TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 338
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN LÀN
CỦA Ô TÔ TRÊN MỘT SỐ ĐƯỜNG GIAO THÔNG ĐẶC TRƯNG Ở VIỆT NAM
SIMULATE THE STEERING SYSTEM AND LANE CHANGE
OF CAR ON SOME TYPICAL ROADS IN VIETNAM
Phan Nhật Trường1,*, Trương Văn Chính1, Phạm Văn Quảng2,
Đặng Văn Dũng3, Nguyễn Thế Anh4, Phạm Việt Thành5
1Lớp KTOT 03 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp KTOT 05 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Lớp KTOT 06 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
4Lớp KTOT 08 - K16, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
5Trường Cơ khí - Ô tô, Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: phannhattruong1406@gmail.com
TÓM TẮT
Khi tham gia giao thông trên đường bộ, việc ô tô chuyển làn là điều tất yếu xảy ra. Chuyển làn để vượt xe khác, để
tránh chướng ngại vật hay để vào làn rẽ. Tuy nhiên chúng ta không thể chuyển làn tùy theo ý thích mà phải đảm bảo sự an
toàn cho chính bản thân và các phương tiện xung quanh, đồng thời yêu cầu hệ thống lái hoạt động một cách chính xác.
Trong tương lai, chúng ta đang hướng đến việc sử dụng xe tự hành, từ đó cần phải nghiên cứu và phát triển hệ thống lái và
quá trình chuyển làn để xe có thể tự hoạt động một cách chính xác. Bài nghiên cứu này sử dụng phần mềm Matlab -
Simulink để mô phỏng quá trình chuyển làn của ô tô trên đường thẳng với các tốc độ khác nhau. Khi di chuyển, các cảm
biến ở đầu xe và thân xe sẽ kiểm tra sự xuất hiện của xe phía trước và xe hai bên từ đó đưa ra tình huống chuyển làn đảm
bảo an toàn.
Từ khóa: Hệ thống lái, quá trình chuyển làn, Hyundai County, mô phỏng.
ABSTRACT
When participating in traffic on the road, it is inevitable that cars change lanes. Change lanes to overtake another
vehicle, to avoid obstacles or to enter a turn lane. However, we cannot change lanes at will, but must ensure the safety of
ourselves and surrounding vehicles, and require the steering system to operate correctly. In the future, we are aiming at the
use of autonomous vehicles, from which it is necessary to research and develop steering systems and lane changes so that
the car can operate correctly on its own. This research paper uses Matlab - Simulink software to simulate the lane change
of cars in a straight line at different speeds. When moving, sensors at the front of the car and the body will check the
appearance of the vehicle in front and the car on both sides, thereby giving a safe lane change situation.
Keywords: Steering, lane changes, Hyundai County, simulation.
1. GIỚI THIỆU
Đáp ứng nhu cầu chung của xã hội và nhu cầu riêng của
chuyên ngành. Trong công nghiệp ô tô, mô phỏng được sử
dụng để thiết kế, đánh giá các loại động cơ mới, hay các hệ
thống mới. Mô phỏng là giải pháp tốt mang lại hiệu quả
kinh tế cao. Mô phỏng ô tô có thể dự đoán độ an toàn và độ
tin cậy nhờ việc phân tích kỹ thuật số và thử nghiệm ảo trên
máy tính. Các phần mềm mô phỏng ngày nay tích hợp đầy
đủ để có thể mô phỏng toàn bộ các hệ thống trên ô tô liên
quan đến cơ khí, cơ điện tử, chất lỏng, nhiệt, điện từ, điện
tử, bán dẫn và điều khiển. Trong phương pháp dạy lái xe,
mô phỏng được sử dụng cho mục đích nghiên cứu các phản
ứng của con người khi lái xe để kiểm soát hành vi, hiệu quả
và sự chú ý khi lái xe bằng mô phỏng, các nghiên cứu chỉ
ra rằng, người học sẽ học nhanh hơn 2 đến 3 lần trên hệ
thống mô phỏng so với phương pháp dạy lái xe truyền thống
bởi vì có nhiều kịch bản được tạo ra cho người học trên hệ
thống mô phỏng nên nó giảm thời gian học lái xe thực tế và
giảm giá thành đào tạo. Các kiến thức trên trường đã cung
cấp những kiến thức cơ bản của ô tô. Tuy nhiên, ô tô ngày
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 339nay càng hiện đại và được trang bị những công nghệ mới.
Bên cạnh đó, ô tô ngày nay cũng đòi hỏi những yêu cầu cao
hơn về vận tốc xe do sự phát triển mạnh của các tuyến
đường cao tốc, số người sử dụng xe ngày càng nhiều và đa
dạng hơn, công nghệ lắp ráp sản xuất cũng thay đổi phù hợp
hơn. Vì vậy để hiểu sâu hơn và nhanh chóng tiếp cận với
yêu cầu thực tiễn, việc ứng dụng công cụ mô phỏng vào các
môn học kỹ thuật chuyên ngành là vấn đề cấp thiết.
2. CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU
Chuyển làn đường là quá trình di chuyển hay gặp đặc
biệt trong điều kiện mật độ phương tiện cao như ở Việt
Nam. Đặc trưng của quá trình này là việc người lái thường
xuyên phải thay đổi góc quay vô lăng để xe có thể đi theo
quỹ đạo như mong muốn. Cùng với sự ảnh hưởng của các
thông số kết cấu, tốc độ, góc đánh lái và quy luật đánh lái
thì các điều kiện ngoại cảnh đặc biệt là hệ số bám của đường
cũng ảnh hưởng đến quỹ đạo và tính năng ổn định chuyển
động của ô tô đặc biệt ở tốc độ cao. Khi chuyển làn đường,
biên độ góc quay bánh xe dẫn hướng, tần số góc quay bánh
xe dẫn hướng cùng với vận tốc xe không phù hợp có thể dẫn
đến vi phạm làn đường: chuyển làn thừa và chuyển làn
thiếu. Quá trình này có thể dẫn đến một trong các cụm bánh
xe va chạm lề đường có thể dẫn đến lật xe.
2.1. Động học quay vòng của ô tô
Trước hết, chúng ta xét động học quay vòng của xe khi
bỏ qua biến dạng ngang của các bánh xe do độ đàn hồi của
lốp. Nếu không tính đến độ biến dạng ngang của lốp, thì khi
quay vòng véc tơ vận tốc chuyển động của các bánh xe sẽ
trùng với mặt phẳng quay (mặt phẳng đối xứng) của bánh
xe.
Trên hình mô tả động học quay vòng của ô tô có hai bánh
dẫn hướng ở cầu trước khi bỏ qua biến dạng ngang của lốp.
Ở trên sơ đồ: A, B là vị trí của hai trụ đứng; E là điểm giữa
của AB; α1, α2 là góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng
bên ngoài và bên trong so với tâm quay vòng O. Bởi vậy
góc α sẽ là đại diện cho góc quay vòng của các bánh xe dẫn
hướng ở cầu trước. Mặt khác AC và ED song song với trục
dọc của ô tô.
Hình 1. Sơ đồ động học quay vòng của ô tô khi bỏ qua biến dạng
ngang
Khi xe quay vòng, để các bánh xe không bị trượt lết hoặc
trượt quay thì đường vuông góc với các véctơ vận tốc
chuyển động của các bánh xe phải gặp nhau tại một điểm,
đó là tâm quay vòng tức thời của xe (điểm O). Theo sơ đồ
trên, ta chứng minh được biểu thức về mối quan hệ giữa các
góc quay vòng của hai bánh xe dẫn hướng để đảm bảo cho
chúng không bị trượt khi xe quay vòng:
cotg α1 – cotg α2
= q/L
Ở đây:
q – Khoảng cách giữa hai
đường tâm trụ đứng tại vị trí đặt
các cam quay của các bánh xe
dẫn hướng.
L – Chiều dài cơ sở của xe.
Từ biểu thức ta có thể vẽ được đường cong biểu thị mối
quan hệ lý thuyết giữa các góc α1 và α2 : α1 = f(α2) khi xe
quay vòng không có trượt ở các bánh xe.
Hình 2. Đồ thị lý thuyết và thực tế về mối quan hệ giữa các góc
quay vòng của hai bánh xe dẫn hướng
2.2. Động lực học quá trình chuyển làn
Khi khoảng cách giữa các phương tiện trở nên nhỏ hơn,
phương pháp này ngăn ô tô thay đổi làn đường. Một tình
huống như vậy được minh họa trong hình 3. Nơi mà một
người lái xe sẽ cố gắng chuyển làn và kích thích một phản
ứng từ các phương tiện xung quanh, chiếc xe được điều
hành bởi ADS, hoặc có tên tương đương là ego-vehicle, sẽ
phải tuân thủ các giới hạn an toàn của nó. Những giới hạn
an toàn này, được thiết kế để đảm bảo khả năng của chiếc
xe tránh va chạm bằng cách phanh, ngăn chặn sự thay đổi
làn đường có thể xảy ra.
Hình 3. Vùng màu đỏ là giới hạn an toàn của phương tiện, vùng
màu xanh cho phép chuyển làn
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 3402.3. Kiểm soát đường
Lập kế hoạch chuyển làn dựa trên việc tối ưu về thời
gian để lái xe đến trạng thái cuối cùng nhất định với mô
hình có tính đến các yếu tố như sự thoải mái và an toàn
chuyển động.

(),()((),())
J(x,u) = ∫()− 
+ ()−
s.t.
=(),()
x(t) ∈
u(t) ∈ U
g(x,u) ≤ 0
Giải pháp cho sự tối ưu hóa này sau đó sẽ là một loạt các
tiến hóa trạng thái x và các đầu vào điều khiển tương ứng u
mà tạo thành con đường tối ưu hướng tới mục đích đề ra.
Hình 4. Sơ đồ dự đoán chuyển làn
2.4. Mô hình ô tô
Dựa trên nghiên cứu trước đó, một mô hình đường đơn
giản hóa được chọn để đại diện cho phương tiện động lực
học, như một sự đánh đổi giữa mô hình khối lượng không
bao gồm bất kỳ hướng động lực học quan trọng đối với
nghiên cứu và mô hình động lực học 4 bánh bao gồm tải
trọng và các phần tử bậc cao khác làm tăng độ phức tạp khi
tính toán. Trong tình huống đường thẳng, mô hình đường
đơn đơn giản được mô tả bằng các phương trình ở dưới
trong đó ax và δrate là các thông số đầu vào.
= vcos()
= vsin()
=
(
) . δ
=
δ = δrate
Trong mô hình này các thông số của xe được thu thập
theo vận tốc đặc trưng vch được mô tả bởi phương trình:
 =
(− )
2.5. Mô hình đường
Mô hình đường đơn có thể được điều chỉnh để cho phép
triển khai môi trường vòng đường cao tốc cong bằng cách
đưa vào các biến mô hình đường được mô tả bởi các phương
trình:
= v(− )
= ()
 ()()
= ()
 ()
Ở đây, ψr mô tả góc của đường trong hệ quy chiếu tổng
thể và sr là “độ dài cung”, quãng đường đi được trong khung
đường. yr sau đó có thể được mô tả là sai số ngang đối với
đường. Độ cong của đường bằng nghịch đảo của bán kính
đường cong, 1/(p(s)). Một sơ đồ minh họa được thể hiện ở
hình 5.
Hình 5. Mô hình đường đơn cong
2.6. Thao tác tránh
Để giảm độ phức tạp tính toán của ràng buộc tránh va
chạm, thao tác tránh được chọn để mô hình hóa bằng mô
hình khối điểm:
=
=
=
=
Hình 6. Mô hình hóa thao tác tránh xe
2.7. Thời gian va chạm
Thời gian va chạm tương ứng với một chiếc xe phía
trước xe đang xét sẽ dựa trên thời gian cần thiết để chiếc xe
đang xét va chạm với phương tiện phía trước. Trong trường
hợp nó dừng lại đột ngột và chiếc xe đang xét không phản
ứng theo bất kỳ cách nào. Một ví dụ vị trí xe trong khi
chuyển làn đường có thể thấy trong hình.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 341
Hình 7. Sơ đồ tính toán thời gian va chạm
Để biểu thị cho thời gian va chạm với xe phía trước, ta
có công thức:
 = ∆
 = ∆
cos ()
 = Δ
,
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Mô hình chuyển làn bằng cách sử dụng bộ điều
khiển dự đoán mô hình phi tuyến tính
Hệ thống kiểm soát hỗ trợ chuyển làn tự động điều khiển
phương tiện sang làn đường liền kề khi có một phương tiện
khác di chuyển chậm hơn phía trước nó.
Hình 8. Mô hình mô phỏng phi tuyến tính
3.2. Xe chạy với tốc độ 54km/h
Hình 94. Minh họa xe chuyển làn với vận tốc 54km/h
Tình huống này mô phỏng tình huống xe đang di chuyển
trên đường nội thành, mật độ giao thông bình thường với
tốc độ 54km/h.
Ở đồ thị góc đánh lái biểu thị đúng với dự đoán chuyển
làn. Khi xe đánh lái sang bên trái, giá trị đồ thị sẽ nhỏ hơn
0. Sau khi chuyển đến được làn đường mong muốn, xe sẽ
phải trả lái ngược lại để xe có thể hướng đi thẳng. Biên độ
của đồ thị giảm dần và thành một đường thẳng cho thấy xe
đang đi ổn định và không có sự chuyển làn nào. Tại giây
thứ 6,6, khi xe chuyển làn sang phải, đồ thị đi lên giá trị
dương và tương tự như lần chuyển làn trước đó.
Hình 10. Đồ thị góc đánh lái khi v = 54km/h
Vị trí bên của xe là khoảng cách ngang từ đường tâm
hoặc mép ngoài của đường đến lốp trước của xe , ta có thể
thấy vị trí của phương tiện tương đương với quỹ đạo dự kiến
mà xe vạch ra. 2 lần đồ thị thay đổi tương ứng với 2 lần
chuyển làn khi xe chuyển từ làn 3 sang làn 2 và khi xe
chuyển từ làn 2 về lại làn 3.
Hình 11. Đồ thị theo dõi hành trình khi v = 54km/h
3.3. Xe chạy với tốc độ 90km/h
Hình 12. Minh họa xe chuyển làn khi v = 90km/h
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 342Khác với khi đi vận tốc thấp, ở tốc độ cao, hai lần thực
hiện chuyển làn rất sát nhau. Khi xe đánh lái sang trái, đồ
thị bắt đầu từ giá trị âm tăng dần đến giá trị lớn nhất là 0,4
rad khi trả vô lăng để xe đi theo đường thẳng. Sau 2 lần
chuyển sang làn trái, đồ thị có dạng đường thẳng tại giá trị
0 rad cho thấy xe đã đi ổn định trên 1 làn.
Hình 135. Đồ thị góc đánh lái khi v = 90km/h
Ở đồ thị theo dõi hành trình, ta thấy vị trí bên của xe và
quỹ đạo dự kiến có hình dạng đồ thị tương đương nhau. 2
lần đồ thị có dạng dốc xuống chính là 2 lần xe thực hiện
chuyển sang làn trái. Đường đồ thị của vị trí bên của xe có
sự thay đổi mượt mà hơn so với quỹ đạo dự kiến.
Hình 14. Đồ thị theo dõi hành trình xe khi v = 90km/h
3.4. Xe chạy với vận tốc 115km/h
Hình 15. Minh họa xe chuyển làn khi v = 115km/h
Ở đồ thị góc đánh lái, ta có thể thấy đồ thị không có dạng
đường thẳng như 2 trường hợp tốc độ thấp. Khi xe chạy với
tốc độ càng cao, càng phải đánh lái liên tục để đảm bảo xe
luôn ở giữa làn đường nên đồ thị góc đánh lái có dạng hình
sine.
Hình 16. Đồ thị góc đánh lái khi v = 115km/h
Ở đồ thị theo dõi hành trình, vị trí bên của xe và quỹ đạo
dự kiến có đường đồ thị tương đồng nhau. Đồ thị có hướng
tăng dần vì các lần chuyển làn của xe đều sang bên phải.
Hình 17. Đồ thị theo dõi hành trình khi v = 115km/h
4. KẾT LUẬN
Qua ba trường hợp mô phỏng ở các vận tốc khác nhau,
ta có thể thấy các dự đoán chuyển làn của ô tô đều đúng khi
người lái di chuyển thực tế trên đường. Các tình huống
chuyển làn đều đảm bảo sự an toàn cho chính lái xe và các
phương tiện xung quanh. Khi tốc độ càng cao, đồ thị góc
đánh lái càng có dạng mấp mô và thời gian giữa các lần
chuyển làn ngắn hơn. Cùng một tình huống chuyển làn,
nhưng mỗi loại xe sẽ có góc đánh lái khác nhau. Ví dụ như
những chiếc xe gầm cao nếu như đánh lái quá gấp sẽ dẫn
đến mất cân bằng xe và làm lật xe.
Ở đây mới chỉ khảo sát xe đang chạy trên đường thẳng
và tốc độ các phương tiện đều không đổi nên các tình huống
còn chưa phức tạp nhưng cũng phần nào mô tả được sự khác
nhau khi chuyển làn khi di chuyển ở các tốc độ khác nhau.
Xu hướng phát triển của đề tài:
- Tiếp tục mô phỏng quá trình chuyển làn trên các biên
dạng đường khác nhau với vận tốc biến thiên.
- Có tính đến các thông số khác trong khi chuyển làn để
đưa ra kết quả chính xác nhất.
- Mô phỏng trên các loại xe khác nhau.