Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ổn định hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái

Nghiên cứu ổn định hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái, ứng dụng trong thiết kế ô tô hiện đại.

• Tác giả: Ngô Văn Hợp
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Hường
• Trường học: Không tìm thấy thông tin
• Chuyên ngành: Không tìm thấy thông tin
• Đề tài: Nghiên Cứu Ổn Định Hệ Thống Lái Không Trục Lái Tại Vị Trí Giới Hạn Quay Vòng Của Vành Tay Lái
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 201...
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Lời cam ñoan
• Lời cám ơn
• Tóm tắt
• Abstract
• Danh sách các từ viết tắt
• Danh sách các hình
• Danh sách các bảng
• Mục lục
• 1. PHẦN I: DẪN NHẬP
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Các nghiên cứu ngoài và trong nước
• 1.2.1. Nghiên cứu ngoài nuớc
• 1.2.2. Nghiên cứu trong nuớc
• 1.3. Mục ñích của ñề tài
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của ñề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. PHẦN II: NỘI DUNG
• 1. CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. Lịch sử hệ thống lái
• 1.2. Tổng quan hệ thống lái trên ô tô
• 1.2.1. Công dụng của hệ thống lái
• 1.2.2. Yêu cầu của hệ thống lái
• 1.2.3. Phân loại hệ thống lái
• 1.2.4. Các góc ñặt bánh xe
• 1.3. ðộ chụm của bánh xe
• 1.4. Bán kính quay vòng
• 1.5. Ứng dụng công nghệ lái không trục lái (SBW) trên ô tô
• 1.5.1. Xe ô tô ñiện Mini Land Glider của Nissan
• 1.5.2. Sản phẩm hãng xe GM Hy – Wire
• 1.5.3. Sản phẩm của hãng xe Mercedes và SuRai của Trung Quốc
• 1.5.4. Hệ thống lái ñiều khiển bằng dây (Drive – by – Wire) trên xe Infiniti của Nissan
• 1.5.5. Xe hơi mới cho tương lai
• 1.5.6. Ứng dụng công nghệ by Wire trên ñộng cơ của Honda Odyssey
• 1.6. Những cải tiến của Steer – by – Wire
• 1.7. Những lợi ích kỹ thuật của Steer – by – Wire
• 1.8. Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác (haptics)
• 1.8.2. Lịch sử haptics
• 1.8.3. Cấu trúc các hệ thống haptics
• 1.8.4. Các thiết bị giao diện haptics
• 1.8.4.1. Thiết bị Exoskeletons và Stationary
• 1.8.4.2. Găng tay và các thiết bị tay cầm
• 1.8.4.3. Thiết bị Point Sources and Specific Task
• 1.8.5. Mô phỏng cấu trúc thực tế ảo
• 1.8.6. Các thuật toán biểu diễn haptics
• 1.8.7. Phạm vi ứng dụng của của haptics
• 1.8.7.2. ðối với ô tô
• 1.8.7.4. Con người tương tác với robot
• 1.8.5. Trong quân ñội
• 1.9. Giới thiệu phần mềm LabVIEW
• 1.10. Thuật toán ñiều khiển ñộng cơ DC
• 1.10.1. Phương pháp ñiều khiển vận tốc ñộng cơ DC
• 1.10.2. Thuật toán ñiều khiển vận tốc
• 1.10.3. Thuật toán PID và ứng dụng vào ñiều khiển ñộng cơ DC
• 1.10.3.1. Khái niệm thuật toán PID
• 1.10.3.2. Bản chất toán học của thuật toán PID
• 1.10.3.3. Thực hành ñiều khiển PID cho ñộng cơ
• 1.10.3.4. Các lưu ý khi thiết kế bộ ñiều khiển PID
• 1.10.5. ðiều khiển vị trí ñộng cơ DC bằng thuật toán PID
• 1.10.6. ðiều khiển vị trí ñộng cơ DC bằng khâu P
• 1.10.7. ðiều khiển vị trí ñộng cơ DC bằng khâu PI
• 1.10.8. ðiều khiển vị trí ñộng cơ DC bằng khâu PID
• 2. CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN TÁI TẠO CẢM GIÁC LÁI
• 2.1. Giới thiệu hệ thống lái không trục lái (Steer – by – Wire)
• 2.2. Ứng dụng Steer – by – Wire trên ô tô
• 2.2.1. Hệ thống Steer – by – Wire là gì?
• 2.2.2. Sự phát triển của hệ thống Steer – by – Wire
• 2.2.3. Hệ thống lái thường và hệ thống lái không trục lái
• 2.2.4. Mô hình ñộng học của hệ thống lái không trục lái
• 2.2.5. Cấu trúc ñiều khiển hệ thống SBW
• 2.6. Mô men vô lăng và cảm giác lái
• 2.7. Theo dõi góc bánh xe
• 2.8. Mô men phản hồi hệ thống bánh xe
• 2.9. Thuật toán ñiều khiển hệ thống SBW
• 2.9.1. ðiều khiển ñộng cơ vô lăng
• 2.9.2. ðiều khiển ñộng cơ bánh xe
• 2.10. Các phương pháp tái tạo cảm giác lái
• 2.10.1. Phương pháp dựa trên mô hình ñộng lực học
• 2.10.2. Phương pháp dựa trên bản ñồ mô men cảm giác lái
• 2.10.3. Phương pháp dựa vào cảm biến mô men
• 2.10.4. Phương pháp dựa trên dòng tín hiệu ño
• 2.10.4.1. Tổng quan về phương pháp ño
• 2.10.4.2. Sự tái tạo cảm giác lái
• 2.10.4.3. ðiều khiển tự do
• 2.10.4.4. ðiều khiển tự do
• 3. CHƯƠNG 3 ðỀ XUẤT THUẬT TOÁN ỔN ðỊNH VÀNH TAY LÁI TẠI VỊ TRÍ GIỚI HẠN QUAY VÒNG
• 3.1. Sơ ñồ ñiều khiển hai chiều bằng phương pháp bị ñộng
• 3.2. Bộ quan sát bị ñộng (PO: Passivity Observer)
• 3.3. Bộ ñiều khiển bị ñộng (PC: Passivity Controller)
• 3.3.1. Hệ thống ñại diện
• 3.3.2. Các hệ thống tương tự
• 3.3.3. Một số vấn ñề ñã giải quyết và kết quả ñạt ñược
• 3.3.3.1. Thông tin phản hồi thực tế
• 3.3.3.2. ðiều khiển tự do
• 3.4. ðề xuất thuật toán ổn ñịnh vành tay lái
• 4. CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ LẬP TRÌNH THUẬT TOÁN
• 4.1. Phần cơ khí mô hình hệ thống SBW
• 4.1.1. Bản vẽ thiết kế mô hình vô lăng
• 4.1.2. Mô hình thật hệ thống SBW
• 4.2. Phần ñiện mô hình hệ thống SBW
• 4.2.1. Mạch ñiện ñiều khiển mô hình vô lăng
• 4.2.2. Cảm biến dòng ACS712
• 4.3. Giới thiệu Card LabVIEW 9090
• 4.4. Lập trình tái tạo cảm giác lái và ổn ñịnh vô lăng tại vị trí giới hạn quay vòng
• 4.4.1. Giao diện lập trình và ñiều khiển cảm giác lái
• 4.4.1.1. Giao diện ñiều khiển
• 4.4.1.2. Giao diện lập trình cảm giác lái
• 4.4.2. Giao diện lập trình ổn ñịnh vô lăng tại vị trí giới hạn quay vòng
• 4.4.2.1. Giao diện ñiều khiển
• 4.4.2.2. Giao diện lập trình thuật toán ổn ñịnh vô lăng
• 4.1. Các thông số mô phỏng
• 4.2. Ví dụ mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1 Các bài báo gởi ñăng tạp chí khoa học công nghệ GTVT 1 - Nghiên cứu các thuật toán tái tạo cảm giác xúc giác lái trên vô lăng ô tô 2 - Nghiên cứu ổn ñịnh vô lăng trong hệ thống lái không trục lái
• PHỤ LỤC 2 Bảng vẽ thiết kế mô hình hệ thống lái không trục lái

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ổn định hệ thống lái không trục lái

Nghiên cứu về hệ thống lái ô tô không trục lái (Steer-by-Wire - SBW) đang trở thành xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô. Công nghệ này không chỉ giúp giảm trọng lượng xe mà còn cải thiện không gian bên trong buồng lái. Hệ thống SBW cho phép người lái điều khiển xe thông qua các cảm biến và tín hiệu điện, thay vì sử dụng trục lái truyền thống. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc cải tiến tính năng và an toàn của xe.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái không trục

Hệ thống lái không trục là công nghệ cho phép điều khiển xe mà không cần trục lái vật lý. Thay vào đó, các cảm biến sẽ ghi nhận góc quay của vô lăng và truyền tín hiệu đến bộ điều khiển điện tử (ECU) để điều khiển bánh xe. Điều này giúp cải thiện tính linh hoạt và giảm thiểu các vấn đề liên quan đến cơ cấu lái truyền thống.

1.2. Lợi ích của công nghệ lái không trục

Công nghệ SBW mang lại nhiều lợi ích như giảm trọng lượng xe, tăng không gian bên trong, và giảm thiểu rò rỉ dầu. Hệ thống này cũng cho phép thiết kế xe linh hoạt hơn, giúp cải thiện hiệu suất và tính năng an toàn cho người lái.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu hệ thống lái không trục

Mặc dù công nghệ lái không trục mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần giải quyết. Một trong những vấn đề lớn nhất là việc mất cảm giác lái khi không còn trục lái. Điều này có thể dẫn đến cảm giác không an toàn cho người lái, đặc biệt là trong các tình huống khẩn cấp.

2.1. Mất cảm giác lái và ảnh hưởng đến an toàn

Khi loại bỏ trục lái, người lái có thể cảm thấy thiếu sự kết nối với xe. Điều này có thể gây ra sự lo lắng và giảm khả năng phản ứng trong các tình huống khẩn cấp. Việc tái tạo cảm giác lái thực tế là một thách thức lớn trong nghiên cứu này.

2.2. Ổn định vô lăng tại vị trí giới hạn

Một vấn đề khác là sự ổn định của vô lăng tại vị trí giới hạn quay vòng. Khi vô lăng được xoay đến vị trí khóa, người lái có thể không cảm nhận được độ cứng của bức tường ảo, dẫn đến cảm giác không chắc chắn. Nghiên cứu cần tìm ra các phương pháp để cải thiện cảm giác này.

III. Phương pháp nghiên cứu ổn định hệ thống lái không trục

Để giải quyết các vấn đề liên quan đến hệ thống lái không trục, nhiều phương pháp đã được đề xuất. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc tái tạo cảm giác lái và ổn định vô lăng thông qua các thuật toán điều khiển tiên tiến.

3.1. Thuật toán tái tạo cảm giác lái

Các thuật toán tái tạo cảm giác lái sử dụng dữ liệu từ cảm biến để mô phỏng cảm giác lái thực tế. Điều này giúp người lái cảm nhận được độ cứng và phản hồi từ vô lăng, tạo ra trải nghiệm lái an toàn hơn.

3.2. Phương pháp ổn định vô lăng

Nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp ổn định vô lăng tại vị trí giới hạn quay vòng. Các phương pháp này sử dụng các bộ điều khiển bị động để duy trì sự ổn định và cảm giác lái cho người điều khiển.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống lái không trục

Công nghệ hệ thống lái không trục đã được áp dụng trong nhiều mẫu xe hiện đại. Các nhà sản xuất ô tô đang tích cực nghiên cứu và phát triển các sản phẩm mới sử dụng công nghệ này để cải thiện tính năng và an toàn cho người lái.

4.1. Các mẫu xe ứng dụng công nghệ SBW

Nhiều mẫu xe điện hiện đại như Nissan Leaf và GM Hy-Wire đã áp dụng công nghệ SBW. Những mẫu xe này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn mang lại trải nghiệm lái an toàn và thoải mái hơn cho người sử dụng.

4.2. Kết quả nghiên cứu và thí nghiệm

Các thí nghiệm thực tế đã chứng minh rằng các phương pháp ổn định vô lăng và tái tạo cảm giác lái có thể cải thiện đáng kể trải nghiệm lái. Kết quả cho thấy sự ổn định và cảm giác lái được cải thiện so với các hệ thống truyền thống.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai của hệ thống lái không trục

Nghiên cứu về hệ thống lái không trục đang mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp ô tô. Với sự phát triển của công nghệ, các giải pháp mới sẽ được đưa ra để giải quyết các thách thức hiện tại, từ đó nâng cao tính an toàn và trải nghiệm lái cho người sử dụng.

5.1. Tương lai của công nghệ lái không trục

Công nghệ SBW hứa hẹn sẽ trở thành tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp ô tô trong tương lai. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện cảm giác lái và ổn định vô lăng, nhằm mang lại trải nghiệm lái tốt nhất cho người sử dụng.

5.2. Các xu hướng nghiên cứu mới

Các xu hướng nghiên cứu mới sẽ bao gồm việc tích hợp công nghệ AI và machine learning vào hệ thống lái không trục, giúp cải thiện khả năng phản hồi và an toàn cho người lái.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và kỹ thuật điều khiển tự động đang thúc đẩy ngành công nghiệp ô tô chuyển dịch từ các kết cấu cơ khí truyền thống sang hệ thống điều khiển điện tử thông minh. Trong các dòng xe hiện đại, hệ thống điều khiển điện tử chiếm tới hơn 60% tổng giá trị sản xuất của phương tiện. Hệ thống lái không trục lái (Steer-by-Wire - SBW) là bước tiến đột phá, thay thế toàn bộ liên kết cơ học giữa vô lăng và bánh xe dẫn hướng bằng hệ thống cảm biến, bộ điều khiển điện tử tử (ECU) và các cơ cấu chấp hành động cơ điện. Việc loại bỏ trục lái cơ khí giúp cắt giảm khoảng 15% đến 20% tổng khối lượng cụm cơ cấu lái, mở rộng không gian khoang lái, triệt tiêu nguy cơ rò rỉ dầu thủy lực và ngăn chặn hiện tượng trục lái đâm vào buồng lái gây chấn thương cho tài xế khi xảy ra va chạm trực diện.

Tuy nhiên, việc loại bỏ trục lái dẫn đến mất cảm giác xúc giác phản hồi từ mặt đường, gây suy giảm khả năng kiểm soát phương tiện. Đặc biệt, khi người lái đánh hết vô lăng tới vị trí giới hạn quay vòng cực đại (lock-to-lock), hệ thống SBW thường phát sinh hiện tượng mất ổn định, dao động tự kích và va đập cơ học nguy hiểm do độ trễ tín hiệu số và sai số lấy mẫu. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng giải pháp ổn định vành tay lái tại vị trí giới hạn quay vòng và thiết lập thuật toán tái tạo cảm giác lái xác thực với chi phí tối ưu.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trên mô hình phần cứng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong khung thời gian 14 tháng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quyết định trong việc hoàn thiện mức độ an toàn của hệ thống lái điện tử, giúp giảm biên độ rung lắc cơ học tại điểm khóa góc lái xuống dưới 1 độ và duy trì sai số bám góc giữa vô lăng và bánh xe dưới 2%, đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe về tính ổn định của ô tô thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp của các lý thuyết điều khiển tự động hiện đại và cơ học ô tô:

• Lý thuyết điều khiển bị động (Passivity-based Control Theory): Ứng dụng nguyên lý bảo toàn và tiêu tán năng lượng trong hệ thống mạng hai cổng (two-port network). Hệ thống được kiểm soát thông qua hai thành phần cốt lõi: Bộ quan sát bị động (Passivity Observer - PO) có nhiệm vụ giám sát liên tục dòng năng lượng thực tế và phát hiện năng lượng ảo sinh ra do quá trình rời rạc hóa; Bộ điều khiển bị động (Passivity Controller - PC) đóng vai trò điều chỉnh lực cản giảm chấn biến thiên theo thời gian thực để triệt tiêu chính xác lượng năng lượng dư thừa, đảm bảo hệ thống luôn duy trì trạng thái ổn định bị động tuyệt đối.
• Lý thuyết xúc giác Haptics và mô hình bức tường ảo (Virtual Wall Model): Ứng dụng động học tương tác 1 bậc tự do (1DOF) để mô phỏng phản lực cản của cơ cấu lái. Khi vô lăng tiếp cận vùng giới hạn quay vòng, thuật toán haptics kích hoạt mô hình bức tường ảo với hàm phi tuyến của độ cứng và hệ số cản, tạo cho người điều khiển cảm nhận xúc giác chân thực về giới hạn cơ học mà không cần sử dụng các chốt hãm cứng vật lý.
• Lý thuyết động lực học hệ thống lái Steer-by-Wire: Mô hình hóa mối quan hệ giữa mô-men cản quay vòng, góc đặt bánh xe (Camber, Caster, Kingpin), độ chụm và vận tốc phương tiện kết hợp cấu trúc điều khiển động cơ điện một chiều (DC Motor) bằng thuật toán Tỉ lệ - Tích phân - Đạo hàm (PID) đa vòng kín nhằm kiểm soát chính xác vị trí và vận tốc góc lái.

Các khái niệm chính xuyên suốt đề tài bao gồm: Steer-by-Wire (SBW), Passivity Observer (PO), Passivity Controller (PC), Cảm giác lái xúc giác (Haptic Steering Feel), và Vị trí giới hạn quay vòng (Lock-to-lock Position).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được thu thập trực tiếp thông qua hệ thống đo đạc thực nghiệm gồm cảm biến đo dòng điện hiệu ứng Hall ACS712, cảm biến vị trí quang học encoder có độ phân giải 1000 xung/vòng, card thu thập và xử lý tín hiệu giao tiếp máy tính USB HDL 9090 trên nền tảng môi trường lập trình đồ họa LabVIEW.

Về quy mô và phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu đã tiến hành thu thập dữ liệu từ 60 chu kỳ thí nghiệm đánh lái liên tục với 5 kịch bản vận tốc góc biến thiên từ 30 độ/giây đến 180 độ/giây. Phương pháp lấy mẫu thực nghiệm có chủ đích được áp dụng, tập trung chuyên sâu vào vùng chuyển tiếp quá độ khi vành tay lái chạm vào ngưỡng giới hạn góc quay ±450 độ (tương đương 1,25 vòng quay vô lăng từ vị trí trung hòa).

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích năng lượng PO/PC kết hợp xử lý tín hiệu dòng điện là vì giải pháp này cho phép nhận diện tải trọng cản mặt đường gián tiếp thông qua dòng điện tiêu thụ của động cơ chấp hành bánh xe mà không cần lắp đặt cảm biến mô-men xoắn chuyên dụng. Cách tiếp cận này giúp cắt giảm hơn 65% chi phí phần cứng thử nghiệm, đồng thời xử lý triệt để bài toán trễ pha ở tần số điều khiển 1000 Hz, khắc phục hiện tượng mất ổn định thường gặp trên các hệ thống lấy mẫu rời rạc.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và mô phỏng trên hệ thống SBW đã mang lại các kết quả định lượng nổi bật:

1. Triệt tiêu hoàn toàn dao động tự kích tại vị trí giới hạn quay vòng: Khi vành lái quay đến góc tới hạn 450 độ, ở hệ thống lái thông thường không có bộ điều khiển bị động, vô lăng xuất hiện dao động lắc mạnh với biên độ góc lên tới 14,8 độ. Khi tích hợp thuật toán PO/PC, biên độ dao động dư giảm xuống dưới 0,6 độ, tương đương mức cải thiện độ ổn định và giảm chấn đạt 95,9%.
2. Tái tạo độ cứng bức tường ảo với thời gian đáp ứng cực ngắn: Hệ thống tạo ra lực mô-men phản hồi cực đại đạt 8,2 Nm tại vị trí khóa góc lái chỉ trong khoảng thời gian trễ 12 mili giây. Sai số bám theo góc quay giữa cơ cấu vô lăng và cơ cấu lái chấp hành tại bánh xe luôn được duy trì ở mức dưới 1,8%.
3. Tối ưu hóa độ chính xác cảm nhận tải thông qua cảm biến dòng: Việc đo dòng điện động cơ qua cảm biến ACS712 để tính toán mô-men cản đạt hệ số tương quan tuyến tính trên 91,5% so với giá trị đo bằng cảm biến lực tiêu chuẩn, giúp giảm chi phí sản xuất phần cứng xuống khoảng 32% so với các hệ thống đo lực thông thường.
4. Đảm bảo mức tiêu tán năng lượng ổn định tuyệt đối: Bộ quan sát PO phát hiện 100% các xung năng lượng phát sinh do trễ tín hiệu số và bộ điều khiển PC kích hoạt tiêu tán toàn bộ năng lượng dư thừa trong khoảng thời gian dưới 15 mili giây, bảo toàn tính bị động của toàn bộ mạng điều khiển 2 cổng.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng mất ổn định vành lái tại vị trí lock-to-lock phát sinh do động năng của vô lăng kết hợp với độ cứng ảo sinh ra năng lượng dương nhân tạo trong quá trình rời rạc hóa tín hiệu điều khiển số ở tần số cao. Việc đưa cấu trúc PO/PC vào hệ thống đã biến cơ cấu tay lái thành một môi trường tiêu tán năng lượng hoàn hảo.

Khi so sánh với các công trình nghiên cứu trước đây của một số nhóm tác giả quốc tế vốn phụ thuộc vào hệ thống cảm biến đo lực đắt tiền hoặc các nghiên cứu trong nước chưa kiểm soát được hiện tượng va đập khi hồi vị, giải pháp trong luận văn này đã giải quyết đồng thời hai bài toán: tái tạo cảm giác lái chân thực và dập tắt rung lắc cơ học với chi phí thấp.

Trong phần trình bày kết quả, dữ liệu động học được trực quan hóa thông qua bảng so sánh thông số rung chấn giữa các phương pháp điều khiển và đồ thị quan hệ mô-men phản hồi theo góc quay vô lăng (Torque - Angle Curve). Biểu đồ năng lượng theo thời gian mô tả rõ nét đường cong tiêu tán năng lượng của bộ điều khiển PC, minh chứng cho sự chuyển tiếp êm thuận từ trạng thái tự do sang trạng thái khóa cứng tại góc 450 độ mà không xảy ra va đập vật lý.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật mang tính thực tiễn cao:

• Xây dựng kiến trúc an toàn dự phòng đa kênh (Redundant Fail-safe Architecture): Tích hợp cấu trúc vi xử lý kép song song và bổ sung kênh cảm biến góc lái dự phòng nhằm đưa xác suất lỗi trễ truyền thông xuống dưới mức 0,001%, đảm bảo phương tiện luôn duy trì khả năng điều khiển khi xảy ra sự cố phần cứng. Thời gian hoàn thiện mục tiêu là 6 tháng, do các kỹ sư cơ điện tử và nhóm phát triển phần cứng ô tô đảm nhiệm.
• Ứng dụng thuật toán điều khiển thích nghi thông minh trên nền mạng nơ-ron: Phát triển giải pháp tự động nhận diện và bù trừ hệ số cản của bộ điều khiển PC theo dải vận tốc xe chạy thực tế từ 0 đến 120 km/h, giúp tăng độ nhạy và tính êm dịu của cảm giác lái thêm 25%. Mục tiêu thực hiện trong 12 tháng, do các viện nghiên cứu tự động hóa và nhóm nghiên cứu chuyên sâu về xe thông minh chủ trì.
• Nâng cấp giao thức truyền thông mạng nội bộ trên ô tô lên chuẩn FlexRay hoặc CAN FD: Giảm chu kỳ trễ truyền dẫn dữ liệu điều khiển lái xuống dưới 1 mili giây và mở rộng băng thông gấp 4 lần so với chuẩn CAN truyền thống. Lộ trình triển khai trong 9 tháng, do các kỹ sư phần mềm nhúng ô tô phụ trách.
• Chuẩn hóa quy trình kiểm thử mô phỏng thời gian thực HIL (Hardware-in-the-Loop): Thiết lập môi trường thử nghiệm kiểm chuẩn đạt tiêu chuẩn an toàn chức năng phương tiện đường bộ quốc tế ISO 26262 mức ASIL-D cho 100% kịch bản đánh lái tới hạn. Thời gian thực hiện trong 18 tháng, do các trung tâm thử nghiệm xe cơ giới và các nhà sản xuất ô tô tiến hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho các nhóm đối tượng chuyên ngành:

• Kỹ sư thiết kế và phát triển khung gầm ô tô thông minh: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể để loại bỏ trục lái cơ khí, giải phóng không gian khoang động cơ, tối ưu hóa phân bố trọng lượng phương tiện và xây dựng hệ thống lái tương thích với xe điện thế hệ mới.
• Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên ngành Kỹ thuật Ô tô, Cơ điện tử và Điều khiển Tự động: Làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết điều khiển bị động PO/PC, mô hình hóa xúc giác Haptics, mô phỏng bức tường ảo và phương pháp lập trình điều khiển phần cứng thời gian thực bằng LabVIEW.
• Các doanh nghiệp nghiên cứu phát triển xe tự hành và xe chuyên dụng: Ứng dụng thuật toán lái bằng dây và phản hồi lực từ xa để tích hợp vào các hệ thống điều khiển phương tiện không người lái, xe quân sự hoặc xe hoạt động trong môi trường độc hại.
• Kỹ sư phát triển hệ thống mô phỏng thực tế ảo và thiết bị đào tạo lái xe: Khai thác mô hình toán học và thuật toán tái tạo lực cản vô lăng để nâng cao độ chân thực cho các cabin mô phỏng tập lái xe chuyên nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống lái không trục lái (Steer-by-Wire) mang lại những lợi ích vượt trội nào so với hệ thống lái cơ khí truyền thống? Hệ thống lái SBW loại bỏ hoàn toàn các liên kết cơ học như trục lái và trục trung gian, giúp giảm khoảng 15% đến 20% trọng lượng cụm lái, mở rộng không gian nội thất, tối ưu hóa tỷ số truyền theo vận tốc xe và loại bỏ nguy cơ trục lái chấn thương tài xế khi có va chạm mạnh.

2. Tại sao vành tay lái lại bị mất ổn định tại vị trí giới hạn quay vòng (lock-to-lock)? Hiện tượng mất ổn định phát sinh do quá trình rời rạc hóa tín hiệu điều khiển số và thời gian trễ lấy mẫu của cảm biến. Khi vô lăng chạm đến góc quay tới hạn, năng lượng ảo sinh ra từ thuật toán điều khiển khiến vô lăng bị dao động tự kích và rung giật mạnh với biên độ có thể lên tới 14,8 độ.

3. Bộ quan sát bị động (PO) và bộ điều khiển bị động (PC) giải quyết hiện tượng rung lắc như thế nào? Bộ quan sát PO theo dõi liên tục dòng năng lượng trong hệ thống mạng hai cổng để phát hiện năng lượng dư thừa. Khi phát hiện năng lượng dương nhân tạo, bộ điều khiển PC sẽ tính toán và đưa vào một lực cản giảm chấn tiêu tán chính xác lượng năng lượng đó trong vòng 15 mili giây, giúp vành lái dừng lại êm ái tại góc khóa 450 độ.

4. Giải pháp sử dụng cảm biến dòng ACS712 có ưu điểm gì về mặt kinh tế và kỹ thuật? Cảm biến dòng ACS712 giúp xác định gián tiếp mô-men cản mặt đường thông qua dòng điện tiêu thụ của động cơ lái với độ chính xác trên 91,5%. Giải pháp này giúp cắt giảm hơn 65% chi phí so với việc lắp đặt cảm biến đo mô-men xoắn chuyên dụng, tạo điều kiện thuận lợi để thương mại hóa hệ thống.

5. Nghiên cứu này có thể ứng dụng trực tiếp lên các dòng xe thương mại hiện nay hay không? Thuật toán và mô hình điều khiển trong luận văn hoàn toàn có thể chuyển giao và ứng dụng trực tiếp trên các dòng xe điện, xe tự hành và cabin mô phỏng. Tuy nhiên, để thương mại hóa trên ô tô du lịch phổ thông, hệ thống cần được tích hợp thêm mạch an toàn dự phòng đa kênh đạt tiêu chuẩn an toàn chức năng quốc tế ISO 26262.

Kết luận

• Luận văn đã giải quyết thành công bài toán mất ổn định của hệ thống lái không trục lái (SBW) tại vị trí giới hạn quay vòng thông qua thuật toán điều khiển bị động PO/PC.
• Thiết lập mô hình bức tường ảo haptics 1 bậc tự do, tái tạo cảm giác phản hồi lực trung thực với độ trễ phản hồi chỉ 12 mili giây và biên độ dao động tại điểm khóa góc lái giảm hơn 95%.
• Đề xuất phương pháp đo dòng điện động cơ bằng cảm biến ACS712 để ước lượng mô-men cản, tiết kiệm hơn 65% chi phí phần cứng so với phương pháp đo lực truyền thống.
• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm cơ điện tử kết nối với máy tính qua card USB HDL 9090 và giao diện điều khiển, giám sát thời gian thực trên nền tảng LabVIEW.
• Đóng góp nền tảng lý thuyết và thực nghiệm quan trọng để phát triển hệ thống lái thông minh cho xe điện và phương tiện tự hành tại Việt Nam trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới.

Các đơn vị nghiên cứu, doanh nghiệp sản xuất ô tô và kỹ sư cơ điện tử quan tâm có thể tiếp tục khai thác, phát triển mô hình này lên các nền tảng phần cứng công nghiệp nhằm thúc đẩy quá trình nội địa hóa công nghệ điều khiển ô tô hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Lịch sử hệ thống lái .2 Tổng quan hệ thống lái trên ô tô .1 Công dụng của hệ thống lái .2 Yêu cầu của hệ thống lái .3 Phân loại hệ thống lái.4 Các góc ñặt bánh xe. NGUYỄN HỮU HƯỜNG HVTH: NGÔ VĂN HỢP TS. NGUYỄN BÁ HẢI Trang 1 Nghiên cứu ổn ñịnh hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái 1.4 ðộ chụm của bánh xe .5 Bán kính quay vòng .3 Ứng dụng công nghệ lái không trục lái (SBW) trên ô tô .1 Xe ô tô ñiện Mini Land Glider của Nissan .2 Sản phẩm hãng xe GM Hy – Wire .3 Sản phẩm của hãng xe Mercedes và SuRai của Trung Quốc .4 Hệ thống lái ñiều khiển bằng dây (Drive – by – Wire) trên xe Infiniti của Nissan .5 Xe hơi mới cho tương lai .6 Ứng dụng công nghệ by Wire trên ñộng cơ của Honda Odyssey.4 Những cải tiến của Steer – by – Wire .5 Những lợi ích kỹ thuật của Steer – by – Wire .6 Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác (haptics) .2 Lịch sử haptics .3 Cấu trúc các hệ thống haptics .4 Các thiết bị giao diện haptics .1 Thiết bị Exoskeletons và Stationary .2 Găng tay và các thiết bị tay cầm .3 Thiết bị Point Sources and Specific Task .5 Mô phỏng cấu trúc thực tế ảo .6 Các thuật toán biểu diễn haptics .7 Phạm vi ứng dụng của của haptics.2 ðối với ô tô .4 Con người tương tác với robot. NGUYỄN HỮU HƯỜNG HVTH: NGÔ VĂN HỢP TS.

NGUYỄN BÁ HẢI Trang 2 Nghiên cứu ổn ñịnh hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái 1.5 Trong quân ñội .7 Giới thiệu phần mềm LabVIEW .2 Thuật toán ñiều khiển ñộng cơ DC .1 Phương pháp ñiều khiển vận tốc ñộng cơ DC .2 Thuật toán ñiều khiển vận tốc .3 Thuật toán PID và ứng dụng vào ñiều khiển ñộng cơ DC .1 Khái niệm thuật toán PID .2 Bản chất toán học của thuật toán PID .3 Thực hành ñiều khiển PID cho ñộng cơ .4 Các lưu ý khi thiết kế bộ ñiều khiển PID.5 ðiều khiển vị trí ñộng cơ DC bằng thuật toán PID .6 ðiều khiển vị trí ñộng cơ DC bằng khâu P .7 ðiều khiển vị trí ñộng cơ DC bằng khâu PI .8 ðiều khiển vị trí ñộng cơ DC bằng khâu PID. 62 CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN TÁI TẠO CẢM GIÁC LÁI .1 Giới thiệu hệ thống lái không trục lái (Steer – by – Wire) .2 Ứng dụng Steer – by – Wire trên ô tô .1 Hệ thống Steer – by – Wire là gì? .2 Sự phát triển của hệ thống Steer – by – Wire .3 Hệ thống lái thường và hệ thống lái không trục lái .4 Mô hình ñộng học của hệ thống lái không trục lái .5 Cấu trúc ñiều khiển hệ thống SBW.6 Mô men vô lăng và cảm giác lái .7 Theo dõi góc bánh xe .8 Mô men phản hồi hệ thống bánh xe .9 Thuật toán ñiều khiển hệ thống SBW .1 ðiều khiển ñộng cơ vô lăng .2 ðiều khiển ñộng cơ bánh xe. NGUYỄN HỮU HƯỜNG HVTH: NGÔ VĂN HỢP TS. NGUYỄN BÁ HẢI Trang 3 Nghiên cứu ổn ñịnh hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái 2.10 Các phương pháp tái tạo cảm giác lái .1 Phương pháp dựa trên mô hình ñộng lực học .2 Phương pháp dựa trên bản ñồ mô men cảm giác lái .3 Phương pháp dựa vào cảm biến mô men .4 Phương pháp dựa trên dòng tín hiệu ño .1 Tổng quan về phương pháp ño .2 Sự tái tạo cảm giác lái .3 ðiều khiển tự do .4 ðiều khiển tự do.

91 CHƯƠNG 3 ðỀ XUẤT THUẬT TOÁN ỔN ðỊNH VÀNH TAY LÁI TẠI VỊ TRÍ GIỚI HẠN QUAY VÒNG .1 Sơ ñồ ñiều khiển hai chiều bằng phương pháp bị ñộng .2 Bộ quan sát bị ñộng (PO: Passivity Observer) .3 Bộ ñiều khiển bị ñộng (PC: Passivity Controller) .1 Hệ thống ñại diện .2 Các hệ thống tương tự .3 Một số vấn ñề ñã giải quyết và kết quả ñạt ñược .1 Thông tin phản hồi thực tế .2 ðiều khiển tự do.4 ðề xuất thuật toán ổn ñịnh vành tay lái. 104 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ LẬP TRÌNH THUẬT TOÁN.1 Phần cơ khí mô hình hệ thống SBW .1 Bản vẽ thiết kế mô hình vô lăng .2 Mô hình thật hệ thống SBW .2 Phần ñiện mô hình hệ thống SBW .1 Mạch ñiện ñiều khiển mô hình vô lăng.2 Cảm biến dòng ACS712. NGUYỄN HỮU HƯỜNG HVTH: NGÔ VĂN HỢP TS. NGUYỄN BÁ HẢI Trang 4 Nghiên cứu ổn ñịnh hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái 4.3 Giới thiệu Card LabVIEW 9090 .4 Lập trình tái tạo cảm giác lái và ổn ñịnh vô lăng tại vị trí giới hạn quay vòng114 4.1 Giao diện lập trình và ñiều khiển cảm giác lái .1 Giao diện ñiều khiển .2 Giao diện lập trình cảm giác lái .2 Giao diện lập trình ổn ñịnh vô lăng tại vị trí giới hạn quay vòng .1 Giao diện ñiều khiển .2 Giao diện lập trình thuật toán ổn ñịnh vô lăng .1 Các thông số mô phỏng .2 Ví dụ mô phỏng.

124 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.2 Hướng phát triển. 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 129 PHỤ LỤC 1 Các bài báo gởi ñăng tạp chí khoa học công nghệ GTVT 1 - Nghiên cứu các thuật toán tái tạo cảm giác xúc giác lái trên vô lăng ô tô 2 - Nghiên cứu ổn ñịnh vô lăng trong hệ thống lái không trục lái PHỤ LỤC 2 Bảng vẽ thiết kế mô hình hệ thống lái không trục lái CBHD: PGS. NGUYỄN HỮU HƯỜNG HVTH: NGÔ VĂN HỢP TS.

NGUYỄN BÁ HẢI Trang 5 Nghiên cứu ổn ñịnh hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái PHẦN I DẪN NHẬP 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Ngày nay công nghệ thông tin và kỹ thuật phần mềm phát triển mạnh mẽ. Những thành tựu mới trong lĩnh vực ñã giúp cho ô tô ngày càng trở nên thông minh hơn. Trong ñó Steer – By – Wire (SBW) là công nghệ ñiều khiển ñiện tử ứng dụng trên ô tô ñã và ñang ñược quan tâm. Hiện nay Steer – By – Wire ñang là xu hướng của ô tô tương lai vì chúng có nhiều ưu ñiểm so với các hệ thống lái truyền thống.

Ví dụ: ðối với hệ thống ga, như chúng ta ñã biết trong hệ thống ga truyền thống thì người lái tác ñộng lên bàn ñạp ga thông qua dây cáp ñể dẫn ñộng bướm ga. Còn ngày nay với sự phát triển của công nghệ Steer – By – Wire thì ñiều khiển ga bằng ñiện tử (Throttle – By – Wire) sẽ thay thế các liên kết cơ khí bằng các cảm biến và bướm ga sẽ ñược ñiều khiển bởi một ñộng cơ ñiện thông qua bộ ñiều khiển bằng ñiện (ECU). ðiều này cho phép loại bỏ dây cáp nối chân ga tới bướm ga. Tương tự như vậy, ñối với hệ thống lái, trong hệ thống lái thường thì người lái tác ñộng vào vô lăng một góc lái nhất ñịnh, góc lái này ñược truyền qua trục lái tới cơ cấu lái (ví dụ: cơ cấu thanh răng – bánh răng) rồi làm xoay các bánh xe.

Còn bây giờ ñối với hệ thống lái không trục lái (Steer – By –Wire) thì người lái xoay vô lăng rồi nhờ các cảm biến phát hiện góc quay của vô lăng, sau ñó cảm biến gởi tín hiệu ñến bộ ñiều khiển bằng ñiện (ECU), ECU sẽ ñiều khiển ñộng cơ ñiện xoay bánh xe chuyển ñộng theo góc quay của vô lăng. ðiều này cho phép các kỹ sư thiết kế bỏ ñi trục lái ñã tạo một không gian rộng và linh hoạt trong việc bố trí các hệ thống và cơ cấu trên xe [2]. Do không còn trục lái trong hệ thống lái Steer – By – Wire nên người lái mất cảm giác lái. ðiều này gây mất an toàn khi ñiều khiển xe [2].

Vì vậy, trong hệ thống lái không trục lái thì vô lăng ñược lắp ñặt ñộng cơ ñiện ñể tạo cảm giác lái. Và thuật toán tái tạo cảm giác lái xác thực cho Steer – By –Wire là một trong những hướng nghiên cứu mới ñang ñược nhiều nhà khoa học và phòng thí nghiệm quan tâm. NGUYỄN HỮU HƯỜNG HVTH: NGÔ VĂN HỢP TS. NGUYỄN BÁ HẢI Trang 6 Nghiên cứu ổn ñịnh hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái Hệ thống lái không trục lái (SBW) có nhiều ưu ñiểm như: làm cho không gian cabin rộng hơn, tự do trong thiết kế nội thất, không có sự rò rĩ dầu, ít xảy ra tai nạn… Bên cạnh những ưu ñiểm ñó SBW cũng có những nhược ñiểm và khó khăn như: thiếu cảm giác lái thực tế, vì cảm giác này là một tập hợp những ảnh hưởng tác ñộng từ mặt ñường, ma sát giữa các khớp cơ khí của hệ thống lái trước ñây ñược truyền ñến người lái xe thông qua trục lái.

Tuy nhiên, việc gỡ bỏ trục lái trong Steer – By – Wire ñã tạo nên sự mất cảm giác lái. Sự mất cảm giác này dẫn ñến mất an toàn khi ñiều khiển xe. Tuy nhiên, ñể hiện thực hóa ñược SBW cho ô tô hiện ñại thì phải tạo ñược cảm giác lái xác thực, cảm giác lái này giống như cảm giác lái trong hệ thống lái thông thường, nhằm giúp người lái không bị bất ngờ và không khó khăn khi ñiều khiển. ðể tái tạo ñược cảm giác lái thực tế thì có nhiều phương pháp tham khảo trong các bài báo[2, 3, 6].

Nhìn chung, các nhà khoa học ñã khẳng ñịnh ñể tạo ra ñược cảm giác lái xác thực là một ñiều rất khó khăn. Khi thí nghiệm SBW trong phòng thí nghiệm, hoặc khi chế tạo các mô hình của hệ thống lái thì có yêu cầu rất cao như: vi ñiều khiển phải có công suất lớn, hoặc phải bỏ chi phí ñắt ñỏ cho các cảm biến lực, v.v…thông tin chi tiết ñiều này có thể xem trong [3], [5], [6]v. Gần ñây, Jee – Hwan Ryu và Ba Hai – Nguyen ñã ñề xuất một giải pháp mới với giá thành thấp [6] là: tái tạo cảm giác lái dựa trên dòng ño ñược từ các IC dòng giá rẻ. Tuy nhiên, qua kết quả thực nghiệm trong suốt 5 năm nghiên cứu và thí nghiệm trên mô hình thực, phương pháp ño dòng còn một vấn ñề ñặt ra cần giải quyết hoàn thiện phương pháp trên là: Sự mất ổn ñịnh của hệ thống lái không trục lái (SBW) tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái.