báo cáo bài tập lớn môn hệ thống cơ điện tử đề tài nghiên cứu về hệ thống kiểm soát hành trình cruise control

Thay vì phải giữ chân trên ga và điều chỉnh tốc độ liên tục, hệ thống Cruise Control tự động điều chỉnh ga và hệ thống nhiên liệu để duy trì tốc độ mong muốn.. Tính năng chính của hệ thố

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

-🙜 - 🙜

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

Môn Hệ thống cơ điện tử

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG KIỂM SOÁT

HÀNH TRÌNH CRUISE CONTROL

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ-

Giảng viên hướng dẫn: TS Đinh Trần Hiệp

Lớp: EMA3082_20 Nhóm Sinh viên thực hiện:

Bùi Tuấn Huy MSSV: 21021311

Hoàng Minh Hiếu MSSV: 21021301

Nguyễn Văn Huy Phạm Quang Minh

MSSV: 21021315 MSSV: 21021343

Vũ Duy Hưng MSSV: 21021323

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

GIỚI THIỆU CHUNG 4

I Giới thi u chung v Cruise Control ệ ề .5

1 Mô tả ệ thống .5 h 2 Định nghĩa Input và Output .8

II Các khối điều khiển .9

1. Sơ đồ khối .9

2 Các khâu .10

2.1 Khâu tín hiệu (Signal builder) .10

2.2 Khâu điều khiển trạng thái (Cruise control - state) .11

2.3 Khâu vận hành (Vehicle Model) .12

III Kết quả ự th c nghiệm và đánh giá so sánh .14

4 Hoàn thiện sản phẩm .19

5 K t luế ận: 20

L I CỜ ẢM ƠN 21

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại công nghệ phát triển mạnh mẽ, những công nghệ tiên tiến trên các dòng xe hơi cao cấp ngày nay dần trở thành tiêu chuẩn cho cả xe hơi phổ thông trong tương lai Một ví dụ rõ ràng cho xu hướng này chính là hệ thống Adaptive Cruise Control (kiểm soát hành trình thích ứng), mà hiện nay được trang bị trên hầu hết các mẫu xe mới, ngoại trừ các dòng xe hiệu suất cao và xe giá rẻ

Báo cáo này dùng để biểu diễn cơ bản thiết kế và thi công đề tài: “Nghiên cứu về hệ thống kiểm soát hành trình Cruise control”, giúp ta có cái nhìn toàn vẹn về chức năng của hệ thống cũng như giúp mọi người hiểu rõ hơn về hệ thống Cruise Control thông qua đo lường và so sánh với các điều kiện cho trước Với đề tài này, nhóm h vọng sẽ i làm cơ sở nghiên cứu để có thể mở rộng, phát triển hơn nữa Nếu được điều chỉnh tốt, ý tưởng này có thể nâng cấp lên hệ thống tự động trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp ô tô, nông nghiệp và y tế… Từ đó, hệ thống đáp ứng nhu cầu, nâng cao đời sống tiện ích cho con người, tiết kiệm thời gian và nhân lực, tăng sản lượng, đem lại hiệu quả và lợi ích kinh tế cao

Trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những sai sót, nhóm mong sẽ nhận được sự góp ý và đánh giá của thầy

Xin chân thành cảm ơn!

GIỚI THIỆU CHUNG

Trong xã hội ngày càng phát triển, các phương tiện giao thông đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của con người Để đáp ứng nhu cầu di chuyển và tối ưu hóa trải nghiệm lái xe, các công nghệ tự động hóa đã ngày càng trở nên phổ biến Trong số đó, hệ thống Cruise Control đã trở thành một phần không thể thiếu trên các phương tiện giao thông, đặc biệt là trên các loại xe hơi

Hệ thống Cruise Control hoạt động dựa trên việc duy trì một tốc độ cố định được người lái xe thiết lập Thay vì phải giữ chân trên ga và điều chỉnh tốc độ liên tục, hệ thống Cruise Control tự động điều chỉnh ga và hệ thống nhiên liệu để duy trì tốc độ mong muốn Điều này giúp giảm bớt mệt mỏi cho người lái và tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu Không những vậy, một trong những điểm mạnh của hệ thống Cruise Control là khả năng duy trì tốc độ ổn định và đồng đều trên các tuyến đường mà không cần sự can thiệp của người lái Do đó, điều này giúp giảm thiểu nguy cơ tai nạn và tạo ra một trải nghiệm lái xe thoải mái và an toàn hơn

I Giới thi u chung v Cruise Control ệ ề

1. Mô tả ệ thống. h - Định nghĩa: Hệ thống này có tên gọi đầy đủ là Cruise Control System (CCS) hay

còn được là hệ thống điều khiển hành trình, hệ thống kiểm soát hành trình Tính năng chính của hệ thống này là tự động điều khiển góc mở bướm ga để duy trì ổn định tốc độ xe được đặt bởi người lái, điều khiển ga tự động khi xe đang chạy trên đường trường Nói cách khác, tính năng này sẽ giúp cho người lái thoải mái hơn khi di chuyển trong những cuộc hành trình dài bởi khi kích hoạt Cruise Control, bạn không cần phải đạp ga mà xe vẫn có thể duy trì được ở tốc độ nhất định

Ngoài ra, hệ thống Cruise Control còn giúp xe lưu thông ổn định, vòng tua máy đạt mức lý tưởng, từ đó giúp ta giảm được đáng kể lượng tiêu hao nhiên liệu của xe

- Phân loại và chức năng của hệ thống Cruise Control: + Bộ cảm biến tốc độ xe

+ Bộ điều khiển xe + Hệ thống cơ cấu chấp hành Trong đó , mỗi bộ phận đều có những chức năng và nhiệm vụ khác nhau:

+ Bộ cảm biến tốc độ xe: Là 1 bộ phận nằm trong hệ thống phanh điện tử, có chức năng đo lường tốc độ di chuyển của phương tiện Cảm biến tốc đo tốc độ thuộc dòng cảm biến Hall Cụ thể, khi tốc độ hoạt động của xe

đột ngột thay đổi, hệ thống sẽ phát ra tín hiệu Đồng thời, tạo ra dòng điện giúp người điều khiển kiểm soát được hướng lái, hạn chế sự văng trượt

+ Bộ điều khiển xe: Hệ thống này còn có tên gọi là Electronic Control Unit (ECU) Đây chính là bộ tổ hợp vi mạch điện tử và bộ phận phụ được dùng để nhận biết tín hiệu, cũng như lưu trữ thông tin, tính toán, và gửi đi các tín hiệu thích hợp, cuối cùng là quyết định chức năng làm việc của xe sao cho hợp lý và hiệu quả nhất trong các tình huống khác nhau

+ Hệ thống cơ cấu chấp hành: Hệ thống có nhiệm vụ đặc biệt như: Xác định vị trí, khởi động hoặc dừng gấp, hỗ trợ chuyển động nhất quán Tuy

nhiên, hệ thống này cần phải được bảo dưỡng trong thời gian quy định để đảm bảo hoạt động

- Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Như đã đề cập đến, Cruise Control được cấu tạo từ 3 bộ phận chính có nhiệm vụ hỗ trợ người dùng lái xe an toàn Theo đó, nguyên lý hoạt động của hệ thống được lập trình:

+ Khi người khởi động hệ thống điều khiển hành trình, bộ cảm biến sẽ truyền tín hiệu về bộ điều khiển Tiếp đó, bộ điều khiển sẽ truyền lệnh đến van chân không, tại đây van sẽ kết nối trực tiếp với bướm ga + Đặc biệt, van chân không sẽ điều khiển bộ mở bướm ga phù hợp Vì thế

mà xe sẽ tự động duy trì tốc độ được cài đặt – Người lái có thể bỏ chân ra khỏi bàn đạp ga

- Mô hình hóa hệ thống: Mục đích của hệ thống kiểm soát hành trình là duy trì tốc độ xe không đổi bất chấp những xáo trộn bên ngoài , chẳng hạn như những thay đổi về gió hoặc cấp đường Điều này được thực hiện bằng cách đo tốc độ xe, so sánh với tốc độ mong muốn hoặc tốc độ tham chiếu và tự động điều chỉnh ga theo luật điều khiển

- Ở đây chúng ta xem xét một mô hình đơn giản về động lực học của xe, được thể hiện trong sơ đồ vật thể tự do (FBD) ở trên Xe có khối lượng m chịu tác dụng

của lực điều khiển u Lực u đại diện cho lực sinh ra ở mặt tiếp xúc giữa đường và lốp Đối với mô hình đơn giản hóa này, chúng ta sẽ giả định rằng chúng ta có thể điều khiển lực này một cách trực tiếp và sẽ bỏ qua động lực học của hệ truyền động, lốp xe, v.v., những yếu tố tạo ra lực Các lực cản, bv, do lực cản lăn và lực cản của gió, được giả sử thay đổi tuyến tính theo vận tốc xe, v, và tác dụng theo hướng ngược lại với chuyển động của xe

2 Định nghĩa Input và Output.

- Một hệ thống Cruise Control đơn giản sẽ được mô hình hóa dựa trên định luật II Newton Tổng hợp lực theo phương x ta có phương trình như sau:

Trong đó: + m : Là khối lượng của xe (g) + v: Là vận tốc của xe (cm/s) + b: Ma sát gây ra bởi xe (g/m) + u: Lực kéo tạo ra từ động cơ của xe (Nm) - Vì chúng ta chỉ quan tâm đến việc điều khiển tốc độ của xe nên phương trình

đầu ra được chọn như sau:

𝑦 = 𝑣 - Từ mô hình toán học nêu trên, Input và Output sẽ được xác định như sau:

● Input: + Input Speed: Tốc độ tham chiếu dựa trên tổng hợp các hành động

nhấn chân ga và chân phanh + Up Button: Biểu thị khi vận tốc tăng lên 5 cm/s + Down Button: Biểu thị khi vận tốc giảm đi 5 cm/s ● Output:

+ Vehicle Speed: Biểu thị tốc độ thực tế của xe - Input và Output của xe được ký hiệu như sau:

● Input:

+ u(t): Lực kéo gây ra bởi động cơ được tổng hợp từ bộ điều khiển PI

● Output: + v(t): Tốc độ thực tế của xe ● Các giá trị không đổi là m và b:

+ m (g), khối lượng của xe + b (g/s), ma sát gây ra bởi xe - Lưu ý: Mẫu xe có hệ thống Cruise Control phải đáp ứng các yêu cầu sau:

+ R1: Tốc độ xe phải được giữ ở mức tham chiếu do người lái xe chỉ định trong điều kiện đường không vượt quá giới hạn vật lý của hệ thống + R2: Tốc độ tham chiếu chính sẽ tổng hợp hành động của chân ga và chân

phanh của người điều khiển + R3: Người điều khiển có thể thay đổi tốc độ tham chiếu bằng hai nút ấn:

“Up_Button” và “Down_Button” + R4: Tăng tốc độ tham chiếu thực tế lên 5 cm/h và giữ ở tốc độ tham

chiếu mới khi “Up_Button” được nhấn một lần + R5: Giảm 5 cm/h tốc độ tham chiếu thực tế và giữ ở mức tham chiếu mới

khi “Down_Button” được nhấn một lần

II Các khối điều khiển

1. Sơ đồ khối.

- Ở sơ đồ khối trên, ban đầu ta thiết lập một giá trị tốc độ đầu vào Sau đó giá trị Input speed này sẽ được chuyển vào Cruise control mode khi ta bật chế độ này Tiếp đó, giá trị này sẽ được thông qua 1 bộ điều khiển để so sánh với giá trị tốc độ tham chiếu Nếu giá trị đầu vào nhỏ hơn giá trị tham chiếu thì kích hoạt Throttle actuator cho đến khi 2 giá trị này bằng nhau rồi được chuyển ra Output speed và ngược lại, khi giá trị tham chiếu lớn hơn giá trị input thì sẽ kích hoạt brake actuator

2 Các khâu.

2.1 Khâu tín hiệu (Signal builder)

- - Ở đây ta sử dụng 3 dạng tín hiệu chính để điều chỉnh tốc đô của xe được

sử dụng ở những thời điểm khác nhau:+ Tín hiệu Input_Speed: Là dạng tín hiệu analog được thu trực tiếp

từ chân ga (Throttle_press) Ban đầu xe đang có vận tốc là 0 cm/s khi ta nhấn Throttle_press nó sẽ chuyền 1 dạng tín hiệu tương tự vào khâu điều khiển trạng thái giúp xe tăng tốc dần Đồng thời, tốc độ này cũng chính là tốc độ tham chiếu của xe ( ở đây chúng em chọn tốc độ này là 120 cm/s)

+ Tín hiệu từ Up_Button và Down_Button: Là dạng tín hiệu Digital ( chỉ có 2 mức duy nhất là 0 và 1), biểu thị cho chân ga (Throttle_press) và chân phanh (Brake_press) Dùng để điều chinh tốc độ đầu ra của xe, vì chỉ có 2 mức cao và thấp nên số lần tăng

giảm tốc độ sẽ phụ thuộc vào số lần nhấn, không phụ thuộc vào thời gian nhấn

2.2 Khâu điều khiển trạng thái (Cruise control - state)

- Khâu điều khiển trạng thái được sử dụng để triển khai điều chỉnh logic theo yêu cầu R4 và R5 đã nêu ở mục I Bốn trạng thái được sử dụng để đáp ứng các yêu cầu được biểu diễn trong hình dưới đây:

CRUISE_CONTROL_ON Trạng thái mặc định nơi

ref_speed ban đầu được đặt thành tốc độ đầu vào

Mặc định UP_BUTTON_PRESSED /

DOWN_BUTTON_PRESSED/ REFRESH_TO_REFRENCE UP_BUTTON_PRESSED Nếu Up_Button được

nhấn, tăng tốc độ thêm 5 cm/s và trở về trạng thái mặc định ngay lập tức

Up_Button được nhấn

CRUISE_ONTROL_ON

DOWN_BUTTON_PRESSED Nếu Down_Button được

nhấn, giảm tốc độ 5 cm/s và trở về trạng thái mặc định ngay lập tức

Down_Button được nhấn

CRUISE_ONTROL_ON

REFRESH_TO_REFRENCE Nếu có sự thay đổi về

Input_speed, thì sẽ ghi đè lên Ref_speed trước đó và điều chỉnh sang Input_speed mới Rời khỏi trạng thái nếu Ref_speed bằng Input_speed

Input_Speed thay đổi

CRUISE_ONTROL_ON

2.3 Khâu vận hành (Vehicle Model)

- Ở khâu vận hành, chúng em sử dụng bộ điều khiển PI lý do là vì bộ điều khiển sử dụng phản ứng tỷ lệ nghĩa là đầu ra của nó tương đương với sự chênh lệch giá trị đầu vào (chính là Input_speed) và giá trị đo giúp cải thiện tốc độ đáp ứng với sai số hiện tại Ngoài ra, tính tích phân của bộ điều khiển này còn giúp giảm thiểu sai số dài hạn, nó tích lũy và điều chỉnh phản ứng của hệ thống dựa trên lịch sử của sai số đảm bảo rằng hệ thống đạt được giá trí đặt trong thời gian dài Ngoài ra, bộ điều khiển PI chỉ có 2 tham số điều khiển chính là Ki và Kp (ít hơn so với bộ điều khiển PID) giúp dễ dàng thay đổi trong quá trình điều khiển Bên cạnh đó, còn có 1 khối khuếch đại giúp chuyển đổi sang đơn vị là cm/s và 1 khối hàm truyền được biến đổi từ phương trình trạng thái sau:

=> Lấy biến đổi Laplace của phương trình vi phân và giả sử điều kiện ban đầu bằng 0, chúng ta thấy hàm truyền của hệ thống điều khiển hành trình là:

- Bộ điều khiển PI có thông số như sau: + Time domain: Ở dạng Discrete-time, nhằm giúp hệ thống phản

ánh chính xác hơn, đồng thời các phép tính với các hàm số rời rạc sẽ đơn giản và nhanh chóng hơn các hàm số liên tục

+ Sample time: 1ms

+ Kp = 125 và Ki = 7.2 để đạt được thời gian đáp ứng nhỏ hơn 15s khi tăng tốc từ 0 cm/s đến 120 cm/s

● Để đạt được thời gian đáp ứng nhỏ hơn 15s, hàm truyền vòng kín với bộ điều khi n PI ể (𝐶 = 𝐾𝑝 + 𝐾𝑖𝑠 ) sẽ có công thức như sau:

𝑇(𝑠) =𝑌(𝑠)𝑅(𝑠)=1 + 𝑃(𝑠) 𝐶(𝑠)𝑃(𝑠) 𝐶(𝑠) =𝑚𝑠2 + (𝑏 + 𝐾𝑝 𝑠 + 𝐾𝑖𝐾𝑝) 𝑠 +𝐾𝑖 Trong đó,các giá trị đã biết là Kp =125; Ki =7.2; m = 500; b = 25

Đáp ứng thời gian của hệ thống Với Ox: đáp ứng của hệ thống: Oy: thời gian ● Note: Nhóm chúng em không sử dụng bộ điều khiển PID để điều

khiển Cruise Control mặc dù bộ này cũng có khả năng điều khiển duy trì tốc độ vì một vài lý do sau:

- Bộ điều khiển PID phức tạp hơn bộ điều khiển Pi, gây ra khó khăn trong việc thiết lập sơ đồ điều khiển - Trong ứng dụng Cruise Control, việc sửu dụng tích hợp và

đạo hàm có thể không cần thiết bởi nó gây ra các dao động và nhiễu không mong muốn

Do đó, chỉ sử dụng bộ điều khiển PI là đã có thể đảm bảo hiệu suất ổn định và đáp ứng của Cruise Control

III K t qu ế ả thự c nghi ệm và đánh giá so sánh.

1 K t qu ế ả thực nghiệm

- Thực hiện đo trên quãng đường dài 300 cm

Tốc độ thu được theo công thức: v = 𝒔𝒕với v (cm/s); s(cm); t(s)

- Kết quả trên sẽ được mô tả như sau: + Từ 0 2.5s, tốc độ tham chiếu bằng tốc độ đầu vào là 80 cm/s.- + Tại thời điểm t = 3.5s, Up_Button được nhấn lần đầu và tốc độ tham chiếu

tăng lên 85 cm/s + Tại thời điểm t = 5.5s, Up_Button được nhấn thêm lần nữa và tốc độ tham

chiếu lại tăng lên 90 cm/s + Tốc độ đầu vào thay đổi ở mức 8s và đạt vận tốc là 100 cm/s Tốc độ tham

chiếu thay đổi và tuân theo tốc độ đầu vào mới + Down_Button được nhấn 2 lần lần lượt tại thời điểm 9s và 10s, tại thời

điểm này tốc độ tham chiếu được giảm còn 95 và 90 cm/s + Tại thời điểm 14s, tốc độ đầu vào thay đổi và tốc độ tham chiếu cũng thay

đổi theo

2 So sánh và nhận xét

- Để xác định tốc độ thực tế của xe thì chúng em đã đo tại những khoảng thời gian khác nhau, cụ thể ở đây là 7 thời điểm chính kết hợp xen kẽ với các chế độ tăng và giảm tốc độ để có thể dễ dàng kiểm soát sai số trong việc duy trì tốc độ của xe và đánh giá khả năng đáp ứng với các tín hiệu đầu vào của hệ thống

- Sử dụng cặp động cơ DC giảm tốc V1 Dual Shaft Plastic Geared TT Motor + Bánh xe có đường kính 70mm với tốc độ đạt được ở mức 5V là 350 vòng/ phút Được điều khiển bằng Module Motor Driver L293D và Arduino UNO R3 Tốc độ của bánh xe được lập trình trên phần mềm Arduino IDE được xác định trong khoảng từ 0 - 255

- Bằng cách #define speed ( 0 255 ) + tốc độ mong muốn (120 cm/s)-

Thời gian (s) Tốc độ đặt vào(0 - 255)

- - Nhận xét:

+ Tốc độ đo được và tốc độ trên lý thuyết tăng theo đúng tỉ lệ và có đồ thị tương tự nhau Điều này chứng tỏ phần mềm và phần cứng đã hoạt động đúng như lý thuyết

+ Tuy nhiên, có sự khác biệt giữa tốc độ đặt vào lý thuyết và tốc độ đo được thực tế, ta có thể thấy rằng sai số này sẽ nằm trong khoảng từ (0.2 - 0.5 cm/s) nguyên nhân là do sai số về phần cứng ( ma sát trong động cơ, ma sát trong quá trình vận hành) và sai số trong quá trình đo và nguồn điện vận hành có thể không đủ mạnh Tuy nhiên, để khắc phục sai số trên, ta có thể tiến hành sử dụng các linh kiện có chất lượng tốt hơn và thực hiện đo lường chính xác hơn Từ đó ta đạt được kết quả như mong muốn

IV ng d Ứ ụng và hoàn thiệ n s n ph ả ẩm.

1. Đặt vấn đề: Trong xã hội ngày càng phát triển, các phương tiện giao thông đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của con người Để đáp ứng nhu cầu di chuyển và tối ưu hóa trải nghiệm lái xe, các công nghệ tự động hóa đã ngày càng trở nên phổ biến Trong số đó, hệ thống Cruise Control đã trở thành một