Chương 1. ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG 20 2.1 Động học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .1 Động học đổi hướng chuyển động của ô tô với hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .2 Quan hệ góc xoay bánh xe phía trước và phía sau trên ô tô bốn bánh dẫn hướng thực tế .3 Động học hình thang lái phía sau trên ô tô bốn bánh dẫn hướng .2 Động lực học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .2 Động lực học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .3 Động lực học ô tô .1 Mô hình hai vết trong mặt phẳng .2 Mô hình không gian xác định phản lực thẳng đứng .4 Mô phỏng động lực học bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .1 Cơ sở lý thuyết điều chế xung PWM .2 Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ phận chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .3 Mô phỏng bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng 41 2.5 Kết luận Chương 2. ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG 43 3.1 Mô hình động lực học một vết của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .2 Giải pháp thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái 4WS .1 Mục đích thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái 4WS .2 Giới thiệu một số phương pháp điều khiển hệ thống lái 4WS 49 3.3 Thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái 4WS .1 Sơ đồ mô phỏng động lực học chuyển động của ô tô với hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .2 Cơ sở lý thuyết của bộ điều khiển PID .3 Giải thuật di truyền GA .4 Thiết kế bộ điều khiển PID-GA cho hệ thống lái 4WS .4 Khảo sát tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô .1 Mô hình Matlab/Simulink mô phỏng động lực học ô tô với hệ thống lái 4WS điều khiển PID-GA .2 Khảo sát khả năng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô ở các trạng thái chuyển động .5 Kết luận Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 76 4.1 Mục đích và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm .1 Mục đích, đối tượng và các thông số cần đo .2 Các phương pháp thí nghiệm .3 Lựa chọn phương pháp thí nghiệm .2 Thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm .1 Kết cấu cơ khí .2 Cảm biến đo tải trọng .3 Cảm biến đo góc xoay vô lăng .4 Máy tính kết nối .3 Các khối chức năng bộ điều khiển hệ thống lái sau 4WS .4 Quy trình thực nghiệm .1 Các thông số kỹ thuật .2 Các bước thực nghiệm .3 Đánh giá sai số mô hình thực nghiệm .4 Mô hình Matlab/Simulink thực nghiệm mô phỏng động lực học ô tô với hệ thống lái 4WS điều khiển PID-GA .5 Chế độ chuyển động thẳng với vận tốc 80 km/h có gió ngang 92 4.6 Chế độ quay vòng thiếu với vận tốc 60 km/h .7 Chế độ quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h .5 Kết luận Chương 4.
101 KẾT LUẬN 102 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 PHỤ LỤC A.SO SÁNH GIÁ TRỊ THÍ NGHIỆM P1 A.1 Chế độ đi thẳng gió ngang 80 km/h .2 Quay vòng thiếu 60 km/h .3 Quay vòng thừa 60 km/h. CODE MATLAB P17 PHỤ LỤC C. MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM P25 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị m Khối lượng toàn bộ của ô tô kg rbx Bán kính bánh xe m L Chiều dài cơ sở m l1 , l2 Khoảng cách từ trọng tâm ô tô tới tâm cầu m trước, cầu sau B1 , B2 Khoảng cách tâm xoay trụ đứng bánh xe dẫn m hướng trước, sau βo Góc nghiêng đòn bên hình thang lái cầu sau rad lb Chiều dài đòn bên hình thang lái cầu sau m n Chiều dài thanh kéo ngang hình thang lái cầu m sau vo Vận tốc ô tô tại trọng tâm m/s vi (i=1,.,4) Vận tốc ô tô tại tâm các bánh xe m/s δi (i=1.4) Góc xoay của bánh xe dẫn hướng so với phương rad chuyển động dọc của ô tô δf , δr Góc xoay trung bình của bánh xe dẫn hướng rad tại tâm cầu trước, cầu sau δf _MP , δr_MP Góc xoay trung bình của bánh xe dẫn hướng rad tại tâm cầu trước, cầu sau mô phỏng δf _TN , δr_TN Góc xoay trung bình của bánh xe dẫn hướng rad tại tâm cầu trước, cầu sau thực nghiệm αf , αr Góc lệch bên của các bánh xe trước và sau rad Fxf , Fxr Phản lực dọc tác dụng từ mặt đường lên các N bánh xe cầu trước, cầu sau Fyx , Fyr Phản lực ngang tác dụng từ mặt đường lên các N bánh xe cầu trước, cầu sau Fzx , Fzr Phản lực thẳng đứng tác dụng từ mặt đường N lên các bánh xe cầu trước, cầu sau Fwx , Fwy Lực cản gió theo phương dọc, phương ngang N hwx , hwy Khoảng cách từ điểm đặt lực cản gió theo m phương ngang và phương dọc đến mặt đường Flt Lực quán tính ly tâm N hg Chiều cao trọng tâm ô tô so với mặt đường m la Khoảng cách từ điểm đặt của lực cản gió theo m phương ngang đến trọng tâm ô tô vii Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị JF W Mô men quán tính khối của bánh xe quanh kgm2 trục y (phương trục bánh xe) Jm Mô men quán tính khối của động cơ điện dẫn kgm2 động lái trục sau J Mô men quán tính đi qua trục thẳng đứng của kgm2 ô tô Ue Điện áp đầu vào V Eb Sức phản điện động sinh ra từ chuyển động của V rotor ia Dòng điện qua phần ứng A ϕ Từ thông của stator Wb θm Góc quay của rotor rad Tm Mô men xoắn trên trục động cơ N.m Tf Mô men cản nhớt N.m τl Mô men tải N.m Kb Sức phản điện động động cơ điện dẫn động lái V /(rad/s) cầu sau c Hệ số cản quy dẫn trên thước lái trục cầu sau N.m/(rad/s) K Hệ số cứng quy dẫn trên thước lái trục cầu sau N.m/rad mr Khối lượng quy dẫn kg Rm Điện trở phần ứng động cơ điện dẫn động lái Ω cầu sau Lm Điện cảm phần ứng động cơ điện dẫn động lái H cầu sau Bm Hệ số cản nhớt trên trục động cơ điện dẫn động N.m/(rad/s) lái cầu sau Km Hệ số mô men động cơ điện dẫn động lái cầu N.m/A sau im Tỷ số truyền hộp giảm tốc dẫn động lái cầu - sau il Tỷ số truyền hệ thống lái phía trước - Gs Tỷ số truyền trục vít - ê-cu bi rad/mm Gm Tỷ số truyền hộp giảm tốc - rp Bán kính trục vít cơ cấu lái trục cầu sau m k4W S Hệ số xác định vị trí của tâm quay vòng tức - thời kus Tỉ số giữa góc xoay trung bình bánh xe phía - sau đối với góc xoay trung bình bánh xe phía trước viii Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị Yc , Xc Quãng đường ô tô di chuyển theo phương m ngang và dọc t Thời gian mô phỏng s ay Gia tốc ngang m/s2 ψ̇ Vận tốc góc xoay thân xe thực tế rad/s ψ˙d Vận tốc góc xoay thân xe mong muốn rad/s e(t) Sai lệch giữa vận tốc góc xoay thân xe mong - muốn (ψ˙d ) và vận tốc góc xoay thân xe thực tế (ψ̇ ) Ue_MP Giá trị điện áp mô phỏng V Ue_TN Giá trị điện áp thực nghiệm V θw_TN Góc xoay vành lái thực nghiệm rad Caf Độ cứng bên của các bánh xe phía trước N/rad Car Độ cứng bên của các bánh xe phía sau N/rad ix DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa 2W S Hệ thống lái hai bánh trước dẫn hướng (2 Wheels Steering) 4W S Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4 Wheels Steering) EP Chương trình tiến hóa (Evolutionary Programming) ES Chiến lược tiến hóa (Evolution Strategies) SA Giải thuật mô phỏng tôi luyện (Simulated Annealing) P SO Thuật toán tối ưu bầy đàn (Article Swarm Optimization) P ID Vi tích phân tỉ lệ (Proportional Integral Derivative) GA Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) F NN Mạng nơ-ron truyền thẳng (Feedforward Neural Network) HILS Mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (Hardware In-the-loop Simulation) AF S Hệ thống lái trước tích cực (Active Front Steering) ADAS Hệ thống hỗ trợ lái ô tô nâng cao (Advanced Driver Assistance Systems) ABS Hệ thống phanh chống hãm cứng bánh xe (Anti-lock Braking System) T CS Hệ thống kiểm soát lực kéo (Traction Control System) ESC Hệ thống kiểm soát ổn định điện tử (Electronic Stability Control) PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối mô hình điều khiển của ô tô .2 Ảnh hưởng của gió ngang và biến dạng của lốp đến khả năng ổn định quỹ đạo chuyển động .3 Mô hình quay vòng của ô tô .4 Mất ổn định hướng do lực phanh không đồng đều .5 Cấu tạo hệ thống lái chủ động phía trước AFS .6 Hệ thống kiểm soát ổn định điện tử (ESC) .7 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng cơ khí .8 Quan hệ giữa góc xoay bánh xe dẫn hướng phía trước và sau hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng cơ khí .9 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng thủy lực .10 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng điện tử .11 Mô hình mạng nơ-ron mờ hệ thống 4WS .1 Quan hệ động học của các bánh xe dẫn hướng khi cùng hướng xoay .2 Quan hệ động học của các bánh xe dẫn hướng khi ngược hướng xoay .3 Hệ thống lái 4WS với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu sau 21 Hình 2.4 Mô hình một vết 4WS với bánh sau quay ngược hướng với bánh trước .5 Đường đặc tính của Hệ thống lái 4WS phụ thuộc vào góc lái của hãng Honda [29] .6 Biểu đồ đường đặc tính lý tưởng .7 Sơ đồ hình thang lái phía sau trên ô tô bốn bánh dẫn hướng 26 Hình 2.8 Mối quan hệ giữa δ3 và δ4 cho các giá trị βo .9 Hệ trục tọa độ sử dụng trong nghiên cứu động lực học chuyển động ô tô .10 Sơ đồ chuyển đổi hệ trục tọa độ .11 Kết cấu bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .12 Bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .13 Mô hình động lực học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .14 Mô hình động cơ điện .15 Mô hình động lực học hai vết của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .16 Mô hình dao động ô tô trong không gian của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .17 Các thông số cơ bản của tín hiệu xung PWM .18 Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ phận chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .