Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát hệ số trượt và ước lượng tốc độ tuyệt đối cho điều khiển lực kéo của ô tô điện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:151

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án này tập trung giải quyết bài toán ước lượng hệ số trượt của xe ô tô điện. Để thực hiện công việc này, tác giả đề xuất các thuật toán ước lượng trực tiếp hệ số trượt và ước lượng tốc độ dài của xe ô tô điện để từ đó tính toán ra hệ số trượt. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát hệ số trượt và ước lượng tốc độ tuyệt đối cho điều khiển lực kéo của ô tô điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Võ Duy Thành NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT HỆ SỐ TRƯỢT VÀ ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ TUYỆT ĐỐI CHO ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO CỦA Ô TÔ ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội, 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Võ Duy Thành NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT HỆ SỐ TRƯỢT VÀ ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ TUYỆT ĐỐI CHO ĐIỀU KHIỂN LỰC KÉO CỦA Ô TÔ ĐIỆN Ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Tạ Cao Minh Hà Nội, 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ "Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát hệ số trượt và ước lượng tốc độ tuyệt đối cho điều khiển lực kéo của ô tô điện" là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của người hướng dẫn khoa học. Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào khác. Toàn bộ các nội dung kế thừa và tham khảo đều được trích dẫn, tham chiếu đầy đủ. Hà Nội, ngày 3 tháng 7 năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh i
LỜI CẢM ƠN Một điều dễ nhận thấy đối với việc nghiên cứu và hoàn thành một quyển báo cáo là phần Kết luận được đặt ở cuối quyển lại là phần mà người nghiên cứu sẽ phải hoàn thành nội dung của nó đầu tiên; trong khi đó, phần Lời cảm ơn đặt ở đầu quyển thì được viết sau cùng. Không phải bởi vì tầm quan trọng của các phần này mà bởi vì chỉ sau khi chúng ta hoàn thành xong toàn bộ và đóng gói được một quyển luận án thì ta mới nhìn lại cả một chặng đường dài làm việc và thầm cảm ơn những người đã đi cùng ta trong suốt thời gian đó. Tôi chính thức bảo vệ đề cương Nghiên cứu sinh vào đầu tháng 5/2013 với tên đề tài ban đầu được gợi ý bởi Tiến sĩ Nguyễn Bình Minh, người đã có nhiều công trình nghiên cứu thành công về ô tô điện tại Nhật Bản. Sau khi trình bày đề cương, có không ít ý kiến cho rằng, đề tài này khó làm, thiếu tính thực tiễn, không có cơ sở nghiên cứu trên thế giới. Bản thân mình tại thời điểm đó, tôi cũng tự nhận thấy rằng nội dung đã đề xuất khá mơ hồ và thiếu tính hàn lâm. Phải mất khá nhiều thời gian kiên trì tìm hiểu, trao đổi và khám phá, cộng với sự động viên, giúp đỡ của người thầy hướng dẫn khả kính và tận tụy, Phó Giáo sư Tạ Cao Minh, tôi mới thấy thực sự yêu thích đề tài này và biết rằng mình đã có những lựa chọn sáng suốt. Vì vậy, lời cảm ơn đầu tiên tôi xin được gửi tới người thầy của tôi, Phó Giáo sư Tạ Cao Minh, người đã không quản ngại thời gian, công sức đi cùng tôi từ đầu tới cuối công trình, người đã kiên trì giải thích, hỗ trợ, giảng giải những khúc mắc trong quá trình nghiên cứu, kể cả những câu hỏi "ngu ngơ" nhất, người đã bỏ cả những bữa tối với gia đình chỉ để nghe tôi trình bày các ý tưởng và sửa chữa những sai sót trong các công trình nghiên cứu. Với thầy, tôi được là chính mình trong con người của khoa học, được dũng cảm thể hiện tất cả những gì mình đang thiếu sót mà không cảm thấy bất kỳ ngại ngùng gì. Cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Binh Minh vì gợi ý ban đầu cho đề tài nghiên cứu, mặc dù đã có những sự thay đổi, bổ sung nhất định nhưng xương sống và định hướng của đề tài vẫn được giữ vững từ đầu tới cuối công trình. Mỗi lần báo cáo định kỳ các kết quả nghiên cứu tại đơn vị đào tạo, Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, Viện Điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, luôn có một người thầy phản biện rất gay gắt. Mỗi lần báo cáo như vậy là những cuộc tranh luận rất sôi nổi và thẳng thắn. Chỉ tới khi tôi trình bày hoàn chỉnh các nghiên cứu của tôi một cách có hệ thống, kết hợp với quá trình triển khai thực nghiệm, tôi mới nhận được "cái gật đầu" của thầy. Tôi nhận thấy rằng, những cuộc tranh luận, những ý kiến phản biện gay gắt mà sắc sảo đó đã tạo động lực nghiên cứu cho tôi, kích thích tính "hiếu thắng khoa học", và đôi khi, sự đồng ý của thầy giống như một đích đến mà tôi luôn nỗ lực hết sức để đạt được. Nếu không có những sự kiện ấy, tôi không biết tới bao giờ mới hoàn thành được nghiên cứu này. Người thầy đó là thầy Phó Giáo sư Trần Trọng Minh. Xin cảm ơn thầy vì tất cả sự quan tâm, sát sao, động viên và chỉ bảo trong suốt thời gian qua. Tôi cũng xin được cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Tự động hóa, nơi tôi công tác, các anh chị em đồng nghiệp đã động viên, cổ vũ tôi để tôi cảm nhận được niềm vui trong ii
nghiên cứu khoa học. Tôi xin đặc biệt cảm ơn các thầy Phó Giáo sư Nguyễn Văn Liễn, Phó Giáo sư Bùi Quốc Khánh, Giáo sư Nguyễn Phùng Quang vì sự quan tâm, góp ý, động viên và coi tôi như một người con của Tự động hóa. Đồng thời, tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy Phó Giáo sư Hồ Hữu Hải và Phó Giáo sư Đàm Hoàng Phúc đang công tác tại Viện Cơ khí Động lực, ĐH BKHN vì những trao đổi cũng như góp ý để hoàn thiện những thiếu sót của một "kẻ ngoại đạo" của ngành ô tô như tôi. Tại Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi có những người đồng nghiệp, người bạn đã cho tôi không khí nghiên cứu khoa học đúng nghĩa bằng những trao đổi chuyên môn, những thảo luận chi tiết, đi vào bản chất của các vấn đề nghiên cứu. Cám ơn bạn Nguyễn Bảo Huy vì những trao đổi rất hiệu quả. Mỗi lần Huy về nước là mỗi lần "không khí khoa học" của Trung tâm lại được thổi bùng lên một cách hứng khởi. Cám ơn chị Nguyễn Thu Hà, mặc dù chuyên môn về Kinh tế nhưng vẫn kiên trì ngồi nghe tôi giải thích các vấn đề khoa học kỹ thuật tưởng như rất khô khan. Có được những kết quả nghiên cứu hôm nay không thể không nhắc tới sự giúp đỡ của các bạn sinh viên ngành Tự động hóa. Các bạn đã giúp tôi triển khai thực tế các ý tưởng nghiên cứu. Cảm ơn các bạn vì những lần cả thầy và trò đẫm mồ hôi trong xưởng vào những ngày hè để giải mã thông tin trên xe ô tô điện, vì những lần "cẩu" xe ô tô đi Nam Định để đo đạc đặc tính động học, vì những lần bị đói vì cố chạy thực nghiệm nốt lần cuối nhưng mãi chưa thành lần cuối. Đó luôn là những trải nghiệm mà không làm thực sự thì không bao giờ có được. Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn bạn Nguyễn Trung Kiên, giảng viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định và các đồng nghiệp cùng Bộ môn của Kiên đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm và lấy đặc tính trên xe ô tô tại Nam Định. Cuối cùng và quan trọng nhất vẫn luôn là gia đình. Tôi có một gia đình rất tuyệt vời. Đó là cha mẹ tôi, những người quan tâm động viên nhưng không hề gây sức ép vì sợ tôi đã phải vất vả làm việc, chăm lo cho tôi một cách vô tư nhất và trong thâm tâm tôi luôn biết rằng, cha mẹ rất lo lắng về tiến độ nghiên cứu của tôi nhưng không bao giờ nói ra. Đó là vợ tôi, người bạn đời luôn đi cùng tôi, hỗ trợ tôi cả về vật chất lẫn tinh thần trong những lúc khó khăn nhất, đã "chịu đựng" tôi đi sớm về muộn, giúp tôi gánh vác cuộc sống gia đình. Đó là con trai tôi, đứa trẻ mà mỗi lần tôi nhìn nó đều là mỗi lần tôi thấy mình được tiếp thêm động lực làm việc. Tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới gia đình của mình, một chỗ dựa vững chắc nhất mà tôi không thể tìm thấy được ở bất kỳ ai khác. Hà Nội, tháng 7 năm 2019. iii
Mục lục Mở đầu 1 1 Tổng quan 4 1.1 Khái quát đối tượng nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Mục tiêu nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.1 Điều khiển chuyển động xe ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.2 Các trạng thái cơ bản của xe ô tô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.3 Giới hạn nội dung nghiên cứu và đề xuất yêu cầu của luận án . . . . . 16 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3.1 Ước lượng trạng thái xe ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3.2 Các nghiên cứu về điều khiển lực kéo - TCS . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4 Đề xuất phương hướng thực hiện nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2 Mô hình hóa và mô phỏng xe ô tô điện 30 Tóm tắt nội dung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.1 Cấu hình mô hình mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2 Mô hình hóa động học và động lực học xe ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.1 Động học xe ô tô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.2 Động lực học xe ô tô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.3 Mô phỏng kiểm chứng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.3 Xây dựng hệ thống mô phỏng Signal Hardware-in-the-loop cho xe ô tô điện . 41 2.3.1 Mô phỏng Hardware-in-the-loop - Định nghĩa và phân loại . . . . . . . 41 2.3.2 Cấu hình hệ thống mô phỏng Signal Hardware-in-the-loop cho xe ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.3 Mô hình hệ thống truyền động xe ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.4 Thiết kế ghép nối phần cứng và tổng thể hệ thống . . . . . . . . . . . . 46 2.4 Kết quả kiểm chứng mô hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.4.1 Các kịch bản thử nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.4.2 Kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3 Ước lượng trạng thái xe ô tô điện 53 Tóm tắt nội dung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.1 Tổng hợp dữ liệu đa cảm biến - mô hình và một số vấn đề cần giải quyết . . . 53 3.2 Nâng cao tốc độ trích mẫu của cảm biến bằng bộ lọc Multirate Kalman . . . . 56 3.2.1 Giới thiệu chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2.2 Bộ lọc Multirate Kalman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.2.3 Đề xuất cải tiến bộ lọc Multirate Kalman . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 iv
MỤC LỤC 3.2.4 Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.3 Ước lượng trực tiếp hệ số trượt xe ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.3.1 Mô hình thu gọn xe ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.3.2 Thiết kế bộ ước lượng trực tiếp hệ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.3 Thiết kế bộ quan sát trực tiếp hệ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.3.4 Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.3.5 Nhận xét . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4 Ước lượng tốc độ dài sử dụng Tổng hợp dữ liệu đa cảm biến . . . . . . . . . . 70 3.4.1 Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4.2 Tổng hợp tối ưu thông tin từ nhiều nguồn dữ liệu . . . . . . . . . . . . 73 3.4.3 Ứng dụng cho ước lượng vận tốc tuyệt đối . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4 Điều khiển hệ số trượt 77 Tóm tắt nội dung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.1 Giới thiệu chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2 Điều khiển giới hạn hệ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.2.1 Cấu hình hệ thống điều khiển đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.2.2 Xây dựng bộ điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.2.3 Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.3 Điều khiển chống trượt trên cơ sở giới hạn mô men truyền cực đại . . . . . . 86 4.3.1 Ước lượng mô men truyền cực đại MTTE (Maximum Transmissible Torque Estimation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.3.2 Cải tiến bộ điều khiển giới hạn mô men cực đại . . . . . . . . . . . . . . 87 4.3.3 Phân tích và khảo sát tính ổn định . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.3.4 Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5 Xây dựng hệ thống thực nghiệm và kết quả 96 Tóm tắt nội dung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.1.1 Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.1.2 Thiết kế hệ thống phần cứng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.1.3 Hệ thống tham chiếu DAS-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.1.4 Lắp đặt hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.1.5 Xây dựng hệ thống thực nghiệm điều khiển Signal Hardware-in-the-loop104 5.2 Kết quả thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.2.1 Đặc điểm đường chạy thử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.2.2 Phương pháp đánh giá kết quả ước lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.2.3 Thử nghiệm độc lập hệ thống thu thập dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . 107 5.2.4 Thử nghiệm thuật toán nâng cao tốc độ trích mẫu . . . . . . . . . . . . 109 5.2.5 Ước lượng tham số xe ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.6 Điều khiển chuyển động xe ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Kết luận 123 Danh mục các công trình đã công bố của luận án 125 v
MỤC LỤC Tài liệu tham khảo 127 vi
Danh sách bảng 2.1 Các thông số sử dụng trong mô hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.1 Dữ liệu một số bản tin CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.2 Các thông số chính của MyRIO 1900 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.3 Các thông số của hệ thống DAS-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.4 Thông số đường thử nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.5 Chất lượng phương pháp nâng cao tốc độ trích mẫu encoder bánh xe . . . . . 111 5.6 Chất lượng phương pháp ước lượng trực tiếp hệ số trượt . . . . . . . . . . . . 112 5.7 Chất lượng phương pháp ước lượng tốc độ dài . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.8 Chất lượng phương pháp tính toán hệ số trượt thông qua tốc độ dài . . . . . . 115 vii
Danh sách hình vẽ 1.1 Các lớp bài toán điều khiển trong xe ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Xe ô tô và người điều khiển trong điều khiển chuyển động . . . . . . . . . . . 6 1.3 Các phương chuyển động của xe ô tô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Mô hình chuyển động ngang Segel - Mô hình xe đạp . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5 Các lực tác dụng lên xe theo phương dọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6 Các trạng thái của xe ô tô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.7 Mối quan hệ giữa hệ số trượt λ và hệ số bám µ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.8 Quan hệ giữa tốc độ bánh xe, tốc độ xe và hệ số trượt . . . . . . . . . . . . . . 13 1.9 Bộ sản phẩm đo tốc độ của Kistler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.10 Phân loại các nghiên cứu về điều khiển lực kéo ô tô điện . . . . . . . . . . . . 22 1.11 Điều khiển lực kéo trên cơ sở mô hình mẫu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.12 Điều khiển lực kéo trên cơ sở ước lượng điều kiện mặt đường . . . . . . . . . 23 1.13 Điều khiển lực kéo không dùng thông tin vận tốc . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.14 Điều khiển hệ số trượt trong khoảng ổn định . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.15 Cấu trúc hệ điều khiển hệ số trượt trên cơ sở điều khiển trượt . . . . . . . . . 26 1.16 Các nhiệm vụ của luận án . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1 Các hướng chuyển động của xe ô tô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2 Mô hình xe ô tô 3 bậc tự do với các lực tác dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3 Cấu hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.4 Lưu đồ thuật toán thực hiện mô hình xe ô tô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.5 Mô hình Simulink động lực học và động học xe ô tô . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.6 Trường hợp 1 - Tốc độ bình thường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.7 Trường hợp 2 - Tốc độ cao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.8 Trường hợp 3 - Chuyển hướng lái . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.9 Phân loại mô phỏng Hardware-in-the-loop (a) Signal hardware-in-the-loop. (b) Power và Reduced-scale hardware-in-the-loop . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.10 Signal Hardware-in-the-loop với hệ điều khiển cho xe ô tô điện . . . . . . . . . 43 2.11 Cấu hình đề xuất hệ thống mô phỏng Signal HIL . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.12 Cấu hình hệ thống truyền động xe ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.13 Mô hình của hệ thống truyền lực xe ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.14 Mô hình tổng thể hệ thống Signal HIL cho xe ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . 47 2.15 Ghép nối phần cứng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.16 Kết quả mô phỏng cho thử nghiệm đi thẳng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.17 Kết quả khi đánh lái . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.1 Mô hình quá trình tổng hợp cảm biến JDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.2 Sự khác biệt về thời gian trích mẫu trong một hệ thống điều khiển . . . . . . 56 viii
DANH SÁCH HÌNH VẼ 3.3 Mô hình bộ lọc Kalman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.4 Tín hiệu thực, tín hiệu trích mẫu và phương sai động . . . . . . . . . . . . . . 60 3.5 Thực thi bộ lọc Multirate Kalman đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.6 Cấu hình của hệ thống mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.7 Thử nghiệm với tín hiệu vào hình sin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.8 Thử nghiệm với tín hiệu vào tam giác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.9 So sánh sai số của các phương pháp (với tín hiệu vào hình sin) . . . . . . . . 64 3.10 Mô hình xe ô tô điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.11 Hệ số khuếch đại của bộ quan sát hệ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.12 Kết quả mô phỏng bộ quan sát hệ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.13 Cảm biến đo tốc độ bánh xe (nguồn: Mitsubishi) . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.14 Tín hiệu đo gia tốc (a) và Vận tốc đo từ 3 loại cảm biến (b) . . . . . . . . . . . . 72 4.1 Mối quan hệ giữa µ − λ và các vùng điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.2 Cấu hình hệ điều khiển giới hạn hệ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.3 Đặc tính điều khiển bộ bù kiểu 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.4 Triển khai hệ thống điều khiển cho bộ bù kiểu 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.5 Đặc tính điều khiển bộ bù kiểu 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.6 Triển khai hệ thống điều khiển cho bộ bù kiểu 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.7 Thử nghiệm khi không điều khiển hệ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.8 Thử nghiệm với bộ bù kiểu 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.9 Thử nghiệm với bộ bù kiểu 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.10 Cấu trúc hệ điều khiển chống trượt trên cơ sở giới hạn mô men truyền cực đại 88 4.11 Mô hình tương đương của hệ thống điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.12 Mô hình thu gọn của hệ thống điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.13 Hệ số trượt khi thay đổi hệ số chỉnh định κ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.14 So sánh vận tốc xe và vận tốc bánh xe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.15 So sánh mô men đặt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.16 So sánh hệ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.17 So sánh công suất tiêu thụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.1 Cấu hình hệ thống phần cứng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.2 Đặc điểm tín hiệu ra của các Encoder bánh xe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.3 Các cổng giao tiếp trên module cơ bản DAS-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.4 Lắp đặt các hệ thống thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.5 Signal Hardware-in-the-loop với hệ thống thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . 104 5.6 Hệ thống thí nghiệm kiểu Signal HIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.7 Sơ đồ đường thử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.8 Thử nghiệm chạy độc lập hệ thống thu thập dữ liệu - Chạy thẳng . . . . . . . 107 5.9 Thử nghiệm chạy độc lập hệ thống thu thập dữ liệu - Chạy hình sin . . . . . 108 5.10 Vận tốc đo từ GPS và đo từ bánh xe - Chạy thẳng . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.11 Nâng cao tốc độ trích mẫu encoder 36 xung/vòng . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.12 Nâng cao tốc độ trích mẫu GPS 10Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.13 Cấu hình hệ thống ước lượng hệ số trượt không dùng vận tốc . . . . . . . . . 111 5.14 Kết quả ước lượng hệ số trượt bằng các hệ thống khác nhau . . . . . . . . . . 112 5.15 Cấu hình hệ thống ước lượng vận tốc dài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.16 Ước lượng vận tốc dài và tính toán hệ số trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.17 Kết quả khi không điều khiển hệ số trượt trên HIL . . . . . . . . . . . . . . . . 116 ix
DANH SÁCH HÌNH VẼ 5.18 Kết quả điều khiển hệ số trượt trên HIL với bộ bù kiểu 1 . . . . . . . . . . . . 117 5.19 Kết quả điều khiển hệ số trượt trên HIL với bộ bù kiểu 2 . . . . . . . . . . . . 118 5.20 Kết quả của phương pháp MTTE nguyên bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.21 Thử nghiệm với hệ số κ=2.78 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.22 Thử nghiệm với hệ số κ=20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.23 Thử nghiệm với hệ số κ=50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 x
Danh mục các ký hiệu l f , lr , b f , br , h Kích thước hình học của xe ô tô Fxi , Fyi , i = 1..4 Lực dọc trục và ngang trục trên các bánh xe vx hoặc V Vận tốc tuyệt đối (dọc trục), còn gọi là vận tốc dài vy Vận tốc ngang trục r Tốc độ quay quanh tâm xe ax , ay Gia tốc tuyệt đối (dọc trục) và gia tốc ngang trục m hoặc M Tổng khối lượng xe ô tô cW Hệ số hình dáng khí động học của xe A Diện tích mặt trước của xe ρ Mật độ không khí δ Góc lái của bánh xe Fair Lực cản không khí λ Hệ số trượt hay hệ số trượt của bánh xe λˆ Hệ số trượt ước lượng an , bn , Sh, Sv Các hệ số trong phương trình Pacejka α Góc trượt ngang của bánh xe γ Góc nghiêng của bánh xe (góc camber) Fzi , i = 1..4 Trọng lực của xe trên các bánh xe N Trọng lượng của cả xe ô tô Re f f Bán kính hiệu dụng của bánh xe ω Tốc độ quay của bánh xe Te Mô men sinh ra bởi động cơ Tt Mô men đầu ra của hộp giảm tốc Ki Tỉ số truyền của hộp giảm tốc Ftotal Tổng các lực dọc trục trên các bánh xe Tb Mô men phanh quy đổi về trục bộ truyền Jz Mô men quán tính quanh trục đứng Jx hoặc J Mô men quán tính của xe Jw hoặc Jω Mô men quán tính của bánh xe A, B,C Các ma trận trong mô hình không gian trạng thái viết trên miền thời gian F, G, H, Λ Các ma trận trong mô hình không gian trạng thái viết trên miền rời rạc xi
Danh mục các ký hiệu Q hay Qc Ma trận hiệp phương sai nhiễu quá trình R hay Rc Ma trận hiệp phương sai nhiễu đo P Ma trận hiệp phương sai của sai lệch ước lượng T Chu kỳ trích mẫu Tc Chu kỳ trích mẫu vòng điều khiển Ts Chu kỳ trích mẫu của cảm biến tốc độ cập nhật chậm ξ Hệ số góc giữa hai điểm trích mẫu thực Fd Lực ma sát sinh ra bởi tiếp xúc mặt đường - lốp xe, gọi tắt là lực chủ động Fdr Lực cản trở chuyển động Vw Vận tốc của bánh xe σ,σ2 Độ lệch chuẩn và phương sai của phép đo pa , pb Vị trí chân ga, chân phanh g Gia tốc trọng trường Cs Độ cứng lái (driving stiffness) µ Hệ số bám ∆T Lượng bù mô men Tcom Lượng đặt mô men từ người lái Kc Hệ số bù κ Hệ số chỉnh định ∇ Tỉ lệ mô men của động cơ không truyền được xuống mặt đường xii
Danh mục các từ viết tắt EV Electric Vehicle TCS Traction Control System ABS Anti-lock Braking System MTTE Maximum Transmissible Torque Estimation KF Kalman Filter E-KF Extended Kalman Filter MKF Multirate Kalman Filter M-MKF Modified Multirate Kalman Filter MSE Mean Square Error RMSD Root Mean Square Deviation NRMSD Normalized Root Mean Square Deviation IMU Inertial Measurement Unit GPS Global Positioning System HIL Hardware-in-the-loop S-HIL Signal Hardware-in-the-loop xiii
Mở đầu Tầm quan trọng và lý do lựa chọn đề tài Ước lượng trạng thái là nhiệm vụ cơ bản của điều khiển chuyển động và động lực học xe ô tô. Trên xe ô tô có rất nhiều trạng thái, ví dụ như: góc trượt thân xe, vận tốc dài, hệ số trượt, góc lắc ngang, khối lượng, độ cứng lốp... Mỗi trạng thái của xe ô tô đều đóng góp vai trò quan trọng vào hệ thống điều khiển, làm tăng cường chất lượng điều khiển và đặc biệt góp phần đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách trên xe trong những điều kiện vận hành và đặc điểm môi trường khác nhau. Nếu không xác định được các trạng thái thì việc điều khiển xe hoàn toàn phụ thuộc kinh nghiệm và thể trạng của người lái, tiềm ẩn rất nhiều rủi ro trong quá trình tham gia giao thông như hiện tượng mất lái khi đi đường trơn, thừa/thiếu lái khi chuyển hướng hoặc khi phanh để tránh vật cản xuất hiện đột ngột. Nếu có thể biết được các trạng thái của xe, hệ thống điều khiển có thể can thiệp tín hiêu vào các cơ cấu chấp hành để hỗ trợ người lái, giúp đưa xe ô tô về điều kiện vận hành an toàn và tuân theo yêu cầu điều khiển của người lái. Vì vậy, việc ước lượng trạng thái của xe ô tô là cực kỳ cần thiết. Đối với xe ô tô điện, việc được trang bị động cơ điện cho hệ thống truyền động sẽ tận dụng được rất nhiều ưu điểm của loại cơ cấu chấp hành này. Trong đó phải kể đến các đặc điểm nổi trội vượt bậc so với xe chạy động cơ đốt trong như: (1) đáp ứng mô men rất nhanh, chỉ trong vài mili giây, (2) mô men có thể đo được thông qua đo dòng điện động cơ, tạo điều kiện cho việc điều khiển lực phát động của xe, (3) động cơ có thể tích hợp vào bánh xe làm việc điều khiển trở nên linh hoạt hơn, độc lập hơn và an toàn hơn. Để tận dụng được các ưu điểm vượt trội này của động cơ điện, việc ước lượng các trạng thái của xe ngoài yêu cầu về độ chính xác cao, còn phải đáp ứng các tiêu chí về tốc độ trích mẫu và mức độ đơn giản trong tính toán để phù hợp với các ứng dụng thời gian thực. Về cơ bản, ước lượng trạng thái xe ô tô gặp một số khó khăn gồm: • Trạng thái của xe ô tô phần lớn là không đo trực tiếp được, và nếu đo được thì cũng bắt buộc phải đo bằng các hệ thống cảm biến chi phí rất cao, không phù hợp cho việc triển khai trên xe ô tô thương mại. Chính điều này dẫn tới vấn đề cần phải ước lượng các trạng thái để phục vụ cho điều khiển. • Xe ô tô là đối tượng phi tuyến mạnh và các tham số biến thiên liên tục trong suốt quá trình vận hành của xe như khối lượng, điều kiện ma sát mặt đường, tốc độ gió... • Các cảm biến gắn trên xe ô tô rất đa dạng với nhiều đặc tính về chủng loại, tốc độ, độ phân giải. Để sử dụng hệ thống cảm biến này đòi hỏi phải có các phương pháp đồng bộ thông tin, lọc nhiễu hay phối hợp nhằm trích lọc được thông tin ý nghĩa để đưa vào bộ ước lượng trạng thái. Việc ước lượng trạng thái cho xe ô tô điện đang là một chủ đề nghiên cứu hấp dẫn ở cả lý thuyết hàn lâm lẫn triển khai thực tế bởi ô tô điện là xu thế chung của cả thế giới. Các kết quả nghiên cứu về ước lượng trạng thái của ô tô điện thường được ứng dụng vào điều 1
Mở đầu khiển chuyển động và điều khiển tự lái. Xét trên đặc thù giao thông tại Việt Nam, tác giả lựa chọn đề tài có tên gọi: "Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát hệ số trượt và ước lượng tốc độ tuyệt đối cho điều khiển lực kéo của ô tô điện" Tóm lược nội dung nghiên cứu và kết quả của luận án Luận án này tập trung giải quyết bài toán ước lượng hệ số trượt của xe ô tô điện. Để thực hiện công việc này, tác giả đề xuất các thuật toán ước lượng trực tiếp hệ số trượt và ước lượng tốc độ dài của xe ô tô điện để từ đó tính toán ra hệ số trượt. Để giải quyết các vấn đề trong ước lượng trạng thái xe ô tô, thay vì tiếp cận thông qua mô hình động lực học, luận án thực hiện nghiên cứu trên cơ sở của phương pháp tổng hợp dữ liệu đa cảm biến với mô hình động học của đối tượng. Với cách tiếp cận này, thuật toán ước lượng sẽ hoạt động độc lập với sự thay đổi của các tham số động lực học của xe ô tô. Trong các nghiên cứu được đề xuất, hệ số trượt được ước lượng trực tiếp từ mô hình động học và không dùng thông tin về tốc độ dài. Trong khi đó, tốc độ dài của xe ô tô sẽ được ước lượng thông qua tổng hợp dữ liệu từ hệ thống các cảm biến gồm gia tốc kế, Global Positioning System (GPS), cảm biến tốc độ quay bánh xe. Các cảm biến trong hệ thống này hoặc đã được gắn sẵn trên xe, hoặc được trang bị thêm phục vụ nhu cầu nghiên cứu. Để đảm bảo sự đồng bộ về mặt dữ liệu của các cảm biến, thuật toán nâng cao tốc độ trích mẫu của cảm biến bằng việc sửa đổi thuật toán Multirate Kalman Filter cũng được đề xuất. Các thuật toán đều rất đơn giản nên yêu cầu năng lực tính toán của phần cứng thấp. Vì vậy, các đề xuất của luận án khả thi khi triển khai trên các hệ thống phần cứng với yêu cầu thời gian thực. Về mặt ứng dụng, luận án đề xuất một số thuật toán trong điều khiển chống trượt và điều khiển lực kéo xe ô tô điện. Các thuật toán điều khiển đều sử dụng kết quả của phép ước lượng hệ số trượt đã thực hiện. Trong các thuật toán điều khiển được đề xuất, bộ điều khiển chống trượt hoạt động như một bộ giới hạn hệ số trượt để đảm bảo khi xe đi vào đường có hệ số bám thấp, hệ số trượt không vượt quá giới hạn đặt trước, từ đó, duy trì độ bám đường và tăng mức độ an toàn của người lái. Trong khi đó, bộ điều khiển lực kéo được đề xuất trên cơ sở sửa đổi phương pháp điều khiển lực kéo bằng ước lượng mô men truyền cực đại (Maximum Transmissible Torque Estimation - MTTE). Phương pháp này tính toán mô men cực đại cho phép trong mỗi điều kiện mặt đường khác nhau để giới hạn mô men đặt cho động cơ truyền động. Do đó, xe luôn được hoạt động trong vùng an toàn. Toàn bộ các thuật toán ước lượng và điều khiển đều được kiểm chứng bằng mô phỏng off-line trên nền phần mềm Matlab/Simulink, thực nghiệm trên xe ô tô điện thực và mô phỏng thời gian thực bằng hệ thống Hardware-in-the-loop. Đối tượng nghiên cứu và thử nghiệm thuật toán của luận án là xe ô tô điện i-MiEV do Mitsubishi sản xuất năm 2013. Ý nghĩa của luận án Đề cập tới một đối tượng nghiên cứu mang tính thời sự là ô tô điện, luận án đem lại nhiều ý nghĩa cả về khoa học lẫn thực tiễn. • Về khoa học, luận án đi theo một hướng tiếp cận mới trong việc phát triển các bộ quan sát và ước lượng trạng thái xe ô tô điện trên cơ sở phương pháp tổng hợp cảm biến, thay vì cách tiệp cận truyền thống là sử dụng các mô hình động lực học của đối tượng. Cách làm này cho phép kết quả ước lượng không bị phụ thuộc vào sự thay đổi tham số của đối tượng. Đối với vấn đề điều khiển, luận án có những đóng góp mới về khoa học thông qua các đề xuất mới cũng như cải tiến các phương pháp đã được công bố để đem lại chất lượng cũng như độ ổn định cao hơn cho ô tô điện. • Về phương diện thực tiễn, luận án đã thử nghiệm các kết quả trên nhiều nền tảng 2
Mở đầu khác nhau như mô phỏng máy tính, thực nghiệm với Hardware-in-the-loop và đặc biệt là kiểm chứng trên xe ô tô thực. Điều này khẳng định khả năng áp dụng của phương pháp trên thực tiễn. Cấu trúc của luận án Toàn bộ quyển luận án được chia thành năm chương nội dung và một chương kết luận. Nội dung cơ bản của các chương như sau: • Chương 1 giới thiệu chung về đối tượng nghiên cứu, cấu trúc và các vấn đề cơ bản liên quan tới đối tượng. Từ đó, thu hẹp phạm vi nghiên cứu và đưa ra các nội dung cũng như các yêu cầu cụ thể, định lượng đối với luận án. Tiếp theo đó, trên cơ sở phân tích các nghiên cứu cùng phạm vi, nội dung chương 1 cũng đề xuất phương hướng giải quyết các nhiệm vụ của luận án. • Chương 2 thực hiện mô hình hóa đối tượng. Nội dung chương bắt đầu bằng việc xây dựng mô hình động học và các phương trình động lực học với các tham số được sử dụng trên cơ sở của xe ô tô i-MiEV. Hệ thống truyền động và hệ thống lái cũng được mô tả trong chương này. Tiếp đó, quá trình xây dựng hệ thống mô phỏng kiểu Hardware-in-the-loop được đề cập. Đây là cơ sở để thử nghiệm các thuật toán ước lượng và điều khiển của luận án. • Chương 3 nghiên cứu về các thuật toán ước lượng và quan sát. Bộ ước lượng và quan sát trực tiếp hệ số trượt không sử dụng thông tin tốc độ được đề cập trước tiên. Việc nghiên cứu ước lượng tốc độ dài của xe và các thuật toán liên quan sẽ được đề cập ở phần còn lại của chương này. • Chương 4 đề cập tới vấn đề điều khiển hệ số trượt. Các nghiên cứu liên quan tới nội dung này sẽ được điểm qua. Luật điều khiển mới cũng được đề xuất trong chương này. • Chương 5 trình bày việc xây dựng phần cứng phục vụ việc triển khai các thuật toán ước lượng như đã đề cập trong các chương trước. Tiếp đó, nội dung chương tập trung vào các kết quả thử nghiệm trên cả nền tảng phần cứng đã xây dựng và các kết quả thử nghiệm trên hệ thống Hardware-in-the-loop đã xây dựng trong chương 2. • Một số kết luận về những đóng góp của luận án, những vấn đề còn thiếu sót và hướng nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong phần Kết luận. 3
Chương 1 Tổng quan 1.1 Khái quát đối tượng nghiên cứu Hiện nay, Electric Vehicle đang là một thuật ngữ nhận được sự quan tâm của cả thế giới, từ các cá nhân, tập thể nghiên cứu tới các công ty, tập đoàn, quy mô và lớn hơn là chính phủ nhiều quốc gia. Electric Vehicle (EV) [1–3] được định nghĩa là môt phương tiện giao thông, truyền động bởi một hoặc nhiều động cơ điện với nguồn năng lượng được cấp từ ắc quy hoặc từ bên ngoài thông qua cáp nguồn. EV có thể là ô tô điện cá nhân, tàu điện công cộng, xe bus điện, xe đầu kéo điện. . . . Sở dĩ EV trở nên quan trọng vì chúng không chỉ làm giảm tiếng ồn, ô nhiễm không khí, mức độ phát thải khí CO2, chúng còn làm giảm sự phụ thuộc của các phương tiện giao thông vào các nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt. Nếu vẫn tiếp tục giữ mức độ sử dụng nhiên liệu như hiện nay thì kịch bản xấu nhất là thế giới sẽ cạn kiệt dầu mỏ trong vòng 40 năm tới [3]. Trên thực tế, việc ngày càng khan hiếm tài nguyên dầu mỏ sẽ làm giá dầu tăng rất mạnh dẫn tới việc sử dụng loại nhiên liệu này không đảm bảo tính kinh tế. Dầu có thể được sản xuất từ một số loại nguyên liệu hóa thạch khác như than đá và với quy trình sản xuất và cách tính như hiện nay, giá dầu sẽ tăng thêm khoảng 10%. Đây là một con số không hề bất khả thi về mặt kinh tế trong điều kiện dự trữ than đá tốt hơn dầu mỏ. Lượng dự trữ than đá hiện nay vào khoảng 100 năm, tuy vậy, nó vẫn là một nguồn tài nguyên hữu hạn. Những lo ngại về vấn đề ấm lên của trái đất vẫn đang tiếp tục và thực tế diễn biến ngày càng phức tạp. Việc trái đất ấm lên được cho là do sự phát thải khí CO2 trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Điều này dẫn tới những sự biến đổi khí hậu trên diện rộng và sự dâng cao của mực nước biển, đe dọa phá hủy hàng loạt các thành phố ven biển trên toàn thế giới. Trong các nguồn phát khí CO2, phát thải do các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong đứng thứ 3, chiếm 18% [4] sau công nghiệp (23%) và phát điện (39%). Vì vậy, việc nghiên cứu, thiết kế và sản xuất EV hiện nay để thay thế cho các phương tiện giao thông truyền thống là việc làm vô cùng cấp bách và đòi hỏi sự chung tay của nhiều tổ chức, doanh nghiệp và nhiều quốc gia trên toàn thế giới. Trong quyển luận án này, EV là đối tượng nghiên cứu và được hiểu như là xe ô tô điện, cụ thể hơn là xe ô tô điện cá nhân chở người dưới 9 chỗ, có 4 bánh xe gắn với 1 thân độc lập, không kéo theo rơ moóc. Vì vậy, để thống nhất ngôn ngữ, luận án sử dụng cụm từ “ô tô điện” thay thế cho thuật ngữ tiếng Anh nói trên. 4
Chương 1. Tổng quan Điều khiển xe tự lái Quản lý Năng lượng Điều khiển chuyển động Điều khiển truyền động điện Môi trường Bộ điều khiển Bộ điều khiển Bộ điều khiển Bộ điều khiển Mô hình xe Vị trí Tự lái dòng năng chuyển động động cơ Động cơ ô tô điện Bản đồ số lượng Hình 1.1: Các lớp bài toán điều khiển trong xe ô tô điện 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Xe ô tô điện, đương nhiên, đang rất phát triển trên thế giới bởi các tổ chức nghiên cứu về chúng không những được hỗ trợ bởi các doanh nghiệp bằng tài chính mà còn nhận được sự hỗ trợ của nhà nước bằng các chính sách, hành lang pháp lý, lộ trình triển khai. Hiện nay, rất nhiều quốc gia phát triển đã và đang phát triển cơ sở hạ tầng phục vụ cho vận hành hàng loạt xe ô tô điện như xây dựng trạm sạc, thiết kế làn đường riêng, phê chuẩn và xây dựng các khung pháp lý cho xe vận hành tự động... Trên xe ô tô điện, có tới 5 lớp bài toán điều khiển chính, ứng với các mạch vòng điều khiển xếp theo kiểu nối tầng như trình bày trên hình 1.1. Đó là (1) Điều khiển động cơ truyền động, (2) Điều khiển chuyển động, (3) Quản lý nguồn năng lượng trên xe, (4) Vận hành ô tô tự động không cần người lái và (5) Đo lường và ước lượng trạng thái. Việc nghiên cứu về xe ô tô tự lái là hoàn toàn không khả thi tại Việt Nam do đặc thù về giao thông chưa cho phép vận hành loại xe này. Các nghiên cứu về điều khiển động cơ đã dần trở nên bão hòa. Việc quản lý các nguồn năng lượng trên xe cũng đã đạt được những thành công nhất định khi đề tài cấp Nhà nước KC03.08/11-15 (Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ truyền động và điều khiển cho xe ô tô điện) đề xuất và được nghiệm thu cấu trúc hệ năng lượng lai ắc quy - siêu tụ điện. Trong bài viết đăng trên tạp chí IEEE Control System, Zongxuan Shun và cộng sự đã viết: "Kỹ thuật cốt lõi của các hệ thống an toàn chủ động (bản chất là hệ thống điều khiển chuyển động) bao gồm điều khiển ổn định điện tử kết hợp với ước lượng trạng thái xe ô tô điện và các điều kiện mặt đường..." [5]. Trong thực tế, việc ước lượng trạng thái của xe ô tô điện là thành phần không thể thiếu được của hệ thống điều khiển an toàn chủ động. Hơn thế nữa, việc ước lượng trạng thái còn được sử dụng rộng hơn, cho cả bộ điều khiển tự lái. Chính vì vậy, nội dung của luận án sẽ tập trung vào việc thiết kế các bộ ước lượng trạng thái của xe ô tô điện và từ đó ứng dụng các kết quả này trong bài toán điều khiển chuyển động của xe. Tuy nhiên, bản thân điều khiển chuyển động cũng là một lĩnh vực nghiên cứu rất rộng, số lượng các trạng thái cần ước lượng của xe ô tô cũng rất nhiều nên luận án trước hết sẽ giới thiệu các thông tin cơ bản về hai lĩnh vực này, từ đó, thu hẹp phạm vi nghiên cứu cuối cùng. 1.2.1 Điều khiển chuyển động xe ô tô điện Đối với các xe ô tô nói chung, các chuyển động theo phương thẳng, ngang, quay quanh tâm của xe ô tô điều được tạo ra bởi các lệnh điều khiển từ người lái (vô lăng, ga, phanh) và phụ thuộc vào đặc tính động học của chính chiếc xe. Người lái phải liên tục quan sát 5