Đồ án Động lực học và điều khiển hệ thống cân bằng điện tử ô tô HCMUTE

Đồ án tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật ô tô về nghiên cứu động lực học và điều khiển hệ thống cân bằng điện tử ô tô. Tài liệu học tập chuyên sâu và chuẩn xác.

• Tác giả: Trần Thanh Sang
• Người hướng dẫn: ThS. Dương Tuấn Tùng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu động lực học và điều khiển hệ thống cân bằng điện tử ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan động lực học và điều khiển cân bằng điện tử ô tô

Hệ thống cân bằng điện tử là bước tiến vượt bậc của ngành công nghệ kỹ thuật ô tô hiện đại. Công nghệ này có nhiệm vụ kiểm soát quỹ đạo di chuyển và nâng cao độ an toàn chủ động cho phương tiện. Quá trình phát triển bắt đầu từ những thử nghiệm thực tế vào năm 1995 trên các dòng xe cao cấp. Đến nay, thiết bị này đã trở thành tiêu chuẩn an toàn bắt buộc tại nhiều quốc gia phát triển. Bản chất của hệ thống là sự kết hợp chặt chẽ giữa cơ học chuyển động và các thuật toán điều khiển thông minh. Khi xe di chuyển, các cảm biến liên tục thu thập dữ liệu về vận tốc góc quay thân xe, gia tốc ngang và góc đánh lái. Bộ điều khiển trung tâm so sánh trạng thái thực tế với ý định của người điều khiển. Nếu phát hiện sai lệch nguy hiểm, hệ thống sẽ tự động kích hoạt cơ cấu chấp hành để ổn định thân xe. Việc ứng dụng hệ thống giúp giảm thiểu đáng kể số vụ tai nạn giao thông nghiêm trọng do mất lái. Đây là nền tảng cốt lõi cho các hệ thống hỗ trợ lái xe nâng cao hiện nay.

1.1. Lịch sử hình thành và vai trò an toàn của hệ thống

Hệ thống ổn định điện tử lần đầu xuất hiện trên các mẫu xe thương mại vào năm 1995. Sự kiện này tạo nên bước ngoặt lớn về an toàn chủ động trong ngành ô tô. Trước đó, người lái hoàn toàn phụ thuộc vào kỹ năng cá nhân khi xử lý trượt xe. Hệ thống mới giúp xe tự động can thiệp trong tình huống khẩn cấp. Các nghiên cứu quốc tế chỉ ra rằng trang bị này làm giảm hơn 30% số vụ tai nạn nghiêm trọng liên quan đến mất lái. Thiết bị đóng vai trò như một trợ lý an toàn vô hình bảo vệ phương tiện liên tục. Mọi thao tác đánh lái gắt đều được giám sát chặt chẽ. Hệ thống mang lại sự an tâm tối đa cho người ngồi trên xe.

1.2. Cấu tạo cơ bản của hệ thống cân bằng điện tử ô tô

Cấu trúc hệ thống bao gồm ba khối chính: cảm biến, bộ điều khiển điện tử và cơ cấu chấp hành thủy lực. Mạng lưới cảm biến đo đạc góc quay vành lái, tốc độ từng bánh xe, gia tốc ngang và vận tốc góc xoay thân xe. Các tín hiệu điện áp gửi liên tục về bộ điều khiển trung tâm với tần số cao. Bộ xử lý so sánh dữ liệu thực tế với mô hình toán học chuẩn. Khi có hiện tượng mất ổn định, bộ điều khiển gửi lệnh đến cụm van thủy lực. Áp suất dầu phanh được điều chỉnh độc lập tại từng bánh xe để tạo mô-men xoay chống trượt. Quá trình can thiệp diễn ra chỉ trong vài mili-giây rất chính xác.

II. Phân tích động lực học và điều khiển cân bằng điện tử ô tô

Phân tích động lực học phương tiện là cơ sở cốt lõi để xây dựng thuật toán điều khiển. Trong trạng thái chuyển động bình thường, hướng chuyển động của xe tuân theo góc quay vô lăng. Khi gặp đường trơn trượt hoặc vào cua ở tốc độ cao, lực bám giữa lốp và mặt đường suy giảm đột ngột. Xe bắt đầu mất ổn định hướng do lực ngang lốp đạt giới hạn bão hòa. Hai hiện tượng nguy hiểm phổ biến nhất là thiếu lái và thừa lái. Thiếu lái xảy ra khi bánh trước mất độ bám, khiến xe bị văng ra ngoài khúc cua theo quán tính. Ngược lại, thừa lái xuất hiện khi bánh sau trượt ngang, làm đuôi xe bị xoay tròn mất kiểm soát. Để mô tả toán học hành vi này, mô hình xe hai bánh tự do được thiết lập với góc lệch hướng và góc trượt thân xe. Mối quan hệ phi tuyến giữa lực lốp và độ trượt khiến bài toán trở nên phức tạp. Việc phân tích chính xác các trạng thái động lực học giúp phát hiện sớm giới hạn ổn định của xe.

2.1. Động học quay vòng và điều kiện tiếp xúc bánh xe

Khi ô tô quay vòng quanh tâm tức thời, các bánh xe phải thỏa mãn quan hệ hình học Ackerman để không bị trượt lết. Cơ cấu hình thang lái được ứng dụng nhằm đáp ứng gần đúng quan hệ góc quay bánh trước bên trong và bên ngoài. Tuy nhiên, khi vận tốc tăng cao, lốp xe xuất hiện biến dạng đàn hồi ngang. Lực ngang sinh ra tại vùng tiếp xúc tạo nên góc trượt hướng của bánh xe. Nếu lực ly tâm vượt quá khả năng bám của lốp, chuyển động quay vòng lý thuyết bị phá vỡ hoàn toàn. Quỹ đạo xe bị trôi dạt khỏi tầm kiểm soát thông thường của tài xế.

2.2. Hiện tượng mất ổn định quỹ đạo thừa lái và thiếu lái

Thừa lái và thiếu lái là hai trạng thái mất ổn định phổ biến trong động lực học ô tô. Thiếu lái xảy ra khi góc trượt cầu trước lớn hơn cầu sau. Xe có xu hướng đi thẳng ra mép ngoài khúc cua bất chấp góc đánh lái. Thừa lái xuất hiện khi góc trượt cầu sau vượt trội so với cầu trước. Thân xe bị quay vòng quá mức quanh trục đứng, có thể dẫn đến hiện tượng văng đuôi hoặc lật xe. Cả hai trạng thái này đều làm suy giảm khả năng làm chủ phương tiện. Việc nhận diện chính xác sai lệch giữa vận tốc góc quay thực tế và mục tiêu là bài toán sống còn.

III. Giải pháp điều khiển cân bằng điện tử ô tô theo động lực học

Giải pháp can thiệp cân bằng dựa trên nguyên lý tạo mô-men quay vòng bù trừ thông qua phanh vi sai. Khi phát hiện hiện tượng mất ổn định, hệ thống điều khiển tầng trên sẽ tính toán mô-men lệch hướng cần thiết. Bộ điều khiển tầng dưới nhận tín hiệu và phân bổ áp suất dầu đến bánh xe thích hợp. Phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control) thường được áp dụng nhờ khả năng thích nghi cao với các biến động phi tuyến. Khi xe bị thiếu lái, hệ thống tự động kích hoạt phanh ở bánh sau phía trong cua. Thao tác này tạo ra mô-men hỗ trợ xe quay đúng góc lái mong muốn. Ngược lại, khi xe bị thừa lái, áp suất phanh được cấp cho bánh trước phía ngoài cua. Lực cản này kéo đầu xe thẳng lại và triệt tiêu nguy cơ quay tròn. Bên cạnh lực phanh, hệ thống có thể kết hợp giảm mô-men xoắn động cơ để tăng hiệu quả ổn định. Toàn bộ chu trình kiểm soát diễn ra hoàn toàn tự động trong thời gian thực.

3.1. Thuật toán điều khiển trượt Sliding Mode Control

Thuật toán điều khiển trượt SMC đóng vai trò quyết định trong việc tính toán mô-men ổn định. Cấu trúc bộ điều khiển được thiết kế dựa trên sai lệch giữa vận tốc góc quay thực và vận tốc mục tiêu. Mặt trượt được xác định nhằm đảm bảo hệ thống hội tụ nhanh về trạng thái cân bằng. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là tính bền vững cao trước các sai số mô hình hóa và nhiễu loạn từ mặt đường. Bộ điều khiển tính toán chính xác lực phanh cần thiết mà không yêu cầu đo đạc trực tiếp mọi biến trạng thái. Nhờ đó, chất lượng điều khiển luôn ổn định trong nhiều điều kiện mặt đường khác nhau.

3.2. Cơ chế can thiệp của phanh vi sai và phân bổ áp suất

Cơ chế phanh vi sai thực hiện nhiệm vụ phân bổ áp suất thủy lực đến từng bánh xe riêng lẻ. Cụm điều khiển thủy lực điều biến áp suất thông qua mạng lưới van điện từ tốc độ cao. Khi cần chống thiếu lái, van mở để tăng áp suất phanh bánh sau phía trong cung quay. Trường hợp cần dập tắt hiện tượng thừa lái, áp suất lập tức được cấp tới bánh trước phía ngoài cua. Tỷ lệ phân bố lực phanh được tối ưu hóa nhằm duy trì khả năng bám tối đa của lốp. Sự can thiệp nhanh và cục bộ giúp lấy lại trạng thái cân bằng cho xe mà không gây giật cục.

IV. Ứng dụng động lực học và điều khiển cân bằng điện tử ô tô

Nghiên cứu động lực học và thuật toán điều khiển cân bằng mang lại giá trị ứng dụng thực tiễn to lớn trong ngành ô tô. Công nghệ này nâng cao đáng kể độ ổn định chuyển động trong các tình huống khẩn cấp như tránh vật cản hoặc vào cua trên đường trơn trượt. Các nhà sản xuất đã tích hợp hệ thống cân bằng điện tử cùng với hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và kiểm soát lực kéo (TCS) tạo thành một tổ hợp an toàn thống nhất. Dữ liệu thực nghiệm chứng minh hệ thống phản hồi chính xác với sai số quỹ đạo cực nhỏ. Trong xu hướng phát triển của xe điện và xe tự hành, việc điều khiển cân bằng thân xe càng giữ vai trò thiết yếu. Hệ thống đóng vai trò chấp hành trực tiếp các lệnh điều khiển quỹ đạo phức tạp từ máy tính trung tâm. Nghiên cứu sâu về động lực học mở ra tiềm năng tối ưu hóa các bộ điều khiển thích nghi thông minh hơn trong tương lai.

4.1. Hiệu quả kiểm soát chuyển động trên đường trơn trượt

Khi ô tô di chuyển trên đường có hệ số bám thấp như băng tuyết hoặc ướt mưa, nguy cơ mất lái tăng cao. Hệ thống cân bằng điện tử phát huy tối đa tác dụng qua việc tự động kiểm soát mô-men xoay quanh trục đứng. Nhờ can thiệp kịp thời của phanh vi sai, góc trượt thân xe được khống chế trong giới hạn an toàn. Xe giữ vững quỹ đạo di chuyển theo đúng góc lái của tài xế. Hiện tượng văng đuôi xe và quay vòng ngoài ý muốn được hạn chế triệt để. Điều này giúp nâng cao đáng kể tỷ lệ sống sót và an toàn khi lái xe trong điều kiện thời tiết xấu.

4.2. Tích hợp hệ thống cân bằng điện tử trên xe tự hành

Trong kỷ nguyên xe tự hành và xe điện, hệ thống cân bằng điện tử giữ vai trò cơ cấu thừa hành cấp thấp thiết yếu. Hệ thống nhận lệnh trực tiếp từ bộ lập kế hoạch quỹ đạo để điều chỉnh trạng thái động lực học tức thời. Sự kết hợp giữa các cảm biến hiện đại và thuật toán điều khiển tiên tiến giúp xe đưa ra phản hồi chính xác đến từng mili-giây. Độ ổn định thân xe được đảm bảo ngay cả khi thực hiện các chuyển làn gấp ở tốc độ cao. Đây là yếu tố sống còn để hoàn thiện các cấp độ tự lái an toàn, bảo vệ tối đa tính mạng hành khách.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngành Công nghệ Kỹ thuật ô tô ngày càng phát triển thu hút nhiều kỹ sư, những người hiểu biết, học sinh sinh viên không chỉ bao gồm toán học, khoa học mà còn cả các khía cạnh tính toán của động lực học phương tiện. Mong muốn đóng góp nền tảng lý thuyết về động lực học của xe và cung cấp cơ hội áp dụng các khái niệm lý thuyết đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật ô tô trong thế giới thực.

Ngoài đánh giá hiệu suất của xe, nâng cao tính năng động của xe, phải phát triển hiểu biết về khả năng an toàn ô tô để giảm thiểu các tai nạn có thể xảy ra. Các nghiên cứu đánh giá đã chỉ ra rằng việc trang bị hệ thống cân bằng điện tử ESP trên ô tô có thể làm giảm đáng kể các vụ va chạm, tử vong và thương tích nghiêm trọng. Một nghiên cứu của Thụy Điển vào năm 2003 cho thấy rằng những chiếc xe được trang bị ESP ít có nguy cơ xảy ra va chạm hơn 22% so với những chiếc không có. Số vụ tai nạn trong điều kiện ẩm ướt và tuyết rơi ít hơn 32% và 38% tương ứng [1].

Tại Nhật Bản, một nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự ổn định điện tử làm giảm sự liên quan đến va chạm từ 30-35% [2]. Tại Đức, một nghiên cứu chỉ ra mức giảm tương tự trong khi một nghiên cứu khác cho thấy sự cố “mất kiểm soát” giảm từ 21% xuống 12% [3]. Đó là những lợi ích rất lớn mà ESP mang lại. Việc nghiên cứu tính năng động lực và điều khiển hệ thống cân bằng điện tử giúp chúng ta nắm bắt các kiến thức để đánh giá sự an toàn, khả năng đáp ứng nhu cầu người lái, khả năng thích nghi của phương tiện trong mọi điều kiện ngoại cảnh.

Ngoài ra nó còn góp phần vào nguồn tài liệu tham khảo phục vụ nghiên cứu trong quá trình học tập. Vì những lý do trên nhóm em xin chọn đề tài “Nghiên cứu động lực học và điều khiển hệ thống cân bằng điện tử ô tô” làm đề tài tốt nghiệp. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Hiểu rõ được khái niệm, cấu tạo và hoạt động của hệ thống cân bằng điện tử ESP. - Phân tích động lực học hệ thống cân bằng điện tử dựa trên phân tích động lực học hệ thống phanh và hệ thống lái.

- Nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ thống ESP dựa trên các sơ đồ và các phương trình toán học. - Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống ESP bằng công cụ MathWorks. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống cân bằng điện tử trang bị phổ biến trên các xe ô tô chở khách - Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hai hệ thống chính trên ô tô là hệ thống phanh và hệ thống lái, cụ thể:  Hệ thống phanh vi sai  Hệ thống lái điện tử  Phân bổ mô-men xoắn độc lập đến từng bánh xe riêng lẻ 1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp nghiên cứu tài liệu - Phương pháp dịch thuật tài liệu - Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng 2 Chương 2.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESP) 2. Khái niệm Như ta đã biết, hầu hết các vụ tai nạn ô tô xảy ra đa số nguyên nhân là do phanh gấp hoặc chuyển hướng đột ngột. Khi đó, ô tô cơ bản không thể “tuân” theo sự điều khiển của người lái, gây ra các hiện tượng “văng đầu” hoặc “văng đuôi” hoặc có thể lật xe. Trường hợp nhẹ hơn, các bánh xe có thể bị trượt làm lệch hướng chuyển động thẳng của ô tô.

Sau đó một số hệ thống hỗ trợ ra đời nhằm cải thiện các hiện tượng trên và làm cho ô tô ổn định hơn, hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD) là 2 ví dụ điển hình. Tuy nhiên, 2 hệ thống trên chỉ phần nào đáp ứng yêu cầu về sự ổn định. Cụ thể, nó chỉ giúp ô tô giảm thiểu hiện tượng trượt dọc bánh xe khi đang di chuyển trên đường thẳng. Vậy, nếu xe đang chuyển hướng hay quay vòng mà xe mất ổn định thì sao? Hệ thống cân bằng điện tử (ESP) ra đời đảm nhiệm vai trò này.

Hệ thống cân bằng điện tử - ESP [4] (Xe màu đen có trang bị hệ thống ESP còn Xe màu vàng không có trang bị hệ thống ESP) 3 (ESP – viết tắt của từ Electronic Stability Program) là hệ thống cân bằng điện tử và còn có tên gọi khác là “Electronic Stability Control – ESC”. Hệ thống ESP được thiết lập và trang bị trên xe ô tô với mục đích giúp xe di chuyển ổn định, cân bằng ngay cả khi đi thẳng hoặc đang chuyển hướng hoặc đang quay vòng, từ đó đảm bảo tính an toàn khi xe tham gia giao thông. ESP luôn luôn được kích hoạt trên xe. Nếu chiếc xe di chuyển theo một hướng khác, ESP sẽ phát hiện một tình huống nguy hiểm và phản ứng ngay lập tức – kể cả không có sự can thiệp của người lái xe.

Nó sử dụng hệ thống phanh của xe để trả lại cho xe quỹ đạo của nó. ESP không chỉ can thiệp ở hệ thống phanh, mà còn có thể can thiệp vào động cơ của xe giúp tăng/giảm tốc các bánh xe. Do đó quỹ đạo của xe được đảm bảo, trong giới hạn của các định luật vật lý. Lịch sử phát triển hệ thống [4] Hệ thống cân bằng điện từ xuất hiện lần đầu tiên trên 2 chiếc xe của BMW năm 1995, đó là 750iL và 850Ci với động cơ trang bị trên xe là 5.

Hệ thống cân bằng điện tử này lấy tên là DSC (Dynamic Stability Control) và được sản xuất bởi Bosch - một hãng nổi tiếng trong lĩnh vực thiết bị cơ khí và điều khiển điện tử của Đức. Hệ thống được trang bị cảm biến tại các bánh xe với tần số 50 lần mỗi giây. Một năm sau khi hệ thống cân bằng điện tử ra đời, Mercedes-Benz cũng bắt đầu ứng dụng công nghệ này lên mẫu xe của mình và lấy tên là ESP. Mẫu xe đầu tiên của Mercedes- Benz lắp đặt hệ thống cân bằng điện tử là S600.

Cũng giống như BMW, Mercedes chọn đối tác cung cấp hệ thống là Bosch và tự mình đưa ra những quy định về những ngưỡng giá trị tối đa trước khi hệ thống ESP hoạt động. Nhưng một điểm nổi bật hơn trong hệ thống ESP của Mercedes là khả năng nhanh chóng lấy lại vị trí ổn định của xe sau khi ESP hoạt động. Năm 1997, Cadillac công bố hệ thống cân bằng điện tử của mình với cái tên STS (StabiliTrak stability). Giống như hệ thống của BMW và Mercedes, Cadillac sử dụng 3 vị trí cảm biến, đó là cảm biến góc lái, cảm biến hướng của xe và cảm biến tốc độ bánh xe.

Năm 1998, Lexus đưa ra cái tên VSC (Vehicle Stability Control) cho hệ thống cân bằng điện tử của mình. Ngoài việc trang bị các cảm biến như Cadillac hay Mercedes, Lexus lắp 4 thêm cảm biến đo áp suất phanh nhằm phối hợp với hệ thống phân bổ lực phanh EBD, giúp xe đạt trạng thái ổn định nhất. Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống ESP Thông thường, một chiếc xe được trang bị hệ thống ESP thì nó cũng sẽ bao gồm các hệ thống: chống bó cứng phanh (ABS), hệ thống chống trượt (TCS), hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD). Các hệ thống này phối hợp linh hoạt với nhau nhằm đảm bảo sự ổn định tốt nhất cho chiếc xe khi đi chuyển.

Ba hệ thống này sẽ được trình bày rõ hơn trong các phần phụ phía dưới. Trong suốt quá trình điều khiển xe, mọi hoạt động đều được cảm biến ghi lại và truyền về liên tục cho hệ thống điều khiển trung tâm, để so sánh với những chương trình đã tính toán từ trước. Nếu đột nhiên có hiện tượng bất thường xảy ra như xe đi lệch quỹ đạo ở tốc độ cao hay vào cua bị phanh gấp thì ngay lập tức hệ thống ESP sẽ hoạt động theo những chương trình đã được cài đặt. Lúc này cơ cấu điều khiển thủy lực trong hệ thống sẽ thông qua chương trình điện tử can thiệp vào hệ thống chống bó cứng phanh ABS, nhằm điều chỉnh góc xoay và tốc độ của từng bánh xe sao cho cân bằng với góc trượt quán tính của xe.

Ngoài ra cơ cấu này sẽ tự động giảm công suất tức thời động cơ điều khiển giảm tốc độ vòng quay tại các bánh đến khi bánh xe đủ độ bám đường cần thiết, đưa xe về vùng làm việc an toàn. Nhờ vậy mà xe không thể bị lệch hướng đột ngột hay lật xe. MATLAB/SIMULINK VÀ ỨNG DỤNG MATLAB là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, do công ty MathWorks thiết kế. MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác.

Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều mô hình trong thực tế và kỹ thuật. Một trong những ứng dụng phổ biến của MATLAB là vẽ đồ thị, một tính năng được trau chuốt trong MATLAB; với rất nhiều kiểu đồ thị khác nhau như biểu đồ dạng đường, biểu đồ chấm điểm, các lớp màu (patch) hai chiều, đường đồng mức và các đường cong, mặt 5 cong ba chiều. Ngoài ra MatLab còn cung cấp giao diện để người dùng trực tiếp biên tập hình vẽ, điền vào các ghi chú theo ý muốn. Biểu tượng Matlab [5] Simulink là một môi trường lập trình đồ họa dựa trên MATLAB để mô hình hóa, mô phỏng và phân tích các hệ thống động lực học đa miền.

Giao diện chính là một công cụ sơ đồ khối đồ họa và một bộ thư viện khối có thể tùy chỉnh. Cung cấp tích hợp chặt chẽ với phần còn lại của môi trường MATLAB và có thể điều khiển MATLAB hoặc được tập lệnh từ nó. Simulink được sử dụng rộng rãi trong điều khiển tự động và xử lý tín hiệu kỹ thuật số để mô phỏng đa miền và thiết kế dựa trên mô hình. Biểu tượng Simulink [6] TỔNG KẾT CHƯƠNG 2: Chương 2 giới thiệu tổng quan về hệ thống cân bằng điện tử ESP.

Ra đời từ năm 1995 và không ngừng phát triển cho đến nay với nhiều công nghệ vô cùng hiện đại. Mục đích cốt lõi là phải làm sao cho chiếc xe có thể di chuyển ở mọi điều kiện mà vẫn giữ được sự cân bằng, ổn định.