Trợ lực lái kiểu thủy lực điện tử Kiểu trợ lực này tương tự như kiểu trợ lực lái thuần thủy lực, chỉ khác ở chỗ bơm của hệ thống thủy lực kiểu này được điều khiển bằng điện, nhờ vậy mà
Nội dung ĐATN 50 Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa học xã hội… 5
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
4 Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
TT Mục đánh giá Điểm tối đa Điểm đạt được
1 Hình thức và kết cấu ĐATN 30 Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10
Tính cấp thiết của đề tài 10
2 Nội dung ĐATN 50 Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa học xã hội… 5
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10
Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế 15
Khả năng cải tiến và phát triển 15
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5
3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10
4 Sản phẩm cụ thể của ĐATN 10
Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày tháng năm 2024
(Ký, ghi rõ họ tên) i
LỜI CẢM ƠN Để có thể hoàn thành đề tài đồ án tốt nghiệp này, nhóm em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, hỗ trợ và động viên từ mọi người Nhân dịp này, nhóm em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả mọi người
Trước hết, nhóm em xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn Trung Hiếu, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và luôn đồng hành cùng nhóm em trong suốt thời gian làm đồ án Sự tận tâm, nhiệt tình và những góp ý vô cùng quý báu của thầy đã giúp nhóm em có thể vượt qua được những khó khăn, thử thách để hoàn thiện đồ án này
Nhóm em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả các thành viên trong Automotive Mechatronics Laboratory ( AML ) đã luôn động viên, hỗ trợ và chia sẻ những kiến thức quý báu trong suốt thời gian qua Sự giúp đỡ và sự động viên của tất cả mọi người là nguồn động lực lớn lao giúp nhóm em hoàn thành tốt nhiệm vụ của nhóm
Không thể thiếu, nhóm em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình – những người luôn đứng phía sau, ủng hộ và tiếp sức cho nhóm em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu Sự quan tâm, yêu thương và động viên của gia đình đã là nền tảng vững chắc giúp nhóm em tự tin và quyết tâm đạt được thành quả ngày hôm nay
Một lần nữa, nhóm em xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người và hy vọng rằng quyển thuyết minh sẽ nhận được sự đánh giá cao và những góp ý quý báu từ quý thầy cô và các bạn ii
Hiện nay, không còn xuất hiện trong tưởng tượng của con người, công nghệ xe tự lái dần có mặt ở nhiều quốc gia trên thế giới và đang phát triển mạnh mẽ, là một trong những lĩnh vực nghiên cứu và phát triển tiên phong trong ngành công nghiệp ô tô và công nghệ tự động hóa Trong đó, hệ thống lái cho xe tự hành đóng vai trò quan trọng trong quá trình xe hoạt động trên đường để đảm bảo an toàn tuyệt đối, hiệu quả cao khi vận hành mà không cần sự can thiệp của con người Để hiện thực điều này, hệ thống lái phải đạt được độ chính xác cao, độ tin cậy tuyệt đối, khả năng phản ứng nhanh trước các tình huống khẩn cấp, đồng thời tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn an toàn giao thông Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình lái tự động cho xe điện Renault Twizy” là một đề tài cần thiết để tìm hiểu, nghiên cứu và phát triển Ngoài ra, đây cũng là nền tảng để tạo ra những phương tiện thông minh, an toàn và hiệu quả cho tương lai iii
Danh mục các chữ viết tắt và kí hiệu vi
Danh mục các hình vii
Danh mục các bảng xi
1.1 Lý do chọn đề tài 1
1.3 Mục tiêu của đề tài 1
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4
2.1 Lý thuyết hệ thống lái trên ô tô 4
2.1.1 Chức năng của hệ thống lái 4
2.1.2 Phân loại hệ thống lái 4
2.1.3 Cấu tạo cơ bản và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái 6
2.2 Lý thuyết hệ thống lái trợ lực điện 8
2.2.1 Khái niệm về hệ thống lái trợ lực điện 8
2.2.2 Nhiệm vụ trợ lực lái điện 8
2.2.3 Cấu tạo chung trợ lực lái điện 9
2.2.4 Phân loại các trợ lực lái điện 15
2.2.5 Yêu cầu của hệ thống lái trợ lực điện 20 iv
2.2.6 Nguyên lý làm việc của hệ thống trợ lực lái điện 20
2.2.7 Một số nguyên nhân khiến trợ lực lái điện nhanh bị hỏng 21
2.3 Công nghệ xe tự lái 21
2.3.1 Lịch sử xe tự lái 21
2.3.3 Phương thức hoạt động của xe ô tô tự lái 23
2.3.4 Các thành phần chính của công nghệ xe tự lái 24
2.4 Một số ưu điểm và nhược điểm của ô tô tự lái 27
2.5 Thách thức và tương lai của xe tự hành 30
2.5.1 Thách thức về cơ sở hạ tầng 30
2.5.2 Thách thức về kỹ thuật và công nghệ 31
2.5.3 Thách thức về mặt pháp lý và thị trường 31
CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG LÁI XE ĐIỆN RENAULT TWIZY 32
3.1 Giới thiệu về xe điện Renault Twizy 32
3.2 Thành phần trên xe điện Renault Twizy 33
3.2.3 Hộp số và vi sai 34
3.2.6 Hộp chuyển đổi sạc (Charger inverter) 36
3.2.7 Hộp điều khiển (Sevcon Gen4) 36
3.3 Hệ thống lái xe điện Renault Twizy 38 v
3.4 Ý tưởng trang bị hệ thống tự lái trên Renault Twizy 38
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN LÁI TỰ ĐỘNG 41
4.1 Điều khiển lái tự động 41
4.2 Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển 63
4.2.2 Mô-đun Max3232 RS232 to TTL 64
CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT QUẢ 74
5.2 Điều khiển và tính toán thể hiện các thông số điều khiển 75
5.3 Điều khiển Driver Accelnet thông qua phần mềm CME2 76
5.3.1 Sử dụng ASCII Command Line 76
5.4 Điều khiển driver Accelnet thông qua MCU ( Arduino Mega ) 84
5.5 Đánh giá tổng quan về hệ thống lái tự động điều khiển bằng Driver Accelnet 87
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 vi
Danh mục các chữ viết tắt và kí hiệu
Từ viết tắt Nghĩa của từ
Hình 2.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực 4
Hình 2.2 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điện tử 5
Hình 2.3 Hệ thống lái trợ lực lái điện 5
Hình 2.4 Sơ đồ của hệ thống lái có trợ lực 7
Hình 2.5 Hệ thống trợ lực lái điện 8
Hình 2.6 Cấu tạo trợ lực lái điện 9
Hình 2.7 a) Cấu tạo động cơ DC có chổi than b) Cấu tạo động cơ DC không chổi than (BLDC) 10
Hình 2.8 Cấu tạo động cơ AC 3 pha không đồng bộ 11
Hình 2.9 Đồ thị lực đánh lái và công suất của các dòng động cơ điện trợ lực lái trên ô tô hiện nay 12
Hình 2.10 ECU trợ lực lái xe Hyundai Grand i10 13
Hình 2.11 Cảm biến tốc độ xe đặt tại bánh xe 15
Hình 2.12 Cấu tạo hộp giảm tốc 15
Hình 2.13 Trợ lực lái kiểu C - EPS 16
Hình 2.14 Kiểu trợ lực lái P - EPS bánh răng đơn 17
Hình 2.15 Kiểu trợ lực lái P - EPS bánh răng đôi 18
Hình 2.16 Kiểu trợ lực lái P - EPS song song với thanh răng 19
Hình 2.17 Kiểu trợ lực lái P - EPS đồng tâm với thanh răng 19
Hình 2.18 Stanley của đội Stanford tại cuộc thi trong cuộc thi năm 2005 của DARPA 22
Hình 2.19 Công nghệ xe tự hành 23
Hình 2.20 Các cảm biến cho hệ thống lái tự động 23
Hình 2.21 Các bộ phận và cách bố trí trên xe tự hành 24
Hình 2.22 Xe tự lái Lexus RX450h của Google 26
Hình 3.1 Xe điện Renault Twizy 32
Hình 3.2 Bố trí các bộ phân truyền động chính trong xe Renault Twizy 33
Hình 3.3 Đầu sạc xe Renault Twizy 34
Hình 3.4 Động cơ xe Renault Twizy 34
Hình 3.5 Vi sai trên xe Renault Twizy 35
Hình 3.6 Pin trên xe Renault Twizy 35 viii
Hình 3.7 Ắc quy 12V xe Renault Twizy 36
Hình 3.8 Charger inverter của Renault Twizy 36
Hình 3.9 Sevcon Gen4 của Renault Twizy 37
Hình 3.10 Hệ thống lái cho xe điện Renaul Twizy 38
Hình 4.2 Các chân của hộp Accelnet 42
Hình 4.3 Công tắc để đặt địa chỉ CAN 43
Hình 4.4 Cổng RS-232 của drive Accelnet 44
Hình 4.5 Sơ đồ chân đầu ra digital của hộp Accelnet 45
Hình 4.6 Sơ đồ kết nối mô-tơ trong hộp Accelnet 45
Hình 4.7 Sơ đồ kết nối encoder digital trong hộp Accelnet 46
Hình 4.8 Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt độ động cơ trong hộp Accelnet 46
Hình 4.9 Sơ đồ kết nối Drive Accelnet 47
Hình 4.10 Mô-tơ Minertia R02MA và bộ Encoder tích hợp 48
Hình 4.11 Cấu tạo và xung các kênh Encoder 49
Hình 4.12 Hộp giảm tốc hành tinh 57 bước 50
Hình 4.13 Giao diện màn hình chính của CME 2 52
Hình 4.14 CME 2 kết nối với Amplifier 53
Hình 4.15 Các tính năng thể hiện trên màn hình chính của CME 2 53
Hình 4.18 Sơ đồ chức năng 55
Hình 4.19 Cài đặt thông số trong Position Loop mục Position Loop Values 56
Hình 4.20 Cài đặt thông số trong Position Loop mục Trajectory Values 56
Hình 4.21 Cấu hình thông số mô-tơ trong Motor Data 57
Hình 4.22 Cài đặt thông số trong setting 57
Hình 4.23 Vùng trạng thái Control Panel 58
Hình 4.24 Vùng Control Panel Monitor hiển thị giá trị các biến 58
Hình 4.25 Vùng điều khiển tổng thể Amplifier 58
Hình 4.26 Giao diện theo dõi hiệu suất và thực hiện chẩn đoán ở Scope 59
Hình 4.27 Function Generator cung cấp đầu vào cho các vòng điều khiển 60 ix
Hình 4.28 Các kênh vẽ đồ thị giá trị các biến 60
Hình 4.29 Các thông số có thể chọn để vẽ đồ thị 61
Hình 4.30 Các tham số điều khiển motor 61
Hình 4.31 Tổng quan sơ đồ kết nối các khối của mô hình 63
Hình 4.32 Các chân Arduino Uno 63
Hình 4.33 Module chuyển đổi tín hiệu RS232 – TTL 64
Hình 4.34 Bố trí chân và mô tả các chân của IC SN75176B 65
Hình 4.35 Cảm biến cân nặng loại chữ Z 66
Hình 4.36 a) Strain Gauge bên trong Load Cell b) Mạch cầu Wheatstone 66
Hình 4.37 Mô hình thiết kế trên phần mềm Inventor 67
Hình 4.40 Mạch kết nối điều khiển thực tế với máy tính 69
Hình 4.41 Mạch điều khiển kết nối với Arduino 70
Hình 4.42 Cơ cấu tạo tải trên mô hình 71
Hình 4.43 Cảm biến loadcell trên mô hình 71
Hình 4.44 Sơ đồ mạch hiển thị lực 72
Hình 4.45 Mạch hiển thị lực thực tế 72
Hình 4.46 Tổng quan hộp điều khiển của hệ thống 73
Hình 5.1 Mô hình hoàn chỉnh 75
Hình 5.2 Lực đánh lái tự động của mô hình khi vô lăng quay 5/4 vòng 76
Hình 5.3 Gửi lệnh điều khiển và nhận phản hồi trong ASCII Command Line 78
Hình 5.4 Đồ thị vị trí khi mô-tơ quay 4000 counts 79
Hình 5.5 Đồ thị vị trí khi mô-tơ quay 80000 counts 79
Hình 5.6 Đồ thị biểu diễn vị trí khi mô-tơ quay 40000 counts 80
Hình 5.7 Đồ thị biểu diễn vị trí khi mô-tơ quay 80000 counts 80
Hình 5.8 Đồ thị biểu diễn vận tốc của mô-tơ khi quay 40000 counts 81
Hình 5.9 Đồ thị biểu diễn tốc độ của mô-tơ khi quay 80000 counts 81
Hình 5.10 Đồ thị biểu diễn dòng điện của mô-tơ khi quay 40000 counts 82
Hình 5.11 Đồ thị biểu diễn dòng điện của mô-tơ khi quay 80000 counts 82 x Hình 5.12 Đồ thị biểu diễn dòng điện của mô-tơ khi đánh lái 1 vòng vô lăng (80000 counts)
Hình 5.13 Đồ thị biểu diễn dòng điện của mô-tơ khi trả lái 1 vòng vô lăng về vị trí ban đầu (-80000 counts) 83
Hình 5.14 Gửi các chuỗi câu lệnh điều khiển và nhận phản hồi từ driver Accelnet thông qua phần mềm Arduino IDE 84
Hình 5.15 Đồ thị xung PWM khi mô-tơ quay 1 vòng vô lăng (80000 counts) 85
Hỡnh 5.16 Đồ thị xung PWM khi mụ-tơ quay ẵ vũng vụ lăng (40000 counts) 85
Hình 5.17 Đồ thị xung PWM khi mô-tơ giữ ở 1 vòng vô lăng (80000 counts) 86
Hỡnh 5.18 Đồ thị xung PWM khi mụ-tơ giữ ở ẵ vũng vụ lăng (40000 counts) 86 xi
Bảng 2.1 Phân loại các loại cảm biến mô-men 10
Bảng 2.2 So sánh các kiểu trợ lực lái 20
Bảng 4.1 Thông số mô-tơ DC Minertia Motor R02MA 49
Bảng 4.2 Thông số Encoder được trang bị trên mô-tơ 50
Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật của hộp giảm tốc hành tinh 57 bước 51
Bảng 4.4 Chức năng và mô tả chức năng trong Control 59
Bảng 4.5 Mô tả các tham số điều khiển motor 62
Bảng 5.1 Cấu trúc mô hình điều khiển 74
Bảng 5.2 Các mã chữ cái đơn để thực hiện câu lệnh 76
Bảng 5.3 Một số tham số điều khiển để gửi câu lệnh 77
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, ô tô tự hành đang là xu hướng phát triển mạnh mẽ trong ngành công nghiệp ô tô toàn cầu Xe ô tô tự lái (self driving) đang trong giai đoạn thử nghiệm và triển khai trên một số khu vực thành phố thu hút nhiều hãng xe hàng đầu thế giới tham gia vào cuộc đua công nghệ này Tính ứng dụng của xe tự lái là rất cao trong thời đại công nghệ 4.0 giúp giảm thiểu tai nạn giao thông do lỗi con người và tăng hiệu suất giao thông trong khu vực đô thị Việc phát triển xe tự lái trong tương lai sẽ mang lại những giải pháp thiết thực cho xã hội Ngoài ra, việc tiếp cận với công nghệ này giúp chúng em tiếp cận được với công nghệ mới nhất trong lĩnh vực ô tô Hơn nữa, đây cũng là công nghệ liên quan nhiều lĩnh vực như lập trình điều khiển, trí tuệ nhân tạo AI, thiết kế thuật toán, điện - điện tử Đó là những lý do để nhóm chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển lái tự động cho xe điện Renault Twizy” để thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Mục tiêu nghiên cứu
Hiểu rõ, nghiên cứu sâu về nguyên lý hoạt động, kết cấu hệ thống lái, hệ thống trợ lực lái điện, công nghệ xe tự hành trên ô tô hiện nay
Nghiên cứu về điều khiển động cơ DC, cụ thể nghiên cứu sử dụng drive Accelnet để điều khiển động cơ DC hiệu suất cao Nắm vững các phương thức giao tiếp giữa các mô- đun như CAN, RS232, UART… Đánh giá hiệu suất và độ chính xác của hệ thống tự lái trên mô hình xe ô tô Renault Twizy Ứng dụng kết quả thu được, phân tích, cải thiện hệ thống tự lái trên ô tô.
Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu chính của đề tài là xây dưng mô hình hệ thống tự hành cho xe điện Renault Twizy từ đó ứng dụng phát triển hệ thống này trên xe điện Renaul Twizy thực tế, cụ thể trong đồ án này chúng tôi sẽ tập trung phát triển hệ thống lái Những mục tiêu chúng tôi cần đạt được trong đề tài này như sau:
- Hiểu rõ về nguyên lý, vận hành được drive Accelnet điều khiển mô-tơ điện hiệu suất cao trong điều khiển vị trí, vận tốc của động cơ, cụ thể trong điều khiển động cơ DC có chổi than
- Hiểu rõ về phần mềm CME2 điều khiển drive Accelnet, từ đó điều khiển, điều chỉnh thông số điều khiển để tăng hiệu suất
- Xây dựng, phát triển một hệ thống điều khiển về phần cứng và phần mềm:
+ Phần cứng bao gồm các linh kiện điện tử, các mô-đun, bo mạch, các cơ cấu cơ khí trên mô hình
+ Phần mềm bao gồm phần mềm thuật toán điều khiển, code
- Đóng góp kết quả thu được ứng dụng trong ngành ô tô về phát triển công nghệ lái tự động trên ô tô nói riêng và các ngành liên quan đến điều khiển động cơ nói chung Đề tài này đặt ra mục tiêu đóng góp kiến thức và giải pháp công nghệ trong việc phát triển và ứng dụng công nghệ xe tự hành trong thời đại phát triển vượt bậc như hiện tại Đồng thời, đề tài còn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho các nhà nghiên cứu và người làm việc trong lĩnh vực này.
Đối tượng nghiên cứu
- Hệ thống lái cho ô tô
- Drive Accelnet & phần mềm CME2
- Các board mạch điều khiển
- Mô hình hệ thống lái
Phương pháp nghiên cứu
Ứng dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết để có cơ sở kiến thức cho đề tài:
- Nghiên cứu về lý thuyết hệ thống lái, trợ lực lái, hệ thống lái trong công nghệ xe tự hành, các cơ sở lý thuyết về điện-điện tử cho đề tài
- Tham khảo nhiều nguồn tài liệu liên quan đến đề tài trên internet, các đề tài của các khóa trên Cùng với sự hướng dẫn chu đáo của GVHD, cũng như việc trao đổi kiến thức cùng các nhóm thực đồ án khác và các anh/chị khóa trước.
Nội dung nghiên cứu
Chúng tôi thực hiện đề tài theo định hướng của GVHD như sau:
- Giai đoạn 1: Nghiên cứu tài liệu về phần cứng và phần mềm liên quan đến đề tài như : hệ thống lái, trợ lực lái, tự lái, drive Accelnet, phần mềm CME2,
- Giai đoạn 2: Thiết kế phần cứng, khởi chạy phần mềm với hệ thống và tinh chỉnh thông số
- Giai đoạn 3: Tiến hành chạy thực nghiệm mô hình và viết thuyết minh
Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài chủ yếu tập trung vào phát triển mô hình hệ thống lái tự động cho xe Renault Twizy với mục đích nghiên cứu thử nghiệm thu kết quả và ứng dụng phát triển hệ thống lái xe Renault Twizy Ở đây hệ thống lái tự động được điều khiển độc lập từ máy tính (thông qua phần mềm của thiết bị) hoặc Arduino được lập trình bởi nhóm Đề tài chưa ứng dụng kết hợp với những hệ thống khác cấu thành một hệ thống lái tự động hoàn chỉnh cũng như việc chưa kết hợp với bộ điều khiển trên xe
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết hệ thống lái trên ô tô
2.1.1 Chức năng của hệ thống lái
Chức năng chính của hệ thống lái là cung cấp khả năng chuyển hướng xe theo ý muốn của người lái, ổn định hướng, giữ cho ô tô chuyển động theo quỹ đạo nhất định, nó biến chuyển động quay của vô lăng thành chuyển động quay góc của bánh dẫn hướng và hấp thụ dao động trên đường khi truyền đến vô lăng, đến tay người lái
2.1.2 Phân loại hệ thống lái
2.1.2.1 Phân loại hệ thống lái theo vị trí vô lăng
Hệ thống lái với vị trí vô lăng bên phải được áp dụng cho luật giao thông của các nước lái xe bên trái đường như: Nhật Bản, Anh, Thái Lan,…
Hệ thống lái với vị trí vô lăng bên trái được áp dụng cho luật giao thông của các nước lái xe bên phải đường như: Việt Nam, Mỹ,…
2.1.2.2 Phân loại hệ thống lái theo kiểu trợ lực lái a Trợ lực lái kiểu thủy lực
Hình 2.1 Hệ thống lái trợ lực thủy lực
Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực là một hệ thống vòng kín sử dụng áp suất dầu để hỗ trợ việc đánh lái, từ đó giúp việc điều khiển tay lái nhẹ nhàng, đơn giản hơn Đây là hệ thống
5 trợ lực đơn giản, giá thành rẻ nên được trang bị trên nhiều dòng xe du lịch, xe tải…Trong hệ thống này thì bơm dầu trợ lực lái được kéo quay bởi động cơ thông qua dây đai… b Trợ lực lái kiểu thủy lực điện tử
Kiểu trợ lực này tương tự như kiểu trợ lực lái thuần thủy lực, chỉ khác ở chỗ bơm của hệ thống thủy lực kiểu này được điều khiển bằng điện, nhờ vậy mà hệ thống này so với hệ thống thủy lực truyền thống thì sẽ tiết kiệm năng lượng hơn, giảm tiếng ồn, có thể điều khiển mức bơm dầu trợ lực tùy vào điều kiện lái
Hình 2.2 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điện tử c Trợ lực lái điện
Hình 2.3 Hệ thống lái trợ lực lái điện
6 Trên những chiếc ô tô mới ngày nay, hệ thống lái trợ lực điện là công nghệ tiêu chuẩn và tiên tiến dành cho việc lái xe tự động hóa cao, xe cao cấp cho đến những xe phân khúc thấp hiện nay cũng được trang bị loại trợ lực này Hệ thống trợ lực lái này sử dụng động cơ điện để hỗ trợ người lái xe Động cơ điện này có thể được đặt trực tiếp trên giá lái hoặc cột lái Loại trợ lực lái này hoạt động bằng cách sử dụng các cảm biến đo lượng mô-men xoắn mà người lái tác dụng lên vô lăng và sử dụng máy tính để quyết định mức độ hỗ trợ cần áp dụng
2.1.3 Cấu tạo cơ bản và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái
Các cơ cấu lái trên các dòng xe hiện nay rất phong phú và đa dạng về kết cấu, cũng như nguyên lý hoạt động Tuy nhiên, trên một hệ thống lái ngày nay đều có 3 thành phần sau: Dẫn động lái, cơ cấu lái, trợ lực lái a Dẫn động lái
Dẫn động lái trên ô tô là hệ thống truyền lực và điều khiển giúp xe di chuyển và điều chỉnh hướng đi Hệ thống này bao gồm nhiều thành phần cơ khí và điện tử hoạt động cùng nhau để đảm bảo xe có thể di chuyển một cách mượt mà và chính xác theo mong muốn của người lái b Cơ cấu lái
Cơ cấu lái trên ô tô là hệ thống chuyển đổi chuyển động xoay của vô lăng thành chuyển động ngang của các bánh xe trước, cho phép người lái thay đổi hướng di chuyển của xe Đây là một phần quan trọng của hệ thống lái, giúp đảm bảo sự chính xác và hiệu quả khi điều khiển xe Tuy nhiên, để đảm bảo thực hiện tốt chức năng của nó thì cần đảm bảo những tiêu chí sau :
- Có thể quay cả hai chiều, để đảm bảo tính chuyển hướng cần thiết của ô tô
- Tỉ số truyền của hộp số lái phải đảm bảo phù hợp với từng loại xe
- Có cấu tạo đơn giản, tuổi thọ cao, giá thành thấp, dễ dàng tháo lắp và điều chỉnh
+ Độ rơ của hộp số lái phải nhỏ
+ Hiệu suất truyền động theo chiều thuận (từ vô lăng đến bánh xe dẫn hướng) lớn hơn hiệu suất theo chiều nghịch (từ bánh xe dẫn hướng tới vô lăng), giữ lại một phần va đập từ mặt đường ở cơ cấu lái
7 Hiện nay, cơ cấu lái trên các xe ô tô du lịch và ô tô tải phổ biến nhất 2 loại là: kiểu bánh răng thanh răng và kiểu trục vít như đã trình bày ở mục 2.2.2 c Trợ lực lái
Trợ lực lái là bộ phận có thể có hoặc không trong hệ thống lái Tuy nhiên, ngày này trên tiêu chuẩn của ô tô, trợ lực lái hầu như là bộ phận không thể thiếu trên xe
Các loại trợ lực lái phổ biến hiện nay là: Trợ lực lái thủy lực, trợ lực lái hybrid (kết hợp giữ thủy lực và điện), trợ lực lái điện như đã trình bày ở mục 2.1.2
Hình 2.4 Sơ đồ của hệ thống lái có trợ lực Hiện nay, trên những mẫu xe mới được tung ra thị trường thì trợ lực lái được trang bị phổ biến nhất là trợ lực lái điện đang thay thế dần loại trợ lực bằng dầu, vì những tính năng mà trợ lực điện mang lại phù hợp trong thời đại công nghệ phát triển mạnh mẽ như hiện tại
2.1.3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái
Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái tương đối đơn giản Khi người lái truyền mô- men đánh lái vào vô lăng Vô lăng sẽ truyền mô-men này đến trục lái theo đúng nhiệm vụ của nó Ở đây, trên hệ thống lái có trợ lực sẽ được trang bị thanh xoắn, cảm biến mô-men, cảm biến góc lái… và một số tín hiệu khác như vận tốc xe, chế độ xe đang chạy, Tùy theo hệ thống lái có trợ lực kiểu nào, kiểu đó cần những tín hiệu nào để trợ lực Nhưng đơn giản là sau khi mô-men được truyền tới trục lái, trục lái sẽ truyền tới cơ cấu lái (hộp số lái) kết hợp với trợ lực lái tăng mô-men truyền tới các thanh dẫn động để dẫn động bánh xe xoay và chuyển hướng xe
Lý thuyết hệ thống lái trợ lực điện
2.2.1 Khái niệm về hệ thống lái trợ lực điện
Electric Power Steering - EPS là hệ thống bổ trợ lực cho hệ thống lái giúp di trì hoặc đổi hướng trên các phương tiện di chuyển như: xe nâng, ô tô,… Nhờ đó mà việc vận hành, điều khiển xe của người lái trở lên đơn giản, nhẹ nhàng hơn
Hình 2.5 Hệ thống trợ lực lái điện
Hệ thống lái trợ lực lái điện không chỉ mang lại sự linh hoạt cho xe khi vận hành mà còn đem lại cảm giác thoải mái, an toàn cho người điều khiển Bên cạnh đó hệ thống EPS còn hạn chế tối đa mức nhiên liệu tiêu hao và dễ dàng bảo trì, sửa chữa hơn hệ thống thủy lực truyền thống
2.2.2 Nhiệm vụ trợ lực lái điện
Trợ lực lái điện (Electric Power Steering - EPS) là một công nghệ tiên tiến trong hệ thống lái của ô tô, giúp cải thiện sự tiện lợi và an toàn khi điều khiển xe Hệ thống này sử dụng một động cơ điện để hỗ trợ lực xoay của vô lăng, thay vì sử dụng bơm thủy lực như trong các hệ thống trợ lực lái truyền thống
Những công dụng chính trợ lực lái điện như sau:
- Đem tới cho người sử dụng cảm giác thoải mái và an toàn
- Giúp tiết kiệm nhiên liệu tối đa
- Tăng cường độ chính xác và kiểm soát
- Giảm lực cần thiết để xoay vô lăng
2.2.3 Cấu tạo chung trợ lực lái điện
Hình 2.6 Cấu tạo trợ lực lái điện Các bộ phận chính cấu thành hệ thống trợ lực của hệ thống lái trợ lực điện bao gồm:
1 Cảm biến mô-men xoắn
3 Bộ điều khiển trợ lực lái điện (ECU EPS )
4 Cảm biến tốc độ xe
2.2.3.1 Cảm biến mô-men xoắn
Một trong những cảm biến quan trọng nhất của hệ thống EPS là cảm biến mô-men xoắn trên trục lái Nó được đo ở trục đầu vào của hệ thống lái Dựa trên mô-men lái đo được từ lực người lái tác dụng vào ở trục đầu vào, bộ điều khiển hệ thống lái EPS xác định góc đánh lái và điều khiển động cơ EPS phù hợp
10 Bảng 2.1 Phân loại các loại cảm biến mô-men
Cảm biến mô-men xoắn
Cấu tạo Sử dụng thanh xoắn Không sử dụng thanh xoắn Đặc điểm đo Góc xoắn Biên dạng bề mặt Ứng suất
Phương pháp đo Tuyến tính Đo sức nặng Từ tính
Cảm ứng Bộ cộng hưởng LC
Từ tính Bộ cộng hưởng SAW
2.2.3.2 Mô-tơ điện a Các loại động cơ và đặc điểm
Hình 2.7 a) Cấu tạo động cơ DC có chổi than b) Cấu tạo động cơ DC không chổi than
(BLDC) Động cơ EPS có thể được phân thành hai loại chính: Động cơ DC và động cơ AC Động cơ DC có chổi than có cấu tạo như hình 2.7a sử dụng chổi than và cổ góp để chuyển hướng dòng điện trong cuộn dây, ngoài ra còn có động cơ BLDC (động cơ DC không chổi than) cấu tạo như hình 2.7b khi động cơ động cơ AC đồng bộ và không đồng bộ cấu tạo
11 như hình 2.8 sử dụng bộ điều khiển và cảm biến điện tử để đạt được hiệu quả cao Động cơ DC có một số ưu điểm so với động cơ AC, chẳng hạn như hiệu suất cao, độ tin cậy, độ bền và giảm tiếng ồn cao hơn Tuy nhiên, chúng cũng đòi hỏi hệ thống điều khiển và cảm biến phức tạp và tốn kém hơn
Hình 2.8 Cấu tạo động cơ AC 3 pha không đồng bộ
Cả hai loại động cơ đều có thể được chia thành các loại phụ dựa trên hình dạng, kích thước, cuộn dây và cấu hình nam châm của chúng, chẳng hạn như trục, hướng tâm, rôto bên trong, rôto ngoài, không có rãnh, có rãnh, nam châm vĩnh cửu hoặc trường quấn Tùy vào nhu cầu, đặc điểm, giá thành của từng loại xe mà các nhà sản xuất ô tô sẽ trang bị hệ thống trợ lực lái với động cơ trợ lực nào như hình 2.19 đã thể hiện phạm vi sử dụng của từng loại động cơ
12 Hình 2.9 Đồ thị lực đánh lái và công suất của các dòng động cơ điện trợ lực lái trên ô tô hiện nay b Điều khiển và phản hồi động cơ Động cơ EPS cần được điều khiển chính xác và chính xác để mang lại khả năng hỗ trợ lái tối ưu cho người lái, tùy thuộc vào tốc độ, mô-men xoắn và góc quay của vô lăng Điều này đòi hỏi một hệ thống điều khiển phức tạp có thể giám sát và điều chỉnh điện áp, dòng điện và tần số của động cơ cũng như tín hiệu phản hồi từ các cảm biến Các cảm biến có thể đo vị trí, tốc độ, mô-men xoắn và nhiệt độ của động cơ cũng như góc lái, lực lái và tốc độ của xe Hệ thống điều khiển có thể sử dụng các thuật toán và chiến lược khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất, hiệu quả và độ an toàn của hệ thống EPS, chẳng hạn như điều chế độ rộng xung (PWM), điều khiển định hướng trường (FOC) hoặc điều khiển thích ứng
2.2.3.3 Bộ điều khiển trợ lực lái điện (ECU EPS )
Mô-đun EPS (Trợ lực lái điện) trên ô tô, còn được gọi là bộ điều khiển EPS hoặc ECU EPS, là một bộ phận trong hệ thống lái trợ lực của xe có chức năng điều khiển và điều chỉnh sự trợ lực điện được cung cấp cho cơ cấu lái Nó thường được tìm thấy trong các phương tiện hiện đại được trang bị hệ thống lái trợ lực điện Thông thường nó có hình dạng như hình 2.20, được lắp gần mô-tơ trợ lực lái
13 Hình 2.10 ECU trợ lực lái xe Hyundai Grand i10
Mô-đun EPS bao gồm các mạch điện tử, cảm biến và thuật toán điều khiển phối hợp với nhau để hỗ trợ người lái điều khiển phương tiện mà không tốn nhiều công sức
Cách mô-đun EPS hoạt động như sau:
- Cảm biến góc lái: Mô-đun EPS nhận đầu vào từ cảm biến góc lái, đo vị trí và góc quay của vô lăng Cảm biến này phát hiện đầu vào lái của người lái và truyền nó đến mô-đun EPS
- Cảm biến tốc độ xe: Mô-đun EPS cũng nhận thông tin từ cảm biến tốc độ xe, theo dõi tốc độ xe đang di chuyển Đầu vào này giúp mô-đun xác định mức hỗ trợ năng lượng phù hợp cần thiết dựa trên các điều kiện lái xe
- Thuật toán điều khiển: Sử dụng đầu vào từ cảm biến góc lái và cảm biến tốc độ xe, mô- đun EPS sử dụng thuật toán điều khiển để tính toán mức hỗ trợ công suất mong muốn Các thuật toán này tính đến các yếu tố như tốc độ xe, góc lái và các biến số khác để xác định mức hỗ trợ lái tối ưu
- Điều chỉnh hỗ trợ điện: Sau khi mô-đun EPS xác định mức hỗ trợ cần thiết, nó sẽ điều khiển một động cơ điện nằm trong hệ thống trợ lực lái Động cơ này cung cấp thêm mô- men xoắn cho hệ thống lái, giúp người lái quay bánh xe dễ dàng hơn
- Chức năng chẩn đoán và phát hiện lỗi: Mô-đun EPS liên tục giám sát hoạt động của hệ thống lái trợ lực Nó kiểm tra mọi bất thường, trục trặc hoặc lỗi cảm biến có thể ảnh hưởng
Công nghệ xe tự lái
2.3.1 Lịch sử xe tự lái Ý tưởng về xe tự lái đã có từ rất lâu Họ đã đưa ra những tầm nhìn khoa học viễn tưởng về tương lai kể từ những năm 1930 Nhưng chỉ gần đây công nghệ có thể biến chúng thành hiện thực mới bắt đầu được phát triển đầy đủ Các nguyên mẫu thử nghiệm đầu tiên có từ những năm 1960
Gần đây hơn, vào năm 2004, Darpa (bộ quốc phòng Hoa Kỳ, chịu trách nhiệm phát triển các công nghệ mới nổi) đã mời cả thế giới chế tạo một phương tiện có thể chạy qua sa mạc Mojave của California để giành giải thưởng trị giá hàng triệu đô la Chiếc xe thành công nhất chỉ đi được bảy trong số 142 dặm Nhưng cuộc đua đã thúc đẩy niềm tin rằng những chiếc xe robot là một khả năng
Trong cuộc đua tiếp theo vào năm 2005, năm chiếc xe đã hoàn thành chặng đường Chiếc xe đến đích đầu tiên là Stanley của đội Stanford hình 2.18
22 Hình 2.18 Stanley của đội Stanford tại cuộc thi trong cuộc thi năm 2005 của DARPA Stanford đã hợp tác với Phòng nghiên cứu điện tử của Volkswagen để cho ra đời chiếc xe được trang bị laser LIDAR, camera quay video và hệ thống định vị GPS Đến thử thách đô thị năm 2007, các phương tiện không chỉ tránh chướng ngại vật và bám vào đường mòn mà còn tuân thủ luật giao thông, nhập làn, đỗ xe, thậm chí quay đầu xe an toàn, hợp pháp Đến năm 2010, các kỹ thuật viên của Google đã xây dựng một hệ thống có thể xử lý một số con đường khó khăn nhất ở California (bao gồm cả đoạn đường quanh co nổi tiếng của Phố Lombard ở San Francisco)
Xe tự lái, còn được gọi là xe tự hành hoặc xe không người lái, là loại phương tiện có khả năng vận hành và điều khiển mà không cần sự can thiệp trực tiếp từ người lái Xe tự lái sử dụng các công nghệ tiên tiến như trí tuệ nhân tạo (AI), cảm biến, camera, radar, và hệ thống định vị toàn cầu (GPS) để nhận biết môi trường xung quanh, lập kế hoạch di chuyển, và thực hiện các thao tác lái xe an toàn và hiệu quả
23 Hình 2.19 Công nghệ xe tự hành
Xe tự lái có khả năng đọc và phân tích dữ liệu từ môi trường xung quanh để đưa ra quyết định chính xác về tốc độ, hướng đi và tránh các vật cản trong quá trình di chuyển
2.3.3 Phương thức hoạt động của xe ô tô tự lái Ô tô tự hành dựa vào cảm biến, bộ truyền động, thuật toán, hệ thống máy học và bộ xử lý mạnh mẽ để thực thi phần mềm
Hình 2.20 Các cảm biến cho hệ thống lái tự động Ô tô tự động tạo và duy trì bản đồ môi trường xung quanh dựa trên nhiều loại cảm biến nằm ở các bộ phận khác nhau của xe Dữ liệu đó bao gồm hình ảnh từ camera trên ô tô tự lái mà từ đó mạng lưới thần kinh học cách xác định đèn giao thông, cây cối, lề đường, người đi bộ, biển báo đường phố Cảm biến radar giám sát vị trí của các phương tiện gần
24 đó Cảm biến lidar (phát hiện ánh sáng và đo phạm vi) phản chiếu các xung ánh sáng ra khỏi môi trường xung quanh ô tô để đo khoảng cách, phát hiện mép đường và xác định vạch kẻ làn đường Cảm biến siêu âm trong bánh xe phát hiện lề đường và các phương tiện khác khi đỗ xe
Sau đó, phần mềm tinh vi sẽ xử lý tất cả thông tin đầu vào cảm giác này, vẽ đường đi và gửi hướng dẫn đến bộ truyền động của ô tô, bộ điều khiển tăng tốc, phanh và lái Các quy tắc được mã hóa cứng, thuật toán tránh chướng ngại vật, mô hình dự đoán và nhận dạng đối tượng giúp phần mềm tuân theo quy tắc giao thông và điều hướng chướng ngại vật
2.3.4 Các thành phần chính của công nghệ xe tự lái
Công nghệ xe tự lái dựa trên ba thành phần chính: cảm biến, phần mềm và hệ thống điều khiển
Hình 2.21 Các bộ phận và cách bố trí trên xe tự hành
- Cảm biến là các thiết bị thu thập thông tin về môi trường xung quanh xe như camera, radar, LiDaR, cảm biến vận tốc xe, cảm biến siêu âm, được bố trí trên như hình 2.21
- Phần mềm là phần xử lý thông tin từ các cảm biến và đưa ra các quyết định điều khiển xe Phần mềm xe tự lái bao gồm các thuật toán phức tạp, sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để phân tích dữ liệu từ cảm biến và đưa ra các quyết định phù hợp
- Hệ thống điều khiển là các bộ phận thực hiện các lệnh của phần mềm Hệ thống điều khiển xe tự lái bao gồm các bộ phận như tay lái, phanh và ga
25 Cảm biến là thành phần quan trọng nhất của công nghệ xe tự lái Các cảm biến nhận biết và thu thập thông tin về môi trường xung quanh, bao gồm các vật thể xung quanh, vị trí của xe và tình trạng giao thông hiện tại
Các loại cảm biến phổ biến được sử dụng trong xe tự lái bao gồm:
- Camera là loại cảm biến phổ biến nhất được sử dụng trong xe tự lái Nó được sử dụng để nhận biết các vật thể trong tầm nhìn của xe, chẳng hạn như xe cộ, người đi bộ và vật cản
- Radar là một loại cảm biến điện từ sử dụng sóng vô tuyến để phát hiện các vật thể Radar có thể được sử dụng để nhận biết các vật thể ở xa hơn và trong điều kiện ánh sáng yếu hơn so với camera
Một số ưu điểm và nhược điểm của ô tô tự lái
- An toàn hơn : Tai nạn thường xảy ra do người lái xe mệt mỏi, thiếu chú ý hoặc có hành vi không đúng Điều này có nghĩa là gần 99% các vụ tai nạn là do lỗi của con người Với việc loại bỏ người lái xe là nguyên nhân gây ra lỗi và tăng độ phức tạp của hệ thống (cảm biến, camera và hệ thống AI), việc lái xe có thể được thực hiện hiệu quả hơn và tỷ lệ tai nạn có thể giảm xuống Ngoài ra, xe tự hành có thời gian phản ứng thấp hơn và do đó rút ngắn thời gian phanh và khởi động
- Thêm thời gian và sự thoải mái : Tùy thuộc vào cấp độ của xe tự hành, người lái xe có thể ngồi lại và thư giãn, nghỉ ngơi ngắn và dành thời gian cho việc khác Trong trường hợp tốt nhất, với phương tiện cấp 5, bạn chỉ là một hành khách, còn phương tiện di chuyển sẽ đưa bạn đến đích một cách đáng tin cậy
- Hiệu quả hơn trong giao thông :
+ Các phương tiện tự hành có khả năng liên lạc và phối hợp với nhau (Car2x Communications) Do đó, chúng có thể cải thiện lưu lượng giao thông và tăng năng lực đường bộ
+ Điều này giúp giảm ùn tắc giao thông khó chịu và tốn thời gian, cho phép đi các tuyến đường ngắn hơn và giúp lái xe hiệu quả hơn và tiết kiệm năng lượng hơn Điều này cũng mang lại những lợi thế lớn trong lĩnh vực hậu cần
28 + Lái xe tự động có thể cải thiện khả năng tiếp cận Ngay cả những người ngày nay vẫn phải dựa vào người khác để di chuyển cũng sẽ có cơ hội tham gia giao thông đường bộ một cách tự chủ nhờ lái xe tự động
+ Về mặt kinh tế, điều này mang lại một lợi thế khác, đó là các nhà sản xuất có thể tiếp cận được nhóm khách hàng và mục tiêu lớn hơn
+ Với xe tự lái, cần ít chỗ đậu hơn nếu xe cho hành khách xuống và tiếp tục đi đến điểm đến tiếp theo Tuy nhiên, nếu vẫn cần chỗ đậu xe, người dùng sẽ không phải mất nhiều thời gian tìm kiếm chỗ trống vì ô tô có thể tự tìm chỗ đậu xe và sau đó truyền dữ liệu vị trí + Ngược lại, xe cũng có thể di chuyển từ chỗ đỗ xe sang chỗ người dùng
- Giảm lượng khí thải 〖CO〗_2 :
+ Vì phương tiện không còn đỗ trong thành phố mà có thể độc lập tìm chỗ chờ bên ngoài thành phố nên có nhiều không gian hơn cho mảng xanh trong thành phố Ngoài ra, việc lái xe hiệu quả còn giúp giảm lượng khí thải CO2
+ Công nghệ cũng đóng một vai trò quan trọng: Các giải pháp thay thế thân thiện với môi trường như truyền động bằng pin-điện, hybrid hoặc chạy bằng hydro đều có tác dụng này vì thời gian sạc và tiếp nhiên liệu có thể được hệ thống tính toán và lên kế hoạch trong thời gian thích hợp
- Giảm chi phí vận hành :
+ Vận tải không người lái mang lại cơ hội tiết kiệm chi phí trong lĩnh vực hậu cần và di chuyển Việc trang bị cho một chiếc xe những hệ thống cần thiết sẽ mang lại nhiều lợi nhuận hơn chi phí nhân công cho nhân viên lái xe
+ Các chi phí tiết kiệm được có thể được sử dụng để mở ra các lĩnh vực mới và mở rộng dịch vụ Điều tương tự cũng áp dụng cho vận tải hàng hóa: Với phương tiện tự hành, quy trình giao hàng có thể diễn ra vào thời điểm lưu lượng giao thông thấp, chẳng hạn như tối ưu hóa quãng đường cuối cùng
Mặc dù có nhiều lợi ích từ việc lái xe tự động nhưng công nghệ này vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức và khó khăn Ví dụ, lái xe tự động mang theo một số mối nguy hiểm và
29 các vấn đề đạo đức Khoảng cách an toàn và trở ngại chính trị cũng chưa được loại bỏ hoàn toàn Do đó, những thách thức sau đây đối với việc lái xe tự động, cùng với tất cả các cơ hội và rủi ro, cần được xem xét chi tiết hơn
+ Một hệ thống tham gia giao thông đường bộ phải truyền tải, đánh giá và tính toán lượng lớn dữ liệu theo thời gian thực để có những dự đoán chính xác Để hiểu đầy đủ về môi trường lái xe với số lượng lớn người tham gia giao thông và nhiều quá trình năng động (ngay cả trong những tình huống khó khăn và phức tạp), hệ thống này phải có độ phức tạp cao – nếu không, nó không thể lập kế hoạch lái xe một cách đáng tin cậy về mặt không gian và thời gian
+ Do đó, một lỗi duy nhất trong phần mềm cũng có thể dẫn đến tai nạn giao thông Quan trọng: Không thể hoàn thiện hệ thống kỹ thuật chỉ bằng thử nghiệm, vì không có môi trường thử nghiệm nào thực sự bao gồm tất cả các tình huống có thể được tạo ra một cách thực tế
Do đó, điều kiện tiên quyết là một hệ thống thích ứng có khả năng phát hiện và sửa lỗi
Thách thức và tương lai của xe tự hành
2.5.1 Thách thức về cơ sở hạ tầng
31 Ở một số quốc gia, việc phát triển cơ sở hạ tầng đường bộ, đường cao tốc còn chậm so với nền kinh tế phát triển Mạng truyền thông 3G và 4G-LTE cần thiết để kết nối, chỉ giới hạn ở các khu vực thành thị và bán đô thị Ô tô tự hành yêu cầu cơ sở hạ tầng cơ bản như đường được tổ chức tốt, vạch kẻ làn đường và kết nối GPS để hoạt động hiệu quả Đây cũng là vấn đề lớn đối với xe tự hành ở thời điểm hiện tại khiến xe tự hành bị thu hẹp phạm vi hoạt động của nó
2.5.2 Thách thức về kỹ thuật và công nghệ
Nhưng thách thức kỹ thuật để thương mại hóa một chiếc xe tự hành là rất lớn Một chiếc xe có thể tự lái trên những con đường được bảo dưỡng tốt có thể mắc sai lầm nghiêm trọng trên những con đường được bảo trì kém Điều gì sẽ xảy ra nếu một chiếc xe có thể phản ứng an toàn với giao thông bình thường có thể không phản ứng an toàn với các tình huống bất thường Một chiếc xe có thể làm mọi thứ mà các kỹ sư yêu cầu có thể thất bại khi gặp phải một vấn đề mà họ chưa bao giờ xem xét đến, chiếc xe lúc đó sẽ không biết phải làm gì và họ cũng không thể lường trước được chiếc xe sẽ làm gì Điều này quá nguy hiểm cho người ngồi trong xe và những người xung quanh
Các nhà phát triển phải thử nghiệm công nghệ này hàng triệu km trước khi thương mại hóa nó hoàn toàn Để đạt được khả năng tương đương 95% với người lái, một chiếc ô tô tự hành cần phải di chuyển khoảng 291 triệu dặm mà không gây ra bất kỳ trường hợp tử vong nào Chẳng hạn, vụ tai nạn chết người đầu tiên xảy ra vào tháng 3 năm 2018, khi nguyên mẫu Uber cấp 4 va chạm với một người đang băng qua đường Sau đó Uber đã dừng toàn bộ việc thử nghiệm xe tự hành của họ trên toàn bộ Bắc Mỹ Điều này chứng tỏ rằng việc thử nghiệm công nghệ xe tự hành vẫn còn là vấn đề lớn cho các nhà sản xuất trước khi nó có thể được thương mại hóa
2.5.3 Thách thức về mặt pháp lý và thị trường
Hiện này, nhiều quốc gia trên thế giới cũng đã có những quy định riêng dành cho xe tự hành Điều này khiến các nhà sản xuất ô tô công nghệ tự hành phải đáp ứng những quy định của từng quốc gia khi muốn thương mại hóa tại thị trường đó Ngoài ra, chi phí để người dùng chịu chi trả cho một công nghệ mới ở tương lai gần vẫn là vấn đề lớn với các nhà sản xuất
HỆ THỐNG LÁI XE ĐIỆN RENAULT TWIZY
Giới thiệu về xe điện Renault Twizy
Concept của Renault Twizy được ra mắt vào năm 2009, vào năm 2012 xe được sản xuất thương mại hóa Cho đến nay, nhà sản xuất ô tô của Pháp, Renault vẫn giữ nguyên thiết kế và thông số của Twizy Kiểu dáng của Twizy rất đơn giản với cấu trúc 4 bánh xe và một khoang cabin dành cho 2 người ngồi Vì ngay từ đầu ý tưởng của xe được thiết kế tập trung cho đô thị đông đúc nên Renault chỉ thiết kế khoang cabin 2 chỗ thay vì 4 Cùng với kích thước xe nhỏ gọn: dài x rộng x cao (không tải ): 2,33m x 1,38m x 1,45m Cùng với dung tích khoang hành lý của xe khá nhỏ khoảng 31 lít
Hình 3.1 Xe điện Renault Twizy Renault trang bị cho Twizy một động cơ điện không đồng bộ MBL7e, dẫn động cầu sau có công suất cực đại 13 kW, khoảng 17HP và mô-men xoắn cực đại 57 Nm, khối lư38kg Cùng với đó là hộp số tự động với cơ cấu số rút gọn Nhờ vậy xe có thể tăng tốc từ 0-45 km/h trong 6 giây, đạt tốc độ tối đa 80 km/h và có phạm vi hoạt động tối đa khoảng
96 km cho mỗi lần sạc đầy pin Khi thời tiết lạnh giá thì phạm vi hoạt động có thể giảm xuống còn khoảng 60 km
Về an toàn và công nghệ, Renault chỉ trang bị cho Twizy túi khí dành cho người lái, đai an toàn cho 2 ghế Với thiết kế nhỏ gọn, tốc độ tối đa không quá cao, cùng với xe ở phân khúc thấp thì Twizy được trang bị phanh đĩa không có ABS Ngoài ra, với khối lượng không quá 500kg thì Twizy không được trang bị hệ thống trợ lực lái Điều này khiến việc điều khiển Renault Twizy khá khó khăn khi di chuyển chậm và đánh lái liên tục
Thành phần trên xe điện Renault Twizy
Các bộ phận truyền động xe điện Renault Twizy
Hệ thống truyền động của xe Renault Twizy được thiết kế khá đơn giản hơn những chiếc xe điện hiện nay
Hình 3.2 Bố trí các bộ phân truyền động chính trong xe Renault Twizy
3 Hộp số và vi sai (gearbox)
6 Hộp chuyển đổi sạc (Charger inverter)
7 Hộp điều khiển (Sevcon Gen4)
Với đầu cắm sạc được thiết kế sử dụng cho ổ cắm điện gia dụng (xoay chiều 1 pha), Twizy được sạc ngay tại nhà từ 0 – 100% trong vòng 3,5 giờ
34 Hình 3.3 Đầu sạc xe Renault Twizy
Renault Twizy được trang bị động cơ không đồng bộ 3 pha MBL7e đi kèm cảm biến nhiệt độ và encoder, hoạt động với bộ điều khiển Sevcon và Zapi ACE
Hình 3.4 Động cơ xe Renault Twizy
3.2.3 Hộp số và vi sai
Trên Twizy được trang bị hộp số tự động và một bộ vi sai do xe chỉ dòng 1 động cơ điện để cung cấp truyền động cho xe
35 Hình 3.5 Vi sai trên xe Renault Twizy
Xe được trang bị bộ pin khoảng 6,1kWh, bố trí dọc theo khung của xe, bên dưới 2 ghế ngồi
Hình 3.6 Pin trên xe Renault Twizy
Trên Twizy được Renault trang bị ắc quy 12v, dòng điện tối đa là 80A và dung lương pin 14Ah
36 Hình 3.7 Ắc quy 12V xe Renault Twizy
3.2.6 Hộp chuyển đổi sạc (Charger inverter)
Charger inverter tích hợp hai chức năng Thứ nhất là biến đổi dòng điện xoay chiều từ dòng điện sạc điện áp gia dụng thành dòng điện một chiều (AC sang DC) để sạc cho pin Thứ 2 là biến đổi điện cao áp DC sang điện DC áp thấp 12volt để cung cấp cho các thiết bị điện trong xe và ắc quy 12Volt
Hình 3.8 Charger inverter của Renault Twizy
3.2.7 Hộp điều khiển (Sevcon Gen4)
Bộ điều khiển đặc biệt cho động cơ PMSM Sevcon Gen4 có thiêt kế nhỏ gọn đáng chú ý trong các bộ điều khiển AC Bộ điều khiển này dành cho xe điện chạy trên đường,
37 địa hình và có kích thước nhỏ nhất trong ngành so với công suất điện của nó Nhờ hiệu quả cao, có thể tích hợp các bộ điều khiển này vào những không gian rất chật hẹp mà không làm giảm hiệu suất Chính vì vậy mà Renault đã trang bị bộ điều khiển Sevcon Gen4 trên chiếc Twizy của họ
Những tính năng nổi bật của Sevcon Gen 4:
- Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu AC, bao gồm động cơ có cực lồi, không có cực lồi và BLDC
- Bus truyền thông CAN cho phép kết nối với các bộ điều khiển và thiết bị như Hệ thống quản lý pin, màn hình và VCU
- Có thể định cấu hình master để điều khiển xe hoặc cấu hình slave điều khiển động cơ
- Tự động kiểm tra chẩn đoán hệ thống
Hình 3.9 Sevcon Gen4 của Renault Twizy
Gen4 bao gồm một bộ đầu vào và đầu ra (I/0) tích hợp đầy đủ được thiết kế để đáp ứng nhiều yêu cầu về phương tiện Điều này giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng thêm mô-đun I/O bên ngoài hoặc bộ điều khiển, đầu nối của xe
- 8 đầu vào kỹ thuật số
- 2 đầu vào analog (có thể được cấu hình là kỹ thuật số)
- 3 đầu ra contactor/điện từ
- Đầu ra encoder lập trình 5 V hoặc 10 V
- Đầu vào cảm biến nhiệt độ động cơ
- Bộ mã hóa động cơ được hỗ trợ bao gồm cảm biến Hall UVW, cảm biến Sin/Cos và encoder A/B incremental
Hệ thống lái xe điện Renault Twizy
Xe điện Renault Twizy được trang bị hệ thống lái ở cầu trước kiểu bánh răng - thanh răng, không có trợ lực lái (EPS), lái hoàn toàn bằng lực tác động từ vô lăng của người lái
Do trọng lượng của xe là tương đối nhẹ và quãng đường di chuyển cho mỗi lần sạc là không quá xa, hơn nữa đây là xe được thiết kế nhỏ gọn cho việc di chuyển trong thành phố đông đúc
Hình 3.10 Hệ thống lái cho xe điện Renaul Twizy
Ý tưởng trang bị hệ thống tự lái trên Renault Twizy
Triển vọng của những phương tiện xe tự lái là rất lớn đối với thời đại công nghệ phát triển vượt bất như hiện tại Chúng có thể mang lại khả năng di chuyển cho những phân khúc thị trường mà trước đây chưa từng được tiếp cận như trẻ em, người khuyết tật hoặc
39 những người không thể tự lái xe Ngoài ra, đây còn là cơ hội lớn tạo ra các mô hình kinh doanh mới như dịch vụ robotaxi, vận chuyển, giao hàng hóa, giao thức ăn, Những dịch vụ như vậy phát triển rất mạnh ở khu vực thành phố, đô thị Đây cũng là lý do có ý tưởng trang bị hệ thống tự lái trên xe điện Renault Twizy, chiếc xe được sinh ra dành cho khu vực thành phố dân cư đông đúc
Một số lý do để trang bị hệ thống tự lái cho xe điện Renault Twizy: a Tính đặc thù của xe
+ Twizy là xe điện, phù hợp với xu hướng phát triển ngành ô tô hiện tại
+ Xe được thiết kế cho khu vực đông dân cư (nhỏ gọn, linh hoạt)
+ Xe nguyên bản hiện tại vẫn chưa được trang bị hệ thống trợ lực lái
+ Xe nhỏ gọn, chi tiết đơn giản đặc biệt là hệ thống lái, phù hợp cho việc lên ý tưởng và thử nghiệm thực tế mô hình b An toàn giao thông
+ Giảm thiểu tai nạn do lỗi con người: Hệ thống lái tự động có thể giảm bớt tai nạn do sự mất tập trung, mệt mỏi, hoặc sai lầm của người lái Hệ thống này sẽ đảm bảo rằng xe luôn được điều khiển một cách an toàn và chính xác
+ Phản ứng nhanh hơn: Hệ thống tự động có thể xử lý và phản ứng với các tình huống khẩn cấp nhanh hơn con người, như phanh gấp hoặc tránh vật cản, từ đó giảm thiểu nguy cơ tai nạn c Tiện ích và trải nghiệm người dùng
+ Tăng cường sự thoải mái: Với hệ thống lái tự động, người lái có thể thư giãn và tận hưởng chuyến đi mà không cần lo lắng về việc điều khiển xe liên tục, đặc biệt là trong các hành trình dài hoặc khi gặp tình trạng giao thông ùn tắc
+ Tiết kiệm thời gian: Hệ thống tự động có thể tối ưu hóa lộ trình, tránh các khu vực đông đúc và tìm ra con đường ngắn nhất, giúp tiết kiệm thời gian di chuyển d Hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường
+ Tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng: Hệ thống lái tự động có khả năng điều khiển xe một cách tối ưu, giảm thiểu việc sử dụng năng lượng và kéo dài tuổi thọ của pin, từ đó giảm chi phí vận hành
+ Giảm lượng sạc điện: Việc di chuyển hiệu quả hơn sẽ giảm nhu cầu sạc điện thường xuyên, góp phần vào việc sử dụng năng lượng một cách bền vững và bảo vệ môi trường
40 e Công nghệ tiên tiến và xu hướng tương lai
+ Phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ: Trang bị hệ thống lái tự động cho Renault Twizy giúp xe phù hợp với xu hướng phát triển của ngành công nghiệp ô tô và các tiêu chuẩn công nghệ hiện đại
+ Thúc đẩy nghiên cứu và phát triển: Việc triển khai hệ thống lái tự động tạo cơ hội nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới, nâng cao trình độ công nghệ và kỹ thuật trong nước f Ứng dụng trong các môi trường đặc thù
+ Dịch vụ giao hàng và di chuyển đô thị: Renault Twizy với hệ thống lái tự động có thể được sử dụng trong các dịch vụ giao hàng tự động hoặc vận chuyển hành khách trong khu vực đô thị đông đúc, giúp tăng hiệu quả và giảm chi phí vận hành
+ Ứng dụng trong khu vực hạn chế: Các khu vực như khuôn viên trường học, khu công nghiệp, bệnh viện hoặc khu nghỉ dưỡng có thể sử dụng xe tự lái để di chuyển trong khuôn viên một cách an toàn và hiệu quả g Cải thiện quản lý giao thông
Tích hợp với hệ thống giao thông thông minh: Xe tự lái có thể kết nối và tương tác với các hệ thống giao thông thông minh, giúp cải thiện luồng giao thông và giảm tắc nghẽn, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống giao thông đô thị
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN LÁI TỰ ĐỘNG
Điều khiển lái tự động
4.1.1.1 Giới thiệu về drive Copley Controls: Accelnet Panel
Accelnet là bộ khuếch đại được cấp nguồn DC, hiệu suất cao cho vị trí, vận tốc (sử dụng encoder, Hall hoặc BEMF) và điều khiển mô-men xoắn của động cơ không chổi than và động cơ chổi than Nó có thể hoạt động như một ổ đĩa phân tán sử dụng giao thức CANopen hoặc DeviceNet hoặc như một ổ đĩa độc lập chấp nhận các lệnh tương tự (Analog) hoặc kỹ thuật số ( Digital ) từ bộ điều khiển chuyển động bên ngoài
Hình 4.1 Hộp drive Accelnet Việc vận hành bộ khuếch đại nhanh chóng và đơn giản bằng cách sử dụng phần mềm CME 2™ hoạt động trong Windows® và giao tiếp với Accelnet qua CAN hoặc liên kết RS-232
4.1.1.2 Thông số của drive Copley Controls: Accelnet Panel
- Điện áp hoạt động và công suất đầu ra :
- Các chế độ điều khiển :
+ Indexer, Point-to-Point, PVT
+ Camming, Gearing, Position, Velocity, Torque
- Các giao diện lệnh điều khiển :
+ Single-ended or Differential selectable
+ Analog sin/cos encoder (-S option)
+ Aux encoder / emulated encoder output
Hình 4.2 Các chân của hộp Accelnet
4.1.1.3 Các phương thức giao tiếp với drive Accelnet Panel a Giao tiếp CANOPEN
Accelnet sử dụng tín hiệu lớp vật lý CAN CAN_H, CAN_L và CAN_GND để kết nối và dùng giao thức CANopen để liên lạc Trước khi thiết lập drive vào hệ thống CAN, nó phải được gán địa chỉ CAN Cho phép tối đa 127 nodes trên 1 CAN bus độc lập Công tắc xoay ở bảng điều khiển bên cạnh điều khiển 4 bit thấp hơn của địa chỉ CAN 7 bit Khi số lượng node trên một bus nhỏ hơn 16, địa chỉ CAN chỉ có thể được đặt bằng cách sử dụng công tắc như hình
Hình 4.3 Công tắc để đặt địa chỉ CAN Đối với các cài đặt có 16 nodes CAN trở lên, CME có thể được sử dụng để cấu hình Accelnet để sử dụng công tắc xoay, hoặc kết hợp đầu vào kỹ thuật số và phần bù được lập trình trong bộ nhớ flash để định cấu hình ổ đĩa có địa chỉ nút CAN cao hơn b Giao tiếp RS-232
Cổng RS-232 full-duplex hoạt động ở tốc độ 9.600 đến 115.200 Baud Cổng COM được cài đặt “N81” (Không có tính chẵn lẻ, 8 bit dữ liệu, 1 bit dừng) Bộ cáp serial SER-
CK cung cấp bộ chuyển đổi kết nối với cổng COM của PC (đầu nối D-Sub đực 9 vị trí) và chấp nhận cáp mô-đun có đầu nối RJ-11 để kết nối với cổng Accelnet RS-232 (J6) Serial bus RS-232 của bộ khuếch đại có thể được sử dụng bởi ứng dụng điều khiển bên ngoài (HMI,PLC, PC, v.v.) để thiết lập và điều khiển trực tiếp serial của bộ khuếch đại
44 Hình 4.4 Cổng RS-232 của drive Accelnet Ứng dụng điều khiển có thể đưa ra các lệnh khuếch đại từ tập hợp các lệnh định dạng ASCII tạo nên Copley Control ASCII Interface c Đầu vào Digital
Accelnet có 12 đầu vào digital, 11 trong số đó có chức năng lập trình Đầu vào [In1] hình 4.5 được dành riêng cho kích hoạt chức năng Điều này được thực hiện để ngăn chặn việc lập trình ngẫu nhiên đầu vào theo cách mà bộ điều khiển không thể tắt được
Hai loại bộ lọc RC được sử dụng: GP (General Purpose) và HS (High Speed) Các chức năng đầu vào như Pulse/Dir, CW/CCW, Quad A/B được nối với đầu vào có bộ lọc
HS và đầu vào có bộ lọc GP được sử dụng cho các chức năng logic mục đích chung, công tắc giới hạn và cảm biến nhiệt độ động cơ
Các chức năng lập trình của đầu vào kỹ thuật số bao gồm:
- Công tắc giới hạn dương
- Lệnh Step và Direction, CU/CD vị trí động cơ bước
- Công tắc giới hạn âm
- Bộ mã hóa chính Quad A/B
- Lệnh dòng điện hoặc vận tốc của động cơ
- Quá nhiệt độ động cơ
- Các bit địa chỉ CAN d Đầu ra Digital Đầu ra digital là các MOSFET mở với điện trở kéo lên 1 kΩ nối tiếp với một diode đến +5 Vdc Chúng có thể giảm tới 1 Adc từ các tải bên ngoài hoạt động từ nguồn điện đến +30 Vdc
45 Hình 4.5 Sơ đồ chân đầu ra digital của hộp Accelnet
Các chức năng đầu ra có thể lập trình được Trạng thái hoạt động của các đầu ra có thể được lập trình để bật hoặc tắt Khi điều khiển các tải cảm ứng như rơle, cần có một diode fly-back bên ngoài Đi-ốt bên trong ở đầu ra dùng để điều khiển các đầu vào PLC được cách ly quang và được kết nối với nguồn +24 Vdc Diode ngăn chặn sự dẫn điện từ +24 Vdc qua điện trở 1 kΩ đến +5 Vdc trong biến tần Điều này có thể bật đầu vào PLC, đưa ra chỉ báo sai về trạng thái đầu ra của biến tần f Kết nối mô-tơ
Kết nối động cơ có ba phần: pha, phản hồi (feedback) và cảm biến nhiệt Các kết nối pha mang dòng điện đầu ra truyền động điều khiển động cơ tạo ra chuyển động Một cảm biến nhiệt cho biết động cơ quá nhiệt được sử dụng để tắt biến tần nhằm bảo vệ động cơ Phản hồi có thể là bộ encoder quad A/B kỹ thuật số, bộ mã hóa sin/cos tương tự, bộ phân giải hoặc Hall kỹ thuật số, tùy thuộc vào mô-tơ
Hình 4.6 Sơ đồ kết nối mô-tơ trong hộp Accelnet
46 Đầu ra của drive là một bộ biến tần PWM ba pha (U, V, W) như hình 4.6 chuyển đổi điện áp bus DC (+HV) thành ba dạng sóng điện áp hình sin điều khiển cuộn dây pha của động cơ Cáp phải có kích thước phù hợp với định mức dòng điện liên tục của động cơ Hệ thống cáp động cơ nên sử dụng dây dẫn xoắn, có vỏ bọc để tuân thủ CE và để giảm thiểu sự ghép nhiễu của tín hiệu xung điện vào các mạch khác g Kết nối digital encoder
Giao diện bộ mã hóa quad A/B là một bộ thu dòng vi sai có bộ lọc RC ở đầu vào Cần phải có bộ encoder có đầu ra riêng biệt vì chúng ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu có thể làm suy giảm đầu ra một đầu Cáp bộ encoder nên sử dụng cáp xoắn cho từng cặp tín hiệu: A
& /A, B & /B, X & /X Nên sử dụng tấm chắn tổng thể và đối với cáp dài hơn, có thể cần phải có tấm chắn cho từng cặp để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu
Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển
Hình 4.31 Tổng quan sơ đồ kết nối các khối của mô hình
Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên bộ xử lý ATmega328P
Có 14 chân I/O kỹ thuật số, 6 đầu vào analog, kết nối USB, giắc cắm nguồn, tiêu đề ICSP và nút đặt lại Nó chứa tất cả các mô-đun cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển Chỉ cần cắm nó vào máy tính bằng cáp USB hoặc cấp nguồn bằng bộ chuyển đổi để bắt đầu
Hình 4.32 Các chân Arduino Uno
4.2.2 Mô-đun Max3232 RS232 to TTL
Mô-đun chuyển đổi nối tiếp RS232 sang Transistor -Transistor Logic (TTL) được sử dụng để ổn định giao tiếp nối tiếp giữa các cổng TTL và RS232 Hầu hết các bộ vi điều khiển ngày nay tích hợp Universally Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) có thể được sử dụng để nhận và truyền dữ liệu nối tiếp Mô-đun RS232 - TTL có IC MAX3232 hỗ trợ giao tiếp nối tiếp giữa máy tính và bộ vi điều khiển
Hình 4.33 Module chuyển đổi tín hiệu RS232 – TTL
SN75176B là mạch tích hợp được thiết kế cho dữ liệu hai chiều thông tin liên lạc trên đường truyền bus đa điểm SN75176B có dạng chân PDIP-8 là chip chuyển đổi tín hiệu TTL từ MCU như Atmel 89C52, AVR, PIC, STM32 sang chuẩn RS485/RS232 để truyền đi và nhận về
SN75176B kết hợp trình điều khiển đường truyền vi sai 3 trạng thái và bộ thu đường truyền đầu vào vi sai, cả hai đều hoạt động từ một nguồn điện 5V duy nhất
Hình: Bố trí chân và mô tả các chân của IC SN75176B
65 Hình 4.34 Bố trí chân và mô tả các chân của IC SN75176B
Cảm biến tải trọng là một cảm biến hoặc bộ chuyển đổi chuyển đổi tải hoặc lực tác động lên nó thành tín hiệu điện tử Tín hiệu điện tử này có thể là sự thay đổi điện áp, thay đổi dòng điện hoặc thay đổi tần số tùy thuộc vào loại tế bào tải và mạch điện được sử dụng
Có nhiều loại tế bào tải khác nhau Có hai loại cảm biến tải trọng: cảm biến tải trọng điện trở và cảm biến tải trọng điện dung
66 Hình 4.35 Cảm biến cân nặng loại chữ Z
Hoạt động : Một cảm biến tải trọng được tạo ra bằng cách sử dụng một bộ phận đàn hồi
(có kiểu biến dạng có độ lặp lại rất cao) được gắn vào một số strain guages như hình 4.36a
Khi màng này được kéo, nó sẽ giãn ra và dài ra Khi bị đẩy, nó co lại và ngắn lại Sự thay đổi hình dạng này làm cho điện trở trong dây dẫn điện cũng thay đổi Biến dạng được áp dụng trong cảm biến tải trọng có thể được xác định dựa trên nguyên tắc này, vì điện trở của máy đo biến dạng tăng khi biến dạng được áp dụng và giảm đi khi co lại
Hình 4.36 a) Strain Gauge bên trong Load Cell b) Mạch cầu Wheatstone
Mô hình thực tế
a Khung nhôm định hình và sắt cắt laser
Sau khi đã tính toán dựa trên thông số của các cơ cấu và vừa đảm bảo tính thẩm mỹ, trọng lượng nhẹ, nhỏ gọn, lắp ráp nhanh chóng đặc biệt là đảm bảo tính kỹ thuật nên nhóm đã sử dụng nhôm định hình kích thước 20x20mm để xây dựng khung cho mô hình Với những chi tiết cần có những hình dạng đặc thù để phù hợp với mô hình, nhóm đã lên thiết kế bản vẽ và cắt laser
Hình 4.37 Mô hình thiết kế trên phần mềm Inventor
68 Hình 4.38 Khung mô hình b Cụm mô-tơ Để phù hợp cho quá trình thực nghiệm mô hình, chuyển đổi giữa chức năng lái thường và tự lái Nhóm đã thiết kế công tắc từ để đáp ứng yêu cầu trên Nhóm cũng đã trang bị một hộp giảm tốc tại đầu ra của mô-tơ Ngoài ra, trên 2 đầu trục ra của cụm mô-tơ được gắn khớp các đăng
69 Hình 4.39 Cụm mô-tơ c Mạch điều khiển driver Accelnet
Phần kết nối driver Accelnet điều khiển động cơ với máy tính, nhóm kết nối thông qua cổng RS232 của driver với cổng USB của máy tính và thực hiện điều khiển trên phần mềm CME2
Hình 4.40 Mạch kết nối điều khiển thực tế với máy tính
70 Trên sơ đồ trên, hệ thống được cấp nguồn 12Vdc từ ắc quy, sau đó được tăng áp nhờ mạch tăng áp thành 24Vdc cung cấp điện áp hoạt động trong khoảng cho phép của hộp Accelnet, phần này có thể cấp trực tiếp nguồn từ 20 – 90Vdc cho hộp Accelnet mà không cần mạch tăng áp Việc thiết kế mạch tăng áp để tăng tính thực tế khi trang bị trên xe chỉ có nguồn 12Vdc Mạch hạ áp trên sơ đồ mạch trên được thiết kế để cung cấp nguồn điện áp hoạt động 5Vdc cho bộ encoder Bộ 3 IC SN75176B được sử dụng để chống nhiễu khi truyền dữ liệu, hỗ trợ truyền dữ liệu ở tốc độ cao, khuếch đại tín hiệu để truyền đi được xa hơn cho từng pha của encoder thích hợp cho việc sử dụng kết nối truyền tín hiệu từ encoder với hộp Accelnet Hộp Accelnet được kết nối với máy tính thông qua dây nối chuyển đổi từ RS232 sang USB kết nối với máy tính để sử dụng cho việc điều khiển bằng phần mềm CME2 hoặc một số phương thức điều khiển khác bằng máy tính như terminal,…
Phần kết nối Arduino với driver Accelnet nhóm cũng thực hiện kết nối cổng RS232 với UART trên Arduino và tiến hành điều khiển bằng code thông qua phần mềm Arduino IDE
Hình 4.41 Mạch điều khiển kết nối với Arduino Việc kết nối với Arduino, các sơ đồ kết nối tương tự như kết nổi với máy tính như đã trình bày ở trên ,ngoại trừ sơ đồ kết nối với Arduino cần thông qua mô-đun chuyển đổi
71 Max 3232 Để biến đổi dãi điện áp tín hiệu truyền nhận thích hợp với Arduino (tín hiệu TTL) và hộp Accelnet (tín hiệu RS232) d Cơ cấu tạo tải Để mô hình được nhỏ gọn, nhưng thiết kế tải vẫn đáp ứng lực như trên xe điện Renault Twizy, nhóm đã sử dụng cơ cấu hãm thủy lực sử dụng cho cửa để lợi lực cản của tay co làm tải cho mô hình
Hình 4.42 Cơ cấu tạo tải trên mô hình e Cảm biến cân nặng (Loadcell) Để có thể xác định được lực kéo - nén tại thước lái của hệ thống, nhằm đánh giá mức độ đáp ứng của hệ thống lái khi lực kéo - nén trên thước lái thay đổi do tải trọng, tốc độ, cũng như là độ bám của đường thay đổi
Hình 4.43 Cảm biến loadcell trên mô hình
72 f Mạch xử lý và hiển thị lực từ loadcell
Hình 4.44 Sơ đồ mạch hiển thị lực
Trên sơ đồ, tín hiệu từ loadcell cần được qua mô-đun HX711 khuếch đại tín hiệu để Arduino có thể nhận được tín hiệu và xử lý xuất ra màn hình LCD
Hình 4.45 Mạch hiển thị lực thực tế
73 g Hộp điều khiển thực tế
Sau khi thiết kế, kết nối các mạch để hoàn thiện bộ điều khiển nhóm đã hoàn thành như hình bên dưới
Hình 4.46 Tổng quan hộp điều khiển của hệ thống
THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT QUẢ
Môi trường thực nghiệm
Tất cả những thực nghiệm đều được thực hiện tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Trên những phần cứng và phần mềm được thống kê trong bảng
Bảng 5.1 Cấu trúc mô hình điều khiển
Thiết kế cơ cấu Điều khiển driver
Accelnet Đo lực đánh lái
Cơ cấu lái tự động
Hardware Cơ cấu hãm tạo tải
Differential Line Converter Board, Arduino Uno
75 Hình 5.1 Mô hình hoàn chỉnh
Điều khiển và tính toán thể hiện các thông số điều khiển
Nhóm đã thiết kế mô hình để mô phỏng khả năng đáp ứng của hệ thống lái tự động dựa theo sự thay đổi tải sinh ra của xe điện Renault Twizy khi đánh lái ở các dải tốc độ và các góc vô lăng khác nhau Để có thể thu được lực đánh lái tại thanh răng của hệ thống lái, nhóm đã thiết kế và lắp đặt cảm biến loadcell nối tiếp với thanh răng Trong quá trình đánh lái xe có lực kéo và đẩy sinh ra của một bên thanh răng đồng thời cũng tác động lên loadcell, làm thay đổi giá trị điện áp sinh ra bên trong cảm biến dựa trên các strain gauges Những tín hiệu này sẽ được truyền tới mạch xử lý của nhóm đã thiết kế và hiện thị lực này lên màn hình LCD 2004 trên màn hình
76 Hình 5.2 Lực đánh lái tự động của mô hình khi vô lăng quay 5/4 vòng
Điều khiển Driver Accelnet thông qua phần mềm CME2
Với việc chúng ta đã nhập vào các thông số ban đầu của mô-tơ và thực hiện chọn chiều dương(+) / âm(-) cho mô-tơ trong quá trình cài đặt ban đầu của phần mềm CME2, như đã được trình bày ở mục 4.1.3.2
Việc thực hiện điều khiển vị trí của mô-tơ bằng Driver Accelnet thông qua phần mềm CME2 có thể được thực hiện bằng 2 cách :
- Sử dụng ASCII Command Line
5.3.1 Sử dụng ASCII Command Line
Trong ASCII Command Line, chúng ta sẽ nhập sẽ vào từng chuỗi ký tự, với mỗi chuỗi sẽ có các chức năng riêng biệt như : Cài đặt các chế độ điều khiển, cài đặt vận tốc, gia tốc, vị trí của mô-tơ, kích hoạt hoặc vô hiệu hóa driver Accelnet
Công thức chung của một câu lệnh trong ASCII Command Line là :
[node ID][axis letter] [command code] [command parameters] trong đó : [command parameters] = [memory bank][parameter ID] [value] và : [command code] là một mã chữ cái đơn cho câu lệnh
Bảng 5.2 Các mã chữ cái đơn để thực hiện câu lệnh
Code Command Description s Set Set a value of a parameter in ram or flash g Get Read the value of a parameter in ram or flash c Copy Copy the value of a parameter from ram to flash or flash to ram r Reset Reset the drive t Trajectory Trajectory generator command i Register Read or write the value of a CVM program register
Bảng 5.3 Một số tham số điều khiển để gửi câu lệnh
Relative move = the distance of the move
Absolute move = the target position of the move
Velocity move = 1 for positive direction, -1 for negative direction
0xcb R F Maximum velocity Units: 0.1 counts/second
0xcc R F Maximum acceleration rate Units: 10 counts/second2
0xcd R F Maximum deceleration rate Units: 10 counts/second2
78 0xce R F Maximum jerk rate Units: 100 counts/ second3
0xcf R F Abort deceleration rate Units: 10 counts/second2 t 1 Execute the move t 0 Motion stops and drive is left enabled
Hình 5.3 Gửi lệnh điều khiển và nhận phản hồi trong ASCII Command Line
Trong Scope, chúng ta sẽ chọn các chế độ di chuyển và nhập vào vị trí mong muốn của mô-tơ Bên cạnh đó, ở Scope chúng ta còn có thể điều chỉnh các thông số như vận tốc, gia tốc,…hoặc thậm chí làm thay đổi các hệ số điều khiển Đặc biệt, khi sử dụng Scope để điều khiển mô-tơ chúng ta còn được xem các đồ thị biểu diễn các thông số trong quá trình hoạt động của mô-tơ để xem khả năng đáp ứng và tính chính xác khi hoạt động của chúng Ở đây, nhóm đang để mô-tơ chạy không tải chọn chế độ di chuyển Relative move, trapezoidal profile
79 Hình 5.4 Đồ thị vị trí khi mô-tơ quay 4000 counts
Hình 5.5 Đồ thị vị trí khi mô-tơ quay 80000 counts
80 Dưới đây là các đồ thị được vẽ khi mô-tơ được gắn tải (khi mô-tơ đước kết nối với mô hình lái), chọn chế độ di chuyển Relative move, trapezoidal profile Ở đây, nhóm đang thử nghiệm khi xoay 40000 counts và 80000 counts tưởng ứng ẵ vũng xoay và 1 vũng xoay vô lăng a Đồ thị biểu diễn vị trí của mô-tơ
Khả năng đáp ứng vị trí của mô-tơ được thực hiện một cách nhanh chóng và có độ chính xác rất cao Điều này giúp cho việc tự động đánh lái được thực hiện chuẩn xác và an toàn khi di chuyển
Hình 5.6 Đồ thị biểu diễn vị trí khi mô-tơ quay 40000 counts
Hình 5.7 Đồ thị biểu diễn vị trí khi mô-tơ quay 80000 counts
81 b Đồ thị biểu diễn vận tốc của mô-tơ
Với từng chế độ và từng vị trí điều khiển khác nhau mô-tơ sẽ quay với những tốc độ khác nhau để có thể đáp ứng và đạt được yêu cầu một cách nhanh và chính xác nhất
Hình 5.8 Đồ thị biểu diễn vận tốc của mô-tơ khi quay 40000 counts
Hình 5.9 Đồ thị biểu diễn tốc độ của mô-tơ khi quay 80000 counts
82 c Đồ thị biểu diễn dòng điện của mô-tơ
Hình 5.10 Đồ thị biểu diễn dòng điện của mô-tơ khi quay 40000 counts
Hình 5.11 Đồ thị biểu diễn dòng điện của mô-tơ khi quay 80000 counts
Từ hai đồ thị biểu diễn dòng điện của mô-tơ khi quay 40000 counts và 80000 counts ở hình 5.10 và hình 5.11 ta có thể thấy dòng điện để điều khiển mô-tơ đã tăng lên từ 7.5A lên 9.5A, vì mô-tơ càng tăng dần mô-men lên để có thể quay được tải sinh ra theo như cơ cấu tạo tải của mô hình
Và thêm vào đó khi trả lái về vị trí ban đầu ( thẳng lái ) thì dòng điện để điều khiển mô-tơ sẽ nhỏ hơn so với khi đánh lái vì khi trả lái về vị trí ban đầu theo quán tính thì tải tạo ra sẽ nhỏ hơn nhiều so với khi đánh lái, được biểu diễn ở hình 5.12 và hình 5.13 dưới đây
83 Hình 5.12 Đồ thị biểu diễn dòng điện của mô-tơ khi đánh lái 1 vòng vô lăng (80000 counts)
Hình 5.13 Đồ thị biểu diễn dòng điện của mô-tơ khi trả lái 1 vòng vô lăng về vị trí ban đầu (-80000 counts)
Bên cạnh đó, khi quá trình điều khiển mô-tơ hoạt động quay đến một vị trí nhất định thì khi đến vị trí chúng vẫn luôn cung cấp ra một dòng điện nhất định để giữ mô-tơ không cho tiếp tục quay theo bất kì chiều nào nữa Giá trị của dòng điện để giữ vị trí mô-tơ sẽ thay đổi theo từng vị trí và mô-men khác nhau tại các vị trí
Điều khiển driver Accelnet thông qua MCU ( Arduino Mega )
Với hệ thống lái tự động, nhóm đã kiểm tra hiệu suất của hệ thống với tốc độ truyền dữ liệu giữa driver Accelnet và MCU là 9600 Tốc độ truyền này được đảm bảo là đủ nhanh để truyền dữ liệu và nhận tín hiệu phản hồi, cũng như tính toán dòng điện đầu ra để điều khiển tốc độ và vị trí của mô-tơ một cách chính xác Để điều khiển driver Accelnet thông qua Arduino nhóm đã viết chương trình trên phần mềm Arduino IDE để gửi các chuỗi câu lệnh điều khiển như trong ASCII Command Line để cài đặt và điều khiển mô-tơ Để có thể giao tiếp trao đổi tín hiệu giữa Arduino với cổng RS232 của driver Accelnet nhóm đã sử module chuyển đổi RS232 sang TTL a Truyền và nhận dữ liệu giữa driver Accelnet với Arduino
Hình 5.14 Gửi các chuỗi câu lệnh điều khiển và nhận phản hồi từ driver Accelnet thông qua phần mềm Arduino IDE
Có thể thấy quá trình truyền các câu lệnh và nhận phản hồi từ driver Accelnet diễn ra một cách nhanh chóng Và cách mô-tơ hoạt động hoàn toàn giống với khi gửi và nhận trong ASCII Command Line trên phần mềm CME2
85 b Đồ thị xung PWM điều khiển vị trí mô-tơ
Phần này, nhóm đã thực hiện đo xung PWM tại 2 pha U,V của mô-tơ và thực hiện cho mô-tơ quay 2 vị trí 40000 counts và 80000 counts để thu được đồ thị PWM từ đó phân tích, đánh giá hiệu suất của hệ thống
Hình 5.15 Đồ thị xung PWM khi mô-tơ quay 1 vòng vô lăng (80000 counts)
Hỡnh 5.16 Đồ thị xung PWM khi mụ-tơ quay ẵ vũng vụ lăng (40000 counts)
Từ hình 5.15 và hình 5.16 có thể thấy rằng khi cho quay hành trình lớn hơn, hệ thống cần cung cấp độ rộng xung rộng hơn (% duty cycle lớn hơn) để đáp ứng được vị trí yêu cầu
Hình 5.17 Đồ thị xung PWM khi mô-tơ giữ ở 1 vòng vô lăng (80000 counts)
Hỡnh 5.18 Đồ thị xung PWM khi mụ-tơ giữ ở ẵ vũng vụ lăng (40000 counts)
87 Khi mô-tơ giữ ở vị trí lớn hơn thì hệ thống cũng cho ra độ rộng xung PWM lớn hơn như đã thể hiện ở hình 5.17 và hình 5.18 Tức là lúc mô-tơ tại vị trí 80000 counts tại thanh răng có một lực từ cơ cấu tạo tải lớn hơn tại vị trí 40000 counts tác dụng ngược lại khiến hệ thống phải cung cấp %duty cycle lớn hơn để cố định vị trí mong muốn
Tóm lại, để có thể đáp ứng vị trí hay cố định vị trí yêu cầu, thì hệ thống phải liên tục thay đổi độ rông xung PWM (%duty cycle) cung cấp cho mô-tơ phù hợp với những điều kiện như tốc độ đánh lái (tốc độ chuyển hướng hay tốc độ đáp ứng vị trí mong muốn của mô-tơ), lực cản tác dụng tại thanh răng hay phản lực tác dụng ngược vào hệ thống lái.
Đánh giá tổng quan về hệ thống lái tự động điều khiển bằng Driver Accelnet
Trong quá trình điều khiển nhóm đã kiểm tra mô hình hệ thống lái tự động ở rất nhiều góc quay và các chế độ tải trọng khác nhau dựa theo xe điện Renault Twizy (khi tốc độ xe thay đổi) Với mô-tơ mà nhóm đang sử dụng để điều khiển, mỗi vòng quay của mô-tơ sẽ có là 2000 (pulses/vòng) tương đương với 8000 (counts/vòng) Cùng với đó, nhóm sử hộp giảm tốc có tỉ số truyền 1:10 đồng nghĩa cứ sau 10 vòng quay của mô-tơ (80000 counts) thì góc quay của vô lăng sẽ là 360 độ, nhóm đã điều khiển vị trí theo đơn vị (counts) của mô-tơ Để có thể điều khiển các góc quay của vô lăng theo mong muốn với đơn vị counts, ta có thể tính như sau : số counts = ( 80000 * góc quay vô lăng mong muốn ) / 360 Góc quay của vô lăng luôn được điều khiển một cách chính xác và linh hoạt
