Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng hệ thống phanh" do nghiên cứu sinh Đào Huy Hải thực hiện tại Trường Đại học Giao thông vận tải, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Tuấn Anh và TS. Đặng Việt Hà, thuộc ngành Kỹ thuật cơ khí động lực (mã số đào tạo trình độ tiến sĩ 9.52.01.16), hoàn thành vào tháng 06 năm 2023.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong giao thông đường bộ, an toàn chuyển động của ô tô là tiêu chí quan trọng hàng đầu. Khi ô tô di chuyển ở vận tốc cao hoặc trên các điều kiện đường sá phức tạp, nhiều tình huống bất ngờ có thể xảy ra khiến người lái mất khả năng kiểm soát hướng, dẫn đến các vụ tai nạn mất ổn định quỹ đạo chuyển động (mất lái hay run-off-road). Theo thống kê của Cơ quan Quản lý Đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ (FHWA), khoảng 70% tổng số vụ tai nạn giao thông dẫn đến tử vong có nguyên nhân xuất phát từ sự cố mất lái, trong đó các vụ tai nạn mất lái do một phương tiện tự gây ra chiếm trên 40%. Thiệt hại kinh tế xã hội ước tính tại Hoa Kỳ lên tới 110 tỷ USD mỗi năm, làm tử vong khoảng 15.000 người và bị thương 1.000 người khác. Báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO, 2021) cũng ghi nhận hàng năm toàn cầu có khoảng 1,3 triệu người thiệt mạng do tai nạn giao thông, trong đó tỷ lệ tử vong do phương tiện mất lái chiếm hơn 35%.

Tại Việt Nam, sự gia tăng nhanh chóng của mật độ phương tiện giao thông đặt áp lực lớn lên hạ tầng đường bộ, khiến nguy cơ mất an toàn giao thông luôn ở mức cao. Ngành công nghiệp ô tô trong nước đang từng bước nội địa hóa và nâng cao năng lực làm chủ công nghệ. Việc ứng dụng các hệ thống an toàn chủ động như hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS), hệ thống kiểm soát lực kéo (TRC), và hệ thống cân bằng điện tử (ESP/ESC) đóng vai trò then chốt trong việc giảm thiểu tai nạn. Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước trước đây chủ yếu tập trung vào hệ thống ABS đơn lẻ hoặc can thiệp góc lái chủ động (AFS), thiếu vắng một nghiên cứu toàn diện từ việc mô hình hóa chi tiết động lực học dòng chảy thủy lực của bộ chấp hành phanh đến thiết kế bộ điều khiển cân bằng điện tử ESP và thử nghiệm trên mô hình bán thực nghiệm phần cứng trong vòng lặp (HILS). Luận án này được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống kỹ thuật đó.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là: Trên cơ sở bộ chấp hành ABS dẫn động thủy lực trên ô tô du lịch, xây dựng mô hình động lực học hệ thống phanh và mô hình động lực học tổng quát của ô tô; thiết kế và chế tạo bộ điều khiển ABS-ESP cho phép điều khiển bộ chấp hành ABS tạo lực phanh độc lập ở các bánh xe nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô trong các điều kiện khai thác khác nhau.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực trên xe ô tô du lịch LEXUS GX 470 - 2003.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Nghiên cứu giải pháp ổn định quỹ đạo chuyển động cho ô tô du lịch.
    • Khảo sát chế độ hệ thống tự động điều khiển lực phanh ESP hoạt động độc lập khi ô tô chuyển động quay vòng đều ở trạng thái quay vòng thừa, quay vòng thiếu và chuyển làn kép (double lane change theo tiêu chuẩn ISO 3888-2:2011) ở dải vận tốc 60 km/h.
    • Nghiên cứu thực nghiệm dựa trên mô hình mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (Hardware-in-the-loop Simulation - HILS).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ba nhóm nội dung chính:

Các hướng nghiên cứu quốc tế

  1. Mô hình động lực học ô tô và tương tác lốp - đường: Rajesh Rajamani [7] trình bày tổng quan về hệ thống điều khiển ô tô (Cruise Control, ABS, giữ làn đường, kiểm soát độ ổn định chệch hướng) và phương pháp xây dựng mô hình động lực học kết hợp mô hình lốp. Joop Pauwelussen [12] phân tích cơ sở toán học của động lực học ô tô từ tuyến tính đến phi tuyến, nhấn mạnh vai trò tiếp xúc lốp - mặt đường. H. B. Pacejka [13] phát triển mô hình lốp Magic Formula với 10 đến 20 hệ số thực nghiệm để tính toán chính xác lực dọc, lực bên và mô men tự lựa.
  2. Nghiên cứu động lực học và thuật toán điều khiển hệ thống phanh:
    • Zhang và cộng sự [14] nghiên cứu quan hệ tuyến tính giữa độ chênh áp giới hạn và dòng điện qua cuộn dây của van điện từ ON/OFF điều khiển bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).
    • Jian-wei và cộng sự [17] phân tích nguyên lý làm việc của bộ điều khiển thủy lực ABS (HCU), thiết lập mô hình toán học của van điện từ, mô tơ, bơm dầu trong môi trường MATLAB - Simulink.
    • Van Zanten và cộng sự [18] chứng minh hệ thống ESP cải thiện ổn định chuyển động thông qua việc kiểm soát góc trượt và mô men xoay thân xe bằng lực phanh độc lập từng bánh.
    • Rengaraj và cộng sự [19] phối hợp mô phỏng giữa Matlab-Simulink và phần mềm SimCar.
    • M. Oudghiri và cộng sự [20] đề xuất giải pháp điều khiển trượt bền vững kết hợp logic mờ cho ABS.
    • Hyeongcheol Lee và Masayoshi Tomizuka (1995) [21] nghiên cứu điều khiển bám thích nghi (Adaptive Traction Control); Morton (2004) phát triển bộ điều khiển PID-Fuzzy tính toán mô men xoay thân xe bổ sung.
    • Aksjonov và cộng sự [23] ứng dụng thuật toán Fuzzy cho hệ thống ABS-ESP trên dòng xe SUV; Cem Unsal và Pushkin Kachroo [24] nghiên cứu bộ điều khiển trượt phi tuyến kết hợp bộ lọc Kalman; Ming Chin Wu và Ming Chang Shih [25] kết hợp PWM và điều khiển trượt trên băng thử nghiệm.
  3. Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình HILS: Cho và cộng sự [26] phát triển mô hình HILS cho ABS/ASR 14 bậc tự do; D’alessandro và cộng sự [27] xây dựng bàn thử HILS cho ABS/ESP giao tiếp trực tiếp và qua mạng CAN; Aksjonov và cộng sự [28] thử nghiệm HILS phanh điện thủy lực; Sun và cộng sự [29] sử dụng hệ thống Labcar của ETAS và máy tính thời gian thực RTPC để khảo sát độ trễ phản hồi trong mạch thủy lực.

Các hướng nghiên cứu trong nước

  • Nguyễn Khắc Trai (1997) [6] khảo sát mô hình điều khiển "xe – môi trường – người lái", phân tích động lực học quay vòng, biến dạng lốp và ảnh hưởng của gió ngang.
  • Nguyễn Tuấn Anh [30-32, 34] nghiên cứu mô hình động lực học tổng quát hai vết trong không gian có thanh ổn định ngang và đề xuất thuật toán Fuzzy logic kết hợp điều khiển hệ thống lái với hệ thống phanh khi chuyển làn khẩn cấp.
  • Vũ Văn Tấn và cộng sự [33] phát triển bộ điều khiển bền vững chống lật cho ô tô tải dựa trên hệ số chuyển tải bên.
  • Nguyễn Anh Tuấn [35] nghiên cứu hệ thống lái chủ động AFS kết hợp Fuzzy logic và thử nghiệm HIL.
  • Hồ Hữu Hùng [36] khảo sát ABS khí nén theo ngưỡng gia tốc góc bánh xe; Nguyễn Sỹ Đỉnh [37] nghiên cứu tính toán động lực học dẫn động phanh thủy lực đàn hồi trên xe UAZ-31512; Lại Năng Vũ [38] nghiên cứu mô phỏng quỹ đạo phanh của ô tô có ABS.

Vị trí và khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình công bố của các hãng sản xuất ô tô quốc tế thường mang tính thương mại hoặc bảo mật cấu trúc thuật toán chi tiết. Trong nước, các nghiên cứu trước đây chưa đi sâu mô tả toán học đầy đủ các phần tử thủy lực phi tuyến (xilanh chính, buồng tích năng, bơm dầu cam lệch tâm, van điện từ PWM) tích hợp đồng thời với mô hình không gian của thân xe và thuật toán tối ưu tham số bộ điều khiển. Luận án của Đào Huy Hải tập trung lấp đầy khoảng trống này bằng cách xây dựng mô hình toán học chi tiết hệ thủy lực ABS, thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu bằng thuật toán bầy đàn (PSO) và chế tạo bàn thử bán thực nghiệm HILS trên cụm chấp hành xe LEXUS GX 470 - 2003.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết động lực học và điều khiển

  1. Lý thuyết ổn định chuyển động ô tô:

    • Quan hệ động học quay vòng: Khi ô tô quay vòng với bán kính $R_0$ ở tốc độ thấp, bán kính lý thuyết được tính theo chiều dài cơ sở $L$ và góc quay trung bình bánh dẫn hướng $\delta_0$: $$R_0 \approx \frac{L}{\delta_0}$$
    • Khi quay vòng ở tốc độ cao, do phản lực ngang $F_{yf}, F_{yr}$ làm lốp biến dạng dưới các góc lệch bên $\alpha_f \approx \frac{F_{yf}}{C_{\alpha f}}$ và $\alpha_r \approx \frac{F_{yr}}{C_{\alpha r}}$, bán kính quay vòng thực tế $R$ phụ thuộc vào hiệu số $(\alpha_f - \alpha_r)$: $$R = \frac{L}{\delta_0 - (\alpha_f - \alpha_r)}$$
    • Hệ số quay vòng của ô tô $K_S$: $$K_S = \frac{m}{L}\left(\frac{L_r}{C_{\alpha f}} - \frac{L_f}{C_{\alpha r}}\right)$$
    • Tốc độ góc quay thân xe lý thuyết $\dot{\psi}^$: $$\dot{\psi}^ = \frac{v \delta_0}{L + K_S v^2} = \frac{v \delta_0}{L + \frac{m v^2}{L}\left(\frac{L_r}{C_{\alpha f}} - \frac{L_f}{C_{\alpha r}}\right)}$$
    • Trạng thái quay vòng được xác định dựa trên sai lệch $e = \dot{\psi}^* - \dot{\psi}$:
      • $\dot{\psi}^* = \dot{\psi}$ ($e = 0$): Quay vòng đúng (Neutral steering).
      • $\dot{\psi}^* < \dot{\psi}$ ($e < 0$): Quay vòng thừa (Over steering), xe có xu hướng thừa lái, văng đuôi.
      • $\dot{\psi}^* > \dot{\psi}$ ($e > 0$): Quay vòng thiếu (Under steering), xe có xu hướng thiếu lái, trượt đầu.

  2. Cơ sở động lực học dòng chảy thủy lực và phần tử chấp hành:

    • Dòng chảy qua van tiết lưu tăng áp và giảm áp tuân theo phương trình Bec-nu-li: $$Q_{Inj} = c_{qInj} A_{Inj} \sqrt{\frac{2}{\rho}|p_i - p_{bj}|}\operatorname{sign}(p_i - p_{bj})$$ $$Q_{Outj} = c_{qOutj} A_{Outj} \sqrt{\frac{2}{\rho}|p_{bj} - p_a|}\operatorname{sign}(p_{bj} - p_a)$$
    • Hệ số lưu lượng $c_{qIn/Outj}$ phụ thuộc sụt áp và hệ số sức cản dòng chảy $\lambda_{In/Outj}$: $$c_{qIn/Outj} = c_{q\max}\tanh\left(2\frac{\lambda_{In/Outj}}{\lambda_{cr}}\right), \quad \lambda_{In/Outj} = \frac{h_d}{v_t}\sqrt{\frac{2}{\rho}\Delta p_{In/Outj}}$$
    • Biến thiên áp suất dầu trong xilanh bánh xe: $$\frac{dp_{bj}}{dt} = \frac{\beta_j}{V_j}\left(\pm Q_{In/Outj} - \frac{dV_j}{dt}\right)$$ với mô đun đàn hồi thể tích của dầu có chứa bọt khí $\beta_j$: $$\beta_j = \beta_n \frac{1 + \alpha\left(\frac{p_{atm}}{p_{atm} + p_{bj}}\right)^{1/n}}{1 + \alpha \frac{\beta_n}{n p_{atm}}\left(\frac{p_{atm}}{p_{atm} + p_{bj}}\right)^{(n+1)/n}}$$

  3. Thuật toán điều khiển PID và tối ưu hóa bầy đàn (PSO):

    • Bộ điều khiển PID tính toán tín hiệu điều khiển điện áp gửi đến các van điện từ và bơm dầu dựa trên sai lệch tốc độ góc quay thân xe $e(t) = \dot{\psi}^*(t) - \dot{\psi}(t)$: $$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(\tau)d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}$$
    • Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) được ứng dụng để tìm kiếm tự động bộ ba tham số tối ưu $K_p, K_i, K_d$ nhằm cực tiểu hóa hàm mục tiêu sai số tích phân theo thời gian.

Bảng tổng hợp các thông số và ký hiệu chính trong mô hình

Ký hiệu Tên gọi thông số Đơn vị
$m, m_s$ Khối lượng toàn bộ ô tô và khối lượng thân xe $\text{kg}$
$L, L_f, L_r$ Chiều dài cơ sở, khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước và cầu sau $\text{m}$
$T_f, T_r$ Khoảng cách vết bánh xe cầu trước và cầu sau $\text{m}$
$C_{\alpha f}, C_{\alpha r}$ Độ cứng bên của bánh xe cầu trước và cầu sau $\text{N/rad}$
$J_y, J_m$ Mô men quán tính khối lượng theo phương ngang và của động cơ điện $\text{kg}\cdot\text{m}^2$
$K_S$ Hệ số quay vòng của ô tô $\text{rad}/(\text{m/s}^2)$
$\delta_0$ Góc quay trung bình của các bánh xe dẫn hướng $\text{rad}$
$\dot{\psi}^*, \dot{\psi}$ Tốc độ góc quay thân xe lý thuyết và thực tế $\text{rad/s}$
$e$ Sai lệch tốc độ góc quay thân xe ($e = \dot{\psi}^* - \dot{\psi}$) $\text{rad/s}$
$p_i, p_{bj}, p_a$ Áp suất buồng xilanh chính thứ $i$, xilanh bánh xe thứ $j$, và bộ tích năng $\text{bar}$
$A_{Inj}, A_{Outj}$ Diện tích tiết diện lưu thông của van tăng áp và van giảm áp $\text{m}^2$
$S, S_p, S_a$ Diện tích làm việc của xilanh chính, piston bơm và bộ tích năng $\text{m}^2$
$\rho, v_t$ Khối lượng riêng và độ nhớt động học của dầu thủy lực $\text{kg/m}^3, \text{kg/(m}\cdot\text{s)}$
$\beta_j, \beta_n$ Mô đun đàn hồi của dầu thủy lực thực tế và dầu nguyên chất $\text{N/m}^2$
$e_t, \omega$ Độ lệch tâm cam dẫn động và tốc độ góc quay trục bơm thủy lực $\text{m}, \text{rad/s}$
$U_m, I_m, R_m, L_m$ Điện áp, dòng điện, điện trở và điện cảm động cơ bơm $\text{V}, \text{A}, \Omega, \text{H}$
$m_{vj}, x_{vj}$ Khối lượng và hành trình dịch chuyển của lõi van điện từ thứ $j$ $\text{kg}, \text{m}$

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp phương pháp mô phỏng số và phương pháp bán thực nghiệm:

  • Phương pháp mô phỏng: Thiết lập toàn bộ hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống phanh ABS và động lực học chuyển động ô tô trong môi trường MATLAB - Simulink. Khảo sát các chế độ chuyển động: quay vòng thiếu, quay vòng thừa và chuyển làn kép ở vận tốc 60 km/h.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo bàn thử HILS kết nối cụm chấp hành thủy lực thực tế của xe LEXUS GX 470 - 2003 với bộ điều khiển ABS-ESP tự chế tạo.
  • Dụng cụ và trang thiết bị đo lường:
    • Cảm biến áp suất: Keller model PA-21Y dải đo 0 - 250 bar (sản xuất tại Thụy Sĩ).
    • Cảm biến đo góc quay vô lăng: Encoder Omron mã hiệu E6B2-CWZ6C (Nhật Bản).
    • Cảm biến siêu âm đo hành trình dịch chuyển của piston xilanh chính.
    • Vi điều khiển trung tâm và khối chuyển đổi điện áp, mạch kích van công suất cao, giao tiếp máy tính thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở khoa học về an toàn chuyển động và các nguyên nhân gây mất ổn định hướng chuyển động của ô tô, bao gồm:

  • Hiện tượng mất ổn định khi quay vòng: Phân tích ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi bên của lốp dẫn tới sự khác biệt giữa bán kính quay vòng thực tế $R$ và bán kính lý thuyết $R_0$.
  • Hiện tượng mất ổn định do gió ngang: Khi lực gió ngang $F_w$ tác dụng, tùy thuộc vào độ cứng bên và góc lệch bên $\alpha_f, \alpha_r$ mà lực quán tính ly tâm $F_{lt}$ có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với lực gió, làm gia tăng hoặc suy giảm tính ổn định hướng của xe.
  • Hiện tượng mất ổn định khi phanh: Sự sai lệch lực phanh giữa bánh xe bên trái và bên phải sinh ra mô men xoay thân xe $M_z$ quanh trục đứng đi qua trọng tâm. Hiện tượng bó cứng bánh xe không đồng thời giữa các cầu dẫn đến sự mất khả năng bám ngang: nếu cầu trước bó cứng trước ($F_{xf\max} \ge F_\phi$), mô men phản lực ngang $M_{zy}$ ngược chiều với $M_z$ giúp ổn định xe; nếu cầu sau bó cứng trước ($F_{xr\max} \ge F_\phi$), mô men $M_{zy}$ cùng chiều với $M_z$ làm tăng hiện tượng quay vòng xe.
  • Tổng quan các giải pháp kỹ thuật: So sánh nguyên lý hệ thống lái chủ động AFS (chỉ hiệu quả trong vùng lốp làm việc tuyến tính) và hệ thống cân bằng điện tử ESP (hoạt động hiệu quả ở cả vùng đặc tính lốp phi tuyến nhờ tạo lực phanh độc lập tại từng bánh xe).
  • Chương này cũng xác định rõ mục tiêu, đối tượng, phương pháp và khung nội dung nghiên cứu của toàn bộ luận án.

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực

Chương 2 tập trung xây dựng mô hình toán học và mô phỏng chi tiết các phần tử cấu thành bộ chấp hành phanh ABS 4 kênh độc lập của xe LEXUS GX 470 - 2003:

  1. Động lực học xilanh phanh chính hai buồng (tandem): Được mô hình hóa thành hệ cơ học 2 bậc tự do chuyển vị của 2 piston $x_1$ và $x_2$: $$m_2 \ddot{x}2 + F{f2}\operatorname{sign}\dot{x}_2 - b_1(\dot{x}_1 - \dot{x}_2) + b_2 \dot{x}_2 - k_1(x_1 - x_2) + k_2 x_2 = (p_1 - p_2)S$$
  2. Động lực học dòng chảy thủy lực: Xây dựng phương trình cân bằng lưu lượng tại các nút nối giữa buồng xilanh chính và 4 cụm van bánh xe: $$Q_1 = Q_{In3} + Q_{In4} - Q_{p1}, \quad Q_2 = Q_{In1} + Q_{In2} - Q_{p2}, \quad Q_p = Q_{p1} + Q_{p2}$$
  3. Động lực học bơm thủy lực và động cơ điện: Mô hình hóa bơm cam lệch tâm sinh lưu lượng $V_p = S_p e_t \sin(\phi_0 + \omega t)$ và mô men cản $M_p = Q_p (p_T - \eta_t p_a)/\omega$; hệ phương trình vi phân mô tả động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu: $$\frac{dI_m}{dt} = \frac{U_m - I_m R_m - k_\phi \omega}{L_m}, \quad \frac{d\omega}{dt} = \frac{k_\phi I_m - M_p - M_f}{J_m}$$
  4. Động lực học bộ tích năng thủy lực: Phương trình chuyển vị piston tích năng: $$m_a \ddot{x}_a + b \dot{x}a + F{fa}\operatorname{sign}\dot{x}_a + k_a x_a = p_a S_a$$
  5. Động lực học van điện từ tăng/giảm áp: Mô tả cân bằng lực tác dụng lên lõi van (lực điện từ $F_e = K_u U_e(t) + K_x x_v(t)$, lực đàn hồi lò xo $F_s$, lực nâng thủy lực $F_h$, lực cản nhớt $F_B$): $$m_{vj}\ddot{x}{vj} = -F{ej} + F_{sj} - F_{Bj} + F_{hj}$$
  6. Kết quả mô phỏng: Thực hiện mô phỏng trong MATLAB - Simulink ở chế độ phanh bình thường và phanh tự động (khi ESP kích hoạt); đánh giá đặc tính điều khiển áp suất dầu phanh khi thay đổi tần số điều khiển PWM van điện từ ở 10 Hz, 25 Hz và 50 Hz, chỉ ra các dạng biến thiên áp suất dạng hình thang và bậc thang theo tín hiệu điện áp điều khiển.

Chương 3: Điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng hệ thống phanh

Chương 3 thiết kế cấu trúc điều khiển và mô phỏng động lực học tổng thể của ô tô có trang bị hệ thống ESP:

  1. Mô hình động lực học ô tô toàn diện:
    • Mô hình chuyển động hai vết: Mô tả chuyển động tịnh tiến dọc, tịnh tiến ngang và chuyển động quay quanh trục đứng $Z$ (với mô men xoay thân xe $M_z$).
    • Mô hình bánh xe đàn hồi: Sử dụng công thức thực nghiệm Magic Formula của Pacejka để xác định phi tuyến các phản lực dọc $F_{xj}$, phản lực ngang $F_{yj}$ theo hệ số bám $\mu$ và góc lệch bên $\alpha$.
    • Mô hình dao động thân xe trong không gian: Xét đến góc lắc dọc $\theta$, góc lắc ngang $\varphi$, dịch chuyển thẳng đứng $Z_s$ của thân xe và ảnh hưởng của các thanh ổn định ngang cầu trước ($k_{Af}$), cầu sau ($k_{Ar}$).
  2. Thiết kế bộ điều khiển lực phanh PID-PSO:
    • Tín hiệu đầu vào là sai lệch $e = \dot{\psi}^* - \dot{\psi}$.
    • Tích hợp thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO để xác định bộ hệ số tối ưu $K_p, K_i, K_d$.
  3. Mô phỏng khảo sát khả năng ổn định quỹ đạo:
    • Chế độ quay vòng thiếu: Khi xe rẽ trái bị thiếu lái, hệ thống ESP tự động kích hoạt lực phanh tại bánh sau phía trong góc quay (bánh xe số 3 - sau trái), tạo ra mô men xoay thân xe bổ sung cùng chiều với hướng quay vòng, giúp xe trở về quỹ đạo mong muốn.
    • Chế độ quay vòng thừa: Khi xe rẽ trái bị thừa lái, hệ thống ESP tự động kích hoạt lực phanh tại bánh trước phía ngoài góc quay (bánh xe số 2 - trước phải), tạo mô men cản ngược chiều quay vòng để triệt tiêu hiện tượng văng đuôi.
    • Chế độ chuyển làn kép (Double lane change): Thử nghiệm theo tiêu chuẩn ISO 3888-2:2011 ở vận tốc 60 km/h; kết quả mô phỏng chứng minh hệ thống ESP giúp kiểm soát sai lệch $e$, giảm gia tốc ngang và ổn định chuyển vị quỹ đạo so với xe không có ESP.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 trình bày việc hiện thực hóa mô hình và kiểm chứng thực nghiệm:

  1. Thiết kế và chế tạo mô hình bán thực nghiệm HILS:
    • Phần cơ khí - thủy lực: Sử dụng toàn bộ cụm chấp hành ABS nguyên bản của xe LEXUS GX 470 - 2003 (gồm bầu trợ lực, xilanh chính tandem, cụm van điện từ và bơm dầu ABS, đường ống dẫn dầu, cụm phanh đĩa 4 bánh).
    • Phần điện tử và điều khiển: Chế tạo bộ điều khiển ECU ABS-ESP gồm các khối vi điều khiển trung tâm, khối hạ áp và cấp nguồn, mạch công suất điều khiển van điện từ và động cơ bơm, khối giao tiếp máy tính thời gian thực.
    • Cảm biến lắp đặt: Cảm biến áp suất Keller PA-21Y (250 bar), Encoder Omron E6B2-CWZ6C đo góc vô lăng, cảm biến đo hành trình piston xilanh chính.
  2. Quy trình và kết quả thực nghiệm:
    • Chế độ phanh ngặt và chế độ đạp - giữ - nhả bàn đạp phanh: Đo đạc sự thay đổi hành trình piston và đáp ứng áp suất phanh tại 4 bánh xe.
    • Chế độ phanh tự động (không đạp phanh): Kích thích tín hiệu điện áp điều khiển bơm và van hoạt động tại 1 bánh xe riêng lẻ, 2 bánh xe chéo (bánh 1 và bánh 4), và đồng thời cả 4 bánh xe.
    • Chế độ quay vòng thiếu và quay vòng thừa ở vận tốc 60 km/h: Thực hiện kịch bản thử nghiệm mô phỏng trạng thái động lực học với tín hiệu góc đánh lái tương ứng.
  3. Đánh giá sai số: So sánh dữ liệu áp suất dầu phanh đo được trên mô hình thực nghiệm với kết quả tính toán từ mô hình mô phỏng MATLAB - Simulink, khẳng định tính chính xác của mô hình lý thuyết.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới sau:

Đóng góp về mặt lý thuyết

  1. Xây dựng thành công mô hình toán học động lực học hoàn chỉnh cho hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực 4 kênh độc lập, bao gồm chi tiết các phương trình vi phân mô tả xilanh phanh chính 2 buồng, dòng chảy qua van tiết lưu phi tuyến, bộ tích năng thủy lực, bơm dầu cam lệch tâm dẫn động bằng động cơ điện một chiều và động lực học của van điện từ.
  2. Tích hợp mô hình bộ chấp hành phanh thủy lực với mô hình động lực học tổng quát của ô tô (gồm mô hình chuyển động hai vết trong mặt phẳng, mô hình lốp đàn hồi Magic Formula của Pacejka và mô hình dao động không gian xét đến thanh ổn định ngang).
  3. Ứng dụng thành công thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để xác định chính xác bộ thông số tối ưu $K_p, K_i, K_d$ cho bộ điều khiển lực phanh PID, giúp giảm thiểu sai lệch tốc độ góc quay thân xe $e$.

Đóng góp về mặt thực nghiệm và thực tiễn

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình bán thực nghiệm (Hardware-in-the-loop Simulation - HILS) sử dụng cụm cơ cấu chấp hành phanh ABS dẫn động thủy lực thực tế của xe ô tô du lịch LEXUS GX 470 - 2003.
  2. Thiết kế và chế tạo thành công phần cứng bộ điều khiển điện tử ABS-ESP (ECU), bao gồm các mạch điều khiển công suất van điện từ, mô tơ bơm, mạch xử lý tín hiệu cảm biến áp suất và góc quay vô lăng.
  3. Kết quả thực nghiệm đã kiểm chứng và khẳng định độ tin cậy của mô hình mô phỏng lý thuyết, đồng thời mở ra khả năng ứng dụng bộ điều khiển tự chế tạo để lắp đặt thử nghiệm trên ô tô thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Quá trình thực nghiệm được triển khai trên mô hình bán thực nghiệm phần cứng trong vòng lặp (HILS) tại phòng thí nghiệm, chưa tiến hành thử nghiệm trực tiếp trên xe thực di chuyển trên đường giao thông thực tế do điều kiện an toàn và trang thiết bị thử nghiệm ngoài hiện trường.
  • Phạm vi khảo sát tập trung trên dòng xe du lịch cụ thể (LEXUS GX 470 - 2003) tại dải vận tốc 60 km/h với các trạng thái quay vòng đều và chuyển làn kép tiêu chuẩn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Hoàn thiện kết cấu phần cứng và phần mềm của bộ điều khiển ABS-ESP để tiến tới lắp đặt, đánh giá trên xe thực tế trong các điều kiện đường sá đa dạng (đường trơn trượt có hệ số bám thấp, đường có hệ số bám không đồng đều giữa hai bên bánh xe).
  • Nghiên cứu mở rộng thuật toán điều khiển phối hợp tích hợp giữa hệ thống phanh cân bằng điện tử ESP với hệ thống lái chủ động AFS nhằm nâng cao hơn nữa khả năng ổn định quỹ đạo ở dải tốc độ cao.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực, Kỹ thuật ô tô, Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Cung cấp phương pháp luận chi tiết về việc mô hình hóa toán học các hệ thống cơ điện tử - thủy lực phi tuyến phức tạp trên ô tô, kỹ thuật mô phỏng trên MATLAB - Simulink và ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn PSO.
  • Các kỹ sư nghiên cứu phát triển (R&D) tại các nhà máy sản xuất, lắp ráp ô tô: Tham khảo quy trình thiết kế, chế tạo mạch phần cứng ECU điều khiển van thủy lực và xây dựng bàn thử nghiệm HILS phục vụ việc nội địa hóa và làm chủ công nghệ điều khiển an toàn chủ động.
  • Các cơ quan quản lý chuyên ngành, Cục Đăng kiểm Việt Nam, Trung tâm thử nghiệm xe cơ giới: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp đo kiểm để đánh giá chất lượng an toàn chuyển động của các dòng xe du lịch nhập khẩu, hoán cải hoặc cải tiến kết cấu tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án phân biệt và xác định trạng thái quay vòng thiếu và quay vòng thừa của ô tô bằng công thức nào?

Luận án xác định trạng thái quay vòng dựa trên sự so sánh giữa tốc độ góc quay thân xe lý thuyết $\dot{\psi}^$ và tốc độ góc quay thân xe thực tế $\dot{\psi}$ đo từ cảm biến, thông qua sai lệch $e = \dot{\psi}^ - \dot{\psi}$. Trong đó tốc độ góc quay thân xe lý thuyết được xác định theo công thức: $$\dot{\psi}^* = \frac{v \delta_0}{L + K_S v^2} = \frac{v \delta_0}{L + \frac{m v^2}{L}\left(\frac{L_r}{C_{\alpha f}} - \frac{L_f}{C_{\alpha r}}\right)}$$

  • Khi $\dot{\psi}^* = \dot{\psi}$ ($e = 0$): Ô tô ở trạng thái quay vòng đúng.
  • Khi $\dot{\psi}^* < \dot{\psi}$ ($e < 0$): Ô tô ở trạng thái quay vòng thừa (bán kính thực tế nhỏ hơn lý thuyết, xe bị văng đuôi).
  • Khi $\dot{\psi}^* > \dot{\psi}$ ($e > 0$): Ô tô ở trạng thái quay vòng thiếu (bán kính thực tế lớn hơn lý thuyết, xe bị trượt đầu).

2. Quy luật tác động lực phanh độc lập của hệ thống ESP trong luận án khi ô tô rẽ trái bị mất ổn định được thực hiện như thế nào?

Khi ô tô rẽ trái:

  • Nếu xảy ra hiện tượng quay vòng thiếu: Hệ thống ESP điều khiển tăng áp suất phanh độc lập tại bánh xe phía sau bên trái (bánh xe số 3) để tạo ra mô men xoay thân xe cùng chiều với hướng quay vòng, kéo đầu xe vào đúng quỹ đạo mong muốn.
  • Nếu xảy ra hiện tượng quay vòng thừa: Hệ thống ESP điều khiển tăng áp suất phanh độc lập tại bánh xe phía trước bên phải (bánh xe số 2) để tạo ra mô men cản ngược chiều quay vòng, ngăn ngừa hiện tượng văng trượt đuôi xe.

3. Mô hình xilanh phanh chính hai buồng được thiết lập bằng phương trình vi phân nào?

Xilanh phanh chính hai buồng (tandem) được mô hình hóa thành hệ cơ học 2 bậc tự do tương ứng với dịch chuyển $x_1$ (do người lái tác động) và $x_2$ của piston thứ hai, mô tả bởi phương trình: $$m_2 \ddot{x}2 + F{f2}\operatorname{sign}\dot{x}_2 - b_1(\dot{x}_1 - \dot{x}_2) + b_2 \dot{x}2 - k_1(x_1 - x_2) + k_2 x_2 = (p_1 - p_2)S$$ Trong đó $m_2$ là khối lượng piston, $b_1, b_2$ là hệ số cản dầu, $k_1, k_2$ là độ cứng lò xo hồi vị, $F{f2}$ là lực ma sát, $S$ là diện tích làm việc của xilanh, $p_1$ và $p_2$ là áp suất thủy lực tại hai buồng.

4. Thuật toán tối ưu nào được tác giả sử dụng để xác định các thông số bộ điều khiển PID trong luận án?

Tác giả sử dụng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) để tự động tìm kiếm bộ tham số tối ưu gồm hệ số khuếch đại tỉ lệ ($K_p$), hệ số tích phân ($K_i$) và hệ số vi phân ($K_d$) của bộ điều khiển PID, dựa trên hàm mục tiêu giảm thiểu sai lệch tốc độ góc quay thân xe $e$.

5. Hệ thống phần cứng và cảm biến chính trên mô hình bán thực nghiệm HILS gồm những gì?

Mô hình HILS của luận án gồm: cụm chấp hành phanh ABS thủy lực xe LEXUS GX 470 - 2003 (xilanh chính, trợ lực phanh, cụm van điện từ, bơm dầu, 4 phanh đĩa); bộ điều khiển điện tử ABS-ESP tự thiết kế (khối vi điều khiển, mạch nguồn, mạch công suất kích van và bơm, mạch giao tiếp máy tính); cảm biến áp suất Keller model PA-21Y dải đo 250 bar của Thụy Sĩ; cảm biến đo góc quay vô lăng Encoder Omron E6B2-CWZ6C của Nhật Bản; và cảm biến siêu âm đo hành trình dịch chuyển của piston xilanh chính.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Đào Huy Hải đã giải quyết một cách toàn diện bài toán điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô du lịch bằng hệ thống phanh. Công trình đã xây dựng thành công hệ thống mô hình toán học chi tiết từ bộ chấp hành thủy lực ABS phi tuyến đến mô hình động lực học không gian của ô tô, đồng thời thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu hóa bằng thuật toán bầy đàn PSO. Việc chế tạo thành công bộ điều khiển ABS-ESP và mô hình bán thực nghiệm HILS trên cụm cơ cấu của xe LEXUS GX 470 - 2003 đã kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình lý thuyết, cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật phục vụ công tác nghiên cứu, đào tạo và ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam.