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 mơ 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 vơ 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? Thơng 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 mong muốn
Hình 5.8. Bên trong Khối tính vận tốc lệch hướng mong muốn
Thiết lập Khối góc trượt ở lốp trước
Cơng thức tính góc trượt ở lốp trước:
𝛼𝑓 = 𝛿 −𝑦̇ + ℓ𝑓𝜓̇ 𝑥̇
Hình 5.9. Khối tính góc trượt ở lốp trước trước
57
Hình 5.10. Bên trong Khối tính góc trượt ở lốp trước
Thiết lập Khối góc trượt ở lốp sau
Cơng 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
Cơng thức tính Mơ-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 khơng 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 khơng 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 vịng nhỏ hơn (60 m < 75 m so với khi ESP khơng 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 khơng 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 khơng 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 khơng có ESP (mu = 0,4)
65
Hình 5.24. Quỹ đạo (phóng to) của xe khi khơng 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 khơng 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 khơng 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 tồn.
Nhờ vào hệ thống ESP, so sánh 2 đồ thị: Hình 5.30 và Hình 5.31 ta thấy bán kính quay vịng 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 khơng 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 khơng 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 khơng có ESP (mu = 0,9)
70
Hình 5.32. Quỹ đạo (phóng to) của xe khi khơng có ESP (mu = 0,9)
71
TỔNG KẾT CHƯƠNG 5:
Chương 5 sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để phân tích và mơ phỏng cấu trúc điều khiển của hệ thống cân bằng điện tử ESP dựa trên phanh vi sai. Quá trình mơ phỏng hồn thành các nội dung sau:
-Xây dựng được mơ hình mơ phỏng
-Xác định các giá trị, thơng số của mơ hình mơ 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 sốt vận tốc lệch hướng mà khơng kiểm sốt 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 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 ơ tơ” 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 mơi trường lập trình Matlab/Simulink.
Đồng thời đề tài cịn giúp chúng em có cái nhìn tổng qt nhất về về hệ thống cân bằng điện tử trên ơ tơ. 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 cịn hạn hẹp, vì thế sẽ khơng tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được những ý kiến/đóng góp q giá của thầy (cơ) và các bạn đọc để đề tài ngày càng hồn 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 mơ 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 mơ phỏng hai hệ thống cịn 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 ơ tơ (Ơ tơ 1)”, 09/2010
[8] Honda Phát Tiến,ABS là gì? Nguyên lý hoạt động của hệ thống ABS trên Ơ tơ,
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.
[19] Yoshioka, T., Adachi, T., Butsuen, T., Okazaki, H. and Mochizuki, H., “Application
of Sliding Mode Control to Control Vehicle Stability,” Proceedings of the International
Symposium on Advanced Vehicle Control (AVEC), pp. 455-459, 1998.
[20] Slotine, J.J.E. and Li, W., Applied Nonlinear Control, Prentice Hall, 1991.
[21] Gillespie, T.D., Fundamentals of Vehicle Dynamics, SAE, ISBN 1-56091-199-9, 1992.
[22] Tseng, H.E., Ashrafi, B., Madau, D., Brown, T.A. and Recker, D., “The
Development of Vehicle Stability Control at Ford,” IEEE/ASME Transactions on
Mechatronics, Vol. 4, No. 3, pp. 223-234, September, 1999.
[23] Van Zanten, A. T., Erhardt, R., Pfaff, G., Kost, F., Uwe, H. and Ehret, T., “Control
Aspects of the Bosch-VDC,” Proceedings of the International Symposium on Advanced
Vehicle Control, Vol. 1, pp. 573-608, 1996.
[24] Fukada, Y., “Slip Angle Estimation for Vehicle Stability Control,” Vehicle System Dynamics, Vol. 32, pp. 375-388, 1999.
[25] Ghoneim, Y.A., Lin, W.C., Sidlosky, D.M., Chen, H.H., Chin, Y.K. and Tedrake, M.J., “Integrated Chassis Control System to Enhance Vehicle Stability,” International Journal of Vehicle Design, Vol. 23, No. 1/2, pp. 124-144, 2000.
[26] Piyabongkarn, D., Rajamani, R., Grogg, J.A. and Lew, J.Y., “Development and
Experimental Evaluation of a Slip Angle Estimator for Vehicle Stability Control,” IEEE
Transactions on Control Systems Technology, Vol. 17, No. 1, pp. 78-88, January 2009.
[27] Daily, R. and Bevly, D.M., “The Use of GPS for Vehicle Stability Control Systems,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 51, No. 2, April 2004.
75
[28] Bevly, D.M., Sheridan, R. and Gerdes, J.C., “Integrating INS Sensors with GPS
Velocity Measurements for Continuous Estimation of Vehicle Sideslip and Cornering Stiffness,” Proceedings of the American Control Conference, Vol. 1, pp. 25-30, 2001.
[29] Sawase, K. and Sano, Y., “Application of Active Yaw Control to Vehicle Dynamics
by Utilizing Driving/ Braking Force”, JSAE Review, Vol. 20, pp. 289-295, 1999.
[30] Osborn, R.P. and Shim, T., “Independent Control of All-Wheel Drive Torque
Distribution,” SAE Technical Paper Series, 2004-01-2052, 2004.
[31] Piyabongkarn, D., Lew, J.Y., Rajamani, R., Grogg, J.A. and Yuan, Q., “On the Use
of Torque Biasing Systems for Electronic Stability Control: Limitations and
Possibilities,” IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 15, No. 3, pp.
581-589, May 2007.
[32] Piyabongkarn, D., Rajamani, R., Lew, J.Y. and Grogg, J.A., “Active Driveline
Torque Management Systems – Individual Wheel Torque Control for Active Automotive Safety Applications,” IEEE Control Systems Magazine, Vol. 30, No. 4, pp. 86-102,
76
PHỤ LỤC
I.CÁC THÔNG XE VÀ THÔNG SỐ MÔ PHỎNG
Bảng I.1. Các thông số xe và thông số mô phỏng
(Dựa trên các thông số sử dụng trong các khối động học xe của Matlab/Simulink)
Tên Ký hiệu Giá trị
Khối lượng xe 𝑚 1181 kg
Khoảng cách từ trục trước đến trọng tâm xe 𝑎 = ℓ𝑓 1,515 m Khoảng cách từ trục sau đến trọng tâm xe 𝑏 = ℓ𝑟 1,504 m
Độ cứng lốp trước khi vào cua 𝐶𝛼𝑓 15000 N/rad
Độ cứng lốp sau khi vào cua 𝐶𝛼𝑟 35000 N/rad
Bề ngang cơ sở trục xe ℓ𝑤 1,922 m
Đạo hàm bề mặt trượt 𝑠̇ bộ điều khiển dựa
trên phanh vi sai −𝜂𝑠 −100𝑠
Hằng số được sử dụng để xác định bề mặt
trượt cho bộ điều khiển dựa trên phanh vi sai 𝜉 0
Bán kính bánh xe 𝑟𝑤 0,309 m
II.CÁC KHỐI TRONG SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN VÀ NHIỆM VỤ CỦA CHÚNG Khối tạo vận tốc và góc lái mong muốn
Hình II.1. Khối tạo vận tốc và góc lái mong muốn
Nhiệm vụ khối: Tạo vận tốc dọc, và góc lái (vơ lăng) mong muốn.
Bên trong Khối tạo vận tốc và góc lái mong muốn là Khối tạo vận tốc dọc mong muốn và Khối tạo góc đánh lái.
77
Hình II.2. Bên trong Khối tạo vận tốc và góc lái mong muốn
Hình II.3. Giao diện lựa chọn vận tốc khi vào cua
Khối người lái
Hình II.4. Khối người lái
Hình II.5. Bên trong Khối người lái
78
Hình II.6. Bên trong Khối lái dọc
Nhiệm vụ Khối người lái: Dựa trên tốc độ phản hồi của vận tốc xe và vận tốc xe yêu cầu để tạo lệnh tăng tốc (gia tốc).
Khối mơi trường
Hình II.7. Khối mơi trường
Hình II.8. Bên trong Khối mơi trường
79
Khối xe
Hình II.9. Khối xe
Bên trong Khối xe có nhiều khối con:
Hình II.10. Cụm Khối động cơ
80
Hình II.12. Khối thân xe, Hệ thống treo, Bánh xe
Nhiệm vụ Khối xe: Thực hiện mơ phỏng xe từ tín hiệu điều khiển và mơi trường, đồng thời trả tín hiệu cảm biến về bộ điều khiển.
Khối hình ảnh
Hình II.13. Khối hình ảnh
Nhiệm vụ Khối hình ảnh: thể hiện một số thông số hoạt động của xe như: tốc độ xe, tốc độ động cơ, gia tốc ngang, góc lái vơ lăng… thể hiện mơ hình xe chạy trên đường thử.
81
Hình II.14. Bên trong Khối hình ảnh
82
Khối điều khiển
Hình II.16. Khối điều khiển
Nhiệm vụ: Chứa các khối điều khiển Động cơ, Hộp số, ESP, … nhận các tín hiệu từ cảm biến truyền về sau đó tính tốn và gửi tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu thực hiện trên xe như bánh xe, phanh, …