Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "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 (Hà Nội, 06-2023), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Tuấn Anh và TS. Đặng Việt Hà. Luận án thuộc ngành Kỹ thuật cơ khí động lực, mã số đào tạo trong văn bản ghi nhận là 9. 16.

Tính cấp thiết của luận án bắt nguồn từ thực trạng an toàn giao thông đường bộ liên quan đến sự mất ổn định hướng chuyển động của phương tiện khi vận hành ở tốc độ cao hoặc trong các tình huống khẩn cấp. Theo số liệu thống kê của Cơ quan Quản lý Đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ (FHWA), tai nạn do phương tiện chệch quỹ đạo (mất lái - run-off-road) chiếm khoảng 70% tổng số vụ tai nạn giao thông dẫn đến tử vong; riêng tai nạn mất lái do một phương tiện tự gây ra chiếm trên 40% số ca tử vong tại Hoa Kỳ, gây thiệt hại ước tính 110 tỷ USD mỗi năm, làm 15.000 người chết và 1.000 người bị thương. Số liệu của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO, 2021) ghi nhận toàn cầu có khoảng 1,3 triệu người tử vong do tai nạn giao thông hàng năm, trong đó tỷ lệ tử vong do mất lái chiếm trên 35%. Tại Việt Nam, sự gia tăng nhanh chóng về số lượng phương tiện trong khi hạ tầng giao thông chưa đáp ứng kịp thời khiến tai nạn giao thông diễn biến phức tạp. Trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô trong nước đang từng bước nội địa hóa và làm chủ công nghệ, việc nghiên cứu các hệ thống an toàn chủ động là yêu cầu cấp thiết nhằm phục vụ công tác thiết kế, chế tạo, kiểm định chất lượng ô tô nhập khẩu và xe cải tạo.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định: Các công trình trong nước phần lớn tập trung vào giải thuật chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS) đơn thuần, hoặc nghiên cứu ổn định hướng bằng hệ thống lái chủ động (AFS) mà chưa giải quyết trọn vẹn mô hình động lực học cơ cấu chấp hành thủy lực của phanh. Các hãng sản xuất nước ngoài giữ kín thuật toán điều khiển và thông số phần cứng dưới dạng tài liệu bảo mật thương mại. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống về việc thiết lập một mô hình toán học hoàn chỉnh cho bộ chấp hành thủy lực ABS tích hợp với mô hình xe tổng quát, từ đó thiết kế bộ điều khiển phần cứng thực tế và kiểm chứng bằng phương pháp bán thực nghiệm.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

  1. Xây dựng mô hình động lực học hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực và mô hình động lực học tổng quát của ô tô du lịch.
  2. Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ABS-ESP nhằm điều khiển bộ chấp hành ABS tạo lực phanh độc lập tại các bánh xe, ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực trên dòng xe du lịch LEXUS GX 470 - 2003.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giải pháp ổn định quỹ đạo chuyển động cho ô tô con; khảo sát chế độ làm việc độc lập của hệ thống phanh tự động ESP khi xe chuyển động quay vòng đều ở trạng thái quay vòng thừa, quay vòng thiếu và khi chuyển làn kép (double lane change) theo tiêu chuẩn ISO 3888-2:2011; 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

Tổng quan tài liệu trong luận án được phân chia theo ba hướng nghiên cứu chính:

  1. Hướng nghiên cứu về mô hình động lực học ô tô:
  • Rajesh Rajamani (2006, 2012) cung cấp hệ thống lý thuyết về mô hình động lực học điều khiển ô tô, bao gồm kiểm soát hành trình, kiểm soát chệch hướng và tương tác lốp - mặt đường.
  • Joop Pauwelussen làm rõ cơ sở toán học phi tuyến của động lực học ô tô và cơ chế tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường.
  • Hans B. Pacejka phát triển mô hình lốp bán thực nghiệm "Magic Formula" với bộ 10 đến 20 tham số thực nghiệm để xác định chính xác lực dọc, lực ngang và mô men tự chỉnh hướng tại vùng tiếp xúc.
  1. Hướng nghiên cứu về điều khiển hệ thống phanh:
  • Zhang và cộng sự nghiên cứu quan hệ tuyến tính giữa chênh áp giới hạn và dòng điện điều khiển van điện từ ON/OFF bằng tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) trong hệ thống phanh thủy lực.
  • Jian-wei và cộng sự mô hình hóa và mô phỏng khối điều khiển thủy lực (HCU) của ABS gồm van điện từ, mô tơ và bơm trong Matlab-Simulink.
  • Van Zanten và cộng sự chứng minh hệ thống cân bằng điện tử ESP cải thiện tính ổn định của ô tô trong điều kiện chuyển động khắc nghiệt thông qua việc kiểm soát góc trượt và mô men quay thân xe bằng lực phanh độc lập.
  • Rengaraj và cộng sự kết hợp mô phỏng giữa Matlab-Simulink và phần mềm SimCar để nghiên cứu động lực học ô tô trang bị ABS.
  • M. Oudghiri và cộng sự đề xuất phương pháp điều khiển trượt kết hợp logic mờ (Fuzzy-Sliding) cho hệ thống phanh ABS.
  • Hyeongcheol Lee và Masayoshi Tomizuka (1995) ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để chống trượt quay bánh xe; Morton (2004) phát triển bộ điều khiển PID-Fuzzy tính toán mô men quay thân xe bổ sung cho mô hình xe tự hành.
  • Aksjonov và cộng sự nghiên cứu thuật toán mờ cho hệ thống ABS-ESP trên xe thể thao đa dụng (SUV); Cem Unsal và Pushkin Kachroo thiết kế bộ điều khiển trượt phi tuyến kết hợp bộ lọc Kalman; Ming Chin Wu và Ming Chang Shih ứng dụng điều khiển PWM kết hợp trượt trên băng thử.
  1. Hướng nghiên cứu thực nghiệm phần cứng trong vòng lặp (HILS):
  • Cho và cộng sự phát triển hệ thống HILS 14 bậc tự do để kiểm tra bộ điều khiển ABS/ASR trên ô tô thương mại.
  • D'Alessandro và cộng sự thiết lập bàn thử cơ điện tử cho hộp điều khiển ABS/ESP kết nối mạng CAN.
  • Aksjonov và cộng sự xây dựng bàn thử HILS cho hệ thống phanh điện - thủy lực tách rời với thuật toán nhận dạng mặt đường.
  • Sun và cộng sự ứng dụng hệ thống Labcar của ETAS chạy trên máy tính thời gian thực (RTPC) để kiểm tra bộ điều khiển phanh.

Tại Việt Nam, các tác giả đi trước đã đóng góp các nền tảng quan trọng:

  • Nguyễn Khắc Trai (1997) phân tích lý thuyết về tính điều khiển, quỹ đạo chuyển động và đặc tính biến dạng bên của lốp chịu lực ngang và gió ngang.
  • Nguyễn Tuấn Anh (2006, 2009) xây dựng mô hình dao động không gian ô tô có thanh ổn định ngang và nghiên cứu điều khiển tích hợp hệ thống phanh - hệ thống lái bằng logic mờ khi chuyển làn khẩn cấp.
  • Vũ Văn Tấn và cộng sự thiết kế bộ điều khiển bền vững cho phanh chủ động ngăn ngừa lật ngang xe tải dựa trên hệ số chuyển tải bên.
  • Nguyễn Anh Tuấn phát triển giải pháp lái chủ động AFS bằng thuật toán mờ trên hệ thống HILS nhưng chưa mô hình hóa bộ chấp hành thủy lực của phanh.
  • Các công trình của Hồ Hữu Hùng (ABS khí nén), Nguyễn Sỹ Đỉnh (phanh thủy lực ô tô UAZ-31512), Lại Năng Vũ (mô phỏng quỹ đạo phanh ABS) tập trung vào chức năng chống bó cứng.

Vị trí của luận án: Luận án kế thừa các mô hình động lực học ô tô mặt phẳng và không gian, giải quyết điểm nghẽn bằng việc thiết lập mô hình toán học giải tích chi tiết từng phần tử của bộ chấp hành thủy lực ABS (xilanh chính, van điện từ, bơm, bình tích năng, xilanh bánh xe), tích hợp thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để xác định tham số bộ điều khiển PID, đồng thời chế tạo phần cứng điều khiển thực tế và thử nghiệm kiểm chứng trên cụm cơ điện tử thật của xe LEXUS GX 470.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các hệ thống lý thuyết và công cụ phân tích kỹ thuật sau:

  1. Cơ sở lý thuyết động lực học chuyển động ô tô:
  • Mô hình ô tô hai vết (two-track model) trong mặt phẳng tọa độ gắn với thân xe để mô tả chuyển động dọc, chuyển động ngang và chuyển động quay quanh trục đứng (yaw motion).
  • Trạng thái quay vòng được phân tích thông qua mối quan hệ giữa bán kính quay vòng lý thuyết $R_0$ và bán kính quay vòng thực tế $R$: $$R_0 \approx \frac{L}{\delta_0}$$ $$R = \frac{L}{\delta_0 - (\alpha_f - \alpha_r)}$$ Trong đó $L$ là chiều dài cơ sở, $\delta_0$ là góc quay trung bình của bánh xe dẫn hướng, $\alpha_f$ và $\alpha_r$ là góc lệch bên của bánh xe cầu trước và cầu sau: $$\alpha_f \approx \frac{F_{yf}}{C_{\alpha f}}, \quad \alpha_r \approx \frac{F_{yr}}{C_{\alpha r}}$$ Hệ số quay vòng của ô tô $K_S$ xác định qua khối lượng $m$, khoảng cách trọng tâm tới các cầu $L_f, L_r$ và độ cứng bên $C_{\alpha f}, C_{\alpha r}$: $$K_S = \frac{m}{L}\left(\frac{L_r}{C_{\alpha f}} - \frac{L_f}{C_{\alpha r}}\right)$$ Tốc độ góc quay thân xe lý thuyết $\dot{\psi}^$ được tính toán từ vận tốc $v$ và góc lái $\delta_0$: $$\dot{\psi}^ = \frac{v \delta_0}{L + K_S v^2}$$ Sai lệch tốc độ góc quay thân xe $e$ là cơ sở nhận dạng trạng thái: $$e = \dot{\psi}^* - \dot{\psi}$$
  • Khi $\dot{\psi}^* = \dot{\psi}$ ($e = 0$): Xe quay vòng đúng (neutral steering).
  • Khi $\dot{\psi}^* < \dot{\psi}$ ($e < 0$): Xe quay vòng thừa (over steering) $\rightarrow$ ESP điều khiển phanh bánh trước phía ngoài tâm quay để tạo mô men chống xoay thân xe.
  • Khi $\dot{\psi}^* > \dot{\psi}$ ($e > 0$): Xe quay vòng thiếu (under steering) $\rightarrow$ ESP điều khiển phanh bánh sau phía trong tâm quay để tạo mô men hỗ trợ quay vòng.
  • Mô hình lốp bán thực nghiệm Magic Formula của Pacejka mô tả mối quan hệ phi tuyến giữa lực dọc $F_{xj}$, lực ngang $F_{yj}$, lực bám cực đại $F_\phi$ và góc lệch bên $\alpha$.
  • Mô hình dao động không gian xét chuyển vị thẳng đứng thân xe $z_s$, góc lắc ngang $\theta$, góc lắc dọc $\phi$, chuyển vị thẳng đứng của bánh xe $z_{uj}$, cùng ảnh hưởng độ cứng của hệ thống treo $k_{Sj}$ và thanh ổn định ngang $k_{Af}, k_{Ar}$.
  1. Cơ sở lý thuyết điều khiển và tối ưu hóa:
  • Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân (PID) được sử dụng để tính toán giá trị điện áp điều khiển bộ chấp hành phanh từ sai lệch đầu vào $e(t)$.
  • Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) được ứng dụng để dò tìm bộ thông số tối ưu $(K_p, K_i, K_d)$, triệt tiêu sai số và hạn chế dao động quá đà của thân xe.
  1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
  • Phương pháp bán thực nghiệm trên hệ thống phần cứng trong vòng lặp (HILS). Tín hiệu góc đánh lái, vận tốc xe từ mô hình mô phỏng thời gian thực được truyền tới bộ điều khiển ABS-ESP tự chế tạo; bộ điều khiển kích hoạt các van điện từ và mô tơ bơm của cụm chấp hành thủy lực thật. Áp suất thực tế sinh ra tại xilanh phanh bánh xe được đo bằng cảm biến áp suất chuyên dụng và phản hồi ngược lại mô hình tính toán.
  1. Nguồn tư liệu và dữ liệu thực nghiệm:
  • Thông số hình học, khối lượng, quán tính và hệ thống phanh của xe LEXUS GX 470 - 2003.
  • Cảm biến áp suất dầu dải đo 0 - 250 bar (Keller model PA-21Y, Thụy Sĩ).
  • Cảm biến góc quay vô lăng (Encoder xung Omron E6B2-CWZ6C, Nhật Bản).
  • Cảm biến siêu âm đo hành trình dịch chuyển piston xilanh chính.
  • Khối vi điều khiển và máy tính xử lý trung tâm chạy phần mềm Matlab-Simulink.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 trình bày tổng quan về thực trạng an toàn giao thông đường bộ, phân tích sâu các nguyên nhân vật lý gây mất ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô:

  • Mất ổn định do hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa ở tốc độ cao dưới tác dụng của lực quán tính ly tâm và biến dạng bên của lốp xe.
  • Mất ổn định do lực gió ngang $F_w$ làm xe lệch hướng, phụ thuộc vào tương quan giữa góc lệch bên cầu trước $\alpha_f$ và cầu sau $\alpha_r$.
  • Mất ổn định khi phanh gấp trên đường có hệ số bám không đều giữa hai vệt bánh xe, làm xuất hiện mô men xoay thân xe quanh trục đứng $M_z$.
  • Mất ổn định do hiện tượng bó cứng không đồng thời giữa các cầu: khi cầu sau bị bó cứng trước ($F_{xrmax} \ge F_\phi$), phản lực ngang cầu trước $F_{yf}$ tạo mô men cùng chiều với $M_z$, gia tăng nguy cơ quay trượt xe; khi cầu trước bó cứng trước, mô men tạo ra có xu hướng ổn định hướng.

Chương này so sánh hai giải pháp kỹ thuật chính:

  • Hệ thống lái chủ động (AFS): Điều chỉnh góc quay bánh xe dẫn hướng độc lập với góc quay vành lái, nhưng bị giới hạn bởi vùng làm việc tuyến tính của lốp và chỉ phát huy tác dụng ở dải gia tốc ngang thấp.
  • Hệ thống cân bằng điện tử (ESP): Tác động lực phanh độc lập tại từng bánh xe để tạo mô men xoay thân xe ổn định chuyển động. Giải pháp này hiệu quả trong cả vùng đặc tính lốp phi tuyến khi gia tốc ngang lớn. Tác giả tổng hợp các bằng chứng thực nghiệm quốc tế cho thấy ESP giúp giảm 22% đến 32% va chạm giao thông nói chung và giảm 33% đến 59% các vụ tai nạn liên quan đến mất lái và lật xe.

Từ việc phân tích tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, tác giả xác định mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của 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 giải tích cho cụm chấp hành ABS thủy lực của xe LEXUS GX 470 - 2003 gồm 4 kênh điều khiển độc lập:

  • Xilanh phanh chính hai buồng (tandem) được mô hình hóa thành hệ cơ học 2 bậc tự do chịu lực đạp của người lái: $$m_2 \ddot{x}2 + F{f2} \text{sign}\dot{x}_2 - b_1(\dot{x}_1 - \dot{x}_2) + b_2 \dot{x}_2 - k_1(x_1 - x_2) + k_2 x_2 = (p_1 - p_2)S$$
  • Dòng chảy thủy lực qua van tăng áp $Q_{Inj}$ và van giảm áp $Q_{Outj}$: $$Q_{Inj} = c_{qInj} A_{Inj} \sqrt{\frac{2 |p_i - p_{bj}|}{\rho}} \text{sign}(p_i - p_{bj})$$ $$Q_{Outj} = c_{qOutj} A_{Outj} \sqrt{\frac{2 |p_{bj} - p_a|}{\rho}} \text{sign}(p_{bj} - p_a)$$ Hệ số lưu lượng $c_{q}$ phụ thuộc vào sụt áp và sức cản thủy lực $\lambda$: $$c_{q} = c_{qmax} \tanh\left(2 \frac{\lambda}{\lambda_{cr}}\right)$$
  • Phương trình vi phân xác định sự biến thiên áp suất xilanh phanh bánh xe $p_{bj}$: $$\frac{dp_{bj}}{dt} = \frac{\beta_j}{V_j}\left(\pm Q_{In/Outj} - \frac{dV_j}{dt}\right)$$ Trong đó mô đun đàn hồi của dầu thủy lực $\beta_j$ thay đổi phi tuyến theo áp suất và tỷ lệ khí hòa tan $\alpha$: $$\beta_j = \beta_n \frac{1 + \alpha\left(\frac{p_{atm}}{p_{atm} + p_{bj}}\right)^{1/n}}{1 + \alpha \frac{\beta_n}{n(p_{atm} + p_{bj})}\left(\frac{p_{atm}}{p_{atm} + p_{bj}}\right)^{1/n}}$$
  • Bơm thủy lực cam lệch tâm: Lưu lượng tức thời $V_p = S_p e \sin(\phi_0 + \omega t)$ và mô men cản $M_p = Q_p(p_T - \eta_t p_a)/\omega$.
  • Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu: $$\frac{dI_m}{dt} = \frac{U_m - I_m R_m - k_\phi \omega}{L_m}, \quad \frac{d\omega}{dt} = \frac{k_\phi I_m - M_p - M_f}{J_m}$$
  • Bình tích năng thủy lực: Phương trình chuyển động piston $m_a \ddot{x}_a + b \dot{x}a + F{fa}\text{sign}\dot{x}_a + k_a x_a = p_a S_a$.
  • Van điện từ tăng áp (thường mở) và giảm áp (thường đóng): Cân bằng lực lõi van $m_{vj} \ddot{x}{vj} = -F{ej} + F_{sj} - F_{Bj} + F_{hj}$, với lực điện từ $F_{ej} = K_u U_{ej}(t) + K_x x_{vj}(t)$.

Kết quả mô phỏng bằng Matlab-Simulink cho thấy áp suất dầu xilanh phanh bánh xe đáp ứng tốt dưới các tần số điều khiển 10 Hz, 25 Hz và 50 Hz của tín hiệu điều chế xung PWM, tạo ra sự biến đổi áp suất dạng bậc thang hoặc hình thang phù hợp cho việc điều khiển phanh độc lập từng bánh khi ESP can thiệp.

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

Chương 3 thiết lập mô hình tích hợp giữa động lực học ô tô và bộ điều khiển lực phanh:

  • Mô hình động lực học ô tô gồm chuyển động hai vết trong mặt phẳng kết hợp mô hình dao động không gian đầy đủ và mô hình lốp Magic Formula.
  • Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển lực phanh dựa trên sai lệch $e = \dot{\psi}^* - \dot{\psi}$. Thuật toán PSO được áp dụng để tối ưu hóa ba tham số $K_p, K_i, K_d$ nhằm cực tiểu hóa hàm mục tiêu sai số.

Kết quả mô phỏng khảo sát tính ổn định quỹ đạo trên Matlab-Simulink qua 3 tình huống tiêu biểu:

  1. Chế độ quay vòng thiếu ở vận tốc 60 km/h: Hệ thống ESP kích hoạt tạo áp suất phanh tại bánh sau bên trái (bánh số 3), tạo ra mô men xoay cùng chiều với chiều quay vòng, làm giảm sai lệch $e$, đưa tốc độ góc quay thân xe thực tế bám sát giá trị lý thuyết và giữ quỹ đạo xe nằm trong làn đường mong muốn.
  2. Chế độ quay vòng thừa ở vận tốc 60 km/h: Hệ thống ESP kích hoạt phanh tại bánh trước bên phải (bánh số 2), tạo ra mô men ngược chiều quay vòng, dập tắt xu hướng văng đuôi xe, hạ thấp góc lệch thân xe $\beta$ và gia tốc ngang.
  3. Chế độ chuyển làn kép (double lane change) theo tiêu chuẩn ISO 3888-2:2011: Lực phanh được phân phối luân phiên tại các bánh xe tương ứng theo sự đổi chiều góc đánh lái, giúp ô tô duy trì quỹ đạo chuyển làn chuẩn xác mà không bị lật hay mất kiểm soát lái.
Trạng thái quay vòng Điều kiện nhận dạng Bánh xe được ESP kích hoạt phanh Tác dụng ổn định
Quay vòng thiếu $\dot{\psi}^* > \dot{\psi}$ ($e > 0$) Bánh sau phía trong cua (bánh số 3) Tạo mô men quay cùng chiều góc lái để kéo đầu xe vào cua
Quay vòng thừa $\dot{\psi}^* < \dot{\psi}$ ($e < 0$) Bánh trước phía ngoài cua (bánh số 2) Tạo mô men quay ngược chiều góc lái để chống văng trượt đuôi xe
Quay vòng đúng $\dot{\psi}^* = \dot{\psi}$ ($e = 0$) Không kích hoạt phanh tự động Duy trì chuyển động theo quỹ đạo đặt

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 thực hiện chế tạo mô hình bán thực nghiệm (HILS) và tiến hành các bài thử nghiệm đo đạc:

  • Kết cấu phần cứng mô hình thực nghiệm:
    • Cụm bàn thử cơ khí - thủy lực thật tháo từ xe LEXUS GX 470 - 2003 gồm: bầu trợ lực phanh, xilanh phanh chính, cụm chấp hành thủy lực ABS tích hợp bơm điện và 8 cụm van điện từ, 4 cụm phanh đĩa bánh xe.
    • Cảm biến đo lường: Cảm biến siêu âm đo hành trình dịch chuyển của piston xilanh chính; 4 cảm biến áp suất Keller PA-21Y (0 - 250 bar) gắn tại 4 đường dầu phanh bánh xe; cảm biến quang học Encoder Omron E6B2-CWZ6C đo góc quay vành tay lái.
    • Bộ điều khiển ABS-ESP tự chế tạo: Gồm vi điều khiển trung tâm, khối chuyển đổi điện áp nguồn, khối mạch đọc và tiền xử lý tín hiệu cảm biến, khối mạch công suất điều khiển rơ-le bơm dầu và đóng mở các van điện từ qua xung PWM, cổng kết nối máy tính thời gian thực.
Thiết bị / Linh kiện Chủng loại / Xuất xứ Thông số kỹ thuật / Chức năng
Bộ chấp hành phanh Nguyên bản xe LEXUS GX 470 (Nhật Bản) Dẫn động thủy lực 4 kênh độc lập, tích hợp bơm và van điện từ
Cảm biến áp suất dầu Keller Model PA-21Y (Thụy Sĩ) Dải đo 0 - 250 bar, đo áp suất tại 4 xilanh phanh bánh xe
Cảm biến góc lái Encoder Omron E6B2-CWZ6C (Nhật Bản) Đo góc xoay vô lăng mô phỏng tín hiệu điều khiển của người lái
Cảm biến dịch chuyển Cảm biến siêu âm Đo hành trình dịch chuyển của piston xilanh phanh chính
Bộ điều khiển ABS-ESP Nhóm nghiên cứu thiết kế, chế tạo Vi điều khiển nhận tín hiệu cảm biến, xuất lệnh điều khiển van và bơm
  • Quy trình và kết quả thử nghiệm:
    • Thử nghiệm chế độ đạp phanh ngặt và chế độ "đạp - giữ - nhả" bàn đạp phanh: So sánh đường biến thiên áp suất đo được tại các xilanh bánh xe với kết quả mô phỏng số.
    • Thử nghiệm chế độ không đạp phanh (kích hoạt phanh tự động bằng bơm và van): Đo đạc áp suất xilanh bánh xe khi kích thích điện áp độc lập tại 1 bánh xe (bánh số 1), kích thích 2 bánh xe chéo nhau (bánh số 1 và số 4) và kích thích đồng thời cả 4 bánh xe.
    • Thử nghiệm mô phỏng trạng thái quay vòng thiếu và quay vòng thừa ở vận tốc 60 km/h: Tín hiệu góc lái và vận tốc được truyền từ máy tính vào bộ điều khiển; bộ điều khiển kích hoạt cơ cấu chấp hành thủy lực thực tế tạo ra áp suất tương ứng tại bánh xe chỉ định.

Đánh giá sai lệch: Sai lệch tương đối về áp suất dầu phanh giữa kết quả đo đạc thực nghiệm và kết quả mô phỏng trên mô hình toán học nằm trong giới hạn sai số cho phép, kiểm chứng độ chính xác của mô hình lý thuyết và khẳng định khả năng điều khiển thực tế của phần cứng ABS-ESP tự chế tạo.

Kết quả và những đóng góp mới

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

  1. Đóng góp về lý luận và phương pháp:
  • Xây dựng thành công mô hình động lực học hệ thống phanh ABS dẫn động thủy lực chi tiết từng phần tử cấu thành (xilanh chính, dòng chảy qua van tăng/giảm áp, bơm thủy lực, động cơ điện, bộ tích năng và xilanh bánh xe), tích hợp đồng bộ với mô hình động lực học ô tô chuyển động trong không gian và mô hình lốp Magic Formula.
  • Ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để xác định chính xác bộ tham số tối ưu $(K_p, K_i, K_d)$ của bộ điều khiển PID điều khiển lực phanh, nâng cao hiệu quả dập tắt sai lệch tốc độ góc quay thân xe trong các chế độ chuyển động nguy hiểm.
  1. Đóng góp về thực tiễn và công nghệ:
  • Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh phần cứng bộ điều khiển điện tử ABS-ESP (mạch vi điều khiển, mạch giao tiếp, mạch công suất đóng cắt van điện từ và bơm thủy lực) có khả năng can thiệp tạo áp suất phanh độc lập tại các bánh xe.
  • Chế tạo thành công mô hình bán thực nghiệm (bàn thử HILS) sử dụng cụm chấp hành ABS thủy lực thực tế của xe LEXUS GX 470 - 2003, tạo tiền đề kiểm thử các thuật toán điều khiển an toàn chủ động trong phòng thí nghiệm.
  1. Kiến nghị và giải pháp đề xuất:
  • Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện phần cứng và tối ưu hóa kết cấu đóng gói của bộ điều khiển ABS-ESP để tiến tới lắp đặt, thử nghiệm trực tiếp trên ô tô chạy thử nghiệm ngoài đường thực.
  • Sử dụng mô hình mô phỏng và bàn thử HILS làm công cụ hỗ trợ công tác giảng dạy chuyên ngành cơ khí ô tô và phục vụ công tác giám định, đánh giá tính an toàn của ô tô nhập khẩu hoặc hoán cải tại các trung tâm thử nghiệm xe cơ giới thuộc Cục Đăng kiểm Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án nêu rõ các giới hạn nghiên cứu sau:

  • Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm mới thực hiện trên mô hình bán thực nghiệm HILS tĩnh trong phòng thí nghiệm, chưa triển khai thử nghiệm trên xe thật chuyển động cơ động ngoài đường do các yêu cầu khắt khe về sân bãi thử nghiệm chuyên dụng và an toàn kỹ thuật.
  • Luận án mới tập trung giải quyết bài toán ổn định quỹ đạo thông qua việc điều khiển độc lập hệ thống phanh (ESP), chưa mở rộng kết hợp đồng thời với hệ thống lái chủ động (AFS) hoặc hệ thống treo chủ động.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Nâng cấp bộ điều khiển ABS-ESP để tích hợp thử nghiệm trên xe cơ giới hoạt động thực tế trên đường thử tiêu chuẩn.
  • Nghiên cứu thuật toán điều khiển phối hợp đa hệ thống giữa phanh tự động ESP, hệ thống lái tích cực AFS và hệ thống treo để tối ưu hóa khả năng ổn định quỹ đạo trong điều kiện mặt đường có hệ số bám thay đổi đột ngột.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực, Kỹ thuật ô tô, Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Có thể khai thác hệ thống phương trình vi phân mô hình hóa các phần tử thủy lực chi tiết tại Chương 2 và cấu trúc lập trình điều khiển trên Matlab-Simulink (Phụ lục 3).
  • Giảng viên các trường đại học khối kỹ thuật giao thông: Sử dụng các mô hình động lực học hai vết, mô hình lốp Magic Formula và nguyên lý can thiệp của ESP làm học liệu giảng dạy cho các học phần Động lực học ô tô, Lý thuyết ô tô và Điện tử ô tô.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô: Tham khảo sơ đồ nguyên lý mạch điện phần cứng bộ điều khiển ABS-ESP và phương pháp điều chế xung PWM cho van điện từ ON/OFF để nội địa hóa công nghệ an toàn.
  • Cán bộ kỹ thuật, đăng kiểm viên tại Cục Đăng kiểm Việt Nam và Trung tâm thử nghiệm xe cơ giới: Sử dụng mô hình bán thực nghiệm HILS làm cơ sở tham chiếu xây dựng quy trình kiểm chuẩn các tính năng an toàn chủ động (ABS, ESP) cho xe cải tạo và xe nhập khẩu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Dựa trên cơ sở nào hệ thống điều khiển của luận án nhận diện ô tô đang ở trạng thái quay vòng thiếu hay quay vòng thừa? Hệ thống nhận diện trạng thái quay vòng dựa trên sự sai lệch $e = \dot{\psi}^* - \dot{\psi}$, trong đó $\dot{\psi}$ là tốc độ góc quay thân xe thực tế đo từ cảm biến, còn $\dot{\psi}^$ là tốc độ góc quay thân xe lý thuyết được tính theo công thức: $$\dot{\psi}^ = \frac{v \delta_0}{L + K_S v^2}$$ Khi $\dot{\psi}^* > \dot{\psi}$ ($e > 0$), xe ở trạng thái quay vòng thiếu. Khi $\dot{\psi}^* < \dot{\psi}$ ($e < 0$), xe ở trạng thái quay vòng thừa.

  2. Khi phát hiện xe quay vòng thiếu ở tốc độ 60 km/h, hệ thống ESP can thiệp vào bánh xe nào và nhằm mục đích gì? Khi xe quay vòng thiếu ở vận tốc 60 km/h, bộ điều khiển ESP kích hoạt phanh độc lập tại bánh sau bên trái (bánh số 3 - bánh sau phía trong tâm quay vòng). Lực phanh sinh ra tại bánh xe này tạo ra một mô men xoay thân xe quanh trục đứng cùng chiều với chiều quay vòng mong muốn, giúp giảm sai lệch $e$ và kéo đầu xe quay trở lại đúng quỹ đạo điều khiển của người lái.

  3. Cụm chấp hành thủy lực phanh của dòng xe nào được tác giả sử dụng để xây dựng mô hình và làm thực nghiệm? Tác giả sử dụng nguyên bản cụm chấp hành phanh ABS dẫn động thủy lực 4 kênh độc lập của dòng xe du lịch LEXUS GX 470 - 2003, bao gồm xilanh phanh chính hai buồng, bầu trợ lực, cụm bơm điện cao áp, bình tích năng, 8 van điện từ (4 van tăng áp thường mở, 4 van giảm áp thường đóng) và 4 cơ cấu phanh đĩa bánh xe.

  4. Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) đóng vai trò gì trong cấu trúc điều khiển của luận án? Thuật toán PSO đóng vai trò tự động tìm kiếm và xác định bộ thông số tối ưu $(K_p, K_i, K_d)$ cho bộ điều khiển PID điều khiển lực phanh. Việc tối ưu bằng PSO giúp hệ thống điều khiển đạt tốc độ đáp ứng nhanh, giảm thiểu biên độ sai lệch góc quay thân xe và loại bỏ hiện tượng dao động quá đà khi xe chuyển động trong các điều kiện quay vòng khẩn cấp.

  5. Các thông số nào được đo đạc trực tiếp trên bàn thử thực nghiệm HILS để kiểm chứng mô hình lý thuyết? Các thông số đo đạc trực tiếp gồm: hành trình dịch chuyển của piston xilanh chính (bằng cảm biến siêu âm), áp suất dầu phanh thực tế tại xilanh của từng bánh xe (bằng 4 cảm biến áp suất Keller PA-21Y dải đo 0 - 250 bar), góc xoay vành tay lái mô phỏng (bằng cảm biến góc quay Encoder Omron E6B2-CWZ6C), và điện áp điều khiển cấp vào cuộn dây các van điện từ và động cơ bơm thủy lực.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Đào Huy Hải đã giải quyết trọn vẹn bài toán điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô bằng hệ thống phanh từ cơ sở lý thuyết, mô hình hóa toán học giải tích đến thiết kế phần cứng điều khiển thực nghiệm. Bằng việc kết hợp mô hình động lực học ô tô không gian với mô hình chi tiết bộ chấp hành thủy lực ABS của xe LEXUS GX 470 - 2003 và giải thuật tối ưu bầy đàn PSO, tác giả đã thiết lập giải pháp điều khiển lực phanh độc lập hiệu quả trong các trạng thái quay vòng nguy hiểm. Kết quả thử nghiệm trên hệ thống bán thực nghiệm HILS đã kiểm chứng độ chính xác của mô hình lý thuyết, cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy phục vụ công tác đào tạo, nghiên cứu phát triển và đánh giá an toàn phương tiện giao thông đường bộ tại Việt Nam.