TỔNG QUAN
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
2 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 a) Dây đai an toàn [5] b) Hệ thống túi khí [6] c) Radar [7] d) Hệ thống phanh [8]
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
4 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 mô- 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
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
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
11 (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.
Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi 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
❖ 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
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 …
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:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC HỆ THỐNG AN TOÀN
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.
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]
17 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 cm 3 /s trên mỗi mạch phanh Ngoài ra, một biến thể với công nghệ động cơ EC và tốc độ dòng chảy 14 cm 3 /s có sẵn
Hình 2.6 Hệ thống phanh tái tạo ESP hev [37]
18 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
5 ECU: bộ điều khiển điện tử
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
19 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
Phân tích động học của xe
2.3.1 Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS
Tùy thuộc vào tính chất của mặt đường, các bánh xe được dẫn động có thể bị trượt, do đó ảnh hưởng đến khả năng điều khiển (độ ổn định hoặc khả năng lái), và ảnh hưởng đến sự an toàn của xe Nó cũng có thể dẫn đến hiện tượng xe bị mất lực kéo, đặc biệt là khi bộ vi sai mở Kiểm soát độ trượt của lực kéo bằng các biện pháp can thiệp của động cơ hoặc phanh, làm tăng đáng kể lực kéo và khả năng kiểm soát Một tình huống lái xe điển hình là tăng tốc bằng một hoặc nhiều bánh xe trên bề mặt trơn trượt như tuyết, băng hoặc nhựa đường ướt Khi đó, hiện tượng trượt bánh của một hoặc nhiều bánh xe được điều khiển trong quá trình xe tăng tốc sẽ xảy ra và có thể được nhận biết bằng cách theo dõi tín hiệu đầu ra của cảm biến tốc độ bánh xe Trong những trường hợp như vậy, ECU sẽ bắt đầu chu trình điều khiển TCS
26 Nếu người lái nhấn ga khi đang gài ly hợp, mômen xoắn của động cơ sẽ tăng lên làm cho mômen xoắn của trục truyền động 𝑀 𝐾𝑎𝑟 cũng tăng lên Mômen xoắn này được phân bổ cho cả hai bánh được dẫn động theo tỷ lệ 50:50 (hình 2.15) thông qua bộ vi sai ngang Nếu mômen xoắn tăng lên này có thể được chuyển hoàn toàn xuống mặt đường, xe sẽ tăng tốc mà không bị cản trở Tuy nhiên, nếu mômen xoắn truyền động 𝑀 𝐾𝑎𝑟 /2 tại một bánh được dẫn động vượt quá mômen xoắn dẫn động tối đa có thể truyền được thì bánh xe đó sẽ bị trượt Khi đó, động lực có thể chuyển đổi bị giảm và phương tiện sẽ trở nên không ổn định [46]
𝑣 𝐿 Can thiệp vào động cơ 𝑀 𝐵𝑟,𝐿 𝑀 𝑆𝑡𝑟,𝐿
Hình 2.15 Hệ thống truyền động của xe ô tô dẫn động một trục với TCS [46]
Hình 2.16 Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS cho xe dẫn động cầu sau [46] Động cơ
Bộ điều khiển tốc độ trục truyền động
Bộ điều khiển khóa vi sai ngang
27 Mômen cân bằng tại các bánh xe:
𝑀 𝐺𝑒𝑠,𝐿 = 𝑀 𝐾𝑎𝑟 /2 − 𝑀 𝐵𝑟,𝐿 − 𝑀 𝑆𝑡𝑟,𝐿 (2.2) Trong hệ thống kiểm soát lực kéo TCS, có các bộ sau (hình 2.16):
❑ Bộ điều khiển tốc độ trục truyền động (the drive axle speed controller)
❑ Bộ điều khiển khóa vi sai ngang (the transversal differential lock controller) Trong đó, bộ điều khiển tốc độ trục truyền động thông qua điều khiển 𝑣 𝐾𝑎𝑟 để điều chỉnh mômen truyền động 𝑀 𝐾𝑎𝑟 do động cơ cung cấp, bộ điều khiển khóa vi sai ngang sử dụng tốc độ vi sai 𝑣 𝐷𝑖𝑓 = 𝑣 𝐿 − 𝑣 𝑅 để điều chỉnh tỷ lệ phân phối 𝑀 𝐿 /𝑀 𝑅 từ đó phân phối mômen xoắn truyền động 𝑀 𝐾𝑎𝑟 đến các bánh được dẫn
Hình 2.17 cho thấy tình huống khi các bánh xe được dẫn động chạy trên các phần mặt đường có độ ma sát khác nhau ở cùng một thời điểm Cụ thể, phía bên trái của phương tiện nằm trên mặt đường trơn trượt có hệ số ma sát thấp 𝜇 𝑙 trong khi phía bên phải của phương tiện lại nằm trên mặt đường khô ráo có hệ số ma sát cao hơn 𝜇 ℎ Nếu không có sự hỗ trợ của hệ thống kiểm soát lực kéo, bộ vi sai sẽ phân bổ đều mômen xoắn dẫn động 𝑀 𝐾𝑎𝑟 cho cả hai bánh xe được dẫn Mômen truyền động 𝑀 𝐾𝑎𝑟 lớn hơn làm cho bánh xe ở phía có hệ số ma sát thấp 𝜇 𝑙 bị trượt và tốc độ vi sai 𝑣 𝐷𝑖𝑓 > 0
Hình 2.17 Xe di chuyển trên mặt đường có hệ số ma sát khác nhau [46]
28 Để ngăn chặn hiện tượng trượt trong trường hợp này, lực phanh 𝐹 𝐵𝑟 được tác dụng lên bánh xe nằm trên mặt đường có hệ số ma sát thấp 𝜇 𝑙 (hình 2.16 và 2.17) Theo đó, dưới tác động của bộ vi sai và lực truyền động 𝐹 𝑙 không đổi, toàn bộ lực 𝐹 𝐵𝑟 + 𝐹 𝑙 sẽ được truyền sang bánh xe nằm trên mặt đường có hệ số ma sát cao hơn 𝜇 ℎ do lực phanh không được áp dụng lên bánh xe này (hình 2.17)
Hình 2.18 Biểu đồ mối quan hệ của tốc độ các bánh xe và mômen phanh [46]
Kết quả là mômen truyền động 𝑀 𝐾𝑎𝑟 cũng được tăng lên tương ứng, hiện tượng trượt ở bánh xe nằm trên mặt đường trơn trượt có hệ số ma sát thấp 𝜇 𝑙 được ngăn chặn, tốc độ quay của hai bánh xe được dẫn là bằng nhau sau một khoảng thời gian ngắn tác dụng lực phanh lên bánh xe bị trượt (hình 2.18) và nhờ đó xe có thể hoạt động ổn định
2.3.2 Hệ thống cân bằng điện tử ESP a) Hiện tượng thiếu lái
Thiếu lái là thuật ngữ được sử dụng khi ô tô không có đủ khóa lái để đi vòng quanh một góc cua theo ý người lái Nó thường xảy ra khi đi vào một khúc cua và người lái xe đã đánh lái nhưng không đủ lực đánh lái để ô tô đi theo góc cua mà nó có xu hướng đi lệch về hướng ngược lại và lao về phía bên ngoài của vòng cua (hình 2.19) Hiện tượng thiếu lái này thường xảy ra nếu người lái xe vào cua quá nhanh và lốp bánh xe trước bị mất độ bám đường.
29 Hình 2.19 Hiện tượng thiếu lái khi vào cua ở xe ô tô [47]
Bán kính đường cua của xe:
Trong đó: 𝑅 𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒 là bán kính đường cua của xe;
𝑣 𝐹𝑧 là vận tốc dài của xe; 𝑎 𝑦 là gia tốc pháp tuyến của xe
Hình 2.20 Phân tích hiện tượng thiếu lái khi vào cua ở xe ô tô [49]
30 Hình 2.20 phân tích nguyên nhân vì sao xe ô tô có xu hướng đi lệch về phía bên ngoài vòng cua khi xảy ra hiện tượng thiếu lái Nhằm giúp xe thiết lập được tốc độ góc cần thiết (yaw rate) và tránh được hiện tượng thiếu lái không mong muốn, có hai phương pháp có thể được thực hiện:
❑ Hệ thống cân bằng điện tử ESP: can thiệp lực phanh tại bánh xe phía sau bên trong khúc cua (hình 2.21)
❑ Bộ điều khiển điện tử của xe ô tô ECU: điều chỉnh giảm tốc độ dài của xe
Hình 2.21 Phương pháp khắc phục hiện tượng thiếu lái khi vào cua ở xe ô tô [49] b) Hiện tượng thừa lái
Hình 2.22 Hiện tượng thừa lái khi vào cua ở xe ô tô [48]
31 Thừa lái hay dư lái là thuật ngữ được sử dụng để chỉ hiện tượng khi ô tô vào cua mà trục sau của nó bị trượt về phía bên ngoài khúc cua và mất khả năng bám đường Lúc này, các bánh sau bị trượt thẳng theo quỹ đạo cũ, còn bánh trước lại chuyển hướng theo điều khiển từ vô lăng, khiến cho đầu xe quay vòng hoặc chuyển hướng mà đuôi xe vẫn trượt thẳng (hình 2.22) Nguyên nhân của hiện tượng này là do:
❑ Xe vào cua gấp làm cho tỷ lệ chệch hướng (yaw rate) và góc trượt của thân xe quá lớn (trục sau đạt đến giới hạn lực ngang trước trục trước)
❑ Xe di chuyển trong điều kiện đường trơn, tăng ga sớm, giảm ga đột ngột hoặc phanh gấp ở giữa khúc cua Khi phanh dừng xe đột ngột, mũi xe sẽ chúi xuống, khiến trọng lượng chính dồn lên giảm xóc trước và 2 bánh trước Điều này làm cho hai bánh sau mất độ bám đường, đuôi xe theo quán tính sẽ văng hình vòng cung
❑ Để khắc phục hiện tượng thừa lái, có hai phương pháp có thể được thực hiện:
❖ Hệ thống cân bằng điện tử ESP: can thiệp lực phanh tại bánh xe phía trước bên ngoài khúc cua (hình 2.23)
❖ Bộ điều khiển điện tử của xe ô tô ECU: điều chỉnh giảm tốc độ của xe
Hình 2.23 Phương pháp khắc phục hiện tượng thừa lái khi vào cua ở xe ô tô [49]
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG KIỂM SOÁT LỰC KÉO TCS
Phân tích sơ lược bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo TCS
Một cách tổng quát, bộ điều khiển TCS bao gồm bộ điều khiển mômen động cơ (MTC – Motor Torque Control) dùng để điều khiển lực truyền động của hệ thống truyền động và bộ điều khiển trợ lực phanh (BTC – Brake Torque Control) dùng để điều khiển mômen phanh của hệ thống phanh (hình 3.1) Chỉ bộ điều khiển phanh mới có thể thêm tải vào bộ phận thủy lực vì tác nhân của nó là phanh Chức năng chính của bộ điều khiển phanh là ngăn một bánh xe ở trục dẫn động quay Thông thường khi phanh bánh xe đang quay và chuyển mômen xoắn sang trạng thái không quay Mặt khác, bộ điều khiển động cơ cũng có thể thực hiện điều này bằng cách giảm mômen xoắn của động cơ cho đến khi bánh xe quay ổn định Nhưng trong trường hợp này lực kéo sẽ kém Thông thường cả hai bộ điều khiển làm việc cùng nhau và điều khiển bánh xe quay, có nghĩa là mômen xoắn của động cơ sẽ giảm cũng như áp suất sẽ tích tụ ở bánh xe bị trượt
Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống kiểm soát lực kéo TCS [49]
Bộ điều khiển PID Tốc độ trục mục tiêu
Tốc độ bánh xe mục tiêu
Hệ thống phanh Động cơ Hệ thống truyền động
Tốc độ bánh xe Tốc độ trục Gia tốc khung Vận tốc khung Mômen phanh mục tiêu Mômen động cơ mục tiêu
Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc phân rã của hệ thống kiểm soát lực kéo TCS [49]
Thiết kế bộ điều khiển lực phanh BTC
– 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]
17 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 cm 3 /s trên mỗi mạch phanh Ngoài ra, một biến thể với công nghệ động cơ EC và tốc độ dòng chảy 14 cm 3 /s có sẵn
Hình 2.6 Hệ thống phanh tái tạo ESP hev [37]
18 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
5 ECU: bộ điều khiển điện tử
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
19 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
So sánh và nhận xét các kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển BTC
Với những đề xuất thay đổi bổ sung như đã trình bày ở phần trước, bước tiếp theo sẽ cần tiến hành mô phỏng bằng tất cả các bộ kiểm tra cho cả hai phần mềm gốc – OSW và phần mềm đã được cập nhật – USW (tệp tin nén tất cả các phần mềm con liên quan và cấu thành nên bộ điều khiển VDC) nhằm so sánh và nhận xét tính hiệu quả của đề xuất dựa trên kết quả mô phỏng đầu ra Các kết quả đo về tổng thời lượng hoạt động của BTC cả hai phần mềm trên sẽ lần lượt được trình bày với đầy đủ các tín hiệu trong các phần từ phụ lục A tới D cho OSW và phụ lục Q tới T cho USW Hình 3.15 bên dưới sẽ tổng hợp và thể hiện lại sự hoạt động của riêng tín hiệu BTC_Active nhằm thuận tiện trong việc so sánh các kết quả đo thời lượng hoạt động của hệ thống BTC a) So sánh thời lượng BTC_Active hoạt động với TC1 b) So sánh thời lượng BTC_Active hoạt động với TC2
62 c) So sánh thời lượng BTC_Active hoạt động với TC3 d) So sánh thời lượng BTC_Active hoạt động với TC4 Hình 3.15 So sánh thời lượng BTC_Active hoạt động qua các bộ kiểm tra Để có thể đo được thời lượng hoạt động của một chương trình hay tín hiệu bất kỳ, hai đường gióng theo phương thẳng đứng A và B sẽ được kẻ ra, trong đó, A được đặt tại thời điểm tín hiệu kích hoạt tương ứng nhảy lên 1 còn B được đặt tại thời điểm tín hiệu đó trả về giá trị 0 (hay ngừng kích hoạt) nằm gần nhất về phía bên phải của A Thời lượng đo được giữa hai đường gióng A và B sẽ là thời lượng mỗi lần tín hiệu đó hoạt động với đơn vị là giây Một chương trình hay tín hiệu bất kỳ có thể được kích hoạt nhiều lần trong cùng một khoảng thời gian của mô phỏng Cộng lại tất cả các thời lượng đo được này, sẽ cho kết quả là tổng thời lượng mà chương trình đó hoạt động trong mỗi lần thực hiện mô phỏng Trong hình 3.15, có thể nhận thấy tổng thời lượng hoạt động của BTC trước khi thuật toán được cải tiến (BTC_Active OSW) là lớn hơn cũng như được kích hoạt nhiều lần hơn so với sau khi được cập nhật (BTC_Active USW)
63 Biểu đồ 3.1 Tổng kết và so sánh các kết quả đo về thời lượng hoạt động của BTC
Tất cả các kết quả đo trong các phần từ phụ lục A tới D và phụ lục Q tới T về tổng thời lượng hoạt động của BTC được tổng kết và so sánh trong biểu đồ 3.1 ở trên Sau đây là những phân tích và nhận xét về dữ liệu tổng hợp về thời gian hoạt động của TCS trong phần mềm gốc và phần mềm đã được cập nhật qua bốn bộ kiểm tra:
❑ Bộ kiểm tra số 1: Phần mềm cập nhật cho thấy sự cải thiện đáng kể về hiệu suất vì thời lượng làm việc đã giảm từ 1.692 giây xuống 1.161 giây Điều này cho thấy rằng bản cập nhật đã tối ưu hóa thời gian xử lý cho trường hợp thử nghiệm cụ thể này
❑ Bộ kiểm tra số 2: Phần mềm cập nhật cho thấy sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất Thời lượng làm việc đã giảm từ 2.5295 giây xuống 0.8645 giây, cho thấy tốc độ xử lý đã được tối ưu hóa đáng kể
❑ Bộ kiểm tra số 3: Phần mềm được cập nhật, trong trường hợp này, cho thấy thời lượng làm việc tăng nhẹ so với phần mềm gốc từ 4.17 giây lên 4.4505 giây Điều quan trọng là phải điều tra lý do đằng sau sự gia tăng này để đảm bảo rằng bản cập nhật không gây ra những hậu quả ngoài ý muốn
❑ Bộ kiểm tra số 4: Tương tự như bộ kiểm tra số 2, nó cho thấy sự cải thiện đáng kể về tốc độ xử lý với phần mềm được cập nhật Thời lượng làm việc đã giảm từ 2.62 giây xuống 1.2475 giây, cho thấy đã tối ưu hóa thành công Như vậy, ngoại trừ một trường hợp mô phỏng bằng bộ kiểm tra số 3 khi tổng thời lượng BTC hoạt động ở phần mềm đã được cập nhật lớn hơn so với phần mềm gốc một
Bộ kiểm tra số 1 Bộ kiểm tra số 2 Bộ kiểm tra số 3 Bộ kiểm tra số 4 1.692
Th ời lượn g BT C h o ạt độ n g (giây )
Bộ kiểm tra được dùng để mô phỏngPhần mềm gốc Phần mềm đã được cập nhật
64 khoảng xấp xỉ 7.45%, tất cả các trường hợp mô phỏng còn lại đều cho thấy sự hiệu chỉnh bổ sung sẽ có xu hướng giúp làm giảm đi thời gian hoạt động của bộ điều khiển trợ lực phanh BTC một khoảng đáng kể: 31.38% cho bộ kiểm tra số 1, 65.82% cho bộ kiểm tra số 2 và 52.39% cho bộ kiểm tra số 4.
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ ESP
Phân tích sơ lược bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng điện tử ESP
Một cách tổng quát, hình 4.1 mô tả bộ điều khiển cân bằng điện tử ESP bao gồm bộ điều khiển chống bó cứng phanh (ABS – Anti-lock Braking Systems) dùng để ngăn chặn hiện tượng bó cứng phanh khi xe phanh gấp, bộ điều khiển lực kéo (TCS – Traction Control System) giúp cho xe tăng tốc mà không bị trượt, và bộ điều khiển động lực học (VDC – Vehicle Dynamics Controller) giúp cho xe giảm thiểu tình trạng thừa lái và thiếu lái (hình 4.2) Lưu ý là đôi khi ESP lại được dùng như từ đồng nghĩa của VDC
Hình 4.1 Tổng quan về hệ thống cân bằng điện tử ESP [49]
Hình 4.2 Hiện tượng thừa lái – Oversteer và thiếu lái – Understeer [49]
Phanh bánh sau bên trái
Phanh bánh trước bên phải
Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc phân rã của hệ thống điều khiển động lực học VDC [49]
Sơ đồ được trình bày trong hình 4.3 bên trên là bản tóm tắt thể hiện cấu trúc phân rã của bộ điều khiển động lực học VDC hay bộ điều khiển tốc độ quay YRC và sự phân bổ của các thành phần liên quan được nhúng trong sản phẩm ESP bao gồm:
❑ Một bộ cảm biến đo tốc độ bánh xe, điểm vận hành của động cơ và hành động của người lái
❑ ECU chạy phần mềm trên đó
❑ Một bộ phận thủy lực có thể tạo áp suất phanh cho từng bánh xe
❑ Các đường kết nối (bus) giữa các bộ phận này cũng như với động cơ và đèn YRC yêu cầu hệ thống ESP đầy đủ với bộ cảm biến ESP cơ bản Hầu hết các tín hiệu đầu vào đều được lấy trực tiếp từ các cảm biến và được xử lý thêm trong YRC Các đầu ra được phối hợp với các bộ điều khiển khác trước khi chúng được kích hoạt bằng phanh động cơ tương ứng
Trong chương trước, việc phân tích và thiết kế bộ điều khiển lực kéo TCS – Traction Control System đã đóng góp một phần rất quan trọng cho việc thực hiện mục tiêu đề tài Luận văn về phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng điện tử ESP nói chung Trong chương này, bộ điều khiển động lực học VDC hay còn gọi là bộ điều khiển tốc độ quay YRC – Yaw Rate Controller sẽ được lựa chọn làm mục tiêu tiếp theo để phân tích và thiết kế Đây là một phần của bộ điều khiển cân bằng điện tử ESP giúp ổn định động lực học quay của thân xe
VDC điều khiển tốc độ quay (yaw rate) giúp giảm thiểu tình trạng đánh lái quá mức và thiếu lái bằng cách can thiệp vào mômen xoắn của từng bánh xe và điều chỉnh mômen xoắn của động cơ Lưu ý là việc làm cho xe giảm tốc hoặc tăng tốc không phải là mục đích của việc kiểm soát tốc độ quay quanh trục dọc của thân xe mà là phương tiện tạm thời để đạt được các mục tiêu nói trên.
Phân tích bộ điều khiển động lực học VDC
Thông qua quá trình phân tích, tác giả nhận thấy thuật toán của bộ điều khiển động lực học VDC có các đặc điểm nổi bật chính như sau:
❑ Tốc độ quay quanh trục dọc của thân xe (yaw rate) được tính toán dựa trên nền tảng lý thuyết tốc độ quay Ackermann
❑ Để điều chỉnh VDC, cần phải biết hệ số ma sát của mặt đường Hệ số này không thể đo được mà chỉ có thể ước tính được bằng các lực được sử dụng
❑ VDC có thể được tắt hoặc giảm cường độ hay giảm độ nhạy theo mong muốn của người lái thông qua các chế độ vận hành khác nhau
❑ Trong quá trình hoạt động, tùy thuộc vào trạng thái của xe, mỗi yêu cầu mômen phanh đều có kèm theo chỉ báo khẩn cấp tổng thể CoUrgency Chỉ báo càng lớn, tốc độ bơm dầu phanh sẽ càng nhanh và ngược lại
4.2.1 Lý thuyết tốc độ quay Ackermann
Bộ điều khiển tốc độ quay quanh trục dọc của thân xe (yaw rate) của ESP nhận biết độ lệch của tốc độ quay đo được so với tốc độ quay mục tiêu của xe và điều chỉnh độ trượt phanh trên các bánh xe thích hợp cho phù hợp Một trong những yếu tố chính đóng góp vào tỷ lệ quay mục tiêu là tỷ lệ quay Ackermann vGiSoAck, được lấy từ mô hình xe đạp và được tính theo phương trình sau: Ψ̇ = 𝑣 𝐹𝑧
Trong đó: 𝛿 𝐿 là góc đánh lái [rad]
𝑣 𝐹𝑧 là vận tốc dài của xe [m/s]
𝑙 là chiều dài cơ sở – khoảng cách của hai trục bánh xe [m]
𝑣 𝑐ℎ là vận tốc đặc trưng Tốc độ đặc trưng 𝑣 𝑐ℎ là tên viết tắt của một số thông số xe:
Trong đó: 𝑚 là khối lượng của xe [kg]
𝑙 là chiều dài cơ sở – khoảng cách của hai trục bánh xe [m]
𝑙 𝑥_𝐹𝐴 là khoảng cách từ trọng tâm tới trục trước [m]
𝑙 𝑥_𝑅𝐴 là khoảng cách từ trọng tâm tới trục sau [m]
𝑐 𝐹 là độ cứng của lốp trước [N/m]
𝑐 𝑅 là độ cứng của lốp sau [N/m]
Phương trình trên cho thấy, theo mô hình xe đạp, tốc độ đặc trưng phụ thuộc vào khối lượng của xe và thậm chí phụ thuộc nhiều hơn vào vị trí dọc của trọng tâm Từ phương trình suy ra rằng:
❑ 𝑣 𝑐ℎ giảm khi khối lượng xe tăng
❑ 𝑣 𝑐ℎ tăng khi độ cứng của lốp sau giảm
❑ 𝑣 𝑐ℎ tăng khi khoảng cách từ trọng tâm đến trục sau giảm dần
69 Trong trường hợp mẫu số chuyển sang âm, bình phương của 𝑣 𝑐ℎ chuyển sang âm, khi đó người ta không còn nói về tốc độ đặc trưng nữa mà nói về tốc độ tới hạn 𝑣 𝑐𝑟𝑖𝑡 trong đó tốc độ quay của Ackermann nằm trên tốc độ của xe lái trung bình Mặc dù tốc độ đặc trưng là thước đo, nhưng tốc độ tới hạn hiện tại mới có thể biểu thị một phương tiện bị thiếu lái một cách tự nhiên (có thể quan sát được khi đến gần 𝑣 𝑐𝑟𝑖𝑡 ) Tải trọng trục sau cao có thể dẫn đến tình trạng xe bị lái quá mức một cách tự nhiên Một cách để bù đắp một phần ảnh hưởng này là tăng áp suất lốp, từ đó làm tăng độ cứng của lốp
4.2.2 Ước tính hệ số ma sát
Hệ số ma sát 𝜇 mô tả tỉ số giữa lực ma sát giữa hai vật và lực ép chúng lại với nhau Ở đây, sự tiếp xúc giữa lốp bánh xe và mặt đường sẽ được xem xét Các giá trị điển hình là:
❑ Lốp trên đường nhựa khô – mue cao: 0,8 - 1,2
❑ Lốp đi trên đường ướt, trơn trượt – mue trung bình: 0,35 - 0,8
❑ Lốp trên tuyết và băng – mue thấp: 0,1 - 0,35
Hình 4.4 Cách tính lực pháp tuyến với các bánh xe [49] Để VDC có thể ước tính lực bánh xe và điều chỉnh các giá trị điều khiển, đầu tiên, lực pháp tuyến với các bánh xe sẽ được minh họa trong hình 4.4 và tính toán như sau:
Trong đó: 𝑚 là khối lượng của xe
𝑔 là gia tốc trọng trường [m/s]
𝑙 là chiều dài cơ sở – khoảng cách của hai trục bánh xe [m]
𝑙 𝑥_𝐹𝐴 là khoảng cách từ trọng tâm tới trục trước [m]
𝑙 𝑥_𝑅𝐴 là khoảng cách từ trọng tâm tới trục sau [m]
𝑎 𝑥 là gia tốc dài theo phương x [m/s 2 ]
𝑎 𝑦 là gia tốc ngang theo phương y [m/s 2 ]
ℎ 𝑐𝑜𝑔 là khoảng cách từ trọng tâm tới mặt đường [m]
𝑤 là khoảng cách giữa hai bánh xe đồng trục [m]
Hệ số ma sát 𝜇 𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡 bao gồm hai thành phần là hệ số ma sát dọc và hệ số ma sát ngang và được tính theo công thức như sau:
𝜇 𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡 = √𝜇 2 𝑙𝑜𝑛𝑔 2 + 𝜇 𝑙𝑎𝑡 2 (4.5) Trong đó: 𝜇 𝑙𝑜𝑛𝑔 là hệ số ma sát dọc
𝜇 𝑙𝑎𝑡 là hệ số ma sát ngang
Hệ số ma sát dọc 𝜇 𝑙𝑜𝑛𝑔 tại từng bánh xe (XX) được tính toán như sau:
Trong đó: 𝐹 𝑥_𝑋𝑋 là lực tiếp tuyến tại mỗi bánh xe
𝐹 𝑛_𝑋𝑋 là lực pháp tuyến tại mỗi bánh xe
Ta có phương trình động học như sau:
⇔ 𝐽 ∗ Ψ̈ = 𝐹 𝑦_𝐹𝐴 ∗ 𝑙 𝑥_𝐹𝐴 − 𝐹 𝑦_𝑅𝐴 ∗ 𝑙 𝑥_𝑅𝐴 (4.8) Trong đó: 𝑚 là khối lượng của xe [m]
𝑎 𝑦 là gia tốc ngang theo phương y [m/s 2 ]
𝐹 𝑦_𝐹𝐴 là lực ngang tại trục trước [N]
𝐹 𝑦_𝑅𝐴 là lực ngang tại trục sau [N]
𝐽 là mômen quán tính đối với trục thẳng đứng [kgm 2 ] Ψ̈ là gia tốc góc [rad/s 2 ]
𝑙 𝑥_𝐹𝐴 là khoảng cách từ trọng tâm tới trục trước [m]
𝑙 𝑥_𝑅𝐴 là khoảng cách từ trọng tâm tới trục sau [m]
Từ các phương trình (4.7) và (4.8) có thể suy ra các lực ngang tại các trục như sau:
Từ đó, hệ số ma sát ngang tại từng trục sẽ được tính toán như sau:
Trong đó: 𝜇 𝑙𝑎𝑡_𝑋𝐴 là hệ số ma sát ngang tại từng trục bánh xe
𝐹 𝑦_𝑋𝐴 là lực ngang tại từng trục bánh xe [N]
𝐹 𝑛_𝑋𝐴 là lực pháp tuyến tại từng trục bánh xe [N]
4.2.3 Các chế độ vận hành khác nhau của VDC
Về cơ bản, có ba chế độ hoạt động khác nhau dành cho VDC Chúng chủ yếu thay đổi trạng thái nhả, mức tăng và giá trị tối đa của mômen xoắn được yêu cầu Tùy theo từng đối tượng khách hàng cụ thể mà VDC sẽ có các chiến lược cho các chế độ hoạt động khác nhau Dưới đây là chiến lược chung dành cho phần mềm chính thống:
❑ Tắt (ESC-Off): các biện pháp can thiệp của YRC sẽ bị tắt
❑ Bình thường (Normal): chế độ mặc định, can thiệp tiêu chuẩn từ YRC
❑ Thể thao (ESC-Sport): ngưỡng can thiệp mở rộng và thả ra sau đó, góc trượt bên cao hơn cho phép
YRC có thể được chia thành nhiều chức năng phụ để thực hiện các nhiệm vụ sau:
❑ Quản lý trạng thái động học:
❖ Đảm bảo sự hoạt động đúng của tín hiệu đầu ra
❖ Điều khiển các trạng thái bên trong VDC theo trạng thái hệ thống
❖ Đánh giá các thông tin liên quan đến động lực học của xe như hệ số ma sát mặt đường, lực ngang và lực dọc,
❑ Tốc độ quay mục tiêu:
❖ Tính toán hành vi mục tiêu dự định của phương tiện (do người lái đưa ra hoặc từ môi trường)
❑ Kiểm soát trạng thái thừa lái:
❖ Tính toán mômen xoắn mong muốn trong tình huống thừa lái
❑ Kiểm soát trạng thái thiếu lái:
❖ Tính toán mômen xoắn mong muốn trong tình huống thiếu lái
❑ Giao tiếp với hệ thống phanh:
❖ Chuyển đổi mômen xoắn mong muốn thành mômen phanh yêu cầu của từng bánh xe
❑ Giao tiếp với hệ thống động cơ:
❖ Tính toán mô men xoắn mong muốn của động cơ
VDC phụ thuộc rất nhiều vào sự sẵn có của các tín hiệu cảm biến cần thiết (gia tốc ngang, tốc độ lệch, góc lái) cũng như các tín hiệu ước tính như vận tốc dọc của xe Trong mỗi tình huống, phải đảm bảo rằng VDC thể hiện hành vi đầu ra được xác định phụ thuộc vào đầu vào của nó Ngoài ra, cần phải đặt VDC ở chế độ xác định tùy theo yêu cầu của người lái xe Danh sách hiển thị các trạng thái theo trình tự giảm dần mà VDC sẽ phân biệt bên trong như sau (VDCState):
❑ VDCState_Normal: Đầy đủ chức năng; chất lượng tín hiệu đầy đủ
❑ VDCState_RedSigQuality: Nghi ngờ lỗi cảm biến (SAS, YRS, AYS), cho phép can thiệp VDC với hiệu suất giảm
❑ VDCState_OutputsOff: Giá trị đích được phát hiện và chuyển tiếp đáng tin cậy, nhưng các biện pháp can thiệp bị cấm (ví dụ: tắt phanh tay)
❑ VDCState_TarOff: Không phát hiện được chuyển động tiến lên phía trước, không thể tính toán giá trị mục tiêu, cấm can thiệp
❑ VDCState_Off: Tắt bởi STM (State Management) hoặc các chức năng dịch vụ (BSC, VSE) chưa sẵn sàng
Tùy thuộc vào trạng thái này, đầu ra của các chức năng chính có thể được xử lý theo cách thích hợp Trong trường hợp VDC được cài đặt ở trạng thái VDCState_Normal hoặc VDCState hoạt động bình thường, không ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, các giá trị được tính toán chỉ được ánh xạ mà không có bất kỳ sửa đổi nào
4.2.4 Sự thay đổi tùy theo tình huống của tốc độ bơm dầu phanh
Trong quá trình VDC hoạt động, mỗi yêu cầu mômen phanh đều có kèm theo chỉ báo khẩn cấp tổng thể CoUrgency – được tính toán tùy thuộc vào hệ số ma sát, tốc độ xe, độ dốc tốc độ chệch hướng và độ dốc góc lái
Giá trị của nó là một phép tính mờ dựa trên ba chỉ báo từng phần sau:
❑ Phần phụ thuộc ma sát CoUrgencyMueVx là bảng đặc tính có thể điều chỉnh được phụ thuộc vào độ bám đường của bánh xe mue và tốc độ xe
❑ Phần gradient tốc độ yaw CoUrgencyVxDvGi là một đường cong đặc trưng có thể điều chỉnh được phụ thuộc vào phép nhân vFzRef * DvGiF được lọc
❑ Phần phụ thuộc độ dốc góc lái CoUrgencyDAbsLwVx là bảng đặc tính có thể điều chỉnh phụ thuộc vào DAbsLw đã lọc và tốc độ xe
Chỉ báo mức độ khẩn cấp tổng thể CoUrgency lấy giá trị cao nhất trong ba chỉ báo từng phần CoUrgencyMueVx, CoUrgencyVxDvGi và coUrgencyDAbsLwVx Các chỉ báo từng phần có thể được điều chỉnh riêng biệt để can thiệp vào tình trạng lái quá mức, thiếu lái và can thiệp mômen động học bánh xe bằng phanh DWT-B
Tùy thuộc vào chỉ báo mức độ khẩn cấp của biện pháp can thiệp, chỉ số CoUrgency (0 – thấp nhất; 1 – cao nhất) có thể phân biệt 5 tình huống chính (hình 4.6) liên quan đến tiếng ồn, độ rung và độ khắc nghiệt (NVH) cũng như các yêu cầu về hiệu suất đối với gradient áp suất, được sắp xếp bằng cách tăng CoUrgency:
❑ Can thiệp trước khi bơm (Prefill Interventions): Yêu cầu tiếng ồn, độ rung và độ khắc nghiệt cao, và hiệu suất thấp
❑ Can thiệp mômen động học bánh xe bằng phanh (DWT-B Interventions): Yêu cầu tiếng ồn, độ rung và độ khắc nghiệt cao, và hiệu suất trung bình
❑ Can thiệp khi thiếu lái (Understeering Interventions): Yêu cầu tiếng ồn, độ rung và độ khắc nghiệt trung bình, và hiệu suất cao hơn
❑ Can thiệp khi thừa lái (Oversteering Interventions): Yêu cầu tiếng ồn, độ rung và độ khắc nghiệt trung bình, và hiệu suất cao nhất
❑ Can thiệp khi chuyển làn đường (Lane Change Interventions): Yêu cầu tiếng ồn, độ rung và độ khắc nghiệt thấp, và hiệu suất tối đa
Hình 4.5 Các tình huống chính và chỉ số mức độ khẩn cấp CoUrgency [49]
74 Đối với các biện pháp can thiệp DWT-B và thiếu lái, tốc độ bơm cao hơn phụ thuộc vào chỉ số mức độ khẩn cấp CoUrgency để đạt được hiệu suất tối đa với hành vi NVH tốt nhất Cần có động lực tối đa có thể để can thiệp hiện tượng thừa lái ở mức cao (hệ thống có thể yêu cầu độ trượt cao và thể tích lớn cho phanh trước) Khi bắt đầu can thiệp, tốc độ bơm tối đa bắt đầu ở mức cơ bản để giảm tiếng ồn và tăng dần lên mức tối đa với độ dốc nhất định Đối với các biện pháp can thiệp điều khiển thiếu lái và thừa lái ở mức thấp, hệ thống sẽ giảm tốc độ bơm chặn trên để có thể đạt đến giới hạn trượt nhanh hơn Sau khi điều chỉnh cài đặt mặc định của tốc độ bơm, đặc biệt là ở giới hạn trên, các giá trị phải được kiểm tra chéo bằng các thao tác phù hợp để đảm bảo vẫn đạt được hiệu suất mong muốn (ví dụ: kiểm tra thêm lốp có độ bám cao và đế rộng)
4.2.5 Các tín hiệu liên quan và thuật toán tính mômen quay mục tiêu
Dưới đây là một số tín hiệu quan trọng trong bộ điều khiển động học VDC:
❑ Độ lệch của tốc độ quay evGi: Thu được từ chênh lệch giữa tốc độ quay được lọc hiện tại và tốc độ quay mục tiêu: evGi = vGiF − vGiSo (4.12)
❑ Tỷ số phanh CoBreWu: Đối với các tình huống lái xe khác nhau, cần phải biết liệu ABS có chiếm quyền kiểm soát ở trục trước để thích ứng hay không Thông tin về công tắc đèn phanh được kích hoạt hoặc áp suất xi lanh chính không phải lúc nào cũng đầy đủ, vì thế, CoBreWu cần phải được tính toán
Thiết kế bộ điều khiển động lực học VDC
Tương tự như việc thiết kế bộ điều khiển kiểm soát lực kéo TCS, để có thể khảo sát và thiết kế bộ điều khiển động lực học VDC, 4 bộ kiểm tra đã được tạo ra bằng phần mềm TestIDE với nội dung cụ thể được thể hiện trong bảng 4.1 dưới đây
Bảng 4.1 Nội dung các bộ kiểm tra được thiết kế cho VDC
1 Bắt đầu đo Bắt đầu đo Bắt đầu đo Bắt đầu đo
2 Khởi động xe Khởi động xe Khởi động xe Khởi động xe
3 Đạp ga tăng tốc lên 60 km/giờ và duy trì tốc độ Đạp ga tăng tốc lên 80 km/giờ và duy trì tốc độ Đạp ga tăng tốc lên 60 km/giờ và duy trì tốc độ Đạp ga tăng tốc lên 80 km/giờ và duy trì tốc độ
4 Đánh lái phải và trái với góc lái từ
80 0 đến -80 0 3 lần theo biểu đồ hình sine trong 3 giây Đánh lái phải và trái với góc lái từ
80 0 đến -80 0 3 lần theo biểu đồ hình sine trong 3 giây Đánh lái trái với góc lái từ 0 0 đến -160 0 3 lần theo biểu đồ hình sine trong 3 giây Đánh lái trái với góc lái từ 0 0 đến -160 0 3 lần theo biểu đồ hình sine trong 3 giây
5 Trả góc lái và duy trì xe chạy thẳng trong 2 giây sau đó nhả ga giảm tốc về 0
Trả góc lái và duy trì xe chạy thẳng trong 2 giây sau đó nhả ga giảm tốc về 0
Trả góc lái và duy trì xe chạy thẳng trong 2 giây sau đó nhả ga giảm tốc về 0
Trả góc lái và duy trì xe chạy thẳng trong 2 giây sau đó nhả ga giảm tốc về 0
6 Tắt máy xe Tắt máy xe Tắt máy xe Tắt máy xe
Nhìn chung, để có thể kích hoạt VDC thì xe sẽ cần có tốc độ, đi thẳng hoặc đánh lái vào cua Các kết quả đo tín hiệu đầu ra của bốn bộ kiểm tra ở trên với phần mềm gốc – OSW được thể hiện trong các phần từ phụ lục U tới X Thông tin về tên của các tín hiệu có liên quan đến bộ điều khiển động lực học VDC được cung cấp trong bảng 4.2 Bảng 4.2 Các tín hiệu có liên quan đến bộ điều khiển động lực học VDC
STT Tên tín hiệu Ý nghĩa
1 ThrottlePos Vị trí của bướm ga
2 B_VDCActive Trạng thái hoạt động của VDC
3 VDCVAF_Prio Chế độ hoạt động ưu tiên của VDC
4 B_VDC_OSI_Active Trạng thái hoạt động của VDC khi thừa lái
5 B_VDC_USI_Active Trạng thái hoạt động của VDC khi thiếu lái
6 CurrentStateVDC Trạng thái sẵn sàng của VDC
8 vGiSo Tốc độ quay mục tiêu
9 vGiF Tốc độ quay được lọc hiện tại
10 evGi Độ lệch của tốc độ quay
11 CoUrgency.Oversteering Chỉ số khẩn cấp khi thừa lái
12 CoUrgency.Understeering Chỉ số khẩn cấp khi thiếu lái
13 VehicleSpeed Tốc độ của xe
14 v_XX Tốc độ của bánh xe XX
15 P_Model_XX Áp suất phanh tại bánh xe XX
Việc mô phỏng sẽ được tiến hành thông qua phần mềm STEPS để điều khiển các phần mềm khác trong Sil Các kết quả mô phỏng của bốn bộ kiểm tra đã thiết kế (như được trình bày trong bảng 4.1) với phần mềm gốc – OSW được thể hiện trong các phần từ phụ lục U tới phụ lục X Từ kết quả mô phỏng của hai bộ kiểm tra đầu tiên với phần mềm gốc OSW (phụ lục U và V), có thể thấy khi vào cua và đánh lái cả hai bên trái và phải thì xe sẽ có xu hướng rơi vào hiện tượng thiếu lái (tín hiệu B_VDC_USI_Active kích hoạt lên 1) ngay vòng cua đầu tiên Ngược lại, nó sẽ có xu hướng rơi vào hiện tượng thừa lái (tín hiệu B_VDC_OSI_Active kích hoạt lên 1) khi xe bắt đầu giảm tốc độ ngay sau đó
Hiện tượng thừa lái khi xe giảm tốc làm kích hoạt VDC vẫn được giữ nguyên trong các mô phỏng còn lại của hai bộ kiểm tra số 3 và 4 với phần mềm gốc như được thể hiện
83 lần lượt trong các phần phụ lục W và X Tuy nhiên, với cách thay đổi góc lái theo nguyên tắc hình sine về một bên của xe đã khiến cho xe liên tục rơi vào trạng thái thừa lái trong khoảng thời gian đầu khi vào cua của các mô phỏng này Thậm chí tình hình trở nên phức tạp hơn khi đưa xe lên tốc độ cao hơn, hiện tượng thiếu thái lúc vào cua đã diễn ra một thời gian ngắn trong mô phỏng của bộ kiểm tra số 4
Một cách tổng quát, khi độ lệch của tốc độ quay evGi hay hiệu số giữa tốc độ quay được lọc hiện tại vGiF và tốc độ quay mục tiêu vGiSo có giá trị tuyệt đối lớn hơn 0 thì VDC sẽ được kích hoạt Mục tiêu của VDC là giúp cho xe có thể vận hành êm ái và giữ được tốc độ mong muốn, đặc biệt khi xảy ra trường hợp thừa lái hay thiếu lái Để cải thiện thuật toán điều khiển đã có, đầu ra của mômen xoắn yêu cầu dMz cho cả hai hiện tượng thừa lái và thiếu lái sẽ được gia tăng hoặc gia giảm một lượng tùy theo dấu tại thời điểm được tính toán và tỷ lệ thuận với giá trị tuyệt đối của dMz Lượng khuếch đại này phải có độ lớn vừa đủ để không làm ảnh hưởng đến các tính năng khác trên xe và không được quá lớn để gây ra sự không thoải mái của hành khách trong xe khi VDC hoạt động Cụ thể hơn, với dải hoạt động của mômen xoắn yêu cầu dMz trong khoảng từ – 40000 đến 40000 Nm thì phương trình khuếch đại được đề xuất như sau:
❑ Khi dMz > 1000 Nm: dMz += 500 ∗ (dMz 1000 ⁄ )
❑ Khi dMz < –1000 Nm: dMz −= 500 ∗ (dMz 1000 ⁄ )
Hình 4.8 Phương trình khuếch đại mômen xoắn yêu cầu dMz
84 a) Thuật toán được cập nhật của bộ điều khiển dMzControl (phần 1)
85 b) Thuật toán được cập nhật của bộ điều khiển dMzControl (phần 2)
86 c) Thuật toán được cập nhậy của bộ điều khiển dMzControl (phần 3)
Hình 4.9 Sơ đồ thuật toán được cập nhật của bộ điều khiển dMzControl [49]
Phương trình khuếch đại trên được minh họa trong hình 4.8 và được bổ sung vào thuật toán (phần màu đỏ) như thể hiện trong hình 4.9 ở trên với gia lượng delta và khoảng hoạt động có giá trị tuyệt đối từ 1000 đến 40000 Nm Như vậy, khi mômen xoắn yêu cầu dMz càng lớn, lượng khuếch đại sẽ càng tăng nhanh Thông qua bốn bộ kiểm tra, sự hiệu quả của đề xuất bổ sung này sẽ được kiểm chứng và trình bày ở phần tiếp theo
So sánh và nhận xét các kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển VDC
Với đề xuất bổ sung phương trình khuếch đại mômen xoắn yêu cầu dMz như đã trình bày ở phần trước, bước tiếp theo sẽ cần tiến hành mô phỏng bằng tất cả bốn bộ kiểm tra cho cả hai phần mềm OSW và USW (tệp tin nén tất cả các phần mềm con liên quan và cấu thành nên bộ điều khiển VDC) Các kết quả đo về tổng thời lượng hoạt động của VDC được trình bày cụ thể với tất cả các tín hiệu trong các phần từ phụ lục U tới phụ lục AB Hình 4.10 bên dưới sẽ tổng hợp và thể hiện lại sự hoạt động của riêng tín hiệu B_VDCActive nhằm thuận tiện trong việc so sánh các kết quả đo thời lượng hoạt động của hệ thống VDC a) So sánh thời lượng B_VDCActive hoạt động với TC1 b) So sánh thời lượng B_VDCActive hoạt động với TC2 c) So sánh thời lượng B_VDCActive hoạt động với TC3
88 d) So sánh thời lượng B_VDCActive hoạt động với TC4 Hình 4.10 So sánh thời lượng B_VDCActive hoạt động qua các bộ kiểm tra Để có thể đo được thời lượng hoạt động của một chương trình hay tín hiệu bất kỳ, hai đường gióng theo phương thẳng đứng A và B sẽ được kẻ ra, trong đó, A được đặt tại thời điểm tín hiệu kích hoạt tương ứng nhảy lên 1 còn B được đặt tại thời điểm tín hiệu đó trả về giá trị 0 (hay ngừng kích hoạt) nằm gần nhất về phía bên phải của A Thời lượng đo được giữa hai đường gióng A và B sẽ là thời lượng mỗi lần tín hiệu đó hoạt động với đơn vị là giây Một chương trình hay tín hiệu bất kỳ có thể được kích hoạt nhiều lần trong cùng một khoảng thời gian của mô phỏng Cộng lại tất cả các thời lượng đo được này, sẽ cho kết quả là tổng thời lượng mà chương trình đó hoạt động trong mỗi lần thực hiện mô phỏng Trong hình 4.10, có thể nhận thấy tổng thời lượng hoạt động của VDC trước khi thuật toán được cải tiến (B_VDCActive OSW) là lớn hơn cũng như được kích hoạt nhiều lần hơn so với sau khi được cập nhật (B_VDCActive USW) Biểu đồ 4.1 Tổng kết và so sánh các kết quả đo về thời lượng hoạt động của VDC
Bộ kiểm tra số 1 Bộ kiểm tra số 2 Bộ kiểm tra số 3 Bộ kiểm tra số 4 2.5625
Th ời lượn g VDC h o ạt độ n g (giây )
Bộ kiểm tra được dùng để mô phỏngPhần mềm gốc Phần mềm đã được cập nhật
89 Sau đây sẽ là những phân tích và nhận xét về dữ liệu tổng hợp về thời gian hoạt động của VDC (biểu đồ 4.1) trong hai phần mềm OSW và USW qua bốn bộ kiểm tra:
❑ Bộ kiểm tra số 1: Phần mềm cập nhật cho thấy sự cải thiện đáng chú ý với thời lượng làm việc giảm từ 2.5625 giây xuống 2.037 giây Điều này cho thấy sự tối ưu hóa thành công về thời gian xử lý cho trường hợp thử nghiệm này
❑ Bộ kiểm tra số 2: Phần mềm cập nhật cho thấy sự cải thiện đôi chút về hiệu quả khi mà thời lượng làm việc đã giảm từ 2.0025 giây xuống 1.912 giây
❑ Bộ kiểm tra số 3: Phần mềm cập nhật cho thấy thời lượng làm việc trong trường hợp này giảm từ 4.787 giây xuống 4.493 giây Cải tiến này cho thấy sự tối ưu hóa về tốc độ xử lý
❑ Bộ kiểm tra số 4: Tương tự như bộ kiểm tra số 3, nó cho thấy thời lượng làm việc giảm đi khi cập nhật phần mềm Việc thời lượng đã giảm từ 4.277 giây xuống 3.819 giây cho thấy phần mềm đã được tối ưu hóa thành công
Kết quả đã cho thấy tổng thời lượng VDC hoạt động ở phần mềm đã được cập nhật đã được tối ưu hóa hơn so với ở phần mềm gốc trong tất cả các trường hợp mô phỏng
Bộ kiểm tra số 2 cho thấy sự cải thiện khiêm tốn nhất với tỷ lệ khoảng 4.5% Trong khi đó, bộ kiểm tra số 1 và 4 lại có sự cải thiện dẫn đầu với lần lượt là 20.5% và 10.7%.