1.2.2 Chuyển đổi từ hệ thống lái thông thường sang hệ thống lái SBW
Hệ thống lái Steer by wire (SBW): Thay vì sử dụng trục lái cơ khí (đối với hệ thống lái thông thường) để truyền động đến cơ cấu lái như Hình 1.12(a), hệ thống lái
SBW sử dụng một bộ chấp hành lái gồm 02 động cơ điện một chiều (trong đó 1 động cơ làm nhiệm vụ tạo cảm giác lái và 1 động cơ làm nhiệm vụ quay cơ cấu lái) và bộ điều khiển điện tử (có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cảm biến góc trên vành lái và cơ cấu lái để điều khiển các động cơ điện một chiều hoạt động) như Hình 1.12(b).
a) Hệ thống lái thơng thường b) Hệ thống lái SBW Hình 1.12: Chuyển đổi từ hệ thống lái thông thường sang hệ thống lái SBW
Sơ đồ cấu tạo của hệ thống lái thơng thường có trợ lực thủy lực và hệ thống lái SBW như Hình 1.13 và 1.14.
Hệ thống lái thơng thường có trợ lực thủy lực biểu diễn như Hình 1.13:
Trong hệ thống lái thơng thường có trợ lực thủy lực gồm có: Vành lái, trục lái, khớp nối tùy động (các đăng), bộ trợ lực thủy lực, cơ cấu lái (trục vít thanh răng, trục vít – ê cu bi…), hình thang lái và các bánh xe dẫn hướng.
Hệ thống lái SBW được biểu diễn như Hình 1.14:
Hinh 1.14: Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái SBW
Trong hệ thống lái SBW gồm có:
- Bộ phận vành lái gồm: Vành lái, cảm biến góc quay vành lái, động cơ M1 tạo cảm giác lái (tạo mô men cản). Khi đánh lái, tùy theo góc đánh lái, góc quay bánh xe dẫn hướng, mô men cản lên bánh xe dẫn hướng và tốc độ ô tô, bộ điều khiển sẽ điều khiển động cơ điện quay cung cấp mô men cản tương ứng tạo cảm giác cho người lái như đang lái xe với hệ thống lái thơng thường. Động cơ M1 cịn đảm bảo các chức năng khác của tái tạo cảm giác lái sẽ được đề cập tới trong luận án.
- Bộ phận chấp hành dẫn hướng: Gồm động cơ M2, cơ cấu lái, bộ trợ lực thủy lực, dẫn động lái và các bánh xe dẫn hướng. Khi người lái quay vành lái, lúc này tín
hiệu góc quay vành lái sẽ được cấp cho bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ tính tốn cấp điện áp làm quay động cơ điện M2 cung cấp mô men làm quay cơ cấu lái, bộ trợ lực thủy lực, dẫn động lái làm quay bánh xe dẫn hướng.
- Bộ điều khiển điện tử: Bộ điều khiển cảm giác lái nhận các tín hiệu đầu vào là góc quay vành lái, góc quay bánh xe dẫn hướng, mơ men cản bánh xe dẫn hướng và tốc độ ô tô để điều khiển điện áp cấp cho động cơ điện quay cung cấp mô men cản tương ứng. Bộ điều khiển chấp hành dẫn hướng nhận tín hiệu vào là góc quay vành lái và điều khiển điện áp cấp cho động cơ điện làm quay động cơ điện M2.
- Cơ cấu an toàn: Nghiên cứu chuyển đổi hệ thống lái thông thường sang hệ thống lái SBW trên xe thật và vận hành thực tếdo đó việc bố trí một cơ cấu an toàn là cần thiết. Trong trường hợp hệ thống gặp sự cố hoặc hư hỏng, cơ cấu an toàn sẽ kết nối hệ thống lái, lúc này hệ thống lái sẽ hoạt động như hệ thống lái thơng thường – cơ khí có trợ lực thủy lực. Trong khuôn khổ của luận án chưa đề cập tới cơ cấu an toàn.
Việc thay thế hệ thống lái thông thường bằng hệ thống lái SBW mang lại một số ưu điểm sau đây:
- Sự loại bỏ trục lái làm đơn giản hóa việc thiết kế nội thất xe hơi, vành lái có thể chế tạo thành các mô-đun lắp vào bảng điều khiển và dễ dàng bố trí bên trái trái hoặc phải phù hợp với luật giao thông của từng quốc gia.
- Sự vắng mặt của trục lái cho phép sử dụng không gian trong khoang động cơ nhiều hơn.
- Khơng có trục lái thì khơng cịn kết nối cơ khí trực tiếp từ vành lái tới bánh xe dẫn hướng. Khi đó những va đập, rung động…sinh ra do bánh xe dẫn hướng tiếp xúc với mặt đường khơng cịn tác động trực tiếp lên tay người lái, giảm thiểu sự khó chịu, mệt mỏi cho người lái. Hơn nữa, trong trường hợp xảy ra các va chạm xe phía trước sẽ khơng cịn sự tác động của trục lái vào không gian ngồi của lái xe, giảm khả năng thương tật cho người lái.
- Với hệ thống lái SBW, những đại lượng cố định trước đây như tỷ số truyền góc, lực đánh lái, tốc độ đánh lái có thể dễ dàng điều chỉnh để tối ưu các phản ứng và cảm giác cho người lái.
- Ứng dụng trong việc lái xe tự động, điều khiển từ xa, trang bị trên các xe chuyên dụng.
- Do việc điều khiển bằng cách truyền tín hiệu nên q trình tác động sẽ diễn ra nhanh hơn so với các hệ thống lái dẫn động cơ khí hiện nay.
Hệ thống lái SBW phù hợp với xu hướng phát triển, tuy nhiên vẫn có những hạn chế nhất định:
- Việc bố trí hệ thống an tồn dự phỏng trong trường hợp xảy ra sự cố về điện, điều khiển: Hiện nay các nhà sản xuất (Nissan) đưa vào bộ ly hợp từđểtrong trường hợp gặp lỗi, sự cố đối với phần điện, điều khiển thì hệ thống sẽ đóng ly hợp từ, khi đó hệ thống lái sẽ hoạt động như hệ thống lái thông thường. Tuy nhiên việc thêm bộ ly hợp từ vào thì hệ thống lái vẫn cịn trục và thậm trí cịn phức tạp hơn so với hệ thống lái thơng thường. Do đó vấn đề an toàn cần được nghiên cứu hơn nữa trong thời gian tới.
- Một vấn đề nữa đối với hệ thống lái SBW là việc tái tạo cảm giác lái: Vì khơng cịn kết nối trưc tiếp với bánh xe dẫn hướng nên việc tính tốn tạo cảm giác lái phụ thuộc vào các mơ hình cản nghiên cứu, và các mơ hình này hầu như chưa phản ánh hết các điều kiện khai thác thực tế trên đường để có thể tạo được cảm giác lái chân thực nhất.
1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước
Nhiều nhà khoa học đang từng bước nghiên cứu cải tiến các hệ thống, tổng thành của ô tô nhằm tăng tính kinh tế, an tồn, tiện nghi…trong đó có hệ thống lái ô tô. Hệ thống lái SBW là xu hướng phát triển của hệ thống lái trong thời gian tới và cần được nghiên cứu đến các vấn đề sau đây:
- Mơ hình hóa và động lực học hệ thống lái SBW.
- Nghiên cứu các bộ điều khiển tối ưu cho hệ thống lái SBW. - Nghiên cứu tạo cảm giác lái cho lái xe.
- Vấn đề an toàn, độ tin cậy của hệ thống lái SBW.
Có nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước và thế giới nghiên cứu những vấn đề nêu trên, sau đây là một số nghiên cứu mà tác giả đã được tiếp cận với các tài liệu của họ chủ yếu ở mức độ bài báo và các đề tài khoa học.
1.3.1 Các nghiên cứu trong nước:
Ở Việt nam, trong vài năm gần đây đã có một số nhà khoa học đã bắt đầu tìm hiểu và nghiên cứu về hệ thống lái SBW:
- Nghiên cứu của tác giả Trần Văn Lợi – Trường ĐH Giao thơng vận tải [1]– [4],[5],[6]. Trong đó tác giả nghiên cứu điều khiển hệ thống lái điện trên ô tô con bao gồm: Nghiên cứu xây dựng mơ hình động lực học tổng quát của hệ thống lái điện với nhiều thành phần liên kết với nhau, mỗi thành phần của mơ hình tổng qt có thể tách riêng thành các module độc lập giúp việc khảo sát, điều khiển trở nên linh hoạt. Tác giả xây dựng thuật toán điều khiển bám giữa vành lái và bộ phận chấp hành bằng bộ điều khiển Fuzzy-PID với sai số góc quay vành lái và trục lái dao động trong phạm vi từ 0÷0.15 (rad) nằm trong phạm vi cho phép sai số hệ thống lái truyền thống. Tác giả cũng đã thiết kế, chế tạo mơ hình thí nghiệm bán tự nhiên hệ thống lái điện, đã thử nghiệm đo các thông sốđầu vào cho bài tốn mơ phỏng và kiểm chứng các kết quả tính tốn lý thuyết, mơ hình thí nghiệm sử dụng cơng nghệ giao tiếp ảo DAQ là một trong những giải pháp tiên tiến được sử dụng tại các phịng thí nghiệm ứng dụng trên thế giới. Tác giảđã nghiên cứu tái tạo được cảm giác lái cho mơ hình hệ thống lái điện, đây là một nghiên cứu mới cho hệ thống lái điện, tuy nhiên hiện nghiên cứu này mới được tiến hành thực nghiệm trên mơ hình bán tự nhiên do đó các thơng số thí nghiệm chưa phản ánh được đầy đủ các điều kiện trong thực tế, đặc biệt là tải trọng và tốc độ ô tô; các linh kiện sử dụng trong mơ hình chỉ dừng lại ở mức độ mơ phỏng trong phịng thí nghiệm. Cách tiếp cận của các nghiên cứu này rất hữu ích cho việc nghiên cứu của luận án.
- Nghiên cứu tái tạo cảm giác lái của tác giả Nguyễn Bá Hải [20] đã nghiên cứu tái tạo cảm giác lái dựa vào phương pháp đo dòng, áp; điện áp đo được từ các IC có giá thành thấp, tuy nhiên kết quả thực nghiệm trong suốt 5 năm nghiên cứu và thí nghiệm trên mơ hình thì vẫn chưa giải quyết được vấn đề mất ổn định của hệ thống lái khơng trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái. Phương pháp tái tạo cảm giác lái bằng phương pháp đo điện áp tiếp tục được nghiên cứu trong luận án nhưng ở mức độ hoàn chỉnh hơn.
1.3.2 Các nghiên cứu ngoài nước:
Nghiên cứu về hệ thống lái SBW của các tác giả nước ngoài thường đi sâu vào từng vấn đề cụ thể sau:
- Nghiên cứu của tác giả Sheikh Muhamad Hafiz fahami1- UTM-Proton Active Safety Laboratory, University Teknology Malaysia, Kuala Lumpur [21]: Nghiên cứu đã đưa ra được mô hình tốn cho vành lái, dẫn động bánh xe dẫn hướng. Thay đổi tỷ số truyền lái bằng việc sử dụng các luật điều khiển đã đưa ra.
- Nghiên cứu Paul Yih, J. Christian Gerdes [22]; Nghiên cứu của tác giả Eid S. Mohamed, Saeed A. Albatlan [23] đưa ra mơ hình động lực học cho hệ thống lái SBW Các nghiên cứu trên sử dụng mơ hình hai bậc tự do [2],[3],[4],[13], ba bậc tự do [5], và bốn bậc tự do [6], làm đối tượng để phân tích hệ thống lái SBW.
Nghiên cứu vềđiều khiển:
- Nghiên cứu về các vấn đề điều khiển và an toàn cho hệ thống steer by wire của tác giả Paul Yih trình bày tương đối đầy đủ về mơ hình động lực học lái, mơ hình tuyến tính của xe, và tiến hành thực nghiệm trên xe [13].
- Nghiên cứu của A dem Kader về điều khiển cho hệ thống steer by wire (SBW) [24]: Mơ hình nghiên cứu của tác giả gồm có vành lái với 01 động cơ phản hồi, 01 động cơ dẫn động quay bánh xe dẫn hướng, 02 bộ mã hóa cảm biến góc quay vành lái và góc quay lái, 02 bộ điều khiển PID, 02 bộ điều khiển cung cấp điện áp cho mỗi động cơ cùng một bộ xử lý máy tính. Thí nghiệm được tác giả tiến hành trên mơ hình và cố định một tải trọng nhất định lên trọng tâm mơ hình (f200). Mơ phỏng được thực hiện với phần mềm Matlab cho phép thiết kế bộ điều khiển trong nội khối, sau đó biên dịch và chạy chương trình trong thời gian thực. Nghiên cứu đưa ra phương pháp xác định hằng số PID và bảng thơng số điều khiển. Có thể thấy nghiên cứu của tác giả chủ yếu về điều khiển cho hệ thống SBW, tuy nhiên mô phỏng cho thấy bộ điều khiển có thời gian chuyển mạch rất chậm (0,4 s) để chuyển từ hướng này sang hướng kia, ảnh hưởng đến độ trễ lái và độ chính xác khi lái xe, hơn nữa do sử dụng động cơ chấp hành cơng suất lớn do đó kể cả khi bộ điều khiển làm việc nhanh đi nữa thì động cơ vẫn sẽ chậm chạp trong đổi hướng (sẽ tốt hơn nếu sử dụng 02 động cơ riêng cho mỗi hướng).
- Nghiên cứu về hệ thống lái SBW của Jack J. Kenned, Professor V.R. Patil [25]: Tác giả thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống gồm hai mạch (mạch trên và mạch dưới) và được điều khiển bởi hai bộ điều khiển PID tương ứng. Bộ điều khiển PID mạch dưới điều khiển góc quay bánh xe dẫn hướng bám theo góc quay vành tay lái, đầu
vào của nó là chênh lệch giữa góc quay bánh xe dẫn hướng mong muốn và góc quay bánh xe thực tế, đầu ra là điện áp cấp cho động cơ chấp hành. Bộ điều khiển PID mạch trên cung cấp điện áp cho động cơ tạo ra mô men cản phản ánh lực cản giữa lốp với mặt đường để người lái có cảm giác về các trạng thái lái khác nhau. Với tín hiệu góc quay của bánh xe dẫn hướng và vận tốc ơ tơ sẽ tính ra ra mơ men, mơ men này coi như là một mô men tham chiếu, chênh lệch giữa mô men tham chiếu này và mô men đo được từ động cơ lắp ở vành tay lái (động cơ phản hồi) thiết lập đầu vào cho bộ điều khiển PID, đầu ra là điện áp gửi đến động cơ phản hồi tạo ra mơ men cản, mơ men này có thể bám sát mơ men tham chiếu. Trong nghiên cứu có tính đến việc thay đổi tỷ số truyền lái theo tốc độ xe, bộđiều khiển PID được thiết lập ở một số vận tốc điển hình: 5 km/h, 20 km/h, 60 km/h, 70 km/h, 80 km/h. Mục đích cơ bản của việc điều khiển động cơ phản hồi là tạo ra mô men phản kháng như vận hành thực của xe ô tơ khi đánh lái, hơn nữa nó làm cho việc đánh lái dễ dàng hơn ở vận tốc thấp hoặc khi đỗ xe và đánh lái nặng hơn ở vận tốc cao để cải thiện cảm giác lái bằng cách điều chỉnh mô men phản kháng này. Trong nghiên cứu này, tác giả đã đưa ra phương pháp thay đổi tỷ số truyền lái mong muốn theo tốc độ xe, mơ phỏng mơ hình SBW, sử dụng hai bộ điều khiển PID cho hệ thống cho thấy hiệu quả của chúng khi các bánh xe dẫn hướng bám theo vị trí vành lái, đồng thời người điều khiển có thể nhận được những phản hồi tương ứng khi họ quay vành tay lái. Trong đó đưa ra phương pháp thay đổi tỉ số truyền lái và sử dụng bộ điều khiển PID mô phỏng hệ thống SBW kết quả cho thấy các bánh xe dẫn hướng phía trước có thể bám theo vị trí của vành tay lái, đồng thời người điều khiển có thể nhận được các lực phản hồi khi họ quay vành tay lái.
- Nghiên cứu của các tác giả Chunyan Wang, Dong Zhou, Wanzhong Zhao, Xiaoyue Gu [26] về điều khiển góc quay bánh xe dẫn hướng của hệ thống steer by wire sử dụng thuật tốn PID thích nghi-mờ. Tiến hành mơ phỏng trong các điều kiện làm việc khác nhau cho thấy điều khiển góc bánh xe dẫn hướng dựa trên PID thích nghi - mờ có thể làm cho hệ thống đạt được sự kiểm soát tốt, ổn định trong các điều kiện đó. Kết quả của nghiên cứu này có thể cung cấp cơ sở lý thuyết nhất định để nghiên cứu và áp dụng hệ thống SBW.
- Nghiên cứu của các tác giả Salem Haggag, David Alstrom, Sabri Cetinkunt, and Alex Egelja [27] về hệ thống steer by wire điện – thủy lực, trong nghiên cứu tác gải đã xây dựng mơ hình cho các máy xây dựng cỡ trung, ở đây thuật toán điều khiển sử dụng phần mềm Simulik để mô phỏng. Kết quả cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển tuy nhiên hệ thống xử lý chậm và độ tin cậy chưa cao.
- Nghiên cứu của tác giả Yixin Yao về các phương pháp điều khiển cho hệ thống steer by wire [28].
- Nghiên cứu của các tác giả Se-Wook Oh, Ho - chol CHAE, Seok – Chan YUN