Nghiên cứu hệ thống lái steer by wire điện tử thủy lực TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN XUÂN TUẤN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG LÁI STEER BY WIRE ĐIỆN TỬ - THỦY LỰC Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Giao thông vận tải Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Bang PGS.TS Đinh Thị Thanh Huyền Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Vào hồi … giờ, ngày… tháng … năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU  Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu: Hệ thống lái Steer by wire (SBW) hệ thống ô tô ứng dụng công nghệ điện tử Thời gian gần có nhiều nhà khoa học nước giới nghiên cứu để hoàn thiện hệ thống này, nghiên cứu tiền đề phát triển cộng nghệ lái tự động Công nghệ lái đại dự báo sử dụng phương tiện vận tải tương lai thành phố lớn Do vậy, nghiên cứu hệ thống lái SBW có ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn nhằm nắm bắt công nghệ tiên tiến giới để bước làm chủ công nghệ Trên giới có nhiều tác giả nghiên cứu hệ thống lái SBW, nghiên cứu khoa học khó để tiếp cận (các nghiên cứu quyền, nghiên cứu đặt hàng nhà sản xuất…), nghiên cứu dừng mức độ mô nghiên cứu thực nghiệm mơ hình mà chưa thực kiểm chứng ô tô thực Ở nước ta có số nghiên cứu vài năm gần hệ thống lái SBW, nhiên nghiên cứu dừng lại mơ hình bán thực nghiệm Do việc nghiên cứu hệ thống lái SBW đầy đủ phương diện lý thuyết kiểm nghiệm xe ô tô thực tế cần thiết  Đối tượng phạm vi nghiên cứu: - Hệ thống lái trợ lực thủy lực ô tô tải HINO 300Series - Nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm để chuyển đổi hệ thống lái có trợ lực thủy lực ô tải HINO 300Series sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực Bơm thủy lực trợ lực lái dẫn động trực tiếp từ động ô tô  Ý nghĩa khoa học nghiên cứu: - Là nghiên cứu Việt nam hồn thành việc chuyển đổi hệ thống lái có trợ lực thủy lực ô tô HINO 300Series thành hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực - Đã xây dựng mơ hình động lực học mơ hình mơ hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực phù hợp với đối tượng nghiên cứu, đạt độ xác cần thiết - Nghiên cứu phương pháp điều khiển phù hợp, xây dựng luật điều khiển Thiết kế chế tạo điều khiển công nghiệp hoạt động ổn định đối tượng nghiên cứu  Ý nghĩa thực tiễn nghiên cứu: - Hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực lắp Ơ tơ HINO 300Series sản phẩm công nghiệp thử nghiệm khơng tải, có tải chỗ vận hành đường giao thông nội - Kết nghiên cứu sử dụng cho việc giảng dạy, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ - Mở hướng nghiên cứu việc chuyển đổi từ hệ thống lái ô tô thông thường sang hệ thống lái SBW  Đóng góp nghiên cứu: - Đã nghiên cứu chuyển đổi thành công hệ thống lái có trợ lực thủy lực xe tơ HINO 300Series sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực Sản phẩm hoàn thành hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực lắp xe hoạt động ổn định, tin cậy chế độ khai thác thực tế - Mơ hình lý thuyết, thơng số hệ thống tính tốn đo đạc từ xử lý, cảm biến điện tử cho kết xác; Bộ số liệu thực nghiệm tiến hành công phu, đầy đủ với thiết bị, dụng cụ thí nghiệm đại đảm bảo độ xác độ tin cậy - Đã nghiên cứu tạo cảm giác lái cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực đầy đủ bao gồm: Tạo mô men cảm giác đánh lái; Giới hạn vành lái đánh hết lái hai phía điện; Tự động trả vành lái điểm cân tương ứng với ô tô chuyển động thẳng CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 HT lái với vấn đề quay vòng ổn định hướng chuyển động Trong số trường hợp, việc sử dụng hệ thống lái thay phanh an tồn việc đánh lái phát sinh ma sát lốp xe mặt đường Khi lốp xe phía sau đạt đến giới hạn độ bám, lúc kiểm soát bánh xe phía trước, phanh tình thường dẫn đến xe bị hướng quay trịn khơng thể kiểm sốt [13], [15] Hệ thống lái Steer by wire (SBW) 1.2.1 Đặc điểm kỹ thuật hệ thống lái SBW Các hệ thống lái SBW nghiên cứu biểu diễn từ Hình 1.9 đến Hình 1.11: Hình 1.9: HT lái SBW- động điện Hình 1.10 hệ thống lái SBW sử dụng chấp hành dẫn hướng gồm động điện làm quay cấu lái bánh răng, thơng qua hình thang lái để làm quay bánh xe dẫn hướng Hình 1.10: HT lái SBW- động điện Hình 1.11 hệ thống lái SBW động điện làm quay cấu lái hệ thống cịn có trợ lực thủy lực Hình 1.11: HT lái SBW trợ lực TL 1.2.2 Chuyển đổi hệ thống lái thông thường sang hệ thống lái SBW Thay sử dụng trục lái khí để truyền động đến cấu lái, hệ thống lái SBW sử dụng chấp hành lái gồm động làm nhiệm vụ tạo cảm giác, động làm nhiệm vụ quay cấu lái điều khiển điện tử Hình 1.12 1.2 Hình 1.12: Chuyển đổi sang hệ thống lái SBW Các nghiên cứu nước 1.3.1 Các nghiên cứu nước: - Nghiên cứu tác giả Trần Văn Lợi – Trường ĐH GTVT [1] ÷ [6]: Xây dựng mơ hình động lực học hệ thống lái điện xây dựng thuật toán điều khiển bám vành lái phận chấp hành điều khiển Fuzzy-PID - Nghiên cứu tạo cảm giác lái tác giả Nguyễn Bá Hải [20]: Nghiên cứu dựa vào phương pháp đo dòng, áp nhiên kết chưa giải vấn đề ổn định hệ thống lái khơng trục vị trí giới hạn quay vịng vành lái 1.3.2 Các nghiên cứu ngồi nước:  Nghiên cứu mơ hình động lực học hệ thống lái SBW: Nghiên cứu tác giả Sheikh Muhamad Hafiz fahami1 [21] Nghiên cứu Paul Yih, J Christian Gerdes [22]; Nghiên cứu tác giả Eid S Mohamed, Saeed A Albatlan [23]  Nghiên cứu điều khiển: Nghiên cứu tác giả Paul Yih [13]; Nghiên cứu A dem Kader (SBW) [24]; Nghiên cứu Jack J Kenned, Professor V.R Patil [25]; Nghiên cứu tác giả Chunyan Wang, Dong Zhou, Wanzhong Zhao, Xiaoyue Gu [26]; Nghiên cứu tác giả Salem Haggag, David Alstrom, Sabri Cetinkunt, and Alex Egelja [27]; Nghiên cứu tác giả Yixin Yao [28]; Nghiên cứu tác giả Se-Wook Oh, Ho - chol CHAE, Seok – Chan YUN [29]; Nhóm nghiên cứu thuộc Trường đại học Swinburne, Melbourne, Úc [30]; Nhóm nghiên cứu thuộc trung tâm nghiên cứu hãng Renault, Carlos Canudas-deWit, Xavier Claeys, J Coudon and Xavier Claeys [31]; Nghiên cứu tác giả Sheikh Muhamad Hafiz [21]  Nghiên cứu cảm giác lái: Nghiên cứu Se Wook Oh [29]; Nghiên cứu F.Bolourchi [32]; Nghiên cứu Ba-Hai Nguyen, Jee-Hwan Ryu [20]; Nghiên cứu Emad Mehdizadeh, Mansour Kabganian, and Reza Kazemi [34]; Các nghiên cứu Andrew Liu Stacey Chang[35]; Nghiên cứu Paul Jih [13] 1.3 Mục tiêu, nội dung phương pháp nghiên cứu luận án 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu chuyển hệ thống lái thơng thường có trợ lực thủy lực sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực xe ô tơ thực 1.4.2 Nội dung nghiên cứu Luận án có 04 chương: - Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu - Chương Xây dựng mơ hình ĐLH mơ hình mơ hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực phần mềm Matlab/Simulink - Chương Thiết kế điều khiển cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực phương pháp điều khiển SMC - Chương Nghiên cứu thực nghiệm ô tô HINO 300Series với hệ thống lái trợ lực thủy lực; Thực nghiệm ô tô với hệ thống lái SBW điện tử thủy lực; Kiểm chứng mơ hình lý thuyết với thực nghiệm 1.4.3 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:  Nghiên cứu lý thuyết: - Xây dựng mơ hình động lực học mơ hình mơ hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực - Xây dựng luật điều khiển cho cấu chấp hành  Nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành xe HINO 300Series để lấy số liệu đầu vào cho mơ hình lý thuyết kiểm chứng mơ hình 1.4 Kết luận chương - Đã phân tích đánh giá cơng trình nghiên cứu có tác giả ngồi nước liên quan mật thiết đến đề tài luận án; Nêu vấn đề tồn tại; Chỉ vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu giải - Đã xác định phương pháp nội dung nghiên cứu LA CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG HT LÁI SBW ĐIỆN TỬ - THỦY LỰC 2.1 Cơ sở lý thuyết Hệ thống lái SBW hệ thống học gồm nhiều bậc tự có liên kết phức tạp, mơ hình động lực học thường gồm có phần tử có khối lượng liên kết Để xây dựng mơ hình tốn LA sử dụng phương trình Lagrange loại 2, nguyên lý Dalambe để chuyển toán động lực học toán tĩnh học cách đưa mơ men qn tính khối lượng, khối lượng qn tính vào hệ Khi phương trình chuyển động thiết lập sở lấy tổng mô men, lực tác dụng lên hệ [7] 2.2 Xây dựng mơ hình ĐLH hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực 2.2.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình Các khâu mơ hình học có khối lượng tập trung đặt trọng tâm; Độ cứng hệ số cản số; Tốc độ chuyển động ô tô không đổi; Tốc độ quay vành lái không đổi; Coi HT thủy lực đoạn nhiệt đẳng nhiệt; Hệ số lưu lượng dòng chảy không đổi; Áp suất đầu bơm thủy lực khơng đổi; HT điện có điện áp nguồn ổn định; Từ thông Stato không đổi; Hệ số mô men sức phản điện động động không đổi Hình 2.4: Mơ hình động lực học hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực Mối quan hệ vật lý, đầu vào, mô hình hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực trình bày Hình 2.5: Hình 2.5: Sơ đồ quan hệ vật lý mơ hình hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực 2.2.2 Hệ thống trợ lực thủy lực Hệ thống trợ lực thủy lực mơ hình hóa Hình 2.6 [36]÷[39] Lực tác dụng lên pít tơng làm pít tơng dịch chuyển tính theo phương trình (2.25): Hình 2.6: Mơ hình ĐLH hệ thống thủy lực (2.25) 𝐹𝐵 = 𝐴𝑝 𝑃𝐿 2.2.3 Động điện chiều Mơ hình phần ứng động điện chiều Hình 2.7 Hình 2.7: Mơ hình phần ứng động điện chiều Phương trình (2.36) động điện sử dụng HT lái: (2.36) 𝐽𝑚 𝜃̈𝑚 (𝑡) + (𝐵𝑚 + 𝐾𝑏 𝐾𝑚 /𝑅)𝜃̇𝑚 (𝑡) = (𝐾𝑚 /𝑅)𝑉(𝑡) − 𝜏𝑙 (𝑡)/𝑖𝑚 2.2.4 Cụm bánh xe dẫn hướng Mơ men cản liên quan đến góc đặt bánh xe với mặt đường, mơ tả Hình 2.8 [34], xác định cơng thức (2.40): Hình 2.8: Mơ hình bánh xe DH với mặt đường 𝑇𝐹_𝐺 = (𝑡𝑝 + 𝑟 𝑡𝑎𝑛𝑣)𝑐𝑜𝑠√𝜆2 + 𝑣 𝐹𝑦𝑓 + 𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜆 𝑠𝑖𝑛𝛿 𝐹𝑧𝑓 (2.40) 2.2.5 Cụm vành lái Mơ hình động lực học vành lái biểu diễn Hình 2.9 Phương trình vi phân chuyển động VL biểu diễn phương trình (2.41) (2.42): Hình 2.9: Mơ hình ĐLH cụm VL 𝜃̇𝑚1 𝜃𝑚1 ) − 𝐾𝑠𝑤 (𝜃𝑠𝑤 − ) 𝑖𝑚1 𝑖𝑚1 + 𝑇𝑠𝑤 − 𝑇𝐹−𝑆𝑊 + 𝑇𝑐1 𝐶𝑠𝑤 𝜃̇𝑚1 𝐾𝑠𝑤 𝜃𝑚1 = −𝐵𝑚1 𝜃̇1 + (𝜃̇𝑠𝑤 − )+ (𝜃𝑠𝑤 − ) 𝑖𝑚1 𝑖𝑚1 𝑖𝑚1 𝑖𝑚1 𝐾𝑑𝑐1 𝑇𝑐1 + 𝑉 −𝑇 − 𝑅1 𝑚1 𝐹−𝐺 𝑖𝑚1 𝐽𝑠𝑤 𝜃̈𝑠𝑤 = −𝐵𝑠𝑤 𝜃̇𝑠𝑤 − 𝐶𝑠𝑤 (𝜃̇𝑠𝑤 − 𝐽𝑚1 𝜃̈𝑚1 (2.41) (2.42) 2.2.6 Bộ chấp hành dẫn hướng Mơ hình động lực học chấp hành dẫn hướng biểu diễn Hình 2.10 [36] Phương trình vi phân chuyển biểu diễn từ phương trình (2.43) ÷ (2.54) Hình 2.10: Mơ hình ĐLH chấp hành DH 𝐶𝑚2 𝜃̇𝑚2 𝐾𝑚2 𝜃𝑚2 ( − 𝜃̇𝑡𝑏 ) − ( − 𝜃𝑡𝑏 ) 𝑖𝑚2 𝑖𝑚2 𝑖𝑚2 𝑖𝑚2 𝐾𝑑𝑐2 𝑇𝑐2 + 𝑉𝑚2 (𝑡)−𝑇𝐹𝑅𝑚2 − 𝑅2 𝑖𝑚2 = −𝐶𝑡𝑏 (𝜃̇𝑡𝑏 − 𝜃̇𝑝 ) − 𝐾𝑡𝑏 (𝜃𝑡𝑏 − 𝜃𝑝 ) + 𝐽𝑚2 𝜃̈𝑚2 = −𝐵𝑚2 𝜃̇𝑚2 − 𝐽𝑡𝑏 𝜃̈𝑡𝑏 𝐶𝑚2 ( 𝜃̇𝑚2 𝑖𝑚2 − 𝜃̇𝑡𝑏 ) + 𝐾𝑚2 ( 𝜃𝑚2 𝑖𝑚2 − 𝜃𝑡𝑏 ) −𝑇𝐹𝑅_𝑡𝑏 +𝑇𝑐2 (2.43) (2.44) 10 1 (𝐶𝑓 + 𝐶𝑟 )𝑦̇ − (𝐿 𝐶 + 𝐿𝑟 𝐶𝑟 )𝜃̇𝑉 − 𝑣𝑥 𝜃̇ 𝑚𝑣𝑥 𝑚𝑣𝑥 𝑓 𝑓 𝐶𝑓 + 𝜃𝐹𝑊−𝑅 𝑚 1 ̈ 𝜃𝑉 = − (𝐿 𝐶 + 𝐿𝑟 𝐶𝑟 )𝜃̇𝑉 − (𝐿 𝐶 − 𝐿𝑟 𝐶𝑟 )𝑦̇ − 𝑣𝑥 𝜃̇𝑉 𝐼𝑧 𝑣𝑥 𝑓 𝑓 𝐼𝑧 𝑣𝑥 𝑓 𝑓 𝐿𝑓 𝐶𝑓 + 𝜃 𝑚 𝐹𝑊−𝑅 𝑦̈ = − (2.58) (2.59) 2.3 Xây dựng sơ đồ khối mô ĐLH HT lái SBW điện tử - TL 2.3.1 Sơ đồ khối mơ ĐLH vành lái Hình 2.12 biểu diễn sơ đồ khối mô ĐLH cụm vành lái xây dựng phần mềm matlab/Simulink Hình 2.12: Mơ ĐLH cụm VL 2.3.2 Sơ đồ khối mô ĐLH chấp hành dẫn hướng Hình 2.13 biểu diễn sơ đồ khối mô ĐLH chấp hành dẫn hướng xây dựng phần mềm matlab/Simulink Hình 2.13: Mơ ĐLH chấp hành DH Kết luận chương - Đã xây dựng mơ hình động lực học cho hệ thống lái SBW điện tử thủy lực, có mơ hình con: Hệ thống trợ lực thủy lực, động điện chiều, cụm bánh xe dẫn hướng, cụm vành lái, chấp hành dẫn hướng, mơ hình đổi hướng chuyển động ô tô - Đã xây dựng sơ đồ khối mô động lực học cụm vành lái chấp hành dẫn phần mềm Matlab/Simulink 2.4 11 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG LÁI SBW ĐIỆN TỬ - THỦY LỰC 3.1 Tổng quan điều khiển trượt SMC  Các bước thiết kế điều khiển trượt bám quỹ đạo: - Bước 1: Biểu diễn quan hệ vào đối tượng phi tuyến: (3.1) 𝑦 (𝑛) = 𝑓(𝑥) + 𝑔(𝑥)𝑢 - Bước 2: Chọn mặt trượt (3.2) 𝜎 = 𝑒 (𝑛−1) + 𝑘1 𝑒 (𝑛−2) + ⋯ + 𝑘𝑛−2 𝑒̇ + 𝑘𝑛−1 𝑒 Trong 𝑘𝑖 chọn cho (3.3) ∆(𝑠) = 𝑠 𝑛−1 + 𝑘1 𝑠 𝑛−2 + ⋯ + 𝑘𝑛−2 𝑠 + 𝑘𝑛−1 - Bước 3: Viết biểu thức điều khiển trượt: (3.4) (𝑛) 𝑢= [−𝑓(𝑥) − d + 𝑦𝑑 + 𝑘1 𝑒 (𝑛−1) + +𝑘𝑛−2 ë + 𝑘𝑛−1 ė 𝑔(𝑥) + 𝐾𝑠𝑖𝑔𝑛(σ) K>0 K lớn σ → nhanh - Bước 4: Thiết kế lọc thông thấp tín hiệu vào để đảm bảo tín hiệu chuẩn 𝑦𝑑 (𝑡) khả vi bị chặn đến bậc n 3.2 Thiết kế điều khiển cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực phương pháp điều khiển SMC 2.1.1 Thiết kế điều khiển chấp hành dẫn hướng  Xây dựng hệ phương trình trạng thái dạng: 𝑥̇ = 𝐴𝑥 + 𝐵𝑢 + 𝑤  Chọn mặt trượt: 𝑠2 = 𝑒̇2 + 𝑘2 𝑒2 (3.59)  Luật điều khiển cần chọn là: 𝑅 𝐶 𝑥 𝑉 = [𝑖𝑚2 𝐽𝑚2 𝜃̈𝑠𝑤 + 𝐵𝑚2 𝑥6 + 𝑚2 ( − 𝑥8 ) + (3.67) 𝑘𝑚2 𝑚2 𝑥5 𝑘𝑑𝑐2 𝑖𝑚2 𝑖𝑚2 ( − 𝑥7 ) + 𝑘2 𝐽𝑚2 (𝑖𝑚2 𝑥2 − 𝑥6 ) + 𝑘2 𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑠2 )] 𝑖𝑚2 𝑖𝑚2 Phương trình (3.67) luật điều khiển cho chấp hành dẫn hướng 2.1.2 Thiết kế điều khiển tạo cảm giác lái  Xây dựng hệ phương trình trạng thái dạng: (3.68) 𝑥̇ = 𝐴𝑥 + 𝐵𝑢 + 𝑤  Chọn mặt trượt: (3.69) 𝑠1 = 𝑒1̇ + 𝑘1 𝑒1  Luật điều khiển cần chọn là: 𝑅 (3.87) 𝑉𝑚1 = 𝑘 [𝐽𝑚1 𝑘1 (𝑖𝑚1 𝑥2 − 𝑥4 ) + 𝑖 ((𝐽𝑠𝑤 + 𝑚1 𝑚1 𝑖𝑚1 𝐽𝑚1 )𝜃̈𝑠𝑤 +𝐵𝑠𝑤 𝑥2 + 𝑖𝑚1 𝐵𝑚1 𝑥4 ) + 𝑘 𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑠)] Phương trình (3.87) luật điều khiển cho cụm vành lái 12 2.3 Mô hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực 2.3.1 Sơ đồ khối mô hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực Hình 3.10 biểu diễn Sơ đồ khối mơ hệ thống lái sử dụng phần mềm Matlab/Simulink Hình 3.10: Sơ đồ khối mô hệ thống lái SBW điện tử - TL 2.3.2 Mô vành lái Kết mơ phỏng: Hình 3.11 biểu diễn góc quay vành lái 𝜃𝑠𝑤 ; Hình 3.12 𝑑 biểu diễn góc quay DCM1 mơ 𝜃𝑚1 mong muốn 𝜃𝑚1 ; Hình 3.13 biểu diễn sai lệch 𝑒1 góc quay trục động DCM1 mong muốn mô phỏng: 𝑒1𝑚𝑎𝑥 = 0.1682 (rad), RMS 𝑒1 = 0.098 (rad); Hình 3.14 biểu diễn điện áp điều khiển cấp cho DCM1: RMS = 5,7225 (V), max = 9,8(V) Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn góc quay vành lái Hình 3.12: Biểu diễn góc quay DCM1 mơ mong muốn Hình 3.13: Sai lệch 𝑒1 góc quay mơ mong muốn 13 Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn điện áp cấp cho động DCM1 2.3.3 Mô chấp hành dẫn hướng Kết mơ phỏng: Hình 3.15 biểu diễn góc quay mơ 𝜃𝑚2 mong 𝑑 muốn 𝜃𝑚2 ; Hình 3.16 biểu diễn sai lệch 𝑒2 : 𝑒2𝑚𝑎𝑥 =0,0273 (rad), RMS𝑒2 = 0,0105 (rad); Hình 3.17 biểu diễn góc quay mơ 𝜃𝐹𝑊 mong muốn 𝑑 𝜃𝐹𝑊 ; Hình 3.18 biểu diễn sai lệch 𝑒3 : 𝑒3𝑚𝑎𝑥 = 0.009 (rad), RMS𝑒3 = 0.0053(rad); Hình 3.19 biểu diễn điệp áp cấp cho DCM2: max = 9,8 (V), RMS = 5,7225 (V); Hình 3.20 biểu diễn trợ lực thủy lực 𝐹𝐵 : lực trợ lực trung bình/ lớn = 401,88/ 807,47 (N); Hình 3.15: Biểu diễn góc quay DCM2 mơ mong muốn Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn sai lệch 𝑒2 Hình 17: Biểu diễn góc quay bánh xe DH mơ mong muốn Hình 3.18: Đồ thị biểu diễn sai lệch 𝑒3 14 Hình 3.19: Đồ thị biểu diễn điện áp cấp DCM2 Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn trợ lực thủy lực 𝐹𝐵 2.3.4 Mô đổi hướng chuyển động ô tơ Hình 3.21 biểu diễn góc quay vành lái; Hình 3.22 biểu diễn dịch chuyển thân xe theo phương ngang mô ba vận tốc 5m/s, 10 m/s, 15 m/s; Hình 3.23 biểu diễn góc quay thân xe mô ba vận tốc 5m/s, 10 m/s, 15 m/s; Hình 3.24 biểu diễn mơ men cản hệ thống lái Hình 3.21: Đồ thị biểu diễn góc quay VL Hình 3.22: Đồ thị dịch chuyển ngang xe Hình 3.23: Đồ thị góc quay thân xe 15 Hình 3.24: Đồ thị biểu diễn mô men cản hệ thống lái Mô vận tốc cực đại Vmax = 30,5 m/s (109 km/h): Hình 3.25: Đồ thị dịch chuyển ngang thân xe Hình 3.26: Đồ thị góc quay thân xe Hình 3.27: Đồ thị biểu diễn mơ men cản hệ thống lái 2.4 Kết luận chương - Đã lựa chọn phương pháp điều khiển SMC nghiên cứu lý thuyết phương pháp để ứng dụng nội dung luận án - Đã xây dựng mơ hình điều khiển cho tồn hệ thống gồm: Mơ hình điều khiển tạo cảm giác lái mơ hình điều khiển chấp hành dẫn hướng - Đã mơ mơ hình nghiên cứu phần mềm Matlab /Simulink cho kết mong muốn: 𝑒1 → 0; 𝑒2 → 0; 𝑒3 → CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục đích phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 4.1.1 Mục đích thực nghiệm  Mục đích thực nghiệm tơ HINO 300Series với hệ thống lái trợ lực thủy lực: Đo đạc, đánh giá thông số xác định tỉ số truyền góc hệ thống lái 16  Mục đích thực nghiệm tơ HINO 300Series với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực: - Đánh giá vận hành ổn định, tin cậy hệ thống lái SBW điện tử thủy lực thiết kế xe HINO 300Series chế độ tĩnh, hoạt động đường giao thông, đánh lái vị trí giới hạn vành lái - Cung cấp số liệu đầu vào cho mơ hình lý thuyết để kiểm nghiệm, mơ hình lý thuyết hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực 4.1.2 Phương pháp thực nghiệm Thực nghiệm trực tiếp ô tô HINO 300Series chế độ tĩnh, hoạt động đường giao thơng nội bộ, đánh lái vị trí giới hạn vành lái 4.2 Nghiên cứu thực nghiệm với hệ thống lái trợ lực thủy lực 4.2.1 Các bước chuẩn bị thực nghiệm  Xe thí nghiệm xe tải nhãn hiệu HINO 300Series  Thiết bị, dụng cụ: Thiết bị đo góc đặt bánh xe dẫn hướng; Dụng cụ đo độ dơ vành lái: 4.2.2 Phương pháp thực Tiến hành thí nghiệm hệ thống lái trợ lực thủy lực: Đo góc vành lái θ, góc quay bánh xe dẫn hướng α, β 4.2.3 Kết thực nghiệm Hình 4.7 biểu diễn góc quay VL góc quay BXDH đánh lái bên phải; Hình 4.8 biều diễn góc quay VL góc quay BXDH đánh lái bên trái 40 Góc quay BX DH (độ) bánh bánh 20 0 90 180 270 360 450 540 630 720 740 Góc quay vành lái (độ) Hình 4.7: Quan hệ góc quay VL góc quay BXDH 40 Góc quay BXDH (độ) bánh bánh ngồi 20 90 180 270 360 450 540 630 660 Góc quay vành lái (độ) Hình 4.8: Quan hệ góc quay VL góc quay BXDH Hình 4.10 biểu diễn quan hệ góc , góc  theo lý thuyết thực nghiệm: Góc quay  (độ) 17 30 thực tế 20 lý thuyết 10 Góc quay  (độ) Hình 4.10: Quan hệ góc , góc  lý thuyết thực nghiệm  Tỉ số truyền góc hệ thống lái theo cơng thức sau: 2. vl ihtl   24.7   4.3 Chuyển đổi hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực 4.3.1 Khảo sát, đo đạc thông số xe ô tơ tải HINO 300Series Q trình khảo sát đo đạc thông số hệ thống lái thực HINO Việt Nam ĐH GTVT 4.3.2 Chuyển đổi cụm vành lái tái tạo cảm giác Hình 4.13 biểu diễn cụm vành lái tạo cảm giác sau chế tạo Hình 4.13: Cụm VL tạo cảm giác 4.3.3 Chuyển đổi cụm chấp hành dẫn hướng Hình 4.15 biểu diễn chấp hành dẫn hướng sau chế tạo Hình 4.15: Bộ chấp hành DH 4.3.4 Tính tốn, kiểm nghiệm thông số làm việc hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực xe ô tô HINO 300Series  Xác định tỷ số truyền góc hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực (4.2) 𝑖𝑡 = 16,33.1,86.24,7 = 750,2  Tính tốn mơ men cản quay bánh xe DH: Tc=2.(9,59+302,97).1,15 = 718,89 (Nm) (4.17)  Kiểm nghiệm thông số động DCM2: Tch= 1,83.30,34.24,7.0,7 = 959,98 (Nm) (4.24) 18 Với Tch ˃ Tc Do mơ men động đáp ứng u cầu 4.3.5 Thiết kế điều khiển cho hệ thống lái Sơ đồ điều khiển hệ thống Hình 4.18 Hình 4.18: Sơ đồ điều khiển hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực 4.4 Thực nghiệm với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực 4.4.1 Các bước chuẩn bị thực nghiệm  Xe Thực nghiệm: Xe tải HINO 300Series lắp HT lái SBW điện tử-TL  Địa điểm thực nghiệm: Trường ĐH Giao thông vận tải  Thiết bị thực nghiệm: Thiết bị định vị GPS phần giải mã xử lý đặt ôtô kết nối với máy tính qua cổng USB 4.4.2 Kết thực nghiệm  Thực nghiệm trạng thái tĩnh: - Trường hợp khơng trợ lực: Hình 4.55 biểu diễn góc quay trục cấu lái 𝑡𝑛 𝜃𝑚2 𝑖𝑚2 tn bám theo góc quay vành lái 𝜃sw ; Hình 4.56 biểu diễn sai lệch 𝑒4 : Sai lệch RMS 𝑒4 = 0,0978 (rad), 𝑒4 𝑚𝑎𝑥 = 0,15 (rad); Hình 4.57 biểu diễn tn điện áp điều khiển DCM2 với giá trị 𝑉m2 max = 10 (V) Hình 4.55: Đồ thị góc quay vành lái góc quay trục cấu lái Hình 4.56: Sai lệch góc quay VL góc quay trục cấu lái 𝑒4 19 𝑡𝑛 Hình 4.57: Đồ thị biểu diễn điện áp điều khiển DCM2 𝑉𝑚2 - Trường hợp có trợ lực: Hình 4.59 biểu diễn góc quay trục cấu lái 𝑡𝑛 𝜃𝑚2 𝑖𝑚2 tn bám theo góc quay VL 𝜃sw ; Hình 4.60 biểu diễn sai lệch 𝑒4 : RMS 𝑒4 = 0,1 (rad), 𝑒4 𝑚𝑎𝑥 = 0,17 (rad); Hình 4.61 biểu diễn điện áp điều khiển tn DCM2 𝑉m2 max = (V) Hình 4.59: Góc quay vành lái góc quay trục cấu lái Hình 4.60: Sai lệch góc quay VL góc quay trục vào cấu lái 𝑒4 𝑡𝑛 Hình 4.61: Đồ thị biểu diễn điện áp cấp cho DCM2 𝑉𝑚2  Thực nghiệm đường giao thơng: 𝜃𝑡𝑛 Hình 4.62 biểu diễn góc quay trục cấu lái 𝑖 𝑚2 bám theo góc quay 𝑚2 tn vành lái 𝜃sw ; Hình 4.63 biểu diễn sai lệch 𝑒4 : RMS 𝑒4 = 0,0184 (rad), 20 𝑒4 𝑚𝑎𝑥 = 0,1189 (rad); Hình 4.64 biểu diễn điện áp điều khiển động tn DCM2 𝑉m2 max = (V) Hình 4.62: Đồ thị góc quay VL góc quay trục vào cấu lái Hình 4.63: Đồ thị sai lệch góc quay VL góc quay trục vào cấu lái 𝑒4 Hình 4.64: Đồ thị biểu diễn điện áp cấp cho động DCM2 𝑉𝑚2  Thực nghiệm quỹ đạo chuyển động tơ: Hình 4.65 biểu diễn quỹ đạo chuyển động xe; Hình 4.66 biểu diễn quỹ đạo quay vịng với bán kính quay vịng nhỏ nhất: Hình 4.65: Quỹ đạo chuyển động với HT lái SBW điện tử - thủy lực Hình 4.66: Quỹ đạo quay vịng với bán kính quay vịng nhỏ 21 4.5 Kiểm chứng mơ hình lý thuyết với thực nghiệm  Trường hợp hệ thống lái khơng trợ lực: tn Hình 4.67 biểu diễn góc đánh lái thực nghiệm 𝜃sw ; Hình 4.68 biểu diễn góc quay trục cấu lái mơ lý thuyết 𝑡𝑛 𝜃𝑚2 cấu lái thực nghiệm 𝑖 𝑚2 𝑙𝑡 𝜃𝑚2 𝑖𝑚2 góc quay trục ; Hình 4.69 biểu diễn sai lệch 𝑒5 : Sai lệch bình phương trung bình RMS = 0,0978 (rad), sai lệch lớn = 0,15 (rad) Hình 4.67: Đồ thị biểu diễn góc quay VL thực nghiệm Hình 4.68: Đồ thị góc quay trục cấu lái lý thuyết thực nghiệm Hình 4.69: Đồ thị sai lệch góc quay trục cấu lái lý thuyết thực nghiệm 𝑒5  Trường hợp hệ thống lái có trợ lực: Hình 4.71 biểu diễn góc quay trục cấu lái mơ lý thuyết 𝑙𝑡 𝜃𝑚2 𝑖𝑚2 góc quay trục cấu lái thực nghiệm 𝑡𝑛 𝜃𝑚2 𝑖𝑚2 ; Hình 4.72 biểu diễn sai lệch 𝑒5 : Sai lệch bình phương trung bình RMS = 0,0338 (rad), sai lệch lớn = 0,157 (rad) 22 Hình 4.71: Đồ thị góc quay trục cấu lái lý thuyết thực nghiệm Hình 4.72: Sai lệch góc quay trục cấu lái thuyết thực nghiệm 𝑒5 4.6 Kết luận chương - Đã chuyển đổi thành công hệ thống lái trợ lực thủy lực ô tô tải Hino 300Series thành hệ thống lái SBW điện tử- thủy lực Hệ thống lái làm việc ổn định chế độ tĩnh, chuyển động với vận tốc 5÷ 10 km/h đường giao thơng, quay vịng với bán kính nhỏ - Kết thực nghiệm cho thấy hệ thống lái làm việc ổn định, tin trạng thái tĩnh không trợ lực có trợ lực thủy lực, hoạt động ổn định đường giao thơng, quay vịng với bán kính nhỏ thể sai lệch 𝑒4 nhỏ → Sai lệch mơ hình lý thuyết thực nghiệm 𝑒5 nhỏ → cho thấy mơ hình lý thuyết tin cậy xác KẾT LUẬN CHUNG - Luận án TS với đề tài “Nghiên cứu hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực” cơng trình khoa học phù hợp với xu hướng phát triển ngành cơng nghiệp tơ, có tính cấp thiết bao gồm nội dung: Nghiên cứu tổng quan hệ thống lái SBW; Xây dựng mô hình động lực học hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực ô tô tải HINO 300Series; Xây dựng mơ hình mơ tương ứng với mơ hình động lực học; Lựa chọn phương pháp điều khiển xây dựng thuật tốn điều khiển phù hợp với mơ hình động lực học xây dựng; Nghiên cứu thực nghiệm lấy thơng số đầu vào cho mơ hình mơ kiểm chứng tính đắn mơ hình lý thuyết - Mơ hình động lực học bao gồm mơ hình phần tử khí, điện, thủy lực xây dựng thành cụm riêng rẽ Mơ hình mơ 23 sử dụng phần mềm Matlab/Simulik với thông số đầu vào lấy từ kết thực nghiệm tài liệu tham khảo - Đã chuyển đổi thành công hệ thống lái trợ lực thủy lực ô tô tải Hino 300Series thành hệ thống lái SBW điện tử- thủy lực Hệ thống lái làm việc ổn định chế độ tĩnh, chuyển động với vận tốc 5÷ 10 km/h đường giao thơng, quay vịng với bán kính nhỏ  Đóng góp luận án: - Lần Việt Nam nghiên cứu chuyển đổi thành công hệ thống lái trợ lực thủy lực ô tô tải sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực Hệ thống lắp xe hoạt động ổn định, tin cậy chế độ khai thác thực tế: Đánh lái chỗ (có trợ lực thủy lực khơng có trợ lực thủy lực), chuyển động đường giao thơng với vận tốc ÷ 10 km/h - Đã nghiên cứu tạo cảm giác lái cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực cách đầy đủ bao gồm: Tạo mô men cảm giác lái theo tốc độ chuyển động tải trọng thực xe; Giới hạn vành lái đánh hết lái hai phía điện; Tự động trả vành lái vị trí ứng với tơ chuyển động thẳng - Các sản phầm LA mơ hình lý thuyết, phần mềm, thiết bị điện tử.v.v.có thể phục vụ cho nghiên cứu hệ thống NHỮNG KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO  Kiến nghị: Ơ tơ HINO 300Series sau chuyển đổi hệ thống lái hoạt động tốc độ thấp, tải trọng nhỏ đường giao thông nội Kiến nghị cho phép thử xe bãi thử với tốc độ tải trọng cao theo quy chuẩn  Hướng nghiên cứu tiếp theo: - Nghiên cứu đưa bơm thủy lực trợ lực lái dẫn động động điện điều khiển điều khiển hệ thống lái SBW điện tử thủy lực - Đưa hệ thống tự chẩn đoán hệ thống lái vào hệ thống chẩn đoán chung xe - Nghiên cứu phương án an tồn dự phịng trường hợp hệ thống lái xảy cố điện - Nghiên cứu tự động thay đổi tỷ số truyền hệ thống lái theo điều kiện khai thác thực tế mơ theo hệ thống lái tích cực DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Trần Văn Lợi, Nguyễn Văn Bang, Trần Văn Như, Nguyễn Xuân Tuấn (2016), “Mô chuyển ô tô sử dụng hệ thống lái Steer by wire”, Tạp chí khoa học & công nghệ số 33, tháng 4/2016 Nguyễn Xuân Tuấn, Nguyễn Văn Bang, Trần Văn Như, Đinh Thị Thanh Huyền (2016), “Thiết kế điều khiển lái cho hệ thống lái không trụ lái (Steer by wire) điện tử - thủy lực”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam số đặc biệt, tháng 9/2016 Nguyễn Xuân Tuấn, Nguyễn Văn Bang, Trần Văn Như, Lê Văn Anh, Chu Đức Hùng (2017), “Xây dựng mơ hình hệ thống lái Steer by wire điện tử - thủy lực” , Tạp chí khoa học & công nghệ số 38, tháng 2/2017 Nguyễn Xuân Tuấn, Nguyễn Văn Bang, Trần Văn Như, Nguyễn Thế Anh (2018), “Ứng dụng Matlab/Simulink mơ hình hóa mơ động lực học hệ thống thủy lực trợ lực lái tơ”, Tạp chí khoa học & cơng nghệ số 47, tháng 8/2018 N X Tuan, H T Dinh, and N V Bang (2019), “Research on Dynamic Modelling for Hydraulic Power Automotive Steering Systems with Nonlinear Friction” Springer Nat Lect Notes Netw Syst 104 Pp620-627, p (Scopus Q4), ISSN:2367-3370, E-ISSN: 2367-3389, Dec 2019 ... Hướng nghiên cứu tiếp theo: - Nghiên cứu đưa bơm thủy lực trợ lực lái dẫn động động điện điều khiển điều khiển hệ thống lái SBW điện tử thủy lực - Đưa hệ thống tự chẩn đoán hệ thống lái vào hệ thống. .. nghiên cứu: - Hệ thống lái trợ lực thủy lực ô tô tải HINO 300Series - Nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm để chuyển đổi hệ thống lái có trợ lực thủy lực ô tải HINO 300Series sang hệ thống. .. lực thủy lực ô tô HINO 300Series thành hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực - Đã xây dựng mơ hình động lực học mơ hình mơ hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực phù hợp với đối tượng nghiên cứu,