Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển ga tự động CCS cho ô tô

CCS: Thiết kế hệ thống điều khiển ga tự động. Tìm hiểu về cấu trúc, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của CCS trong điều khiển xe tự hành.

• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển ga tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.3. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
• 1.4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.4.1. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GA TỰ ĐỘNG (CCS)
• 1.6. GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI BỘ CHẤP HÀNH CCS
• 2. Chương 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
• 2.1. KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ PHẬN
• 2.1.1. Các bộ phận cấu thành của hệ thống CCS
• 2.1.2. Công tắc điều khiển
• 2.1.3. Cảm biến tốc độ xe
• 2.1.4. Các công tắc hủy
• 2.1.5. Công tắc phanh tay
• 2.1.6. Công tắc khởi động trung gian (kiểu xe A/T)
• 2.1.7. Công tắc ly hợp (kiểu xe M/T)
• 2.1.8. Công tắc đèn phanh
• 2.1.9. ECU điều khiển chạy tự động
• 2.1.10. Bộ chấp hành
• 2.1.11. Cảm biến vị trí bướm ga
• 2.2. CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG CCS
• 2.2.1. Chức năng điều khiển tốc độ không đổi
• 2.2.2. Chức năng cài đặt tốc độ (Set)
• 2.2.3. Chức năng tăng tốc(Acc)
• 2.2.4. Chức năng giảm tốc(Coast)
• 2.2.5. Chức năng phục hồi (Resume)
• 2.2.6. Chức năng điều khiển giới hạn tốc độ thấp
• 2.2.7. Chức năng điều khiển giới hạn tốc độ quá cao
• 2.2.8. Chức năng hủy thường
• 2.2.9. Chức năng hủy tự động
• 2.2.10. Chức năng chẩn đoán
• 2.2.11. Chức năng kiểm tra tín hiệu vào
• 2.3. CẢI TIẾN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GA TỰ ĐỘNG CCS
• 2.3.1. Hệ thống ACCS
• 2.3.2. Hệ thống ACCS stop and go
• 2.4. GIỚI THIỆU VỀ MATLAB SIMULINK VÀ BOARD MẠCH ARDUINO MEGA 2560 R3
• 2.4.1. Giới thiệu phần mềm matlab simulink
• 2.4.2. Giới thiệu board mạch arduino mega 2560 R3
• 3. Chương 3: NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CCS VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK TRONG LẬP TRÌNH CCS ECU
• 3.1. NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CCS
• 3.2. Thuật toán điều khiển CCS
• 3.3. Thuật toán giải thuật PID
• 3.4. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CCS BẰNG SIMUNLINK
• 3.4.1. Cụm tín hiệu SWITCHES và SENSORS
• 3.4.2. Cụm ENABLE/SETPIONT
• 3.4.3. Cụm PID &CONTROLER BLOCK
• 3.4.4. Cụm điều khiển Bộ chấp hành
• 3.4.5. Cụm cảm biến vị trí bướm ga và motor mô phỏng tốc độ xe
• 3.4.6. Các BLOCK hiển thị và báo hiệu
• 4. Chương 4: THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG CCS
• 4.1. BỘ CHẤP HÀNH
• 4.2. CÔNG TẮC ĐIỀU KHIỂN
• 4.3. CỤM PEDAL BƯỜM GA
• 4.4. CÁC CÔNG TẮC HỦY
• 4.5. ĐÈN BÁO VÀ GIẮC KIỂM TRA
• 4.6. ECU ĐIỀU KHIỂN GA TỰ ĐỘNG
• 4.7. MOTOR MÔ PHỎNG TỐC ĐỘ XE
• 4.8. THIẾT KẾMÔ HÌNH
• 5. Chương 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUÁ
• 6. Chương 6: KẾT LUẤN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 6.1. NHỮNG THÀNH QUẢ THU ĐƯỢC
• 6.2. HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI
• 6.3. ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Toàn cảnh hệ thống điều khiển ga tự động CCS ACC

Hệ thống điều khiển ga tự động, hay Cruise Control System (CCS), là một công nghệ nền tảng trong lĩnh vực ô tô, được thiết kế để tự động duy trì tốc độ của xe do người lái cài đặt. Lịch sử của công nghệ này bắt nguồn từ phát minh của kỹ sư Ralph Teetor vào năm 1945, với mẫu xe thương mại đầu tiên ứng dụng là Chrysler Imperial vào năm 1958. Ban đầu, mục tiêu của việc thiết kế hệ thống điều khiển ga tự động là giảm sự mệt mỏi cho tài xế trên các chặng đường dài, đặc biệt là trên cao tốc. Nguyên lý hoạt động cơ bản của CCS dựa trên một vòng lặp điều khiển hồi tiếp. Cảm biến tốc độ xe liên tục gửi tín hiệu về ECU điều khiển chạy tự động. Bộ phận này so sánh tốc độ thực tế với tốc độ đã cài đặt. Nếu có sự chênh lệch, ECU sẽ ra lệnh cho bộ chấp hành điều chỉnh góc mở bướm ga để tăng hoặc giảm công suất động cơ, từ đó đưa xe về tốc độ mong muốn. Sự phát triển của công nghệ đã dẫn đến phiên bản cải tiến vượt trội là Hệ thống kiểm soát hành trình thích ứng (Adaptive Cruise Control - ACC). Không chỉ duy trì tốc độ, ACC còn sử dụng các cảm biến radar hoặc lidar để phát hiện phương tiện phía trước, tự động điều chỉnh tốc độ để giữ khoảng cách an toàn. Đây là một bước tiến quan trọng, đưa CCS trở thành một phần không thể thiếu của hệ thống hỗ trợ lái xe ADAS, nâng cao đáng kể mức độ an toàn chủ động và tiến gần hơn đến công nghệ xe tự hành.

1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ CCS

Công nghệ điều khiển tốc độ tự động không phải là một phát kiến mới. Ngay từ năm 1910, các bộ điều tốc ly tâm đã được sử dụng trên ô tô để duy trì vận tốc ổn định. Tuy nhiên, hệ thống điều khiển ga tự động hiện đại (CCS) được ghi nhận phát minh bởi kỹ sư Ralph Teetor vào năm 1945. Hệ thống của ông sử dụng một solenoid để điều chỉnh vị trí bướm ga dựa trên tốc độ trục khuỷu. Đến năm 1958, hãng Chrysler Corporation đã trang bị công nghệ này trên dòng xe Imperial, đánh dấu sự ra đời của CCS trên xe thương mại. Ban đầu, các hệ thống này chủ yếu là cơ khí và chân không, nhưng theo thời gian, chúng đã phát triển thành các hệ thống điện tử tinh vi, tích hợp sâu vào bộ điều khiển động cơ.

1.2. So sánh CCS truyền thống và Adaptive Cruise Control ACC

Sự khác biệt cốt lõi giữa CCS và Adaptive Cruise Control (ACC) nằm ở khả năng nhận biết môi trường xung quanh. CCS truyền thống chỉ có một nhiệm vụ duy nhất: duy trì tốc độ xe không đổi theo cài đặt của người lái. Hệ thống này không có khả năng phát hiện các phương tiện khác trên đường. Ngược lại, ACC là một hệ thống thông minh hơn. Nó sử dụng cảm biến radar hoặc camera để giám sát khoảng cách với xe phía trước. Khi phát hiện có xe chạy chậm hơn, ACC sẽ tự động giảm tốc độ của xe, thậm chí kích hoạt hệ thống phanh để duy trì một khoảng cách an toàn đã được thiết lập trước. Khi đường thông thoáng, nó sẽ tự động tăng tốc trở lại tốc độ cài đặt. ACC, đặc biệt là phiên bản Stop & Go, là một thành phần quan trọng của các hệ thống hỗ trợ lái xe ADAS hiện đại.

II. Phân tích kiến trúc hệ thống điều khiển ga tự động

Một thiết kế hệ thống điều khiển ga tự động hoàn chỉnh được cấu thành từ ba khối chính: khối cảm biến, khối điều khiển và khối chấp hành. Mỗi khối đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác và an toàn. Khối cảm biến có nhiệm vụ thu thập dữ liệu vận hành của xe và môi trường xung quanh, bao gồm cảm biến tốc độ xe, cảm biến vị trí bướm ga, và các tín hiệu từ công tắc phanh, công tắc ly hợp. Dữ liệu này được truyền đến khối điều khiển trung tâm, chính là ECU (Bộ điều khiển điện tử). Tại đây, bộ vi xử lý sẽ phân tích, tính toán dựa trên các thuật toán điều khiển được lập trình sẵn. ECU sẽ so sánh tốc độ thực tế với tốc độ mong muốn và quyết định hành động tiếp theo. Cuối cùng, khối chấp hành sẽ thực thi mệnh lệnh từ ECU. Trong các hệ thống cũ, cơ cấu chấp hành phanh và ga có thể là bộ chấp hành dẫn động bằng chân không hoặc bằng motor điện riêng biệt. Ở các xe hiện đại, chức năng này được tích hợp trực tiếp vào bướm ga điện tử (Electronic Throttle Control), cho phép điều khiển chính xác và nhanh chóng hơn. Toàn bộ các thành phần này giao tiếp với nhau thông qua mạng CAN (CAN bus), tạo thành một hệ thống đồng bộ và hiệu quả.

2.1. Vai trò của các cảm biến tốc độ và vị trí bướm ga

Cảm biến tốc độ xe là thành phần đầu vào quan trọng nhất, cung cấp thông tin tốc độ thực tế cho ECU. Có nhiều loại cảm biến được sử dụng, từ loại công tắc lưỡi gà, cảm biến quang học, đến loại điện từ và MRE (phần tử điện trở từ) hiện đại. Tín hiệu từ cảm biến này là cơ sở để ECU thực hiện các phép so sánh và tính toán sai số. Bên cạnh đó, cảm biến vị trí bướm ga cung cấp thông tin về góc mở hiện tại của bướm ga, giúp ECU biết được trạng thái hoạt động của động cơ và đưa ra các lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành một cách mượt mà, tránh các thay đổi đột ngột.

2.2. Phân tích bộ điều khiển điện tử ECU và mạng CAN

Trái tim của hệ thống là ECU điều khiển chạy tự động. Nó nhận tín hiệu từ tất cả các cảm biến và công tắc, xử lý chúng theo một chương trình đã được định sẵn. ECU chứa một bộ vi xử lý chịu trách nhiệm thực thi các thuật toán điều khiển, lưu trữ tốc độ cài đặt, và quản lý các chức năng như SET, RESUME, ACCEL, COAST và CANCEL. Trên các phương tiện hiện đại, chức năng CCS ECU thường được tích hợp vào ECU động cơ (Engine Control Module - ECM). Việc giao tiếp giữa các thành phần không còn dùng dây tín hiệu riêng lẻ mà thông qua mạng CAN (CAN bus), giúp giảm thiểu dây dẫn, tăng độ tin cậy và tốc độ truyền dữ liệu.

2.3. Cơ cấu chấp hành Từ chân không đến bướm ga điện tử

Bộ chấp hành là cơ cấu vật lý thực hiện việc điều chỉnh bướm ga. Tài liệu nghiên cứu phân loại hai dạng chính: loại dẫn động bằng chân không và loại dẫn động bằng motor điện. Loại chân không sử dụng độ chênh lệch áp suất từ đường ống nạp để kéo cáp ga. Loại motor điện sử dụng một motor DC nhỏ và ly hợp từ để điều khiển. Cả hai loại này đều là các hệ thống bổ trợ. Tuy nhiên, với sự ra đời của bướm ga điện tử (ECTS-i), bộ chấp hành được tích hợp ngay vào cụm bướm ga, được điều khiển trực tiếp bằng tín hiệu điện từ ECU động cơ. Đây là giải pháp tối ưu nhất, cho phép phản ứng nhanh, chính xác và dễ dàng tích hợp với các hệ thống an toàn khác như Phanh khẩn cấp tự động (AEB).

III. Phương pháp thiết kế thuật toán điều khiển PID cho CCS

Trọng tâm của việc thiết kế hệ thống điều khiển ga tự động nằm ở việc xây dựng một thuật toán điều khiển hiệu quả. Trong đó, bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là giải thuật phổ biến và được ứng dụng rộng rãi nhất nhờ sự cân bằng giữa tính đơn giản và hiệu quả. Thuật toán này hoạt động dựa trên sai số (error) giữa tốc độ cài đặt (setpoint) và tốc độ thực tế của xe. Thành phần Tỷ lệ (Proportional - P) tạo ra một tín hiệu điều khiển tỷ lệ thuận với sai số hiện tại, giúp hệ thống phản ứng nhanh với sự thay đổi. Thành phần Tích phân (Integral - I) tính tổng sai số theo thời gian, có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập, đảm bảo xe đạt chính xác tốc độ mong muốn ngay cả khi có nhiễu loạn như lên dốc. Cuối cùng, thành phần Vi phân (Derivative - D) dự đoán xu hướng của sai số trong tương lai dựa trên tốc độ thay đổi của nó, giúp giảm độ vọt lố và tăng tính ổn định cho hệ thống. Việc mô hình hóa hệ thống và tinh chỉnh các tham số Kp, Ki, Kd của bộ điều khiển PID là bước quyết định để hệ thống hoạt động mượt mà, chính xác và tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời phải xem xét đến các yếu tố về động học ô tô (Vehicle Dynamics).

3.1. Mô hình hóa toán học và động học dọc của ô tô

Trước khi thiết kế thuật toán, cần xây dựng một mô hình toán học mô tả động học ô tô. Phương trình động lực học dọc xem xét các lực tác động lên xe theo phương chuyển động, bao gồm lực kéo từ động cơ, lực cản lăn, lực cản không khí và lực cản do độ dốc. Như tài liệu đã trình bày, phương trình có thể được viết dưới dạng: Te - Rg(Tb + Mrr + hFa + mghθ) = βa. Việc mô hình hóa chính xác các yếu tố này giúp tạo ra một đối tượng điều khiển ảo, trên đó các thuật toán điều khiển có thể được thử nghiệm và tinh chỉnh trước khi áp dụng vào thực tế. Đây là bước nền tảng để đảm bảo bộ điều khiển được thiết kế phù hợp với đặc tính của xe.

3.2. Nguyên lý và ứng dụng của bộ điều khiển PID trong CCS

Giải thuật PID tính toán tín hiệu điều khiển u(t) dựa trên sai số e(t). Khâu P (tỷ lệ) giúp hệ thống phản ứng tức thì với sai số. Khâu I (tích phân) giúp loại bỏ sai số ở trạng thái ổn định, ví dụ như khi xe phải duy trì tốc độ khi lên dốc, cần một lực kéo lớn hơn. Khâu D (vi phân) giúp hệ thống 'đón đầu' sự thay đổi, giảm thiểu dao động quanh giá trị đặt. Trong thiết kế hệ thống điều khiển ga tự động, việc cân bằng ba khâu này rất quan trọng. Một hệ thống có Kp quá lớn sẽ dao động mạnh, trong khi Ki quá lớn có thể gây ra bất ổn. Việc lựa chọn thông số PID phù hợp đảm bảo xe tăng/giảm tốc mượt mà và giữ tốc độ ổn định.

IV. Hướng dẫn mô phỏng hệ thống CCS bằng MATLAB Simulink

Mô phỏng là một bước không thể thiếu trong quy trình thiết kế hệ thống điều khiển ga tự động hiện đại. Công cụ MATLAB Simulink cung cấp một môi trường trực quan và mạnh mẽ để xây dựng, thử nghiệm và tối ưu hóa hệ thống trước khi triển khai trên phần cứng. Quy trình mô phỏng bắt đầu bằng việc xây dựng một sơ đồ khối trong Simulink. Sơ đồ này tái tạo lại toàn bộ cấu trúc của hệ thống CCS, bao gồm các khối mô phỏng động học ô tô, khối bộ điều khiển PID, các khối tín hiệu đầu vào từ cảm biến và công tắc (Switches and Sensors), và khối mô phỏng cơ cấu chấp hành. Tài liệu nghiên cứu đã mô tả chi tiết việc chia chương trình thành các cụm chức năng như 'ENABLE/SETPOINT' để quản lý trạng thái, 'PID & CONTROLER BLOCK' để thực thi thuật toán, và các khối hiển thị để theo dõi kết quả. Việc sử dụng MATLAB Simulink không chỉ giúp xác minh tính đúng đắn của thuật toán điều khiển mà còn cho phép các kỹ sư thử nghiệm hệ thống trong nhiều kịch bản khác nhau, như xe lên dốc, xuống dốc, hoặc gặp gió cản, mà không cần đến phương tiện thật. Điều này giúp rút ngắn đáng kể thời gian phát triển và giảm chi phí.

4.1. Xây dựng các khối chức năng trong môi trường Simulink

Trong Simulink, hệ thống được chia thành các khối logic. 'Cụm tín hiệu SWITCHES và SENSORS' giả lập các tín hiệu đầu vào như tốc độ xe, trạng thái công tắc SET/COAST, RES/ACC, CANCEL. 'Cụm ENABLE/SETPOINT' xử lý logic để xác định tốc độ mong muốn dựa trên hành động của người dùng. Trái tim của mô hình là 'Cụm PID & CONTROLER BLOCK', nơi giải thuật PID được triển khai để tính toán tín hiệu điều khiển. Tín hiệu này sau đó được gửi đến 'Cụm điều khiển Bộ chấp hành' để mô phỏng việc thay đổi góc mở bướm ga. Cuối cùng, đầu ra của mô hình xe (tốc độ mới) được hồi tiếp về đầu vào, tạo thành một vòng lặp kín.

4.2. Giao tiếp MATLAB Simulink với phần cứng qua Arduino

Một ứng dụng nâng cao của MATLAB Simulink là khả năng biên dịch mô hình thành mã nguồn và nạp trực tiếp vào vi điều khiển, một quy trình gọi là Model-Based Design. Tài liệu đã đề cập đến việc sử dụng board mạch Arduino Mega 2560 R3 làm ECU cho mô hình thực tế. Simulink cung cấp các gói hỗ trợ (Support Packages) cho phép giao tiếp liền mạch với Arduino. Các kỹ sư có thể thiết kế và mô phỏng toàn bộ logic điều khiển trong Simulink, sau đó chỉ với vài cú nhấp chuột, công cụ sẽ tự động tạo mã C/C++ và nạp vào Arduino. Phương pháp này kết hợp sức mạnh của mô phỏng và lập trình nhúng, cho phép kiểm thử thuật toán trên phần cứng thật một cách nhanh chóng và hiệu quả, đây là một bước quan trọng trong việc hiện thực hóa thiết kế hệ thống điều khiển ga tự động.

V. Quy trình thiết kế và thi công mô hình hệ thống CCS

Từ lý thuyết và mô phỏng, bước tiếp theo là hiện thực hóa thiết kế hệ thống điều khiển ga tự động thành một mô hình vật lý. Quy trình này đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức cơ khí, điện tử và lập trình nhúng. Dựa trên tài liệu nghiên cứu, mô hình được xây dựng bao gồm các thành phần chính tương tự như trên xe thật. Bộ chấp hành được chế tạo để điều khiển một cụm pedal bướm ga. Các công tắc điều khiển và công tắc hủy (phanh, ly hợp) được lắp đặt để người dùng có thể tương tác. Tốc độ xe được giả lập bằng một motor DC, và tín hiệu tốc độ được đọc bởi một cảm biến. Trung tâm điều khiển của mô hình là board mạch Arduino Mega 2560 R3, đóng vai trò là ECU điều khiển ga tự động. Toàn bộ các thành phần được gá lắp trên một khung mô hình chắc chắn. Kết quả cuối cùng là một hệ thống mô phỏng hoàn chỉnh, cho phép thử nghiệm các chức năng của CCS như cài đặt tốc độ, tăng/giảm tốc, phục hồi và hủy bỏ. Việc xây dựng mô hình này không chỉ kiểm chứng các tính toán lý thuyết mà còn là một công cụ giảng dạy trực quan, giúp người học hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của một hệ thống phức tạp.

5.1. Lựa chọn và lắp đặt các thành phần cơ khí và điện tử

Việc lựa chọn linh kiện là bước đầu tiên. Một bộ chấp hành phù hợp, thường là một motor servo hoặc motor DC có hộp giảm tốc, được kết nối cơ khí với bàn đạp ga. Các công tắc điều khiển (dạng cần gạt hoặc nút bấm) và công tắc hủy được đấu nối vào các chân digital của board Arduino. Một motor DC được sử dụng để mô phỏng bánh xe quay, và một cảm biến (ví dụ: cảm biến Hall hoặc encoder) được gắn vào trục motor để đo tốc độ. Màn hình LCD và các đèn LED được sử dụng để hiển thị trạng thái hệ thống (tốc độ cài đặt, tốc độ thực tế, trạng thái ON/OFF). Tất cả các kết nối điện phải được thực hiện cẩn thận theo sơ đồ mạch đã thiết kế.

5.2. Thử nghiệm và đánh giá kết quả hoạt động của mô hình

Sau khi hoàn thành lắp ráp, mô hình được đưa vào thử nghiệm. Các bài kiểm tra tập trung vào việc đánh giá khả năng của hệ thống trong việc duy trì tốc độ không đổi khi có tải thay đổi (mô phỏng lên dốc bằng cách hãm nhẹ motor). Đồ thị đáp ứng của hệ thống, thể hiện sự thay đổi của tốc độ theo thời gian khi tăng hoặc giảm tốc độ cài đặt, được ghi lại và phân tích. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả từ MATLAB Simulink. Quá trình này giúp xác định những hạn chế của mô hình và hiệu chỉnh lại các thông số trong thuật toán điều khiển PID để đạt được hiệu suất tối ưu, đảm bảo mô hình hoạt động ổn định và chính xác như thiết kế.

VI. Tương lai của hệ thống điều khiển ga tự động và ADAS

Việc thiết kế hệ thống điều khiển ga tự động đã đạt được những thành tựu đáng kể, nhưng công nghệ này vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển. Hướng đi chính trong tương lai là tích hợp sâu hơn CCS vào hệ thống hỗ trợ lái xe ADAS (Advanced Driver-Assistance Systems). Phiên bản Adaptive Cruise Control (ACC) với chức năng Stop & Go đã là một bước tiến lớn, cho phép xe tự động bám theo xe phía trước trong điều kiện giao thông ùn tắc. Tương lai sẽ chứng kiến sự kết hợp giữa ACC với các công nghệ khác như Hỗ trợ giữ làn đường (Lane Keeping Assist). Sự kết hợp này tạo ra các tính năng bán tự hành cấp độ 2, nơi xe có thể tự điều khiển cả tốc độ và hướng lái trên cao tốc. Thách thức lớn nhất hiện nay là cải thiện khả năng nhận diện của các cảm biến trong điều kiện thời tiết xấu và xử lý các tình huống giao thông phức tạp. Các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn như Điều khiển dự báo theo mô hình (Model Predictive Control - MPC) và ứng dụng trí tuệ nhân tạo sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao trí thông minh và khả năng ra quyết định của hệ thống, tiến tới mục tiêu cuối cùng là xe tự hành hoàn toàn.

6.1. Hạn chế của hệ thống hiện tại và các thách thức

Mặc dù rất hữu ích, các hệ thống CCS và ACC hiện tại vẫn có những hạn chế. Chúng phụ thuộc nhiều vào chất lượng của cảm biến radar và camera, vốn có thể bị ảnh hưởng bởi mưa lớn, sương mù hoặc tuyết. Các tình huống bất ngờ như có xe cắt ngang đột ngột vẫn là một thách thức lớn. Hơn nữa, vấn đề an ninh mạng cũng trở nên cấp thiết khi các hệ thống này ngày càng được kết nối nhiều hơn. Việc đảm bảo hệ thống không thể bị can thiệp từ bên ngoài là một ưu tiên hàng đầu trong quá trình phát triển.

6.2. Định hướng phát triển Tích hợp và hướng tới xe tự hành

Định hướng phát triển của CCS là trở thành một phần không thể tách rời của một hệ thống an toàn chủ động toàn diện. Dữ liệu từ ACC sẽ được chia sẻ với Phanh khẩn cấp tự động (AEB), hệ thống treo, và hệ thống lái để tạo ra một phản ứng tổng thể, đồng bộ trước các mối nguy hiểm. Sự hội tụ của các công nghệ xử lý ảnh, cảm biến lidar, và thuật toán AI sẽ cho phép hệ thống không chỉ bám theo xe phía trước mà còn hiểu được bối cảnh giao thông rộng lớn hơn, dự đoán hành vi của các phương tiện khác và đưa ra quyết định lái xe tối ưu. Đây chính là con đường dẫn đến các cấp độ tự hành cao hơn, nơi vai trò của người lái dần được giảm bớt.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại, hệ thống điều khiển ga tự động (Cruise Control System - CCS) đã trở thành một trang bị tiêu chuẩn và là yếu tố cạnh tranh quan trọng giữa các hãng sản xuất xe tại thị trường Việt Nam. Tuy nhiên, năng lực kỹ thuật trong nước phần lớn mới chỉ dừng lại ở việc tiếp cận khía cạnh cơ khí và quy trình vận hành cơ bản, dẫn đến việc các kỹ thuật viên còn gặp nhiều lúng túng khi chẩn đoán và khắc phục các sai hỏng liên quan đến mạch điều khiển điện tử. Trong khi đó, tại các quốc gia có nền công nghiệp ô tô phát triển, hệ thống CCS đã liên tục được tối ưu hóa, tích hợp cùng bướm ga điện tử thông minh (ECTS-i) và phát triển thành các hệ thống kiểm soát hành trình thích ứng như ACCS và ACCS Stop & Go.

Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, các môn học như "Ứng dụng điều khiển tự động trên ô tô" và "Thực tập hệ thống điện thân xe" dành cho sinh viên năm thứ ba và thứ tư đóng vai trò trang bị kiến thức chuyên sâu về điều khiển tự động. Mặc dù vậy, công tác đào tạo thực tế vẫn thiếu hụt các mô hình thí nghiệm trực quan về các hệ thống tiện nghi trên ô tô, đặc biệt sinh viên chưa có điều kiện tiếp cận, khảo sát và thực hành chuyên sâu trên hệ thống CCS thực tế. Từ yêu cầu cấp thiết đó, đề tài đồ án tốt nghiệp được thực hiện nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm bốn nhiệm vụ:

1. Nắm vững cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển ga tự động.
2. Ứng dụng kiến thức môn học điều khiển tự động trên ô tô và khai thác phần mềm Matlab/Simulink trong việc xây dựng giải thuật điều khiển.
3. Chế tạo thành công mô hình hệ thống điều khiển ga tự động với tín hiệu tốc độ xe được giả lập từ động cơ điện một chiều (motor DC).
4. Đưa mô hình vào sử dụng làm thiết bị giảng dạy trực quan cho môn học thực tập điện ô tô.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

• Đối tượng nghiên cứu: Cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống CCS; giải thuật điều khiển PID; phần mềm Matlab/Simulink; vi điều khiển Arduino Mega 2560 R3 và các phần tử cơ - điện tử cấu thành mô hình.
• Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế và thi công mô hình phần cứng hệ thống CCS; đọc và xử lý các tín hiệu điều khiển, tín hiệu xung từ cảm biến tốc độ; mô phỏng thuật toán duy trì tốc độ xe không đổi theo giá trị cài đặt trước các điều kiện cản (lên dốc, xuống dốc, lực cản môi trường); thu thập tài liệu định hướng nâng cấp hệ thống sang ACCS và ACCS Stop & Go.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên cơ sở kỹ thuật điều khiển tự động hồi tiếp áp dụng trong động lực học ô tô. Về lịch sử phát triển, nguyên lý duy trì tốc độ sử dụng cơ cấu ly tâm đã xuất hiện từ năm 1788 (James Watt và Matthew Boulton) trên đầu máy xe lửa và được ứng dụng trên ô tô từ năm 1910 bởi hãng Peerless. Hệ thống CCS hiện đại được kỹ sư Ralph Teetor phát minh năm 1945, lần đầu tiên trang bị thương mại trên mẫu xe Chrysler Imperial năm 1958 và ngày nay được ứng dụng rộng rãi trên các dòng xe của Toyota, Mitsubishi, Volkswagen, Mercedes-Benz, General Motors.

Mô hình toán học động lực học dọc của ô tô được thiết lập để mô tả chuyển động của xe dưới tác động của các lực cản: $$T_e - R_g (T_b + M_{rr} + h F_a + m g h \theta) = \beta a$$ Trong đó:

• $T_e$: Mô-men xoắn của động cơ.
• $T_b$: Mô-men phanh.
• $R_g$: Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực.
• $M_{rr}$: Mô-men cản lăn của bánh xe.
• $h$: Bán kính làm việc thực tế của bánh xe.
• $F_a$: Lực cản khí động học, tính theo công thức $F_a = C_a v^2$ (với $C_a$ là hệ số cản khí động học, $v$ là vận tốc xe).
• $m$: Tổng khối lượng xe.
• $\theta$: Độ dốc mặt đường.
• $\beta$: Đại lượng quán tính quy đổi phụ thuộc vào quán tính động cơ ($J_e$), quán tính các bánh xe ($J_{wf}, J_{wr}$) và khối lượng xe ($m$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai qua các bước:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp: Nghiên cứu tài liệu chuyên ngành về hệ thống điện thân xe, cấu tạo bướm ga điện tử, các loại cảm biến tốc độ, sơ đồ mạch điện xe Toyota Corolla 1996, và tài liệu kỹ thuật về bo mạch Arduino ATmega2560.
• Phương pháp thiết kế và chế tạo kỹ thuật: Ứng dụng các kiến thức cơ khí và điện tử để gia công khung gá, bố trí cụm pedal ga, bộ chấp hành, hệ thống công tắc điều khiển và đấu nối dây dẫn.
• Phương pháp mô phỏng và thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để thiết kế giải thuật điều khiển hồi tiếp PID (gồm khâu tỷ lệ P, khâu tích phân I và khâu vi phân D), nạp chương trình điều khiển xuống bo mạch Arduino Mega 2560 R3 và tiến hành đo đạc, kiểm thử thực tế trên mô hình giả lập.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của các dòng xe thương mại (Toyota Cressida 80 series, Toyota Corolla 1996, động cơ 7M-GE, 5M-E), tài liệu kỹ thuật của hãng Bosch về hệ thống điều khiển hành trình thích ứng, và thông số phần cứng từ nhà sản xuất vi điều khiển ATmega.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật được xây dựng dưới dạng mô hình bàn giao tiếp mô phỏng hoàn chỉnh một hệ thống CCS trên ô tô, kết hợp giữa phần cứng cơ điện tử và phần mềm điều khiển nhúng.

Kiến trúc phần cứng và thiết bị

Hệ thống phần cứng bao gồm các phân hệ chính sau:

• Khối xử lý trung tâm (CCS ECU): Sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 R3 với chip ATmega2560. Bo mạch sở hữu bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB, 54 chân I/O số (trong đó có 15 chân hỗ trợ điều chế độ rộng xung PWM), 16 chân ngõ vào Analog, 4 cổng giao tiếp nối tiếp phần cứng (UARTs), dao động thạch anh tần số 16 MHz.
• Khối chấp hành: Sử dụng bộ chấp hành dẫn động bằng motor điện một chiều tích hợp ly hợp từ (magnetic clutch) và chiết áp hồi tiếp vị trí. Ly hợp từ có nhiệm vụ kết nối hoặc ngắt truyền động giữa motor và cáp kéo bướm ga khi có tín hiệu hủy, đảm bảo bướm ga tự động hồi về vị trí không tải nhờ lò xo.
• Khối cảm biến và tín hiệu đầu vào:
  • Cảm biến tốc độ xe: Mô hình hỗ trợ khảo sát các dạng cảm biến tốc độ thông dụng (công tắc lưỡi gà, cảm biến quang điện, cảm biến điện từ và cảm biến phần tử điện trở từ MRE 4 cực/20 cực).
  • Cảm biến vị trí bướm ga (TPS): Loại biến trở tuyến tính gắn trên cổ họng gió, chuyển đổi góc mở bướm ga thành tín hiệu điện áp VTA gửi về vi điều khiển.
  • Cụm công tắc điều khiển: Cần gạt chức năng hỗ trợ các chế độ SET, COAST, RESUME, ACCEL, CANCEL.
  • Cụm công tắc hủy an toàn: Gồm công tắc đèn phanh (công tắc kép A và B), công tắc phanh tay, công tắc ly hợp (cho xe số sàn M/T) và công tắc khởi động trung gian vị trí N/P (cho xe số tự động A/T).
• Khối mô phỏng tải và hiển thị: Động cơ điện một chiều (Motor DC) được sử dụng để mô phỏng tốc độ quay của trục thứ cấp hộp số; màn hình hiển thị LCD và dãy đèn LED báo trạng thái hoạt động, hỗ trợ giắc kiểm tra chẩn đoán lỗi.

Thiết kế chương trình điều khiển trên Matlab/Simulink

Chương trình điều khiển được xây dựng dưới dạng các khối chức năng (Block) trong môi trường Matlab/Simulink và biên dịch trực tiếp sang mã nhúng cho bo mạch Arduino:

• Cụm tín hiệu Switches và Sensors: Đọc, lọc nhiễu và xử lý các tín hiệu số từ công tắc điều khiển, các công tắc hủy và tín hiệu xung tốc độ từ cảm biến.
• Cụm Enable/Setpoint: Thực hiện logic ghi nhớ giá trị tốc độ đặt khi người lái kích hoạt lệnh SET (trong dải vận tốc 40 – 200 km/h), tăng tốc độ (+10 km/h mỗi lần gạt ACC), giảm tốc độ (-10 km/h mỗi lần gạt COAST) hoặc phục hồi tốc độ đã lưu (RESUME).
• Cụm PID & Controller Block: Tiếp nhận sai lệch giữa tốc độ đặt và tốc độ thực tế của xe ($e(t) = v_{set} - v_{act}$), tính toán tác động điều khiển qua ba khâu P, I, D nhằm xác định góc mở bướm ga cần thiết để bù đắp sai số.
• Cụm điều khiển bộ chấp hành: Xuất tín hiệu PWM điều khiển chiều quay motor chấp hành và cấp điện áp đóng/ngắt ly hợp từ.
• Cụm hiển thị và chẩn đoán: Điều khiển màn hình LCD hiển thị giá trị tốc độ, xuất tín hiệu đèn báo nguồn/báo lỗi (nháy 5 lần khi mất tín hiệu cảm biến hoặc phát hiện hở mạch).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Chương 1 trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu hệ thống điều khiển ga tự động trong và ngoài nước, nhấn mạnh tính cấp thiết của việc xây dựng thiết bị thực hành phục vụ sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Chương này nêu rõ 4 mục tiêu nghiên cứu, phương pháp tiếp cận và phạm vi giới hạn của đề tài. Tác giả cũng hệ thống hóa lịch sử hình thành của hệ thống CCS từ cơ cấu ly tâm năm 1788 đến phát minh của Ralph Teetor năm 1945 và phân loại hai dạng bộ chấp hành truyền thống: loại dẫn động bằng áp suất chân không (sử dụng độ chân không đường ống nạp hoặc bơm chân không bổ trợ) và loại dẫn động bằng motor điện.

Chương 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

Chương 2 phân tích chuyên sâu kết cấu, sơ đồ mạch điện và nguyên lý hoạt động của các bộ phận cấu thành hệ thống CCS:

• Cảm biến tốc độ xe: Phân loại và phân tích nguyên lý 4 loại cảm biến:
  • Cảm biến công tắc lưỡi gà: Đóng mở 4 lần trong 1 vòng quay của cáp đồng hồ tốc độ.
  • Cảm biến quang điện: Sử dụng LED và transistor quang kết hợp đĩa xẻ rãnh tạo 20 xung/vòng, qua bộ đếm chia thành 4 xung gửi về ECU.
  • Cảm biến điện từ: Gồm nam châm vĩnh cửu, cuộn dây và rotor 4 răng gắn trên trục thứ cấp hộp số, phát ra điện áp xoay chiều AC có tần số tỷ lệ với tốc độ quay.
  • Cảm biến MRE (phần tử từ trở): Sử dụng vành từ 4 cực hoặc 20 cực gắn trên trục thứ cấp, tích hợp mạch so sánh chuyển đổi sóng xoay chiều thành tín hiệu số.
• Cơ cấu chấp hành và công tắc: Trình bày chi tiết bộ chấp hành chân không (van điều khiển, van xả an toàn, bơm chân không và công tắc chân không ngưỡng 170 mmHg), bộ chấp hành motor điện tích hợp ly hợp từ, và hệ thống bướm ga điện tử ECTS-i giao tiếp mạng CAN.
• Chức năng và logic vận hành: Phân tích logic duy trì tốc độ không đổi, chức năng cài đặt (SET), tăng tốc (ACC), giảm tốc (COAST), phục hồi (RESUME), giới hạn tốc độ thấp (xấp xỉ 40 km/h), giới hạn tốc độ cao (200 km/h), logic hủy thường và hủy tự động, cùng quy trình kiểm tra mã chẩn đoán trên các dòng động cơ Toyota 7M-GE và 5M-E (nối tắt cực E1 và Tc).
• Hệ thống cải tiến: Khảo sát nguyên lý hệ thống kiểm soát hành trình thích ứng ACCS (hoạt động từ 30 km/h trở lên dựa vào cảm biến Radar) và biến thể ACCS Stop & Go (hỗ trợ kiểm soát khoảng cách ở dải tốc độ dưới 30 km/h, có khả năng dừng hẳn và tự khởi hành lại).
• Công cụ phần mềm và phần cứng: Giới thiệu cấu trúc phần mềm Matlab/Simulink và thông số kỹ thuật bo mạch Arduino Mega 2560 R3.

Chương 3: NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CCS VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK TRONG LẬP TRÌNH CCS ECU

Chương 3 tập trung vào sơ đồ nguyên lý điều khiển hồi tiếp vòng kín và phương trình vi phân động lực học chuyển động dọc của ô tô. Nội dung chương trình bày chi tiết giải thuật PID, phân tích vai trò của từng thành phần: khâu P tạo đáp ứng nhanh tỷ lệ với sai lệch tốc độ, khâu I triệt tiêu sai số xác lập ở trạng thái tĩnh, và khâu D đón đầu tốc độ biến thiên để giảm dao động. Chương này mô tả cấu trúc 6 cụm khối trong mô hình Simulink gồm: cụm đọc tín hiệu SWITCHES và SENSORS, cụm logic ENABLE/SETPOINT, cụm PID & CONTROLLER BLOCK, cụm điều khiển bộ chấp hành, cụm mô phỏng tốc độ và cảm biến bướm ga, cùng các block hiển thị LCD và đèn báo.

Chương 4: THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG CCS

Chương 4 thuyết minh toàn bộ quá trình gia công cơ khí và tích hợp hệ thống điện - điện tử trên mô hình thực nghiệm:

• Lắp đặt bộ chấp hành motor điện và liên kết cơ khí với cụm pedal bướm ga.
• Bố trí cần công tắc điều khiển CCS và các công tắc hủy an toàn (phanh chân, phanh tay, ly hợp).
• Thiết kế mạch hiển thị LCD, dãy đèn LED báo chế độ và giắc kiểm tra chẩn đoán.
• Tích hợp bo mạch Arduino Mega 2560 R3 làm bộ điều khiển trung tâm CCS ECU.
• Gá đặt động cơ điện một chiều (Motor DC) kèm đĩa xung cảm biến tốc độ để mô phỏng trục truyền động của xe.
• Hoàn thiện khung mô hình, bố trí bảng điện và kiểm tra đấu nối dây dẫn.

Chương 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Chương 5 trình bày kết quả thử nghiệm mô hình ở các trạng thái vận hành thực tế:

• Kiểm tra đáp ứng của mô hình khi chuyển đổi giữa các trạng thái: kích hoạt (SET), hủy tạm thời (CANCEL khi đạp phanh hoặc kéo phanh tay), và phục hồi tốc độ (RESUME).
• Thu thập và đánh giá đồ thị đáp ứng vận tốc khi thực hiện thao tác tăng tốc (ACC) và giảm tốc (COAST), phân tích thời gian đáp ứng và độ ổn định tốc độ của thuật toán PID.
• So sánh sự tương đồng giữa sơ đồ mạch điện nguyên bản trên xe Toyota Corolla 1996 với sơ đồ mạch điện triển khai thực tế trên mô hình nghiên cứu.

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt lý thuyết và chế tạo mô hình phần cứng, chỉ ra các hạn chế còn tồn tại của mô hình và đề xuất định hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo của đề tài.

---

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã hoàn thành việc nghiên cứu lý thuyết, xây dựng thuật toán và chế tạo thành công mô hình thực nghiệm hệ thống điều khiển ga tự động CCS. Các kết quả kỹ thuật chính được ghi nhận trong văn bản bao gồm:

Hạng mục	Thông số / Đặc tính kỹ thuật đạt được
Phần cứng điều khiển	Bo mạch Arduino Mega 2560 R3 (Chip ATmega2560, 16 MHz, 54 chân Digital, 16 Analog).
Dải tốc độ làm việc	Giới hạn dưới: xấp xỉ 40 km/h; Giới hạn trên: 200 km/h.
Bước điều chỉnh tốc độ	Tăng 10 km/h mỗi lần gạt công tắc ACC; giảm 10 km/h mỗi lần gạt công tắc COAST.
Cơ cấu chấp hành	Motor điện một chiều tích hợp ly hợp từ và chiết áp hồi tiếp vị trí bướm ga.
Hệ thống cảm biến	Cảm biến tốc độ xe tạo xung, cảm biến góc mở bướm ga loại biến trở tuyến tính.
Mô phỏng động lực học	Motor DC giả lập vận tốc xe và tải trọng; đáp ứng ổn định theo thuật toán PID từ Simulink.

Bên cạnh các thông số vận hành, đề tài đã mô hình hóa đầy đủ các điều kiện hủy chế độ điều khiển chạy tự động, phân loại thành hai nhóm logic chính:

STT	Nhóm tín hiệu hủy thường	Nhóm tín hiệu hủy tự động
1	Tín hiệu công tắc đèn phanh bật (đạp phanh).	Tốc độ xe giảm xuống dưới giới hạn tốc độ thấp (xấp xỉ 40 km/h).
2	Tín hiệu công tắc phanh tay bật (kéo phanh tay).	Tốc độ xe giảm thấp hơn tốc độ đặt trước khoảng 16 km/h (khi leo dốc cao).
3	Tín hiệu công tắc ly hợp bật (xe số sàn M/T).	Mất nguồn cấp đến hệ thống CCS quá 5 giây.
4	Tín hiệu vị trí N công tắc khởi động trung gian (xe A/T).	Hở mạch công tắc đèn phanh hoặc bóng đèn phanh bị cháy.
5	Tín hiệu công tắc CANCEL bật (kéo cần điều khiển).	Tín hiệu cảm biến tốc độ xe không vào ECU trong khoảng 140 giây.
6	—	Dòng điện quá lớn chạy qua transistor dẫn động bộ chấp hành.
7	—	Ngắn mạch hoặc tín hiệu bất thường từ công tắc điều khiển/bộ vi xử lý.

Về mặt đóng góp và giải pháp ứng dụng:

• Đề tài đã cung cấp một thiết bị thực nghiệm trực quan, hoàn chỉnh phục vụ giảng dạy cho các môn học "Ứng dụng điều khiển tự động trên ô tô" và "Thực tập hệ thống điện thân xe" tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM.
• So với các nghiên cứu trước đây vốn chủ yếu tập trung vào kết cấu cơ khí truyền thống, đề tài đã kết hợp thành công phương pháp thiết kế dựa trên mô hình (Model-Based Design) bằng Matlab/Simulink với phần cứng nhúng giá thành thấp, giúp người học dễ dàng tiếp cận nguyên lý điều khiển điện tử ô tô hiện đại.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được chỉ ra trong đề tài bao gồm:

• Tín hiệu tốc độ xe mới chỉ dừng lại ở việc giả lập thông qua động cơ điện một chiều (Motor DC), chưa tái tạo được đầy đủ các điều kiện cản phức tạp của môi trường thực tế như sự thay đổi đột ngột của độ dốc mặt đường, lực cản gió động học lớn ($C_a v^2$) hay sự trượt của bánh xe trong điều kiện thời tiết xấu (mưa, đường trơn trượt).
• Hệ thống điều khiển chưa tích hợp sâu với mạng truyền thông CAN BUS của các thế hệ xe mới sử dụng bướm ga điện tử hoàn toàn (ECTS-i) mà vẫn sử dụng cơ cấu kéo cáp truyền thống qua motor chấp hành.

Định hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

• Mở rộng và nâng cấp mô hình thành hệ thống điều khiển hành trình thích ứng (Adaptive Cruise Control System - ACCS) bằng cách tích hợp thêm cảm biến khoảng cách (Radar hoặc cảm biến siêu âm) phía trước để tự động điều chỉnh vận tốc theo phương tiện phía trước.
• Nghiên cứu và hoàn thiện tính năng "ACC Stop & Go", cho phép mô hình hoạt động ở dải vận tốc thấp dưới 30 km/h, có khả năng tự động giảm tốc dừng hẳn và tái khởi động xe khi mật độ giao thông thông thoáng trở lại.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận và mô hình kỹ thuật này mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng:

• Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển: Tài liệu là nguồn tham khảo chi tiết về quy trình lập trình nhúng từ Matlab/Simulink sang vi điều khiển Arduino, cấu tạo và sơ đồ mạch điện của các thế hệ cảm biến tốc độ ô tô, cơ cấu chấp hành ga tự động và logic xử lý tín hiệu an toàn.
• Giảng viên và cán bộ hướng dẫn thực hành: Cung cấp tài liệu hướng dẫn kỹ thuật và mô hình học cụ trực quan để tổ chức các bài thí nghiệm, kiểm tra chẩn đoán lỗi trên hệ thống điện thân xe và điều khiển tự động.
• Người làm đề tài nghiên cứu liên quan: Cung cấp cơ sở lý thuyết về động lực học dọc ô tô, phương pháp xây dựng giải thuật PID điều khiển vận tốc xe và sơ đồ đấu nối mạch điện thực tế trên dòng xe Toyota Corolla 1996.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Dải tốc độ kích hoạt và các ngưỡng giới hạn của hệ thống CCS trong đồ án được quy định như thế nào? Hệ thống chỉ cho phép kích hoạt và duy trì tốc độ trong dải từ 40 km/h đến 200 km/h. Hệ thống không thể cài đặt tốc độ dưới 40 km/h hoặc trên 200 km/h. Khi tốc độ xe thực tế giảm xuống dưới 40 km/h, chế độ điều khiển tự động sẽ bị hủy và giá trị tốc độ đã lưu trong bộ nhớ sẽ bị xóa.

2. Hệ thống CCS trên mô hình sử dụng thuật toán nào để ổn định vận tốc và được lập trình bằng công cụ gì? Hệ thống sử dụng thuật toán điều khiển hồi tiếp PID (gồm khâu tỷ lệ P, khâu tích phân I và khâu vi phân D) dựa trên phương trình động lực học chuyển động dọc của ô tô. Thuật toán được xây dựng và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, sau đó biên dịch trực tiếp xuống vi điều khiển Arduino Mega 2560 R3 (chip ATmega2560).

3. Khi người lái thao tác trên cần điều khiển, các chức năng ACC và COAST làm thay đổi tốc độ xe như thế nào? Khi hệ thống CCS đang hoạt động, mỗi lần gạt công tắc RES/ACC sẽ làm tăng tốc độ đặt thêm 10 km/h (nếu giữ công tắc, tốc độ sẽ tăng liên tục cho đến khi nhả). Ngược lại, mỗi lần gạt công tắc SET/COAST sẽ làm giảm tốc độ đặt đi 10 km/h (nếu giữ công tắc, tốc độ sẽ giảm liên tục đến khi nhả).

4. Khi xảy ra sự cố kỹ thuật, hệ thống CCS phát tín hiệu cảnh báo và chẩn đoán mã lỗi như thế nào? Nếu ECU không nhận được tín hiệu cảm biến tốc độ trong khoảng 140 giây hoặc hệ thống bị hủy tự động do hư hỏng bộ chấp hành/công tắc, đèn báo nguồn trên bảng điều khiển sẽ nháy 5 lần để cảnh báo. Kỹ thuật viên có thể đọc mã chẩn đoán bằng cách nối cực E1 và Tc trên giắc kiểm tra (đối với dòng động cơ Toyota 5M-E/7M-GE) và quan sát số lần nháy của đèn báo.

5. Điểm khác biệt cốt lõi giữa hệ thống CCS tiêu chuẩn và hai hệ thống cải tiến ACCS, ACCS Stop & Go là gì? CCS tiêu chuẩn chỉ duy trì tốc độ cố định đã cài đặt mà không nhận biết được chướng ngại vật phía trước. Hệ thống ACCS bổ sung cảm biến Radar để tự động điều chỉnh tốc độ duy trì khoảng cách an toàn với xe phía trước ở dải tốc độ từ 30 km/h trở lên. Hệ thống ACCS Stop & Go mở rộng phạm vi hoạt động xuống dưới 30 km/h, cho phép xe tự động phanh dừng hoàn toàn khi ùn tắc giao thông và tự khởi hành lại khi xe phía trước di chuyển.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ nghiên cứu lý thuyết, thiết kế thuật toán điều khiển PID trên Matlab/Simulink và chế tạo thành công mô hình thực nghiệm hệ thống điều khiển ga tự động (CCS) sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560 R3. Mô hình đáp ứng chính xác các chức năng vận hành, logic hủy an toàn và chẩn đoán theo tiêu chuẩn của các dòng xe thương mại, đồng thời mô phỏng trực quan hoạt động của cơ cấu chấp hành và cảm biến tốc độ. Kết quả nghiên cứu không chỉ làm sáng tỏ nguyên lý điều khiển tự động trên ô tô mà còn cung cấp một học cụ thực hành có giá trị ứng dụng cao cho công tác đào tạo chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI: Trong nước: Hiện tại việc trang bị hệ thống CCS trên xe đang là một xu thế cạnh tranh của các hãng xe ô tô ở Việt Nam. Nhưng người Việt chỉ mới dừng lại ở việc nghiên cứu phần cơ khí cũng như các chế độ vận hành nên khi hệ thống gặp trục trặc đã số các kỹ thuật viên vẫn còn lúng túng trong việc xử lý các sai hỏng của hệ thống. Ngoài nước: Hiện tại ở các quốc gia có ngành công nghiệp ô tô phát triển đã đang và ngày càng hoàn thiện hơn hệ thống CCS; việc nghiên cứu giúp hệ thống trở nên an toàn hơn ưu việc hơn và cho ra đời các thế hệ CCS tích hợp bướm ga điện tử;ACCS; ACCS stop and go,… 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Môn học ứng dụng điều khiển tự động trên ô tô và thực tập hệ thống điện thân xe là những môn học được áp dụng cho sinh viên năm 3, 4 ngành công nghệ kỹ thuật ô tô của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Môn học này trang bị cho sinh viên các kiến thức về hệ thống điều khiển tự động và các hệ thống điện trên thân xe.

Tuy nhiên, các môn học vẫn thiếu những ví dụ minh họa, những thiết bị thực nghiệm để giảng dạy, đặc biệt là các hệ thống tiện nghi trên xe. Trong thực tế, ở môn thực tập hệ thống điện thân xe các sinh viên vẫn chưa được tiếp cần, học tập, thực nghiệm hệ thống CCS. Từ vấn đề trên, chúng em thấy cần thiết phải nghiên cứu về hệ thống CCS nhằm phục vụ cho nhu cầu học tập, nghiên cứu cũng như là tài liệu, thiết bị thực hành cho các khóa sau.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI:  Nắm vững cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển ga tự động.  Nắm được kiến thức từ môn học ứng dụng điều khiển tự động trên ô tô cũng như sử dụng phần mềm matlab Simulink.

 Chế tạo thành công mô hình hệ thống điều khiển ga tự động với tín hiệu tốc độ động 1 cơ được giả lập từ motor điện 1 chiều DC.  Sử dụng làm mô hình giảng dạy về hệ thống điều khiên ga tự động cho môn học thực tập điện ô tô.4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: 1.1 Phương pháp nghiên cứu  Ứng dụng các nguồn tài liệu từ sách giáo trình, sách tham khảo cũng như trên internet về lập trình matlab Simulink, cách giao tiếp board mạch Arduino AT Mega2560, lý thuyết điều khiển tự động tốc độ ô tô.  Ứng dụng các kiến thức cơ khí để thiết kế, thi công mô hình.  Tiến hành thử nghiệm, đo đạt, so sánh với lý thuyết tính toán.

 Thu thập tư liệu nghiên cứu về sự phát triển của hệ thống trong tương lai gần.2 Phạm vi nghiên cứu:  Thiết kế thi công mô hình hệ thống điều khiển ga tự động.  Đọc và xử lý được các tín hiệu điều khiển, tín hiệu từ cảm biến tốc độ xe.  Mô phỏng điều khiển tốc độ theo tốc độ cài đặt.  Mô phỏng điều khiển tốc độ không đổi dù điều kiện vận hành ô tô thay đổi (lên dốc, xuống dốc, gió cản, mưa, …).

 Nghiên cứu định hướng sự phát triển của hệ thống CCS cải tiến thành ACCS, ACCS Stop and go.5 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GA TỰ ĐỘNG (CCS) Từ năm 1910, bộ điều khiển tốc độ bằng cơ cấu ly tâm đã sớm được sử dụng trên ôtô. Peerless đã khẳng định rằng hệ thống của họ sẽ duy trì vận tốc của xe mặc dù đang lên dốc hay xuống dốc. Kỹ thuật này được phát minh bởi James Watt và Matthew Boulton vào năm 1788 để sử dụng cho đầu máy xe lửa. Nó sử dụng lực ly tâm để điều chỉnh vị trí cánh bướm ga để cho tốc độ động cơ tựthay đổi với các tải khác nhau ví dụ nhưxe lên hoặc xuống dốc… Hệ thống điều khiển ga tự động (Cruise Control System) hiện tại được phát minh 2 vào năm 1945 bởi kỹ sư Ralph Teetor.

Xe ôtô đầu tiên trang bị hệ thống của Teetor là xe Chrysler Corporation Imperial vào năm 1958. Hệ thống này nhận các tín hiệu vào, tính toán để làm ổn định vận tốc góc của trục khuỷu và sử dụng solenoid để làm thay đổi vị trí cánh bướm ga. Hiện nay, các hãng xe như Toyota, Mitsubishi, Jeep, Volkswagen, Mercedes-Benz, General Motors…cũng đã trang bị hệ thống này trên xe.1 Hình kỹ sư Ralph Teetor phát minh hệ thống CCS trên ô tô 1.6 GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI BỘ CHẤP HÀNH CCS Phân loại theo bộ chấp hành: (có 2 loại)  Loại dẫn động bằng chân không.2 Bộ chấp hành dẫn động bằng chân không 3  Loại dẫn động bằng mô tơ.3 Bộ chấp hành dẫn động bằng motor điện 4 Chương 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.1 KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ PHẬN 2.1 Các bộ phận cấu thành của hệ thống CCS:  ECU điều khiển chạy tự động  Bộ chấp hành  Công tắc điều khiển  Cảm biến tốc độ xe (lấy tín hiệu từ cảm biến trục thứ cấp hợp số)  Cảm biến vị trí bướm ga  Công tắc đèn phanh  Công tắc khới động ở số trung gian (xe A/T)  Công tắc ly hợp (xe M/T)  Đèn báo  Cổng giao tiếp Hình 2.1 Các bộ phận của hệ thống CCS 5 2.2 Công tắc điều khiển: Công tắc điều khiển là một dạng cần rỗng.

Nó điều khiển 5 chức năng khác nhau (SET, COAST, RESUM, ACCELERATE, CANCEL – Đặt, chạy, phục hồi, tăng tốc, hủy) khi xe đang chạy trong chế độ chạy tự động. Chế độ SET vàCOAST dùng chung một công tắc còn chế độ RESUM và ACCEL dùng một công tắc khác. Công tắc điều khiển có hai dạng:  Dạng cần điều khiển (thường có trên các xe của TOYOTA) công tắc chỉ bật khi gạt theo hướng chỉ bởi mũi tên và nó tự động tắt khi nhả ra. Nó cũng là một loại công tắc tự hồi về.2 Công tắc điều khiển hệ thống CCS dạng cần gạt 6  Dạng nút bấm tích hợp trên vô lăng Hình 2.3 Công tắc điều khiển hệ thống CCS dạng nút bấm trên vô lăng 2.3 Cảm biến tốc độ xe: Cảm biến tốc độ xe nhận biết tốc độ thực tế mà xe đang chạy, từ đó ECU dựa vào tín hiệu của cảm biến để đưa ra tỷ lệ hỗn hợp không khí và nhiên liệu phù hợp.4 Cảm biến tốc độ xe – Vehicle speed sensor 7  Chức năng và nhiệm vụ Cảm biến tốc độ xe nhận biết tốc độ thực tế mà xe đang chạy.

Nó phát ra một tín hiệu SPD, chủ yếu dùng để điều khiển hệ thống ISC, và điều khiển tỷ lệ hỗn hợp không khí – nhiên liệu trong quá trình giảm tốc và tăng tốc, v.v… Các loại MRE (phần tử điện trở từ) là loại cảm biến tốc độ chính được sử dụng, nhưng hiện nay nhiều kiểu xe vẫn sử dụng tín hiệu SPD từ ABS ECU.  Phân loại Có bốn loại cảm biến tốc độ: – Loại công tác lưỡi gà. – Loại cảm biến quang học. – Loại điện từ.

Loại công tắc lưỡi gà. Cảm biến này được lắp trong bảng đồng hồ loại kim. Nó bao gồm một nam châm quay bằng cáp đồng hồ tốc độ, chuyển động quay làm cho công tắc đóng và mở. Công tắc lưỡi gà đóng 4 lần khi cáp quay một vòng.

Nam châm được phân cực như trong hình vẽ bên dưới. Lực từ trường tại 4 vùng chuyển tiếp cực N và S của nam châm sẽ đóng và mở tiếp điểm của công tắc lưỡi gà khi nam châm quay.5 Cảm biến tốc độ loại công tắc lưỡi gà 8 Loại cảm biến quang học Cảm biến này được lắp trong bảng đồng hồ. Nó bao gồm một cảm biến quang học làm từ một đèn LED, chiếu vào một transitor quang học. Một bánh xe có xẻ rãnh đặt giữa đèn LED và transitor quang học được dẫn động bằng cáp đồng hồ tốc độ.

Các rãnh trên bánh xe sẽ tạo ra xung ánh sáng khi bánh xe quay, ánh sáng do đèn LED chiếu ra được chia thành 20 xung trong mỗi vòng quay của cáp. 20 xung này chuyển thành 4 xung nhờ bộ đếm số, sau đó gửi đến ECU.6 Cảm biến tốc độ loại cảm biến quang điện 9 Sơ đồ mạch điện Hình 2.7 Sơ đồ mạch điện cảm biến tốc độ loại cảm biến quang điện Loại điện từ Cảm biến này được lắp trong hộp số và nhận biết tốc độ quay của hộp trục thứ cấp hộp số. Cảm biến này bao gồm một nam châm vĩnh cửu, một cuộn dây và một lõi. Một rô- to có 4 răng được lắp trên trục thứ cấp của hộp số.8 Cảm biến tốc độ loại cảm biến điện tử 10 Hình 2.9Cấu tạo cảm biến tốc độ loại cảm biến điện tử Hoạt động Khi trục thứ cấp của hộp số quay, khoảng cách giữa lõi của cuộn dây và rô-to tăng hay giảm bởi các răng.

Số lượng đường sức từ đi qua lõi tăng hay giảm tương ứng, tạo ra một điện áp xoay chiều AC trong cuộn dây. Do tần số của điện áp xoay chiều này tỷ lệ với tốc độ quay của rô-to, nó có thể được dùng để nhận biết tốc độ xe.10 Nguyên lý hoạt động của cảm biến tốc độ loại cảm biến điện tử 11 Sơ đồ mạch điện Hình 2.11 Sơ đồ mạch điện cảm biến tốc độ loại cảm biến điện tử Loại MRE (phần tử điện từ) Cảm biến này được lắp trên hộp số hay hộp số phụ và được dẫn động bằng bánh răng trục thứ cấp.12 Cảm biến tốc độ loại MRE – phần tử điện từ 12 Loại cảm biến này bao gồm một HIC (mạch tích hợp) với một MRE (phần tử điện từ) và một vành từ.13 Cấu tạo cảm biến tốc độ loại MRE – phần tử điện từ Hoạt động Giá trị điện trở của MRE thay đổi phụ thuộc vào hướng của đường sức từ tác dụng lên nó. Do vậy, nếu hướng của đường sức từ thay đổi theo chuyển động quay của nam châm lắp trên vành từ sẽ dẫn đến kết quả là điện áp ra của MRE có dạng sóng xoay chiều như hình bên dưới. Bộ so sánh trong cảm biến tốc độ xe sẽ chuyển hóa sóng xoay chiều thành tín hiệu số, tín hiệu này sau đó được biến đổi bằng transitor trước khi đưa đến bảng đồng hồ.

Tần số của sóng này phụ thuộc vào số lượng trên vành từ. Có hai loại vành từ (tùy theo xe). Một loại có 12 cực từ, loại kia có 4 cực từ. Loại 20 cực tạo ra 20 xung dạng sóng trong một vòng quay của vành từ, còn loại 4 cực tạo ra xung.