Nếu mục tiêu của hệ thống ESC là chỉ theo dõi một vận tốc lệch mong muốn, thì hệ thống sẽ dễ thực hiện hơn. Nếu cần điều khiển cả vận tốc lệch hướng và góc trượt đến các giá trị mong muốn, thì cần phải có một công cụ ước lượng chính xác và hệ thống ESC phức tạp hơn để thực hiện. Điều này là do góc trượt không thể dễ dàng đo được và cần phải được ước tính.
Các nghiên cứu mô phỏng trong Rajesh Rajamani 2012 [11] cho thấy lợi ích của việc kiểm soát cả góc trượt và vận tốc lệch hướng, trái ngược với việc chỉ kiểm soát vận tốc lệch hướng.
Cụ thể khi góc trượt không được kiểm soát. Giá trị của 𝜉 trong (4.72) được giả định là 0, hệ số bám đường-lốp là 0,6. Khi đó, xe có vận tốc lệch hướng nhỏ hơn mong muốn. Điều này chứng tỏ, mặc dù có ESC vận tốc lệch hướng nhưng vận tốc lệch vẫn không thể đạt như mong muốn. Cũng trong mô phỏng này, góc trượt của xe liên tục tăng và đạt giá trị xấp xỉ -14 độ. Với giá trị góc trượt cao này, người lái có thể cảm thấy xe bị trượt và mất kiểm soát.
Các mô phỏng tiếp theo của Rajesh Rajamani 2012 [11], cũng cho thấy sự khác biệt khi sử dụng hai bộ điều kiển:
Bộ điều khiển 1, được phát triển bằng cách sử dụng một mặt trượt được xác định bởi
𝑠 = 𝜓̇ − 𝜓̇𝑡𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡 + 𝜉𝛽 (4.71) và bộ điều khiển 2, được phát triển bằng cách sử dụng một bề mặt trượt được xác định bởi
𝑠 = 𝜓̇ − 𝜓̇𝑡𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡 + 𝜉(𝛽 − 𝛽𝑡𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡) (4.72) Hai bộ điều khiển này cho thấy rằng vận tốc lệch mong muốn và góc trượt mong muốn đều có thể đạt được đồng thời khi hệ số bám cao. Tuy nhiên, với hệ số bám thấp hơn (chẳng hạn 0,8) thì kết quả mô phỏng cho thấy xe không đạt được quỹ đạo mong muốn và vận tốc lệch mong muốn với bộ điều khiển 1. Ngược lại, xe có thể đi theo quỹ đạo mong muốn khi bộ điều khiển 2 được sử dụng. Trong trường hợp này, góc trượt chỉ lớn hơn một chút so với góc trượt mong muốn.
52
TỔNG KẾT CHƯƠNG 4:
ESP hoạt động phối hợp với 3 hệ thống ABS, TCS, EBD để giúp chiếc xe kiểm soát được lực phanh, lực kéo trên từng bánh xe ứng với mọi tải trọng, góc lái và điều kiện mặt đường. Đồng thời ngăn cản hai hiện tượng thiếu lái và thừa lái.
Không những thế, ESP còn làm được nhiều hơn cho chiếc xe với những chức năng như: chống “tuột” dốc, trợ giúp phanh khẩn cấp, ngăn lật xe, giám sát áp suất lốp, v.v …
Tiếp theo, chương này xem xét ba loại hệ thống ESP: hệ thống dựa trên phanh vi sai, hệ thống lái điện tử và hệ thống kiểm soát mô-men xoắn truyền động độc lập.
-Hệ thống phanh vi sai với cấu trúc điều khiển phân cấp trong đó bộ điều khiển phía trên xác định mô-men lệch mong muốn và bộ điều khiển phía dưới cung cấp mô-men lệch mong muốn đã được trình bày. Đầu vào góc lái của người lái cùng với thước đo điều kiện bám giữa lốp và đường được sử dụng để xác định vận tốc lệch mong muốn và góc trượt mong muốn cho xe. Một hệ thống điều khiển dựa trên bề mặt trượt được thiết kế để đảm bảo vận tốc lệch hướng và góc trượt như mong muốn.
-Một thiết kế của hệ thống lái điện tử để kiểm soát độ ổn định lệch hướng đã được trình bày dựa trên công trình của Ackerman (1997) [14]. Góc đánh lái của bánh trước được xác định là tổng đầu vào của người lái xe và một tín hiệu điều khiển lái điện tử bổ sung. Tín hiệu điều khiển điện tử được thiết kế để làm cho vận tốc lệch hướng của xe không can thiệp vào gia tốc ngang của xe. Điều này đảm bảo rằng người lái xe có thể tập trung vào nhiệm vụ “đi theo đường dẫn” trong khi bộ điều khiển lái điện tử bù cho những nhiễu động ảnh hưởng đến độ lệch hướng của xe.
-Việc thiết kế một hệ thống điều khiển mô-men xoắn dẫn động độc lập đã được thảo luận. Một bộ vi sai truyền mô-men xoắn ly hợp kép cùng với bộ vi sai trung tâm có thể được sử dụng để kiểm soát tỷ lệ mô-men truyền động được cung cấp cho 4 bánh. Điều này có thể được sử dụng như một cơ chế điều khiển để kiểm soát độ ổn định lệch. So với hệ thống dựa trên phanh vi sai, việc sử dụng hệ thống kiểm soát mô-men xoắn dẫn động sẽ đảm bảo rằng xe không bị giảm gia tốc dọc khi tăng tốc.
53
Chương 5. MÔ HÌNH HÓA ESP VỚI PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK
Như đã trình bày trong chương 4: phanh vi sai, hệ thống lái điện tử và phân bổ mô-men xoắn dẫn động độc lập là ba loại hệ thống cân bằng điện tử, trong đó phanh vi sai là hệ thống khá phức tạp. Do đó, chương này sẽ tập trung thiết lập và mô hình hóa một hệ thống cân bằng điện tử dựa trên hệ thống phanh này. Các kết quả thu được cho cái nhìn trực quan nhất về các lợi ích và bất lợi mà phanh vi sai mang lại.
5.1. THIẾT LẬP SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN
Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng trong Matlab/Simulink
Tín hiệu phanh Áp suất phanh
Bộ điều khiển ESP
Cơ cấu
chấp hành Xe
Môi trường
Cảm biến: góc lái, tốc độ bánh xe, vận tốc lệch, góc trượt ngang, …
54 Tóm tắt bài mô phỏng ESP bằng Matlab/Simulink:
- Tạo vận tốc dọc và góc đánh lái ban đầu mong muốn trong Khối tạo vận tốc và góc lái mong muốn (Reference Steering and Speed Generator), ở đây ta chọn vận tốc ban đầu là 50 km/h, góc đánh lái (góc vô lăng) ta chọn là 0 rad trong 20s đầu, sau giây số 20s là pi.
- Tại Khối môi trường (Environment) ta chọn hệ số bám mặt đường tương ứng là 0,9 và 0,4.
- Việc đầu tiên trong điều khiển là phải biết được người lái xe đang đánh lái như thế nào? Về phía nào? Trái hay phải? Xe đang trong tình trạng bị thiếu lái hay thừa lái? Thông qua góc đáng lái và việc so sánh các góc trượt ở lốp trướt 𝛼𝑓 và lốp sau 𝛼𝑟. Từ đó ta tính lực phanh cần tác dụng đến bánh xe phù hợp để tạo momen đưa xe đi đúng ý định của người lái.
55
Thiết lập Khối điều khiển ESP
Hình 5.4. Bên trong khối điều khiển ESP
Thiết lập Khối tạo góc lái của bánh xe
Hình 5.5. Khối tạo góc lái của bánh xe
Hình 5.6. Bên trong Khối tạo góc lái của bánh xe
Thiết lập Khối vận tốc lệch hướng mong muốn
Công thức vận tốc lệch hướng mong muốn:
𝜓̇𝑑𝑒𝑠 = 𝑥̇ 𝑅 = 𝑥̇ ℓ𝑓 + ℓ𝑟 + 𝑚𝑥̇ 2(ℓ𝑟𝐶𝛼𝑟 − ℓ𝑓𝐶𝛼𝑓) 2𝐶𝛼𝑓𝐶𝛼𝑟𝐿 𝛿
56
Hình 5.7. Khối tính vận tốc lệch hướng mong muốn
Hình 5.8. Bên trong Khối tính vận tốc lệch hướng mong muốn
Thiết lập Khối góc trượt ở lốp trước
Công thức tính góc trượt ở lốp trước:
𝛼𝑓 = 𝛿 −𝑦̇ + ℓ𝑓𝜓̇ 𝑥̇
Hình 5.9. Khối tính góc trượt ở lốp trước
57
Hình 5.10. Bên trong Khối tính góc trượt ở lốp trước
Thiết lập Khối góc trượt ở lốp sau
Công thức tính góc trượt ở lốp sau:
𝛼𝑟 = −𝑦̇ − ℓ𝑟𝜓̇ 𝑥̇
Hình 5.11. Khối tính góc trượt ở lốp sau
58
Thiết lập Khối tạo tín hiệu phanh
Hình 5.13.Khối tạo tín hiệu phanh
Code hàm Matlab Funtion:
function brk_cmd = fcn(alpha_f,alpha_r,delta)
if delta > 0 %% rẽ phải
if alpha_f > (alpha_r + 1*pi/180) %% thiếu lái (sai số 1 độ) brk_cmd = [0 0 0 1]; %% phanh bánh sau phải elseif alpha_f < (alpha_r - 1*pi/180) %% thừa lái (sai số 1 độ) brk_cmd = [1 0 0 0]; %% phanh bánh trước trái else %% đủ lái
brk_cmd = [0 0 0 0]; %% không phanh end
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% elseif delta < 0 %% rẽ trái
if alpha_f > (alpha_r + 1*pi/180) %% thiếu lái (sai số 1 độ) brk_cmd = [0 0 1 0]; %% phanh bánh sau trái elseif alpha_f < (alpha_r - 1*pi/180) %% thừa lái (sai số 1 độ) brk_cmd = [0 1 0 0]; %% phanh bánh trước phải else %% đủ lái brk_cmd = [0 0 0 0]; %% không phanh end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% else %% không rẽ brk_cmd = [0 0 0 0]; end
Thiết lập Khối tạo áp suất phanh
59
Hình 5.15. Bên trong Khối tạo áp suất phanh
Công thức tính Mô-men lệch mong muốn (chọn 𝜂 = 100, 𝜉 = 0 do ta chỉ kiểm soát độ ổn định theo vận tốc lệch): 𝜌 + cos(𝛿) 𝐼𝑧 𝑀𝜓𝑏 = [− ℓ𝑓 𝐼𝑧 (𝐹𝑦𝑓ℓ + 𝐹𝑦𝑓𝑟) cos(𝛿) + ℓ𝑟 𝐼𝑧 (𝐹𝑦𝑟ℓ + 𝐹𝑦𝑟𝑟) −𝜂𝑠 + 𝜓̈target − 𝜉(𝛽̇ − 𝛽̇target) ] 𝐹𝑏 = Δ𝐹𝑥𝑓 = 2𝑀𝜓𝑏 ℓ𝑤
Từ bán kính bánh xe 𝑟𝑤, ta tính momen phanh bánh xe.
Từ khối Combined Slip Wheel 2DOF trong Simulink ta biết được mối quan hệ giữa áp suất phanh và momen phanh là: 8.106 Pa tương ứng với 1112,12 Nm.
60
Thiết lập Khối phanh ABS
Hình 5.16.Khối phanh ABS
Hình 5.17. Bên trong Khối phanh ABS
Khối sẽ hạn chế tối đa việc hệ số trượt bánh xe tăng quá nhanh, cố gắng duy trì ở mức 0,25 khi phanh.
61
5.2. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
5.2.1. Trường hợp 1: Xe chuyển động trên đường trơn trượt, với mu = 0,4 vận tốc 50 km/h, góc đánh lái là π rad (180 độ) từ giây số 20 50 km/h, góc đánh lái là π rad (180 độ) từ giây số 20
Hình 5.19 cho thấy, ESP có tác động vào xe làm thay đổi góc trượt bánh xe, nhưng không nhiều so với Hình 5.18.
So sánh 2 đồ thị: Hình 5.20 và Hình 5.21. Ở mu thấp, ESP có tác động nhưng không mạnh lên xe để đưa vận tốc lệch gần về vận tốc lệch mong muốn. Tại giây số 33, ESP đã giảm độ chênh lệch giữ vận tốc lệch (thực tế) và vận tốc lệch mong muốn từ 0,053 về 0,045 (rad/s).
Ta nhận thấy rằng với Hình 5.23, ESP đã có sự can thiệp giúp cho bán kính quay vòng nhỏ hơn (60 m < 75 m so với khi ESP không can thiệp Hình 5.22).
62
Hình 5.18. Góc trượt ở bánh trước (đường màu đỏ) và bánh sau (đường màu xanh lá) của xe không có ESP (mu = 0,4)
Hình 5.19. Góc trượt ở bánh trước (đường màu đỏ) và bánh sau (đường màu xanh lá) của xe có ESP (mu = 0,4)
63
Hình 5.20. Vận tốc lệch (đường màu đỏ) và vận tốc lệch mong muốn (đường màu xanh dương) của xe khi không có ESP (mu = 0,4)
Hình 5.21. Vận tốc lệch (đường màu đỏ) và vận tốc lệch mong muốn (đường màu xanh dương) của xe khi có ESP (mu = 0,4)
64
Hình 5.22. Quỹ đạo của xe khi không có ESP (mu = 0,4)
65
Hình 5.24. Quỹ đạo (phóng to) của xe khi không có ESP (mu = 0,4)
66
5.2.2. Trường hợp 2: Xe chuyển động trên đường tốt, với mu = 0,9 vận tốc 50 km/h, góc đánh lái là π rad (180 độ) từ giây số 20 góc đánh lái là π rad (180 độ) từ giây số 20
Với đồ thị có ESP (Hình 5.27), độ chênh lệch giữa góc trượt ở bánh trước và bánh sau được duy trì ở 0,064 rad, so với 0,104 rad của đồ thị không có ESP (Hình 5.26) tại giây số 33. Tức ESP đã góp phần giảm tình trạng thiếu lái của xe.
So sánh 2 đồ thị: Hình 5.28 và Hình 5.29, ESP đã tác động đáng kể lên xe để đưa vận tốc lệch về gần với vận tốc lệch mong muốn, độ lệch lúc này chỉ 0.028 rad/s so với 0.145 rad/s khi không ESP tại giây số 33.
Có thể thấy ở mu cao, ESP có tác động mạnh lên xe để đưa vận tốc lệch gần về vận tốc lệch mong muốn, và duy trì ở mức an toàn.
Nhờ vào hệ thống ESP, so sánh 2 đồ thị: Hình 5.30 và Hình 5.31 ta thấy bán kính quay vòng của xe có ESP nhỏ hơn (chỉ khoảng 30m so với 45m của xe không ESP). Đồng thời quãng đường đi xe có ESP cũng nhiều hơn.
67
Hình 5.26. Góc trượt ở bánh trước (đường màu đỏ) và bánh sau (đường màu xanh lá) của xe không có ESP (mu = 0,9)
Hình 5.27. Góc trượt ở bánh trước (đường màu đỏ) và bánh sau (đường màu xanh lá) của xe có ESP (mu = 0,9)
68
Hình 5.28. Vận tốc lệch (đường màu đỏ) và vận tốc lệch mong muốn (đường màu xanh dương) của xe khi không có ESP (mu = 0,9)
Hình 5.29. Vận tốc lệch (đường màu đỏ) và vận tốc lệch mong muốn (đường màu xanh dương) của xe khi có ESP (mu = 0,9)
69
Hình 5.30. Quỹ đạo của xe khi không có ESP (mu = 0,9)
70
Hình 5.32. Quỹ đạo (phóng to) của xe khi không có ESP (mu = 0,9)
71
TỔNG KẾT CHƯƠNG 5:
Chương 5 sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để phân tích và mô phỏng cấu trúc điều khiển của hệ thống cân bằng điện tử ESP dựa trên phanh vi sai. Quá trình mô phỏng hoàn thành các nội dung sau:
-Xây dựng được mô hình mô phỏng
-Xác định các giá trị, thông số của mô hình mô phỏng.
-Dựa vào phanh vi sai, ESP can thiệp giúp cải thiện vận tốc lệch hướng xe và duy trì sự chênh lệch giữa góc trượt lốp trước-sau ở ngưỡng giá trị mong muốn.
-Nếu bộ điều khiển chỉ kiểm soát vận tốc lệch hướng mà không kiểm soát góc trượt thì ở trên đường có hệ số bám thấp hơn, vận tốc lệch hướng có thể chưa đạt được giá trị mong muốn.
72
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 6.1. KẾT LUẬN
Sau khoảng thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu động lực học và điều khiển hệ thống cân bằng điện tử ô tô” cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy Dương Tuấn Tùng. Nhóm chúng em đã đạt được các kết quả sau:
Đề tài giúp chúng em khắc sâu hơn các kiến thức đã học trong môn học Lý thuyết động lực học ô tô. Giúp chúng em làm quen và học tập trong môi trường lập trình Matlab/Simulink.
Đồng thời đề tài còn giúp chúng em có cái nhìn tổng quát nhất về về hệ thống cân bằng điện tử trên ô tô. Biết phân tích động lực học và điều khiển hệ thống. Qua đó hiểu được khả năng tuyệt vời mà hệ thống này mang lại.
Nâng cao khả năng làm việc nhóm, suy nghĩ và giải quyết vấn đề.
Tất cả các kết quả trên là bài học và kinh nghiệm quý báu cho nhóm chúng em. Hy vọng nó sẽ giúp kiến thức cho chúng em sau này.
6.2. ĐỀ NGHỊ
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em đã nỗ lực rất nhiều nhưng do lượng kiến thức và khả năng đọc hiểu tài liệu còn hạn hẹp, vì thế sẽ không tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được những ý kiến/đóng góp quý giá của thầy (cô) và các bạn đọc để đề tài ngày càng hoàn thiện.
Nhóm chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu và mô phỏng hệ thống cân bằng điện tử ESP dựa trên phanh vi sai. Chưa phát triển thêm với hệ thống lái điện tử và hệ thống phân phối mô-men xoắn chủ động độc lập. Các mô phỏng mang tính thực nghiệm, có thể chưa phù hợp với thực tế.
Từ các kết quả đạt được và những hạn chế, nhóm rất mong trong tương lai, việc nghiên cứu và mô phỏng hai hệ thống còn lại được thực hiện và áp dụng chúng trên một hãng xe thực tế.
73
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tingvall, C. et al (2003) The effectiveness of ESP (Electronic Stability Program) in reducing real-life accidents. ESV Paper 261, 18th ESV Conference, Nagoya , 2003
[2] Aga, M. and Okada, A. (2003) Analysis of Vehicle Stability Control (VSC)'s effectiveness from crash data. ESV Paper 541, 18th ESV Conference, Nagoya , 2003
[3] Breuer, J. (2002) ESP safety benefits Daimler Chrysler press presentation, Sindelfingen, 2002
[4] danhgiaXe, Hệ thống cân bằng điện tử ESP, 03/12/2016 (https://www.danhgiaxe.com)
[5] logos-world, MATLAB Logo, April 18, 2021 (https://logos-world.net)
[6] Wikipedia, File:Simulink Logo (non-wordmark).png, 15 November 2020 (https://en.wikipedia.org)
[7] GVC. MSc. Đặng Quý, Giáo trình “Lý thuyết ô tô (Ô tô 1)”, 09/2010
[8] Honda Phát Tiến,ABS là gì? Nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS trên Ô tô,
25/02/2020 (https://hondaotophattien.com.vn)
[9] Tác dụng của hệ thống chống trượt TCS trên ô tô, 09/12/2016 (https://autobikes.vn)
[10] Hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD trên xe ô tô, 02/01/2019
(https://oto.com.vn/kham-pha)
[11] R. Rajamani, Vehicle Dynamics and Control, Mechanical Engineering Series, DOI 10.1007/978-1-4614-1433-9_8, © Rajesh Rajamani 2012
[12] Dugoff, H., Fancher, P.S. and Segal, L., "Tyre Performance Charecteristics
Affecting Vehicle Response to Steering and Braking Control Inputs," Final Report,
Contract CST-460, Office of Vehicle Systems Research, US National Bureau of Standards, 1969.
[13] Ackermann, J., "Robust Decoupling, Ideal Steering Dynamics and Yaw Stabilization
of 4WS Cars," Automatics, Vol. 30, No. 11, pp. 1761-1768, 1994.
[14] Ackermann, "Robust Control Prevents Car Skidding," 1996 Bode Lecture Prize Article, IEEE Control Systems Magazine, pp. 23-31, June 1997.
[15] https://www.researchgate.net/figure/Components-of-SbW-system- 1_fig1_224115761
74
[16] Drakunov, S.V., Ashrafi, B. and Rosiglioni, A., “Yaw Control Algorithm via Sliding
Mode Control,” Proceedings of the American Control Conference, pp. 580 - 583, June
2000.
[17] Uematsu, K. and Gerdes, J.C., “A Comparison of Several Sliding Surfaces for
Stability Control,” Proceedings of the International Symposium on Advanced Vehicle
Control (AVEC), 2002.
[18] Yi, K., Chung, T., Kim, J. and Yi, S., “An Investigation into Differential Braking
Strategies for Vehicle Stability Control,” Proceedings of the Institution of Mechanical
Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol. 217, pp. 1081-1093, 2003.