Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng hệ thống lái bốn bánh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:157

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng hệ thống lái bốn bánh" trình bày các nội dung chính sau: Động học và động lực học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng; Điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bốn bánh dẫn hướng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng hệ thống lái bốn bánh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN HỮU MẠNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BẰNG HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội, 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN HỮU MẠNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BẰNG HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. ĐÀO MẠNH HÙNG Người đồng hướng dẫn: PGS. TS. TRẦN VĂN NHƯ Hà Nội, 2024
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đào Mạnh Hùng và PGS.TS Trần Văn Như. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, Ngày 09 tháng 09 năm 2023 NCS Nguyễn Hữu Mạnh
ii LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đào Mạnh Hùng và PGS.TS Trần Văn Như, những người đã hướng dẫn tôi một cách tận tâm trong việc định hướng nghiên cứu, giải quyết các vấn đề cụ thể trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành biểu đạt lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô thuộc Bộ môn Cơ khí ô tô - Khoa Cơ khí - Trường Đại học Giao thông vận tải, luôn sẵn lòng hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án của mình. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy trong ngành Cơ khí - Động lực các trường Đại học Bách khoa Hà nội, Học viện kỹ thuật quân sự, Học viện nông nghiệp Việt nam, Trường Đại học Công nghiệp Hà nội, Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Lâm nghiệp Việt nam, Đại học Thái nguyên, ... đã đóng góp những ý kiến quý báu để NCS hoàn thiện luận án. Nghiên cứu sinh xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Giao thông vận tải, đặc biệt là Phòng Đào tạo Sau Đại học, đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh thực hiện luận án tại Trường. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, quý thầy cô Trường Cao Đẳng Lý Tự Trọng TP.HCM, Khoa Động lực, đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên và khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. NCS Nguyễn Hữu Mạnh
iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3 1.1 Đặc điểm giao thông Việt Nam . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.1 Sự phát triển cơ sở hạ tầng giao thông đường bộ tại Việt Nam 3 1.1.2 Sự gia tăng phương tiện giao thông đường bộ; tai nạn giao thông đường bộ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 An toàn chủ động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.1 Các nguyên nhân gây ra mất ổn định quỹ đạo chuyển động 5 1.3.2 Các giải pháp ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô . . . . 9 1.4 Xu hướng phát triển hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . 11 1.4.1 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng cơ khí . . 11 1.4.2 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng thủy lực . 12 1.4.3 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng điện tử . . 12 1.5 Các nghiên cứu trong và ngoài nước . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.6 Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của đề tài 18 1.7 Kết luận Chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 CHƯƠNG 2. ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG 20 2.1 Động học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . . . 20 2.1.1 Động học đổi hướng chuyển động của ô tô với hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.2 Quan hệ góc xoay bánh xe phía trước và phía sau trên ô tô bốn bánh dẫn hướng thực tế . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.3 Động học hình thang lái phía sau trên ô tô bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2 Động lực học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . 27 2.2.1 Cơ sở lý thuyết . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.2 Động lực học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . 31
iv 2.3 Động lực học ô tô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.1 Mô hình hai vết trong mặt phẳng . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.2 Mô hình không gian xác định phản lực thẳng đứng . . . . . 37 2.4 Mô phỏng động lực học bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.4.1 Cơ sở lý thuyết điều chế xung PWM . . . . . . . . . . . . . . 39 2.4.2 Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ phận chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.4.3 Mô phỏng bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng 41 2.5 Kết luận Chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG 43 3.1 Mô hình động lực học một vết của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2 Giải pháp thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái 4WS . . . . . 49 3.2.1 Mục đích thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái 4WS . . . . . . 49 3.2.2 Giới thiệu một số phương pháp điều khiển hệ thống lái 4WS 49 3.3 Thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái 4WS . . . . . . . . . . . 54 3.3.1 Sơ đồ mô phỏng động lực học chuyển động của ô tô với hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.3.2 Cơ sở lý thuyết của bộ điều khiển PID . . . . . . . . . . . . 56 3.3.3 Giải thuật di truyền GA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.3.4 Thiết kế bộ điều khiển PID-GA cho hệ thống lái 4WS . . . 63 3.4 Khảo sát tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô . . . . 65 3.4.1 Mô hình Matlab/Simulink mô phỏng động lực học ô tô với hệ thống lái 4WS điều khiển PID-GA . . . . . . . . . . . . . 65 3.4.2 Khảo sát khả năng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô ở các trạng thái chuyển động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.5 Kết luận Chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 76 4.1 Mục đích và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm . . . . . 76 4.1.1 Mục đích, đối tượng và các thông số cần đo . . . . . . . . . 76 4.1.2 Các phương pháp thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.1.3 Lựa chọn phương pháp thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2 Thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . 78 4.2.1 Kết cấu cơ khí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.2.2 Cảm biến đo tải trọng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.3 Cảm biến đo góc xoay vô lăng . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.4 Máy tính kết nối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3 Các khối chức năng bộ điều khiển hệ thống lái sau 4WS . . 85
v 4.4 Quy trình thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.4.1 Các thông số kỹ thuật . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.4.2 Các bước thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.4.3 Đánh giá sai số mô hình thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . 90 4.4.4 Mô hình Matlab/Simulink thực nghiệm mô phỏng động lực học ô tô với hệ thống lái 4WS điều khiển PID-GA . . . . . . 91 4.4.5 Chế độ chuyển động thẳng với vận tốc 80 km/h có gió ngang 92 4.4.6 Chế độ quay vòng thiếu với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . 94 4.4.7 Chế độ quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . 97 4.5 Kết luận Chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 KẾT LUẬN 102 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 PHỤ LỤC A.SO SÁNH GIÁ TRỊ THÍ NGHIỆM P1 A.1 Chế độ đi thẳng gió ngang 80 km/h . . . . . . . . . . . . . . . P1 A.2 Quay vòng thiếu 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P6 A.3 Quay vòng thừa 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P12 PHỤ LỤC B. CODE MATLAB P17 PHỤ LỤC C. MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM P25
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị m Khối lượng toàn bộ của ô tô kg rbx Bán kính bánh xe m L Chiều dài cơ sở m l1 , l2 Khoảng cách từ trọng tâm ô tô tới tâm cầu m trước, cầu sau B1 , B2 Khoảng cách tâm xoay trụ đứng bánh xe dẫn m hướng trước, sau βo Góc nghiêng đòn bên hình thang lái cầu sau rad lb Chiều dài đòn bên hình thang lái cầu sau m n Chiều dài thanh kéo ngang hình thang lái cầu m sau vo Vận tốc ô tô tại trọng tâm m/s vi (i=1,...,4) Vận tốc ô tô tại tâm các bánh xe m/s δi (i=1...4) Góc xoay của bánh xe dẫn hướng so với phương rad chuyển động dọc của ô tô δf , δr Góc xoay trung bình của bánh xe dẫn hướng rad tại tâm cầu trước, cầu sau δf _MP , δr_MP Góc xoay trung bình của bánh xe dẫn hướng rad tại tâm cầu trước, cầu sau mô phỏng δf _TN , δr_TN Góc xoay trung bình của bánh xe dẫn hướng rad tại tâm cầu trước, cầu sau thực nghiệm αf , αr Góc lệch bên của các bánh xe trước và sau rad Fxf , Fxr Phản lực dọc tác dụng từ mặt đường lên các N bánh xe cầu trước, cầu sau Fyx , Fyr Phản lực ngang tác dụng từ mặt đường lên các N bánh xe cầu trước, cầu sau Fzx , Fzr Phản lực thẳng đứng tác dụng từ mặt đường N lên các bánh xe cầu trước, cầu sau Fwx , Fwy Lực cản gió theo phương dọc, phương ngang N hwx , hwy Khoảng cách từ điểm đặt lực cản gió theo m phương ngang và phương dọc đến mặt đường Flt Lực quán tính ly tâm N hg Chiều cao trọng tâm ô tô so với mặt đường m la Khoảng cách từ điểm đặt của lực cản gió theo m phương ngang đến trọng tâm ô tô
vii Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị JF W Mô men quán tính khối của bánh xe quanh kgm2 trục y (phương trục bánh xe) Jm Mô men quán tính khối của động cơ điện dẫn kgm2 động lái trục sau J Mô men quán tính đi qua trục thẳng đứng của kgm2 ô tô Ue Điện áp đầu vào V Eb Sức phản điện động sinh ra từ chuyển động của V rotor ia Dòng điện qua phần ứng A ϕ Từ thông của stator Wb θm Góc quay của rotor rad Tm Mô men xoắn trên trục động cơ N.m Tf Mô men cản nhớt N.m τl Mô men tải N.m Kb Sức phản điện động động cơ điện dẫn động lái V /(rad/s) cầu sau c Hệ số cản quy dẫn trên thước lái trục cầu sau N.m/(rad/s) K Hệ số cứng quy dẫn trên thước lái trục cầu sau N.m/rad mr Khối lượng quy dẫn kg Rm Điện trở phần ứng động cơ điện dẫn động lái Ω cầu sau Lm Điện cảm phần ứng động cơ điện dẫn động lái H cầu sau Bm Hệ số cản nhớt trên trục động cơ điện dẫn động N.m/(rad/s) lái cầu sau Km Hệ số mô men động cơ điện dẫn động lái cầu N.m/A sau im Tỷ số truyền hộp giảm tốc dẫn động lái cầu - sau il Tỷ số truyền hệ thống lái phía trước - Gs Tỷ số truyền trục vít - ê-cu bi rad/mm Gm Tỷ số truyền hộp giảm tốc - rp Bán kính trục vít cơ cấu lái trục cầu sau m k4W S Hệ số xác định vị trí của tâm quay vòng tức - thời kus Tỉ số giữa góc xoay trung bình bánh xe phía - sau đối với góc xoay trung bình bánh xe phía trước
viii Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị Yc , Xc Quãng đường ô tô di chuyển theo phương m ngang và dọc t Thời gian mô phỏng s ay Gia tốc ngang m/s2 ψ˙ Vận tốc góc xoay thân xe thực tế rad/s ˙ ψd Vận tốc góc xoay thân xe mong muốn rad/s e(t) Sai lệch giữa vận tốc góc xoay thân xe mong - ˙ muốn (ψd ) và vận tốc góc xoay thân xe thực ˙ tế (ψ ) Ue_MP Giá trị điện áp mô phỏng V Ue_TN Giá trị điện áp thực nghiệm V θw_TN Góc xoay vành lái thực nghiệm rad Caf Độ cứng bên của các bánh xe phía trước N/rad Car Độ cứng bên của các bánh xe phía sau N/rad
ix DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa 2W S Hệ thống lái hai bánh trước dẫn hướng (2 Wheels Steering) 4W S Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4 Wheels Steering) EP Chương trình tiến hóa (Evolutionary Programming) ES Chiến lược tiến hóa (Evolution Strategies) SA Giải thuật mô phỏng tôi luyện (Simulated Annealing) P SO Thuật toán tối ưu bầy đàn (Article Swarm Optimization) P ID Vi tích phân tỉ lệ (Proportional Integral Derivative) GA Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) F NN Mạng nơ-ron truyền thẳng (Feedforward Neural Network) HILS Mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (Hardware In-the-loop Simulation) AF S Hệ thống lái trước tích cực (Active Front Steering) ADAS Hệ thống hỗ trợ lái ô tô nâng cao (Advanced Driver Assistance Systems) ABS Hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe (Anti-lock Braking System) T CS Hệ thống kiểm soát lực kéo (Traction Control System) ESC Hệ thống kiểm soát ổn định điện tử (Electronic Stability Control) PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation)
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối mô hình điều khiển của ô tô . . . . . . . . . . . . . 5 Hình 1.2 Ảnh hưởng của gió ngang và biến dạng của lốp đến khả năng ổn định quỹ đạo chuyển động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Hình 1.3 Mô hình quay vòng của ô tô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Hình 1.4 Mất ổn định hướng do lực phanh không đồng đều . . . . . . . 9 Hình 1.5 Cấu tạo hệ thống lái chủ động phía trước AFS . . . . . . . . . 10 Hình 1.6 Hệ thống kiểm soát ổn định điện tử (ESC) . . . . . . . . . . . 11 Hình 1.7 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng cơ khí . . . 12 Hình 1.8 Quan hệ giữa góc xoay bánh xe dẫn hướng phía trước và sau hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng cơ khí . . . . . . . 12 Hình 1.9 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng thủy lực . . 13 Hình 1.10 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng điện tử . . . 13 Hình 1.11 Mô hình mạng nơ-ron mờ hệ thống 4WS . . . . . . . . . . . . 16 Hình 2.1 Quan hệ động học của các bánh xe dẫn hướng khi cùng hướng xoay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Hình 2.2 Quan hệ động học của các bánh xe dẫn hướng khi ngược hướng xoay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Hình 2.3 Hệ thống lái 4WS với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu sau 21 Hình 2.4 Mô hình một vết 4WS với bánh sau quay ngược hướng với bánh trước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Hình 2.5 Đường đặc tính của Hệ thống lái 4WS phụ thuộc vào góc lái của hãng Honda [29] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Hình 2.6 Biểu đồ đường đặc tính lý tưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Hình 2.7 Sơ đồ hình thang lái phía sau trên ô tô bốn bánh dẫn hướng 26 Hình 2.8 Mối quan hệ giữa δ3 và δ4 cho các giá trị βo . . . . . . . . . . . 27 Hình 2.9 Hệ trục tọa độ sử dụng trong nghiên cứu động lực học chuyển động ô tô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Hình 2.10 Sơ đồ chuyển đổi hệ trục tọa độ . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Hình 2.11 Kết cấu bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . 31 Hình 2.12 Bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . 31 Hình 2.13 Mô hình động lực học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . 31 Hình 2.14 Mô hình động cơ điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Hình 2.15 Mô hình động lực học hai vết của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Hình 2.16 Mô hình dao động ô tô trong không gian của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Hình 2.17 Các thông số cơ bản của tín hiệu xung PWM . . . . . . . . . 39
xi Hình 2.18 Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ phận chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Hình 2.19 Sự thay đổi góc xoay bánh xe phía sau của hệ thống lái 4WS khi đặt xung điện áp dương với chu kỳ xung 50% . . . . . . . . . . 41 Hình 2.20 Sự thay đổi góc xoay bánh xe phía sau của hệ thống lái 4WS khi đặt xung điện áp dương từ 1,2÷3,0 [s] và xung điện áp âm từ 3,0÷4,8 [s] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Hình 3.1 Mô hình bánh xe dẫn hướng tương đương của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Hình 3.2 Mô hình động lực học một vết của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Hình 3.3 Sơ đồ khối mô phỏng động lực học chuyển động của ô tô với hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Hình 3.4 Mô hình cấu trúc bộ điều khiển PID . . . . . . . . . . . . . . . 56 Hình 3.5 Biểu diễn toán tử lai ghép biểu diễn bằng mã nhị phân . . . . 60 Hình 3.6 Biểu diễn toán tử lai ghép biểu diễn bằng số thực . . . . . . . 61 Hình 3.7 Toán tử lai ghép biểu diễn theo cây . . . . . . . . . . . . . . . 61 Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán giải thuật di truyền GA . . . . . . . . . . . 62 Hình 3.9 Mô hình Matlab/Simulink mô phỏng động lực học của ô tô với hệ thống lái 4WS điều khiển PID-GA . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Hình 3.10 Lực gió ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Hình 3.11 Quỹ đạo chuyển động của ô tô trong chế độ đi thẳng với vận tốc 80 km/h có gió ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Hình 3.12 Góc xoay trung bình bánh xe sau trong chế độ chuyển động thẳng với với vận tốc 80 km/h có gió ngang . . . . . . . . . . . . . . 68 Hình 3.13 Giá trị điện áp trong chế độ chuyển động thẳng với vận tốc 80 km/h có gió ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Hình 3.14 Sai lệch giữa vận tốc góc xoay thân xe lý tưởng (ψd = 0) và˙ mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Hình 3.15 Thông số động lực học thân xe khi chuyển động thẳng 80 km/h có gió ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Hình 3.16 Góc xoay trung bình bánh xe dẫn hướng trước trong trường hợp quay vòng thiếu ở vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Hình 3.17 Quỹ đạo chuyển động của ô tô với trường hợp quay vòng thiếu ở vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Hình 3.18 Thông số động lực học thân xe khi chuyển động quay vòng thiếu với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Hình 3.19 Thông số đầu vào/ra của bộ điều khiển với trường hợp quay vòng thiếu ở vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Hình 3.20 Góc xoay trung bình bánh xe dẫn hướng mô phỏng trong chế độ quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . 73
xii Hình 3.21 Quỹ đạo chuyển động của ô tô trong chế độ quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Hình 3.22 Thông số đầu vào/ra của bộ điều khiển với trường hợp quay vòng thừa ở vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Hình 3.23 Thông số động lực học thân xe khi chuyển động quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Hình 3.24 Giá trị điện áp trong chế độ quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h 75 Hình 4.1 Mô hình thí nghiệm hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng . . . . 77 Hình 4.2 Sơ đồ bố trí mô hình thực nghiệm HILS . . . . . . . . . . . . . 78 Hình 4.3 Bệ thử nghiệm HILS hệ thống lái 4WS . . . . . . . . . . . . . 79 Hình 4.4 Bộ chấp hành hệ thống lái 4WS . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Hình 4.5 Cảm biến đo tải trọng AND LC – 1205 tác động của bánh xe lên mặt đường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Hình 4.6 Mạch cầu Wheatstone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Hình 4.7 Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu loadcell . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Hình 4.8 Encoder Omron E6B2-CWZ6C (Nhật Bản) . . . . . . . . . . . 82 Hình 4.9 Dạng xung ra của Encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Hình 4.10 Tín hiệu xung ra của Encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Hình 4.11 Chương trình đọc Encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Hình 4.12 Máy trạm HP Z600 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Hình 4.13 Sơ đồ khối chuyển đổi điện áp khối đọc cảm biến dạng nguồn dòng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Hình 4.14 Sơ đồ khối đọc giá trị cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Hình 4.15 Sơ đồ khối đọc cảm biến góc xoay vô lăng . . . . . . . . . . . . 86 Hình 4.16 Khối giao tiếp với máy tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Hình 4.17 Sơ đồ tính toán trị số hiệu quả tính được từ mô phỏng . . . . 90 Hình 4.18 Mô hình Matlab/Simulink thực nghiệm mô phỏng động lực học của ô tô với hệ thống lái 4WS điều khiển PID-GA . . . . . . . . 91 Hình 4.19 Lực gió ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Hình 4.20 Quỹ đạo chuyển động của ô tô trong chế độ chuyển động thẳng với vận tốc 80 km/h có gió ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Hình 4.21 Thông số đầu vào/ra của bộ điều khiển khi chuyển động thẳng 80 km/h có gió ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Hình 4.22 Thông số động lực học thân xe khi chuyển động thẳng 80 km/h có gió ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Hình 4.23 Tín hiệu điện áp thực nghiệm và điện áp mô phỏng trong chế độ chuyển động thẳng với vận tốc 80 km/h có gió ngang . . . . . . 94 Hình 4.24 Góc xoay trung bình bánh xe dẫn hướng của ô tô trong chế độ quay vòng thiếu với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Hình 4.25 Quỹ đạo chuyển động của ô tô trong chế độ quay vòng thiếu với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
xiii Hình 4.26 Sai lệch e(t) trong chế độ quay vòng thiếu với vận tốc 60 km/h 95 Hình 4.27 Thông số động lực học thân xe trong chế độ quay vòng thiếu với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Hình 4.28 Góc xoay trung bình bánh xe sau chế độ quay vòng thiếu với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Hình 4.29 Tín hiệu điện áp thực nghiệm và điện áp mô phỏng trong chế độ quay vòng thiếu với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Hình 4.30 Góc xoay trung bình bánh xe dẫn hướng của ô tô trong chế độ quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Hình 4.31 Quỹ đạo chuyển động của ô tô trong chế độ quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Hình 4.32 Thông số động lực học thân xe trong chế độ quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Hình 4.33 Góc xoay trung bình bánh xe sau chế độ quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Hình 4.34 Sai lệch e(t) trong chế độ quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h 100 Hình 4.35 Tín hiệu điện áp thực nghiệm và điện áp mô phỏng trong chế độ quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . 100
xiv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thông số hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng [20, 21, 30, 31] . . 22 Bảng 2.2 Giá trị của các góc với đơn vị Radian và Độ. . . . . . . . . . . 24 Bảng 2.3 Giá trị của δ3 và δ4 theo độ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Bảng 2.4 Thông số bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng[51, 52] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Bảng 3.1 Trạng thái quay vòng theo δf và e . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Bảng 3.2 Giá trị Kp , Ki và Kd tối ưu theo gia tốc ay . . . . . . . . . . . 65 Bảng 4.1 Bảng thông số kỹ thuật của cảm biến đo tải trọng AND LC-1205 80 Bảng 4.2 Thông số cảm biến đo góc xoay vô lăng . . . . . . . . . . . . . 83 Bảng 4.3 Bảng thông số cơ bản của vi điều khiển sử dụng trong bộ điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Bảng 4.4 Sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm trong chế độ chuyển động thẳng với vận tốc 80 km/h có gió ngang . . . . . . . . . . . . 93 Bảng 4.5 Sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm trong chế độ quay vòng thiếu với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Bảng 4.6 Sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm trong chế độ quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu An toàn chuyển động là một trong các tiêu chí quan trọng đánh giá chất lượng ô tô. Khi vận tốc ô tô càng cao sự ảnh hưởng từ đường sá, thời tiết và yếu tố kỹ thuật, con người, ... càng lớn, đặc biệt ảnh hưởng đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Hệ thống lái là một trong những hệ thống quan trọng của ô tô, có chức năng thay đổi hướng và ổn định quỹ đạo khi ô tô chuyển động. Vì vậy, nó đóng vai trò quan trọng trong tính an toàn chuyển động của ô tô nói chung và quỹ đạo chuyển động của ô tô nối riêng. Hiện nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp ô tô đã áp dụng nhiều biện pháp để ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, bao gồm sử dụng hệ thống lái tích cực, hệ thống ổn định quỹ đạo điện tử (ESP - Electronic Stability Program) và hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS). Trong số đó, hệ thống lái 4WS sử dụng hai bánh xe phía sau để điều chỉnh đảm bảo quỹ đạo chuyển động của ô tô theo điều khiển của người lái. Luận án "NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BẰNG HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH", nghiên cứu giải pháp điều khiển bánh xe dẫn hướng phía sau để nâng cao tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô khi đổi hướng chuyển động. Nội dung chính của luận án gồm: • Phân tích tổng quan giải pháp ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô khi đổi hướng và các nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án; • Xây dựng mô hình động lực học bộ chấp hành hệ thống lái 4WS, mô hình động lực học ô tô làm cơ sở để khảo sát quỹ đạo chuyển động của ô tô khi đổi hướng chuyển động và xây dựng bộ điều khiển; • Xây dựng thuật toán điều khiển, thiết kế bộ điều khiển PID và tối ưu bằng giải thuật di truyền GA cho hệ thống lái 4WS. Mục tiêu nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để khảo sát quỹ đạo chuyển động của ô tô trong một số trường hợp điển hình. • Xây dựng mô hình thực nghiệm phần cứng trong vòng lặp điều khiển (HILS) và thực hiện thí nghiệm kiểm chứng thuật toán điều khiển trên mô hình. 2. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng, thông số sử dụng cho mô phỏng và thí nghiêm trong luận án là hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng của ô tô HONDA Prelude.
2 3. Phạm vi nghiên cứu: • Về lý thuyết: khảo sát chuyển động của ô tô ổn định tại tốc độ cao có xét đến ảnh hưởng của lực gió ngang và quay vòng. • Về thực nghiệm: sử dụng mô hình bán thực nghiệm của hệ thống lái 4WS. Thí nghiệm được thực hiện dựa trên mô hình mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (Hardware In The Loop Simulation - HILS). 4. Những kết quả của luận án • Đã xây dựng mô hình động học và động lực học của hệ thống lái 4WS trên cơ sở sử dụng cơ cấu bộ chấp hành 4WS có sẵn trên ô tô. Thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái sau để ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. • Đã xây dựng mô hình động lực học chuyển động của ô tô để mô phỏng và thiết kế bộ điều khiển lái sau có xét đến bộ chấp hành sử dụng trên ô tô thực tế. • Đã thiết kế mô hình thử nghiệm HILS và thử nghiệm với bộ điều khiển PID với các hệ số Kp , Ki , Kd được tối ưu bằng giải thuật di truyền (GA-Genetic Algorithm). 5. Ý nghĩa khoa học của luận án Luận án đã nghiên cứu một giải pháp ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng hệ thống lái 4WS, dựa trên việc xây dựng mô hình động học và động lực học của ô tô, bao gồm mô hình động lực học một vết trong mặt phẳng, mô hình bánh xe đàn hồi. Xây dựng mô hình động lực học của bộ chấp hành hệ thống lái 4WS. Thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái 4WS để điều khiển bộ chấp hành lái sau, điều khiển góc xoay bánh xe dẫn hướng sau nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Đã thiết kế và chế tạo mô hình bán thực nghiệm với hệ thống lái 4WS thực tế trên ô tô HONDA PRELUDE. 6. Ý nghĩa thực tiễn của luận án Việc nghiên cứu ổn định quỹ đạo chuyển động bằng hệ thống lái có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc nắm vững công nghệ và nội địa hóa sản phẩm. Bộ điều khiển hệ thống lái 4WS có thể tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện để được lắp đặt trên các ô tô thực tế, góp phần tăng cường an toàn khi ô tô chuyển động trên đường cao tốc. Kết quả của luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo và giảng dạy trong lĩnh vực nghiên cứu động lực học và điều khiển ô tô.
3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm giao thông Việt Nam Trải qua gần 5 thập kỷ kể từ ngày đất nước thống nhất, ngành giao thông vận tải của Việt Nam đã có những bước phát triển rất đáng trân trọng. Mạng lưới đường bộ đã được mở rộng và nâng cấp với hàng nghìn kilomet đường quốc lộ, cao tốc và đường tỉnh mới được xây dựng. Ngoài ra, hàng trăm cây cầu hiện đại đã được tu sửa hoặc xây dựng mới trên toàn quốc. Tuy nhiên, theo thống kê, Việt Nam có số lượng tai nạn giao thông và tỷ lệ tử vong do tai nạn giao thông cao nhất trong khu vực Đông Nam Á [1]. Tình trạng an toàn giao thông tại Việt Nam đang gây lo ngại lớn. Nguyên nhân của tình trạng này rất đa dạng và phức tạp. 1.1.1. Sự phát triển cơ sở hạ tầng giao thông đường bộ tại Việt Nam Mạng lưới giao thông đường bộ ở Việt Nam đã bứt phá mạnh mẽ, qua việc cải tiến và mở mang các tuyến lộ trình quốc gia và đường cao tốc. Sự hiện đại hóa của hệ thống đường cao tốc đã góp phần quan trọng vào sự thịnh vượng kinh tế [2]. Sự phát triển của mạng lưới đường cao tốc đã tạo thuận lợi cho việc sản xuất, phân phối và tiêu thụ được mở rộng, qua đó kết nối các thị trường một cách hiệu quả hơn. Việc nâng cấp hạ tầng giao thông đã thúc đẩy hiệu quả lao động bằng cách tạo điều kiện cho nguồn cung cấp đa dạng hơn và mở rộng thị trường cho các sản phẩm phong phú [3]. Có nghiên cứu chỉ ra rằng, khi tăng 10% về số kilomet đường cao tốc so với ban đầu của một thành phố có thể thúc đẩy tăng trưởng việc làm khoảng 1-5% trong vòng hai thập kỷ [4]. Tính đến nửa đầu năm 2023, tổng cộng bốn tuyến cao tốc do VEC quản lý đã tiếp nhận gần 30 triệu lượt phương tiện, tăng 13% so với cùng kỳ năm ngoái. Trong đó, Cầu Giẽ - Ninh Bình đón đầu với 10,6 triệu lượt phương tiện, dù tốc độ tăng trưởng chỉ đứng thứ ba. Tuyến Nội Bài - Lào Cai dẫn đầu về tốc độ tăng trưởng với 27%, mặc dù lượng phương tiện chỉ xếp thứ ba, đạt 8,2 triệu lượt. Tuyến Tp. Hồ Chí Minh - Long Thành - Dầu Giây tăng trưởng chậm nhất, với chỉ 5,4%, nhưng lượng phương tiện lại xếp thứ hai với 9,9 triệu lượt. Đà Nẵng - Quảng Ngãi tăng 16,2%, nhưng lượng phương tiện thấp nhất, chỉ 1,2 triệu lượt [5]. Dù việc mở rộng đường cao tốc đã đem lại lợi ích trong việc cải thiện tốc độ chuyển động, nó cũng mang đến những thách thức về đảm bảo an toàn giao thông [4], đặc biệt là nguy cơ xảy ra tai nạn liên hoàn. 1.1.2. Sự gia tăng phương tiện giao thông đường bộ; tai nạn giao thông đường bộ Số liệu từ Cục Đăng kiểm đã cho thấy rằng tính đến tháng 9 năm 2022, tổng số ô tô đang lưu hành tại Việt Nam là 4.937.988 ô tô [6]. Con số này cho thấy một
4 sự gia tăng đáng kể về số lượng phương tiện giao thông đường bộ trong nước. Tuy nhiên, sự gia tăng này cũng mang đến nhiều thách thức. Môi trường ngày càng ô nhiễm và tình trạng ùn tắc giao thông trở nên nghiêm trọng hơn. Đặc biệt, an toàn giao thông là một vấn đề cần được quan tâm, với nhiều vụ tai nạn xảy ra hàng ngày. Theo báo cáo của Ủy ban An toàn giao thông Quốc gia, trong năm 2022, cả nước đã xảy ra 11.457 vụ tai nạn giao thông, khiến 6.397 người tử vong và 7.804 người bị thương. Trong 3 tháng đầu năm 2023, đã có 2.346 vụ tai nạn giao thông xảy ra trên toàn quốc, làm chết 1.200 người và bị thương 1.146 người Một trong những nguyên nhân gây ra tai nạn giao thông là khả năng mất ổn định của ô tô khi quay vòng hoặc chuyển làn. 1.2 An toàn chủ động An toàn chủ động của ô tô là các giải pháp kỹ thuật làm giảm khả năng xảy ra tai nạn giao thông. Thuộc tính này được hình thành bởi các giải pháp và công nghệ kỹ thuật hỗ trợ người điều khiển kiểm soát ô tô tốt hơn hoặc tự động kiểm soát động lực học chuyển động của ô tô tránh xảy ra tai nạn. Hệ thống phanh chống hãm cứng (Anti-lock Braking System - ABS) là một trong những giải pháp an toàn chủ động (kiểm soát động lực học theo phương dọc), hệ thống ngăn ngừa tình trạng bánh xe bị khóa khi phanh đột ngột, giúp ôtô chuyển động linh hoạt và an toàn trong các tình huống khẩn cấp [7]. Kiểm soát động lực học theo phương dọc trên ô tô còn có hệ thống kiểm soát lực kéo (Traction Control System - TCS) [8]. Kiểm soát động lực học khi đổi hướng chuyển động có các hệ thống kiểm soát ổn định điện tử (Electronic Stability Control - ESC) [9], sử dụng mô men phanh lệch ở các bánh xe nhằm đưa ô tô về đúng quỹ đạo chuyển động, hệ thống lái trước tích cực (AFS - Active Front Steering), hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS - 4 Wheel Steering). Các hệ thống an toàn chủ động đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo ổn định và an toàn của ô tô. Trong tương lai, khi công nghệ ô tô tự hành phát triển, việc nghiên cứu về an toàn chủ động và ổn định sẽ trở nên cần thiết hơn bao giờ hết. 1.3 Ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô Ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô là khả năng duy trì quỹ đạo chuyển động mong muốn trong các điều kiện chuyển động khác nhau. Quỹ đạo chuyển động liên quan đến tính dẫn hướng của ô tô, tức khả năng giữ được hướng chuyển động của ô tô theo góc xoay vành lái khi chịu tác động của các yếu tố môi trường và ngoại lực tác dụng.