), 5.18(b), 5.18(b)) so sánh giá trị hệ số trượt đo hệ số trượt ước lượng (hình 5.17(c), 5.18(c), 5.19(c)) Tín hiệu vị trí chân ga thể kết nhằm mục đích chứng minh q trình điều khiển giới hạn tỉ sơ trượt không bị can thiệp bới người lái Điều thể rõ hình ảnh tốc độ bánh xe Trong q trình bị trượt bánh, vị trí chân ga người lái không bị thay đổi nhiều Trong kết thử nghiệm với bù kiểu 1, giống mô chương 4, hệ số trượt điều khiển xác mức hạn chế 0.1 Đặc tính tốc độ bánh xe tốc độ dài xe song song với Hết trình xe vào đường trơn (trong thời gian khoảng 7s), tốc dộ bánh xe tốc độ xe lại bám hệ số trượt trở nên nhỏ Lúc này, bù không hoạt động Đối với bù kiểu 2, đặc tính có đôi chút khác biệt so với kết thử nghiệm mô Tuy nhiên, giống mô phỏng, chất lượng bù kiểu đạt bù kiểu khả thi mặt thiết kế thực tế Khi xe vào đoạn đường trơn (bắt đầu từ giây thứ 21), tốc độ bánh xe có tăng lên lượng nhỏ hệ số trượt tăng theo Lúc điều khiển tham gia vào trình điều khiển để giữ cho tốc độ bánh xe không tăng lên khiến cho hệ số trượt giữ giá trị 0.1 Do quãng đường trơn dài (xe khoảng 10s) nên tới giây thứ 25, vận tốc bánh xe tăng nhẹ làm hệ số trượt tăng lên tới giá trị lớn khoảng 0.12 Sau đó, điều khiển dạng khâu rơ le, tốc độ bánh xe có xu hướng giảm Chính điều tạo dao động tốc độ bánh xe thể rõ mơ Sự dao động xuất thử nghiệm HIL thời gian xe đường trơn lâu Trong toàn kết thử nghiệm, ước lượng hoạt động tốt Kết ước lượng bám sát với kết đo Điều lần khẳng định khả quan sát hệ số trượt thiết kế 5.2.6.2 Điều khiển giới hạn mô men truyền cực đại Việc thử nghiệm kiểm chứng thuật tốn điều khiển giới hạn mơ men truyền cực đại thực cách so sánh kết chạy thử phương pháp MTTE nguyên với phương pháp đề xuất Giống mô phỏng, hệ số chỉnh định thử nghiệm đặt κ = 2.78, κ = 20 κ = 50 Việc thử nghiệm tiến hành độc lập cho phương pháp giá trị khác hệ số chỉnh định Quy trình thử nghiệm tiến hành sau Ban đầu, xe tăng tốc lên tới 15m/s với vị trí chân ga người lái điều khiển Tiếp đó, 119 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm kết Vận tốc (m/s) 20 Vận tốc bánh xe Vận tốc xe 10 10 12 14 16 18 20 22 16 18 20 22 Tỉ số trượt Thời gian (s) Giá trị ước lượng Giá trị đo 0.2 0.1 10 12 14 Thời gian (s) Hình 5.20: Kết phương pháp MTTE nguyên Vận tốc (m/s) 20 Vận tốc bánh xe Vận tốc xe 10 10 12 14 16 18 20 14 16 18 20 Tỉ số trượt Thời gian (s) Giá trị ước lượng Giá trị đo 0.2 0.1 10 12 Thời gian (s) Hình 5.21: Thử nghiệm với hệ số κ=2.78 mặt đường thay đổi sang hệ số bám thấp vịng khoảng giây Sau đó, xe quay trở lại mặt đường tốt Các kết trình bày nhóm đặc tính tốc độ bánh xe - tốc độ xe hệ số trượt đo - hệ số trượt tính tốn Từ hình 5.20 tới hình 5.23 trình bày kết thử nghiệm kiểm chứng so sánh phương pháp điều khiển Trước hết, quan sát đặc tính vận tốc trường hợp thử nghiệm Thời gian tăng tốc từ 0m/s tới 15m/s phương pháp MTTE gốc phương pháp đề xuất với κ = 2.78, 120 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm kết Vận tốc (m/s) 20 Vận tốc bánh xe Vận tốc xe 10 10 12 14 16 18 20 22 16 18 20 22 Thời gian (s) Tỉ số trượt 0.15 Giá trị ước lượng Giá trị đo 0.1 0.05 10 12 14 Thời gian (s) Hình 5.22: Thử nghiệm với hệ số κ=20 Vận tốc (m/s) 20 Vận tốc bánh xe Vận tốc xe 10 10 15 20 25 30 25 30 Thời gian (s) Tỉ số trượt 0.07 0.06 Giá trị ước lượng Giá trị đo 0.05 0.04 0.03 10 15 20 Thời gian (s) Hình 5.23: Thử nghiệm với hệ số κ=50 κ = 20 khoảng 16 giây Sự khác biệt kinh nghiệm người lái xe thử nghiệm (bởi hệ thống HIL luận án hệ thống lái người làm thí nghiệm) Trong đó, phải tới 27 giây để điều khiển với κ = 50 tăng tốc cho xe tới tốc độ thí nghiệm Điều với hệ số chỉnh định lớn thành phần bù Kc λˆ có giá trị lớn giới hạn mô men cho động giảm khiến xe không huy động mô men để tăng tốc nhanh Ngược lại, hệ số trượt trình xe di chuyển đường trơn ứng với κ = 50 bé nhất, khoảng 0.06 121 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm kết Trong đặc tính thí nghiệm hệ số trượt, thấy điều khiển kiểm soát giá trị hệ số trượt mức an toàn Tuy nhiên, điều khiển MTTE gốc cho kết cao, 0.2, đáng ý chiều hướng đặc tính tiếp tục tăng Trong đó, điều khiển đề xuất với hệ số chỉnh định κ dù khác giám sát hệ số trượt không cho phép hệ số trượt vượt khỏi giới hạn an tồn Cũng giống mơ phỏng, điều khiển đề xuất với hệ số κ = 20 có đem lại hiệu tốt phương diện tốc độ tăng tốc giám sát hệ số trượt xe ô tô điện Kết luận chương Hệ thống thực nghiệm phục vụ cho việc kiểm chứng kết nghiên cứu ước lượng tham số trình bày nội dung chương Hệ thống bao gồm hai thành phần Thứ mạch thu thập liệu với chức mạch chỉnh định tín hiệu giao tiếp truyền thơng Mạch giao tiếp thu thập thông tin từ cảm biến IMU, giải mã tin mạng CAN xe ô tô Thành phần thứ hệ thống module điều khiển MyRIO-1900 National Instruments với chức triển khai thuật tốn ước lượng, gửi thơng tin, lưu trữ quản lý kết máy tính Hệ thống tham chiếu sử dụng luận án hệ thống thu thập liệu DAS-3 Kistler sản xuất Hệ thống sử dụng cảm biến quang S350 encoder độ phân giải cao để ước lượng thơng tin động học xe tơ Quy trình vị trí lắp đặt hệ thống thực nghiệm hệ thống tham chiếu trình bày, cho thấy hợp lý việc sử dụng hệ thống để kiểm chứng thuật toán nghiên cứu Đồng thời, chương trình bày tồn kết thực nghiệm mô thời gian thực để kiểm chứng thuật toán ước lượng thuật toán điều khiển Trong đó, thuật tốn nâng cao tốc độ trích mẫu, ước lượng trực tiếp hệ số trượt ước lượng vận tốc dài cho kết xác so sánh với giá trị đo tính tốn hệ thống tham chiếu DAS-3 Kistler Về điều khiển chuyển động, thử nghiệm mô hệ thống Signal HIL cho đáp ứng tốt có tương đồng định so sánh với kết mô phần mềm Matlab/Simulink Các kết chứng minh độ xác khả đáp ứng tốt nghiên cứu ước lượng điều khiển luận án 122 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Kết luận Những đóng góp luận án Ơ tơ điện đối tượng tích hợp nhiều kết nghiên cứu nhiều ngành, nhiều lĩnh vực Do liên quan tới độ an toàn người nên yêu cầu đặt cho nghiên cứu xe ô tô điện trước hết phải ổn định tin cậy Trên sở này, kết nghiên cứu luận án bám sát với tư tưởng chủ đạo, "đơn giản hiệu quả" Với mục tiêu thiết kế ước lượng quan sát hệ số trượt tốc độ dài, từ đó, ứng dụng cho điều khiển chuyển động xe tơ điện, luận án có số đóng góp bật sau: • Đề xuất thuật tốn nâng cao tốc độ trích mẫu cảm biến có tốc độ trích mẫu chậm dựa tảng Multirate Kalman Filter Thuật toán đề xuất có ưu việt thời gian tính tốn, đơn giản thiết kế không bị ảnh hưởng biến thiên tham số động lực học đối tượng • Đề xuất xây dựng quan sát hệ số trượt không sử dụng thông tin vận tốc, tảng phương pháp tổng hợp cảm biến Thuật toán đề xuất thực đơn giản so sánh với số phương pháp công bố • Đề xuất xây dựng thuật toán phối hợp liệu cảm biến để ước lượng xác vận tốc dài xe tơ điện, từ sở để tính xác hệ số trượt • Đề xuất thuật toán điều khiển hệ số trượt vùng ổn định đặc tính µ − λ Thuật toán đơn giản khả thi việc triển khai thời gian thực • Cải tiến thuật tốn điều khiển lực kéo sở ước lượng mô men truyền cực điều khiển chống trượt xe ô tô Bộ điều khiển cho thấy vượt trội so với phương pháp gốc thể hệ số trượt giữ ổn định vùng an toàn yêu cầu công suất động thấp tốc độ xe quãng đường trơn Ngoài ra, luận án xây dựng tảng phần cứng phần mềm, phục vụ nghiên cứu rộng tương lai Cụ thể hệ thống gồm: • Xây dựng mơ hình mơ chung cho xe tơ điện với hiệu tính toán cao, đơn giản, ứng dụng cho xe truyền động bánh • Thiết kế xây dựng hệ thống mô Hardware-in-the-loop cho xe ô tô điện tảng card điều khiển dSPACE DS1103, tảng cho nhiều nghiên cứu tương lai Với hệ thống HIL này, nghiên cứu trở nên an toàn hơn, tiết kiệm giả lập tình đặc tính mơi trường theo ý muốn mà thực tế khó làm Hệ thống sử dụng cho nhiều mục đích nghiên cứu ước lượng trạng thái, điều khiển chuyển động xa điều khiển tự lái xe ô tô điện 123 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Kết luận Những hạn chế luận án Mặc dù kết trình bày tồn luận án chứng minh khả tính đắn lý thuyết thực nghiệm nghiên cứu tồn giới hạn, cần thêm thời gian để bổ sung nghiên cứu gồm: • Mơ hình mơ mơ hình HIL chưa mơ tả q trình trao đổi lượng bên xe ô tô nên chưa ứng dụng cho nghiên cứu quản lý nguồn lượng Mặc dù lĩnh vực nghiên cứu không nằm mục tiêu luận án quản lý lượng vấn đề thời thu hút nhiều quan tâm cá nhân, tổ chức nghiên cứu giới • Bộ quan sát trực tiếp hệ số trượt λ không dùng thông tin vận tốc thiết kế để hoạt động vùng tăng tốc tức ωRe f f > vx nên quan sát ứng dụng cho hệ thống điều khiển lực kéo (Traction Control System TCS) Trong toán điều khiển phanh ωRe f f < vx , phương pháp không phù hợp • Kết ước lượng tốc độ dài bị ảnh hưởng nhiễu tác động lên giá trị đo từ cảm biến Mặc dù tác giả sử dụng phương pháp lọc tín hiệu tương tự sử dụng lọc số tiên tiến trình xử lý kết chưa triệt tiêu hoàn toàn ảnh hưởng liệu không mong muốn Điều gây ảnh hưởng tới giá trị tính tốn hệ số trượt • Về vấn đề điều khiển hệ số trượt, giá trị giới hạn λ đặt sở phân tích mơ hình đặc tính lốp xe chưa phải giá trị tối ưu Thêm vào đó, thuật tốn điều khiển giới hạn λ giá trị ngưỡng an tồn mà chưa thể điều khiển xác hệ số trượt giá trị cố định Các nghiên cứu tương lai Ngoài giới hạn luận án nêu cần đầu tư hoàn thiện, số định hướng sau cân nhắc nghiên cứu tương lai • Hồn thành nốt phần ước lượng vận tốc ngang vy hệ thống nghiên cứu với ước lượng vận tốc dài phương pháp tổng hợp liệu đa cảm biến với cơng cụ lọc Kalman mở rộng • Trên sở giới hạn hệ số trượt vùng an toàn, ba hướng nghiên cứu sau mở ra: Xác định ước lượng thời gian thực hệ số trượt tối ưu điều kiện mặt đường điều kiện vận hành cụ thể Điều khiển hệ số trượt giá trị xác, thường giá trị tối ưu ước lượng Điều khiển tối đa lực chủ động sở giá trị hệ số trượt tối ưu Nếu điều khiển tối đa lực chủ động, công suất động phát huy mở mức tối ưu • Xây dựng thuật tốn ước lượng thêm trạng thái khác tơ điện góc trượt thân xe β , góc lăn xe φ thiết kế điều khiển để ổn định xe ô tô điện bậc tự 124 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật