Khối nút nhấn điều khiển:
Thiết bị dùng 4 phím chính để điều khiển chức năng của hệ thống, sơ đồ nối dây như Hình 4.31:
Hình 4.31: Sơ đồ nối dây khối nút điều khiển
Phím 1: sét điểm 0 cho vành lái Phím 2: sét điểm 0 cho BXDH Phím 3: sét khơng cho qng đường Phím 4: sét thời gian cho thiết bị
Khối cổng giao tiếp:
Thiết bị có 5 cổng giao tiếp, sơ đồ chân khối cổng giao tiếp như Hình 4.32: Cổng 1: cổng usb type A để lập trình và debug
Cổng 2: cổng cấp nguồn cho motor BXDH Cổng 3: cổng cấp nguồn cho moror VL
Cổng 4: cổng đầu vào cho cảm biến góc quay VL và cảm biến góc quay BXDH Cổng 5: cổng nguồn đầu vào cho thiết bị
Hình 4.32: Sơ đồ chân khối cổng giao tiếp
Khối vi xử lý (ECU)
Thiết bị dùng vi xử lý STM32F407VET6 như Hình 4.33. Một trong những dòng ECU mạnh mẽ của ST với 1MB bộ nhớ Flash, chạy với xung nhịp lớn nhất 168 MHz 100 chân kiểu LQFP, các thông số được cho ở Bảng 4.8.
Hình 4.33: Vi xử lý STM32F407VET6 Bảng 4.8: Thông số của vi xử lý STM32F407VET6 Bảng 4.8: Thông số của vi xử lý STM32F407VET6
Nhãn hiệu STM32
Bộ xử lý ARM®Cortex®-M4
Phần mềm sử dụng nạp mã code ST-LINK Utility
Kích thước 32-Bit
Tốc độ 168MHz
Cổng kết nối CAN, DCMI, EBI/EMI, Ethernet, LIN, UART/USART, USB
Kích thước bộ nhớ 1MB(1Mx8) Kích thước RAM 192Kx8
Điện áp 1.8V-3.6V
Bộ chuyển đổi dữ liệu A/D 16x12b, D/A 2x12b Nhiệt độ làm việc -40o ÷ 85o
Các khối được sử dụng trong hệ thống: ADC: đo điệp áp của motor
UART: debug thiết bị
PWM: cấp xung điều khiển tốc độ động cơ
OUTPUT: điều khiển led, và điều khiển chiều quay động cơ INPUT: đọc trạng thái phím bấm
EXTI: đọc số xung của cảm biến góc quay FSMC: hiển thị màn hình TFT
CLOCK: cấp xung nhịp cho IC PMIC: cấp nguồn 3v3 cho IC
Phương pháp điều khiển vành lái và bộ chấp hành dẫn hướng:
Bộ điều khiển hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực sau khi hoàn thiện: Hình 4.34 biểu diễn sơ đồ bố trí các mạch điều khiển; Hình 4.35 bo mạch điều khiển sau khi lắp ráp.
Hình 4.35: Bo mạch điều khiển sau khi lắp ráp: a/ Mặt trước mạch điều khiển; b/ Mặt sau mạch điều khiển
- Điều khiển vành lái:
Sơ đồ điều khiển động cơ DCM1 như hình 4.36:
Hình 4.36: Sơ đồ khối điều khiển vành lái
Điều khiển tạo cảm giác lái: Khi vành lái quay ra xa điểm 0 (vị trí lái thẳng) thì hệ thống sẽ điều khiển động cơ DCM1 quay chiều ngược lại với chiều đánh lái tạo ra lực cản vào vành lái để có được cảm giác lái( quay vành lái sẽ nặng như thực tế). Thơng qua PWM thì MCU sẽ điều khiển để cấp điện áp bằng với điện áp cấp cho động cơ DCM2 để tạo ra mô men cản bằng với mô men cản của hệ thống lái.
Khi vành lái dừng thì MCU sẽ tắt động cơ DCM1.
Điều khiển trả lái về điểm O (vị trí lái thẳng): Khi vành lái quay có hướng ngược với hướng quay của lần xuất phát từđiểm 0 trước đó có nghĩa vành lái đang quay về điểm 0 hoặc khơng có tác động của người lái thì hệ thống sẽ điều khiển động cơ DCM1 như sau: MCU lúc này sẽ dựa vào góc quay và hướng quay của lần trước để điều khiển cho động cơ DCM1 quay cùng chiều với vành lái để tạo mô men cùng hướng về điểm 0 để vành lái có thể tự quay về hoặc trợ lực cho người lái, khi vành lái đạt điểm 0 thì động cơ DCM1 sẽ dừng.
Điều khiển giới hạn vành lái: Khi vành lái quay đến góc tối đa (khảo sát thực tế trên xe: quay phải 740 độ, quay trái 690 độ), thì cần giới hạn lại vành lái , không cho vành lái quay tiếp nữa: MCU sẽ cấp cho động cơ DCM1 điện áp lớn nhất với lực cản lớn nhất là bằng với công suất cực đại của động cơ DCM1, Khi vành lái bị trả lại với góc < góc tối đa thì MCU lập tức ngừng cấp điện cho động cơ DCM1 để duy trì điểm gới hạn. Nếu người lái vẫn quay tiếp > góc tối đa thì MCU lại cấp điện lại cho động cơ DCM1 với lực cản lớn nhất.
- Điều khiển bộ chấp hành dẫn hướng
Sơ đồ điều khiển động cơ DCM2 như hình 4.37:
Hình 4.37: Sơ đồ khối điều khiển động cơ DCM2
Khi vành lái quay theo sự điều khiển của người lái thì cảm biến trên vành lái sẽ đọc được tín hiệu góc quay, tốc độ của vành lái sau đó gửi số liệu nhận được lên MCU xử lý, tính tốn và cấp điện áp cho động cơ DCM2 làm quay trục cơ cấu lái cùng chiều với chiều quay vành lái, đồng thời cảm biến trên trục cơ cấu lái sẽ có tín hiệu góc quay, tốc độ dựa vào tín hiệu này để MCU cấp 1 PWM tỷ lệ thuận với tốc độ quay của vành lái, công suất của động cơ DCM2 được thay đổi theo lực cản thực tế trến hệ thống lái.
4.3.6 Lắp đặt lên xe và vận hành thử
Hệ thống sau khi lắp đặt: Hình 4.38 biểu diễn cụm vành lái thực tế sau khi chuyển đổi sang hệ thống lái SBW: Trong đó Hình 4.38 (a) là cụm vành lái trước chuyển đổi; Hình 4.38 (b) là cụm vành lái sau chuyển đổi. Hình 4.39 biểu diễn bộ chấp hành dẫn hướng thực tế sau khi chuyển đổi sang hệ thống lái SBW: Trong đó Hình 4.39 (a) là bộ chấp hành dẫn hướng trước chuyển đổi; Hình 4.39 (b) là bộ chấp hành dẫn hướng sau chuyển đổi. Hình 4.40 nhóm nghiên cứu cùng các chun gia đang kiểm tra, vận hành; Hình 4.41 chạy thử theo tuyến đường giao thơng nội bộ.
(a) (b)
Hình 4.38: Lắp cụm vành lái lên xe: a) Trước chuyển đổi, b) Sau khi chuyển đổi
(a) (b)
Hình 4.39: Lắp bộ chấp hành DH lên xe: a) Trước chuyển đổi, b) Sau chuyển đổi
Hình 4.40: Kiểm tra và vận hành hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực.
4.3.7 Hiển thị kết quảvà lưu trữ dữ liệu
Hình 4.42 biểu diễn sơ đồ kết nối bộ điều khiển hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực với máy tính để hiển thị và lưu trữ kết quả thí nghiệm trên máy tính:
Hình 4.42: Sơ đồ kết nối bộđiều khiển với máy tính
- Thiết bị (cổng COM): Thiết bị gửi dữ liệu lên máy tính thơng qua cổng uart được cài đặt các tham số:
Baurate: 256000 bps Data: 8 bít
Parity: None Stop bits: 1
Khi có sự chuyển động của vành lái thì thiết bị sẽ gửi dữ liệu qua mạch usbtocom (chuyển đổi tín hiệu) lên phần mềm Matlab (chạy trên máy tính) với chu kỳ gửi là 5ms. Khi hệ thống khơng hoạt động thì sẽ dừng việc gửi số liệu, các số liệu được cập nhật theo thời gian thực. Dữ liệu được thiết bị đóng gói để truyền đi như Bảng 4.9.
Bảng 4.9: Dữ liệu được thiết bịđóng gói để truyền đi
Start Góc vành lái Chiều quay vành lái Điện áp vành lái Dòng điện vành lái Vận tốc vành lái
[ 2byte 2byte 2byte 2byte 2 byte
Góc bánh xe Chiều quay bánh xe Điện áp bánh xe Dòng điện bánh xe Vận tốc bánh xe end
2byte 2byte 2byte 2byte 2 byte ]
- Cổng truyền tín hiệu (mạch usbtocom) như Hình 4.43: Cổng chuyển đổi ở đây với mục đích là truyền tín hiệu UART từ thiết bị sang cổng USB của máy tính để gửi số liệu vào phần mềm Matlab/Simulink.
Hình 4.43: Cổng truyền tín hiệu từ thiết bị sang máy tính
- Nhúng bộ điều khiển với phần mềm Matlab/Simulink: Sử dụng phần mềm matlab/Simulink để tính tốn cho ra các kết quả như: Hiển thị tham số ra, vẽ đồ thị các tham số nhận được của hệ thống theo thời gian thực và lưu dữ liệu vào phần mềm Excel. Sơ đồ hoạt động của bộ điều khiển với máy tính được trình bày như Hình 4.44:
Hình 4.44: Sơ đồ hoạt động của bộđiều khiển với máy tính
Các khối chính sử dụng trong matlab guide Khối serial với các tham số: 256000,8,1,N Button, checkbox và edit text
Axes để vẽ đồ thị cho các trường dữ liệu Lưu dữ liệu lên excel
4.4 Nghiên cứu thực nghiệm trên ô tô với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực
Thực nghiệm trên ô tô HINO 300Series với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực được tiến hành trong 03 trường hợp: Trạng thái tĩnh; vận hành trên đường giao thông; thực nghiệm quỹđạo chuyển động (trên sa bàn) và quay vịng với bán kính quay vịng nhỏ nhất.
- Thực nghiệm ở trạng thái tĩnh; vận hành trên đường giao thông nhằm đánh giá sự hoạt động chính xác, tin cậy của hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực được thiết kế trên xe HINO 300Series. Để khẳng định hệ thống hoạt động chính xác, tin cậy thì góc quay của động cơ DCM2 (𝜃𝑚2𝑖
𝑚2) phải bám theo góc quay vành lái (𝜃𝑠𝑤), điều này được thể hiện khi sai lệch 𝑒4 → 0.
- Thực nghiệm quỹ đạo chuyển động (trên sa bàn) và quay vịng với bán kính quay vịng nhỏ nhất (đánh lái đến điểm giới hạn về một bên), việc thực nghiệm được tiến hành nhiều vịng liên tục (3÷5 vịng) trong cùng điều kiện như: người lái, đường thử, góc đánh lái, tốc độ, tọa độ GPS…nhằm đánh giá sự hoạt động liên tục, ổn định của hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực được thiết kế trên xe HINO 300Series. Điều này được thể hiện thơng qua hình dạng của các đường biểu diễn quỹ đạo trên đồ thị: Các đường quỹ đạo phù hợp về hình dạng, đều (không bị gãy, gấp khúc), đường quỹ đạo liên tục (khơng bị đứt, hở) và có sự trùng khít tương đối giữa các đường quỹ đạo. - Cung cấp số liệu đầu vào cho mơ hình lý thuyết để kiểm nghiệm, đánh giá sự tin cậy, chính xác của mơ hình lý thuyết nghiên cứu đối với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực. Điều này được thể hiện khi kết quảđầu ra của mơ hình lý thuyết và kết quả thực nghiệm có sai lệch nhỏ𝑒5 → 0.
4.4.1 Các bước chuẩn bị thực nghiệm
Xe Thực nghiệm: Xe HINO 300Series lắp hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực như Hình 4.45.
Địa điểm thực nghiệm:
Trong điều kiện về pháp lý, chiếc xe chưa đủ điều kiện chạy thử trên các tuyến đường giao thơng cơng cộng, do đó việc sử dụng đường giao thông nội bộtrong Trường ĐH Giao Thông Vận Tải là lựa chọn phù hợp cho việc thực nghiệm. Bản đồ địa điểm thực nghiệm như hình 4.46: Trong đó Hình 4.47 tuyến đường thực nghiệm hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực gồm 6 đoạn chạy thẳng (100x3m, 18x3m, 30x3m, 47x6.5m, 145x3m, 80x3m), 5 khúc rẽ trái (R=20m), 1 khúc rẽ phải (R=20m). Hình 4.48 tuyến đường thực nghiệm quỹ đạo chuyển động là hình chữ nhật kích thước 80x30 (mét), là đường bê tơng nhựa có chiều rộng đường một cạnh 5 mét, ba cạnh 3 mét.
.
Hình 4.46: Bản đồđịa điểm thực nghiệm
Hình 4.48: Sơ đồ tuyến đường thực nghiệm quỹđạo chuyển động xe ô tô Thiết bị thực nghiệm: Thiết bị thực nghiệm: - Màn hình hiển thị kết quả Hình 4.49: Màn hình hiển thị kết quả - Máy tính kết nối Hình 4.50: Máy tính hiển thịvà lưu trữ kết quả
- Thiết bị định vị GPS như hình 4.51 bao gồm: Phần Anten thu GPS đặt ở đầu và đuôi xe và phần giải mã xử lý đặt trong ơtơ kết nối với máy tính qua cổng USB.
Hình 4.51: Lắp đặt thiết bịđịnh vị GPS
Các thơng tin GPS như vị trí, vận tốc, gia tốc, góc quay thân xe, góc Pitch, Roll … có thể lấy trực tiếp trên phần mềm Dewesoft X hoặc qua đầu ra của thiết bị như: Vận tốc hay quãng đường dịch chuyển. Nguồn nuôi thiết bị đo bằng nguồn 220VAC từ bộ nguồn rung EA-TWI 250-12.
- Phần mềm: Phần mềm Dewesoft là phần mềm được phát triển bởi hãng DEWETRON, nhận và xử lý tín hiệu đa dụng có chức năng nhận đúng tín hiệu do các cảm biến gửi đến đúng kênh đo, sau đó bằng chương trình do người đo thiết lập sẽ xử lý tín hiệu, trả kết quả đo bằng giá trị của đại lượng vật lý thực theo thời gian thực và ghi lại vào tệp tin lưu trữ trong máy tính.
Sơ đồ kết nối các thiết bị như hình 4.53 gồm: Các cảm biến, các thiết bị thu thập và chuyển đổi, hiệu chuẩn tín hiệu, máy tính với phần mềm chuyên dụng để xử lý kết quả thí nghiệm và nguồn cung cấp điện cho các thiết bị này.
Hình 4.53. Sơ đồđấu nối thiết bị thực nghiệm
Người lái và an toàn: 01 người lái có kinh nghiệm thực hiện lái xe suốt q trình thực nghiệm, có người cảnh báo tại các vị trí trên đoạn đường thực nghiệm.
4.4.2 Phương pháp thực hiện:
Thực nghiệm được tiến hành theo các bài thực nghiệm sau [59]:
- Bài 1: Thực nghiệm ở trạng thái tĩnh (có trợ lực thủy lực và khơng trợ lực): Đánh lái lần lượt về hai phía với các góc vành lái khác nhau và vận tốc đánh lái khơng đổi và đánh hết lái (góc đánh lái lớn nhất).
- Bài 2: Thực nghiệm trên đường giao thông nội bộ: Lái xe trên đường giao thông nội bộnhư Hình 4.48, vận tốc xe từ (5 ÷ 10 km/h)
- Bài 3: Thực nghiệm quỹ đạo chuyển động ô tô: lái xe với vận tốc đều (5km/h) trên đường thử như Hình 4.49, thực hiện liên tục 04 vòng đường thử.
Các kết quả đo là giá trị đại lượng vật lý theo thời gian thực được lưu trữ trong máy tính kết nối với các thiết bị thực nghiệm, bao gồm: Góc quay, vận tốc, chiều quay của vành lái, bộ chấp hành dẫn hướng; Dòng và áp cấp cho động cơ DCM1 và DCM2; Các thơng tin GPS như: Vị trí, vận tốc xe, gia tốc xe, góc quay thân xe, quãng đường dịch chuyển…Các giá trị đo đạc sử dụng các cảm biến, bộ xử lý điện tử cho kết quả chính xác.
4.4.3 Kết quả thực nghiệm
Để đánh giá sự hoạt động chính xác, tin cậy của hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực được thiết kế trên xe HINO 300Series thì thực nghiệm được tiến hành ở trạng thái tĩnh và vận hành trên đường giao thông.
Thực nghiệm ở trạng thái tĩnh:
Để hệ thống lái hoạt động chính xác, tin cậy thì góc quay của trục cơ cấu lái
𝜃𝑚2𝑡𝑛
𝑖𝑚2 bám theo góc quay vành lái 𝜃swtn hay sai lệch 𝑒4 giữa góc quay VL và góc quay trục cơ cấu lái 𝑒4 = 𝜃swtn − 𝜃𝑚2𝑡𝑛
𝑖𝑚2 → 0; Điện áp điều khiển 𝑉m2tn lớn nhất ≤ điện áp định mức (12V).
- Trường hợp không trợ lực:
Hình 4.54 biểu diễn góc đánh lái 𝜃swtn: Đánh hết lái về bên phải, trả về 0, tiếp tục đánh hết lái về bên trái và trả về 0; Hình 4.55 biểu diễn góc quay trục cơ cấu lái
𝜃𝑚2𝑡𝑛
𝑖𝑚2 bám theo góc quay vành lái 𝜃swtn; Hình 4.56 biểu diễn sai lệch 𝑒4: Sai lệch bình phương trung bình RMS 𝑒4= 0,0978 (rad), 𝑒4𝑚𝑎𝑥 = 0,15 (rad); Hình 4.57 biểu diễn điện áp điều khiển động cơ DCM2 với giá trị 𝑉m2tn max = 10 (V).
Hình 4.54: Đồ thị góc quay vành lái 𝜃𝑠𝑤𝑡𝑛
Hình 4.55: Đồ thị góc quay vành lái 𝜃𝑠𝑤𝑡𝑛và góc quay trục cơ cấu lái𝜃𝑚2𝑡𝑛 𝑖𝑚2
Hình 4.56: Đồ thị Sai lệch góc quay vành lái và góc quay trục vào cơ cấu lái 𝑒4
Hình 4.57: Đồ thị biểu diễn điện áp điều khiển động cơ DCM2𝑉𝑚2𝑡𝑛
- Trường hợp có trợ lực:
Hình 4.58 biểu diễn góc đánh lái 𝜃swtn: Đánh hết lái về bên phải, trả về 0, tiếp tục đánh hết lái về bên trái và trả về 0; Hình 4.59 biểu diễn góc quay trục cơ cấu lái 𝜃𝑚2𝑡𝑛
𝑖𝑚2 bám theo góc quay vành lái 𝜃swtn; Hình 4.60 biểu diễn sai lệch 𝑒4: Sai lệch bình phương trung bình RMS 𝑒4= 0,1 (rad), 𝑒4𝑚𝑎𝑥 = 0,17 (rad); Hình 4.61 biểu diễn điện áp điều khiển động cơ DCM2 𝑉m2tn max = 6 (V).
Hình 4.59: Đồ thị góc quay vành lái và góc quay trục vào cơ cấu lái
Hình 4.60: Đồ thị sai lệch góc quay vành lái và góc quay trục vào cơ cấu lái 𝑒4