TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 319
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHANH ABS TRÊN CUNG ĐƯỜNG CONG
VỚI TỐC ĐỘ KHÁC NHAU BẰNG PHẦN MỀM CARSIM
SIMULATING ABS BRAKE SYSTEM ON CURVED ROAD
WITH VARYING SPEEDS USING CARSIM SOFTWARE
Nguyễn Ngọc Hùng1,*, Phùng Văn Đô2, Trịnh Hải Linh3,
Mai Xuân Hoàng4, Phùng Văn Đô5, Nguyễn Trung Kiên6
1Lớp KTOT 06- K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp KTOT 01- K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Lớp Liên thông CĐ- ĐH OTO 01- K17, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
4Lớp KTOT 06- K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
5Lớp KTOT 01- K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
6Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: hung.haui.k15@gmail.com
TÓM TẮT
Hệ thống phanh là cơ cấu an toàn chủ động của ô tô, dùng để giảm tốc độ hay dừng và đỗ ô tô trong những trường hợp
cần thiết. Nó là một trong những cụm tổng thành chính và đóng vai trò quan trọng, trong việc điều khiển ô tô trên đường.
Nhóm sử dụng phần mềm Carsim trong nghiên cứu này trình bày các mô phỏng được tiến hành trên cung đường cong với
các tốc độ khác nhau, thiết lập cơ sở dữ liệu mẫu đến cách thức lập một bài toán mô phỏng cơ bản. Kết quả mô phỏng có
thể xuất ra được dữ liệu ra dưới dạng video chuyển động và dạng đồ thị giúp thuận lợi trong quá trình phân tích hiệu suất
của hệ thống phanh.
Từ khoá: Mô phỏng, phần mềm Carsim, phanh ABS
ABSTRACT
The braking system is an active safety mechanism of automobiles, used to reduce speed or stop and park the vehicle
when necessary. It is one of the main assemblies and plays an important role in controlling the vehicle on the road. The
team using Carsim software in this study presents simulations conducted on curved roads at different speeds, establishing
a sample database to outline the process of setting up a basic simulation problem. The simulation results can be exported
as motion videos and graphs, facilitating the analysis of the braking system's performance,
Keywords: Simulation, Carsim software, ABS brakes.
1. GIỚI THIỆU
Theo thống kê từ tờ báo VOV.vn, 11 tháng đầu năm, cả
nước xảy ra 11.779 vụ TNGT, bình quân một ngày có 35
vụ tai nạn giao thông. Chỉ tính riêng số vụ TNGT xảy ra
trong 11 tháng đã cao hơn cả năm 2023, với 11.457 vụ
TNGT [1]. Hệ thống phanh trên ô tô có trang bị ABS giúp
khắc phục tình trạng này không phụ thuộc vào kỹ thuật
phanh của người lái. Do tầm quan trọng của hệ thống phanh
trên ôtô về sự an toàn giao thông trong quá trình hoạt động
nên đã có rất nhiều những nghiên cứu về dẫn động khí nén
có điều khiển ABS.
Tác giả Kiril Rangelov đã nghiên cứu về đề tài
“SIMULINK model of a quarter-vehicle with an anti-lock
braking system” [2]. Trong nghiên cứu này, mô hình xe một
phần tư được phát triển và sử dụng để nghiên cứu hiệu quả
phanh của xe khi thử nghiệm phanh đường thẳng trên cả
đường bằng phẳng và đường không bằng phẳng trong môi
trường phần mềm Matlab-Simulink.
Nghiên cứu "Anti-lock braking system simulation and
modelling in ADAMS" của Bulent Ozdalyan và Michael V
Blundell [3] đã tập trung ứng dụng phần mềm ADAMS để
mô hình hóa và mô phỏng hoạt động của hệ thống chống bó
cứng phanh (ABS). Một trong những mục tiêu chính của
nghiên cứu này là phân tích sự tương tác phức tạp giữa lốp
và hệ thống ABS, từ đó hỗ trợ các nhà thiết kế trong việc
lựa chọn loại lốp phù hợp với hệ thống ABS.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 320Một nghiên cứu khác với tiêu đề “Simulation of the
integrated controller of the anti-lock braking system” được
thực hiện bởi Cuidong Xu, Ka Wai Eric Cheng, Lin Sha,
William Ting, và Kai Ding, đã được trình bày tại Hội nghị
quốc tế lần thứ 3 năm 2009 về Hệ thống và ứng dụng điện
tử công suất (PESA) [4]. Bài báo này trình bày mô phỏng
bộ điều khiển tích hợp hệ thống chống bó cứng phanh ô tô,
bao gồm lý thuyết máy trạng thái hữu hạn và PID liên tục
truyền thống. Nghiên cứu này chọn tỷ lệ trượt và giảm tốc
làm thông số điều khiển chính để tối ưu hóa ABS. Các yếu
tố như tốc độ xe, tốc độ bánh xe, quãng đường phanh, trạng
thái áp suất và tỷ lệ trượt được khảo sát nhằm đánh giá hiệu
quả của hệ thống chống bó cứng phanh.
Nghiên cứu trong nước, tác giả Đức và nhóm cộng sự đã
thực hiện nghiên cứu mô phỏng ứng dụng phần mềm
Matlab để mô phỏng hệ thống phanh ABS trên xe ô tô [5].
Nghiên cứu này cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc nghiên
cứu về hiệu quả phanh khi cần giảm tốc độ cũng như trong
quá trình điều khiển động học của ô tô thông qua việc sử
dụng phần mềm lập trình.
Luận án Tiến sĩ Hồ Hữu Hùng nghiên cứu về hệ thống
phanh ABS dẫn động khí nén [6]. Trong nghiên cứu này,
tác giả đã xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh khí
nén có ABS, đề xuất một thuật toán điều khiển hệ thống
theo gia tốc góc bánh xe; Thông qua bước mô phỏng hoạt
động của hệ thống trên máy tính, luận án sơ bộ xác định
được ngưỡng giá trị gia tốc góc của bánh xe để điều khiển
hoạt động của ABS; Nghiên cứu thực nghiệm nhằm hiệu
chỉnh giá trị ngưỡng gia tốc góc điều khiển. Đây là các vấn
đề có ý nghĩa khoa học, là cơ sở cho các nghiên cứu hoàn
thiện tiếp theo của hệ thống ABS khí nén.
Tác giả Nguyên Lê Châu Thành có đề tài nghiên cứu về
“Sử dụng màu và hình ảnh để nghiên cứu hệ thống phanh
ABS bằng Phần mềm Macromedia director” [7]. Sử dụng
màu và hình ảnh để nghiên cứu hệ thống phanh ABS nhằm
mục đích tạo ra tài liệu hệ thống phanh ABS với hình ảnh
nhiều màu sắc tương phản mà mô phỏng hoạt động của hệ
thống phanh ABS, giúp sinh viên học tập nhanh, có hiệu quả.
Trong quá trình tìm hiểu về các bài mô phỏng phanh
ABS, chúng tôi nhận thấy rằng có rất nhiều nghiên cứu đã
được thực hiện trong và ngoài nước. Tuy nhiên, việc nghiên
cứu hệ thống phanh ABS bằng phần mềm Carsim vẫn chưa
được khai thác nhiều. Vì vậy, nghiên cứu này sẽ tập trung
vào việc mô phỏng hệ thống phanh ABS trên các cung
đường với các tốc độ khác nhau bằng phần mềm Carsim.
Mục tiêu là phân tích các kết quả thu được để so sánh và
đánh giá các thông số điều kiện khác nhau, từ đó cung cấp
những hiểu biết sâu sắc và góp phần cải thiện hiệu suất của
hệ thống phanh ABS.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong nghiên cứu về mô phỏng hệ thống phanh ABS,
việc nắm vững cơ sở lý thuyết và các công thức tính toán là
điều cần thiết để xây dựng mô hình mô phỏng chính xác và
hiệu quả. Dưới đây là một số công thức và phương trình
quan trọng liên quan đến hệ thống phanh.
- Phương trình cơ bản mô tả động học của xe được biểu
diễn như sau [8]:
= .
Trong đó:
- là tổng lực tác dụng lên xe.
- là khối lượng của xe.
- là gia tốc của xe.
- Tính toán momen phanh:
Hình 1. Các lực tác dụng và các kích thước của xe ô tô
Ở đây có: - Trọng lượng G
- Phản lực lên các bánh xe ,
- Lực quán tính
- Để xác định ta lấy mô men các lực tại điểm tiếp xúc
bánh sau với mặt đường [8]:
−  − ℎ = 0
=> =
Tương tự ta có với:
=
- Với cơ cấu phanh đặt trực tiếp tại các bánh xe thì
momen phanh tính toán cần sinh ra ở bánh xe mỗi cơ cấu
phanh:
Ở cầu trước:
= 
 =  = 
 1 + 
  [8];
Ở cầu sau:
= 
 =  = 
 1 − 
 
- Phương trình quay của bánh xe [9]:
⋅ = − ∑
Trong đó: + là momen quán tính của xe.
+ là gia tốc góc của xe.
+ là momen phanh của xe.
+ ∑ là tổng momen lực kéo.
Pj
hg
G
Z
1
O
1
O
2
L
ab
Z
2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 3213. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
3.1. Lưu đồ thuật toán
Quy trình nghiên cứu được thiết lập dựa trên các thông
số kết cấu của hệ thống phanh, nguyên lý hoạt động của hệ
thống phanh ABS, và việc xây dựng mô hình hệ thống trên
phần mềm Carsim. Lưu đồ thuật toán mô phỏng quá trình
hoạt động của hệ thống phanh ABS ở các chế độ khác nhau,
từ đó xác định ngưỡng độ trượt của bánh xe ABS và phân
tích các kết quả thu được như quãng đường phanh, vận tốc
góc, và giá trị gia tốc góc bánh xe lý thuyết. Trên cơ sở các
kết quả này, chúng tôi tiếp tục mô phỏng hoạt động của hệ
thống theo gia tốc góc bánh xe, phân tích kết quả chạy mô
phỏng để xác định ngưỡng vận tốc của xe.
Hình 2. Lưu đồ thuật toán mô phỏng
3.2. Mô phỏng bằng phần mềm Carsim
Hình 3. Giao diện phần mềm CarSim 2017.1
Phần mềm Carsim được sử dụng để thực hiện các mô
phỏng dự đoán về ô tô, bao gồm các chuyển động của xe
đua, xe chở khách, xe tải nhẹ và các loại xe tiện ích khác.
Trước đây, việc kiểm định và kiểm tra một kết cấu hệ thống
ô tô đòi hỏi sự tham gia trực tiếp của nhiều bên liên quan,
sử dụng các dụng cụ chuyên dụng, bệ thử, và tốn rất nhiều
thời gian, công sức và tiền bạc. Những quy trình này không
chỉ phức tạp mà còn dễ dẫn đến sai sót do nhiều khâu
chuyển đổi và tính toán trung gian, làm giảm độ chính xác
của kết quả [10].
Việc sử dụng phần mềm Carsim đã mang lại nhiều lợi
ích, không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và nguồn lực trong
quá trình phát triển ô tô, mà còn đảm bảo các kết quả mô
phỏng được kiểm tra và đánh giá một cách toàn diện và
chính xác.
3.3. Tiến hành mô phỏng mô phỏng hệ thống phanh ABS
trên đường cong
Nghiên cứu này tập trung vào việc mô phỏng tác dụng
của hệ thống phanh ABS qua các dải tốc độ khác nhau trên
cung đường cong, và so sánh với trường hợp không có hệ
thống ABS. Mục tiêu là quan sát quỹ đạo chuyển động và
các kết quả số liệu của hệ thống phanh trên ô tô. Từ các kết
quả mô phỏng, nghiên cứu sẽ đề xuất một số giải pháp an
toàn cho người lái xe, đặc biệt là về giới hạn tốc độ khi
phanh xe.
Các bước mô phỏng
Để thực hiện bài toán này, quy trình mô phỏng sẽ bao
gồm các bước sau:
3.3.1. Nhập dữ liệu đầu vào
Đầu tiên, ta sẽ tạo một Dataset từ Dataset “Braking –
Split Mu: ABS”. Ở đây, ta sẽ đặt tên Dataset là “ABS duong
cong”, mục Vehicle Configuration thay đổi thành “B –
class, Hatchback 2017 duong cong” và mục Procedure thay
đổi thành “ Split Mu from XY km/h”.
Hình 4. Giao diện Dataset “ABS duong cong”
Tiếp theo, ta cài đặt các thông số dữ liệu đầu vào cho
phần mềm thực hiện phân tích mô phỏng:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 322a. Thiết lập cung đường cong
Chọn “Split Mu from XY km/h” của mục Procedure
Chọn của phần tùy chỉnh mục Miscellaneous: 3D
Road => Từ Scenic Roads chọn “Alt 3 from FHWA”
Ngoài cung đường cong ra, đề tài còn có thể thiết lập
thêm nhiều loại cung đường khác nhau để thực hiện nhiều
cuộc mô phỏng khác nhau trên các cung đường khác nhau
tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu. Mô phỏng trên các
cung đường khác nhau, các thông số đầu ra sẽ khác nhau,
từ các dữ liệu xuất ra đó ta có thể phân tích thêm phần chính
xác hiệu năng, đặc tính của hệ thống đang mô phỏng.
Hình 5. Thiết lập cung đường cong
Click vào mục “Alt 3 from FHWA” ta được:
Hình 6. Cung đường cong
Có mục “Video Preview” để có thể xem video mô
phỏng cả cung đường.
b. Ta cũng có thể điều chỉnh thời điểm phanh theo ý
muốn
Trong mục “Split Mu from XY km/h” => chọn vào
phần tùy chỉnh mục “Braking – Brake Control”
Hình 7. Điều chỉnh thời điểm phanh
Thay đổi thời điểm đạp phanh từ bảng X Axis ( thời
điểm phanh ) và Y Axis ( Áp lực phanh ). hêm chi tiết thời
điểm phanh và áp lực phanh hơn nếu muốn. Ở mục Rows
có thể thêm hoặc bớt dòng dữ liệu.
Ta thêm dữ liệu đầu vào trong 2 trường hợp như sau:
- Trường hợp 1: Phanh tăng đều:
Hình 8. Đầu vào thời điểm phanh và áp lực phanh TH1
- Trường hợp 2: Phanh đột ngột:
Hình 9. Đầu vào thời điểm phanh và áp lực phanh TH2
c. Một số điều chỉnh dữ liệu đầu vào khác
Thay đổi các thông số đầu vào khác như: Tốc độ của
xe, thời gian mô phỏng, vị trí của xe so với điểu xuất phát
của cung đường,….
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 323
Hình 10. Driver Controls, Start and Stop Conditions
Thay đổi tốc độ ở đây để có thể phân tích kỹ hơn. “Path
station” dùng để chọn vị trí của xe so với điểm xuất phát
của cung đường. “Stop” là thời gian xe mô phỏng vận hành.
d. Tạo thêm Datasets khác với xe không trang bị phanh
ABS để thực hiện Overlay
Ta sẽ tạo thêm một Datasets nữa tương tự dữ liệu so
với Dataset “ABS duong cong” đã tạo để thực hiện Overlay.
Điều này giúp ta dễ quan sát mô phỏng hơn và đồ thị ra sẽ
rõ ràng và dễ dàng phân tích hơn.
Làm tương tự như khi tạo Dataset “ABS duong cong”
và đặt tên “noABS duong cong”. Đặt Vehicle Configuration
là “B – class, Hatchback 2017 noABS duong cong” và
Procedure là “Split Mu from XY km/h noABS”.
Các dữ liệu đầu vào của 2 Dataset phải giống nhau để
trực quan trong quá trình mô phỏng, phân tích.
Hình 11. Giao diện Dataset “noABS duong cong”
e. Kết thúc nhập dữ liệu đầu vào
Sau khi nhập các dữ liệu đầu đủ ta quay lại Home của
phần mềm để chạy mô phỏng.
3.3.2. Chạy mô phỏng
Quy ước:
- Xe xanh lá – xe có trang bị phanh ABS
- Xe xanh dương – xe không có trang bị phanh ABS
Chọn “Run Math Model” để chạy mô phỏng.
Lưu ý: Khi thay đổi tốc độ hay thông số nào ở Dataset
thì phải thực hiện “Run Math Model” ở cả dataset Overlay
để đồng bộ và trực quan hơn trong quá trình phân tích.
4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
4.1. Kết quả trường hợp 1: Phanh tăng đều ở tốc độ
65km/h
Hình 12. TH1 – dải tốc độ 65km/h
Trong trường hợp này, cả hai xe đều có thể dừng lại an
toàn trên đường cong. Tuy nhiên, xe không được trang bị
hệ thống phanh ABS có quãng đường phanh dài hơn so với
xe có trang bị phanh ABS. Có thể rút ra kết luận rằng:
"Ở dải tốc độ 65 km/h và lực đạp phanh tăng đều, xe
có hoặc không có hệ thống phanh ABS đều có thể dừng
lại an toàn trên cung đường cong."
=> Hai xe đều an toàn.
4.2. Kết quả trường hợp 1: Phanh tăng đều ở tốc độ
120km/h
Hình 13. TH1 – dải tốc độ 120km/h
Trong trường hợp này, cả hai xe vẫn dừng lại được trên
đường mà không có hiện tượng nghiêm trọng nào xảy ra.
Tuy nhiên, quãng đường phanh của xe không có trang bị
phanh ABS đã dài hơn đáng kể và có hiện tượng rung khựng
xe khi dừng. Điều này có thể ảnh hưởng đến thể trạng của
tài xế.
Hơn nữa, tỷ số trượt của bánh xe không trang bị phanh
ABS đã tăng cao hơn. Trong điều kiện thời tiết xấu như
mưa, tuyết, hoặc đường có hệ số ma sát kém, xe rất dễ bị
trượt bánh.