nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo và hệ thống cân bằng điện tử cho xe ô tô

Luận văn được thực hiện nhằm phân tích, nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo TCS và hệ thống cân bằng điện tử ESP cho xe ô tô con bốn bánh bốn chỗ loại dẫn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

CỔ TẤN ANH QUÂN

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG KIỂM SOÁT LỰC KÉO VÀ HỆ THỐNG

CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ CHO XE Ô TÔ

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 8520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Phạm Công Bằng

3 PGS TS Đỗ Xuân Phú - Ủy viên (Phản biện 1) 4 TS Lê Ngọc Bích - Ủy viên (Phản biện 2) 5 TS Phùng Thanh Huy - Ủy viên

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 02/04/1997 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 8520114

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo và hệ thống cân bằng điện tử cho xe ô tô (Research and design controller for Traction Control System and Electronic Stability Program for automobile) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các hệ thống an toàn

2 Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo TCS 3 Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng điện tử ESP

4 So sánh và nhận xét các kết quả mô phỏng của các hệ thống an toàn đã thiết kế

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/09/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Phạm Công Bằng

Để hoàn thành đề tài Luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ từ nhiều tập thể và các cá nhân Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn đến tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ trân quý đó

Trước hết, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc tới Giảng viên hướng dẫn – Thầy TS Phạm Công Bằng, người đã đưa ra những gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả.Thầy đã truyền đạt kiến thức cũng như kinh nghiệm và luôn hỗ trợ tôi trong quá trình hoàn thiện Luận văn

Tiếp theo, Luận văn này cũng sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ tận tình của Khoa Cơ khí và toàn thể các quý Thầy Cô trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã giảng dạy và tạo mọi điều kiện để tôi tiếp cận với nhiều nguồn kiến thức quý giá, cũng là những điều không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau này

Bên cạnh đó, dù Luận văn thạc sĩ đã được hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, vẫn không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự chỉ dẫn thêm của quý Thầy Cô để có thể bổ sung nhiều kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn Vì thế, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các quý Thầy Cô thuộc hội đồng phản biện đã dành thời gian quý báu để xem xét và đánh giá cho Luận văn của mình Đây sẽ là những lời khuyên hữu ích cho tôi trong chặng đường tương lai

Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình đã luôn yêu thương và ủng hộ tôi trong

suốt thời gian học tập tại trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

Tp HCM, ngày 30 tháng 04 năm 2023 Học viên

Cổ Tấn Anh Quân

Luận văn được thực hiện nhằm phân tích, nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo TCS và hệ thống cân bằng điện tử ESP cho xe ô tô con bốn bánh bốn chỗ loại dẫn động một trục – cầu sau Một số thông số của phần mềm điều khiển được tham khảo từ mẫu xe BYD Seal Các phần mềm điều khiển sẽ được mô phỏng bằng Sil – Software in the loop dưới sự điều khiển chính và tự động của phần mềm STEPS Nhiều bộ kiểm tra khác nhau được thiết kế để thực hiện mô phỏng các điều kiện vận hành khác nhau của xe nhằm kích hoạt những tính năng cần được khảo sát và nghiên cứu Từ kết quả đó, tác giả sẽ đề xuất những sự cải tiến về thiết kế cho các phần mềm điều khiển, đồng thời phát triển, mô phỏng, kiểm định và phân tích tính hiệu quả và sự ổn định của các phần mềm đã được cập nhật thông qua Sil và các bộ kiểm tra đã được thiết kế Trong quá trình phân tích và nghiên cứu các bộ điều khiển gốc của các hệ thống an toàn đang được sử dụng trên xe ô tô, tác giả nhận thấy những mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của các hệ thống này là tuyến tính và tùy thuộc vào trạng thái hiện tại của xe mà các thông số điều khiển sẽ được thiết lập và cài đặt các giá trị mặc định, phân tầng thành nhiều chế độ điều khiển với những ngưỡng chặn trên và chặn dưới khác nhau Trên cơ sở đó, với mục tiêu và nhiệm vụ cải thiện hiệu suất của các bộ điều khiển và làm giảm bớt thời gian hoạt động của các hệ thống an toàn này một lượng ít nhất 5%, tác giả tiến hành khảo sát, thiết kế, kiểm định và đề xuất bổ sung bộ khuếch đại phi tuyến với nhiều phương trình gia lượng khác nhau cho từng hệ thống an toàn Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất của các bộ điều khiển đã được cải thiện đáng kể thông qua việc rút ngắn được tổng thời gian hoạt động của chúng với tỷ lệ trung bình là 35.72% cho hệ thống kiểm soát lực kéo TCS và 10.47% cho hệ thống cân bằng điện tử ESP Những kết quả nghiên cứu đạt được trong Luận văn hy vọng sẽ trở thành những đề xuất mới nhằm cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống phanh trên xe ô tô, đóng góp một phần nhỏ để nâng cao tính năng an toàn của ô tô nói riêng và phương tiện giao thông nói chung nhằm xây dựng và bảo vệ con người và xã hội

The thesis is conducted to analyze, research, and design a control system for the Traction Control System (TCS) and Electronic Stability Program (ESP) of a four-wheel-drive, four-seater passenger car with single-axis rear-wheel drive Some control software parameters are referenced from the BYD Seal car model The control software will be simulated using Software-in-the-Loop (SIL) under the primary and automatic control of the STEPS software Various test sets are designed to simulate different operating conditions of the vehicle, activating features that need to be investigated and researched Based on the results, the author will propose design improvements for the control software, concurrently developing, simulating, verifying, and analyzing the effectiveness and stability of the updated software through SIL and the designed test sets During the analysis and study of the original controllers of the safety systems used in automobiles, the author observes that the relationships between the inputs and outputs of these systems are linear Depending on the current state of the vehicle, control parameters are set and default values are configured, stratified into multiple control modes with different upper and lower limits Building on this, with the objective and mission of improving the performance of the controllers and reducing the operating time of these safety systems by at least 5%, the author conducts a survey, designs, verifies, and proposes the addition of nonlinear amplifiers with various algebraic equations for each safety system Simulation results show a significant improvement in the performance of the controllers, with an average reduction in their total operating time by 35.72% for the TCS and 10.47% for the ESP The research results achieved in the thesis hope to provide new proposals for enhancing the performance and stability of the braking system in automobiles, contributing to improving the safety features of vehicles in particular and the traffic system in general to build and protect individuals and society

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS Phạm Công Bằng

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

TP.HCM, ngày 30 tháng 04 năm 2023 Học viên

Cổ Tấn Anh Quân

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ xii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xv

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.1.1 Các hệ thống an toàn trên xe ô tô 1

1.1.2 Lịch sử phát triển của một số hệ thống an toàn trên xe ô tô 3

1.1.3 Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS 7

1.1.4 Hệ thống cân bằng điện tử ESP 8

1.2 Tình hình nghiên cứu 10

1.2.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước 10

1.2.2 Các công trình nghiên cứu trong nước 11

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi Luận văn 11

1.3.1 Mục tiêu Luận văn 11

1.3.2 Nhiệm vụ Luận văn 11

1.3.3 Phạm vi Luận văn 12

1.4 Cấu trúc Luận văn 12

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC HỆ THỐNG AN TOÀN 14

2.1 Tổng quan về các thành phần phần cứng trong các hệ thống an toàn 15

2.2 Các thành phần phần cứng có liên quan và chi phối lên hệ thống kiểm soát lực kéo TCS và hệ thống cân bằng điện tử ESP 15

2.2.3 Hệ thống phanh (Brake System) 16

2.2.4 Mô-đun điều khiển động cơ ECM (Engine Control Module) 18

2.2.5 Hệ thống điều khiển bướm ga (Throttle Control) 20

2.2.6 Bộ điều khiển thủy lực HCU (Hydraulic Control Unit) 21

2.2.7 Bộ vi sai (Differential Component) 22

2.2.8 Cảm biến góc lái (Steering Angle Sensor) 23

2.2.9 Cảm biến tốc độ quay (Yaw Rate Sensor) 24

2.2.10 Cảm biến gia tốc (Acceleration Sensors) 24

2.3 Phân tích động học của xe 25

2.3.1 Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS 25

2.3.2 Hệ thống cân bằng điện tử ESP 28

2.4 Kết luận 31

Chương 3 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG KIỂM SOÁT LỰC KÉO TCS 34

3.1 Phân tích sơ lược bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo TCS 34

3.2 Phân tích bộ điều khiển lực phanh BTC 36

3.2.1 Nền tảng thuật toán PID cổ điển 36

3.2.2 Tính phân tầng theo các chế độ làm việc khác nhau 39

3.2.3 Bộ khuếch đại cùng các giá trị chặn trên và chặn dưới 42

3.3 Thiết kế bộ điều khiển lực phanh BTC 49

3.4 So sánh và nhận xét các kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển BTC 61

3.5 Kết luận 64

Chương 4 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ ESP 65

4.1 Phân tích sơ lược bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng điện tử ESP 65

4.2 Phân tích bộ điều khiển động lực học VDC 67

4.2.1 Lý thuyết tốc độ quay Ackermann 68

4.2.4 Sự thay đổi tùy theo tình huống của tốc độ bơm dầu phanh 72

4.2.5 Các tín hiệu liên quan và thuật toán tính mômen quay mục tiêu 74

4.3 Thiết kế bộ điều khiển động lực học VDC 80

4.4 So sánh và nhận xét các kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển VDC 87

Hình 1.1 Ùn tắc giao thông đầu những năm 1970 ở các thành phố của Hoa Kỳ 1

Hình 1.2 Một số hệ thống an toàn trên xe ô tô 3

Hình 1.3 Hệ thống chống bó cứng phanh ABS 4

Hình 1.4 Bộ điều khiển túi khí ACU 5

Hình 1.5 Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS 6

Hình 1.6 Hệ thống cân bằng điện tử ESP 7

Hình 1.7 Hệ thống kiểm soát lực kéo 7

Hình 1.8 Hệ thống cân bằng điện tử 8

Hình 1.9 Thị trường xe du lịch tại châu Âu (Europe) 9

Hình 2.1 Các thành phần phần cứng của các hệ thống an toàn trên xe ô tô 14

Hình 2.2 Cảm biến tốc độ bánh xe 16

Hình 2.3 Bộ điều khiển điện tử ECU 16

Hình 2.4 Hệ thống phanh tích hợp cho xe ô tô tự động gồm iBooster và ESP hev 16

Hình 2.5 Hệ thống trợ lực phanh thông minh iBooster 17

Hình 2.6 Hệ thống phanh tái tạo ESP hev 17

Hình 2.7 Động cơ và mô-đun điều khiển động cơ 18

Hình 2.8 Các cảm biến cung cấp đầu vào cho ECM 19

Hình 2.9 Hệ thống điều khiển bướm ga 21

Hình 2.10 Bộ điều khiển thủy lực HCU 21

Hình 2.11 Bộ vi sai 22

Hình 2.12 Cảm biến góc lái 23

Hình 2.13 Cảm biến tốc độ quay 24

Hình 2.14 Cảm biến gia tốc 25

Hình 2.17 Xe di chuyển trên mặt đường có hệ số ma sát khác nhau 27

Hình 2.18 Biểu đồ mối quan hệ của tốc độ các bánh xe và mômen phanh 28

Hình 2.19 Hiện tượng thiếu lái khi vào cua ở xe ô tô 29

Hình 2.20 Phân tích hiện tượng thiếu lái khi vào cua ở xe ô tô 29

Hình 2.21 Phương pháp khắc phục hiện tượng thiếu lái khi vào cua ở xe ô tô 30

Hình 2.22 Hiện tượng thừa lái khi vào cua ở xe ô tô 30

Hình 2.23 Phương pháp khắc phục hiện tượng thừa lái khi vào cua ở xe ô tô 31

Hình 2.24 Hệ thống cân bằng điện tử giúp xe vận hành an toàn hơn khi vào cua 32

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống kiểm soát lực kéo TCS 34

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc phân rã của hệ thống kiểm soát lực kéo TCS 35

Hình 3.3 Sơ đồ khối tổng quát của bộ điều khiển PID 37

Hình 3.4 Sơ đồ giao tiếp và xử lý các tín hiệu của bộ điều khiển lực phanh BTC 37

Hình 3.5 Các trạng thái khác nhau quy định cho độ lớn của chỉ số I của BTC 39

Hình 3.6 Sơ đồ giao tiếp và xử lý các tín hiệu trong khối PIDF_Gains 42

Hình 3.7 Sơ đồ thuật toán của bộ điều khiển PIDFCtrl 47

Hình 3.8 Tạo các bộ kiểm tra bằng phần mềm Test IDE 50

Hình 3.9 Phần mềm STEPS và các phần mềm khác trong Sil 50

Hình 3.10 Mối liên hệ đầu vào và đầu ra giữa hai bộ điều khiển BTC và MTC 54

Hình 3.11 Phương trình tăng độ nhạy của chỉ số PID_P với sai số vận tốc e_Whl 55

Hình 3.12 Phương trình gia tăng mômen phanh mục tiêu đầu ra MbTar_PID dựa trên sai số vận tốc e_Whl 56

Hình 3.14 Sơ đồ thuật toán được cập nhật của bộ điều khiển PIDFCtrl 60

Hình 3.15 So sánh thời lượng BTC_Active hoạt động qua các bộ kiểm tra 62

Hình 4.1 Tổng quan về hệ thống cân bằng điện tử ESP 65

Hình 4.2 Hiện tượng thừa lái – Oversteer và thiếu lái – Understeer 65

Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc phân rã của hệ thống điều khiển động lực học VDC 66

Hình 4.4 Cách tính lực pháp tuyến với các bánh xe 69

Hình 4.5 Các tình huống chính và chỉ số mức độ khẩn cấp CoUrgency 73

Hình 4.6 Sơ đồ giao tiếp và xử lý các tín hiệu của hai bộ điều khiển hiện tượng thừa lái (OversteeringControl) và bộ điều khiển hiện tượng thiếu lái (UndersteeingControl) thuộc bộ điều khiển động học VDC 77

Hình 4.7 Sơ đồ thuật toán của bộ điều khiển dMzControl 80

Hình 4.8 Phương trình khuếch đại mômen xoắn yêu cầu dMz 83

Hình 4.9 Sơ đồ thuật toán được cập nhật của bộ điều khiển dMzControl 86

Hình 4.10 So sánh thời lượng B_VDCActive hoạt động qua các bộ kiểm tra 88

Bảng 3.1 Nội dung của các bộ kiểm tra được thiết kế cho TCS 51

Bảng 3.2 Các tín hiệu có liên quan đến bộ điều khiển trợ lực phanh BTC 52

Bảng 4.1 Nội dung các bộ kiểm tra được thiết kế cho VDC 80

Bảng 4.2 Các tín hiệu có liên quan đến bộ điều khiển động lực học VDC 81

Biểu đồ 3.1 Tổng kết và so sánh các kết quả đo về thời lượng hoạt động của BTC 63 Biểu đồ 4.1 Tổng kết và so sánh các kết quả đo về thời lượng hoạt động của VDC 88

Chữ viết tắt

ABS Anti-Lock Braking System (Hệ thống chống bó cứng phanh)

ACC Adaptive Cruise Control (Hệ thống kiểm soát hành trình thích ứng) AEB Autonomous Emergency Braking (Hệ thống phanh tự động khẩn cấp) AFS Adaptive Front Lighting (Hệ thống chiếu sáng phía trước thích ứng) BA Braking Assist (Hệ thống hỗ trợ lực phanh khẩn cấp)

BSC Brake Slip Controller (Bộ điều khiển trượt phanh)

BSM Blind Spot Monitoring (Hệ thống giám sát và cảnh báo điểm mù) BTC Brake Torque Control (Bộ điều khiển trợ lực phanh)

DHAC Down Hill Assist Control (Hệ thống hỗ trợ xuống dốc hay đổ đèo) DWT-B Dynamic Wheel Torque control by Brake (Mômen động học bánh xe

điều khiển bằng phanh)

EBD Electronic Brakeforce Distribution (Hệ thống phân phối lực phanh điện tử) ECU Electrical Control Unit (Bộ điều khiển điện tử của xe ô tô)

ESC Electronic Stability Control (Bộ điều khiển cân bằng điện tử) ESP Electronic Stability Program (Hệ thống cân bằng điện tử) FCW Forward Collision Warning (Hệ thống cảnh báo tiền va chạm) FL Front Left (Bánh xe phía trước bên trái)

FR Front Right (Bánh xe phía trước bên phải)

HAC Hill-Start Assist Control (Hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc) HDC Hill Descent Control (Hệ thống hỗ trợ xuống dốc hay đổ đèo)

LDWS Lane Departure Warning System (Hệ thống cảnh báo chệch làn đường) MTC Motor Torque Control (Bộ điều khiển mômen động cơ)

NVH Noise, Vibration and Harshness (Tiếng ồn, độ rung và độ khắc nghiệt) OSW Original Software (Phần mềm gốc)

PAS Parking Assitance System (Hệ thống hỗ trợ đỗ xe)

PPS Pedestrian Protection System (Hệ thống bảo vệ người đi bộ) USW Updated Software (Phần mềm đã được cập nhật)

SRS Supplemental Restraint System (Hệ thống túi khí) STM State Management (Quản lý trạng thái)

TC Test case (Bộ kiểm tra)

TCS Traction Control System (Hệ thống kiểm soát lực kéo) VDC Vehicle Dynamics Controller (Bộ điều khiển động lực học) VSE Vehicle State Estimation (Ước tính trạng thái xe)

WHO World Health Organization (Tổ chức Y tế Thế giới) YRC Yaw Rate Controller (Bộ điều khiển tốc độ quay)

Ký hiệu

𝑎𝐷𝑒𝑠 Gia tốc mong muốn khi lên đồi

𝑎𝑥 Gia tốc dài theo phương x 𝑎𝑦 Gia tốc ngang theo phương y

𝐴𝑏𝑟𝑜𝑙𝑙𝑢𝑚𝑋𝐴 Quãng đường đi được cho mỗi vòng quay ở các trục 𝑐𝐹 Độ cứng của lốp trước

𝑐𝑅 Độ cứng của lốp sau

𝐶𝑜𝑋𝐴 Hệ số phân bố mômen xoắn tại các trục

𝐶𝑝𝑋𝐴 Mômen xoắn khớp nối tại các trục 𝛿𝐿 Góc đánh lái

𝐹𝐵𝑟 Lực phanh

𝐹ℎ Lực truyền động của bánh xe trên phần đường có hệ số ma sát cao 𝐹𝑙 Lực truyền động của bánh xe trên phần đường có hệ số ma sát thấp 𝐹𝑛_𝑋𝐴 Lực pháp tuyến tại từng trục bánh xe

𝐹𝑛_𝑋𝑋 Lực pháp tuyến tại mỗi bánh xe 𝐹𝑥_𝑋𝑋 Lực tiếp tuyến tại mỗi bánh xe 𝐹𝑦_𝐹𝐴 Lực ngang tại trục trước 𝐹𝑦_𝑅𝐴 Lực ngang tại trục sau

𝑙𝑥_𝑅𝐴 Khoảng cách từ trọng tâm tới trục sau

𝑀𝐵𝑟,ℎ Mômen phanh đặt lên bánh xe trên phần đường có hệ số ma sát cao

𝑀𝐵𝑟,𝑅 Mômen phanh đặt lên bánh xe bên phải

𝑀𝐾𝑎𝑟 Mômen xoắn của trục truyền động

𝑀𝐿 Mômen được được phân bổ cho bánh xe bên trái 𝑀𝑅 Mômen được được phân bổ cho bánh xe bên phải

𝑅𝑟𝑜𝑎𝑑 Bán kính đường cua của mặt đường 𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒 Độ đốc lên đồi

𝑣𝑐ℎ Vận tốc đặc trưng 𝑣𝐹𝑧 Vận tốc dài của xe

𝑣𝐾𝑎𝑟 Vận tốc quay của trục truyền động 𝑣𝐿 Vận tốc quay của bánh xe bên trái 𝑣𝑅 Vận tốc quay của bánh xe bên phải

𝑤 Khoảng cách giữa hai bánh xe đồng trục 𝜇 Hệ số ma sát

𝜇ℎ Hệ số ma sát ở phần đường có độ ma sát cao 𝜇𝑙 Hệ số ma sát ở phần đường có độ ma sát thấp 𝜇𝑙𝑎𝑡 Hệ số ma sát ngang

𝜇𝑙𝑜𝑛𝑔 Hệ số ma sát dọc Ψ̈ Gia tốc góc

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu

1.1.1 Các hệ thống an toàn trên xe ô tô

Sự gia tăng thu nhập và mức sống ở khu vực thành thị kéo theo xu hướng gia tăng về nhu cầu sở hữu ô tô [1] Điều này làm thay đổi sâu sắc điều kiện lưu thông và tình trạng giao thông trong các thành phố trên thế giới (hình 1.1) Theo Tổ chức Y tế Thế giới WHO, có khoảng 1,35 triệu người chết và 20-50 triệu người bị thương do tai nạn xe hơi trên toàn cầu mỗi năm [2], trong số đó, một lượng lớn tai nạn giao thông đường bộ có nguyên nhân đến từ lỗi của con người [3] Vì thế, việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống, thiết bị và quy định về ô tô nhằm giảm thiểu sự xuất hiện và hậu quả của việc va chạm giao thông liên quan đến xe cơ giới đã trở thành một yêu cầu bức thiết của cuộc sống hiện đại

Hình 1.1 Ùn tắc giao thông đầu những năm 1970 ở các thành phố của Hoa Kỳ [4] Trong thế giới an toàn xe, "chủ động" và "bị động" là hai thuật ngữ phổ biến nhất và quan trọng nhất trong việc phân loại các hệ thống an toàn trên xe ô tô Các hệ thống an toàn chủ động như phanh, radar, … được sử dụng như là những công nghệ hỗ trợ tài xế ngăn ngừa các trường hợp nguy hiểm có thể dẫn đến tai nạn trước khi nó thật sự xảy ra Trong khi đó, các hệ thống an toàn bị động như túi khí, dây an toàn và cấu trúc vật lý của xe thì được dùng để bảo vệ người điều khiển cùng hành khách ngồi trong buồng lái trong và sau khi xảy ra tình huống tai nạn

Ngày nay, có thể nói ngành công nghiệp ô tô đang trên đà phát triển mạnh mẽ cả về số lượng xe bán ra lẫn chất lượng của xe – được đảm bảo với rất nhiều tính năng hỗ trợ được nghiên cứu, cấp bằng sáng chế, phát triển tối ưu và tích hợp trên các hệ thống an toàn Một số hệ thống an toàn phổ biến trên ô tô (hình 1.2) có thể kể đến như:

❑ Dây đai an toàn (Seatbelts) ❑ Khung xe hấp thụ lực (Chassis)

❑ Hệ thống túi khí SRS (Supplemental Restraint System)

❑ Hệ thống cảnh báo tiền va chạm FCW (Forward-Collision Warning) ❑ Hệ thống giám sát và cảnh báo điểm mù BSM (Blind Spot Monitoring) ❑ Hệ thống hỗ trợ đỗ xe PAS (Parking Assist System)

❑ Hệ thống chiếu sáng phía trước thích ứng AFS (Adaptive Front–lighting System)

❑ Hệ thống cảnh báo chệch làn đường LDWS (Lane Departure Warning System)

❑ Hệ thống chống bó cứng phanh ABS (Anti-lock Braking System)

❑ Hệ thống phanh tự động khẩn cấp AEB (Automatic Emergency Braking) ❑ Hệ thống kiểm soát hành trình thích ứng ACC (Adaptive Cruise Control) ❑ Hệ thống hỗ trợ lực phanh khẩn cấp BA (Brake Assist System)

❑ Hệ thống cân bằng điện tử ESP (Electronic Stability Program) ❑ Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS (Traction Control System)

❑ Hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc HAC (Hill-start Assist Control)

❑ Hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD (Electronic brakeforce distribution)

❑ Hệ thống hỗ trợ xuống dốc hay đổ đèo HDC (Hill Descent Control) hay DHAC (Down Hill Assist Control)

Qua đó, có thể thấy về mặt số lượng các hệ thống an toàn chủ động được phát triển và ứng dụng chiếm ưu thế lớn hơn so với các hệ thống an toàn bị động Trong số đó, các chức năng liên quan đến hệ thống phanh và radar chiếm tỷ trọng cao nhất Điều này là hoàn toàn hợp lý trên phương diện phòng chống và giảm thiểu tối đa những thiệt hại về kinh tế và con người khổng lồ cho toàn xã hội cùng những tổn thất không thể bù đắp được cho người bị nạn, gia đình và thân nhân của họ gây ra bởi tai nạn giao thông [3]

a) Dây đai an toàn [5] b) Hệ thống túi khí [6]

Hình 1.2 Một số hệ thống an toàn trên xe ô tô

1.1.2 Lịch sử phát triển của một số hệ thống an toàn trên xe ô tô a) Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS)

Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) đầu tiên trên thế giới dành cho ô tô được phát triển vào những năm 1920 bởi kỹ sư ô tô và máy bay người Pháp Gabriel Voisin Tuy nhiên, hệ thống ban đầu này không được áp dụng rộng rãi và công nghệ ABS không trở nên phổ biến trên ô tô cho đến nhiều thập kỷ sau

ABS hiện đại như chúng ta biết ngày nay, được giới thiệu lần đầu tiên vào những năm 1960 Năm 1966, công ty ô tô Chrysler của Mỹ đã cung cấp hệ thống "Sure-Brake" như một tùy chọn trên một số loại xe cao cấp của họ Công nghệ ABS đầu tiên này sử dụng máy tính để kiểm soát áp suất phanh và ngăn bánh xe bị bó cứng khi phanh gấp Trong những năm qua, công nghệ ABS không ngừng phát triển và cải tiến, trở thành tính năng an toàn tiêu chuẩn trên hầu hết các loại xe trên thế giới

Bosch, một công ty kỹ thuật và công nghệ đa quốc gia của Đức, đã đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển và phổ biến hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) trên ô tô Bosch giới thiệu công nghệ ABS vào năm 1978, đây là một cột mốc quan trọng trong lịch sử an toàn ô tô

Hình 1.3 Hệ thống chống bó cứng phanh ABS [9]

Hệ thống ABS của Bosch (hình 1.3) sử dụng các cảm biến để theo dõi tốc độ của từng bánh xe và máy tính riêng để kiểm soát áp suất phanh nhằm tránh hiện tượng bó cứng bánh xe khi phanh Sự cải tiến này đã cải thiện đáng kể độ ổn định và khả năng kiểm soát của xe trong các tình huống phanh khẩn cấp, đặc biệt là trên các bề mặt trơn trượt Hệ thống ABS của Bosch đã được nhiều nhà sản xuất ô tô áp dụng và trở thành tính năng tiêu chuẩn trên nhiều loại xe trên toàn thế giới

Công nghệ ABS của Bosch đã tiếp tục phát triển và họ đã trở thành nhà cung cấp hàng đầu về ABS và các hệ thống an toàn ô tô khác trong nhiều thập kỷ Họ đã đóng góp đáng kể vào sự tiến bộ của công nghệ an toàn trên xe, bao gồm những cải tiến như hệ thống kiểm soát ổn định điện tử (ESC) và hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS)

b) Hệ thống điều khiển túi khí (SRS/ACU)

Công nghệ túi khí, bao gồm cả bộ phận điều khiển, đã phát triển qua nhiều năm với sự đóng góp của nhiều công ty Những hệ thống này đã trở thành tính năng an toàn tiêu chuẩn trên hầu hết các loại xe Khái niệm SRS, trong đó túi khí là một bộ phận quan trọng, bắt đầu thu hút được sự chú ý trong ngành công nghiệp ô tô trong những năm 1970 Bosch – nhà cung cấp nổi tiếng các hệ thống an toàn ô tô, bao gồm bộ điều khiển túi khí (ACU), cùng với các công ty công nghệ ô tô khác, đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy công nghệ bộ điều khiển túi khí nhằm cải thiện độ an toàn của xe

Năm 1971, nhà sản xuất ô tô General Motors (GM) của Mỹ đã giới thiệu một hệ thống túi khí cơ bản được gọi là Hệ thống hạn chế đệm khí (ACRS) trên một số phương tiện của mình Hệ thống này bao gồm một dạng ACU ban đầu, mặc dù nó không phức tạp như các bộ điều khiển túi khí hiện đại Nó chủ yếu tập trung vào việc bung túi khí khi xảy ra va chạm, dựa trên các cảm biến cơ học và khả năng giảm tốc của xe

Bộ điều khiển túi khí (ACU) (hình 1.4) đầu tiên trên thế giới, còn được gọi là đun điều khiển túi khí hoặc bộ điều khiển điện tử túi khí (ECU), xuất hiện vào giữa những năm 1970 Việc phát triển túi khí và hệ thống điều khiển liên quan của chúng là nỗ lực hợp tác của nhiều nhà sản xuất và nhà cung cấp ô tô khác nhau

mô-Hình 1.4 Bộ điều khiển túi khí ACU [10]

“Thiết bị kích hoạt quá trình bơm hơi trong túi” mà Bosch đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế vào mùa xuân năm 1976, đánh dấu bước quan trọng đầu tiên trong quá trình phát triển của công ty Một thành phần quan trọng của thiết bị này là cảm biến gia tốc có chức năng đo độ giảm tốc xảy ra khi va chạm theo thời gian, nhờ đó túi khí bảo vệ sẽ được bơm căng vào đúng thời điểm trong các vụ tai nạn với nhiều nguyên nhân khác nhau Cảm biến này còn có thể được sử dụng để kích hoạt bộ căng đai tự động theo cách tương tự

Bộ điều khiển điện tử của Bosch dành cho hệ thống hạn chế thụ động được đưa vào sản xuất hàng loạt vào năm 1980 và được sử dụng lần đầu tiên trên xe Mercedes-Benz S-Class vào năm 1981 Bộ phận này có ba đầu ra đánh lửa để kích hoạt túi khí người lái, túi khí hành khách hai bước và bộ căng đai an toàn trong trường hợp va chạm Trong những năm qua, những tiến bộ trong công nghệ cảm biến, xử lý máy tính và hệ thống an toàn trên xe đã dẫn đến các bộ điều khiển túi khí phức tạp hơn có thể giám sát các thông số khác nhau của xe, đánh giá mức độ nghiêm trọng của va chạm và triển khai túi khí với độ chính xác cao hơn Những phát triển này đã góp phần cải thiện độ an toàn của túi khí và giảm nguy cơ bung túi khí không cần thiết

Việc liên tục cải tiến các bộ phận điều khiển túi khí và các hệ thống an toàn liên quan đã đóng một vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng bảo vệ người ngồi trong ô tô

c) Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS)

Hình 1.5 Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS [11]

Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) (hình 1.5) đầu tiên trên thế giới được công ty ô tô Mỹ General Motors (GM) giới thiệu vào năm 1971 TCS của GM ban đầu được giới thiệu như một tùy chọn trên các loại xe hiệu suất cao của họ, chẳng hạn như Oldsmobile Toronado năm 1971

Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) là sự phát triển cao cấp hơn của công nghệ ABS Bosch giới thiệu nó ra thị trường vào năm 1986 Bộ điều khiển điện tử của công nghệ TCS được thiết kế để ngăn bánh xe quay khi tăng tốc trên mặt đường trơn trượt hoặc độ bám đường thấp bằng cách làm giảm tốc độ của bánh xe quay cho đến khi chúng lấy lại được độ bám Nó sử dụng cảm biến tốc độ bánh xe để theo dõi chuyển động quay của từng bánh xe và sau đó tác dụng lực phanh lên (các) bánh xe đang quay hoặc giảm công suất động cơ để lấy lại lực kéo

Trong những năm qua, công nghệ TCS ngày càng tiên tiến và phổ biến, và hiện nay nó là tính năng tiêu chuẩn trên hầu hết các loại xe hiện đại, góp phần nâng cao độ an toàn và khả năng xử lý

d) Hệ thống cân bằng điện tử (ESP/ESC/DSC)

Chương trình ổn định điện tử (ESP) đầu tiên trên thế giới, còn được gọi là Kiểm soát ổn định điện tử (ESC) hoặc Kiểm soát ổn định động (DSC) ở một số khu vực, được Bosch giới thiệu vào năm 1995 Bosch, nhà cung cấp công nghệ ô tô hàng đầu, đã phát triển hệ thống an toàn cải tiến này

Hình 1.6 Hệ thống cân bằng điện tử ESP [12]

ESP (hình 1.6) được thiết kế để cải thiện độ ổn định và khả năng kiểm soát của xe bằng cách phát hiện và giảm thiểu tình trạng trượt và trượt Nó sử dụng các cảm biến để theo dõi các thông số khác nhau, bao gồm tốc độ bánh xe, góc lái và gia tốc ngang Khi phát hiện xe bị trượt hoặc mất ổn định, nó có thể tác dụng phanh có chọn lọc vào từng bánh xe và điều chỉnh công suất động cơ để giúp người lái lấy lại quyền kiểm soát

Hệ thống ESP của Bosch là một tiến bộ đáng kể trong công nghệ an toàn ô tô và từ đó đã trở thành tính năng tiêu chuẩn trên nhiều phương tiện trên toàn thế giới Nó đã đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm số vụ tai nạn và cải thiện an toàn đường bộ nói chung

1.1.3 Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS

Hình 1.7 Hệ thống kiểm soát lực kéo [16]

Là một trong những hệ thống an toàn chủ động được sử dụng rộng rãi, hệ thống kiểm soát lực kéo TCS (Traction Control System) là một hệ thống an toàn có nhiệm vụ điều khiển lực lái của động cơ và lực phanh tác dụng tạm thời lên các bánh xe [17] nhằm

đảm bảo độ bám đường, hạn chế hiện tượng trượt bánh giúp xe vận hành ổn định trong điều kiện đường có ma sát thấp hoặc khi vào cua, tăng tốc đột ngột (hình 1.3)

Khi so sánh với hệ thống chống bó cứng phanh ABS (Anti-lock Braking System), hệ thống kiểm soát lực kéo TCS (Traction Control System) có chung một chức năng chính là đảm bảo độ bám đường của các bánh xe Sự khác biệt rõ ràng nhất giữa hai hệ thống là ABS được kích hoạt khi xe phanh gấp còn TCS lại có nhiệm vụ ngăn xe chuyển hướng và kiểm soát sự ổn định của xe khi đang di chuyển Nhìn chung, dù sử dụng chung các cảm biến với hệ thống chống bó cứng phanh ABS, hệ thống kiểm soát lực kéo TCS lại có cơ chế hoạt động phức tạp và thông minh hơn Khi được kích hoạt, TCS sẽ can thiệp vào sự hoạt động của hệ thống phanh để gia tăng lực thắng tác dụng lên bánh xe đang bị trượt, đồng thời tự động tăng giảm lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt hoặc ngắt xi-lanh tạm thời để điều khiển lực lái của động cơ đến các bánh xe còn lại, cho đến khi xe có thể di chuyển mà không có hiện tượng bị trượt bánh và đảm bảo lực kéo tối ưu khi vào cua, tăng tốc, đặc biệt là trên đường ẩm ướt hoặc băng giá

1.1.4 Hệ thống cân bằng điện tử ESP

Được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng với nỗ lực làm giảm số lượng và mức độ nghiêm trọng của các vụ tai nạn ô tô mất kiểm soát [18], hệ thống cân bằng điện tử ESP (Electronic Stability Program) hay còn gọi là ESC (Electronic Stability Program) - là hệ thống rất quan trọng được trang bị phổ biến trên ô tô nhằm tăng tính an toàn, giảm thiểu tối đa nguy cơ xe bị mất lái, chệch khỏi quỹ đạo khi đang di chuyển (hình 1.4)

Hình 1.8 Hệ thống cân bằng điện tử [19]

Giống như ABS và TCS, ESP giúp tránh tình trạng mất kiểm soát có thể dẫn đến va chạm bằng cách ngăn ngừa trượt bánh ESP được thiết kế để giúp người lái kiểm soát phương tiện trong trường hợp khẩn cấp [20], khi xe vận hành trong điều kiện địa hình hoặc thời tiết không ổn định: mặt đường ướt, trơn trượt do mưa hoặc băng tuyết, có độ bám thấp do nhiều sỏi đá hoặckhi người lái cần đánh lái gấp để tránh chướng ngại vật

Với nền tảng là sự hỗ trợ đến từ hai công nghệ an toàn chủ động gồm hệ thống chống bó cứng phanh ABS và hệ thống kiểm soát lực kéo TCS, hệ thống cân bằng điện tử ESP được coi là tiêu chuẩn để đánh giá mức độ an toàn và trở thành một trang bị không thể thiếu đối với các dòng xe thương mại, đặc biệt bắt buộc ở những thị trường khó tính như Mỹ và châu Âu (hình 1.5)

Hình 1.9 Thị trường xe du lịch tại châu Âu (Europe) [21]

Như vậy, sự đa dạng và lịch sử phát triển lâu dài của các hệ thống an toàn trên xe ô tô đã cho thấy vai trò, ý nghĩa và mức độ quan trọng của chúng đối với con người và xã hội Với mục đích thiết kế và tăng cường hiệu suất, tính an toàn cho các bộ điều khiển kiểm soát lực kéo TCS và cân bằng điện tử ESP, các điểm cần thiết phải nghiên cứu là phân tích bản chất của các hệ thống đang được sử dụng, mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra, thời lượng hoạt động cùng sự ảnh hưởng qua lại của giữa các hệ thống này khi tác động khuếch đại hay thay đổi giá trị các tín hiệu xử lý của chúng

1.2 Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước

Đối với hệ thống kiểm soát lực kéo TCS, các tác giả của nghiên cứu [22] đã đề cập hơn hai thập kỷ trước đây, các thông số động lực học bánh xe, hệ thống treo, gia tốc ngang của xe cùng các thuật toán điều khiển thích nghi (Adaptive control) và điều khiển logic mờ (Fuzzy logic control) đã được nghiên cứu, sử dụng và tích hợp trong các phần mềm điều khiển nhằm ngăn chặn hiện tượng trượt bánh khi xe khởi động đột ngột hay tăng tốc Với cùng mục đích đó, nghiên cứu [17] đã đề xuất và thiết kế bộ điều khiển kiểm soát lực truyền động của động cơ là sự kết hợp của bộ điều khiển PID (Proportional–Integral–Derivative control) với bộ điều khiển logic mờ để tính toán mô-men xoắn cơ bản và thành phần bù bất định của lực ma sát trên đường Ngoài ra, dựa trên đặc tính phi tuyến của lốp xe, phương pháp điều khiển trượt không phụ thuộc vào tín hiệu phản hồi lỗi (Sliding mode control) đã được đề xuất và kiểm chứng tính hiệu quả thông qua mô phỏng trong nghiên cứu [23] Không những thế, bộ điều khiển trượt còn được khai thác trong nghiên cứu [24] với chiến lược thiết kế lấy nền tảng từ bề mặt trượt chuyển động chỉ chứa sai số giữa độ trượt của bánh xe đầu vào tham chiếu và độ trượt của bánh xe thực tế

Đối với hệ thống cân bằng điện tử ESP, để cải thiện sự ổn định khi lái xe trên bề mặt có độ bám dính thấp ở tốc độ cao, tác giả Jin, L và các cộng sự [25] đã giới thiệu và phát triển bộ điều khiển là sự hợp nhất của của các thuật toán logic mờ và tối ưu di truyền (Genetic Optimization control) Theo đó, thuật toán di truyền đã được sử dụng như một cách để tối ưu hóa các tham số hàm liên thuộc, hệ số tỷ lệ và hệ số lượng tử hóa của bộ điều khiển mờ Bên cạnh đó, trong bài nghiên cứu Coordinated Control of Electronic Stability Program and Active Front Steering [26], tác giả Chu, L và các cộng sự đã đề xuất việc kiểm soát tốc độ đánh lái (yaw-rate), điều khiển hệ thống cân bằng điện tử ESP cùng hệ thống lái chủ động phía trước AFS (Active Front Steering) và tối ưu hóa nhằm đảm bảo tính đúng đắn và chính xác của luật điều khiển bằng cách khai thác hệ thống điều khiển hỗn hợp gồm PID, logic mờ và tối ưu di truyền Ngoài ra, để hạn chế các tình huống thiếu lái và thừa lái hay xảy ra khi xe vào cua hay rẽ xe để tránh vật cản, bộ điều khiển đa thuật toán gồm logic mờ và PID-AFC được đề xuất và sử dụng để xử lý tốc độ các bánh xe, góc lái và tín hiệu của thiết bị đo lường quán tính IMU

(Inertial Measurement Unit) [27] Trong đó, logic mờ sử dụng cho bộ điều khiển phía trên có nhiệm vụ thu nhận các tín hiệu trả về từ mọi cảm biến gắn trên thân xe nhằm tính toán sự khác biệt giữa chúng với trạng thái thực tế của xe rồi xử lý thành điểm đặt và gửi xuống bộ điều khiển PID-AFC ở phía dưới để điều khiển phương tiện theo ý muốn Hơn thế nữa, khi so sánh kết quả mô phỏng, nhóm nghiên cứu còn chỉ ra rằng việc bổ sung bộ kiểm soát lực chủ động AFC (Active force control) sẽ giúp giảm số lần dao động cùng thời gian xác lập, vì vậy, giúp tăng tính hiệu quả của bộ điều khiển PID

1.2.2 Các công trình nghiên cứu trong nước

Để điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo TCS, phương pháp PID đã được ứng dụng trong các nghiên cứu [28–29] để kiểm soát lực kéo ở hai bánh chủ động của xe ô tô khi lực bám của chúng với mặt đường là không đồng nhất Sự ăn khớp giữa các thông số đầu ra của ECU (mô-men xoắn động cơ, áp suất phanh, độ trượt) với đường cong thực tế của hệ thống được khảo sát và nghiên cứu bởi tác giả Tuan, D M và cộng sự [30] thông qua thực hiện mô phỏng bộ điều khiển bằng phần mềm Matlab – stateflow để làm rõ các quá trình vật lý xảy ra trong quá trình điều khiển của ECU trên hệ thống điều khiển lực kéo TCS

Để nâng cao sự ổn định của xe, bộ điều khiển cân bằng on-off và liên tục là hai chiến lược điều khiển đã được sử dụng cho hệ thống treo bán tích cực [31] Ý tưởng của bài báo là tạo ra các lực giảm chấn đối ngẫu với lực của lò xo, giúp thân xe không bị rung lắc và duy trì trạng thái cân bằng

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi Luận văn 1.3.1 Mục tiêu Luận văn

Từ những tìm hiểu sơ bộ ở phần trước, có thể thấy rõ vai trò, sự ảnh hưởng và tầm quan trọng của hệ thống kiểm soát lực kéo TCS và hệ thống cân bằng điện tử ESP đối với sự phát triển của con người và xã hội Vì vậy, ý tưởng nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho các hệ thống an toàn chủ động nêu trên ứng dụng cho xe ô tô được hình thành

1.3.2 Nhiệm vụ Luận văn

❖ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các hệ thống an toàn:

• Phân tích các thành phần phần cứng có trong các hệ thống an toàn • Tìm hiểu lý thuyết vận hành của hệ thống kiểm soát lực kéo TCS • Tìm hiểu lý thuyết vận hành của hệ thống cân bằng điện tử ESP

❖ Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo TCS:

• Phân tích thành phần của bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo TCS • Thiết kế và cải thiện hiệu suất của bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo

TCS thông qua việc giảm thời gian hoạt động ít nhất một lượng 5% • Mô phỏng sự tương tác của các tín hiệu trên xe bằng phần mềm STEPS • So sánh và nhận xét các kết quả mô phỏng hệ thống kiểm soát lực kéo TCS

❖ Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng điện tử ESP:

• Phân tích thành phần của bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng điện tử ESP • Thiết kế và cải thiện hiệu suất của bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng điện tử

ESP thông qua việc giảm thời gian hoạt động ít nhất một lượng 5% • Mô phỏng sự tương tác của các tín hiệu trên xe bằng phần mềm STEPS • So sánh và nhận xét các kết quả mô phỏng hệ thống cân bằng điện tử ESP

1.3.3 Phạm vi Luận văn

Luận văn sẽ được thực hiện và kiểm chứng thông qua mô phỏng trên Sil (Software in the loop) dùng phần mềm tự động hóa mô phỏng STEPS được viết bằng ngôn ngữ Perl Mô hình xe ô tô được mô phỏng là ô tô con 4 bánh 4 chỗ loại dẫn động một trục – cầu sau Xe được mô phỏng trong các trường hợp đang tăng tốc trên đoạn đường thẳng và gặp đường trơn, vào cua đánh lái trái phải liên tục …

1.4 Cấu trúc Luận văn

Để đạt được các mục tiêu đã đề ra ở trên, cấu trúc Luận văn dự kiến gồm có 5 chương với nội dung như sau:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của các hệ thống an toàn

– Phân tích các thành phần phần cứng trong các hệ thống an toàn;

– Phân tích động học của bánh và thân xe trong các điều kiện làm việc khác nhau khi các hệ thống an toàn được kích hoạt

Chương 3: Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo TCS (Traction Control System)

– Lựa chọn các thông số mô phỏng của xe ô tô;

– Phân tích và thiết kế thuật toán điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo TCS; – Mô phỏng mối quan hệ giữa các tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống dưới sự tác động của hệ thống kiểm soát lực kéo TCS với các thông số mô phỏng đã chọn;

– So sánh và đối chiếu giữa các kết quả mô phỏng trên phần mềm STEPS; – Đánh giá độ ổn định của hệ thống dưới các điều kiện làm việc khác nhau

Chương 4: Phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng điện tử ESP (Electrical Stability Program)

– Lựa chọn các thông số mô phỏng của xe ô tô;

– Phân tích và thiết kế thuật toán điều khiển hệ thống kiểm soát lực kéo TCS; – Mô phỏng mối quan hệ giữa các tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống dưới sự tác động của hệ thống kiểm soát lực kéo TCS với các thông số mô phỏng đã chọn;

– So sánh và đối chiếu giữa các kết quả mô phỏng trên phần mềm STEPS; – Đánh giá độ ổn định của hệ thống dưới các điều kiện làm việc khác nhau

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

– Kết luận và kiến nghị những định hướng phát triển trong tương lai

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC HỆ THỐNG AN TOÀN

Hệ thống an toàn trên xe ô tô là sự kết hợp chặt chẽ của một loạt các thành phần phần cứng (hình 2.1) được thiết kế để hoạt động cùng với các thuật toán phần mềm để tạo ra một phương pháp tiếp cận an toàn theo từng lớp giúp phát hiện các mối nguy hiểm tiềm ẩn, giám sát môi trường xung quanh xe, bảo vệ người ngồi trong xe và hỗ trợ phòng tránh hoặc giảm thiểu mức độ nghiêm trọng của các vụ va chạm khi chúng xảy ra

Hình 2.1 Các thành phần phần cứng của các hệ thống an toàn trên xe ô tô [32] Các thành phần phần cứng được đề cập trong hình 2.1 bao gồm:

1 Hydraulic unit with electronic control unit: bộ điều khiển điện tử dùng để điều khiển thủy lực cho phanh

2 Active brake servo/pressure sensor: cảm biến trợ lực/áp suất phanh chủ động 3 Throttle valve control sensor: cảm biến điều khiển van tiết lưu

4 Engine Control Unit (ECU): bộ điều khiển động cơ xe ô tô

5 ESP/TC warning lamp and switch: đèn và công tắc cảnh báo ESP/TC 6 Steering wheel angle sensor: cảm biến góc lái

7 Yaw rate and lateral acceleration sensor: cảm biến tốc độ quay và gia tốc ngang của xe

8 Wheel speed sensor: cảm biến tốc độ của bánh xe

9 Electronic accelerator pedal: bàn đạp ga điện tử

10 CAN network TC/Engine control unit (ECU): mạng CAN truyền nhận tín hiệu của bộ điều khiển ECU đến các cơ cấu chấp hành

Như vậy, việc hiểu rõ tổng quan và chi tiết các thành phần phần cứng có trong các hệ thống an toàn là cần thiết để nắm bắt tốt hơn về cơ sở lý thuyết của các hệ thống này

2.1 Tổng quan về các thành phần phần cứng trong các hệ thống an toàn

Hiện nay, để đáp ứng nhu cầu sở hữu ô tô cá nhân ngày càng tăng cùng với sự đa dạng về sở thích và mục đích sử dụng của khách hàng, các hãng xe đã tổ chức khảo sát, nghiên cứu thị trường và đưa ra rất nhiều loại xe ô tô với kích thước, mẫu mã, tính năng, công suất, thông số kỹ thuật, tầm giá, … khác nhau mà ở đó việc tích hợp các bộ phận phần cứng trong các hệ thống an toàn sẽ có sự khác biệt không nhỏ giữa các mẫu xe và phụ thuộc vào mức độ tự động hóa cùng các tính năng an toàn do nhà sản xuất cung cấp Tuy nhiên, một chiếc xe cơ bản nhìn chung thường sẽ có các thành phần phần cứng phổ biến trong hệ thống an toàn bao gồm: cảm biến (camera, radar, siêu âm, lidar), ECU, bộ truyền động, hệ thống túi khí, bộ căng đai, thành phần kết cấu, màn hình hiển thị, hệ thống chiếu sáng, hệ thống giao tiếp (V2V, V2I, …)

Qua đó, có thể thấy được sự tinh vi và phức tạp với rất nhiều các thành phần phần cứng hỗ trợ và cấu thành nên các hệ thống an toàn trên xe ô tô, đặc biệt là hệ thống các cảm biến với rất nhiều vị trí lắp đặt phức tạp, đóng vai trò và chức năng khác nhau Các bộ phận này, khi được thiết kế và tích hợp phù hợp, sẽ góp phần đảm bảo an toàn đường bộ nói chung và nâng cao sức khỏe của người lái xe, hành khách cũng như người đi bộ

2.2 Các thành phần phần cứng có liên quan và chi phối lên hệ thống kiểm soát lực kéo TCS và hệ thống cân bằng điện tử ESP

Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS (Traction Control System) và hệ thống kiểm soát ổn định điện tử ESC (Electronic Stability Control), thường được gọi là chương trình ổn định điện tử ESP (Electronic Stability Program) trên một số xe, dựa vào các thành phần phần cứng khác nhau, bao gồm cả thành phần vi sai, để hoạt động hiệu quả Các hệ thống này phối hợp với nhau để duy trì sự ổn định và khả năng kiểm soát trong điều kiện lái xe phức tạp, nguy hiểm và khó khăn Dưới đây là các thành phần phần cứng chính có liên quan hay hỗ trợ trong hai bộ điều khiển kiểm soát lực kéo TCS và cân bằng điện

tử ESP trên xe ô tô:

2.2.1 Cảm biến tốc độ bánh xe (Wheel Speed Sensors)

Cảm biến tốc độ bánh xe (hình 2.2) được lắp đặt tại mỗi bánh xe và liên tục theo dõi tốc độ quay của các bánh xe Những cảm biến này đóng vai trò rất quan trọng trong việc đo lường, thu thập dữ liệu theo thời gian thực về tốc độ bánh xe và cung cấp chúng về cho ECU phân tích để phát hiện tình trạng trượt bánh và độ ổn định của xe

Hình 2.2 Cảm biến tốc độ bánh xe [33]

2.2.2 Bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit)

Bộ điều khiển điện tử ECU (hình 2.3) giúp cho TCS và ESP xử lý dữ liệu từ cảm biến tốc độ bánh xe và các cảm biến khác để đưa ra quyết định điều khiển Nó sử dụng các thuật toán phức tạp để so sánh tốc độ bánh xe, đầu vào lái và động lực học của xe

Hình 2.3 Bộ điều khiển điện tử ECU [34]

2.2.3 Hệ thống phanh (Brake System)

Hình 2.4 Hệ thống phanh tích hợp cho xe ô tô tự động gồm iBooster và ESP hev [35]

TCS và ESP thường sử dụng hệ thống phanh của xe (hình 2.4) để can thiệp ECU có thể tác dụng phanh một cách có chọn lọc lên các bánh xe cụ thể để ngăn chúng bị trượt (TCS) hoặc để điều chỉnh tình trạng lái quá hoặc thiếu lái (ESP)

iBooster (hình 2.5) là hệ thống trợ lực phanh tiên tiến được sử dụng trong các phương tiện hiện đại, đặc biệt là những phương tiện được trang bị phanh tái tạo và hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS) Nó là thành phần chính của hệ thống phanh của xe giúp nâng cao hiệu suất phanh đồng thời hỗ trợ nhiều tính năng an toàn và hỗ trợ người lái Chữ “i” trong iBooster thường là viết tắt của từ “thông minh” vì khả năng nâng cao của nó so với bộ trợ lực phanh hỗ trợ chân không truyền thống Với iBooster, Bosch đã phát triển một bộ trợ lực phanh cơ điện, độc lập chân không, đáp ứng nhu cầu của một hệ thống phanh hiện đại

Hình 2.5 Hệ thống trợ lực phanh thông minh iBooster [36]

ESP hev (hình 2.6) là một phần của hệ thống mô-đun được thiết kế đặc biệt cho xe hybrid và xe điện, cho phép phanh tái tạo ESP hev được trang bị công nghệ động cơ DC đã được chứng minh và cung cấp tốc độ dòng chảy 8 cm3/s trên mỗi mạch phanh Ngoài ra, một biến thể với công nghệ động cơ EC và tốc độ dòng chảy 14 cm3/s có sẵn

Hình 2.6 Hệ thống phanh tái tạo ESP hev [37]

Các thành phần phần cứng được đề cập trong hình 2.6 bao gồm: 1 Pump Elements: các thành phần bơm

2 Solenoid Valves: các van điện từ 3 Motor: động cơ

4 Coils: cuộn dây

5 ECU: bộ điều khiển điện tử 6 Accumulators: bộ tích lũy

2.2.4 Mô-đun điều khiển động cơ ECM (Engine Control Module)

Mô-đun điều khiển động cơ ECM (hình 2.7) là một thành phần quan trọng của hệ thống điều khiển điện tử của xe Nó đóng vai trò trung tâm trong việc quản lý và điều chỉnh các chức năng khác nhau của động cơ để đảm bảo hiệu suất tối ưu, tiết kiệm nhiên liệu, kiểm soát khí thải và độ tin cậy tổng thể ECM về cơ bản là "bộ não" của động cơ, đưa ra quyết định theo thời gian thực dựa trên đầu vào cảm biến và thuật toán được lập trình ECM giao tiếp với TCS và ESP ECU Khi phát hiện bánh xe bị trượt hoặc có vấn đề về độ ổn định, hệ thống TCS và ESP có thể gửi tín hiệu đến ECM để giảm công suất động cơ, giúp lấy lại lực bám hoặc điều chỉnh đường đi của xe

Hình 2.7 Động cơ và mô-đun điều khiển động cơ [38]

Nhìn chung, ECM đóng vai trò then chốt trong hoạt động của động cơ ô tô hiện đại, thực hiện các điều chỉnh liên tục để duy trì hiệu suất, hiệu quả và kiểm soát khí thải tối ưu Nó dựa vào dữ liệu từ mạng lưới cảm biến được đặt khắp động cơ và xe, đồng thời chương trình và thuật toán của nó được nhà sản xuất phát triển để đáp ứng các mục tiêu về hiệu suất và lượng khí thải cụ thể

Hình 2.8 Các cảm biến cung cấp đầu vào cho ECM [39]

Mô-đun điều khiển động cơ (ECM) dựa vào nhiều đầu vào cảm biến khác nhau để giám sát và điều khiển hoạt động của động cơ Những cảm biến này cung cấp dữ liệu thời gian thực về các thông số động cơ và xe khác nhau, cho phép ECM thực hiện các điều chỉnh liên tục để có hiệu suất tối ưu, tiết kiệm nhiên liệu, kiểm soát khí thải và độ tin cậy tổng thể Đầu vào cảm biến phổ biến cho ECM (hình 2.8) bao gồm:

1 Camshaft Position Sensor: Cảm biến vị trí trục cam CMP giúp cung cấp thông tin về vị trí trục cam, hỗ trợ điều chỉnh thời gian và đồng bộ hóa van 2 Knock Sensors: Cảm biến kích nổ giúp phát hiện tiếng gõ động cơ (đánh lửa

trước hoặc phát nổ) và điều chỉnh thời điểm đánh lửa để tránh hư hỏng 3 Vehicle Speed Sensor: Cảm biến tốc độ xe VSS giúp theo dõi tốc độ xe, điều

này có thể ảnh hưởng đến điểm chuyển số và các thông số động cơ khác 4 Crankshaft Position Sensor: Cảm biến vị trí trục khuỷu CKP giúp xác định

vị trí và tốc độ quay của trục khuỷu, cần thiết cho thời điểm đánh lửa và đồng bộ phun nhiên liệu

5 Throttle Position Sensor: Cảm biến vị trí bướm ga TPS giúp giám sát vị trí của van tiết lưu để xác định đầu vào của người lái và độ mở bướm ga 6 Engine Coolant Temperature Sensor: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động

cơ ECT giúp theo dõi nhiệt độ nước làm mát động cơ để điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu và đánh lửa

7 Exhaust Gas Recirculation Position Sensor: Cảm biến vị trí tuần hoàn khí thải EGR giúp giám sát vị trí của van EGR, van này kiểm soát việc tuần hoàn khí thải để kiểm soát khí thải

8 Manifold Absolute Pressure Sensor: Cảm biến áp suất tuyệt đối đường ống nạp MAP giúp đo áp suất đường ống nạp để tính toán tải động cơ và tối ưu hóa nhiên liệu và thời điểm đánh lửa

9 Heated Oxygen Sensors: Cảm biến nhiệt oxy O2 giúp đo mức oxy trong khí thải, cho phép ECM điều chỉnh hỗn hợp không khí-nhiên liệu để kiểm soát quá trình đốt cháy và phát thải tối ưu Các phương tiện hiện đại có thể có nhiều cảm biến O2, bao gồm cảm biến ngược dòng (bộ chuyển đổi trước xúc tác) và cảm biến xuôi dòng (bộ chuyển đổi sau xúc tác)

10 Mass Airflow Sensor: Cảm biến lưu lượng khí lớn MAF dùng để đo lượng không khí đi vào động cơ, dùng để tính toán lượng phun nhiên liệu thích hợp Ngoài ra, ECM còn có thể nhận đầu vào từ các cảm biến khác như: cảm biến nhiệt độ không khí nạp IAT (Intake Air Temperature Sensor), Cảm biến tốc độ bánh xe (Wheel Speed Sensors), cảm biến hộp số (Transmission Sensors), cảm biến áp suất nhiên liệu (Fuel Pressure Sensor), cảm biến điện áp ắc quy (Battery Voltage Sensor), cảm biến vị trí bàn đạp ga APP (Accelerator Pedal Position Sensor), cảm biến vị trí bàn đạp phanh (Brake Pedal Position Sensor), cảm biến áp suất điều hòa (Air Conditioning Pressure Sensor), … Các đầu vào cảm biến này cung cấp cho ECM một luồng dữ liệu liên tục, cho phép ECM thực hiện các điều chỉnh nhanh chóng và chính xác để tối ưu hóa hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, khí thải và khả năng lái tổng thể Khả năng xử lý và phản hồi dữ liệu này trong thời gian thực của ECM là điều cần thiết cho các hệ thống quản lý động cơ hiện đại

2.2.5 Hệ thống điều khiển bướm ga (Throttle Control)

Hệ thống điều khiển bướm ga (hình 2.9) là một khía cạnh cơ bản của việc quản lý động cơ trên ô tô và nó liên quan đến việc điều chỉnh luồng không khí vào động cơ để kiểm soát công suất và tốc độ động cơ Van tiết lưu là một van điều khiển lượng không khí (và gián tiếp là lượng nhiên liệu) đi vào buồng đốt của động cơ Kiểm soát bướm ga là điều cần thiết cho hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, kiểm soát khí thải và khả năng lái tổng thể Trong một số hệ thống TCS và ESP, điều khiển ga điện tử có thể được

sử dụng để điều chỉnh công suất động cơ và ngăn bánh xe quay hoặc cải thiện độ ổn định Giảm đầu vào ga khi phát hiện bánh xe bị trượt hoặc mất ổn định có thể hỗ trợ lấy lại khả năng kiểm soát

Hình 2.9 Hệ thống điều khiển bướm ga [40]

Nhìn chung, điều khiển bướm ga là một thành phần quan trọng trong quản lý động cơ, cho phép kiểm soát chính xác công suất và mômen xoắn động cơ để đáp ứng nhu cầu của người lái đồng thời tối ưu hóa hiệu suất và kiểm soát khí thải Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử hiện đại đã nâng cao độ chính xác và khả năng phản hồi của việc điều khiển bướm ga trên các phương tiện giao thông ngày nay

2.2.6 Bộ điều khiển thủy lực HCU (Hydraulic Control Unit)

Hình 2.10 Bộ điều khiển thủy lực HCU [41]

Bộ điều khiển thủy lực HCU (hình 2.10) là một phần của hệ thống ABS và tham gia vào các hoạt động TCS và ESP Nó kiểm soát sự phân bổ áp suất dầu phanh đến từng bánh xe, cho phép can thiệp phanh khi cần thiết để ngăn bánh xe quay hoặc điều