Nghiên cứu Điều khiển Ổn định Quỹ đạo Ô tô Bằng Hệ Thống Lái Bốn Bánh (4WS)

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Đặc điểm giao thông Việt Nam

1.2. Sự gia tăng phương tiện giao thông đường bộ; tai nạn giao thông đường bộ

1.3. An toàn chủ động

1.4. Ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

1.4.1. Các nguyên nhân gây ra mất ổn định quỹ đạo chuyển động

1.5. Các giải pháp ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

1.6. Xu hướng phát triển hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng

1.6.1. Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng cơ khí

1.6.2. Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng thủy lực

1.6.3. Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng điện tử

1.7. Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.7.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.7.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

1.8. Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của đề tài

1.9. Kết luận Chương 1

2. CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG

2.1. Động học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng

2.1.1. Động học đổi hướng chuyển động của ô tô với hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng

2.1.2. Quan hệ góc xoay bánh xe phía trước và phía sau trên ô tô bốn bánh dẫn hướng thực tế

2.1.3. Động học hình thang lái phía sau trên ô tô bốn bánh dẫn hướng

2.2. Động lực học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng

2.2.1. Động lực học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng

2.2.2. Động lực học ô tô

2.2.2.1. Mô hình hai vết trong mặt phẳng

2.2.2.2. Mô hình không gian xác định phản lực thẳng đứng

2.2.3. Mô phỏng động lực học bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng

2.2.3.1. Cơ sở lý thuyết điều chế xung PWM

2.2.3.2. Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ phận chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng

2.2.3.3. Mô phỏng bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng

2.5. Kết luận Chương 2

3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG

3.1. Mô hình động lực học một vết của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng

3.2. Giải pháp thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái 4WS

3.2.1. Mục đích thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái 4WS

3.2.2. Giới thiệu một số phương pháp điều khiển hệ thống lái 4WS

3.3. Thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái 4WS

3.3.1. Sơ đồ mô phỏng động lực học chuyển động của ô tô với hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng

3.3.2. Cơ sở lý thuyết của bộ điều khiển PID

3.3.3. Giải thuật di truyền GA

3.3.4. Thiết kế bộ điều khiển PID-GA cho hệ thống lái 4WS

3.4. Khảo sát tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

3.4.1. Mô hình Matlab/Simulink mô phỏng động lực học ô tô với hệ thống lái 4WS điều khiển PID-GA

3.4.2. Khảo sát khả năng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô ở các trạng thái chuyển động

3.5. Kết luận Chương 3

4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

4.1. Mục đích và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

4.1.1. Mục đích, đối tượng và các thông số cần đo

4.1.2. Các phương pháp thí nghiệm

4.1.3. Lựa chọn phương pháp thí nghiệm

4.2. Thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm

4.2.1. Kết cấu cơ khí

4.2.2. Cảm biến đo tải trọng

4.2.3. Cảm biến đo góc xoay vô lăng

4.2.4. Máy tính kết nối

4.3. Các khối chức năng bộ điều khiển hệ thống lái sau 4WS

4.4. Quy trình thực nghiệm

4.4.1. Các thông số kỹ thuật

4.4.2. Các bước thực nghiệm

4.4.3. Đánh giá sai số mô hình thực nghiệm

4.4.4. Mô hình Matlab/Simulink thực nghiệm mô phỏng động lực học ô tô với hệ thống lái 4WS điều khiển PID-GA

4.4.5. Chế độ chuyển động thẳng với vận tốc 80 km/h có gió ngang

4.4.6. Chế độ quay vòng thiếu với vận tốc 60 km/h

4.4.7. Chế độ quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h

4.5. Kết luận Chương 4

KẾT LUẬN

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC A: SO SÁNH GIÁ TRỊ THÍ NGHIỆM P1

PHỤ LỤC C: MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM P25

I. Tổng Quan Về Hệ Thống 4WS Giải Pháp Điều Khiển Ổn Định

An toàn chuyển động là một trong các tiêu chí quan trọng để đánh giá chất lượng ô tô. Khi vận tốc ô tô tăng, các yếu tố từ đường sá, thời tiết, kỹ thuật và con người càng ảnh hưởng lớn, đặc biệt là đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Hệ thống lái, một thành phần then chốt, có chức năng thay đổi hướng và duy trì quỹ đạo khi xe di chuyển. Vì vậy, hệ thống lái đóng vai trò thiết yếu trong an toàn chủ động và điều khiển ổn định xe. Hiện nay, ngành công nghiệp ô tô đã áp dụng nhiều biện pháp để cải thiện vấn đề này, bao gồm hệ thống lái tích cực, ESP, và đặc biệt là hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng (4WS). Hệ thống 4WS điều chỉnh cả hai trục, đảm bảo quỹ đạo di chuyển của ô tô theo ý muốn của người lái. Luận án này tập trung vào việc nghiên cứu các giải pháp điều khiển lái bốn bánh để tăng cường tính ổn định khi xe đổi hướng. Luận án tập trung vào nghiên cứu các giải pháp điều khiển bánh xe dẫn hướng phía sau để nâng cao tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô khi đổi hướng chuyển động, cụ thể như sau:Phân tích tổng quan giải pháp ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô khi đổi hướng và các nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Ổn Định Quỹ Đạo Chuyển Động

Việc duy trì ổn định quỹ đạo là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách. Khi xe di chuyển với tốc độ cao hoặc trong điều kiện thời tiết xấu, nguy cơ mất kiểm soát tăng lên đáng kể. Hệ thống 4WS control đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu rủi ro này bằng cách cải thiện khả năng phản ứng của xe và giúp người lái dễ dàng điều khiển xe hơn trong các tình huống khẩn cấp. Theo tài liệu, sự ảnh hưởng từ đường sá, thời tiết và yếu tố kỹ thuật, con người đến quỹ đạo chuyển động là rất lớn khi vận tốc ô tô càng cao.

1.2. Ưu Điểm Của Hệ Thống Lái Bốn Bánh 4WS

Hệ thống 4WS mang lại nhiều lợi ích so với hệ thống lái truyền thống. Một trong những ưu điểm chính là khả năng cải thiện độ ổn định và khả năng điều khiển của xe. Bằng cách điều chỉnh góc lái của cả bốn bánh xe, hệ thống có thể giảm thiểu hiện tượng văng đuôi và cải thiện khả năng bám đường, đặc biệt là trong các tình huống vào cua hoặc chuyển làn. Ngoài ra, 4WS cũng có thể giúp giảm bán kính quay vòng, giúp xe dễ dàng di chuyển trong không gian hẹp. Luận án tập trung vào nghiên cứu các giải pháp điều khiển bánh xe dẫn hướng phía sau để nâng cao tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô khi đổi hướng chuyển động.

1.3. Đối Tượng Nghiên Cứu Của Luận Án

Đối tượng nghiên cứu chính của luận án là hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng của ô tô HONDA Prelude. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát chuyển động của ô tô ổn định tại tốc độ cao có xét đến ảnh hưởng của lực gió ngang và quay vòng. Về thực nghiệm: sử dụng mô hình bán thực nghiệm của hệ thống lái 4WS. Thí nghiệm được thực hiện dựa trên mô hình mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (Hardware In The Loop Simulation - HILS).

II. Thách Thức Nguyên Nhân Gây Mất Ổn Định Quỹ Đạo Xe

Mất ổn định quỹ đạo ô tô có thể do nhiều yếu tố gây ra, từ điều kiện đường sá đến tác động của gió. Các nguyên nhân chính bao gồm bề mặt đường trơn trượt, lốp xe bị mòn, hệ thống treo kém chất lượng và ảnh hưởng của gió ngang. Những yếu tố này có thể làm giảm khả năng bám đường của xe và gây khó khăn cho người lái trong việc duy trì quỹ đạo mong muốn. Đặc biệt, trong các tình huống phanh gấp hoặc vào cua, nguy cơ mất kiểm soát tăng lên đáng kể. Một nguyên nhân khác là lực phanh không đồng đều. Hệ thống lái là một trong những hệ thống quan trọng của ô tô, có chức năng thay đổi hướng và ổn định quỹ đạo khi ô tô chuyển động. Vì vậy, nó đóng vai trò quan trọng trong tính an toàn chủ động chuyển động của ô tô nói chung và quỹ đạo chuyển động của ô tô nói riêng.

2.1. Ảnh Hưởng Của Gió Ngang Đến Quỹ Đạo Chuyển Động

Gió ngang là một yếu tố môi trường có thể gây ảnh hưởng lớn đến quỹ đạo chuyển động của ô tô, đặc biệt là khi xe di chuyển với tốc độ cao. Lực gió tác động lên thân xe có thể tạo ra một lực đẩy ngang, khiến xe lệch khỏi quỹ đạo mong muốn. Để đối phó với tình huống này, người lái cần phải điều chỉnh góc lái một cách liên tục, gây ra sự mệt mỏi và tăng nguy cơ mất kiểm soát. Theo tài liệu, khảo sát chuyển động của ô tô ổn định tại tốc độ cao có xét đến ảnh hưởng của lực gió ngang và quay vòng.

2.2. Tác Động Của Điều Kiện Đường Xá Lên Khả Năng Bám Đường

Điều kiện đường xá đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng bám đường của xe. Bề mặt đường trơn trượt, do mưa, tuyết hoặc băng, có thể làm giảm đáng kể lực ma sát giữa lốp xe và mặt đường. Trong tình huống này, việc duy trì điều khiển ổn định trở nên khó khăn hơn bao giờ hết. Hệ thống 4WS có thể giúp cải thiện tình hình bằng cách điều chỉnh góc lái của các bánh xe để tối ưu hóa lực bám đường và giảm thiểu nguy cơ trượt bánh.

2.3. Vai Trò Của Hệ Thống Treo Trong Ổn Định Quỹ Đạo

Hệ thống treo có vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định ô tô bằng cách hấp thụ các rung động và giảm thiểu sự dao động của thân xe. Một hệ thống treo hoạt động tốt có thể giúp cải thiện khả năng bám đường của xe và giảm nguy cơ mất kiểm soát. Tuy nhiên, nếu hệ thống treo bị mòn hoặc hư hỏng, nó có thể làm giảm hiệu quả của hệ thống lái và làm tăng nguy cơ mất ổn định. Hệ thống treo có vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định ô tô bằng cách hấp thụ các rung động và giảm thiểu sự dao động của thân xe.

III. Phương Pháp Điều Khiển 4WS PID GA Tối Ưu Quỹ Đạo Xe

Để giải quyết vấn đề ổn định quỹ đạo chuyển động, luận án tập trung vào việc thiết kế và tối ưu hóa bộ điều khiển 4WS. Phương pháp tiếp cận chính là sử dụng bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) kết hợp với thuật toán di truyền GA (Genetic Algorithm). Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều chỉnh góc lái của các bánh xe phía sau, trong khi thuật toán GA được sử dụng để tối ưu hóa các tham số của bộ điều khiển. Mục tiêu là tìm ra các tham số tối ưu giúp hệ thống 4WS phản ứng nhanh chóng và chính xác với các thay đổi trong điều kiện lái xe, từ đó duy trì quỹ đạo ô tô một cách ổn định.

3.1. Cơ Sở Lý Thuyết Của Bộ Điều Khiển PID

Bộ điều khiển PID là một trong những bộ điều khiển phổ biến nhất trong kỹ thuật điều khiển tự động. Nó sử dụng ba thành phần chính - tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) - để điều chỉnh đầu ra của hệ thống dựa trên sai lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế. Thành phần tỉ lệ phản ánh sai lệch hiện tại, thành phần tích phân loại bỏ sai lệch tĩnh, và thành phần vi phân dự đoán sai lệch trong tương lai. Kết hợp lại, ba thành phần này tạo ra một bộ điều khiển mạnh mẽ có khả năng đáp ứng nhanh chóng và chính xác với các thay đổi trong hệ thống. Sử dụng bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) kết hợp với thuật toán di truyền GA (Genetic Algorithm).

3.2. Ứng Dụng Thuật Toán Di Truyền GA Để Tối Ưu Hóa PID

Thuật toán di truyền GA là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên các nguyên tắc của tiến hóa sinh học. Nó bắt đầu với một quần thể các giải pháp ngẫu nhiên và sau đó sử dụng các toán tử di truyền như lai ghép và đột biến để tạo ra các thế hệ giải pháp mới. Các giải pháp tốt hơn sẽ có khả năng sống sót và sinh sản cao hơn, dẫn đến sự cải thiện dần dần của quần thể theo thời gian. Trong luận án, GA được sử dụng để tìm ra các tham số tối ưu cho bộ điều khiển PID, giúp hệ thống 4WS đạt được hiệu suất cao nhất. Thuật toán GA được sử dụng để tối ưu hóa các tham số của bộ điều khiển. Mục tiêu là tìm ra các tham số tối ưu giúp hệ thống 4WS phản ứng nhanh chóng và chính xác với các thay đổi trong điều kiện lái xe.

3.3. Mô Hình Matlab Simulink Cho Điều Khiển PID GA

Luận án sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để xây dựng mô hình mô phỏng động lực học của ô tô với hệ thống lái 4WS điều khiển PID-GA. Mô hình này cho phép các nhà nghiên cứu khảo sát quỹ đạo chuyển động của ô tô trong một số trường hợp điển hình, như khi xe di chuyển trong điều kiện có gió ngang hoặc khi xe vào cua. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng bộ điều khiển PID-GA có khả năng cải thiện đáng kể tính ổn định quỹ đạo của xe. Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để khảo sát quỹ đạo chuyển động của ô tô trong một số trường hợp điển hình.

IV. Nghiên Cứu Thực Nghiệm Kiểm Chứng Trên Mô Hình HILS 4WS

Để kiểm chứng tính hiệu quả của phương pháp điều khiển ổn định đề xuất, luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình HILS (Hardware-in-the-Loop Simulation). Mô hình này kết hợp các thành phần phần cứng thực tế với mô phỏng phần mềm, cho phép kiểm tra hệ thống 4WS trong môi trường gần với thực tế. Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá khả năng duy trì quỹ đạo chuyển động của xe trong các tình huống khác nhau, như khi xe di chuyển trên đường thẳng với gió ngang hoặc khi xe vào cua ở tốc độ cao. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng hệ thống 4WS điều khiển PID-GA có khả năng cải thiện đáng kể tính ổn định của xe so với hệ thống lái truyền thống.

4.1. Thiết Kế Và Chế Tạo Mô Hình Thí Nghiệm HILS

Mô hình thí nghiệm HILS được thiết kế để mô phỏng các điều kiện lái xe thực tế một cách chính xác nhất có thể. Nó bao gồm các thành phần phần cứng như hệ thống lái 4WS, cảm biến đo tải trọng, cảm biến đo góc xoay vô lăng và máy tính kết nối. Các thành phần này được tích hợp với phần mềm mô phỏng để tạo ra một môi trường thử nghiệm toàn diện. Mô hình này kết hợp các thành phần phần cứng thực tế với mô phỏng phần mềm, cho phép kiểm tra hệ thống 4WS trong môi trường gần với thực tế.

4.2. Quy Trình Thực Nghiệm Và Đánh Giá Sai Số

Quy trình thực nghiệm bao gồm các bước chuẩn bị, thực hiện và đánh giá kết quả. Trước khi bắt đầu thí nghiệm, các thông số kỹ thuật của hệ thống được kiểm tra và điều chỉnh. Trong quá trình thực nghiệm, các cảm biến được sử dụng để thu thập dữ liệu về quỹ đạo chuyển động của xe. Sau khi thí nghiệm kết thúc, dữ liệu được phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống 4WS và xác định các sai số có thể xảy ra. Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá khả năng duy trì quỹ đạo chuyển động của xe trong các tình huống khác nhau, như khi xe di chuyển trên đường thẳng với gió ngang hoặc khi xe vào cua ở tốc độ cao.

4.3. Kết Quả Thí Nghiệm Trong Các Chế Độ Chuyển Động

Các thí nghiệm được thực hiện trong ba chế độ chuyển động chính: chuyển động thẳng với gió ngang, quay vòng thiếu và quay vòng thừa. Kết quả cho thấy rằng hệ thống 4WS điều khiển PID-GA có khả năng cải thiện đáng kể tính ổn định của xe trong cả ba chế độ. Đặc biệt, trong chế độ quay vòng thiếu và quay vòng thừa, hệ thống giúp giảm thiểu hiện tượng văng đuôi và cải thiện khả năng bám đường. Thí nghiệm được thực hiện dựa trên mô hình mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (Hardware In The Loop Simulation - HILS).

V. Kết Luận Hiệu Quả Điều Khiển 4WS Cho Ổn Định Quỹ Đạo

Nghiên cứu đã chứng minh tính hiệu quả của hệ thống 4WS trong việc cải thiện ổn định quỹ đạo của ô tô. Bộ điều khiển PID-GA được thiết kế và tối ưu hóa đã cho thấy khả năng đáp ứng nhanh chóng và chính xác với các thay đổi trong điều kiện lái xe. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đều cho thấy rằng hệ thống 4WS có thể giúp giảm thiểu nguy cơ mất kiểm soát và cải thiện khả năng bám đường của xe. Tuy nhiên, cần có thêm nghiên cứu để đánh giá hiệu quả của hệ thống trong các điều kiện lái xe khắc nghiệt hơn và để khám phá các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn.

5.1. Những Kết Quả Đạt Được Trong Nghiên Cứu

Luận án đã xây dựng mô hình động học và động lực học của hệ thống lái 4WS trên cơ sở sử dụng cơ cấu bộ chấp hành 4WS có sẵn trên ô tô. Thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái sau để ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Đã xây dựng mô hình động lực học chuyển động của ô tô để mô phỏng và thiết kế bộ điều khiển lái sau có xét đến bộ chấp hành sử dụng trên ô tô thực tế.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Cho Hệ Thống 4WS

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tích hợp hệ thống 4WS với các hệ thống an toàn khác, như ABS (Anti-lock Braking System) và ESP (Electronic Stability Control), để tạo ra một hệ thống an toàn toàn diện hơn. Ngoài ra, có thể nghiên cứu các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn, như điều khiển dự đoán mô hình (MPC), để cải thiện hơn nữa hiệu suất của hệ thống 4WS. Cần có thêm nghiên cứu để đánh giá hiệu quả của hệ thống trong các điều kiện lái xe khắc nghiệt hơn và để khám phá các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn.

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BẰNG HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH