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

MỞ ĐẦU Nghiên cứu phát triển hệ thống ô tô cho thấy ô tô giới có thay đổi mạnh mẽ có thay đổi hệ thống lái Xu dẫn động điều khiển kiểm sốt tồn động lực học xe thông 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 ô tơ có khả kết nối với sở hạ tầng giao thơng thơng minh Có bốn cấp độ phát triển công 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 hồn tồn Trong đó, cơng nghệ lái tự động hoàn toàn việc cho phép phương tiện thực tự động tất chức lái xe có chức giám sát điều kiện giao thơng vận hành Cơng nghệ giúp giải phóng sức lao động thời gian lái xe, người sử dụng cần lựa chọn điểm đến, cơng việc lại hoàn toàn tự động Các nghiên cứu hệ thống lái điện (SBW) tiền đề để phát triển cơng 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 Chƣơng I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Các loại hệ thống lái 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 Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái 1.1.1 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 ô tô 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 Nhìn chung hệ thống lái khí đáp ứng yêu cầu ban đầu để xe chuyển động đường ứng với dải tốc độ hạn chế đảm bảo điều kiện chuyển động quay vòng Tuy nhiên, q trình đánh lái, người lái phải sử dụng toàn lượng để thực việc điều khiển hướng chuyển động, đồng thời tiếp nhận phản hồi không mong muốn từ mặt đường điều làm cho người lái cảm thấy mệt mỏi sử dụng Các nghiên cứu hệ thống lái khí tập trung vào tốn góc quay bánh xe dẫn hướng chuyển động theo vô lăng, ảnh hưởng dịch chuyển thân xe đến q trình quay vòng đánh lái tốc độ cao rõ nét chưa kiểm soát được, chưa tối ưu khối lượng, kích thước chi tiết khí nên cấu chưa gọn nhẹ, chiếm nhiều khơng gian bố trí Trên thị trường Việt Nam số xe cũ lưu thơng sử dụng loại hệ thống lái 1.1.2 Hệ thống lái trợ lực thủy lực Hệ thống lái trợ lực thủy lực cải tiến hệ thống lái khí nhằm giải vấn đề hỗ trợ phần lượng người lái trình điều khiển xe tạo cảm giác thoải mái điều khiển lái Tùy theo thiết kế chế độ chuyển động xe, lượng hỗ trợ trợ lực động tạo lên đến 80% lượng tổn hao cho việc đánh lái Việc trang bị hệ thống lái trợ lực giúp cho người lái tổn hao lượng quay vòng xe đồng thời giảm va đập từ bánh xe lên vơ lăng Khơng thế, nâng cao tính an tồn nhờ vào việc số trường hợp lốp gặp cố đột ngột Đây ưu điểm bật hệ thống lái trợ lực thủy lực Vấn đề cần giải hệ thống lái tỷ lệ trợ lực phù hợp với điều kiện chạy xe thay đổi góc đánh lái Có thể thấy rõ di chuyển vận tốc thấp mô men cản quay vòng tương đối lớn cần trợ lực nhiều, ngược lại tốc độ cao cần hạn chế trợ lực Hay nói cách khác, đặc tính trợ lực hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển xoắn thay đổi tỷ lệ trợ lực theo điều kiện chuyển động dựa giá trị mô men cản quay vòng Mơ men cản thay đổi theo vị trí góc đánh lái vận tốc chạy xe Hệ thống lái trợ lực thủy lực ban đầu sử dụng xoắn để điều khiển chế độ trợ lực 1.1.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện phiên cải tiến hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển xoắn, phát triển từ thập kỷ 90 Đặc điểm quan trọng hệ thống xoắn cảm biến mô men đánh lái không trực tiếp điều khiển van trợ lực thành tín hiệu điện gửi đến hộp điều khiển điều khiển trợ lực Hộp điều khiển trợ lực tổng hợp tín hiệu chạy xe, tính tốn xác định phần tỷ lệ trợ lực từ định đặc tính trợ lực thơng qua việc điều khiển áp lực dầu từ bơm trợ lực lượng dầu vào xy lanh trợ lực Thông qua việc điều khiển gián tiếp, chế độ trợ lực đặc tính trợ lực thay đổi linh hoạt So với hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển xoắn hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện có nhiều ưu điểm như: Dải làm việc làm việc trợ lực đa dạng đáp ứng dải tốc độ khác đặc biệt đặc tính trợ lực, tạo cảm giác lái dải tốc độ cao Trên thị trường Việt Nam hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện thường trang bị cho dòng xe hạng trung số xe hạng sang 1.1.4 Hệ thống lái trợ lực điện Hệ thống lái trợ lực điện phát triển với mong muốn thay hệ thống trợ lực thủy lực truyền thống Điểm hệ thống trợ lực phận trợ lực thủy lực truyền thống thay điều khiển trợ lực sử dụng động điện Việc điều khiển trợ lực thông qua mô tơ điện điều khiển hộp điều khiển Hệ thống trợ lực điện xem hệ thống điện tử Trong hộp điều khiển ECU hệ thống trợ lực chứa chương trình điều khiển Chương trình điều khiển lập trình dựa thuật tốn điều khiển trợ lực lái Trong hệ thống này, cảm biến mô men cản xác định mô men cản quay bánh xe dẫn hướng, ứng với điều kiện chuyển động cụ thể chương trình tính tốn lựa chọn đặc tính trợ lực thích hợp để định giá trị mơ men phần trăm thông qua việc điều khiển trực tiếp mô tơ điện 1.1.5 Hệ thống lái chủ động Hệ thống lái sử dụng trợ lực giúp người lái xe điều khiển chuyển động linh hoạt dễ dàng, giảm mệt mỏi lái xe thời gian dài Tuy nhiên, hệ thống lái số vấn đề cần cải tiến Hệ thống lái chủ động thiết kế dựa phân tích hướng chuyển động thực tế xe lưu thông tốc độ khác điều kiện khác Khi ô tô chuyển động dải tốc độ thấp hướng chuyển động ô tô định góc đánh lái Tuy nhiên vận tốc chuyển động lớn 60 km/h ảnh hưởng lực quán tính tác động lên thân xe làm xoay thân xe lốp biến dạng ảnh hưởng hệ thống treo rõ nét Nói cách khác hướng chuyển động tơ phụ thuộc vào hai tín hiệu góc đánh lái (điều khiển góc quay bánh xe dẫn hướng từ vơ lăng) góc xoay thân xe (thay đổi điều kiện chạy xe tác động lên hệ thống treo) Hệ thống lái chủ động bước phát triển hệ thống lái khí giải tồn ảnh hưởng tình trạng quay vòng thiếu, quay vòng thừa ảnh hưởng hệ thống treo biến dạng lốp Đặc điểm hệ thống thay đổi tỷ số truyền theo tình trạng biến dạng lốp cầu trước cầu sau Các thơng tin góc xoay thân xe, góc đánh lái, vận tốc xe, áp suất lốp chương trình máy tính phân tích, tính tốn định tỷ số truyền góc quay vơ lăng góc quay bánh xe dẫn hướng 1.1.6 Hệ thống lái điện Với hệ thống lái trình bày trên, quay vòng tốc độ khác người lái kiểm soát số trạng thái động lực học xe Hệ thống lái điện có khả tích hợp tất hệ thống khác xe thành đối tượng thống Trong năm gần đầy, hệ thống lái tập trung nghiên cứu (Hình 1.2) Hình 1.2: Các kiểu hệ thống lái điện a) Dẫn động tích hợp; b) Dẫn động độc lập 1.1.7 Hệ thống lái tƣơng lai Các nghiên cứu hệ thống lái điện tiền đề phát triển công nghệ lái tự động Công nghệ lái xe tự động ứng dụng cho dòng xe điện, xe lai điện (xe phối hợp động xăng điện) giao thông số nước phát triển (Mỹ, Đức, Nhật, Trung Quốc) Công nghệ dự báo sử dụng nhiều phương tiện vận tải tương lai thành phố lớn Công nghệ lái tự động ứng dụng xe nhiều cấp độ khác Cơng nghệ chia thành bốn cấp độ khác tùy vào khả công nghệ kết cấu sở hạ tầng giao thông 1.2 Các nghiên cứu nƣớc 1.2.1 Các nghiên cứu nƣớc ngồi Trên giới có nhiều tổ chức, tác giả, nhiều đề tài cơng trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm hệ thống lái điện Các nghiên cứu tiến hành nhiều khía cạnh khác Tuy nhiên, thấy vấn đề việc truyền dẫn tín hiệu vành tay lái phía chuyển động bánh xe dẫn hướng Vấn đề chia thành hai nhóm chính: truyền tín hiệu phản hồi tín hiệu Tín hiệu truyền dựa theo góc quay vành tay lái, tín hiệu phản hồi phản ánh tình trạng đường lên người lái Khi nghiên cứu hệ thống lái điện chia thành năm phần: Bộ phận vô lăng, phận chấp hành hệ thống lái điện, phận xử lý tín hiệu đảm bảo an toàn, điều khiển, động lực học xe  Bộ phận vô lăng Các nghiên cứu tập trung vào phương pháp điều khiển tạo cảm giác vô lăng Trong lĩnh vực nhiều tác giả nghiên cứu hình thành nên ba nhóm bao gồm phương pháp tạo cảm giác sử dụng biểu đồ cảm giác, phương pháp sử dụng cảm biến mô men, phương pháp sử dụng cảm biến dòng Các nghiên cứu Andrew Liu Stacey Chang mô tả kết thực nghiệm lái xe làm sở phản hồi cảm giác lái cho thử nghiệm ba điều kiện thử nghiệm khác Sau thử nghiệm ba trạng thái quay vòng, tác giả so sánh với kết công bố đưa thảo luận chung Nguyen-Jee Hwan Ryu nghiên cứu tạo cảm giác xác thực vành tay lái tái tạo thơng qua phương pháp đo dòng Đặc điểm phương pháp sử dụng cảm biến đo dòng để đo cường độ dòng điện động đặt cấu lái làm tín hiệu phản hồi lên vô lăng Trong nghiên cứu tác giả sử dụng phần mềm LabVIEW để mơ đặc tính cảm giác thơng qua phương trình Tác giả so sánh với phương pháp tạo cảm giác khác cho phương pháp tái tạo cảm giác xác, đơn giản tiết kiệm chi phí so với phương pháp khác Phương pháp sử dụng cảm biến mô men phản hồi cảm giác lái Sanket Amberkar nghiên cứu Đây phương pháp phản hồi cảm giác phát triển từ hệ thống lái trợ lực lái điện  Bộ phận chấp hành hệ thống lái điện Bộ chấp hành bao gồm động điện lắp lên bánh cấu lái điều khiển bánh xe dẫn hướng Các nghiên cứu giới sử dụng mơ hình hai bậc tự do, ba bậc tự bốn bậc tự làm đối tượng để phân tích hệ thống lái điện Động lực học phận chấp hành hệ thống lái đóng vai trò then chốt cho phương pháp điều khiển hệ thống lái điện tái tạo cảm giác lái vô lăng  Bộ phận xử lý tín hiệu đảm bảo an toàn Các nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế mạch điện tử có khả điều khiển hệ thống cách linh hoạt có độ tin cậy cao Cơ cấu liên kết khí đảm bảo an tồn xét đến M Segawa nhóm nghiên cứu tái tạo cảm giác lái tình trạng hỏng đột ngột xảy Thông qua việc mô mômen phản ứng với hệ thống lái sử dụng cấu an tồn Nghiên cứu thành phần mơ men phản ứng hạn chế cách thay đổi động lực học hệ thống  Bộ điều khiển Bộ điều khiển định chất lượng điều khiển hệ thống Nhiều điều khiển thiết kế thử nghiệm Se-WooK-Oh nhóm nghiên cứu thiết kế điều khiển cho hệ thống lái điện Tác giả đưa thuật tốn điều khiển với mục đích ban đầu tái tạo cảm giác cho mô tơ vô lăng cách xác thực Nhóm nghiên cứu thuộc Trường đại học Swinburne, Melbourne, Úc, thiết kế điều khiển trượt thử nghiệm mơ hình hệ thống thử nghiệm Nhóm tác giả cơng bố mơ hình nghiên cứu kết luận phương pháp điều khiển trượt áp dụng cho hệ thống lái điện sử dụng điều khiển trượt có khả đáp ứng tốt trước kính thích ngẫu nhiên Nhóm nghiên cứu thuộc trung tâm nghiên cứu hãng Renault, Carlos Canudas-de-Wit, Xavier Claeys, J Coudon and Xavier Claeys cơng bố mơ hình hệ thống lái điện thử nghiệm hai điều khiển PD điều khiển thích nghi LQ Nhóm kết luận sử dụng điều khiển thích nghi LQ cho khả đáp ứng tốt so với điều khiển PD  Động lực học xe Nhiều nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng chuyển động quay vòng tác động lên hệ thống ảnh hưởng theo phương dọc ngang Paul Jih mô thực nghiệm hệ thống lái điện toàn diện xe thực tế Trong nghiên cứu cảm giác lái khảo sát thông qua tác động động lực học xe Tác giả sử dụng mơ hình động lực học lốp Pacejka để phân tích thành phần gây lên lực cản từ mặt đường làm sở phản hồi lực tác dụng lên vơ lăng Ngồi tác giả xem xét ảnh hưởng tác động trợ lực lái thủy lực lên vô lăng 1.2.2 Các nghiên cứu nƣớc Trong nước, năm 2001, tác giả Nguyễn Thanh Quang nghiên cứu hệ thống lái trợ lực thủy lực xe du lịch thông qua việc nghiên cứu động học, động lực học độ bền chi tiết hệ thống lái xe Mekông Năm 2004, tác giả Mai Khoa tiến hành nghiên cứu tính điều kiển tơ tải với hệ thống lái có trợ lực thủy lực Năm 2010, tác giả Nguyễn Tuấn Anh cơng bố cơng trình nghiên cứu điều khiển tối ưu hệ thống lái tích cực ô tô Năm 2015, tác giả Nguyễn Tuấn Anh công bố nghiên cứu thiết kế điều khiển PID cho hệ thống lái trợ lực điện ESP Ngồi cơng trình trên, thân tác giả tiến hành nghiên cứu hệ thống lái điện từ năm 2008 thông qua đề tài thạc sỹ.Trong đề tài tác giả xây dựng mơ hình hệ thống lái, đồng thời thiết kế giao diện thực điều khiển quan sát hệ thống Tác giả sử dụng phần mềm LabVIEW thiết kế giao diện điều khiển phận chấp hành đồng thời quan sát tình trạng phản hồi vơ lăng Đây nghiên cứu ban đầu hệ thống nên thông số hệ thống điều khiển chưa quan tâm nhiều Trong nghiên cứu điều khiển PID đưa vào thực nghiệm làm đồng vô lăng cấu chấp hành Nghiên cứu phát triển qua đề tài cấp trường năm 2011 Trong nghiên cứu này, tác giả quan tâm nhiều đến động lực học hệ thống đồng thời hồn thiện thơng số kết cấu mô 3D hệ thống Đồng thời qua nghiên cứu sai số vô lăng cấu chấp hành xem xét cách trực quan Trong đề tài nghiên cứu cấp thành phố “Nghiên cứu chế tạo tạo cảm giác cho hệ thống lái gián tiếp”, tác giả tập trung nghiên cứu phương pháp tái tạo cảm giác lái vô lăng Nghiên cứu tiến hành thông qua giao tiếp khối 3D mô hệ thống lái vô lăng thực Tác giả bước đầu xây dựng đặc tính tái tạo cảm giác lái vô lăng trình chuyển động xe 1.2.3 Nhận xét, đánh giá Các kết nghiên cứu tác giả nước tương đối hoàn thiện động lực học, kết cấu điều khiển nghiên cứu quyền công ty, chưa công bố rộng rãi sâu sắc Có thể sử dụng số kết cơng trình phục vụ cho trình nghiên cứu tác giả: Phương pháp tổng hợp để nghiên cứu động lực học hệ thống lái điện, điều khiển PID, mơ hình bán tự nhiên hệ thống lái điện Các nghiên cứu nước xây dựng sở lý thuyết hệ thống lái khí, hệ thống lái trợ lực thủy lực hệ thống lái tích cực Cơ sở lý thuyết tảng phát triển hệ thống lái điện Tuy nhiên, khả thí nghiệm hệ thống hạn chế, chưa có sản phẩm để kiểm chứng đánh giá Các nghiên cứu tác giả tiến hành mơ hình bánh xe không tiếp đất chưa xây dựng cách tổng thể kết thực nghiệm nhiều hạn chế, chưa xây dựng mơ hình động lực học hệ thống lái điện Do vậy, cần có cơng trình nghiên cứu toàn diện hệ thống lái điện gồm nghiên cứu động lực học, xây dựng điều khiển cho mơ hình bánh xe tiếp đất 1.3 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu, ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn 1.3.1 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Trên giới, nghiên cứu hệ thống lái điện 10 năm trở lại nhiều vấn đề cần nghiên cứu phát triển Nghiên cứu hệ thống lái điện đóng vai trò quan trọng việc nắm bắt công nghệ lái tiên tiến tương lai gần Tại Việt Nam, chưa có nghiên cứu chuyên sâu hệ thống lái điện Vì vậy, nghiên cứu cần thiết để làm rõ sở lý luận thực tiễn hệ thống lái điện hệ thống điện tử xe Đây cơng nghệ lái hồn tồn Việt Nam nên cần tiếp cận làm chủ công nghệ 1.3.2 Ý nghĩa khoa học Đầu tiên Việt Nam thiết kế, chế tạo mơ 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 Mơ hình kết việc phân tích kỹ lưỡng nghiên cứu nước kết hợp với điều kiện nghiên cứu nước Trong đó, phận khí mơ hình lấy từ tơ nguyên bản, phận điện điều khiển sử dụng thiết bị linh kiện đại, phần mềm tính tốn đại đảm bảo tính xác Việc nghiên cứu đưa sản phẩm hệ thống lái điện phối hợp nhiều nghiên cứu chuyên môn khác bao gồm nghiên cứu phận khí, phần mềm, phần cứng hệ thống lái điện Thông qua đề tài nghiên cứu, tác giả mong muốn đưa thông tin, kết nối nhà nghiên cứu chuyên môn nhằm ứng dụng thực tế xe thật 1.3.3 Ý nghĩa thực tiễn Trong năm gần số lượng hệ thống lái đại sử dụng ô tô ngày phổ biến 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 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 cứng, phần mềm hệ thống điện tử tiếp tục hoàn thiện để sử dụng hệ thống lái ô tô thực Các sản phẩm có khả làm việc tốt ổn định mơ hình bán tự nhiên Tuy nhiên, thử nghiệm xe thực tế cần xác định thêm yếu tố đảm bảo an tồn Luận án sử dụng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ 1.4 Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp nội dung nghiên cứu đề tài 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm động lực học 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 1.4.2 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng 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 tơ có cơng thức bánh xe  2R , cầu trước dẫn hướng, hệ thống treo độc lập, không kể đến ảnh hưởng biến dạng lốp Điều khiển bám trường hợp hiểu tối thiểu hóa sai lệch thời điểm trị số góc quay vơ lăng góc quay trục lái hệ thống lái điện 1.4.3 Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô thực nghiệm 1.4.4 Nội dung nghiên cứu Nội dung luận án bao gồm phần sau: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Xây dựng mơ hình nghiên cứu điều khiển hệ thống lái điện Thiết kế, chế tạo, lắp đặt mơ hình thí nghiệm hệ thống lái điện Thí nghiệm động lực học lái mơ hình thí nghiệm bán tự nhiên hệ thống lái điện Kết luận Chƣơng II: XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN 2.1 Mô hình tổng quát hệ thống lái điện Hệ thống lái điện hệ thống điện tử tích hợp, mơ hình khảo sát cần mơ tả tính chất động lực học quan trọng ô tô động lực học bánh xe, động lực học quay vòng, động lực học chuyển động thẳng, dao động ô tô phận điện tử Mơ hình chia thành năm mơdul thành phần liên kết với bao gồm: tín hiệu điều khiển, động lực học vô lăng, phận điện tử, điều khiển hệ thống lái, chấp hành động lực học xe (Hình 2.1) 2.2 Hình 2.1: Mơ hình tổng qt nghiên cứu hệ thống lái điện Mơ hình động lực học hệ thống lái điện Hình 2.2: Hệ thống lái điện 1-Vô lăng; 2-Mô tơ tạo cảm giác; 3-Cảm biến mômen cảm giác tốc độ trục vô lăng; 4-Bộ phận điều khiển; 5-Cảm biến mômen tốc độ trục lái; 6-Mơ tơ điều khiển quay vòng; 7-Cơ cấu bánh răng, răng; 8-Thước lái; 9-bánh xe dẫn hướng 2.2.1 Bộ phận vô lăng Bộ phận điều khiển bao gồm vô lăng, trục lái động điện chiều Vơ lăng có mơ men qn tính Js chịu tác động mô men đánh lái  d , dịch chuyển góc ma sát Ks, độ cứng xoắn Cs, dịch chuyển góc Je1, mơ men tạo cảm giác lái  (Hình 2.3)  d Trục lái có hệ số 1 Động điện chiều có mơ men qn tính Hình 2.3: Mơ hình học phận vô lăng Khi bỏ qua ảnh hưởng khe hở phận, mô hình tốn học phận vơ lăng nêu biểu diễn hệ phương trình:    J s d  d  Cs d  1   K s d  1    J e1.1  Cs d  1   K s d  1     (2.1) Hệ phương trình viết lại thành phương trình 2.2 để giải phương pháp ma trận Js 0   d   K s  K s  d  Cs Cs  d    d         J e1   1    K s K s   1   Cs Cs   1     (2.2) 2.2.2 Bộ phận điện tử Động chiều phận trực tiếp điều khiển vơ lăng phận chấp hành hệ thống lái Do vậy, cần xây dựng mơ hình khảo sát đặc tính làm việc chúng Động điện chiều biểu diễn mơ hình Hình 2.4 Hình 2.4: Mơ hình động điện chiều Phương trình cân mơ men cho hệ thống thể qua công thức 2.3  motor –  c  J d m dt (2.3) trongđó:  motor  K phi im  N m  ,  c  B.m  N m  , im  Eu / Ru  A , U  Eu  Ru im  Lu Sức điện động tính theo biểu thức Eu  K phi kt m với Kphi kết cấu mô tơ điện chiều, từ thơng kích từ phương trình 2.4 sau:  K phi im  B.m  J  K phi dim dt hệ số khuếch đại đặc trưng kt  kkt ikt Phương trình 2.3 viết lại thành dm dt (2.4) Eu d  J m  B.m Ru dt Từ phương trình ta khảo sát đáp ứng vận tốc, mô men, biến thiên theo thời gian lắp đặt động lên hệ thống lái 2.2.3 Bộ phận chấp hành Bộ phận chấp hành phân tích mơ Hình 2.5 Hình 2.5: Mơ hình phận chấp hành hệ thống lái điện Trong mơ hình trên, động điện chiều có nhiệm vụ cung cấp mô men cho mô men đánh lái Động điện chiều có mơ men qn tính M thay J , nối với cấu lái qua trục có độ cứng xoắn C0 dịch chuyển với hệ số giảm chấn K Cơ cấu lái cấu răng, bánh với rp khoảng cách tâm đến điểm ăn khớp với bánh Thanh có khối lượng m, có độ cứng C1 , dịch chuyển với hệ số giảm chấn K1 Khoảng từ tới trục bánh xe rl , bánh xe có mơ men quán tính J bx Với giả thiết hai bánh xe dẫn hướng có độ cứng, góc quay hệ số giảm chấn thay bánh xe có độ   2 cứng C2 , hệ số giảm chấn K , góc quay trung bình bánh xe dẫn hướng   , góc biến   2 dạng trung bình bánh xe dẫn hướng   Mơ men cản quay vòng bánh xe dẫn hướng bao gồm mô men cản bánh xe bên phải  cq1 mô men cản bánh xe bên trái  cq Hình 2.6: Sơ đồ xác định mơ men cản quay vòng Khi ô tô chuyên động quay vòng, tượng biến dạng lốp gây nên trượt cục tạo thành mô men cản chuyển động quay vòng ảnh hưởng thành phần lực ngang tác động lên thân xe Fy Giá trị mô men không đủ lớn để gây nên tượng quay xe, nhiên mô men cản q trình đánh lái xem mơ men cản quay vòng Mơ men cản quay vòng bánh xe dẫn hướng xác định  cq   cq1   cq  M z  (lc  l p ).Fy  C2 (lc  l p ). Trong đó: lc , l p khoảng cách xác định theo góc đặt bánh xe áp suất lốp Mơ hình toán học phận chấp hành biểu diễn hệ phương trình vi phân 2.5 x x  J     K (   )  C (   ) M o o  rp rp    x x 1 m x  K (   )  C (   )  C1 ( x   rl )  K1 ( x   rl )  o  o r r r  p p p      J bx  C1 ( x   rl )  K1 ( x   rl )  rl  C2 (lc  l p ).  (2.5) Từ phương trình hệ thống lái điện phân tích trên, ta khảo sát trạng thái điều khiển hệ thống, thử nghiệm điều khiển khác nhau, so sánh chất lượng điều khiển, mơ tình trạng làm việc hệ thống với điều kiện thí nghiệm khác 2.3 Xây dựng mơ hình khảo sát quỹ đạo chuyển động tơ sử dụng hệ thống lái điện Hình 2.7 minh họa mơ hình tơ hai vết nghiên cứu chuyển động lệch ô tô trường hợp tổng quát chịu tác dụng lực gió ngang Fwy lực cản khơng khí Fwx với giả thiết tải trọng tĩnh phân bố đối xứng theo phương chuyển động ô tô, vận tốc chuyển động số, bề mặt đường phẳng, thông số kết cấu hệ thống treo ảnh hưởng không đáng kể trình chuyển động Fwx Hình 2.7: Mơ hình chuyển động ơtơ mặt phẳng đường Các ký hiệu hình vẽ giải thích sau: C : Trọng tâm tơ δi : Góc quay bánh xe 1 ,   0,  ,    αi : Góc lệch bên bánh xe thứ i (i = ÷ 4) ψ : Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm β : Góc lệch thân xe so với phương chuyển động v : Vận tốc chuyển động ô tô vxc , vyc : Các thành phần vận tốc ô tô hệ tọa độ trọng tâm vi : Vận tốc bánh xe thứ i (i = 1÷ 4) Fyi : Phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe thứ i Fxi : Phản lực dọc tác dụng lên bánh xe thứ i (i = 1÷ 4) Fwx : Lực cản khơng khí Fwx  0, 5.Cw A. w vx , Cw hệ số cản khơng khí, ρw mật độ khơng khí, A diện tích cản diện tơ Fwy : Lực gió ngang tác dụng lên tơ Tf , Tr : Khoảng cách tâm hai vết bánh xe cầu trước, sau Lf, Lr : Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm vết bánh trước, sau Động lực học chuyển động ô tô theo quỹ đạo miêu tả ba thơng số: vận tốc chuyển động ô tô vx, vận tốc ngang vy tốc độ góc quay thân xe  đặc trưng cho chuyển động lệch tơ Phương trình cân lực hệ tọa độ mặt đường I(xI, yI) có dạng: (2.7) d v   F  m   fI dt  vIy   FIy  Ix Ix Trong đó: m: khối lượng tơ, bao gồm khối lượng bánh xe vIx , vIy: thành phần vận tốc hệ tọa độ mặt đường fI : véc tơ ngoại lực tác dụng lên ô tô FIx , FIy : thành phần lực hệ tọa độ mặt đường Quan hệ phản lực dọc ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe thể qua Hình 2.8 Hình 2.8: Các thành phần lực tác dụng lên bánh xe Thành phần lực theo phương dọc thay đổi theo tình trạng chuyển động, giá trị lớn truyền xuống mặt đường giới hạn hệ số bám φxi tải trọng thẳng đứng Fzi theo công thức 2.8 (2.8) F  F xi max xi max zi Với giả thiết góc lệch bên lốp nhỏ, phản lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe quan hệ tuyến tính với góc lệch bên theo cơng thức: (2.9) Fyi  C i i Khi