Chương 3 : PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT ĐỀ TÀI
3.4 CƠ CHẾ CẮT NHIÊN LIỆU KHI NHẤN NHẦM BÀN ĐẠP GA
Một hệ thống cơ điện để khóa hệ thống cung cấp nhiên liệu vào buồng đốt trong khi người lái nhấn chân ga đột ngột với thời gian tức thì đã được phát triển trong công việc này. Hệ thống bao gồm các thành phần điện và cơ khí. Phần điện bao gồm chiết áp và logic điều khiển cảm nhận khi vơ tình nhấn bàn đạp ga bằng cách cảm nhận thời gian nhấn bàn đạp ga. Sử dụng thông tin này, logic điều khiển ngăn chặn lực tác động lên bàn đạp ga làm tăng tốc độ của ơ tơ. Ngồi ra, hệ thống cơ học cũng tham gia vào việc ngăn cản lực làm tăng tốc độ. Thử nghiệm tăng tốc
42
ngoài ý muốn được thực hiện trong các điều kiện lái xe khác nhau để xác định tình trạng hoảng sợ. Kết quả thử nghiệm cho thấy độ lệch lớn nhất xảy ra khi nhấn bàn đạp tăng tốc đột ngột từ mức lý tưởng lên đầy tải, nhấn bàn đạp tăng tốc đột ngột ở giữa khi lái xe bình thường và nhấn bàn đạp tăng tốc đột ngột khi đang lái xe ở tốc độ cao với độ lệch dốc 20,6m / s, 15,9 m / s và 9,95m / s lần lượt. Nếu độ dốc của chiết áp đọc được thời gian trên 9,95m / s thì hệ thống sẽ khóa hệ thống cung cấp nhiên liệu vào buồng đốt trong khi người lái nhấn chân ga đột ngột theo thời gian. Cơ chế khóa gia tốc ngồi ý muốn là một cách có thể cải thiện sự an tồn của hành khách nhằm giảm thiệt hại về tài sản, thương tích và tử vong do những lỗi này gây ra.
3.5 GIẢI PHÁP CẮT TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN M TƠ BƯỚM GA.
Từ những phân tích trên, đề tài “Nghiên cứu các giải pháp chống hiện tượng đạp nhầm chân ga trong q trình vận hành ơ tơ” sẽ tiến thành thực hiện mô phỏng trạng thái đạp nhầm chân ga trong các trường hợp sau:
TH1: Xe dừng đèn đỏ. TH2: Khởi hành ngang dốc. TH3: Tăng tốc (vượt xe).
Điểm chung: xét trên giá trị tham số gia tốc bàn đạp chân ga lớn khi mà có tác động từ người lái ở tức thời (tn) theo thời gian. Với điều kiện ban đầu, động cơ hoạt động với vòng tua lớn hơn hoặc bằng tốc động cầm chừng của động cơ, tay số không nằm tay số N (hoặc P đối với hộp số AT). Từ đây, xây dựng giải pháp nhằm chống hiện tượng đạp nhầm chân ga trong quá trình vận hành ơ tơ lưu thông.
Mặc khác, đối tượng được sử dụng để khảo sát trong đề tài là động cơ xăng có cơng suất nhỏ với số vịng quay tối đa là 8000v/p, với giả thiết là các quá trình điều khiển khác của động cơ đang ở trạng thái tối ưu.
Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong mối quan hệ giữa chân ga bao gồm cảm biến vị trí bàn đạp ga, ECM, hệ thống bướm ga điện tử ECTS-i, Cảm biến vị trí trục khuỷu.
43
Sơ đồ 3.2. Lưu đồ giải thuật điều khiển bướm ga
Điều kiện ban đầu hệ thống hoạt động: thời gian 10µs là điều kiện bình thường của động cơ thực tế. Tuy nhiên, Arduino đóng vai trị bộ điều khiển không đáp ứng được tốc độ xử lí trong thời gian trên. Do đó, nhóm giả sử, thời gian chuẩn để xử lí là 1000ms đối với bộ điều khiển Arduino.
Trường hợp: thời gian tín hiệu từ APS Arduino ≤ 0,5 lần thời gian chuẩn thì xảy ra hiện tượng lỗi (tức đạp nhầm chân ga với lực tác động lớn). Và ngược lại, nếu thời gian tín hiệu từ APS Arduino > 0,5 lần thời gian chuẩn, thì xe vận hành bình thường.
Trong mơ hình, ECM sẽ được thay thế bởi Arduino. Quá trình điều khiển sẽ diễn ra như sau:
Giai đoạn 1: Tín hiệu từ Arduino gửi đến hệ thống bướm ga điện tử sẽ can thiệp vào motor điều khiển bướm ga.
Giai đoạn 2: Quá trình tác động chân ga, quá trình phản hồi P.I.D để so sánh thời gian khi đạp bàn ga và thời gian hoạt động của bướm ga.
Giai đoạn 3: Arduino điều khiển góc mở bướm ga. Và trình tự được lặp lại. Như vậy, giải pháp chống đạp nhầm chân ga mà nhóm sẽ tiến hành mơ phỏng và thực nghiệm được thực hiện theo nguyên tắc kiểm tra thời gian tín hiệu điện áp của cảm biến vị trí bàn đạp ga gửi về bộ điều khiển, bộ điều khiển dựa vào thời gian này để xác định có hiện tượng đạp nhầm chân ga hay khơng, nếu có thì bộ điều khiển sẽ
APS ARDUINO ECTS-i
ACCELEROMETE R
44
ngừng ngay q trình điều khiển mơ tơ bướm ga, nếu khơng, q trình vẫn diễn ra bình thường.
Chương 4
THIẾT KẾ VÀ THI C NG
4.1 THAM SỐ ĐẦU VÀO VÀ THIẾT LẬP MƠ HÌNH LABVIEW
4.1.1. Điều kiện ban đầu và lưu đồ gi i thuật của gi i pháp chống đạp nhầm chân ga
“Phương pháp gi i quyết hiện tượng chống đạp nhầm chân ga” của nhóm là
dựa trên nguyên tắc giám sát hành trình đạp chân ga theo thời gian của tài xế, để đưa ra các tín hiệu điều khiển phù hợp nhằm loại bỏ những tình huống nhầm chân ga trong những trường hợp có thể gây nguy hiểm đối với người tham gia giao thông (hoặc tránh gây ra các tai nạn khơng mong muốn trong thực tế). Bên cạnh đó, do Arduino là vi điều khiển đồng bộ nên việc xác định mốc thời gian tức thời sẽ có sai số lớn do q trình xử lý theo tuần tự. Nhóm đã đưa ra giải pháp sử dụng thông số gia tốc thông qua cảm biến gia tốc cảm biến này ứng xử với sự kiện tác động lên bàn đạp chân ga để xác định hiện tượng có đạp nhằm chân ga hay khơng, theo tham số thời gian.
45
4.1.1.1. Sơ đồ hệ thống
Sơ đồ 4.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống chống đạp nhầm chân ga
Mô tả hoạt động của hệ thống bao gồm các quá trình sau:
Các tín hiệu cảm biến được gửi thơng tin đến Arduino bao gồm: Cảm biến vị trí bàn đạp ga (APS), cảm biến gia tốc đạp ga và cảm biến vị trí cánh bướm ga (TPS).
Arduino xử lý thơng tin và gửi tín hiệu điều khiển đến Module cầu H để thay đổi góc mở bướm ga phù hợp
Giá trị góc mở của cánh bướm ga sẽ được cảm biến (TPS) chuyển đổi sang dạng tín hiệu Analog rồi phản hồi về lại Arduino. Và quá trình hoạt động sẽ diễn ra liên tục như vậy.
Mạch cầu H.
Các thành phần trong sơ đồ hệ thống đã được giới thiệu rõ ở các phần phía trên của cuốn thuyết minh này. Mạch cầu H đóng một vai trị quan trong trong hệ thống, vai trò của mạch cầu H:
(APS) (TPS)
46
Hình 4.1. Cầu H
Cầu H L298 là module có chức năng khuếch đại điện áp đầu vào đồng thời cách ly tín hiệu điều khiển giúp tránh nhiễu loạn tín hiệu điều khiển trong quá trình hệ thống hoạt động, đặc biệt có hiệu quả với các thiết bị sinh ra sức điện động ngược như là motor và các van điện từ.
Trong hệ thống chống đạp nhầm chân ga của nhóm module cầu H cụ thể là module L298 đóng vai trị khuếch đại cơng suất điều khiển từ arduino, tín hiệu điều khiển từ arduino sau khi ra khỏi hai chân PWM là D8 và D9 có biên độ Duty Cycle (phần trăm biên độ dương) từ 0 100% tương ứng 05VDC đồng thời công suất tối đa là 0.25W không đạt giá trị công suất tối thiểu để điều khiển họng ga. Cầu H sau khi nhận tín hiệu điều khiển từ hai chân D8 và D9 của arduino sẽ khuếch đại giới hạn biên độ điện áp từ 5V lên 12V và công suất từ 0.25W lên 60W nhờ vào IC L298 giúp đầu ra đảm bảo công suất hoạt động cho họng ga.
47
4.1.1.2. Lưu đồ gi i thuật
Sơ đồ 4.2. Lưu đồ giải thuật hệ thống chống đạp nhằm chân ga
Nhằm phục vụ cho quá trình lập trình hệ thống, giá trị cảm biến gia tốc phải được lựa chọn phù hợp giúp đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác, nhóm đã thực hệ một số phương trình tính tốn như sau nhằm xác định đúng giá trị gia tốc phù hợp nhất. 2 1 0 1 0 ( ) ( / ) ( ) v v v a m s t t t Với: a: gia tốc (m/s2 ) Δv: vận tốc trung bình (m/s) Δt: thời gian trung bình (s)
48
Dựa vào giá trị từ Bảng 4.1: ta thay vào cơng thức nhằm tìm ra giá trị gia tốc tối thiểu khi đạp nhằm chân ga. s v t => 1 0 0.04( / ) 0 v m s v 2 0.04 0.08( / ) 0.5 a m s
Kết luận: với giá trị ΔS là hành trình tối đa của bàn đạp ga bằng hằng số 0.02m thì
với giá trị thời gian t 0.5s ta có gia tốc bằng 0.08 m/s2. Từ đó, nhóm thiết lập giá trị gia tốc đạp nhằm chân ga là 0.08 m/s2 .
B ng 4.1. Giá trị đầu vào của q trình mơ phỏng
Đại lượng Giá trị Đơn vị
S0 0 (m)
S1 0.02 (m)
t0 0 (s)
t1 0.5 (s)
4.1.2. Thiết kế mơ hình Labview thực nghiệm các giá trị hoạt động của hệ thống chống đạp nhằm chân ga
Nhóm ứng dụng phần mềm Labview kết hợp với Arduino để thực hiện quá trình thiết kế giao diện giao tiếp, xử lí tín hiệu từ bàn đạp ga, gia tốc đạp ga, …và đưa ra đồ thị thể hiện q trình đóng ngắt cánh ga khi có hoặc khơng xảy ra trường hợp đạp nhầm chân ga.
49
Hình 4.2.Giao diện Front panel của hệ thống trên Labview
Front panel là cửa sổ giao diện giúp hiện thị các giá trị sau q trình tính tốn dưới dạng số hoặc các biểu đồ và Slider, giúp chúng ta có thể quan sát sự thay đổi trực quan cũng như là thay đổi các giá trị tham số vào quá trình hoạt động của hệ thống một cách nhanh chóng và đơn giản.
50
Nhóm sử dụng loại biểu đồ Waveform Chart để hiện thị 02 giá trị là tín hiệu bàn đạp chân ga và góc mở của bướm ga, vì đây khối chức năng có thể cho ra các biểu đồ phi tuyến khơng có ràng buộc về chu kì hoạt động.
Hình 4.4. Cụm các giá trị được hiển thị dưới dạng số
Các thông số bao gồm:
1. Cổng chọn giao tiếp Serial Port với Arduino thông qua giao thức truyền thông nối tiếp UART.
2. Giá trị góc mở bướm ga và bàn đạp chân ga được thể hiện dưới dạng Numbers. 3. Là Boolean có chứng năng dừng chương trình.
51
Block Diagram:
Hình 4.5. Giao diện Block Diagram của hệ thống
Block Diagram là cửa sổ giúp chúng ta xây dựng chương trình thơng qua q
trình sử dụng các khối chức năng chuyên biệt. Chương trình đọc dữ liệu hoạt động của hệ thống chống đạp nhằm chân ga được nhóm xây dựng chủ yếu dựa trên khối chức năng Instrument I/O Serial.
Hình 4.6. Khối chứ
Giao tiếp truyền thông nối tiếp giữa Labview và Arduino được thiết lập giá trị Baud rate là 9600.
52
Bước 1: Dữ liệu từ Arduino gửi lên Serial Monitor
được khối chức năng VISA Bytes at Serial Port và VISA READ của Labview tiếp nhận.
Bước 2: Dữ liệu sau khi được đọc có
dạng chuỗi (String) sẽ được đi qua các khối chức năng Match Pattern nhằm bóc tách dữ liệu và chia thành hai khối dữ liệu là góc mở bướm ga và giá trị bàn đạp ga.
Bước 3: Tuy nhiên, để có thể hiện thị trên biểu
đồ Waveform Chart thì dữ liệu phải ở định
dạng Numbers, vì vậy dữ liệu cần sử dụng khối
Decimal String To Numbers để chuyển từ dạng
chuỗi qua dạng số. Và cuối cùng là hiển thị lên đồ thị Waveform Chart.
53
Sơ đồ mạch điện:
Hình 4.7. Sơ đồ mạch điện hệ thống chống đạp nhằm chân ga
Sơ đồ mạch điện đã sử dụng các biến trở dạng Slider để mơ tả chức năng và giá trị tín hiệu mà các cảm biến gửi đến vi điều khiển Arduino. Cụ thể, cảm biến vị trí bàn đạp chân ga (APS) và cảm biến gia tốc đươc thể hiện dưới chức năng của hai biến trở và trả về arduino tín hiệu analog có độ phân giải 10bit tương đương 1023 giá trị điện áp.
Nguyên lý làm việc cụ thể của sơ đồ mạch điện như sau:
APS gửi giá trị vị trí bàn đạp chân ga từ chân VPA chân A0 của Arduino; Giá trị gia tốc được gửi từ chân A/O chân A1 của Arduino và tín hiệu TPS được gửi từ chân VTA chân A2 của Arduino.
54
Arduino xử lí thơng tin và đưa ra tín hiệu điều khiển từ chân D8 và D9 chân IN1 và IN2 của cầu H:
o Nếu giá trị gia tốc > 0.08m/s2 thì chân D8 xuất ra là mức cao và D9 là mức thấp Cánh ga đóng tức lúc này, xảy ra đạp nhầm chân ga (với gia tốc lớn). Cánh ga lúc này, sẽ không thay đổi theo vị trí bàn đạp ga, do đó trạng thái động cơ không thay đổi theo hướng công suất tăng;
o Nếu giá trị gia tốc < 0.08m/s2 thì chân D8 xuất ra mức thấp và D9 là mức cao Góc mở của bướm ga phụ thuộc vào tín hiệu của bàn đạp ga. Tức lúc này, hệ thống cho rằng không xảy ra hiện tượng đạp nhầm chân ga. Do đó, cánh ga sẽ thay đổi theo tín hiệu bàn đạp ga.
4.2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH VẬT LÝ
Nhóm thiết kế mơ hình theo dạng sa bàn với kích thước tương đối nhỏ gọn, phù hợp với việc di chuyển và dễ dàng quan sát quá trình thay đổi bướm ga khi có hoặc khơng xảy ra hiện tượng đạp nhầm chân ga.
Mơ hình được thiết kế với 3 bộ phận chính: module bướm ga điện tử, Bộ vi điều khiển – Arduino, và bàn đạp ga.
Bản thiết kế mơ hình hồn thiện:
55
Mơ hình thực tế sau khi đã hồn thành việc lắp đặt:
Hình 4.9. Mơ hình sau khi hồn thiện
Mơ hình sau khi được thi công lắp đặt đảm bảo được tương đối về hình dáng và kích thước so với thiết kế. Tuy nhiên, chưa có độ hoàn thiện và thẩm mỹ cao, do ảnh hưởng của tình hình dịch bệnh Covid, dẫn đến sự thiếu hụt về vật tư, thiết bị gia công.
56
Chương 5
MƠ PHỎNG, PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
Kết quả thực nghiệm hoạt động của hệ thống với mơ hình xây dựng trên Labview đối với các trường hợp:
So sánh khi tác động vào chân ga và ứng xử của cánh bướm ga. Xảy ra hiện tượng đạp nhầm chân ga.
Không xảy ra hiện tượng nhầm chân ga.
Xảy ra tình huống cục bộ. Đạp nhầm và không nhầm chân ga. Kết quả cụ thể của các trường hợp được trình bày như sau:
5.1 TRƯỜNG HỢP 1: SO SÁNH KHI TÁC ĐỘNG VÀO CHÂN GA VÀ ỨNG XỬ CỦA CÁNH BƯỚM GA.
Hình 5.1. Đáp ứng của cánh bướm ga theo tín hiệu của bàn đạp chân ga
Trước tiên, nhóm thực hiện khảo sát khả năng đáp ứng của cánh bướm ga so với giá trị từ bàn đạp chân ga. Nhóm nhận thấy giá trị góc mở cánh bướm ga - theo giá trị tín hiệu u cầu từ bàn đạp chân ga có hình dáng tương đối gần giống nhau, như trên đồ thị hình 5.1 có thể nó tính đồng bộ giữa 2 tín hiệu này là ổn định. Tuy
nhiên vẫn còn những thời điểm xuất hiện sai số và độ trễ, không vượt quá 2%. Từ đó, cho thấy thuật tốn điều khiển của nhóm đã mơ phỏng có hoạt động tương ứng
57
của bướm ga trên thực tế, mặc khác làm cơ sở thực hiện các khảo sát chuyên sâu hơn nhằm đánh giá hiệu quả của hệ thống chống đạp nhằm chân ga.
5.2 TRƯỜNG HỢP 2: XẢY RA HIỆN TƯỢNG ĐẠP NHẦM CHÂN GA.
Hình 5.2. Sơ đồ thể hiện trường hợp đạp nhầm chân ga
Khi nhóm tiến hành tác động một lực đạp ga với gia tốc lớn cụ thể lớn hơn 0.08m/s2 và ứng với thời gian thực hiện nhỏ hơn 0.5s thì đường đồ thị tín hiệu bàn đạp chân ga vẫn di chuyển từ giới hạn nhỏ nhất (thời điểm bắt đầu tác động lên chân ga) lên tới hạn lớn nhất (tức lúc này là điểm mà chân ga dừng lại) và duy trì ổn