Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu và phát triển hệ thống lái không trục cho ô tô điều khiển từ xa

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu và phát triển hệ thống lái không trục lái phục vụ điều khiển ô tô từ xa, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải

• Tác giả: Nguyễn Như Xuân Phúc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Bá Hải
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Cơ khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên cứu và phát triển hệ thống lái không trục lái phục vụ điều khiển ô tô từ xa
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• ABSTRACT
• DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• KÝ HIỆU
• 1. PHẦN I: DẪN NHẬP
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.2.1. Mục đích nghiên cứu
• 1.2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Điểm mới của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới
• 1.7.1. Tình hình trong nước
• 1.7.2. Tình hình trên thế giới
• 2. PHẦN II: NỘI DUNG
• 2. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. Tổng quan về hệ thống lái trên ô tô
• 1.1.1. Công dụng của hệ thống lái
• 1.1.2. Yêu cầu của hệ thống lái
• 1.1.3. Các góc đặt bánh xe trong hệ thống lái
• 1.2. Sự phát triển của hệ thống lái trên ô tô
• 1.3. Khái niệm hệ thống STEER-BY-WIRE trên ô tô
• 1.3.1. Xe ô tô điện Mini Land Glider của Nissan
• 1.3.2. The GM Hy-wire
• 1.3.3. Sản phẩm của Mercedes và Su Rui của BYD Trung Quốc
• 1.3.4. Những lợi ích kỹ thuật của hệ thống STEER-BY-WIRE
• 1.4. Những cải tiến của hệ thống STEER-BY-WIRE
• 1.5. Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác (HAPTICS)
• 1.5.1. Ứng dụng công nghệ haptics
• 1.5.1.1. Đối với ô tô
• 1.5.1.2. Con người tương tác với robot
• 1.6. Giới thiệu phần mềm LabVIEW
• 1.7. Thuật toán PID và ứng dụng vào điều khiển động cơ DC
• 1.7.1. Khái niệm thuật toán PID
• 1.7.2. Bản chất toán học của thuật toán PID
• 1.7.3. Thực hành điều khiển PID cho động cơ DC
• 1.7.4. Các lưu ý khi thiết kế bộ điều khiển PID
• 1.7.5. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng thuật toán PID
• 1.7.6. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu P
• 1.7.7. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PI
• 1.7.8. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PID
• 3. CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN TÁI TẠO CẢM GIÁC LÁI
• 2.1. Giới thiệu về hệ thống lái không trục (SBW)
• 2.2. Các phương pháp tái tạo cảm giác lái
• 2.2.1. Phương pháp tiếp cận dựa trên động học
• 2.2.2. Phương pháp dựa trên biểu đồ mô-men
• 2.2.3. Phương pháp dựa trên cảm biến mô-men xoắn
• 2.2.4. Phương pháp đo dựa trên cường độ dòng điện
• 2.2.4.1. Giới thiệu phương pháp đo dòng điện
• 2.2.4.2. Sự tái tạo cảm giác lái
• 4. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG, XÂY DỰNG PHẦN MỀM CỦA HỆ THỐNG LÁI KHÔNG TRỤC LÁI ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
• 3.1. Thiết kế phần cứng
• 3.1.1. Giới thiệu sơ đồ hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa
• 3.1.2. Chế tạo phần cơ khí của hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa
• 3.1.3. Chuyển đổi cơ cấu lái thường sang cơ cấu lái không trục lái
• 3.1.4. Vô lăng điều khiển hệ thống lái
• 3.1.5. Chọn động cơ DC để dẫn động cơ cấu lái
• 3.2. Xây dựng phần mềm điều khiển hệ thống lái SBW điều khiển từ xa
• 3.2.1. Phần điện mô hình hệ thống lái không trục lái
• 3.2.2. Cảm biến dòng điện ACS712
• 3.2.3. Laptop dùng cho Server và Client
• 3.2.4. Giới thiệu Card USB HDL 9090
• 3.2.5. Mạch điện điều khiển mô hình vô lăng
• 3.2.6. Lập trình tái tạo cảm giác lái mô hình
• 3.2.6.1. Giao diện điều khiển
• 3.2.6.2. Giao diện lập trình mô hình
• 3.2.7. Thuật toán và lập trình hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa
• 3.2.7.1. Giới thiệu lưu đồ thuật toán cho xe có hệ thống lái SBW điều khiển từ xa
• 3.2.7.2. Thiết kế phần mềm
• 5. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Kế hoạch và kết quả thử nghiệm
• 4.1.1. Kế hoạch thực nghiệm
• 4.1.2. Tiến hành thực nghiệm
• 4.2. Đo thời gian trễ của hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa
• 4.2.1. Thuật toán tính thời gian trễ của hệ thống lái SBW điều khiển từ xa
• 4.2.2. Thuật toán đo thời gian trễ
• 6. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hệ thống lái không trục cho ô tô điều khiển từ xa

Hệ thống lái không trục cho ô tô điều khiển từ xa đang trở thành một xu hướng mới trong ngành công nghiệp ô tô. Công nghệ này không chỉ giúp cải thiện tính linh hoạt và an toàn cho xe mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phát triển và hoàn thiện hệ thống lái không trục, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về điều khiển từ xa.

1.1. Định nghĩa và vai trò của hệ thống lái không trục

Hệ thống lái không trục (Steer-By-Wire) là công nghệ cho phép điều khiển hướng đi của xe mà không cần sử dụng cơ cấu lái truyền thống. Công nghệ này mang lại nhiều lợi ích như giảm trọng lượng xe, tăng độ chính xác và cải thiện cảm giác lái cho người điều khiển.

1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống lái không trục

Hệ thống lái không trục đã được nghiên cứu và phát triển từ những năm 2000, với nhiều ứng dụng trong các mẫu xe điện và xe tự lái. Các hãng xe lớn như Nissan và GM đã tiên phong trong việc áp dụng công nghệ này vào sản phẩm của họ.

II. Những thách thức trong việc phát triển hệ thống lái không trục

Mặc dù hệ thống lái không trục mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc phát triển công nghệ này cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ tin cậy, độ trễ trong điều khiển và cảm giác lái thực tế là những yếu tố cần được giải quyết.

2.1. Độ tin cậy của hệ thống lái không trục

Độ tin cậy là yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế hệ thống lái không trục. Các nghiên cứu cho thấy rằng hệ thống cần phải đảm bảo hoạt động ổn định trong mọi điều kiện thời tiết và môi trường.

2.2. Thời gian trễ trong điều khiển

Thời gian trễ giữa lệnh điều khiển và phản hồi của hệ thống là một trong những thách thức lớn. Việc giảm thiểu thời gian trễ sẽ giúp cải thiện trải nghiệm lái và tăng tính an toàn cho người sử dụng.

III. Phương pháp nghiên cứu và phát triển hệ thống lái không trục

Nghiên cứu này sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để phát triển hệ thống lái không trục, bao gồm thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm và thử nghiệm thực tế. Các bước này sẽ giúp đảm bảo rằng hệ thống hoạt động hiệu quả và an toàn.

3.1. Thiết kế phần cứng cho hệ thống lái không trục

Thiết kế phần cứng bao gồm việc lựa chọn các linh kiện điện tử phù hợp, như cảm biến và động cơ, để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác và hiệu quả.

3.2. Lập trình phần mềm điều khiển

Phần mềm điều khiển được phát triển bằng cách sử dụng các ngôn ngữ lập trình hiện đại, nhằm đảm bảo khả năng tương tác và điều khiển chính xác giữa người lái và hệ thống.

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

Hệ thống lái không trục có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ xe quân sự đến xe tự lái. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn tăng cường tính an toàn cho người sử dụng.

4.1. Ứng dụng trong xe quân sự

Hệ thống lái không trục có thể được sử dụng trong các phương tiện quân sự, giúp điều khiển xe từ xa trong các tình huống nguy hiểm mà không cần sự hiện diện của người lái.

4.2. Ứng dụng trong xe tự lái

Công nghệ này cũng là một phần quan trọng trong việc phát triển xe tự lái, giúp cải thiện khả năng điều khiển và an toàn cho người sử dụng.

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

Hệ thống lái không trục đang mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp ô tô. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, hệ thống này hứa hẹn sẽ trở thành tiêu chuẩn trong tương lai.

5.1. Kết luận về nghiên cứu

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng hệ thống lái không trục có nhiều tiềm năng trong việc cải thiện hiệu suất và an toàn cho ô tô điều khiển từ xa.

5.2. Triển vọng phát triển trong tương lai

Với sự phát triển của công nghệ, hệ thống lái không trục sẽ ngày càng được cải tiến, mở ra nhiều ứng dụng mới trong ngành công nghiệp ô tô và các lĩnh vực khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 09 năm 2012 Học viên thực hiện Nguyễn Như Xuân Phúc ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn đã giúp em học hỏi thêm được rất nhiều kiến thức bổ ích từ thầy cô, bạn bè. Những kiến thức này giúp em vững vàng hơn về chuyên môn nghiệp vụ sau này.

Có được kết quả như ngày hôm nay, em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến Thầy TS. Nguyễn Bá Hải, Thầy đã cho em những kiến thức vô cùng quý báu, tận tình hướng dẫn, giúp em xác định đúng hướng đi để em có thể hoàn thành luận văn này. Em cũng xin chân thành gởi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Cơ khí Động Lực của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình làm luận văn. Các bậc sinh thành, người thân trong gia đình là nguồn động viên cho em trong suốt quá trình học tập và phấn đấu.

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn với tất cả tấm lòng của mình. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 09 năm 2012 Học viên thực hiện Nguyễn Như Xuân Phúc iii TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Hiện nay, hướng nghiên cứu về điều khiển xe từ xa (Vehicle teleoperation) khá mới ở Việt Nam.Tuy nhiên, lại khá phổ biến ở các nước phát triển. Với sự hướng dẫn của TS Nguyễn Bá Hải cùng với sự nổ lực của bản thân và các thành viên trong nhóm nghiên cứu đã triển khai và hoàn thiện xe điều khiển từ xa với các hệ thống cơ bản trên xe như: hệ thống lái, hệ thống ga, hệ thống phanh và hệ thống chuyển số.Nhóm đã thiết kế một mô hình xe quân sự có khả năng chở bốn người và đạt vận tốc tối đa 30km/h. Để xe chuyển động được an toàn và linh hoạt khi điều khiển từ xa thì ôtô phải có một hệ thống lái tốt (tức là hệ thống lái phải đáp ứng được yêu cầu tối thiểu của một hệ thống lái thông thường đồng thời phải đạt được tính tức thời, linh hoạt và an toàn ở những điều kiện lái khác nhau).

Đó là lý do tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu và phát triể n hê ̣ thố ng lái không trục lái phục vụ điều khiển ô tô từ xa”. Các vấn đề cần nghiên cứu đã được thực hiện trong đề tài này gồm:  Thiết kế chuyển đổi hệ thống lái thường sang hệ thống lái không trục lái cho xe quân sự.  Thiết kế phần cứng và xây dựng phần mềm cho vô lăng điều khiển để tái tạo cảm giác lái xác thực trên vô lăng điều khiển hệ thống lái không trục lái dựa trên phương pháp đo dòng điện trực tiếp (Sử dụng phần mềm LabVIEW).  Xây dựng phần mềm để điều khiển hệ thống lái trên xe từ xa thông qua thiết bị WIFI (Sử dụng phần mềm LabVIEW).

 Đánh giá và so sánh các ưu nhược điểm của hệ thống lái thường và hệ thống lái không trục lái.  Đo được thời gian trễ của hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa qua thiết bị WIFI. Đây là một trong những hướng nghiên cứu mới mẽ (Theo kiến thức của nhóm nghiên cứu, thì đây là công trình duy nhất về hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa trên ô tô tại Việt Nam tính tới thời điểm thực hiện đề tài này). Khi thực hiện thành công , đề tài này sẽ là nguồn tài liệu tham khảo rất tốt cho các học viên cao học cũng như những người có quan tâm tới điều khiển phương tiện từ xa.

iv ABSTRACT Currently, vehicle teleoperation is one of the challenges vehicular robotics. Under supervision of Dr. Nguyen Ba Hai, along with the efforts of myself and the members of the team to redesign the basic system in the car and built a model military vehicles capable of carrying four people and reach a maximum speed of 30 km/h. To be safe vehicle movement and flexibility of a remote control, the car must have a good driving system suitable for the road conditions.

This motivates us to choose the topics : "The study on a steer-by-wire system for vehicle teleoperation". The research topics include:  Convert a conventional steering system to a stee-by-wire system (SBW).  Design hardware and software for the SBW.  Implement wireless network-based control algorithms for SBW  Compare and study the characteristics of a SBW system under various conditions such as: ground contact, without ground contact and so on.

 Study on how do artificially reproduce the foce-feedback in seer-by-wire based on direct current measarement method which has been proposed by Ba-Hai Nguyen and Jee-Hwan Ryu. v DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT HPS-Hydraulic Power Steering: Hệ thống lái trợ lực thủy lực EPS-Electric Power Steering: Hệ thống lái trợ lực điện SBW-Steering By Wire: Hệ thống lái không trục lái Haptics: Thuật ngữ chỉ cảm giác, xúc giác của con người I/O-Input/Output: Đầu vào/đầu ra LabVIEW-Laboratory Virtual Công cụ kỹ thuật thiết bị ảo trong phòng thí Instrumentation Engineering nghiệm Workbench: PID-Proportional Integral Thuật toán điều khiển tỉ lệ-tích phân-đạo hàm Derivative: BD-Block Diagram: Giao diện lập trình phần mềm LabVIEW FP-Front Panel: Giao diện điều khiển phần mềm LabVIEW VDK: Vi điều khiển HW-Handwheel: Vô lăng RW-Roadwheel: Bánh xe HDL 9090: Mạch giao tiếp máy tính đa năng dùng để thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị ngoại vi vi DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Các góc Camber,Caster và Kingping của hệ thống lái .2: Độ chụm dương (B-A>0) của xe .3: Hệ thống lái trên ô tô đầu tiên của Karl Benz năm 1885 .4: Trong tương lai, nó có thể biến đổi vô lăng lái ô tô thành cần điều điều khiển giống như một trò chơi vi tính.5: Xe Land Glider của Nissan với hệ thống lái drive-by-wire .6: Không gian rộng lớn bên trong Hy-wire GM .7: Các thiết bị kiểm tra hệ thống lái tự động của Mercedes.8: Điều khiển đỗ xe từ xa ứng dụng trên xe Su Rui của BYD Trung Quốc .9: Chuyển đổi từ hệ thống lái thông thường sang hệ thống Steer-By-Wire .10: Các cảm nhận về trạng thái của vật thể.11: Giao diện Haptics sử dụng trong điều khiển xe từ xa .12: Thiết bị giao diện điều khiển xe .13: Công nghệ haptics trong hệ thống iDrive của hãng BMW.14: Tương tác với hình ảnh ba chiều thông qua cánh tay robot .15: Tương tác với hình ảnh ba chiều trong phẫu thuật từ xa .16: Giao diện chính của phần mềm LabVIEW phiên bản 2009 .17: Một robot (Sprider) phát triển dựa trên lập trình LabVIEW .18: Khả năng kết hợp các phần cứng của LabVIEW .19: Cơ cấu cần điều khiển vị trí .20: Bộ PID điều khiển vị trí .21: Mô tả giá trị đặt, giá trị đo được và diện tích sai lệch .22: Sơ đồ kết nối phần cứng điều khiển PID động cơ DC .23: Sơ đồ mạch điện kết nối phần cứng điều khiển PID động cơ DC .24: Thuật toán điều khiển động cơ DC theo vị trí bằng PID .25: Kết quả lập trình P control cho động cơ DC .26: Giao diện người dùng điều khiển P cho động cơ DC .27: Đáp ứng của vị trí động cơ DC .28: Điều khiển khâu PI vị trí động cơ DC .29: Điều khiển khâu PID vị trí động cơ DC.1: Động lực học của hệ thống SBW .2: Sự phối hợp điều khiển của phương pháp dựa trên mô hình .3: Sơ đồ điều khiển của biểu đồ mô-men .4: Sơ đồ điều khiển phương pháp mô-men xoắn .5: Những tín hiệu tham khảo cho phương pháp biểu đồ mô-men xoắn.6: Tổng quan về tái tạo cảm giác lái dùng cảm biến dòng .7: Sơ đồ kết nối của cảm biến dòng .8: Mối liên hệ giữa điện áp và dòng điện trong cảm biến ACS712 .1: Sơ đồ khối hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa qua mạng WIFI .2: Mô hình xe quân sự có hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa .3: Kết cấu cơ khí hệ thống lái ban đầu .4: Kết cấu cơ khí hệ thống lái không trục lái sau khi chuyển đổi .5: Các chi tiết bộ phận truyền động .6: Mô hình cơ khí tái tạo cảm giác lái xác thực .7: Cơ cấu dẫn động trục xoay vô lăng.8: Motor điều khiển cơ cấu lái .9: Công tắc hành trình .11: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển mô hình hê ̣ thố ng lái bằ ng điê ̣n .12: Cảm biến ACS712 thực tế .13: Sơ đồ chân cảm biến ACS712 .14: Mối liên hệ giữa điện áp và dòng điện trong cảm biến ACS712 .16: Card USB HDL 9090 .17: Sơ đồ chân Card USB HDL 9090 .18: Sơ đồ khố i card 9090 trong LabVIEW .19: Thành phần mạch điều khiển cảm giác lái .20: Giao diện Server truyề n nhâ ̣n .21: Giao diện Client .22: Lưu đồ dùng để lập trình tính toán mô men phản hồi cảm giác lái .23: Giao diện tính toán mô-men phản hồi ta ̣o cảm giác lái .24: Lưu đồ dùng để lập trình truyề n nhâ ̣n dữ liê ̣u bên Server .25: Giao diện truyề n nhâ ̣n dữ liê ̣u bên Server .26: Lưu đồ dùng để lập trình điều khiển góc lái .27: Giao diện lập trình điề u khiể n góc lái .28: Lưu đồ thuật toán dùng để lập trình truyề n nhâ ̣n bên client .29: Giao diện lập trình truyề n nhâ ̣n bên client .30: Lưu đồ thuật toán dùng để lập trình điều khiển hệ thống lái SBW từ xa 84 Hình 3.31:Thuật toán bên Server .32: Thuật toán bên Client .1: Thử nghiệm hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa qua mang wifi .2: Hằng số đáp ứng K= 4 .3: Hằng số đáp ứng K= 250 .4: Dòng i=0 khi chưa đánh lái .5: Dòng i tăng khi đánh lái có kích bánh xe dẫn hướng .6: Đồ thị dòng i theo góc lái khi nâng các bánh xe dẫn hướng .7: Mô-men phản hồ i khi kích các bánh xe dẫn hướng .8: Dòng i tăng khi đánh lái có ma sát giữa các bánh xe dẫn hướng với mặt đường.9: Đồ thị dòng i theo góc lái khi các bánh xe dẫn hướng tiếp xúc mặt đường và v =0 km/h.10: Mô-men phản hồ i khi các bánh dẫn hướng tiế p xúc mă ̣t đường và V= 0 96 Hình 4.11: Đồ thị dòng i theo góc lái khi vận tốc xe v =20 km/h.12: Mô-men phản hồ i khi xe chuyển động với vâ ̣n tố c bằ ng 20km/h .13: Lưu đồ tính thời gian trễ trên hê ̣ thố ng lái gián tiếp từ xa .14: Chương trình đo thời gian trễ. 100 ix DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Các thông số dùng trong mô phỏng. 56 Bảng 2: Các tính năng của hệ thống dẫn động cơ cấu lái .