Tổng quan luận án

Hệ thống lái là một trong những cơ cấu quan trọng nhất trên ô tô, giữ vai trò quyết định đến tính dẫn hướng và an toàn chủ động khi phương tiện vận hành ở các dải tốc độ khác nhau. Khi vận tốc di chuyển tăng cao, các yếu tố môi trường (đặc biệt là gió ngang), điều kiện mặt đường và sai lệch thao tác của người lái có thể khiến ô tô bị trượt ngang, quay vòng thiếu (understeer) hoặc quay vòng thừa (oversteer), dẫn đến mất ổn định quỹ đạo chuyển động và nguy cơ tai nạn giao thông nghiêm trọng.

Để giải quyết vấn đề này, luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí động lực mang tên "Nghiên cứu điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng hệ thống lái bốn bánh" (Mã số: 9520116) do nghiên cứu sinh Nguyễn Hữu Mạnh thực hiện tại Trường Đại học Giao thông vận tải, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Đào Mạnh Hùng và PGS.TS. Trần Văn Như (bảo vệ năm 2024), đã tập trung giải quyết bài toán nâng cao tính ổn định quỹ đạo của ô tô thông qua việc điều khiển góc xoay các bánh xe dẫn hướng cầu sau.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định là: trong khi các nghiên cứu trong nước chủ yếu tập trung vào hệ thống lái trợ lực điện (EPS), hệ thống lái trước tích cực (AFS) hoặc ổn định thông qua hệ thống phanh (ESC/ESP), các công trình về hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS - 4 Wheels Steering) còn rất hạn chế và đa phần chỉ dừng lại ở phân tích lý thuyết thuần túy. Trên thế giới, các thuật toán thông minh như mạng nơ-ron hay điều khiển thích nghi đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, khó áp dụng trực tiếp lên phần cứng thực tế và thiếu các kiểm chứng thực nghiệm đồng bộ giữa mô hình động lực học bộ chấp hành cơ điện tử và động lực học thân xe.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô và các giải pháp an toàn chủ động liên quan đến hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS).
  2. Xây dựng mô hình động học, động lực học của hệ thống lái 4WS, mô hình động cơ điện DC chấp hành, cơ cấu trục vít - ê-cu bi, hình thang lái Đantô và mô hình động lực học không gian thân xe.
  3. Thiết kế cấu trúc điều khiển phản hồi sai lệch vận tốc góc xoay thân xe sử dụng bộ điều khiển PID, tối ưu hóa các tham số khuếch đại ($K_p, K_i, K_d$) bằng giải thuật di truyền (GA - Genetic Algorithm) trên nền tảng Matlab/Simulink.
  4. Thiết kế, chế tạo bệ thử bán thực nghiệm mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (HILS - Hardware-In-the-Loop Simulation) sử dụng bộ chấp hành lái sau thực tế của xe Honda Prelude, tiến hành đo kiểm và đánh giá sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm ở các chế độ chuyển động điển hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng trên ô tô du lịch, cụ thể sử dụng các thông số kỹ thuật và cơ cấu bộ chấp hành lái sau của xe Honda Prelude.
  • Phạm vi lý thuyết: Khảo sát động lực học chuyển động và ổn định hướng của ô tô ở dải tốc độ cao (vận tốc 60 km/h và 80 km/h) trong các điều kiện chịu lực gió ngang, chế độ quay vòng thiếu và chế độ quay vòng thừa.
  • Phạm vi thực nghiệm: Thử nghiệm kiểm chứng trên mô hình bán thực nghiệm HILS trong phòng thí nghiệm với bộ chấp hành 4WS thực tế kết nối máy tính điều khiển thời gian thực và hệ thống cảm biến chuyên dụng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong chương tổng quan, tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo từng nhóm chuyên đề cụ thể:

1. Các nghiên cứu quốc tế

  • Về mô hình động học và động lực học:
    • Danwei Wang, FengQi và đồng nghiệp (2004) [25]: Xây dựng mô hình toán dựa trên động lực học ô tô 4WS để thiết lập quỹ đạo chuyển động, tuy nhiên chưa xét đầy đủ ảnh hưởng của lực quán tính, lực ma sát và rủi ro mất ổn định lật xe.
    • Konstantinos Spentzas và cộng sự (2001, 2002) [26, 27]: Nghiên cứu động học so sánh bán kính quay vòng giữa 2WS và 4WS trên cơ sở công thức Ackermann-Jeantaux; xây dựng mô hình động lực học tuyến tính hóa theo góc vô lăng và đạo hàm góc vô lăng nhưng chưa đề cập giải pháp điều khiển tối ưu và tác động của ngoại cảnh (gió ngang, biến đổi tải trọng).
    • Sienel (1997) [28]: Thiết lập luật điều khiển phản hồi vận tốc góc xoay thân xe cho cả bánh trước và bánh sau trên mô hình phi tuyến.
  • Về thuật toán và giải pháp điều khiển:
    • Shoichi Sano và cộng sự thuộc Honda R&D (1986) [29]: Đề xuất nguyên lý 4WS dẫn động cơ khí, xác định quy luật ở tốc độ thấp bánh sau quay ngược chiều bánh trước để giảm bán kính quay vòng, ở tốc độ cao bánh sau quay cùng chiều để giảm lực ly tâm.
    • John C. Whitehead (1988) [30]: Sử dụng mô hình xe đạp (một vết) 2 bậc tự do để khảo sát chuyển làn khẩn cấp ở tốc độ cao, chứng minh 4WS giúp xe chuyển làn nhanh hơn.
    • Yoshimi Furukawa, Naohiro Yuhara, Yoshinobu Matsushita (1989) [31]: Trình bày mô hình toán điều khiển góc lái sau theo góc vành lái và tốc độ, thử nghiệm trên đường đua thử nghiệm.
    • Zhang Rong-hui (2009) [32]: Ứng dụng bộ lọc Kalman trong mô phỏng hệ thống lái 4WS nhằm tăng tính thích ứng nhưng chưa có thực nghiệm kiểm chứng.
    • S. Rezeka (2004) [33]: Ứng dụng mạng nơ-ron truyền thẳng 2 lớp (FNN) để điều khiển góc xoay bánh trước và sau, tuy nhiên đòi hỏi năng lực tính toán phần cứng rất lớn.
    • Shijing Wu và cộng sự (2010) [34]: Kết hợp mạng nơ-ron mờ và giải thuật di truyền GA để tối ưu hóa bộ điều khiển phi tuyến cho xe 4WS, công trình dừng ở mô phỏng.
    • B. Sun (2012) [35]: Thiết kế bộ điều khiển triệt tiêu sai lệch vận tốc góc thân xe $e(t)$ khi chạy thẳng ở vận tốc 80 km/h chịu lực gió ngang 1000 N và 1500 N.
    • J. Sun (2011) [36]: Đề xuất phương pháp thích ứng không mô hình dùng mạng nơ-ron, nhưng độ chính xác phụ thuộc dữ liệu và chi phí thực nghiệm cao.
  • Về phương pháp thực nghiệm:
    • Yasuji Shibahata và đồng nghiệp tại Nissan (1986) [37]: Thử nghiệm thực tế hiện tượng lắc ngang đuôi xe khi chuyển làn ở tốc độ cao do tâm quay dịch chuyển.
    • M. Suh (2003) [38]: Nghiên cứu bộ điều khiển Fuzzy-PID cho ô tô điện 4WS dựa trên vận tốc góc xoay thân xe.
    • Guodong Yin và Nan Chen (2008) [39]: Xây dựng hệ thống mô phỏng phần cứng trong vòng lặp HILS để phát triển ECU cho hệ thống lái 4WS.

2. Các nghiên cứu trong nước

  • Nguyễn Khắc Trai (1997) [10]: Trình bày lý thuyết động lực học quay vòng, tính điều khiển, quỹ đạo chuyển động và tương tác đàn hồi giữa bánh xe với mặt đường chịu lực bên và gió ngang.
  • Nguyễn Tuấn Anh (2013) [40]: Thiết kế bộ điều khiển tối ưu cho hệ thống lái tích cực ô tô khi chịu tác động của gió ngang.
  • Hồ Hữu Hải (2012) [41]: Khảo sát mô phỏng chuyển động của xe 4WS khi chạy thẳng có gió bên và khi chuyển làn.
  • Trần Văn Lợi (2019) [42]: Nghiên cứu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện EPS sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PID và chế tạo mô hình thử nghiệm cảm giác lái trong phòng thí nghiệm.
  • Nguyễn Xuân Tuấn (2018) [43]: Nghiên cứu chuyển đổi hệ thống lái trợ lực thủy lực sang hệ thống lái dây Steer-by-Wire (SBW) điện tử - thủy lực cho xe tải.
  • Nguyễn Anh Tuấn (2020) [44]: Điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái tích cực AFS bằng logic mờ trên cơ sở cụm cầu trước xe Lexus GX470 và thực nghiệm trên bệ thử bán thực nghiệm.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết

Phần lớn các công trình trong nước mới tập trung vào cơ cấu lái cầu trước (EPS, AFS, SBW), chưa có công trình nào nghiên cứu toàn diện từ lý thuyết mô hình hóa chi tiết cơ cấu chấp hành lái sau (gồm động cơ DC, vít me bi, đòn kéo hình thang lái Đantô), thiết kế thuật toán điều khiển PID tối ưu hóa bằng giải thuật di truyền (GA), đến chế tạo bệ thử nghiệm HILS sử dụng cụm chấp hành 4WS thực tế của ô tô để kiểm chứng độ chính xác của mô hình toán.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

1. Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Phương pháp thiết lập phương trình động lực học:
    • Phương trình Lagrange loại II: Thiết lập quan hệ năng lượng của cơ hệ nhiều bậc tự do: $$\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial V}{\partial \dot{q}_i}\right) - \frac{\partial V}{\partial q_i} + \frac{\partial D}{\partial \dot{q}_i} + \frac{\partial T}{\partial q_i} = Q_i$$ Trong đó $V$ là động năng, $T$ là thế năng đàn hồi, $D$ là hàm tiêu tán năng lượng cản nhớt, và $Q_i$ là lực suy rộng ứng với tọa độ suy rộng $q_i$.
    • Nguyên lý D'Alembert: Cân bằng lực quán tính và mô-men quán tính để mô tả chuyển động của các khối lượng quy dẫn trên cơ cấu lái và động cơ điện: $$\sum J_i \frac{d\omega_i}{dt} = \sum M_{ij}; \quad \sum m_i \frac{d^2 x_i}{dt^2} = \sum F_{ij}$$
  • Hệ trục tọa độ và ma trận chuyển đổi:
    • Sử dụng hệ trục tọa độ cố định gắn với mặt đường ($Ox_0y_0z_0$) để xác định quỹ đạo thực tế của xe và hệ trục tọa độ di động gắn tại trọng tâm ô tô ($Cxyz$).
    • Ma trận chuyển đổi vận tốc từ hệ tọa độ di động sang hệ tọa độ cố định khi xét chuyển động phẳng 3 bậc tự do dọc ($x$), ngang ($y$) và góc xoay thân xe ($\psi$): $$\begin{bmatrix} \dot{x}_0 \ \dot{y}_0 \ \dot{z}_0 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \cos\psi & -\sin\psi & 0 \ \sin\psi & \cos\psi & 0 \ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \dot{x} \ \dot{y} \ \dot{z} \end{bmatrix}$$
  • Động học quay vòng và điều kiện Ackermann-Jeantaux:
    • Xác định vị trí tâm quay vòng tức thời qua hệ số $k_{4WS}$. Mối quan hệ góc quay giữa các bánh xe dẫn hướng trước ($\delta_1, \delta_2$) và sau ($\delta_3, \delta_4$) bảo đảm các đường vuông góc với vectơ vận tốc bánh xe cắt nhau tại một điểm duy nhất $O$.
    • Tính toán động học hình thang lái Đantô (Jeantaud) phía sau với góc nghiêng đòn bên ban đầu $\beta_o$ nhằm giảm thiểu sai lệch góc quay thực tế so với góc quay lý thuyết ($\Delta\beta_o < 1^\circ$).
  • Lý thuyết điều khiển phản hồi PID và tối ưu hóa di truyền (GA):
    • Tín hiệu sai lệch điều khiển: $e(t) = \dot{\psi}_d - \dot{\psi}$, trong đó $\dot{\psi}_d$ là vận tốc góc xoay thân xe mong muốn (tính theo góc đánh lái vô lăng và vận tốc xe) và $\dot{\psi}$ là vận tốc góc thực tế đo được.
    • Thuật toán GA thực hiện mã hóa nhiễm sắc thể, chọn lọc, lai ghép và đột biến để tìm bộ tham số tối ưu ($K_p, K_i, K_d$) theo từng mức gia tốc ngang $a_y$ nhằm cực tiểu hóa hàm mục tiêu tích phân sai số.

2. Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng sơ đồ khối trên Matlab/Simulink mô phỏng đồng thời: khối tạo tín hiệu lái và ngoại lực gió ngang, khối thuật toán PID-GA, khối điều chế độ rộng xung PWM, mô hình động cơ DC và bộ chấp hành lái sau, mô hình động lực học ô tô một vết / hai vết và mô hình lốp đàn hồi.
  • Phương pháp thực nghiệm HILS (Hardware-in-the-loop):
    • Kết nối phần cứng thực tế (bộ chấp hành lái sau 4WS xe Honda Prelude gồm động cơ điện, trục vít - ê-cu bi, đòn ngang, đòn bên hình thang lái) với phần mềm mô phỏng động lực học ô tô chạy thời gian thực trên máy tính.
    • Tín hiệu góc quay vô lăng từ người lái được thu nhận qua cảm biến Encoder; máy tính tính toán góc lái sau yêu cầu, xuất điện áp điều khiển thông qua mạch cầu điều khiển công suất tới động cơ lái sau; các cảm biến lực và vị trí đo phản hồi thực tế để đóng kín vòng điều khiển.

3. Nguồn tư liệu và thông số dữ liệu đầu vào

Thông số đối tượng nghiên cứu (Honda Prelude) Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Chiều dài cơ sở $L$ 2,57 m
Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm cầu trước $l_1$ 1,03 m
Khoảng cách từ trọng tâm đến tâm cầu sau $l_2$ 1,54 m
Khoảng cách tâm xoay trụ đứng bánh sau $B_2$ 1,255 m
Khối lượng toàn bộ ô tô $m$ 1300 kg
Mô-men quán tính quanh trục đứng đi qua trọng tâm $J$ 2000 $\text{kg}\cdot\text{m}^2$
Độ dài đòn bên hình thang lái sau $l_b$ 195 mm
Chiều dài thanh kéo ngang hình thang lái sau $n$ 933 mm
Góc nghiêng đòn bên hình thang lái sau $\beta_o$ 65 độ
Điện trở phần ứng động cơ điện lái sau $R_m$ 1,086 $\Omega$
Điện cảm phần ứng động cơ điện lái sau $L_m$ 0,01216 H
Hệ số cản nhớt trục động cơ điện $B_m$ 0,19 $\text{N}\cdot\text{m}/(\text{rad}/\text{s})$
Hệ số mô-men động cơ điện $K_m$ 20,1 $\text{N}\cdot\text{m}/\text{A}$
Hệ số sức phản điện động $K_b$ 0,011 $\text{V}/(\text{rad}/\text{s})$
Khối lượng quy dẫn về thước lái $m_r$ 2,5 kg
Hệ số cứng quy dẫn trên thước lái sau $K$ 42057 $\text{N}\cdot\text{m}/\text{rad}$
Hệ số cản quy dẫn trên thước lái sau $c$ 0,36042 $\text{N}\cdot\text{m}/(\text{rad}/\text{s})$
Tỷ số truyền trục vít - ê-cu bi $G_s$ 19,47 $\text{rad}/\text{mm}$
Tỷ số truyền hộp giảm tốc bộ chấp hành lái $G_m$ 16,13 -

Thiết bị đo kiểm trên bệ thử HILS gồm có cảm biến tải trọng AND LC-1205 (Nhật Bản) kết nối mạch cầu Wheatstone để đo lực tương tác mặt đường, cảm biến góc xoay quang học Encoder Omron E6B2-CWZ6C (Nhật Bản) đo góc quay vành lái, và card ghép nối vi điều khiển thu thập dữ liệu thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về giao thông đường bộ Việt Nam với sự phát triển nhanh chóng của mạng lưới đường cao tốc (như tuyến Cầu Giẽ - Ninh Bình đạt 10,6 triệu lượt xe, Nội Bài - Lào Cai tăng trưởng 27%, TP. Hồ Chí Minh - Long Thành - Dầu Giây đạt 9,9 triệu lượt xe trong nửa đầu năm 2023). Đi kèm với sự gia tăng nhanh của lượng ô tô đang lưu hành là nguy cơ tai nạn giao thông nghiêm trọng (năm 2022 xảy ra 11.457 vụ tai nạn làm 6.397 người tử vong; quý 1/2023 xảy ra 2.346 vụ làm 1.200 người tử vong).

Tác giả phân tích các nguyên nhân gây mất ổn định quỹ đạo:

  • Tác động của gió ngang ($F_{wy}$): Khi góc lệch bên lốp trước $\alpha_f$ nhỏ hơn lốp sau $\alpha_r$, lực quán tính ly tâm cùng chiều lực gió ngang sẽ làm tăng độ lệch quỹ đạo, gây mất ổn định nghiêm trọng.
  • Hiện tượng quay vòng thiếu và quay vòng thừa: Đánh giá qua hệ số quay vòng $K_S = \frac{m}{L}\left(\frac{l_2}{C_{\alpha f}} - \frac{l_1}{C_{\alpha r}}\right)$. Khi $K_S < 0$, bán kính quay vòng thực tế $R < R_0$ (quay vòng thừa, nguy cơ văng đuôi, lật xe); khi $K_S > 0$, $R > R_0$ (quay vòng thiếu, xe mất lái theo hướng mở rộng vòng cua).
  • Lực phanh không đồng đều: Sai lệch lực phanh hai bên tạo ra mô-men quay vòng $M_z$ ngoài ý muốn.

Chương này so sánh các thế hệ 4WS: dẫn động cơ khí thuần túy (kết cấu nặng, góc quay cố định), dẫn động thủy lực (như trên Nissan Skyline, Mitsubishi Galant) và dẫn động điện tử hiện đại. Trên cơ sở tổng quan 52 tài liệu tham khảo trong và ngoài nước, tác giả khẳng định việc nghiên cứu giải pháp điều khiển góc xoay cầu sau bằng động cơ điện kết hợp thuật toán tối ưu là hướng đi cấp thiết.

Chương 2: Động học và động lực học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán mô hình hóa hình học và vật lý của cơ cấu lái bốn bánh.

1. Động học đổi hướng và hình thang lái sau

Thiết lập mối quan hệ góc quay bánh xe trước - sau: $$\cot\delta_2 - \cot\delta_1 = \frac{B_1}{L_{c1}}; \quad \cot\delta_4 - \cot\delta_3 = \frac{B_2}{L_{c2}}; \quad \frac{\tan\delta_3}{\tan\delta_1} = \frac{L_{c2}}{L_{c1}}$$ Tính toán trên ô tô mẫu Honda Prelude cho thấy: ở tốc độ thấp, khi bánh trước quay $\delta_1 = 30^\circ$ ($\delta_2 = 22,37^\circ$) và bánh sau quay ngược chiều tối đa $\delta_3 = 6^\circ$ ($\delta_4 = 4,30^\circ$), bán kính quay vòng tối thiểu giảm từ $R_{2WS} = 4,45\text{ m}$ xuống $R_{4WS} = 3,789\text{ m}$ (giảm $0,661\text{ m}$, tương đương giảm 14,85%), giúp tăng đáng kể tính cơ động.

Thiết kế hình thang lái Đantô phía sau với kích thước tối ưu: góc nghiêng đòn bên $\beta_o = 65^\circ$, chiều dài đòn bên $l_b = 195\text{ mm}$, chiều dài thanh kéo ngang $n = 933\text{ mm}$. Sai lệch góc quay giữa đường đặc tính thực tế và lý thuyết được khống chế $\Delta\beta_o < 1^\circ$.

2. Động lực học bộ chấp hành lái điện

Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của động cơ điện DC kết hợp cơ cấu trục vít - ê-cu bi và đòn lái: $$\begin{cases} L_m \dfrac{di_a}{dt} = U_e - R_m i_a - K_b \dfrac{d\theta_m}{dt} \ J_m \dfrac{d^2\theta_m}{dt^2} = K_m i_a - B_m \dfrac{d\theta_m}{dt} - \tau_l \ m_r l_b \ddot{\alpha} = -c l_b \dot{\alpha} - \left(K l_b + \dfrac{k_\alpha}{l_b}\right)\alpha + \dfrac{c}{G_s G_m}\dot{\theta}m + \dfrac{K}{G_s G_m}\theta_m \end{cases}$$ Trong đó $\tau_l$ là mô-men tải quy dẫn về trục động cơ do phản lực mặt đường $M{cq} = k_\alpha \alpha$ gây ra. Mô phỏng đáp ứng của bộ chấp hành trên Simulink bằng tín hiệu điều chế xung PWM xác nhận góc xoay bánh sau đáp ứng tuyến tính và chính xác theo chiều và độ rộng xung điện áp điều khiển.

Chương 3: Điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bốn bánh dẫn hướng

Chương 3 trình bày việc thiết kế thuật toán điều khiển và khảo sát mô phỏng số.

Mô hình động lực học một vết (xe đạp) 2 bậc tự do trong mặt phẳng ngang được sử dụng để xây dựng bộ điều khiển: $$\begin{cases} m v (\dot{\beta} + \dot{\psi}) = C_{\alpha f} \left(\delta_f - \beta - \dfrac{l_1 \dot{\psi}}{v}\right) + C_{\alpha r} \left(\delta_r - \beta + \dfrac{l_2 \dot{\psi}}{v}\right) + F_{wy} \ J \ddot{\psi} = l_1 C_{\alpha f} \left(\delta_f - \beta - \dfrac{l_1 \dot{\psi}}{v}\right) - l_2 C_{\alpha r} \left(\delta_r - \beta + \dfrac{l_2 \dot{\psi}}{v}\right) + M_z \end{cases}$$ Vận tốc góc xoay thân xe mong muốn được xác định: $\dot{\psi}_d = \frac{v \cdot \delta_f}{L + v^2 K_S}$.

Bộ điều khiển PID nhận tín hiệu đầu vào là sai lệch $e(t) = \dot{\psi}_d - \dot{\psi}$. Thuật toán di truyền (GA) với kích thước quần thể, toán tử lai ghép số thực và đột biến thích nghi được thiết lập để tìm bộ hệ số ($K_p, K_i, K_d$) tối ưu theo từng giá trị gia tốc ngang $a_y$.

Khảo sát mô phỏng được thực hiện trên 3 chế độ vận hành:

  1. Chuyển động thẳng ở vận tốc 80 km/h có gió ngang tác dụng: Xe 2WS bị đẩy lệch quỹ đạo liên tục; trong khi xe 4WS điều khiển PID-GA tự động điều khiển bánh sau xoay cùng hướng góc lệch để tạo mô-men đối kháng, kéo sai lệch vận tốc góc $e(t)$ nhanh chóng về 0 và giữ ổn định chuyển động thẳng.
  2. Chuyển động quay vòng thiếu ở vận tốc 60 km/h: Bộ điều khiển điều chỉnh góc xoay bánh sau ngược hướng một góc thích hợp để tăng mô-men quay thân xe, giúp xe bám sát bán kính cong thiết kế.
  3. Chuyển động quay vòng thừa ở vận tốc 60 km/h: Bộ điều khiển lái bánh sau cùng hướng với bánh trước, giảm tốc độ quay thân xe, triệt tiêu nguy cơ trượt văng đuôi xe.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 thiết kế và hiện thực hóa bệ thử nghiệm HILS trong phòng thí nghiệm nhằm kiểm chứng thuật toán điều khiển trên phần cứng thực tế.

Cấu trúc bệ thử HILS bao gồm:

  • Cơ cấu chấp hành 4WS thực tế: Lắp đặt cụm động cơ điện, trục vít me, đòn kéo và cụm bánh sau của xe Honda Prelude.
  • Hệ thống tạo tải và đo lường: Cảm biến tải trọng AND LC-1205 lắp đặt tại các đòn liên kết để đo phản lực mặt đường tác dụng lên lốp xe; Cảm biến Omron E6B2-CWZ6C ghi nhận góc xoay vành lái thực tế $\theta_{w_TN}$.
  • Giao tiếp và xử lý dữ liệu: Vi điều khiển nhận lệnh điều khiển từ máy tính mô phỏng, phát xung PWM kích hoạt mạch cầu H điều khiển động cơ chấp hành lái sau.

Thực nghiệm được tiến hành trên 3 chế độ tương ứng với phần mô phỏng lý thuyết:

Chế độ thực nghiệm Vận tốc thử nghiệm Thông số đánh giá sai lệch Kết quả so sánh giữa Mô phỏng (MP) và Thực nghiệm (TN)
Chạy thẳng có gió ngang 80 km/h - Điện áp điều khiển $U_e$
- Góc xoay bánh sau $\delta_r$
- Sai lệch vận tốc góc $e(t)$		 Dạng đáp ứng điện áp $U_{e_TN}$ và góc lái sau $\delta_{r_TN}$ bám sát mô phỏng $U_{e_MP}$, triệt tiêu sai lệch $e(t)$ sau khoảng thời gian tác động của xung gió ngang.
Quay vòng thiếu 60 km/h - Điện áp điều khiển $U_e$
- Góc xoay bánh sau $\delta_r$
- Vận tốc góc $\dot{\psi}$		 Bánh sau xoay ngược chiều bánh trước với biên độ góc lái thực nghiệm bám sát đường cong mô phỏng, bù đắp thiếu hụt mô-men quay thân xe.
Quay vòng thừa 60 km/h - Điện áp điều khiển $U_e$
- Góc xoay bánh sau $\delta_r$
- Độ trễ đáp ứng		 Bánh sau xoay cùng chiều bánh trước, điện áp điều khiển đảo chiều chính xác theo thuật toán PID-GA, ổn định gia tốc ngang và góc lắc thân xe.

Các kết quả so sánh tại Phụ lục A của luận án cho thấy sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm nằm trong giới hạn cho phép của hệ thống cơ điện tử ô tô, khẳng định tính đúng đắn của mô hình toán và thuật toán điều khiển đã thiết kế.

Kết quả và những đóng góp mới

1. Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học

  • Thiết lập hoàn chỉnh hệ thống phương trình động học và động lực học chi tiết cho hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS), tích hợp đồng thời mô hình toán của bộ chấp hành cơ điện tử thực tế (động cơ điện DC, cơ cấu biến đổi chuyển động trục vít - ê-cu bi, hình thang lái Đantô) với mô hình động lực học không gian thân xe và mô hình tương tác lốp - mặt đường đàn hồi.
  • Ứng dụng thành công giải thuật di truyền (GA) để tối ưu hóa thích nghi các tham số khuếch đại ($K_p, K_i, K_d$) của bộ điều khiển PID theo trạng thái động lực học thực tế (gia tốc ngang và sai lệch vận tốc góc xoay thân xe), khắc phục nhược điểm của các bộ điều khiển PID truyền thống với hệ số cố định.

2. Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Thiết kế, chế tạo thành công bệ thử nghiệm bán thực nghiệm HILS (Hardware-in-the-loop) hoàn chỉnh, tích hợp bộ chấp hành 4WS thực tế của ô tô Honda Prelude với hệ thống máy tính thời gian thực và cảm biến đo lường.
  • Kiểm chứng thực nghiệm độ tin cậy của thuật toán điều khiển PID-GA trên phần cứng thực tế qua 3 chế độ chuyển động nguy hiểm điển hình (chạy thẳng chịu gió ngang 80 km/h, quay vòng thiếu 60 km/h, quay vòng thừa 60 km/h).
  • Cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp luận kỹ thuật phục vụ việc nghiên cứu, phát triển, thử nghiệm và tiến tới nội địa hóa công nghệ an toàn chủ động, hệ thống điều khiển lái thông minh trên các dòng xe sản xuất, lắp ráp tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của luận án

  • Quá trình thử nghiệm mới dừng lại ở mức độ bán thực nghiệm trên bệ thử phần cứng trong vòng lặp (HILS) đặt trong phòng thí nghiệm, chưa tiến hành thử nghiệm toàn diện trên xe thực tế vận hành ngoài đường giao thông.
  • Các kịch bản khảo sát mô phỏng và thực nghiệm mới tập trung vào các mức vận tốc cố định (60 km/h và 80 km/h) trong điều kiện hệ số bám mặt đường đồng nhất, chưa khảo sát trên dải tốc độ liên tục thay đổi hoặc trên mặt đường có hệ số bám thay đổi đột ngột giữa hai bên bánh xe ($\mu$-split).
  • Mô hình động cơ điện và ma sát cơ cấu lái được tuyến tính hóa ở một số khâu để đơn giản hóa thuật toán tính toán.

2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Hoàn thiện và tích hợp bộ điều khiển lên xe thử nghiệm thực tế để đo kiểm trên đường thử chuyên dụng ở dải tốc độ cao hơn và các điều kiện địa hình phức tạp.
  • Nghiên cứu tích hợp thuật toán điều khiển phối hợp đa hệ thống giữa hệ thống lái bốn bánh (4WS) với hệ thống kiểm soát ổn định điện tử (ESC/ESP), hệ thống lái trước tích cực (AFS) và hệ thống phanh chống hãm cứng (ABS).
  • Mở rộng ứng dụng thuật toán điều khiển thích nghi hiện đại nhằm đáp ứng các yêu cầu kiểm soát chuyển động tự hành trên xe điện và xe thông minh trong tương lai.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu có giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cao cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Cung cấp phương pháp luận chặt chẽ trong việc xây dựng mô hình toán học cơ hệ nhiều bậc tự do bằng phương trình Lagrange loại II, nguyên lý D'Alembert và kỹ thuật tối ưu hóa tham số điều khiển bằng giải thuật di truyền (GA).
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) ngành ô tô: Có thể khai thác các thông số thiết kế hình học hình thang lái Đantô cầu sau (Chương 2) và sơ đồ mạch điều khiển công suất PWM cho bộ chấp hành lái điện.
  • Các phòng thí nghiệm động lực học ô tô: Là tài liệu hướng dẫn mẫu về quy trình thiết kế, xây dựng và ghép nối tín hiệu bệ thử nghiệm mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (HILS) kết hợp cảm biến tải trọng và encoder số.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên lý phân bố góc xoay bánh sau của hệ thống lái 4WS phụ thuộc vào dải vận tốc chuyển động như thế nào?

Theo quy luật động học được trình bày trong luận án:

  • Ở dải vận tốc thấp: Bánh xe dẫn hướng phía sau được điều khiển xoay ngược chiều với bánh xe dẫn hướng phía trước. Điều này làm dịch chuyển tâm quay vòng tức thời về phía giữa hai trục, giúp giảm bán kính quay vòng tối thiểu của xe (từ $4,45\text{ m}$ xuống $3,789\text{ m}$ trên xe mẫu Honda Prelude), tăng tính cơ động khi quay đầu hoặc đỗ xe.
  • Ở dải vận tốc cao: Bánh sau được điều khiển xoay cùng chiều với bánh trước. Quy luật này giúp triệt tiêu góc lệch thân xe, giảm lực quán tính ly tâm khi chuyển làn hoặc đổi hướng, giữ cho quỹ đạo xe chuyển động tịnh tiến ổn định và chống văng trượt.

2. Bộ điều khiển PID tối ưu bằng giải thuật di truyền (GA) tiếp nhận tín hiệu đầu vào và xuất tín hiệu đầu ra như thế nào?

  • Tín hiệu đầu vào: Sai lệch $e(t) = \dot{\psi}_d - \dot{\psi}$, trong đó $\dot{\psi}$ là vận tốc góc xoay thân xe thực tế đo từ cảm biến, $\dot{\psi}_d$ là vận tốc góc xoay thân xe lý thuyết được tính toán từ góc đánh lái trục trước $\delta_f$, chiều dài cơ sở $L$, vận tốc xe $v$ và hệ số quay vòng $K_S$.
  • Cơ chế tối ưu GA: Giải thuật di truyền tìm kiếm và cập nhật bộ tham số khuếch đại ($K_p, K_i, K_d$) tối ưu tương ứng với từng mức gia tốc ngang $a_y$ nhằm cực tiểu hóa hàm mục tiêu sai số tích phân.
  • Tín hiệu đầu ra: Tín hiệu điện áp điều khiển $U_e(t)$ dạng xung PWM cấp tới mạch công suất của động cơ điện DC, làm xoay cơ cấu vít me - ê-cu bi để đạt đúng góc lái sau $\delta_r$ mong muốn.

3. Các thông số kỹ thuật chính của cơ cấu chấp hành hệ thống lái sau xe Honda Prelude sử dụng trong luận án là gì?

Cơ cấu chấp hành sử dụng động cơ điện DC kết hợp hộp giảm tốc và trục vít - ê-cu bi có các thông số thực tế:

  • Điện trở phần ứng: $R_m = 1,086\ \Omega$; Điện cảm phần ứng: $L_m = 0,01216\text{ H}$.
  • Hệ số mô-men động cơ: $K_m = 20,1\text{ N}\cdot\text{m}/\text{A}$; Hệ số sức phản điện động: $K_b = 0,011\text{ V}/(\text{rad}/\text{s})$.
  • Tỷ số truyền hộp giảm tốc: $G_m = 16,13$; Tỷ số truyền trục vít - ê-cu bi: $G_s = 19,47\text{ rad}/\text{mm}$.
  • Khối lượng quy dẫn về thước lái: $m_r = 2,5\text{ kg}$; Hệ số cứng quy dẫn: $K = 42057\text{ N}\cdot\text{m}/\text{rad}$; Hệ số cản quy dẫn: $c = 0,36042\text{ N}\cdot\text{m}/(\text{rad}/\text{s})$.

4. Hệ thống thực nghiệm HILS trong luận án được cấu hình và vận hành như thế nào?

Hệ thống HILS được thiết kế theo cấu trúc vòng kín:

  • Máy tính đóng vai trò bộ xử lý trung tâm, chạy mô hình động lực học chuyển động ô tô thời gian thực trên Matlab/Simulink.
  • Tín hiệu góc xoay vành lái $\theta_w$ được người lái thực hiện và thu nhận qua cảm biến Encoder Omron E6B2-CWZ6C.
  • Bộ điều khiển tính toán thuật toán PID-GA và gửi lệnh qua cổng giao tiếp tới mạch vi điều khiển phát xung PWM điều khiển động cơ chấp hành lái sau thực tế.
  • Góc quay thực tế của đòn lái và phản lực mặt đường được cảm biến tải trọng AND LC-1205 đo đạc, sau đó truyền ngược lại máy tính để cập nhật trạng thái động lực học của ô tô trong bước tính tiếp theo.

5. Kết quả kiểm chứng thực nghiệm cho thấy hệ thống lái 4WS cải thiện độ ổn định chuyển động như thế nào khi có gió ngang?

Khi xe chạy thẳng ở vận tốc 80 km/h và chịu xung lực gió ngang $F_{wy}$, xe truyền thống 2WS bị lệch hướng liên tục do lốp sau trượt bên và thân xe phát sinh vận tốc góc $\dot{\psi}$. Khi kích hoạt hệ thống 4WS điều khiển PID-GA, hệ thống lập tức cấp điện áp $U_e$ điều khiển góc xoay bánh sau cùng hướng với hướng gió để sinh mô-men đối kháng, triệt tiêu sai lệch vận tốc góc $e(t) \to 0$, giúp xe duy trì quỹ đạo chuyển động thẳng mà người lái không cần phải đánh lái bù gắt.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Hữu Mạnh đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu về điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng hệ thống lái bốn bánh (4WS). Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa toán học động lực học không gian, tối ưu hóa bộ điều khiển PID bằng giải thuật di truyền (GA) và kiểm chứng thực nghiệm trên bệ thử phần cứng trong vòng lặp (HILS) với cụm chấp hành xe Honda Prelude thực tế, công trình đã chứng minh rõ rệt khả năng nâng cao an toàn chủ động của phương tiện khi chuyển làn ở tốc độ cao và khi chịu tác động của gió ngang. Đây là công trình nghiên cứu hoàn chỉnh, có giá trị học thuật cao và đóng góp thiết thực cho sự phát triển của ngành kỹ thuật cơ khí động lực và công nghệ ô tô tại Việt Nam.