Nghiên Cứu và Thiết Kế Mô Hình Mô Phỏng Lái Xe Thích Nghi Với Dao Động Hệ Thống Treo

Mô hình mô phỏng lái xe là một công cụ quan trọng trong việc đào tạo và nghiên cứu các kỹ… 100 trang · Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh · 2024.

• Tác giả: Trần Hồng Đức
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Phước Sơn
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Mô Hình Mô Phỏng Lái Xe Thích Nghi Với Dao Động Hệ Thống Treo
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu đề tài
• 1.6. Giới hạn đề tài
• 1.7. Kết quả dự kiến
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Động lực học chuyển động của xe
• 2.2. Ảnh hưởng của hệ thống treo, cầu xe đến chuyển động của ô tô
• 2.3. Mô hình điều khiển chuyển động giả lập của xe
• 2.4. Sơ đồ điều khiển cơ cấu chuyển động
• 2.5. Nguyên lý hoạt động của mô hình
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÔ HÌNH GIẢ LẬP HỆ THỐNG TREO
• 3.1. Thiết lập điều khiển động cơ servo
• 3.1.1. Động cơ servo và các chức năng điều khiển chuyển động
• 3.1.2. Bộ khuếch đại tín hiệu động cơ AC servo - Servo driver
• 3.1.2.1. Thiết lập giới hạn momen xoắn bên trong
• 3.1.2.2. Thiết lập giới hạn tốc độ tối đa của động cơ
• 3.1.2.3. Thiết lập tỉ lệ bánh răng điện tử
• 3.1.2.4. Thiết lập chế độ giảm tốc đối với các lệnh vị trí
• 3.1.2.5. Thiết lập thời gian phản hồi bộ lọc feedforward
• 3.1.2.6. Thiết lập mức độ khuếch đại tín hiệu điều khiển vị trí đầu vào
• 3.1.3. Kết nối điều khiển động cơ servo với Servo driver
• 3.2. Mạch điều khiển Arduino
• 3.3. Cơ cấu chuyển động
• 3.4. Phần mềm mô phỏng lái xe và thiết lập ứng dụng Sim Feedback
• 3.5. Lắp ráp các cơ cấu chấp hành lên giàn và hoàn thiện mô phỏng lái xe
• 4. CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH
• 4.1. Trường hợp xe tăng tốc
• 4.2. Trường hợp khi xe phanh
• 4.3. Trường hợp xe quay vòng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• Phụ lục 1. Cài đặt thông số servo driver
• Phụ lục 2. Tên gọi và chức năng các chân kết nối CN3 - Encoder
• Phụ lục 3. Các chi tiết cấu tạo bộ phận chấp hành
• Phụ lục 4. File in 3D các bộ phận chấp hành
• Phụ lục 5. Các đai ốc, bulong lắp bộ chấp hành
• Phụ lục 6. Thử nghiệm bộ mô phỏng bằng phần mềm lái xe

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình mô phỏng lái xe và hệ thống treo

Mô hình mô phỏng lái xe là một công cụ quan trọng trong việc đào tạo và nghiên cứu các kỹ năng lái xe. Nó giúp người dùng trải nghiệm cảm giác lái xe mà không cần phải ra ngoài thực tế. Hệ thống treo đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra cảm giác lái chân thực. Việc nghiên cứu và phát triển mô hình này không chỉ giúp cải thiện kỹ năng lái xe mà còn nâng cao trải nghiệm người dùng.

1.1. Định nghĩa mô hình mô phỏng lái xe

Mô hình mô phỏng lái xe là một hệ thống giả lập cho phép người dùng trải nghiệm cảm giác lái xe trong môi trường an toàn. Nó sử dụng các công nghệ hiện đại để tái tạo các yếu tố như tốc độ, lực phản hồi và cảm giác từ hệ thống treo.

1.2. Vai trò của hệ thống treo trong mô phỏng

Hệ thống treo ảnh hưởng lớn đến cảm giác lái xe. Nó giúp giảm thiểu dao động và tạo ra sự ổn định cho xe. Việc mô phỏng hệ thống treo giúp người dùng cảm nhận được sự khác biệt khi lái xe trên các bề mặt đường khác nhau.

II. Thách thức trong việc mô phỏng lái xe thích nghi với dao động

Mặc dù mô hình mô phỏng lái xe đã phát triển, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Các mô hình hiện tại thường thiếu tính chân thực trong việc tái tạo cảm giác lái xe. Điều này ảnh hưởng đến hiệu quả đào tạo và trải nghiệm của người dùng.

2.1. Thiếu tính chân thực trong cảm giác lái

Nhiều mô hình hiện tại không thể tái tạo chính xác cảm giác lái xe, đặc biệt là trong các tình huống phức tạp như tăng tốc, phanh gấp hay vào cua. Điều này làm giảm hiệu quả của việc đào tạo lái xe.

2.2. Khó khăn trong việc tích hợp công nghệ mới

Việc tích hợp các công nghệ mới vào mô hình mô phỏng lái xe gặp nhiều khó khăn. Các phần mềm và phần cứng cần phải tương thích và hoạt động hiệu quả để tạo ra trải nghiệm tốt nhất cho người dùng.

III. Phương pháp phát triển mô hình mô phỏng lái xe hiệu quả

Để phát triển mô hình mô phỏng lái xe hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu và thiết kế hiện đại. Việc sử dụng công nghệ mô phỏng tiên tiến sẽ giúp cải thiện tính chân thực và hiệu quả của mô hình.

3.1. Sử dụng công nghệ mô phỏng hiện đại

Công nghệ mô phỏng hiện đại như động cơ servo và phần mềm mô phỏng giúp tái tạo chính xác các chuyển động của xe. Điều này giúp người dùng có trải nghiệm gần gũi với thực tế hơn.

3.2. Tích hợp dữ liệu từ các nguồn khác nhau

Việc tích hợp dữ liệu từ các nguồn khác nhau như trò chơi mô phỏng lái xe giúp cải thiện độ chính xác của mô hình. Dữ liệu này có thể được sử dụng để điều chỉnh các thông số của mô hình mô phỏng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình mô phỏng lái xe

Mô hình mô phỏng lái xe có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đào tạo lái xe và nghiên cứu. Nó không chỉ giúp người dùng cải thiện kỹ năng lái xe mà còn hỗ trợ các nhà nghiên cứu trong việc phát triển công nghệ mới.

4.1. Đào tạo lái xe an toàn

Mô hình mô phỏng lái xe giúp người dùng luyện tập các kỹ năng lái xe trong môi trường an toàn. Điều này giảm thiểu rủi ro tai nạn và giúp người dùng tự tin hơn khi lái xe thực tế.

4.2. Nghiên cứu và phát triển công nghệ mới

Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng mô hình mô phỏng để thử nghiệm và phát triển các công nghệ mới cho xe hơi. Điều này giúp cải thiện hiệu suất và an toàn của xe trong tương lai.

V. Kết luận và tương lai của mô hình mô phỏng lái xe

Mô hình mô phỏng lái xe có tiềm năng lớn trong việc cải thiện kỹ năng lái xe và phát triển công nghệ mới. Tương lai của mô hình này sẽ phụ thuộc vào việc áp dụng các công nghệ tiên tiến và cải tiến tính chân thực của mô hình.

5.1. Tiềm năng phát triển trong tương lai

Với sự phát triển của công nghệ, mô hình mô phỏng lái xe sẽ ngày càng trở nên hoàn thiện hơn. Điều này sẽ giúp nâng cao trải nghiệm người dùng và hiệu quả đào tạo.

5.2. Hướng đi mới cho nghiên cứu và ứng dụng

Nghiên cứu và ứng dụng mô hình mô phỏng lái xe sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất. Việc cải tiến mô hình sẽ giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bối cảnh thực tiễn và lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, quy trình đào tạo và sát hạch cấp giấy phép lái xe ô tô đã được điều chỉnh theo hướng thắt chặt tiêu chuẩn kỹ thuật, đặc biệt là việc bổ sung học phần thực hành trên cabin mô phỏng lái xe. Cabin mô phỏng tạo ra môi trường luyện tập an toàn, giúp người học làm quen với các thao tác điều khiển mà không chịu áp lực từ các tình huống giao thông thực tế, qua đó giảm thiểu nguy cơ tai nạn, tiết kiệm nhiên liệu và chi phí bảo dưỡng phương tiện.

Tuy nhiên, các mô hình cabin mô phỏng hiện hữu còn nhiều hạn chế về mức độ chân thực:

• Thiếu khả năng tái hiện các rung động cơ học thực tế từ mặt đường.
• Chưa mô phỏng chính xác các phản hồi lực từ vô lăng và ghế ngồi của người lái.
• Thiếu cơ cấu thích nghi và phản hồi dịch chuyển của hệ thống treo khi xe thay đổi trạng thái chuyển động (tăng tốc, phanh gấp, vào cua hoặc đi qua địa hình gồ ghề).
• Các phần mềm mô phỏng thương mại phổ biến ít cung cấp khả năng tùy biến sâu đối với các thông số vật lý của xe cũng như thiếu công cụ trích xuất dữ liệu phục vụ nghiên cứu và giảng dạy kỹ thuật ô tô.

Xuất phát từ các vấn đề thực tiễn trên, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế mô hình mô phỏng lái xe có tính thích nghi theo dao động của hệ thống treo" được thực hiện nhằm nâng cấp giàn mô phỏng lái xe bằng hệ thống chuyển động tuyến tính độc lập tại bốn bánh xe, giúp tái tạo chân thực các trạng thái động lực học của xe thông qua việc trích xuất và xử lý dữ liệu từ môi trường ảo.

Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài xác định 03 mục tiêu cụ thể:

1. Xác định và làm rõ các yếu tố động lực học (lực tác dụng, phản lực từ mặt đường lên dầm cầu và hệ thống treo) ảnh hưởng đến chuyển động của ô tô trong các điều kiện vận hành thực tế (tăng tốc, giảm tốc, quay vòng và điều kiện mặt đường thay đổi).
2. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng giả lập được các trạng thái chuyển động của ô tô dựa trên cơ cấu truyền động tịnh tiến sử dụng động cơ servo.
3. Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả tái hiện các trạng thái chuyển động của mô hình thông qua dữ liệu mô phỏng thời gian thực.

Nhiệm vụ nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu trên, đồ án triển khai 04 nhiệm vụ trọng tâm:

1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về động lực học chuyển động ô tô và dao động của hệ thống treo.
2. Phân tích các lực và phản lực từ mặt đường tác động lên cầu xe và hệ thống treo.
3. Nghiên cứu phương pháp mô phỏng, thuật toán gợi ý chuyển động (Motion Cueing Algorithms) và kiến trúc điều khiển vòng lặp kín (Closed-loop simulation).
4. Nghiên cứu cấu tạo, thông số kỹ thuật, phương pháp thiết lập tham số cho động cơ servo, bộ khuếch đại tín hiệu (Servo Driver) và mạch vi điều khiển Arduino.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống mô phỏng chuyển động của xe gồm giàn lái xe, 04 bộ cơ cấu chấp hành trục vít me bi dẫn động bởi động cơ AC Servo 90ST-M02430, bộ điều khiển Servo Driver, mạch vi điều khiển Arduino Leonardo R3, phần mềm mô phỏng vật lý Assetto Corsa và phần mềm xử lý tín hiệu Sim Feedback.
• Phạm vi và giới hạn:
  • Đề tài kế thừa cấu trúc khung giàn mô phỏng lái xe sẵn có và các bản vẽ, phần mềm hỗ trợ từ cộng đồng nguồn mở.
  • Giới hạn ở việc nghiên cứu các lý thuyết động lực học cơ bản (mô hình dao động 1/2 và 1/4 xe) để điều khiển cơ cấu nâng hạ, không đi sâu vào phân tích phi tuyến toàn diện mọi dao động phức tạp.
  • Tích hợp và thử nghiệm mô hình dựa trên dữ liệu trích xuất từ phần mềm Assetto Corsa với mẫu xe thử nghiệm BMW M3 E46.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết động lực học ô tô

Hệ thống chuyển động của ô tô được phân tích trong không gian 3 chiều với 6 bậc tự do (6 DOF) đi qua trọng tâm xe:

• 3 chuyển động quay: Lắc ngang (Roll - quanh trục dọc Ox khi xe quay vòng), Lắc dọc (Pitch - quanh trục ngang Oy khi xe tăng tốc hoặc phanh), và Xoay đứng (Yaw - quanh trục đứng Oz).
• 3 chuyển động tịnh tiến: Dọc (Surge - theo trục Ox), Ngang (Sway - theo trục Oy), và Đứng (Heave - theo trục Oz khi qua đường mấp mô).

          [ Trọng tâm xe (Ox, Oy, Oz) ]
[ 3 Chuyển động quay ]         [ 3 Chuyển động tịnh tiến ]
  - Roll (Lắc ngang / Ox)         - Surge (Tịnh tiến dọc / Ox)
  - Pitch (Lắc dọc / Oy)          - Sway (Tịnh tiến ngang / Oy)
  - Yaw (Xoay đứng / Oz)          - Heave (Tịnh tiến đứng / Oz)

Mô hình dao động và hệ thống treo

Khối lượng ô tô được phân tách thành hai thành phần chính:

• Khối lượng được treo ($M$): Bao gồm khung vỏ, động cơ và hệ thống truyền lực được đỡ trên các phần tử đàn hồi của hệ thống treo.
• Khối lượng không được treo ($m$): Bao gồm bánh xe, cụm phanh, dầm cầu và các đòn giằng liên kết.

Phương trình vi phân mô tả chuyển động của mô hình dao động 1/4 hệ thống treo:

• Đối với khối lượng được treo ($M$): $$M\ddot{Z} = C_s(\dot{Z}_u - \dot{Z}) + K_s(Z_u - Z) + F_a$$ $$\ddot{Z} = \frac{C_s(\dot{Z}_u - \dot{Z}) + K_s(Z_u - Z) + F_a}{M}$$

• Đối với khối lượng không được treo ($m$): $$m\ddot{Z}_u = C_s(\dot{Z} - \dot{Z}_u) + K_s(Z - Z_u) + K_t(Z_r - Z_u)$$ $$\ddot{Z}_u = \frac{C_s(\dot{Z} - \dot{Z}_u) + K_s(Z - Z_u) + K_t(Z_r - Z_u)}{m}$$

Trong đó: $K_s$ là độ cứng lò xo; $C_s$ là hệ số giảm chấn; $K_t$ là độ cứng lốp; $Z, Z_u, Z_r$ lần lượt là chuyển vị của khối lượng được treo, khối lượng không được treo và mấp mô mặt đường.

Tải trọng động và phản lực tiếp xúc bánh xe

Khi xe chuyển động trên đường không bằng phẳng hoặc thay đổi gia tốc, tải trọng động tác dụng lên các cụm chi tiết được tính thông qua hệ số tải trọng động $k_đ$: $$k_đ = \frac{\text{Giá trị tải trọng động}}{\text{Giá trị tải trọng tĩnh}}$$ $$F_{max} = k_đ \cdot F_t$$

Phân bố tải trọng lên các bánh xe tại cầu chủ động được xác định theo 3 chế độ tải trọng:

1. Chế độ 1 (Truyền lực kéo hoặc phanh cực đại): Lực dọc đạt cực đại ($X_i = X_{imax}$), lực ngang $Y = 0$, tải trọng thẳng đứng cân bằng hai bên ($Z_1 = Z_2$).
2. Chế độ 2 (Quay vòng góc lái lớn / trượt ngang): Lực dọc $X_i = 0$, lực ngang đạt giá trị cực đại ($Y = Y_{max} = m_2 G_2 \varphi_y$), tải trọng phân bố lại lệch sang một bên ($Z_1 \neq Z_2$): $$Z_1 = \frac{G_2}{2}\left(1 + \frac{2h_g \varphi_y}{B}\right)$$ $$Z_2 = \frac{G_2}{2}\left(1 - \frac{2h_g \varphi_y}{B}\right)$$
3. Chế độ 3 (Xe đứng yên hoặc đi qua mặt đường mấp mô mạnh): Lực dọc $X_i = 0$, lực ngang $Y = 0$, phản lực thẳng đứng chịu tác động bổ sung bởi hệ số động ($Z_i = Z_{max} = k_đ \cdot \frac{G_2}{2}$).

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp giải tích và tổng hợp lý thuyết: Thiết lập mô hình toán học động lực học ô tô, xác định các thông số chuyển vị dọc, ngang và góc nghiêng của thân xe.
• Phương pháp thiết kế và tích hợp cơ điện tử: Thiết kế cơ cấu cơ khí biến đổi chuyển động quay thành tịnh tiến, tích hợp mạch điều khiển vi xử lý và hệ thống chấp hành servo.
• Phương pháp thực nghiệm mô phỏng vòng lặp kín (Closed-loop simulation): Sử dụng phần mềm Assetto Corsa để tạo lập môi trường lái xe ảo, trích xuất dữ liệu hành trình treo (Suspension Travel), xử lý tín hiệu qua Sim Feedback và truyền dữ liệu điều khiển tới phần cứng.
• Phương pháp phân tích dữ liệu: Ghi nhận biểu đồ chuyển vị của 04 bộ chấp hành theo thời gian thực để so sánh với lý thuyết động lực học trong các bài thử nghiệm tăng tốc, phanh gấp và quay vòng.

---

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc tổng thể hệ thống

Hệ thống mô phỏng chuyển động được xây dựng trên nền tảng chuyển động song song với 04 bộ cơ cấu chấp hành tuyến tính độc lập bố trí tại 4 góc của giàn khung (tương ứng với bánh trước phải - FR, trước trái - FL, sau trái - RL, sau phải - RR).

Thành phần	Thiết bị / Công nghệ	Vai trò kỹ thuật trong hệ thống
Nguồn dữ liệu mô phỏng	Phần mềm Assetto Corsa	Mô phỏng vật lý xe thời gian thực, trích xuất dữ liệu hành trình hệ thống treo (Suspension Travel) dưới dạng tín hiệu analog
Phần mềm xử lý trung gian	Phần mềm Sim Feedback	Thu nhận dữ liệu qua cổng kết nối, áp dụng bộ lọc mượt (Smoothing) và điều chỉnh cường độ đáp ứng (Intensity)
Bộ điều khiển trung tâm	Bo mạch Arduino Leonardo R3	Nhận lệnh điều khiển từ máy tính qua cổng USB, chuyển đổi dữ liệu hành trình thành chuỗi xung điều khiển vị trí (Pulse/Direction)
Bộ khuếch đại công suất	Servo Driver (AC Drive)	Nhận xung điều khiển từ Arduino qua cổng DB25 (CN2), cấp nguồn 3 pha và điều khiển đóng cắt cuộn dây động cơ
Động cơ chấp hành	Động cơ AC Servo 90ST-M02430	Biến đổi năng lượng điện thành chuyển động quay chính xác cao với tín hiệu phản hồi vị trí từ Encoder qua cổng CN3
Cơ cấu truyền động cơ khí	Trục vít me bi & Thanh trượt	Biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến nâng/hạ dọc trục Oz trong khung nhôm định hình

Cấu hình chi tiết bộ chấp hành cơ khí

• Mỗi bộ chấp hành gồm động cơ AC Servo gắn đồng trục với trục vít me bi.
• Khung nhôm định hình chịu lực chứa con trượt và thanh đẩy tịnh tiến.
• Các chi tiết gá đặt, nắp đậy và đệm đỡ được gia công in 3D kết hợp hệ thống bu lông, đai ốc tiêu chuẩn nhằm đảm bảo độ cứng vững khi nâng tải trọng của giàn lái cùng người ngồi.

[ Assetto Corsa ] 
[ Sim Feedback ] (Bộ lọc Smoothing & Intensity)
[ Arduino Leonardo R3 ]
[ Động cơ AC Servo 90ST-M02430 ]

Thiết lập thông số điều khiển trên Servo Driver

Để đảm bảo chuyển động mượt mà và an toàn cho hệ thống, các tham số chính được cấu hình trên bộ điều khiển Servo Driver bao gồm:

1. Thiết lập giới hạn mô-men xoắn cực đại bên trong để bảo vệ cơ cấu cơ khí khi chịu tải đột ngột.
2. Giới hạn tốc độ quay tối đa của động cơ để tránh hiện tượng rung lắc quá mức.
3. Thiết lập tỉ lệ bánh răng điện tử (Electronic Gear Ratio) đồng bộ với bước ren trục vít me bi.
4. Kích hoạt chế độ giảm tốc đối với các lệnh vị trí (Position Command Acceleration/Deceleration Filtering).
5. Thiết lập thời gian phản hồi cho bộ lọc phản hồi trước (Feedforward Filter Time Constant).
6. Tinh chỉnh hệ số khuếch đại tín hiệu điều khiển vị trí đầu vào (Position Loop Gain).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu

• Trình bày tính cấp thiết của việc cải tiến cabin mô phỏng lái xe trong bối cảnh các quy định sát hạch lái xe mới bổ sung học phần mô phỏng.
• Phân tích những mặt hạn chế của các hệ thống mô phỏng truyền thống (thiếu độ rung, thiếu phản hồi lực và dao động của hệ thống treo).
• Xác định rõ 03 mục tiêu nghiên cứu, 04 nội dung thực hiện, đối tượng và phạm vi giới hạn của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

• Trình bày lý thuyết động lực học chuyển động ô tô trong không gian 3 chiều với 6 bậc tự do (Roll, Pitch, Yaw, Surge, Sway, Heave).
• Phân tích các nguồn lực tác dụng lên xe: lực thẳng đứng, lực dọc, lực ngang và các phản lực tiếp xúc mặt đường tại cầu chủ động.
• Thiết lập mô hình toán học cho dao động 1/2 xe và 1/4 hệ thống treo, chứng minh sự hình thành tải trọng động $k_đ$ và biến dạng đàn hồi của hệ thống treo.
• Phân tích 3 chế độ tải trọng đặc biệt tác dụng lên bán trục và dầm cầu.
• Đề xuất sơ đồ nguyên lý điều khiển chuyển động vòng lặp kín dựa trên thuật toán gợi ý chuyển động (Motion Cueing Algorithms).

Chương 3: Nghiên cứu, chế tạo mô hình giả lập hệ thống treo

• Lựa chọn và tính toán các thành phần phần cứng: Động cơ AC Servo 90ST-M02430, bộ Servo Driver, mạch Arduino Leonardo R3 và cơ cấu trục vít me bi.
• Sơ đồ đấu nối dây chi tiết giữa bo mạch Arduino và cổng DB25 (CN2) của Servo Driver, cùng sơ đồ thu nhận tín hiệu Encoder qua cổng CN3.
• Hướng dẫn thiết lập các thông số vận hành trên Driver (bánh răng điện tử, bộ lọc Feedforward, giới hạn mô-men xoắn).
• Thiết lập luồng truyền nhận dữ liệu giữa trò chơi Assetto Corsa và phần mềm Sim Feedback, cấu hình các tham số lọc làm mượt tín hiệu (Smoothing) và cường độ phản hồi (Intensity).
• Quy trình lắp ráp cơ khí hoàn thiện 04 bộ chấp hành lên giàn khung mô phỏng lái xe.

Chương 4: Thử nghiệm mô hình trên Assetto Corsa

• Thiết lập bài thử nghiệm thực tế với mẫu xe BMW M3 E46 trên đường đua ảo mô phỏng trong Assetto Corsa.
• Tiến hành đo đạc và ghi nhận chuyển vị của 04 bộ chấp hành trong 3 trường hợp vận hành:
  • Trường hợp xe tăng tốc đột ngột: Hai bộ chấp hành phía trước nâng lên, hai bộ chấp hành phía sau hạ xuống, tạo góc nghiêng lắc dọc (Pitch) ngửa về phía sau.
  • Trường hợp xe phanh gấp ở tốc độ cao: Hai bộ chấp hành phía trước hạ xuống, hai bộ chấp hành phía sau nâng lên, tạo góc nghiêng chúi về phía trước.
  • Trường hợp xe quay vòng (vào cua): Hai bộ chấp hành phía trong góc cua nâng lên, hai bộ chấp hành phía ngoài góc cua hạ xuống dưới tác dụng của lực ly tâm mô phỏng, tạo góc nghiêng lắc ngang (Roll).

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả thử nghiệm thực tế

Hệ thống mô phỏng 4 bậc tự do độc lập đã được chế tạo và thử nghiệm thành công, tái hiện chính xác các trạng thái động học theo đúng lý thuyết chuyển động ô tô:

Trường hợp vận hành	Trạng thái chuyển động của thân xe	Phản ứng của 04 bộ cơ cấu chấp hành
Xe tăng tốc đột ngột	Lắc dọc (Pitch) - Thân xe ngửa về phía sau	Cơ cấu trước (FL, FR) nâng lên; Cơ cấu sau (RL, RR) hạ xuống
Xe phanh gấp ở tốc độ cao	Lắc dọc (Pitch) - Thân xe chúi về phía trước	Cơ cấu trước (FL, FR) hạ xuống; Cơ cấu sau (RL, RR) nâng lên
Xe quay vòng sang phải	Lắc ngang (Roll) - Thân xe nghiêng sang bên trái	Cơ cấu bên phải (FR, RR) nâng lên; Cơ cấu bên trái (FL, RL) hạ xuống
Xe đi qua đường mấp mô	Tịnh tiến đứng (Heave) & Dao động nhún	04 cơ cấu nâng/hạ độc lập theo biên độ mấp mô mặt đường tại từng bánh xe

[ Trường hợp Tăng tốc ]        [ Trường hợp Phanh gấp ]        [ Trường hợp Rẽ phải ]
     FL/FR (Trước)                  FL/FR (Trước)                   FL/RL (Trái)
     RL/RR (Sau)                    RL/RR (Sau)                     FR/RR (Phải)

Đóng góp chính của đề tài

1. Về mặt kỹ thuật: Tích hợp thành công hệ thống điều khiển vị trí động cơ AC Servo thời gian thực với phần mềm mô phỏng vật lý Assetto Corsa thông qua mạch trung gian Arduino Leonardo R3 và Sim Feedback, loại bỏ độ trễ và hiện tượng giật cục trong chuyển động cơ khí.
2. Về mặt ứng dụng: Cung cấp một giải pháp phần cứng mô phỏng lái xe có khả năng tùy biến cao, giá thành thấp hơn nhiều so với các hệ thống cabin nhập khẩu chuyên dụng nhưng vẫn đảm bảo đầy đủ các phản hồi lực và dao động của hệ thống treo.
3. Về mặt đào tạo: Tạo ra công cụ trực quan phục vụ công tác giảng dạy thực hành các môn học chuyên ngành như Động lực học ô tô, Lý thuyết ô tô và Thiết kế hệ thống treo tại trường đại học.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Đề tài sử dụng khung giàn mô phỏng cơ khí sẵn có nên kích thước và khả năng chịu tải tổng thể bị giới hạn bởi kết cấu ban đầu.
• Dữ liệu chuyển động phụ thuộc hoàn toàn vào cổng trích xuất dữ liệu của phần mềm trò chơi Assetto Corsa và phần mềm trung gian Sim Feedback của cộng đồng nguồn mở, chưa tự xây dựng được phần mềm giải thuật động lực học độc lập.
• Mô hình mới chỉ tập trung mô phỏng 3 chuyển động chính (Roll, Pitch, Heave) thông qua 4 cơ cấu nâng hạ thẳng đứng, chưa mô phỏng được chuyển động xoay ngang (Yaw) hoặc trượt dọc thuần túy (Surge/Sway) trên mặt phẳng ngang.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Nghiên cứu tự xây dựng phần mềm điều khiển chuyên dụng để đọc và xử lý trực tiếp dữ liệu từ các phần mềm mô phỏng kỹ thuật chuyên sâu (như CarSim, MATLAB/Simulink).
• Nâng cấp cơ cấu cơ khí lên 6 bậc tự do hoàn chỉnh (nền tảng Stewart Platform) để tái hiện đồng thời cả 6 trạng thái chuyển động trong không gian.
• Nghiên cứu tích hợp hệ thống phản hồi lực chủ động trên ghế ngồi thông minh và vô lăng Direct Drive đồng bộ với dao động của hệ thống treo.

---

Giá trị tham khảo

• Đối với sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô và Cơ điện tử: Đồ án là tài liệu tham khảo thực tế về phương pháp tích hợp hệ thống cơ điện tử (động cơ servo, driver, Arduino) vào bài toán động lực học ô tô, đặc biệt là cách tính toán và phân tích dao động hệ thống treo 1/4 và 1/2 xe.
• Đối với các nhóm nghiên cứu và phát triển thiết bị đào tạo lái xe: Cung cấp tài liệu thiết kế cơ khí (bản vẽ trục vít me bi, chi tiết in 3D), sơ đồ nối dây điều khiển cổng DB25 (CN2), cổng CN3 và quy trình cài đặt tham số Driver cho hệ thống mô phỏng chuyển động song song.
• Các phần đáng tham khảo nhất trong đồ án:
  • Sơ đồ nguyên lý điều khiển vòng lặp kín và quy trình cấu hình các thông số nội tại của Servo Driver tại Chương 2 và Chương 3.
  • Quy trình kết nối và xử lý dữ liệu hành trình hệ thống treo (Suspension Travel) giữa Assetto Corsa, Sim Feedback và Arduino.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống mô phỏng trong đồ án sử dụng bao nhiêu cơ cấu chấp hành và được bố trí như thế nào?

Hệ thống sử dụng 04 bộ cơ cấu chấp hành chuyển động tuyến tính độc lập, được bố trí tại 4 góc của giàn khung mô phỏng tương ứng với 4 vị trí bánh xe của ô tô: bánh trước bên phải (FR), bánh trước bên trái (FL), bánh sau bên trái (RL) và bánh sau bên phải (RR). Mỗi bộ gồm một động cơ AC Servo kết nối trực tiếp với trục vít me bi để nâng/hạ khung giàn theo phương thẳng đứng.

2. Loại động cơ servo và vi điều khiển nào được lựa chọn trong đề tài?

Đề tài sử dụng động cơ AC Servo model 90ST-M02430 đi kèm bộ khuếch đại tín hiệu (Servo Driver) tương thích. Mạch điều khiển trung tâm sử dụng bo mạch Arduino Leonardo R3, đảm nhiệm việc nhận dữ liệu từ máy tính qua cổng USB và xuất các xung điều khiển vị trí (Pulse/DIR) đến cổng giao tiếp DB25 (CN2) của Servo Driver.

3. Dữ liệu động lực học từ phần mềm Assetto Corsa được truyền tới động cơ servo theo quy trình nào?

Quy trình truyền tín hiệu diễn ra qua 4 bước:

1. Game Assetto Corsa tính toán vật lý xe và xuất dữ liệu hành trình hệ thống treo (Suspension Travel) của từng bánh xe dưới dạng tín hiệu analog.
2. Phần mềm Sim Feedback tiếp nhận dữ liệu từ game qua cổng USB, thực hiện lọc mượt tín hiệu (Smoothing) và điều chỉnh cường độ (Intensity).
3. Sim Feedback gửi dữ liệu đã xử lý sang bo mạch Arduino Leonardo R3 để tính toán và chuyển đổi thành tín hiệu xung điều khiển vị trí lưu vào bộ đệm.
4. Tín hiệu xung được gửi từ Arduino sang bộ Servo Driver (cổng CN2) để điều khiển tốc độ, vị trí và chiều quay của 4 động cơ servo nâng hạ trục vít me bi.

4. Mẫu xe nào được dùng trong thử nghiệm và phản ứng cơ học của mô hình diễn ra như thế nào?

Mẫu xe được sử dụng trong bài thử nghiệm thực tế là BMW M3 E46 chạy trên đường đua ảo của phần mềm Assetto Corsa. Kết quả ghi nhận:

• Khi tăng tốc: Hai cơ cấu trước nâng lên, hai cơ cấu sau hạ xuống (thân xe ngửa về sau - Pitch).
• Khi phanh gấp: Hai cơ cấu trước hạ xuống, hai cơ cấu sau nâng lên (thân xe chúi về trước - Pitch).
• Khi quay vòng sang phải: Hai cơ cấu bên phải nâng lên, hai cơ cấu bên trái hạ xuống (thân xe nghiêng sang trái - Roll).

5. Vai trò của hai tham số "Smoothing" và "Intensity" trong phần mềm Sim Feedback là gì?

• Smoothing (Làm mượt): Có vai trò làm mịn các biến thiên dữ liệu thô nhận từ game, loại bỏ các xung nhiễu đột ngột giúp bộ chấp hành không bị rung giật cơ học quá mức.
• Intensity (Cường độ): Dùng để điều chỉnh biên độ và tốc độ phản ứng của bộ chấp hành, giúp người dùng tùy biến mức độ nhạy của phản hồi dao động sao cho phù hợp với cảm giác lái thực tế.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế mô hình mô phỏng lái xe có tính thích nghi theo dao động của hệ thống treo" của nhóm tác giả Trần Hồng Đức và Lê Ngọc Hải (Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã giải quyết thành công bài toán tích hợp hệ thống chuyển động 4 bậc tự do vào giàn cabin mô phỏng lái xe. Thông qua việc kết hợp động cơ AC Servo 90ST-M02430, trục vít me bi, vi điều khiển Arduino Leonardo R3 và phần mềm Assetto Corsa cùng Sim Feedback, mô hình đã tái hiện chính xác các trạng thái động học lắc dọc, lắc ngang và dao động nhún theo thời gian thực. Đề tài mở ra hướng tiếp cận hiệu quả, chi phí hợp lý trong việc phát triển các thiết bị đào tạo lái xe và công cụ nghiên cứu động lực học ô tô tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Những năm gần đây quy định về việc học, thi giấy phép lái xe ô tô thay đổi theo hướng quản lý chặt hơn, đặc biệt là bổ sung thêm phần học lái xe trên Cabin mô phỏng. Cabin mô phỏng được sử dụng để luyện tập các tình huống giao thông, tạo môi trường an toàn mà không có áp lực giao thông từ thực tế từ đó giảm thiểu căng thẳng và dễ dàng làm quen với các thao tác điều khiển xe. Tuy nhiên, các Cabin mô phỏng hiện tại còn khá hạn chế khi chưa tạo ra những cảm giác chân thực khi lái xe, chẳng hạn như độ rung của xe, lực phản hồi từ vô lăng, ghế ngồi. Việc cải tiến và hoàn thiện các mô hình giả lập lái xe mang lại rất nhiều lợi ích.

Một mô hình giả lập lái xe tốt cho phép thực hành và rèn luyện kỹ năng lái xe mà không cần đến môi trường thực tế, từ đó giảm thiểu những rủi ro tai nạn, thương tích, đặc biệt khi thực hiện các kỹ năng lái xe chuyên nghiệp. Sử dụng có hiệu quả các mô hình giả lập lái xe cũng giúp tiết kiệm chi phí đáng kể so với việc sử dụng xe thật (chi phí nhiên liệu, bảo dưỡng, sửa chữa…) và cũng góp phần bảo vệ môi trường (giảm phát thải, tiêu tốn tài nguyên). Không những tái tạo lại những cảm giác thực khi lái xe, một hệ thống mô phỏng tốt cũng cho phép mô phỏng lại các thông số hoạt động của động cơ, hộp số, hệ thống treo… từ đó xác định các dao động của xe khi có tải trọng từ mặt đường tác dụng lên các hệ thống trên làm ảnh hưởng đến chuyển động của xe và được theo dõi dưới dạng các thông số, biểu đồ. Việc tận dụng hiệu quả mô phỏng có thể giúp sinh viên chuyên ngành ô tô dễ dàng tiếp cận, giải thích các nguyên lý vật lý, tính năng kỹ thuật của xe một cách trực quan, thú vị.

Tận dụng những lợi ích đó, các nhà sản xuất xe cũng dễ dàng trong việc giả lập, thử nghiệm đánh giá hiệu suất và cải tiến trước khi đưa ra sản xuất mà vẫn giữ an toàn và hiệu quả. Ngoài ra, mô hình giả lập cũng cung cấp những trải nghiệm giải trí độc đáo và chân thật cho người chơi đam mê lái xe mà vẫn nhanh chóng, an toàn và tiết kiệm chi phí rất nhiều so với đua xe thực tế. 1 Giá trị mang lại của một mô hình lái xe mô phỏng khá lớn và mang tính ứng dụng cao. Nhận thấy rằng các mô hình mô phỏng lái xe phổ biến hiện nay chủ yếu chỉ cung cấp trải nghiệm thao tác lái xe mà thiếu đi các phản hồi của xe lên người lái như lực phản hồi đánh lái, dao động và dịch chuyển của hệ thống treo.

Ngoài ra, các phần mềm mô phỏng lái xe phổ biến hiện nay ít có khả năng tùy biến cao như thay đổi các thuộc tính của xe, môi trường và các tiện ích phục vụ theo dõi và nghiên cứu trực quan về các dữ liệu hoạt động của xe. Với mục tiêu góp phần phát triển và hoàn thiện hơn các mô hình mô phỏng lái xe, nhóm sinh viên chúng em quyết định lựa chọn và nghiên cứu đề tài: ‘‘Nghiên cứu, thiết kế mô hình mô phỏng lái xe có tính thích nghi với dao động của hệ thống treo”.2 Mục tiêu của đề tài - Hiểu được một số yếu tố (các lực, phản lực lên cầu xe và hệ thống treo) ảnh hưởng đến chuyển động của xe trong các trường hợp thực tế (tăng/ giảm tốc, quay vòng, điều kiện mặt đường thay đổi). - Chế tạo được mô hình giả lập được các trạng thái chuyển động của ô tô. - Đánh giá được hiệu quả mô phỏng lại các trạng thái chuyển động của xe trong các trường hợp trên.3 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết động lực học chuyển động của ô tô và hệ thống treo.

- Phân tích các lực, phản lực từ mặt đường tác động lên cầu xe, hệ thống treo ảnh hưởng đến chuyển động của ô tô. - Các công trình nghiên cứu, phương pháp mô phỏng và điều khiển các mô hình giả lập lái xe. - Các thành phần cấu tạo, nguyên lý hoạt động và điều khiển cơ bản của động cơ servo.4 Đối tượng nghiên cứu - Mô hình giả lập lái xe bao gồm hệ thống giả lập lái xe và hệ thống tái tạo chuyển động của hệ thống treo tích hợp từ các thành phần cơ khí (trục vít bi, động cơ servo, bộ khuếch đại điện tử), mạch điều khiển điện tử (Arduino). - Các phần mềm giả lập lái xe và các phần mềm đọc và vẽ biểu đồ từ các thông số hoạt động của xe mô phỏng.5 Phương pháp nghiên cứu đề tài - Tham khảo các tài liệu, giáo trình, đề tài nghiên cứu khoa học.

- Tham khảo, tra cứu thông tin từ các nguồn hướng dẫn xây dựng mô hình giả lập lái xe. - Sử dụng các phần mềm mô phỏng lái xe - Thực nghiệm - Phân tích, đánh giá biểu đồ 1.6 Giới hạn đề tài Đề tài kế thừa các thiết kế và phần mềm hỗ trợ được chia sẻ bởi các cộng đồng nghiên cứu phát triển mô hình giả lập lái xe. Đề tài không đi sâu vào nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến dao động của xe mà chỉ tìm hiểu các lý thuyết cơ bản để giải thích cho các hiện tượng dao động của xe liên quan đến hệ thống treo. Đề tài không nghiên cứu và phát triển mà chỉ sử dụng các phần mềm mô phỏng lái xe và các phần mềm hỗ trợ đọc dữ liệu có sẵn làm công cụ thực hiện mô hình.

Đề tài chỉ nghiên cứu, nâng cấp bộ mô phỏng hệ thống treo cho mô phỏng lái xe với giàn mô phỏng lái xe đã có sẵn.7 Kết quả dự kiến - Chế tạo bộ mô phỏng giả lập hệ thống treo hoạt động giống với những chuyển động của xe khi bị các lực tác dụng trong thực tế. - Đánh giá khả năng vận hành của bộ giả lập mô phỏng giả lập hệ thống treo thông qua các thử nghiệm xe vận hành. 3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Động lực học chuyển động của xe Động lực học chuyển động của xe (vehicle dynamics) nghiên cứu về cách thức các lực tác động và tạo ra chuyển động cho xe bao gồm việc nghiên cứu các lực và mô men tác động lên xe, cũng như cách mà các thành phần của xe phản ứng và tương tác với nhau trong quá trình di chuyển. Về cơ bản, có thể xem ô tô là một hệ thống cơ học biến dạng.

Nếu gắn vào thân xe một hệ tọa độ đi qua trọng tâm của ô tô, chúng ta có thể biểu thị biến dạng của các phần tử đàn hồi, giảm chấn, bánh xe, khâu khớp đòn giằng, khung vỏ… Với biến dạng đó có thể coi ô tô đặt trên một cơ hệ đàn hồi chuyển động trong hệ tọa độ cố định. Các dịch chuyển của ô tô theo các trục tọa độ gây nên các chuyển vị dọc theo 3 trục và quay quanh 3 trục. Như vậy có thể coi trong tọa độ không gian 3 chiều, chuyển động của trọng tâm ô tô được xem xét bởi 6 chuyển vị. Tùy vào mục đích khảo sát mà có thể xem xét các chuyển vị này là đồng thời hay độc lập.

Việc quan sát quỹ đạo chuyển động của xe có thể được theo dõi sự chuyển vị của xe theo tọa độ mặt đường cố định (Ox, Oy, Oz) biểu diễn bằng tọa độ xo yo và góc quay thân xe E. Mô hình cơ học ô tô. [3] 4 Để mô phỏng lại các trạng thái chuyển động của tô, trước tiên chúng ta cần nghiên cứu về chuyển động của ô tô. Vấn đề nghiên cứu quỹ đạo chuyển động được nghiên cứu trong không gian ba chiều bằng cách xem xét các điều kiện không gian.

Đối với ô tô, có thể xem xét quỹ đạo của ô tô trong mặt phẳng của đường (tọa độ 2 chiều) đồng thời cũng cần xem xét kể đến ảnh hưởng của dịch chuyển tải trọng trong không gian 3 chiều, từ đó đưa ra được cơ sở động học của hệ thống mô phỏng chuyển động. Các lực tác dụng lên xe trong quá trình chuyển động. [16] Ứng với các mặt phẳng vuông góc với nhau đi qua trọng tâm S của xe, ta có thể phân tích các lực tác dụng lên xe theo như sau: • Các lực theo trục thẳng đứng (vertical): tải trọng tại bánh xe, các lực gây ra bởi mặt đường không bằng phẳng. • Các lực theo trục ngang (transverse): lực ly tâm (centrifugal force, xuất hiện khi đánh lái), lực gió, lực bám ngang (lateral force).

• Các lực theo trục dọc (longitudinal): lực kéo (traction force), lực phanh (brake force), lực ma sát (friction force). Khi xe chuyển động thẳng đều trên đường phẳng và không có lực ngoại tác động, khi đó một hoặc một số lực tác động lên xe 5 cùng một lúc với tổng hợp lực không bằng 0, xe sẽ chuyển động thẳng đều với gia tốc bằng 0 theo hướng của tổ hợp các lực này và không có hiện tượng đặc biệt nào xảy ra. Tuy nhiên, khi một hoặc một vài trong các lực kể trên cùng lúc tác dụng lên xe với hợp lực khác 0, xe cũng bắt đầu chuyển động với gia tốc khác 0. Cụ thể, gia tốc a < 0 khi giảm tốc hoặc phanh và gia tốc a > 0 khi tăng tốc theo một hướng nhất định.

Gia tốc này sẽ xảy ra theo hướng và độ lớn của chúng phụ thuộc vào độ lớn các lực tác động cụ thể và mối quan hệ của chúng với nhau, qua đó làm thay đổi vận tốc và hướng di chuyển của xe. Chiếu các chuyển động này lên ba trục đi qua trọng tâm xe, ta thu được các dạng chuyển động sau của xe trong các trường hợp bao gồm sáu bậc tự do và cũng là tổng số cách mà một vật có thể di chuyển trong không gian ba chiều. Các chuyển động này bao gồm ba chuyển động quay và ba chuyển động tuyến tính. Các chuyển động trên được xác định theo hai trục ngang và một trục dọc (được ký hiệu là X, Y và Z).

Cả ba trục giao nhau theo kiểu vuông góc với nhau tại một điểm gọi là trọng tâm của vật thể đang chuyển động. Các trạng thái chuyển động của xe trong không gian.[15] Các chuyển động quay bao gồm: • Lắc ngang (Roll): Là chuyển động của ô tô xoay quanh trục dọc đi qua tâm của xe, tạo ra sự nghiêng sang một bên trái/phải. Chẳng hạn như khi xe vào cua, sự nghiêng trái/phải của thân xe là kết quả của lực ly tâm tác dụng lên trọng tâm của xe.