Nghiên cứu điều khiển hệ thống lái điện trên ô tô con

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN VĂN LỢI NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN TRÊN Ô TÔ CON Chuyên ngành: KỸ THUẬT Ô TÔ – MÁY KÉO Mã số: 62 52 01 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN VĂN LỢI NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN TRÊN Ô TÔ CON Chuyên ngành: KỸ THUẬT Ô TÔ –MÁY KÉO Mã số: 62 52 01 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẤN KHOA HỌC: 1- PGS TS Nguyễn Văn Bang 2- PGS TS Đỗ Văn Dũng HÀ NỘI – 2017 Chƣơng I 1.1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Hệ thống điện tử ô tô Trong năm gần đây, hệ thống điện tử phổ biến tất dòng xe nhờ vào phát triển nhanh chóng cơng nghệ thông tin, công nghệ điện điện tử, công nghệ chế tạo cảm biến cấu chấp hành Xu hướng ứng dụng hệ thống điện tử ô tô giúp đảm bảo an toàn chuyển động, tiện nghi, thân thiện với môi trường đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe thị hiếu người sử dụng ngày phổ biến Việc nghiên cứu phát triển hệ thống điện tử ứng dụng ô tô thường tiến hành phòng thí nghiệm hãng lớn phối hợp với trường đại học lớn giới Các nghiên cứu ứng dụng giúp hãng ô tô tạo sản phẩm chất lượng, chiếm lĩnh thị trường giới Những ứng dụng điện tử ban đầu tập trung cho loại ô tô cao cấp với số lượng ít, giá thành cao sau dần phổ biến nhiều loại khác Các nghiên cứu hệ thống điện tử hình thành nên bước phát triển cơng nghệ ngành cơng nghiệp tơ cách rõ nét Có thể thấy thay đổi công nghệ ô tô qua phiên xe xuất thị trường Theo q trình phát triển chia thành giai đoạn sau [11]:  Thuần khí (từ trước đến năm 1920): cơng nghệ phiên xe ban đầu tập trung vào kết cấu khí Cơng nghệ chế tạo hệ thống khí đặc tính làm việc hệ thống trở thành tảng ngành công nghiệp ô tô  Cơ điện (1920-1960): Trong giai đoạn công nghệ chế tạo hệ thống khí tiếp tục phát triển Bên cạnh phát minh điện dần áp dụng phổ biến dẫn đến hệ thống khí bổ sung phận điện làm cải thiện đặc tính làm việc hệ thống khí trước Những ứng dụng hình thành nên bước nhảy cơng nghệ quan trọng ngành công nghiệp ô tô  Cơ điện tử dạng độc lập (1960-1985): Trong giai đoạn công nghệ bán dẫn nghiên cứu áp dụng bổ sung cho hệ thống điện giúp cải thiện đặc tính làm việc hệ thống điện lên bước Mặc dù công nghệ bán dẫn nghiên cứu phát triển từ trước năm 1950, nhiên giai đoạn nghiên cứu ứng dụng ô tô Đặc biệt giai đoạn việc ứng dụng nghiên cứu vi điều khiển điều khiển tự động hình thành nên tính tự động hóa hệ thống điện tử ô tô  Cơ điện tử dạng phối hợp (1985-1995): Đặc điểm cơng nghệ giai đoạn phối hợp hệ thống điện tử tham gia điều khiển trạng thái chuyển động ô tô Nhờ vào việc phối hợp điều khiển quỹ đạo chuyển động tơ kiểm sốt  Cơ điện tử dạng tích hợp (1995 đến nay): Quan điểm thiết kế ô tô giai đoạn tất hệ thống ô tơ kiểm sốt cách thống Nhờ cơng nghệ truyền dẫn tín hiệu sử dụng mạng CAN cho phép tất hệ thống kết nối với tham gia q trình điều khiển tơ Cho đến nay, xe trang bị công nghệ có giá thành tương đối cao, chủ yếu tập trung dòng xe cao cấp [35]  Giai đoạn tương lai gần: Hiện nay, nghiên cứu ứng dụng tập trung vào dạng điện tử tích hợp tự động hóa phần điện tử dạng tích hợp tự động hồn tồn Các cơng nghệ tập trung vào nghiên cứu việc kiểm sốt hồn tồn hệ thống xe, phối hợp với hệ thống giao thông thông minh cảm nhận môi trường lái xe Một hệ thống điện tử ô tô bao gồm kết cấu khí, mạch điện điều khiển, cấu chấp hành, cảm biến chương trình điều khiển (Hình 1.1) Trong năm thành phần hệ thống điện tử chương trình điều khiển đóng vai trò quan trọng Chương trình điều khiển thay đổi cách linh hoạt theo thuật toán khác Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể hệ thống ô tô, nhà thiết kế lựa chọn xây dựng chương trình điều khiển dựa thuật toán Thuật toán điều khiển phát triển dựa lý thuyết điều khiển Lý thuyết điều khiển đại áp dụng cho hệ thống điện tử ô tô làm cho hệ thống ngày trở nên thông minh Việc áp dụng làm cho ngành công nghiệp ô tô có bước nhảy cơng nghệ Các hệ thống điện tử áp dụng để cải tiến hệ thống nhằm mục đích đáp ứng trạng thái mong muốn theo yêu cầu điều khiển chuyển động, tối ưu hóa trạng thái chuyển động điều khiển cho người lái Đối với người ngồi xe, hệ thống điện tử phát triển theo hướng tạo cảm giác thoải mái đảm bảo an tồn chủ động bị động [36] Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống điện tử ô tô Các hệ thống điện tử ô tô phát triển gồm ba hệ thống điều khiển chính: hệ thống điện tử ô tô điều khiển độc lập, hệ thống điện tử ô tô điều khiển kết hợp, hệ thống điện tử tơ điều khiển tích hợp 1.1.1 Hệ thống điều khiển độc lập Hệ thống điều khiển độc lập hệ thống thiết kế dựa đặc tính thân hệ thống chưa xét đến mối liên hệ với hệ thống điều khiển khác Hệ thống điều khiển áp dụng hệ thống điện tử hệ đầu Hệ thống điều khiển độc lập sử dụng hệ thống điều khiển kín hở Trên tơ đa phần hệ thống điện tử dùng hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín (Hình 1.2) Hình 1.2: Hệ thống điều khiển hệ thống lái phản hồi kiểu vòng kín Hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín áp dụng hệ thống điều khiển tơ có khuynh hướng trì mối quan hệ định trước giá trị biến thiên hệ thống Phương thức điều khiển thông qua phép so sánh giá trị đáp ứng mong muốn giá trị thực tế đạt Hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín ứng dụng tô chia thành nhiều dạng khác như: điều khiển đơn biến, điều khiển đa biến, điều khiển phản hồi trạng thái, điều khiển bền vững…Nghiên cứu ứng dụng cho hệ thống điện tử độc lập hồn thiện mặt kết cấu cơng nghệ làm tiền đề cho việc phát triển hệ thống điện tử ô tô dạng phối hợp [25] Các hệ thống phát triển dạng thấy như: điều khiển tiết chế loại bán dẫn, phun xăng đơn điểm, hệ thống phanh sử dụng ABS…Chúng hoạt động độc lập, song song nhau, nhận tín hiệu đầu vào cách độc lập tín hiệu chung Tuy nhiên, hệ thống khơng có liên kết 1.1.2 Hệ thống điều khiển kết hợp Hệ thống điều khiển kết hợp phát triển dựa hai hay nhiều hệ thống điều khiển phối hợp với điều khiển chuyển động xe Đặc điểm hệ thống chương trình điều khiển có tính tốn đến ảnh hưởng hệ thống khác, kết trình điều khiển phối hợp hai hay nhiều chương trình điều khiển khác Đặc tính động học xe điều khiển tín hiệu thực qua thao tác điều khiển bướm ga tăng tốc, điều khiển vành tay lái đổi hướng điều khiển phanh gặp chướng ngại vật Đây ba tín hiệu trình điều khiển tơ Sự thay đổi ba tín hiệu điều khiển ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính động lực học xe Mối liên hệ chúng tương hỗ xung đột Có thể thấy rõ quan hệ hệ thống phanh hệ thống treo:  Khi tác dụng lực lên bàn đạp phanh, lực phanh bánh xe giúp giảm vận tốc chuyển động ô tô hay đảm bảo ổn định động lực học theo phương dọc, phanh tải trọng có xu hướng dồn cầu trước ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống treo  Khi điều khiển quay vòng, trọng lượng phân bố lại lên bánh xe bên trái bên phải Hệ thống phanh hệ thống lái có mối quan hệ quan trọng Quỹ đạo chuyển động xe quay vòng can thiệp hệ thống phanh thơng qua việc điều khiển lực phanh điều khiển bánh xe để đảm bảo quỹ đạo mong muốn Có thể hiểu rõ điều thơng qua ví dụ hoạt động kết hợp hệ thống lái chủ động AFS hệ thống ổn định động lực học DSC (Hình 1.3) Trạng thái tơ quay vòng đáp ứng cách tối ưu thông qua việc kết hợp trình điều khiển hệ thống lái tích cực điều khiển tạo lực phanh phụ cầu xe Hệ thống điều khiển kết hợp tiền thân hệ thống điều khiển tích hợp bố trí xe đại [49] Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển kết hợp AFS DSC Hệ thống điện tử phối hợp giúp việc điều khiển trở nên xác hiệu hơn, khơng tạo liên kết, phối hợp điều khiển hệ thống Có thể chia xu hướng ứng dụng hệ thống điện tử phối hợp điều khiển ô tô đại thành ba vùng [29]:  Động cơ, hệ thống truyền lực: Công nghệ áp dụng nhằm nâng cao hiệu sử dụng động hệ thống phun nhiên liệu điện tử, hệ thống phối khí điện tử, hệ thống kiểm soát lực kéo, hệ thống kiểm sốt khí xả Các hệ thống khơng phát triển tối ưu mà phối hợp với giúp kiểm soát hoạt động động cách hiệu  Điều khiển động lực học xe: Hệ thống điều khiển động lực học xe phối hợp nhiều hệ thống Các hệ thống phát triển tối ưu mà phối hợp với giúp kiểm sốt động lực học tồn xe cách hiệu Các hệ thống truyền lực phanh, treo, lái ngày hoàn thiện đáp ứng yêu cầu sử dụng xe điều khiển xe  Thơng tin, tiện nghi, giải trí: Các hệ thống thơng tin xe ngày hồn thiện đồng thời điều khiển kết hợp thơng tin tín hiệu giao thông đường làm cho xe trở nên thông minh Trong ba vùng trên, điều khiển động lực học xe nhà nghiên cứu quan tâm nhiều Các nghiên cứu kiểm soát động lực học trọng tới nhiều khía cạch khác nhau, nhiên, liệt kê thành ba hướng chính: Điều khiển kiểm soát theo phương dọc, điều khiển kiểm soát theo phương ngang điều khiển kiểm soát theo phương thẳng đứng Ba hướng có quan hệ mật thiết với Việc phối hợp thấy chất lượng điều khiển kiểm sốt quỹ đạo, tình trạng động lực học theo mong muốn người lái trình điều khiển xe nâng cao so với công nghệ trước 1.1.3 Hệ thống điều khiển tích hợp Đối với thiết kế tơ đại, tính an tồn tiện nghi đặt lên hàng đầu, quỹ đạo chuyển động tơ khảo sát cách chặt chẽ nhiều tình khẩn cấp tình trạng đường thay đổi [42] Quỹ đạo chuyển động ô tô tổng hợp kết tương tác hệ thống lái, động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống treo, phanh, lốp xe tình trạng mặt đường Quỹ đạo chuyển động tô tổng hợp từ trạng thái:  Trạng thái chuyển động thẳng: Được khảo sát thông qua khả tơ chuyển động với vận tốc trung bình lớn điều kiện đường cụ thể, đánh giá thơng qua gia tốc xe, góc dốc lớn vượt, thời gian quãng đường tăng tốc, vận tốc lớn  Trạng thái chuyển động quay vòng: Được thể việc ổn định trạng thái cân xe trước tác động bên ngẫu nhiên  Dao động theo phương thẳng đứng: Tình trạng thay đổi khơng gian trạng thái hành khách hay người sử dụng theo ảnh hưởng ngẫu nhiên từ mặt đường Để đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế theo quan điểm hệ thống độc lập thay dần hệ thống phối hợp Khi số lượng hệ thống điện tử xe phát triển số lượng cảm biến chấp hành tăng dần Hệ thống điện tử tích hợp đời đáp ứng nhu cầu quản lý cách thống thông số đầu vào kiểm soát tổng thể hệ thống phối hợp Ở hệ thống này, hệ thống điện tử có nhiệm vụ kiểm sốt động lực học khung xe thơng qua tác động bốn hệ thống phanh, treo, lái, truyền lực Ngoài hệ thống phụ trợ khác chiếu sáng, hệ thống thơng tin tín hiệu, cảnh báo…cũng làm việc kiểm sốt hệ thống tích hợp (Hình 1.4) [17] Điều khiển phanh Điều khiển chân ga, số Ngƣời điều khiển xe Góc quay vơ lăng Hình 1.4: Hệ thống điều khiển tích hợp xe 1.2 Các loại hệ thống lái Từ ô tô đời nay, hệ thống lái cải tiến khơng ngừng để đáp ứng tiêu chí an tồn tiện nghi, tính an tồn chủ động điều kiện chuyển động với vận tốc cao tình trạng mật độ phương tiện tham gia giao thông lớn Yêu cầu thiết kế hệ thống lái có phát triển Trong thiết kế đầu tiên, yêu cầu chủ yếu tập trung đáp ứng tiêu chuẩn ổn định, đảm bảo động lực học, đảm bảo an toàn phù hợp với tiêu chuẩn đường bộ, nghiên cứu tập trung vào mối quan hệ vô lăng góc quay bánh xe dẫn hướng Bước phát triển tiếp theo, thiết kế hệ thống lái tập trung chủ yếu đảm bảo an tồn chuyển động thơng qua việc cải tiến ổn định quỹ đạo chuyển động nhiều dải vận tốc khác thích nghi với tình trạng đường Đối với thiết kế ô tô đại, tính an tồn tiện nghi đặt lên hàng đầu, vậy, quỹ đạo chuyển động tô khảo sát cách chặt chẽ nhiều tình khẩn cấp tình trạng mặt đường thay đổi Tổng hợp trình phát triển hệ thống lái xe tơ liệt kê thành hệ thống lái sau: hệ thống lái khí, hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống lái tích cực, hệ thống lái điện, hệ thống lái tự động Mặc dù mặt kết cấu hệ thống lái khác biệt, nhiên tổng hợp thành phần kết cấu hệ thống lái cách chung Hình 1.5 Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái 1.2.1 Hệ thống lái khí Hệ thống lái khí bố trí xe hệ từ thập kỷ 50 Về cấu tạo chúng gồm hai thành phần dẫn động lái cấu lái Các nghiên cứu phát triển hệ thống lái khí chủ yếu tập trung vào khả quay vòng tơ thời gian ngắn diện tích bé, giữ cho xe ổn định chuyển động thẳng, lực tác dụng lên vành tay lái nhỏ giới hạn số vòng quay đánh lái cho phép, đảm bảo động lực quay vòng để bánh xe khơng bị trượt, tương thích động học dẫn động lái phận dẫn hướng hệ thống treo, khả ngăn va đập bánh xe dẫn hướng lên vành tay lái thông qua hiệu suất truyền lực, quan hệ chuyển động bánh xe bên phải bên trái Tỷ số truyền hệ thống lái gồm tỷ số truyền góc tỷ số truyền mô men Về mặt trị số, chúng tích tỷ số truyền cấu lái tỷ số truyền dẫn động lái Tùy thuộc vào ô tô, tỷ số truyền hệ thống lái khơng đổi thay đổi theo quy luật khác theo góc quay vơ lăng Hiệu suất hệ thống lái gồm hiệu suất thuận hiệu suất nghịch Hiệu suất nghịch phải có trị số định đảm bảo giảm va đập truyền từ bánh xe dẫn hướng lên vô lăng, i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa công bố công trình Trần Văn Lợi ii LỜI CẢM ƠN Xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Thầy PGS.TS-Nguyễn Văn Bang Thầy PGS.TS-Đỗ Văn Dũng tận tình hướng dẫn trình thực luận án Trân trọng gửi lời cảm ơn đến toàn thể quý Thầy mơn Cơ khí tơ hướng dẫn, tư vấn, đóng góp ý kiến q trình thực luận án Trân trọng cảm ơn quý Thầy, Cô, đồng nghiệp Trường Đại học Giao thông vận tải, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chi Minh Câu lạc Cơ khí động lực tạo điều kiện thuận lợi góp ý q trình thực luận án Trân trọng cảm ơn người thân gia đình, bạn bè động viên hỗ trợ trình thực luận án! Hà Nội, ngày 19 tháng 12 năm 2017 Trần Văn Lợi iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU xiv Chương I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hệ thống điện tử ô tô 1.1.1 Hệ thống điều khiển độc lập .3 1.1.2 Hệ thống điều khiển kết hợp 1.1.3 Hệ thống điều khiển tích hợp .6 1.2 Các loại hệ thống lái 1.2.1 Hệ thống lái khí .8 1.2.2 Hệ thống lái trợ lực thủy lực 10 1.2.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện tử .11 1.2.4 Hệ thống lái trợ lực điện 12 1.2.5 Hệ thống lái chủ động .14 1.2.6 Hệ thống lái lái điện 16 1.2.7 Hệ thống lái tương lai .18 1.3 Các nghiên cứu nước .19 1.3.1 Các nghiên cứu nước 20 1.3.2 Các nghiên cứu nước 21 1.3.3 Nhận xét, đánh giá 22 1.4 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu, ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn 22 1.5 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi, phương pháp nội dung nghiên cứu 24 iv 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu .24 1.5.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 24 1.5.3 Phương pháp nghiên cứu 24 1.5.4 Nội dung nghiên cứu 24 Kết luận chương I Chương II: XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN 2.1 Mơ hình tổng qt hệ thống lái điện 26 2.2 Mơ hình động lực học hệ thống lái điện 27 2.2.1 Bộ phận vô lăng 28 2.2.2 Bộ phận điện tử 29 2.2.3 Bộ phận chấp hành .31 2.3 Mô hệ thống lái điện phần mềm Matlab 34 2.3.1 Bộ phận vô lăng 34 2.3.2 Bộ phận điện tử 36 2.3.3 Bộ phận chấp hành .37 2.4 Thiết kế mô điều khiển hệ thống lái điện 38 2.4.1 Bộ điều khiển PID 40 2.4.2 Bộ điều khiển uzzy-PID 45 2.5 Khảo sát khả làm việc hệ thống lái điện .51 2.6 Xây dựng mô hình khảo sát quỹ đạo chuyển động tơ sử dụng hệ thống lái điện 53 2.7 Mô quỹ đạo chuyển động ô tô sử dụng hệ thống lái điện phần mềm Matlab .59 2.8 Nghiên cứu thay đổi tải trọng thẳng đứng bánh xe dẫn hướng …………….60 Kết luận chương II v Chương III: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN 3.1 Mục đích chức mơ hình 66 3.1.1 Mục đích chế tạo mơ hình thí nghiệm 66 3.1.2 Chức mơ hình 68 3.2 Thiết kế, chế tạo mơ hình .70 3.2.1 Thiết kế mơ hình 70 3.2.2 Thiết kế chương trình điều khiển bám .79 3.3 Thử nghiệm mơ hình 84 3.3.1 Thử nghiệm so sánh hệ thống lái điện hệ thống lái khí truyền thống 85 3.3.2 Thử nghiệm động lực học hệ thống lái lắp đặt hệ thống lái điện tình trạng bánh xe tiếp xúc với mâm xoay 87 3.3.3 Thử nghiệm tái tạo cảm giác lái 89 Kết luận chương III Chương IV: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRÊN MƠ HÌNH 4.1 Mục đích thí nghiệm 96 4.2 Chương trình thí nghiệm 96 4.3 Khảo sát xe sử dụng hệ thống lái điện qua thí nghiệm chuyển DLC 109 4.4 Nhận xét, đánh giá kết thí nghiệm 111 Kết luận chương IV KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ PHỤ LỤC vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Tên gọi Trọng tâm ô tô C L m Chiều dài sở Lf m Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm cầu trước Lr m Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm cầu sau  Rad Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm  Rad Góc lệch thân xe so với phương chuyển động v m/s Vận tốc chuyển động ô tô vi m/s Vận tốc bánh xe thứ i 1,2 Rad Góc quay bánh xe dẫn hướng i Rad Góc lệch bánh xe Ci N/rad i Độ cứng góc bánh xe Hệ số trượt bánh xe Fx N Phản lực dọc tác dụng từ mặt đường lên bánh xe Fy N Phản lực ngang tác dụng từ mặt đường lên bánh xe Fz N Fwx N Lực cản khơng khí Fwy N Lực gió ngang tác dụng lên tơ i rad/s Vận tốc góc bánh xe Myi N.m Mô men dẫn động bánh xe Jb kg.m/s2 rb m i rad M kg Khối lượng toàn xe d rad Góc quay vơ lăng Phản lực thẳng đứng tác dụng từ mặt đường lên bánh xe Mơ men qn tính khối lượng bánh xe Bán kính bánh xe Góc lệch phương vận tốc vi bánh xe phương chuyển động ô tô vii 1 rad Góc xoay trục vô lăng  rad Góc quay trục lái rp m rl m d N.m M N.m Tf m Vết bánh trước Tr m Vết bánh sau Khoảng cách từ tâm đến điểm ăn khớp với bánh Khoảng từ tới trục bánh xe Mô men đánh lái Mô men động điện chiều phận chấp hành viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT SBW Steer By Wire AFS Active Front Steering ARS Active Rear Steering PID Proportional- Integral-Derivative DSC Dynamic Stability Control ABS Anti-lock Brake System TRC Traction Control HPAS Hydraulic Power Assisted Steering EHPAS Electro Hydraulic Power Assisted Steering EAS-HPAS Electric Angle Assisted System - Hydraulic Power Assisted System DLC Double Lane Change EPS Electric Power Steering DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Tọa độ bánh xe hệ tọa độ mặt đường……………………………… 60 Bảng 3.1: Kết thử nghiệm đánh lái bên phải…………………………………………… 76 Bảng 3.2: Kết thử nghiệm đánh lái bên trái…………………………………………… 77 Bảng 4.1 Chế độ thí nghiệm đo sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái……… 101 Bảng 4.2: Bảng tổng hợp sai số tín hiệu góc quay vơ lăng góc quay trục lái 105 Bảng 4.3: Tổng hợp sai số tín hiệu góc quay vơ lăng góc quay trục lái……… 107 Bảng 4.4: So sánh điều khiển bám tính tốn lý thuyết thực tế………………… 107 / ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống điện tử ô tô Hình 1.2: Hệ thống điều khiển hệ thống lái phản hồi kiểu vòng kín Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển kết hợp AFS DSC Hình 1.4: Hệ thống điều khiển tích hợp xe Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái Hình 6: Các giá trị định lượng cảm giác lái Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển trợ lực lái thủy lực 10 Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển điện tử 12 Hình 9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái trợ lực điện 12 Hình 1.10: Các loại hệ thống lái trợ lực điện 13 Hình 1.11: Đặc tính trợ lực hệ thống lái trợ lực điện ứng với chế độ tải khác 14 Hình 1.12: Mơ hình phân tích góc xoay thân xe biến dạng lốp 15 Hình 1.13: Sơ đồ hoạt động phối hợp hệ thống AFS ESC 16 Hình 1.14: Các kiểu hệ thống lái điện 17 Hình 2.1: Mơ hình tổng qt nghiên cứu hệ thống lái điện 26 Hình 2.2: Hệ thống lái điện 28 Hình 2.3: Mơ hình học phận vơ lăng 28 Hình 2.4: Sơ đồ mạch điện phận vô lăng 29 Hình 2.5: Sơ đồ mạch điện phận chấp hành 30 Hình 2.6: Mơ hình động điện chiều 30 Hình 2.7: Mơ hình phận chấp hành hệ thống lái điện 32 Hình 2.8: Sơ đồ xác định mơ men cản quay vòng 33 Hình 2.9: Chương trình mơ tín hiệu đánh lái 35 Hình 2.10: Chương trình mơ phận vô lăng 35 Hình 2.11: Tín hiệu góc quay vơ lăng 35 Hình 2.12: Kết mơ phận vô lăng 36 Hình 2.13: Chương trình mơ động điện chiều 36 Hình 2.14: Kết mô động điện chiều 37 Hình 2.15: Chương trình mơ phận chấp hành 37 Hình 2.16: Kết mơ hoạt động động DC lắp đặt lên mơ hình 38 x Hình 2.17: Sơ đồ điều khiển hệ thống lái điện 39 Hình 2.18: Sơ đồ điều khiển PID 40 Hình 2.19: Chương trình mơ điều khiển PID 44 Hình 2.20: Kết mơ với 03 tình trạng mặt đường với điều khiển PID 44 Hình 2.21: Cấu trúc khối điều khiển Fuzzy 47 Hình 2.22: Hàm thuộc tải trọng thay đổi 47 Hình 2.23: Hàm thuộc sai số thay đổi 47 Hình 2.24: Hàm thuộc biến Kp 48 Hình 2.25: Hàm thuộc biến KI 48 Hình 2.26: Hàm thuộc biến KD 48 Hình 2.27: Bảng luật hợp thành điều khiển mờ 49 Hình 2.28: Đáp ứng hệ số Kp theo tải trọng, sai số 49 Hình 2.29: Đáp ứng hệ số KI theo tải trọng, sai số 49 Hình 2.30: Đáp ứng hệ số KD theo tải trọng, sai số 50 Hình 2.31: Bộ điều khiển Fuzzy-PID 50 Hình 2.32: Chương trình mơ hệ thống lái điện với hai điều khiển 51 Hình 2.33: Đáp ứng hệ thống C2 = 12000 N/rad 52 Hình 2.34: Đáp ứng hệ thống C2 = 45000 N/rad 52 Hình 2.35: Đáp ứng hệ thống C2 = 80000 N/rad 53 Hình 2.36: Quỹ đạo chuyển động quay vòng tơ 53 Hình 2.37: Quỹ đạo chuyển động ô tô mặt phẳng đường 54 Hình 2.38: Quan hệ thơng số động học hệ tọa độ trọng tâm 55 Hình 2.39: Mơ hình chuyển động ơtơ mặt phẳng đường 55 Hình 2.40: Các thành phần lực tác dụng lên bánh xe 57 Hình 2.41: Quỹ đạo chuyển động ô tô sử dụng hệ thống lái điện 59 Hình 2.42: Mơ hình khảo sát thay đổi tải trọng theo phương ngang 60 Hình 2.43: Sơ đồ cân lực ngang 61 Hình 2.44: Sơ đồ phân bố lực, momen cầu trước cầu sau 62 Hình 2.45: Góc quay bánh xe dẫn hướng 63 Hình 2.46: Gia tốc theo phương ngang 63 Hình 2.47: Phân bố tải trọng thẳng đứng lên bánh xe dẫn hướng bên trái bên phải 64 Hình 3.1: Mơ hình thí nghiệm hệ thống lái 67 xi Hình 3.2: Sơ đồ mơ hình thí nghiệm hệ thống lái điện 68 Hình 3.3: Kết cấu cấu lái sử dụng làm mơ hình hệ thống lái điện 69 Hình 3.4: Các phận mơ hình thí nghiệm hệ thống lái điện 71 Hình 3.5: Kết cấu khung mơ hình thí nghiệm hệ thống lái điện 72 Hình 3.6: Phân tích thành phần lực tác dụng lên mơ hình 73 Hình 3.7: Kiểm tra độ bền khung thiết kế 73 Hình 3.8: Bộ phận tạo tải mơ hình thí nghiệm 74 Hình 3.9: Hộp điều khiển mơ hình thí nghiệm hệ thống lái điện 75 Hình 3.10: Nguyên lý mạch điều khiển hệ thống lái điện 76 Hình 3.11: Nguyên lý Driver điều khiển động DC sử dụng cầu H 77 Hình 3.12: Mạch giao tiếp máy tính NI 6009 77 Hình 3.13: Khối mạch điện cảm biến dòng đặc tính 78 Hình 3.14: Nguyên lý kết cấu cảm biến đo vị trí encoder 78 Hình 3.15: Giao diện kết nối máy tính phục vụ thí nghiệm hệ thống lái điện 79 Hình 3.16: Giao diện điều khiển bám 80 Hình 3.17: Hàm thuộc tải trọng thay đổi chương trình máy tính 80 Hình 3.18: Hàm thuộc sai số thay đổi chương trình máy tính 81 Hình 3.19: Hàm thuộc biến KP chương trình máy tính 81 Hình 3.20: Hàm thuộc biến KI chương trình máy tính 81 Hình 3.21: Hàm thuộc biến KD chương trình máy tính 81 Hình 3.22: Bảng luật hợp thành điều khiển mờ chương trình máy tính 82 Hình 3.23: Đáp ứng hệ số KP theo tải trọng, sai số chương trình máy tính 82 Hình 3.24: Đáp ứng hệ số KI theo tải trọng, sai số chương trình máy tính 82 Hình 3.25: Đáp ứng hệ số KD theo tải trọng, sai số chương trình máy tính 83 Hình 3.26: Chương trình điều khiển bám sử dụng điều khiển PID 83 Hình 3.27: Chương trình điều khiển bám sử dụng điều khiển Fuzzy-PID 83 Hình 3.28: Mơ hình thí nghiệm hệ thống lái điện hồn chỉnh 84 Hình 3.29: Bánh xe tiếp xúc với mâm xoay 84 Hình 3.30: Quan hệ góc quay bánh xe dẫn hướng đánh lái sang phải 85 Hình 3.31: Quan hệ góc quay bánh xe dẫn hướng đánh lái sang trái 86 Hình 3.32: Kết điều khiển bám sử dụng điều khiển PID vận tốc km/h 87 Hình 3.33: Kết điều khiển bám sử dụng điều khiển PID vận tốc 40 km/h 87 xii Hình 3.34: Kết điều khiển bám sử dụng điều khiển PID vận tốc 60 km/h 88 Hình 3.35: Kết điều khiển bám sử dụng điều khiển PID vận tốc km/h 88 Hình 3.36: Kết điều khiển bám sử dụng điều khiển PID vận tốc 40 km/h 88 Hình 3.37: Kết điều khiển bám sử dụng điều khiển PID vận tốc 60 km/h 89 Hình 3.38: Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên vành lái 90 Hình 3.39: Nguyên lý điều khiển phản hồi cảm giác sử dụng cảm biến mô men 91 Hình 3.40: Bản đồ tổng hợp mơ men tạo cảm giác theo vận tốc góc đánh lái 92 Hình 3.41: Đặc tính mơ men cảm giác lái thay đổi theo vận tốc 92 Hình 3.42: Đặc tính mơ men cảm giác thay đổi theo góc đánh lái 93 Hình 3.43: Sơ đồ nguyên lý tái tạo cảm giác lái 93 Hình 3.44: Đặc tính cảm giác lái thực tế đo vành lái chế độ bánh xe tiếp xúc mặt đường nhựa 94 Hình 3.45: Đặc tính tổng hợp tạo mơmen cảm giác lái 94 Hình 4.1: Sơ đồ xác định mô men cản bánh xe dẫn hướng 96 Hình 4.2: Nguyên lý đo mô men cản quay bánh xe dẫn hướng gián tiếp qua cường độ dòng điện 98 Hình 4.3: Chương trình đo ghi xử lý số liệu máy tính 98 Hình 4.4: Ngun lý thí nghiệm khả bám góc quay vơ lăng góc quay trục lái 99 Hình 4.5: Tải trọng thẳng đứng bánh xe dẫn hướng 99 Hình 4.6: Chương trình máy tính đo sai số 100 Hình 4.7: Điện áp cảm biến dòng thí nghiệm đo cản 102 Hình 4.8: Dòng điện cảm biến dòng thí nghiệm đo cản 102 Hình 4.9: Mơ men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe tiếp xúc mâm xoay tự 102 Hình 4.10: Điện áp cảm biến dòng thí nghiệm đo cản 103 Hình 4.11: Dòng điện cảm biến dòng thí nghiệm đo cản 103 Hình 4.12: Mơ men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe tiếp xúc mâm xoay cố định 103 Hình 4.13: Điện áp cảm biến dòng thí nghiệm đo cản 104 Hình 4.14: Dòng điện cảm biến dòng thí nghiệm đo cản 104 xiii Hình 4.15: Mơ men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe tiếp xúc mặt đường nhựa 104 Hình 4.16: Sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái (bộ điều khiển PID, Zl =4250 N, Zr = 4250 N) 105 Hình 4.17: Sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái (bộ điều khiển Fuzzy-PID, Zl =4250 N, Zr = 4250 N) 105 Hình 4.18: Sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái (bộ điều khiển PID, Zl = 4250 N, Zr = 4250 N) 106 Hình 4.19: Sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái (bộ điều khiển Fuzzy-PID, Zl = 4250 N, Zr = 4250 N) 106 Hình 4.20: Sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái sử dụng hai điều khiển 108 Hình 4.21: Sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái tính tốn lý thuyết thí nghiệm sử dụng điều khiển Fuzzy-PID 108 Hình 4.22: Quỹ đạo chuyển động tơ thí nghiệm Double lane change 109 Hình 4.23: Chương trình mơ quỹ đạo ô tô sử dụng hệ thống lái điện thực thí nghiệm chuyển DLC 110 Hình 4.24: Kết mơ quỹ đạo tơ sử dụng hệ thống lái điện thực thí nghiệm chuyển DLC 40km/h 110 Hình 4.25: Kết mô quỹ đạo ô tô sử dụng hệ thống lái điện thực thí nghiệm chuyển DLC 60 km/h 111 xiv MỞ ĐẦU Nghiên cứu lịch sử phát triển hệ thống ô tô cho thấy tơ giới có thay đổi mạnh mẽ có thay đổi hệ thống lái Xu dẫn động điều khiển kiểm sốt tồn động lực học xe thơng qua điều khiển điện dần trở nên rõ nét Các nghiên cứu hệ thống điều khiển điện tiền đề phát triển cộng nghệ lái tự động Công nghệ thử nghiệm cấp độ khác tơ có khả kết nối với sở hạ tầng giao thông thông minh Có bốn cấp độ phát triển cơng nghệ lái ô tô khác nhau: Hỗ trợ người lái, kết hợp chức tự động với người lái, lái tự động mức độ giới hạn, lái tự động hoàn toàn Trong đó, cơng nghệ lái tự động hồn tồn ngồi việc cho phép phương tiện thực tự động tất chức lái xe có chức giám sát điều kiện giao thông vận hành Công nghệ giúp giải phóng sức lao động thời gian lái xe, người sử dụng cần lựa chọn điểm đến, cơng việc lại hồn tồn tự động Các nghiên cứu hệ thống lái điện (SBW) tiền đề để phát triển công nghệ lái tự động nhiều nhóm nghiên cứu giới thực Tại Việt Nam, nghiên cứu hệ thống lái điện chưa nhiều nhà nghiên cứu quan tâm mức Với mong muốn nắm bắt công nghệ điều khiển lái đại giới cách sâu sắc, tiến tới làm chủ công nghệ phát triển công nghệ Việt Nam tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển hệ thống lái điện ô tô con” làm luận án tiến sĩ Ý nghĩa khoa học: - Đầu tiên Việt Nam thiết kế, chế tạo mô hình bán tự nhiên hệ thống lái điện bánh xe tiếp đất gồm nhiều phận - khí, điện, điều khiển, phần mềm… thỏa mãn tiêu chí hệ thống lái tơ truyền thống - Kết hợp lý thuyết thực nghiệm nghiên cứu động lực học điều khiển hệ thống lái điện đảm bảo tính đắn, logic khách quan vấn đề nghiên cứu - Đã sử dụng nhiều công cụ nghiên cứu đại, thiết bị linh kiện điện tử có độ xác cao q trình nghiên cứu xv Ý nghĩa thực tiễn: - Nghiên cứu hệ thống lái điện có ý nghĩa quan trọng việc tiếp cận làm chủ công nghệ lái xe ô tô đại Việt Nam Trên sở tiến hành nghiên cứu hệ thống điều khiển qua dây dẫn khác (Drive By Wire) ô tô - Các sản phẩm trình nghiên cứu phần cứng, phần mềm hệ thống điện tử tiếp tục hồn thiện để sử dụng hệ thống lái ô tô thực - Luận án sử dụng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết - thực nghiệm động lực học điều khiển hệ thống lái điện làm sở khoa học thay hệ thống lái điện cho hệ thống lái khí truyền thống mơ hình bán tự nhiên Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu điều khiển bám tái tạo cảm giác lái mơ hình bán tự nhiên hệ thống lái điện tích hợp ô tô có công thức bánh xe  2R , cầu trước dẫn hướng, hệ thống treo độc lập, không kể đến ảnh hưởng biến dạng lốp Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô thực nghiệm Nội dung nghiên cứu: Ngoài phần mở đầu, kết luận, phụ lục tài liệu tham khảo, luận án gồm chương ... ba hệ thống điều khiển chính: hệ thống điện tử tô điều khiển độc lập, hệ thống điện tử ô tô điều khiển kết hợp, hệ thống điện tử tơ điều khiển tích hợp 1.1.1 Hệ thống điều khiển độc lập Hệ thống. .. làm chủ công nghệ lái xe ô tô đại Việt Nam Trên sở nghiên cứu hệ thống lái điện tiến hành nghiên cứu hệ thống điều khiển qua dây dẫn khác (Drive By Wire) ô tô Các sản phẩm trình nghiên cứu phần... lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống lái tích cực, hệ thống lái điện, hệ thống lái tự động Mặc dù mặt kết cấu hệ thống lái khác biệt,