đó, phương trình (2.34) mơ tả chuyển động lệch viết lại sau:  14 v     v    y m   Fxi cos i  Fyi sin i   Fwx   x   i 1    v      v   F sin   F c o s   F      y x xi i yi i wy   m  i 1   (2.10) với góc lệch thân xe β xác định theo công thức: tan   vy vx (2.11) Phương trình mơ men trọng tâm xe viết sau:   Fxi   J z      ryi rxi       i 1   Fyi   (2.12)    ryi  Fyi sin  i  Fxi cos  i   rxi  Fyi cos  i  Fxi sin  i   lw Fwy  i 1 Trong Jz mơ men qn tính khối lượng ô tô theo trục z, rxi ryi tọa độ bánh xe 10 thứ i hệ quy chiếu chuyển động gắn với trọng tâm ô tô Tổng hợp phương trình thành hệ phương trình mơ tả quỹ đạo chuyển động ô tô:   14  v x      v y  m    Fxi cos  i  Fyi sin  i   Fwx   i 1    14 v      v    x m   Fxi sin i  Fyi cos i   Fwy   y  i 1     4       ryi  Fyi sin  i  Fxi cos  i   rxi  Fyi cos  i  Fxi sin  i   lw Fwy   J z  i 1    (2.13) Thiết kế mô điều khiển hệ thống lái điện Trong nội dung nghiên cứu luận án, hai điều khiển PID, điều khiển mờ Fuzzy –PID ứng dụng nhằm tìm điều khiển thích hợp cho hệ thống lái điện (bộ điều khiển vô lăng, điều khiển phận chấp hành) Bộ điều khiển lập trình chương trình điều khiển hệ thống lái điện bao gồm: Bộ điều khiển vô lăng điều khiển phận chấp hành Sơ đồ điều khiển cho hệ thống lái điện luận án trình bày Hình 2.9 2.4 Hình 2.9: Sơ đồ điều khiển hệ thống lái điện 2.5.1 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID xác định ba giá trị: thông số tỉ lệ KP, tích phân KI đạo hàm KD Đối với mơ hình tuyến tính phương pháp lựa chọn hệ số Kp, KI , KD thường sử dụng là: Phương pháp Ziegler-Nichols, chỉnh phần mềm, thực nghiệm Hệ thống lái điện phân tích dạng mơ hình ba bậc tự cần tính tốn thiết kế điều khiển để xác định thông số điều khiển hợp lý Từ thông số mơ hình trên, sử dụng cơng cụ Autotuner toolkit phần mềm Matlab để xác định thống số Kp, KI, KD điều khiển hệ thống lái điện Chương trình mơ thử nghiệm Hình 2.10 11 Hình 2.10: Chương trình mơ điều khiển PID Do tác động yếu tố quán tính khối lượng, ma sát ln có sai số giá trị đặt vận tốc yêu cầu đầu vào vận tốc đáp ứng Khảo sát trạng thái làm việc hệ thống thay đổi độ cứng lốp tương ứng với tình trạng đường khác (đường nhựa phủ tuyết C2 = 12000 N/rad, đường nhựa ướt C2 = 45000 N/rad, đường nhựa khô C2 = 80000 N/rad), chọn thông số cho điều khiển PID Kp =10, KI =1.7, KD=0.15 Hình 2.11: Kết mơ với 03 tình trạng mặt đường với điều khiển PID Kết cho thấy điều khiển PID với tham số Kp, KI, KD cố định sai số đáp ứng hệ thống thay đổi theo tình trạng cản Để giải vấn đề trên, cần phát triển điều khiển khác phù hợp với đặc tính cản thay đổi tác dụng lên hệ thống lái điện 2.5.2 ộ điều khiển uzzy-PID Vấn đề thay đổi tình trạng cản ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển trình bày phần giải thơng qua phương pháp hiệu chỉnh tham số KP, KI, KD Ý tưởng sử dụng điều khiển Fuzzy để hiệu chỉnh tự động tham số KP, KI, KD tương ứng với trạng thái cản mặt đường hình thành Do kết hợp điều khiển PID điều khiển mờ Fuzzy thành điều khiển Fuzzy-PID Mục tiêu điều khiển Fuzzy-PID tối ưu hóa lựa chọn tham số cho điều khiển PID Bộ điều khiển Fuzzy-PID với biến đầu vào sai số tín hiệu đánh lái góc quay đáp ứng cấu lái, trạng thái cản, tín hiệu đầu thơng số hiệu chỉnh cho tham số PID K P , K I , K D Tham số dịch chuyển khoảng thay đổi [KPmin, KImax ], [KImin , KImax], [KDmin, KDmax] tương ứng với trạng thái mô men cản sai số hệ thống Quy đổi trạng thái dạng khơng tắc K P  K Pmin K I  K Imin K D  K Dmin K P'  , K I'  , K p'  (2.13) K Pmax  K Pmin K Pmax  K Pmin K Dmax  K Dmin Trong giá trị KP, KI, KD hiệu chỉnh theo công thức sau: (2.14) K P   K Pmax  K Pmin  K p'  10, K I   K Imax  K Imin  K I'  1.7, K D   K Dmax  K Dmin  K D'  0.85 Khảo sát khả làm việc hệ thống lái điện Khảo sát khả làm việc hệ thống tương ứng với trạng thái mặt đường khác đường nhựa phủ tuyết, đường nhựa ướt, đường nhựa khơ Tình trạng cản mặt đường thay đổi cách thay đổi độ cứng lốp tương ứng với tình trạng đường khác (đường nhựa phủ tuyết C2 = 12000 N/rad, đường nhựa ướt C2 = 45000 N/rad, đường nhựa khô C2 = 80000 N/rad) Thông số cài đặt cho điều khiển PID Kp = 10, KI = 1.7, KD = 0.15, điều khiển Fuzzy-PID trình bày phần Chương trình Matlab Hình 2.5 12 Hình 2.12: Chương trình mơ hệ thống lái điện với hai điều khiển Hình 2.13: Đáp ứng hệ thống C2 = 12000 N/rad Hình 2.14: Đáp ứng hệ thống C2 = 45000 N/rad Hình 2.15: Đáp ứng hệ thống C2 = 80000 N/rad 13 Hình 2.16: Góc quay bánh xe dẫn hướng Hình 2.17: Gia tốc theo phương ngang Hình 2.18: Phân bố tải trọng thẳng đứng lên bánh xe dẫn hướng bên trái bên phải Hình 2.19: Quỹ đạo chuyển động ô tô sử dụng hệ thống lái điện KẾT LUẬN CHƢƠNG II Trong Chương II, luận án hồn thành cơng việc xây dựng mơ hình tổng qt nghiên cứu hệ thống lái điện Mơ hình tổng qt bao gồm nhiều mơ hình thành phần liên kết với như: Bộ phận vô lăng, phận điện tử, phận chấp hành động lực học xe 14 Từ mơ hình xây dựng, sử dụng phần mềm Matlab để mơ phỏng, phân tích hệ thống thử nghiệm chế độ làm việc hệ thống lái điện Các kết mô cho thấy cần phải sử dụng điều khiển có chất lượng đảm bảo khả bám góc quay vơ lăng góc quay trục lái, tái tạo cảm giác lái Kết nghiên cứu Chương II xây dựng 02 điều khiển PID Fuzzy-PID, cho thấy sử dụng điều khiển PID sai số bám vô lăng phận chấp hành thay đổi từ 0.23 rad tác động đầu vào theo quy luật hình sin với tần số 1/6 Hz, biên độ lớn khoảng 3.5 rad Với điều khiển PID với tham số không đổi, mô men cản quay tăng, sai số có xu hướng tăng theo, nhược điểm điều khiển PID Để đảm bảo khả làm việc tải trọng thay đổi phạm vi lớn, luận án tiến hành phân tích, thử nghiêm điều khiển Fuzzy-PID Khi sử dụng điều khiển Fuzzy-PID sai số dao động khoảng nhỏ từ - 0.132 rad Cả hai điều khiển đáp ứng tiêu chuẩn hệ thống lái thơng thường, điều khiển Fuzzy-PID có khả bám tốt so với điều khiển PID Do vậy, điều khiển Fuzzy-PID lựa chọn làm điều khiển bám vô lăng trục lái Kết nghiên cứu mơ hình lý thuyết làm cở sở cho nghiên cứu thực nghiệm mơ hình bán tự nhiên Các tính tốn mơ hình lý thuyết làm cở sở thay đổi tải trọng lên bánh xe dẫn hướng thí nghiệm mơ hình Chƣơng III: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN 3.1 Thiết kế mơ hình thí nghiệm Mơ hình thí nghiệm bán tự nhiên hệ thống lái điện mơ hình dùng để nghiên cứu thực nghiệm phòng thí nghiệm có phận giả lập điều kiện tơ chuyển động đường thí nghiệm Hình 3.1: Sơ đồ mơ hình thí nghiệm hệ thống lái điện 1- Cụm động DC hộp giảm tốc, 2-Cơ cấu lái, 3-Khung, 4-Kích đội bánh xe, 5- Chốt hãm, 6-Mâm đo góc đặt bánh xe, 7-Bánh xe, 8-Giảm chấn, 9-Lò xo, 10-Càng đỡ trên, 11- Ngõng quay, 12-Cảm biến tải trọng, 13-Bộ phận điện tử, 14-Bộ phận vô lăng, 15-Máy tính, 16-Hộp điều khiển hệ thống lái Hình 3.2: Bộ phận tạo tải mơ hình thí nghiệm 15 1-Bánh xe, 2-Chốt cố định mâm xoay, 3-Mâm xoay, 4-Cảm biến tải trọng, 5-Kích tạo tải thẳng đứng, 6-Đường bê tơng thí nghiệm Sau phân tích thiết kế hệ thống phần mềm Solidworks phần tử khung chính, đỡ kích nâng, ngang phụ dọc dọc kết cho thấy phần tử khung chịu lực chính, ngang phụ, dọc có biến dạng khơng đáng kể, đủ bền Kết tính bền thể qua Hình b) a) c) d) Hình 3.3: Kiểm tra độ bền khung thiết kế a) Kiểm tra biến dạng ngang, dọc đỡ trên, b) Kiểm tra chuyển vị ngang, dọc đỡ trên, c) Kiểm tra độ chuyển vị đỡ kích, d) Kiểm tra biến dạng đỡ kích Hình 3.4: Hộp điều khiển mơ hình thí nghiệm hệ thống lái điện Xây dựng điều khiển mơi trường LabVIEW: Hình 3.5: Chương trình điều khiển bám sử dụng điều khiển PID Hình 3.6: Chương trình điều khiển bám sử dụng điều khiển Fuzzy-PID 16 Hình 3.7: Mơ hình thí nghiệm hệ thống lái điện hoàn chỉnh Thử nghiệm so sánh hệ thống lái điện hệ thống lái khí truyền thống Bảng 3.1: Kết thử nghiệm đánh lái bên phải Góc quay bánh Góc quay bánh Góc quay bánh Góc quay vơ xe bên phải xe bên trái xe bên trái lý Tỷ số truyền lăng (độ) (độ) thực tế (độ) thuyết (độ) thực tế 0 0 20 5.1 4.9 4.74 99 19.8 10 9.6 9.29 195 19.9 15.5 14.1 13.61 290 19.6 20.1 17.8 17.79 378 19.9 25.3 22.2 21.89 471 19.8 30.2 25.8 26.01 557 19.9 35.4 31.4 30.17 674 20.2 38.1 33.1 32.95 714 20.1 Bảng 3.2: Kết thử nghiệm đánh lái bên trái Góc quay bánh Góc quay bánh Góc quay bánh Góc quay vơ xe bên phải xe bên phải lý xe bên trái (độ) lăng(độ) thực tế (độ) thuyết (độ) Tỷ số truyền 0 0 20 5.1 4.9 4.75 99 19.8 10.1 9.6 9.29 196 19.9 15.3 14.2 13.6 290 19.7 20.2 17.9 17.79 379 19.9 25.3 22.3 21.89 471 19.8 30.3 26.1 26.01 557 19.8 34.8 31 30.1 675 20.5 37.9 33.2 32.95 714 20.1 3.3 Thử nghiệm tái tạo cảm giác lái Phương pháp sử dụng đồ mô men cản điều khiển tạo cảm giác phát triển Se Wook Oh Trong phương pháp này, đồ mơ men xây dựng từ tín hiệu cảm biến góc đánh lái tốc độ chuyển động Mô men cảm giác phụ thuộc vào vận tốc quan hệ theo biểu thức: 3.2 1 3      K  v  v  Vmax   Tin (3.1) Trong đó: Tin mơ men cản ban đầu hệ thống, K  hiệu chỉnh theo tọa độ trọng tâm diện tích cản gió thay đổi áp lực tác dụng lên mặt đường, v vận tốc chạy xe, Vmax vận tốc max cực đại Mô men cảm giác phụ thuộc vào góc đánh lái quan hệ theo biểu thức:   K d signd (3.2) Góc đánh lái định thay đổi vị trí hình học góc đặt bánh xe mặt phẳng tính tốn 17 K hệ số hiệu chỉnh dẫn động lái ảnh hưởng góc bên phải trái Sử dụng phần mềm LabVIEW xây dựng đồ mô men tạo cảm giác thay đổi theo vận tốc góc quay vơ lăng làm sở để điều khiển, kết thể Hình 3.8 Hình 3.8: Bản đồ tổng hợp mơ men tạo cảm giác theo vận tốc góc đánh lái Chuyển đồ thị tổng hợp dạng 3D đồ dạng đồ thị 2D, đặc tính cảm giác thể qua Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.9: Đặc tính mơ men cảm giác lái thay Hình 3.10: Đặc tính mơ men cảm giác thay đổi đổi theo vận tốc theo góc đánh lái KẾT LUẬN CHƢƠNG III Để hồn thành mơ hình thí nghiệm, nghiên cứu mơ hình thí nghiệm giới để đưa phương án thiết kế mơ hình thí nghiệm bán tự nhiên Mơ hình trình bày Chương III kết nghiên cứu thời gian dài liên tục, nhận nhiều ý kiến đóng góp nhà khoa học, chuyên gia thợ lành nghề Dựa cở sở lý thuyết xây dựng Chương II, nghiên cứu sử dụng phần mềm LabVIEW để thực tính tốn, thiết kế hai điều khiển PID Fuzzy-PID, lắp đặt chúng lên mô hình thực tế Kết chạy thử nghiệm cho thấy thơng số kết cấu khí hình thang lái, cấu lái đảm bảo độ xác Bên cạnh đó, nghiên cứu tái tạo cảm giác lái thử nghiệm mơ hình Kết thử nghiệm hoạt động mơ hình cài đặt điều khiển PID, thay đổi tải trọng bánh xe dẫn hướng cho thấy:  Ở chế độ bánh xe tiếp xúc mâm xoay tự do, trạng thái tĩnh, tải trọng đặt lên bánh xe dẫn hướng 4250 N, sử dụng điều khiển PID, sai số tín hiệu điều khiển tín hiệu chấp hành bé dao động từ rad đến 0.06 rad Khi thay đổi tải ứng với vận tốc thử nghiệm sai số tín hiệu điều khiển tín hiệu chấp hành dao động có xu hướng tăng từ 0.06 rad đến 0.09 rad  Ở chế độ bánh xe tiếp xúc mâm xoay cố định, trạng thái tĩnh, tải trọng đặt lên bánh xe dẫn hướng 4250 N, sử dụng điều khiển PID, sai số tín hiệu điều khiển tín hiệu chấp hành tương đối lớn dao động từ rad đến 0.26 rad Khi thay đổi tải ứng với vận tốc thử nghiệm sai số tín hiệu điều khiển tín hiệu chấp hành dao động có xu hướng tăng từ rad đến 0.28 rad Kết cho thấy cần kiểm sốt sai số tín hiệu điều khiển tín hiệu chấp hành mơ men cản thay đổi Kết thử nghiệm điều khiển phù hợp với nghiên cứu lý thuyết Chương II Các kết nghiên cứu làm sở cho việc thí nghiệm chế độ làm việc hệ thống lái 18 Chƣơng IV: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH 4.1 Mục đích thí nghiệm Mục đích cụ thể thí nghiệm nghiên cứu bao gồm: - Xác định mô men cản quay bánh xe dẫn hướng phục vụ cho việc nghiên cứu động lực học xe xây dựng điều khiển - Thí nghiệm điều khiển bám góc quay vơ lăng góc quay trục lái để đánh giá chất lượng điều khiển 4.2 Phƣơng pháp xác định mô men cản quay bánh xe dẫn hƣớng Hình 4.1: Ngun lý đo mơ men cản quay bánh xe dẫn hướng gián tiếp qua cường độ dòng điện 4.3 Phƣơng pháp xác thí nghiệm khả bám góc quay vơ lăng góc quay trục lái a) b) Hình 4.2: Ngun lý thí nghiệm khả bám góc quay vơ lăng góc quay trục lái a) Bánh xe tiếp xúc với mâm xoay; b) Bánh xe tiếp xúc với đường nhựa 1-Tín hiệu đo tải trọng, 2- Mô men cản hệ thống, 3- Tín hiệu vị trí trục lái, 4-Dây dẫn kết nối máy tính, 5- Tín hiệu vị trí vơ lăng 4.4 Trình tự thí nghiệm xác định mơ men cản quay bánh xe dẫn hƣớng Thí nghiệm xác định mô men cản quay bánh xe dẫn hướng thực theo bước sau: Bước 1: Chuẩn bị thí nghiệm Bước 2: Chạy chương trình đo ghi chương trình điều khiển Bước 3: Thực thay đổi góc đánh lái từ 00 đến 7200 sang phải trả lái 00, sau đánh sang trái 7200 trả 00 Bước 4: Lưu kết đo ghi Kết đo mô men cản quay bánh xe dẫn hướng đo mơ hình thí nghiệm trạng thái bánh xe tiếp xúc với mâm xoay tự 4.5 Trình tự thí nghiệm bám góc quay vơ lăng góc quay trục lái Sai lệch bám góc quay vơ lăng góc quay trục lái kết toán điều khiển hệ thống lái điện tải trọng thay đổi Thí nghiệm xác định sai lệch bám góc quay vơ lăng góc quay trục lái thực theo bước sau: Bước 1: Chuẩn bị thí nghiệm 19 Bước 2: Lựa chọn chế độ thí nghiệm: Chế độ thí nghiệm điều khiển lựa chọn theo bảng 4.1 Bước 3: Chạy chương trình đo ghi giao diện máy tính chương trình điều khiển Bước 4: Thực đánh lái góc sang phải 900 sau đánh lái ngược sang trái, lặp lại trạng thái đánh lái 30 lần với vận tốc khác Bước 5: Ghi lại kết quả: Sai số tín hiệu góc quay vơ lăng góc quay trục lái lưu lại dạng đồ thị liên tục 4.6 Kết thí nghiệm 4.6.1 Kết thí nghiệm xác định mô men cản quay Kết đo mô men cản quay bánh xe dẫn hướng đo mô hình thí nghiệm trạng thái bánh xe tiếp xúc với mâm xoay tự Hình 4.3 Hình 4.3: Mô men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe tiếp xúc mâm xoay tự Kết đo mô men cản quay bánh xe dẫn hướng đo mơ hình thí nghiệm trạng thái bánh xe tiếp xúc với mâm xoay cố định Hình 4.4 Hình 4.4: Mơ men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe tiếp xúc mâm xoay cố định Kết đo mô men cản quay bánh xe dẫn hướng đo mơ hình thí nghiệm trạng thái bánh xe tiếp xúc với mặt đường nhựa Hình 4.5 Hình 4.5: Mơ men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe tiếp xúc mặt đường nhựa 4.6.2 Kết thí nghiệm điều khiển bám góc quay vơ lăng góc quay trục lái Hình 4.6: Sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái (bộ điều khiển PID, Zl =4250 N, Zr = 4250 N) 20 Hình 4.7: Sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái (bộ điều khiển Fuzzy-PID, Zl =4250 N, Zr = 4250 N) Hình 4.1: Sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái (bộ điều khiển PID, Zl = 4250 N, Zr = 4250 N) PID FUZZYPID Đƣờng nhựa Mâm xoay cố định FUZZ PID Y PID Hình 4.2: Sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái (bộ điều khiển Fuzzy-PID, Zl = 4250 N, Zr = 4250 N) Bảng 4.2: Bảng tổng hợp sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái Kết thí nghiệm điều khiển trạng thái bánh xe tiếp xúc với mâm xoay cố định Tải Bộ điều Tải trọng thẳng đứng Sai số Sai số khiển (N) (rad) (độ) Bánh xe bên trái Bánh xe bên phải 4250 4250 0-0.132 7.6 1950 6550 0-0.135 7.7 6550 1950 0-0.131 7.5 4250 4250 0-0.130 7.5 1950 6550 0-0.134 7.7 6550 1950 0-0.131 7.5 Bảng 4.3: Tổng hợp sai số tín hiệu góc quay vơ lăng góc quay trục lái Kết thí nghiệm điều khiển trạng thái bánh xe tiếp xúc với mặt đƣờng nhựa Tải Bộ điều Tải trọng thẳng đứng Sai số Sai số khiển (N) (rad) (độ) Bánh xe bên trái Bánh xe bên phải 4250 4250 0-0.280 16.1 1950 6550 0-0.285 16.3 6550 1950 0-0.287 16.5 4250 4250 0-0.150 8.6 1950 6550 0-0.159 9.1 6550 1950 0-0.162 9.3 21 PID FUZZY PID FUZZY PID Đƣờng nhựa PID Mâm xoay cố định Từ bảng kết thực nghiệm mơ hình so sánh với kết mơ Kết so sánh trình bày bảng Bảng 4.4: So sánh điều khiển bám tính tốn lý thuyết thực tế SO SÁNH CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ THỰC TẾ Tải Bộ điều Tải trọng thẳng đứng Sai số (rad) khiển (N) Bánh xe Bánh xe bên phải Mô Thực tế bên trái 4250 4250 0.180 0-0.132 4250 4250 0.125 0-0.130 4250 4250 0.230 0-0.28 4250 4250 0.132 0-0.15 Hình 4.3: Sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái sử dụng hai điều khiển Hình 4.4: Sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái tính tốn lý thuyết thí nghiệm sử dụng điều khiển Fuzzy-PID Khảo sát xe sử dụng hệ thống lái điện qua thí nghiệm chuyển DLC Trong phạm vi đề tài, mơ hình bán tự nhiên đáp ứng yêu cầu hệ thống lái, nhiên chúng mơ hình tĩnh để sử dụng mơ hình ô tô thực tế cần khảo sát chất lượng hệ thống lái điện lắp đặt lên xe thông qua mô quỹ đạo chuyển động ô tô chuyển Các kết nghiên cứu mô hình thí nghiệm thực tế (mơ men cản, sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái) kết hợp với điều kiện vận tốc chạy xe đưa vào mơ hình tổng qt để nghiên cứu đánh giá tiêu chuẩn hệ thống lái theo tiêu chuẩn quốc tế nhắm đánh giá chất lượng hệ thống lái điện 4.7 Hình 4.12: Chương trình mơ quỹ đạo ô tô sử dụng hệ thống lái điện thực thí nghiệm chuyển DLC 22 Hình 4.13: Kết mô quỹ đạo ô tô sử dụng hệ thống lái điện thực thí nghiệm chuyển DLC 40km/h Hình 4.14: Kết mơ quỹ đạo ô tô sử dụng hệ thống lái điện thực thí nghiệm chuyển DLC 60 km/h KẾT LUẬN CHƢƠNG IV Trong Chương IV, luận án xây dựng phương pháp thí nghiệm xác định mơ men cản quay bánh xe dẫn hướng, quy trình thí nghiệm điều khiển bám góc quay vơ lăng góc quay trục lái thay đổi điều kiện làm việc thông qua việc xác định sai lệch thời điểm trị số góc quay vơ lăng góc quay trục lái Thí nghiệm thực phòng thí nghiệm Cơ khí tơ Trường Đại học Giao thông Vận tải với hỗ trợ chuyên gia với thiết bị đo kiểm có độ tin cậy cao Thí nghiệm xác định mơ men cản quay cho thấy vị trí trung gian mơ men cản có giá trị bé, tăng góc đánh lái, mơ men cản có xu hướng tăng theo Mơ men cản thay đổi từ 6.2 N.m đến 6.8 N.m ứng với chế độ bánh xe tiếp xúc mâm xoay tự do, 51 N.m đến 59 N.m ứng với chế độ bánh xe tiếp xúc mâm xoay cố định, 485 N.m đến 701 N.m ứng với chế độ bánh xe tiếp xúc mặt đường nhựa Thí nghiệm điều khiển bám góc quay vơ lăng góc quay trục lái cho thấy sai số góc quay vơ lăng góc quay trục lái mơ hình thí nghiệm hệ thống lái thử nghiệm điều khiển PID dao động từ – 0.28 rad Fuzzy-PID dao động từ – 0.15 rad mô men cản thay đổi Kết đo mơ hình thực tế có sai số từ 4-6% so với tính tốn lý thuyết So sánh với quy định tiêu chuẩn hệ thống lái khí, hệ thống lái điện thiết kế có sai số nằm phạm vi cho phép Kết thử nghiệm cảm giác lái cho thấy phương pháp tái tạo cảm giác lái mơ hình thí nghiệm hệ thống lái điện có đặc tính thực tế có quy luật phản ảnh đặc tính cản hệ thống Kết khảo sát ô tô sử dụng hệ thống lái điện thực thí nghiệm DLC theo tiêu chuẩn quốc tế cho thấy hệ thống lái điện thiết kế đủ tiêu chuẩn tiến hành hai vận tốc 40 60 km/h KẾT LUẬN Nghiên cứu hệ thống lái ô tô lĩnh vực nhiều nhà khoa học nước quan tâm Tuy nhiên, nghiên cứu hệ thống hệ thống lái điện chưa có cơng trình nghiên cứu cơng bố Việt Nam Luận án cơng trình có ý nghĩa khoa học thực tiễn, phù hợp với trào lưu nghiên cứu công nghệ ô tô giới Cách đặt vấn đề giải vấn đề phù hợp với hoàn cảnh kinh tế - kỹ thuật mục tiêu nghiên cứu 23 Kết nghiên cứu, đóng góp luận án Cơng trình nghiên cứu tổng hợp phân tích q trình phát triển cơng nghệ tơ nói chung hệ thống lái nói riêng, nghiên cứu ngồi nước Trên sở đề định hướng nghiên cứu phù hợp Luận án xây dựng mơ hình động lực học tổng qt nhằm nghiên cứu hệ thống lái điện bao gồm nhiều thành phần liên kết với Mỗi thành phần mô hình tổng qt tách riêng thành mơdul tách rời giúp việc khảo sát, điều khiển trở nên linh hoạt Trên sở mơ hình xây dựng tính tốn, thử nghiệm phương án điều khiển hệ thống lái điện Kết nghiên cứu lý thuyết hồn tất việc xây dựng thuật tốn điều khiển bám vô lăng phận chấp hành điều khiển Fuzzy-PID Thông qua việc khảo sát mô cho thấy mô men cản quay thay đổi điều khiển Fuzzy –PID có khả kháng nhiễu tương đối tốt Sai số góc quay vơ lăng trục lái dao động phạm vi bé từ 0- 0.15 rad nằm phạm vi cho phép sai số hệ thống lái truyền thống Đã xây dựng mô hình động lực học tơ sử dụng hệ thống lái điện nhằm xác định quỹ đạo chuyển động ô tô phân bố lại tải trọng lên bánh xe dẫn hướng phục vụ nghiên cứu thực nghiệm Việc thiết kế, chế tạo mơ hình thí nghiệm bán tự nhiên hệ thống lái điện đóng vai trò quan trọng việc hoàn thành mục tiêu nghiên cứu nắm bắt, làm chủ công nghệ tiên tiến hệ thống điện tử Từ mơ hình thí nghiệm thử nghiệm đo thông số đầu vào cho tốn mơ kiểm chứng kết tính tốn lý thuyết Mơ hình thí nghiệm xây dựng sử dụng công nghệ giao tiếp ảo DAQ giải pháp tiên tiến sử dụng phòng thí nghiệm ứng dụng giới Luận án xây dựng quy trình đo mơ men cản quay bánh xe dẫn hướng Kết đo thơng số đầu vào quan trọng cho tốn mơ hệ thống lái điện Kết điều khiển bám góc quay vơ lăng góc quay trục lái khẳng định cần thiết phải xây dựng điều khiển Fuzzy-PID cho mơ hình khả thay hệ thống lái điện cho hệ thống lái truyền thống Luận án tái tạo cảm giác lái cho mơ hình hệ thống lái điện Kết khảo sát quay vòng tơ sử dụng hệ thống lái điện thí nghiệm DLC theo tiêu chuẩn quốc tế cho thấy hệ thống lái điện nghiên cứu đáp ứng yêu cầu đặt chuyển động tốc độ 40 km/h 60 km/h Với kết đạt khẳng định hệ thống lái điện với điều khiển Fuzzy-PID hồn tồn thay hệ thống lái truyền thống mơ hình bán tự nhiên ô tô mục tiêu nghiên cứu đặt Những hạn chế hƣớng nghiên cứu - Hồn thiện mơ hình tổng qt: Mơ hình hệ thống lái điện luận án chủ yếu tập trung phân tích yếu tố thân hệ thống lái chưa đề cập tới yếu tố an toàn tự chẩn đốn Các phận khác tơ có ảnh hưởng lớn đến tính điều khiển lái hệ thống treo, phanh, truyền lực chưa xem xét kỹ lưỡng Do bố trí, lắp đặt ô tô thực tế cần xây dựng mô hình không gian, kết hợp với mơ hình khác để khảo sát yếu tố ô tô gần sát với thực tế, có xét đến biến dạng lốp - Hồn thiện mơ hình thí nghiệm: Việc chế tạo mơ hình thí nghiệm đòi hỏi kinh phí tương đối lớn, điều kiện hạn chế kinh phí sử dụng phận cũ xe nguyên làm mơ hình khơng thể tránh khỏi sai số khí Các nghiên cứu sau nên sử dụng phận mới, đại để có độ xác cao - Hồn thiện thí nghiệm: Việc thử nghiệm mơ hình tĩnh thu kết định Tuy nhiên, chế độ tải ô tô chuyển động đường thay đổi cách liên tục mơ hình tĩnh khơng thể thể tất yếu tố ảnh hưởng đặc biệt cảm giác lái Do vậy, tương lai cần có nghiên cứu cụ thể xe thật 24 ... 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... nghiệm bán tự nhiên hệ thống lái điện Kết luận Chƣơng II: XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN 2.1 Mơ hình tổng qt hệ thống lái điện Hệ thống lái điện hệ thống điện tử tích hợp,... mô điều khiển hệ thống lái điện Trong nội dung nghiên cứu luận án, hai điều khiển PID, điều khiển mờ Fuzzy –PID ứng dụng nhằm tìm điều khiển thích hợp cho hệ thống lái điện (bộ điều khiển vô