Tóm tắt 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:28

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt 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" được nghiên cứu với mục tiêu: Dựa trên mô hình động lực học của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng và động lực học tổng quát của ô tô để thiết kế và chế tạo một bộ điều khiển 4WS. Bộ điều khiển này sẽ tạo ra góc xoay cho các bánh xe phía sau, giúp ổn định quỹ đạo trong các điều kiện khai thác khác nhau.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội, 2024
Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Cơ khí ô tô - Khoa Cơ khí TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Người hướng dẫn khoa học: 1) PGS. TS. ĐÀO MẠNH HÙNG 2) PGS. TS. TRẦN VĂN NHƯ Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI vào hồi ...... giờ ngày ...... tháng ...... năm ...... Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI và thư viện QUỐC GIA VIỆT NAM.
1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Hiện nay, vấn đề đảm bảo an toàn trong quá trình di chuyển của ô tô nhận được sự quan tâm đặc biệt trên toàn cầu. Trong số các giải pháp được áp dụng, hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS) giữ vai trò quan trọng. Nghiên cứu về hệ thống này cũng đang trở nên cấp thiết ở Việt Nam. Mục tiêu nghiên cứu Dựa trên mô hình động lực học của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng và động lực học tổng quát của ô tô để thiết kế và chế tạo một bộ điều khiển 4WS. Bộ điều khiển này sẽ tạo ra góc xoay cho các bánh xe phía sau, giúp ổn định quỹ đạo trong các điều kiện khai thác khác nhau 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. 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). 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 4WS để điều khiển bộ chấp hành , điều khiển góc xoay bánh xe dẫn hướng sau nhằm
2 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. 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. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Khi hạ tầng cơ sở phát triển, vận tốc chuyển động ô tô càng tăng thì khả năng mất an toàn chuyển động càng lớn, một trong các nguyên nhân gây tai nạn là sự không ổn định quỹ đạo chuyển động. 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. Một nguyên nhân chính của tai nạn là mất ổn định của ô tô khi thay đổi hướng hoặc làn đường. 1.1. Các nguyên nhân gây ra mất ổn định quỹ đạo chuyển động Mất ổn định quỹ đạo chuyển động do ảnh hưởng của gió ngang αf αf vf vf 0 Flt v v β β Fwy Fwy αr vr αr Flt vr 0 Hình 1.1: Ảnh hưởng của gió ngang và biến dạng của lốp đến khả năng ổn định quỹ đạo chuyển động
3 Lực gió ngang gây ra góc lăn lệch của bánh xe Hình 1.1 , dẫn đến sự chệch hướng của ô tô khỏi quỹ đạo mong muốn. Tùy thuộc độ lệch bên của bánh xe trước (αf ) và sau (αr ), có thể xảy ra hiện tượng quay vòng thiếu hoặc thừa. Khi αf > αr , lực quán tính ly tâm (Flt ) cân bằng với lực gió ngang (Fwy ), giúp ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Mất ổn định quỹ đạo chuyển động khi quay vòng vf δO vf δO Fyf Fyf αf v Flt v C Flt O1 R C L δ o - αf Ro L αr R vr l2 o δO αr vr l2 O O δO Fyr Fyr (a) (b) Hình 1.2: Mô hình quay vòng của ô tô trong điều kiện bánh xe không trượt ngang (a) và trượt ngang (b). Trong quá trình ô tô quay vòng, lực ly tâm gây ra góc lăn lệch của bánh xe trước (αf ) và sau (αr ) Hình 1.2, dẫn đến sự khác biệt giữa bán kính quay vòng thực tế (R) và lý thuyết (R0 ). Bán kính quay vòng thực tế được xác định gần đúng bởi công thức: L R≈ (1.1) δ0 − (αf − αr ) Sự khác biệt giữa αf và αr quyết định trạng thái quay vòng của ô tô: quay vòng đúng (neutral steering), quay vòng thừa (oversteer), hoặc quay vòng thiếu (understeer). Hệ số quay vòng (KS ) được định nghĩa như sau: m l2 l1 KS = − (1.2) L Cαf Cαr Trạng thái quay vòng của ô tô có thể được xác định bằng cách so sánh ˙ ˙ vận tốc góc xoay thân xe thực tế (ψ) và lý thuyết (ψ0 ):
4 ˙ ˙ ˙ ˙ Khi ψ0 = ψ (KS = 0): quay vòng đúng; Khi ψ0 < ψ (KS < 0): quay ˙ 0 > ψ (KS > 0): quay vòng thiếu. vòng thừa; Khi ψ ˙ Mất ổn định quỹ đạo chuyển động do lực phanh không đồng đều Mất ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô có thể xảy ra khi phanh trên đường có hệ số bám không đều giữa hai bên bánh xe Hình 1.3, hoặc khi mô men phanh ở các bánh xe hai bên không đồng đều do các yếu tố như khe hở giữa má phanh và trống phanh, chất lượng bề mặt ma sát, hoặc giá trị giới hạn bám không đều. Sự khác biệt trong tổng lực phanh giữa các Hình 1.3: Mất ổn định hướng do bánh xe bên phải và bên trái tạo ra lực phanh không đồng đều mô men xoay thân xe quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm (Mz ), làm ô tô chuyển động lệch hướng một góc β. 1.2. Các giải pháp ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô Ổn định quỹ đạo chuyển động thông qua hệ thống lái có 2 giải pháp công nghệ:: 1) Không cố định tỷ số truyền hệ thống lái trước (hệ thống lái chủ động trước AFS - Active Front Steering); 2) Sử dụng hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng 4WS. Ổn định quỹ đạo chuyển động thông qua hệ thống phanh : Hệ thống kiểm soát ổn định điện tử (ESC hoặc ESP) là giải pháp an toàn chủ động hiệu quả, sử dụng phanh ABS để can thiệp độc lập vào từng bánh xe. Điều này tạo ra mô men xoay cần thiết cho thân xe, giúp xe giữ được quỹ đạo dự định khi xử lý các tình huống làm lệch hướng xe. ESC phân tích thông tin từ cảm biến góc lái, gia tốc ngang, góc chuyển động lệch và vận tốc xoay thân xe, qua đó điều chỉnh hệ thống phanh ABS để duy trì ổn định quỹ đạo xe. 1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Hướng nghiên cứu về mô hình động học và động lực học Nghiên cứu của tác giả Konstantinos Spentzas và đồng nghiệp; Nghiên
5 cứu của nhóm tác giả Danwei Wang, FengQi; Nghiên cứu của nhóm tác giả J. Ackermann và W. Sienel. Hướng nghiên cứu về điều khiển hệ thống lái Nghiên cứu của tác giả Shoichi Sano; Nghiên cứu của tác giả John C. Whitehead; Nghiên cứu của tác giả Zhang Rong-hui; Nghiên cứu của nhóm tác giả B. Yang, M. Wan và Q. Sun; Nghiên cứu của tác giả Shijing Wu; Hướng nghiên cứu về thực nghiệm Nghiên cứu của tác giả Yasuji Shibahata; Nghiên cứu của nhóm tác giả M.K. Park và I.H. Suh; Nghiên cứu của nhóm tác giả Guodong Yin và Nan Chen vào năm 2008; 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Theo hướng nghiên cứu điều khiển quỹ đạo chuyển động: Công bố của tác giả Nguyễn Khắc Trai vào năm 1997 đã nghiên cứu tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô. Theo hướng nghiên cứu ổn định quỹ đạo chuyển động: Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Tuấn Anh vào năm 2010 về bộ điều khiển tối ưu hệ thống lái tích cực ô tô; Nghiên cứu của tác giả Hồ Hữu Hải vào năm 2006 đã trình bày mô hình mô phỏng chuyển động của ô tô 4 bánh dẫn hướng; Nghiên cứu của tác giả Trần Văn Lợi vào năm 2018 đã tập trung vào điều khiển hệ thống lái điện SBW cho ô tô con; Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Xuân Tuấn vào năm 2021 đã nghiên cứu chuyển đổi từ hệ thống lái trợ lực thủy lực sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực trên ô tô tải; Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Anh Tuấn vào năm 2017 đã nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Các nghiên cứu về cải thiện ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô thường tập trung vào hệ thống phanh, trong khi các nghiên cứu về hệ thống lái 4 bánh (4WS) chủ yếu còn ở mức độ lý thuyết. Luận án góp phần phát triển cơ sở lý thuyết cho ngành công nghiệp ô tô và ngành sản xuất lắp ráp ô tô tại Việt Nam, hướng tới việc nâng cao tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô.
6 CHƯƠNG 2. ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG 2.1. Động học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng Hình 2.2: Hệ thống lái 4WS với 3 trạng thái điều khiển bánh Hình 2.1: Quan hệ động học của các xe cầu sau bánh xe dẫn hướng khi xoay ngược chiều Động học đổi hướng chuyển động của ô tô với hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS) được xem xét trong hai trường hợp: bánh xe dẫn hướng trước và sau xoay cùng chiều hoặc ngược chiều Hình 2.1. Các biến số quan trọng bao gồm góc xoay của các bánh xe dẫn hướng (δ1 , δ2 , δ3 , δ4 ), chiều dài cơ sở (L), khoảng cách tâm xoay trụ đứng bánh xe dẫn hướng trước và sau (B1 , B2 ), và khoảng cách từ tâm quay vòng tức thời đến trục trước và sau (Lc1 , Lc2 ). Hệ số 4WS (k4W S ) xác định vị trí của tâm quay vòng tức thời. Khi k4W S > 0, bánh xe phía sau và trước xoay cùng chiều; khi k4W S = 0, hệ thống lái hoạt động như 2WS; và khi k4W S < 0, bánh xe phía sau và trước xoay ngược chiều Hình 2.2. Từ đó, các mối quan hệ giữa góc xoay của các bánh xe dẫn hướng được xác định trong các phương trình (2.1). Lc1 tan δ1 Lc2 tan δ1 δ2 = arctan ; δ3 = arctan B1 tan δ1 + Lc1 Lc1 (2.1) Lc2 tan δ3 B2 δ4 = arctan ; cot(δ4 ) − cot(δ3 ) = B2 tan δ3 + Lc2 Lc2
7 Động học hình thang lái phía sau trên ô tô bốn bánh dẫn hướng Trên Hình 2.3 trình bày hai vị trí, đường nét liền ứng với vị trí của hình thang lái khi ô tô chạy thẳng, và đường nét đứt ứng với vị trí của hình thang lái khi ô tô quay vòng. Khi xoay đoạn AL đi một góc δ3 , đoạn BR sẽ xoay theo một góc tương ứng δ4 . Hình 2.3: Sơ đồ hình thang lái phía sau trên ô tô bốn bánh dẫn hướng lb · cos(βo + δ3 ) δ4 = βo + arctan B2 − lb · sin(βo + δ3 ) (2.2) lb − B2 · sin(βo + δ3 ) − 2lb · sin2 βo + 2B2 · sin βo − arcsin (lb )2 · cos2 (βo + δ3 ) + [B2 − lb · sin(βo + δ3 )]2 Nếu xem βo là tham số thì chúng ta có 5 một họ đường cong 4.5 δ3 , δ4 . Trong số đó sẽ có đường nằm sát với 4 đường cong lý tưởng 3.5 theo biểu thức (2.1), 3 góc βo của đường cong 2.5 o = 60° 4 gần sát đường cong lý 2 o = 65° tưởng đó được dùng o = 70° 1.5 để thiết kế hình thang 1 lái Hình 2.4. Sai lệch ∆βo giữa đường cong 0.5 chọn và đường cong 0 0 1 2 3 4 5 6 lý tưởng phải nhỏ hơn 3 1◦ . Hình 2.4: Mối quan hệ giữa δ3 và δ4 cho các giá trị βo
8 2.2. Động lực học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng Cơ sở lý thuyết về hệ trục tọa độ Phương trình chuyển đổi vận tốc dịch     chuyển trọng tâm ô tô theo hệ trục x0 ˙ x˙ tọa độ di động về hệ trục tọa độ cố  y0  = T  y  ˙ ˙ (2.3) định: z0 ˙ z ˙ Trong trường hợp nghiên cứu động lực học quay vòng của ô tô mà bỏ qua dịch chuyển tại trọng tâm của ô z tô theo phương thẳng đứng (z), góc lắc dọc (θ) và góc lắc ngang (ϕ). Thân zo y xe còn 3 bậc tự do là dịch chuyển theo phương dọc (x), theo phương ngang (y) và góc xoay thân xe (ψ) Hình 2.5. C Ma trận chuyển trục tọa độ Tϕ , Tθ là yo các ma trận đơn vị, do đó biểu thức O chuyển hệ trục được rút gọn như sau (2.4): xo x Hình 2.5: Sơ đồ chuyển đổi hệ trục tọa độ Trong đó: T là ma trận chuyển đổi. T là tích của 3 ma trận chuyển đổi tương ứng với ba góc xoay của hệ trục tọa độ di động tại trọng tâm của ô tô. Ta có công thức T = Tψ Tϕ Tθ với:     cos ψ − sin ψ 0 cos ϕ 0 sin ϕ Tψ =  sin ψ cos ψ 0  , Tϕ =  0 1 0  0 0 1 − sin ϕ 0 cos ϕ        1 0 0 x0 ˙ cos ψ − sin ψ 0 x˙ Tθ =  0 cos θ − sin θ  ,  y0  =  sin ψ ˙ cos ψ 0   y  ˙ 0 sin θ cos θ z0 ˙ 0 0 1 z˙ (2.4)
9 Động lực học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS) Trên Hình 2.6, động cơ điện có mô men Tm thông qua hộp giảm tốc (tỷ số truyền Gm ) dẫn động cơ cấu êcu bi - trục vít (tỷ số truyền Gs ). Khối lượng quán tính, độ cứng và hệ số cản nhớt tương đương của hệ thống dẫn động lái được quy dẫn về thước lái ký hiệu Hình 2.6: Mô hình động lực học hệ tương ứng là mr , K và c. thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS) Dẫn động lái sau sử dụng động cơ điện DC ,trên Hình 2.7 ký hiệu: Ue - điện áp đầu vào; Rm - điện trở của cuộn dây; Lm - độ tự cảm; Eb - sức phản điện động sinh ra từ chuyển động của rotor; ia - dòng điện qua phần ứng; ϕ - từ thông của stator; Hình 2.7: Mô hình động cơ điện θm - góc quay của rotor, Tm - mô-men xoắn trên trục động cơ; Tf - mô men cản nhớt; τl - mô men tải. Hàm truyền từ mô-men tải đến góc quay của động cơ, khi điện áp Ue = 0: θm (s) 1 =− (2.5) τl (s) s (Jm s + Bm + (Kb Km )/Rm ) Mô hình động lực học cơ cấu lái và dẫn động lái Với tín hiệu đầu vào là xung điện áp điều khiển Ue (t) và đầu ra là góc xoay của bánh xe dẫn hướng α. ˙  Lm ia = Ue − Rm ia − Eb    ¨ J θ = K i − B θ − τ  m m  m a ˙ m m l   kα c ˙ K (2.6) mr lb α = −clb α − Klb + lb α + Gs Gm θm + Gs Gm θm  ¨ ˙      ˙ c(θm /(Gs Gm ) − lb α) + K(θm /(Gs Gm ) − lb α) ˙ τl =  Gs Gm
10 2.3. Động lực học ô tô Mô hình hai vết trong mặt phẳng Lực ngang Fyi ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường phụ thuộc phi tuyến theo góc lăn lệch của bánh xe αi . Giá trị Fyi đạt cực đại khi αi khoảng 6o đến 8o . Sử dụng công thức Pacejka mô tả lực trượt ngang Fyi Hình 2.8. Hình 2.8: Mô hình động lực học hai vết của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS) Phương trình vi phân chuyển động của ô tô:  4 m¨ = − ˙ ˙ Fyi cos δi − mxψ + Fwy   y   i=1       2 4 ¨ = −lf Jψ i (−1) Fyi sin δi − lr (−1)i Fyi sin δi (2.7)    i=1 i=3  2 4        −l1 Fyi cos δi + l2 Fyi cos δi − Fwy lw i=1 i=3 Fyi (αi ) = Fzi Di sin (Ci arctan (Bi αi − Ei (Bi αi − arctan(Bi αi )))) (2.8) Trong đó: Fzi - phản lực thẳng đứng tác dụng lên bánh xe i; αi - góc lăn lệch của bánh xe i; Bi , Ci , Di , Ei là các hệ số mô tả đặc tính bám ngang của bánh xe i. Lực Fzi được xác định trên cơ sở mô hình động lực học theo phương thẳng đứng của ô tô.
11 Mô hình không gian xác định phản lực thẳng đứng  mgl2 x ˙˙ m(¨ − ψ y)hg ˙˙ m(y + ψ x)l2 hg ¨ F  = − − Fz1  z1   2(l1 + l2 ) 2(l1 + l2 ) 2lf (l1 + l2 ) Fy1 Fx1 x   lf    Fz2    Fwx hwx Fwy (l2 + lw )hwy z F hwx wx  − + V β  y  Fy2 Fx2  2(l1 + l2) 2lf (l1 + l2 )   hwy Fwy   Fz3   C   mgl2 x ˙˙ m(¨ − ψ y)hg ˙˙ m(y + ψ x)l2 hg ¨ lw  Fy3 Fx3  l1  F  z2 = − +     2(l1 + l2 ) 2(l1 + l2 ) 2lf (l1 + l2 ) hg Fz4     Fwx hwx Fwy (l2 + lw )hwy Fy4 l2  Fx4  lr  − −      2(l1 + l2) 2lf (l1 + l2 ) lr     mgl1 ˙˙ m(¨ − ψ y)hg x ˙˙ m(y + ψ x)l1 hg ¨ −  Fz3 =   +     2(l1 + l2 ) 2(l1 + l2 ) 2lr (l1 + l2 )   Fwy (l1 − lw )hwy Fwx hwx Hình 2.9: Mô hình dao động ô tô    + +      2(l1 + l2) 2lr (l1 + l2 ) trong không gian của         mgl1 ˙˙ m(¨ − ψ y)hg x ˙˙ m(y + ψ x)l1 hg ¨ hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng  F  z4 =  + +     2(l1 + l2 ) 2(l1 + l2 ) 2lr (l1 + l2 ) (4WS)   Fwx hwx Fwy (l1 − lw )hwy    + −    2(l1 + l2) 2lr (l1 + l2 ) (2.9) Phương trình cân bằng mô men quanh trục dọc và ngang đi qua hình chiếu trọng tâm C của ô tô trên mặt đường, ta xác định được các thành phần lực Fz1 , Fz2 , Fz3 , và Fz4 Hình 2.9. 2.4. Mô phỏng bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS) Trường hợp 1: bánh xe dẫn hướng phía sau xoay một góc δr = 0, 09 rad và giữ ở vị trí đó. Trên Hình 2.10, tại thời điểm t=1,2 s, bắt đầu có xung điện áp, δr tăng dần. Đến khoảng 3 s không cấp điện áp cho động cơ, góc xoay bánh xe dẫn hướng không tăng tiếp nữa, và ổn định ở Hình 2.10: Sự thay đổi góc xoay bánh xe phía sau khoảng 0,09 rad. của hệ thống lái 4WS khi đặt xung điện áp dương với chu kỳ xung 50%
12 Trường hợp 2: Hình 2.11. Cấp xung điện áp dương cho động cơ DC trong khoảng thời gian 1,2 s đến 3 s, khi đó bánh xe dẫn hướng xoay về một phía, đạt giá trị cực đại khoảng 0,08 rad, sau đó cấp xung điện áp âm cho động cơ DC trong khoảng thời Hình 2.11: Sự thay đổi góc xoay bánh xe phía sau gian từ 3 s đến 4,8 s, của hệ thống lái 4WS khi đặt xung điện áp dương bánh xe dẫn hướng trở từ 1,2÷3,0 [s] và xung điện áp âm từ 3,0÷4,8 [s] về vị trí ban đầu. 2.4. Kết luận Chương 2 Đã xây dựng được mô hình động lực học của hệ thống lái bốn bánh (4WS), xác định mối quan hệ giữa góc lái bánh sau với góc lái bánh trước và vận tốc. Mô phỏng động lực học của bộ chấp hành 4WS từ tín hiệu điện áp đến góc lái bánh sau khẳng định sự phù hợp giữa lý thuyết và thực tế, cũng như độ tin cậy của mô hình. Điều này mở ra khả năng tích hợp mô hình với động lực học chuyển động ô tô để phát triển bộ điều khiển nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô qua hệ thống lái 4WS. CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG 3.1. Mô hình động lực học một vết của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS) Hình 3.1: Mô hình động lực học một vết của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS).
13 Mô hình động lực học quay vòng 1 vết thể hiện trên Hình 3.1. Với giả thiết vận tốc dọc không đổi, v0 = x = hằng số, x = 0. khi đó phương trình ˙ ¨ vi phân chuyển động của ô tô viết dưới dạng ma trận:  Cα +Cαr l1 Cα −l2 Cαr  f f  Cα  − − v0 − f Cαr y ¨  mv0 mv0  y ˙ δf =    +  m m  ¨ ψ l1 Cα −l2 Cαr l1 2C 2  ˙ ψ l1 Cα l2 Cαr  δr  f αf +l2 Cαr  − f − J J Jv0 Jv0 (3.1) ml1 2 −l2 + Car (l1 +l2 ) v0 ⇒ kus = ml2 2 (3.2) l1 + Caf (l1 +l2 ) v0 Hệ số tỷ lệ kus giữa góc xoay bánh xe dẫn hướng phía sau và trước là một hàm của vận tốc dọc. Công thức trên cho thấy ở vận tốc cao, bánh sau quay theo cùng hướng nhưng ít hơn bánh trước và ngược hướng tại vận tốc thấp. 3.2. Sơ đồ mô phỏng động lực học chuyển động của ô tô với hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS) Mô hình mô phỏng Hình 3.2: Sơ Mô hình , Fyf , Fyr Mô hình đồ khối mô Mô hình góc lăn lệch ĐLH lốp xe phỏng động bánh xe thân xe lực học chuyển Mô hình ĐLH Ue_MP động của ô tô bộ chấp hành Bộ điều e - với hệ thống khiển MP hệ thống lái MP + lái bốn bánh Mô hình ĐLH dẫn hướng quay vòng (4WS) lý tưởng Sơ đồ khối với đầu vào là góc xoay trung bình bánh xe dẫn hướng phía trước và vận tốc ô tô không đổi (v0 ), bỏ qua mấp mô mặt đường (qi = 0). ˙ ˙ Mô hình tính toán vận tốc góc xoay thân xe thực tế (ψ) và lý tưởng (ψd ), xác định sai lệch (e) Hình 3.2. 3.3. Thiết kế bộ điều khiển PID-GA cho hệ thống lái 4WS Bộ điều khiển PID được thiết kế để giảm thiểu sai lệch e(t) giữa vận ˙ tốc góc xoay thân xe mong muốn (ψd ) và vận tốc góc xoay thân xe thực tế ˙ Giá trị mong muốn này được xác định trên cơ sở mô hình quay vòng (ψ). lý tưởng hệ thống lái 2WS dựa vào góc xoay trung bình của các bánh xe
14 dẫn hướng trước (δf ) và vận tốc chuyển động của ô tô (v0 ): ˙ v0 δ f ˙ ˙ e(t) = ψd (t) − ψ(t) (3.4) ψd = 2 mv0 (l2 Cαr −l1 Cαf ) (3.3) l1 + l2 + Cαf Cαr (l1 +l2 ) Bảng 3.1: Giá trị Kp , Ki và Kd tối ưu theo gia tốc ay ay (m/s2 ) 3 4 5 6 7 Kp 0,322 0,398 0,299 0,356 0,0367 Ki 5,533 5,98 5,321 5,109 5,23 Kd 0,0036 0,0025 0,0029 0,0032 0,0028 Trên Bảng 3.1 chọn Kp = 0, 299; Ki = 5, 321; Kd = 0, 0029, tương ứng với trường hợp ay = 5m/s2 , cho các mô phỏng với các trường hợp quay vòng thực tế để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển thiết kế. 3.4. Khảo sát tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô Trường hợp 1: ô tô đi thẳng với vận tốc v0 = 80 km/h có lực gió ngang tác dụng Fwy = 125 N; Độ cứng bên của các bánh xe trục trước, trục sau: Cαf = 30000 N/rad, Cαr = 22000 N/rad; 0.4 2WS 0 0.2 4WS 2WS 2WS Ly tuong 0.3 4WS 4WS -0.005 0.1 0.2 -0.01 0 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 0.1 10 0.01 2WS 4WS 0 0 50 100 150 200 5 0.005 0 0 0 5 10 2 4 6 8 10 Hình 3.10 - 3.16: Đồ thị ô 10 -3 150 8 tô đi thẳng với vận tốc 6 100 4WS v0 = 80 km/h có lực gió ngang 4 tác dụng Fwy = 125 N 50 2 0 0 0 5 10 0 5 10
15 Kết quả mô phỏng (Hình 3.10 - 3.16) cho thấy, ô tô với hệ thống lái 2WS sẽ lệch quỹ đạo khoảng 0,2 m nếu người lái chậm phản ứng. Ngược lại, ô tô 4WS với điều khiển PID-GA duy trì quỹ đạo thẳng nhờ điều chỉnh góc xoay bánh sau, góc xoay lớn nhất khoảng 0,007 rad (0,4 độ). Để điều khiển, mô tơ bánh sau được cung cấp xung điện áp, duy trì góc xoay cho đến khi gió ngừng tác động. Trường hợp 2: ô tô quay vòng thiếu vận tốc 60 km/h, góc xoay trung bình bánh xe dẫn hướng phía trước tăng dần từ 0 đến 0,08 rad trong khoảng 2 giây và giữ cố định ở 0,08 rad, Độ cứng bên của các bánh xe trục trước, trục sau: Cαf = 22000 N/rad, Cαr = 30000 N/rad; Kết quả mô phỏng (Hình 3.17 - 3.24) cho thấy, với hệ thống lái 2WS, ô tô có xu hướng lệch ra ngoài tâm quay vòng. Bánh xe dẫn hướng sau được điều chỉnh xoay cùng chiều với bánh xe trước, đạt trạng thái ổn định sau khoảng 2.3 giây khi sai lệch e(t) đạt 0. 120 2WS 26 4WS 4 100 0.01 Ly tuong 4WS 2WS 25 0 80 4WS 2 24 -0.01 60 -0.02 0 40 23 0 5 10 0 5 10 62 63 64 20 0 0.2 2WS 2WS 0 4WS 0 20 40 60 80 100 120 4WS -0.02 0.1 0 -0.04 0.08 0 5 10 0 5 10 10 -3 0.06 5 10 0 0.04 0 -5 0.02 -10 -10 0 5 10 2 4 6 8 10 0 0 2 4 6 8 10 Hình 3.17 - 3.24: Đồ thị ô tô quay vòng thiếu vận tốc 60 km/h
16 Trường hợp 3: ô tô quay vòng thừa vận tốc 60 km/h, góc xoay trung bình bánh xe dẫn hướng phía trước tăng dần từ 0 đến 0,08 rad trong khoảng 2 giây và giữ cố định ở 0,08 rad. Độ cứng bên của các bánh xe trục trước, trục sau: Cαf = 30000 N/rad, Cαr = 22000 N/rad; Kết quả mô phỏng (Hình 3.25 - 3.32) cho thấy, khi không có điều khiển, sai lệch e(t) dao động lớn và trạng thái mất ổn định xảy ra. Với điều khiển, cả trong mô phỏng và lý tưởng, hệ thống điều chỉnh trong khoảng 2,12 giây để đưa ô tô về quỹ đạo quay vòng đúng, sau đó duy trì sai lệch quanh ngưỡng 0, giữ trạng thái ổn định. 100 2WS 0.04 8 4WS 4WS 2WS Ly tuong 0.02 6 4WS 80 0 4 -0.02 2 60 -0.04 0 60 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 40 0.4 0 58 2WS 2WS 0.3 4WS 4WS 20 -0.02 56 0.2 52 54 56 -0.04 0.1 0 0 20 40 60 80 100 0 -0.06 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 -3 10 15 10 0.08 10 5 5 0 0.06 0 -5 -5 -10 0 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 0.04 0.02 Hình 3.25 - 3.32: Đồ thị ô tô quay vòng 0 thừa vận tốc 60 km/h 0 2 4 6 8 10 3.5. Kết luận Chương Nghiên cứu sinh đã thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái 4WS dựa trên thuật toán PID-GA nhằm giảm thiểu sai lệch giữa vận tốc góc xoay thân xe mong muốn và thực tế. Khảo sát trên ba tình huống (chuyển động thẳng dưới gió ngang, quay vòng thiếu và thừa) cho thấy ô tô 4WS điều khiển bằng PID-GA có quỹ đạo và động lực học chuyển động gần với lý tưởng, với sai lệch ổn định về 0 trong vòng 1,3 giây. Điều này chứng minh hiệu quả và tính ứng dụng cao của bộ điều khiển.
17 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Mục đích và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Thực nghiệm là một phần không thể thiếu trong nghiên cứu khoa học để làm sáng tỏ, khẳng định tính chính xác mô hình lý thuyết hay xác định các thông số đầu vào cho mô hình. Mục đích, đối tượng và các thông số cần đo: Mục tiêu của thí nghiệm là kiểm tra và đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển trong việc đạt được các đặc tính và phản hồi mong muốn trong các tình huống khác nhau. Đối tượng thí nghiệm là hệ thống lái 4WS trên Honda Preludes được kết nối với bộ điều khiển ECU và mô hình Matlab/Simulink mô phỏng động lực học ô tô. Các thông số đầu vào để khảo sát được thể hiện trên (Bảng 2.1) dùng cho bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS). Các phương pháp thí nghiệm: Có 3 phương pháp thí nghiệm hệ thống lái 4WS: mô phỏng (an toàn, linh hoạt nhưng ít thực tế), trên xe thật (thực tế nhưng tốn kém, khó kiểm soát) và bán thực nghiệm (HILS) (cân bằng giữa hai phương pháp). Mô hình mô phỏng Mô hình , Fyf , Fyr Mô hình Mô hình góc lăn lệch ĐLH lốp xe bánh xe thân xe Mô hình ĐLH Ue_MP bộ chấp hành Bộ điều e - khiển MP hệ thống lái MP + Mô hình ĐLH quay vòng lý tưởng Mô hình Mô hình ĐLH bộ chấp hành Ue_TN Bộ điều e + ĐLH khiển TN hệ thống lái TN - thân xe Mô hình thực nghiệm Hình 4.1: Mô hình thí nghiệm hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS)
18 Nghiên cứu sinh chọn phương pháp HILS với phần mềm Matlab Simulink và mô hình bán thực nghiệm để kiểm tra bộ điều khiển 4WS ở các chế độ chạy thẳng, quay vòng thừa/thiếu (Hình 4.1). Mô hình sử dụng thông số động lực học thực tế, gồm góc xoay vành lái, góc xoay bánh sau, phản lực bánh xe. Các thông số đầu vào cho phần mềm mô phỏng bao gồm các thông số đo từ phần cứng: 1) Góc xoay vành lái; 2) Góc quay mô tơ điều khiển (để xác định góc xoay trung bình bánh xe dẫn hướng sau); 3) Phản lực thẳng đứng Fz ở hai bên bánh xe. Các thông số giả định mô phỏng: 1) Vận tốc chuyển động ô tô giả định; 2) Các thông số kỹ thuật của ô tô và độ cứng bên của bánh xe giả định. Hình 4.3: Bệ thử nghiệm HILS hệ thống Hình 4.2: Sơ đồ bố trí mô hình thực nghiệm HILS Hình 4.4: Bộ chấp hành hệ thống lái 4WS Thông số đầu ra của phần mềm mô phỏng gồm: 1) Sai lệch vận tốc góc xoay thân xe e(t) giữa quay vòng lý tưởng và quay vòng thực tế có tín hiệu phản hồi từ phần cứng. Là thông số đầu vào phần cứng điều khiển hệ thống lái 4WS; 2) Vận tốc góc xoay thân xe trường hợp quay vòng lý tưởng và quay