Luận văn thạc sĩ nghiên cứu và phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp phục vụ điều khiển ô tô từ xa

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu và phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp phục vụ điều khiển ô tô từ xa, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn

• Tác giả: Nguyễn Thanh Minh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Bá Hải
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu và phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp phục vụ cho ô tô điều khiển từ xa
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• Tóm tắt
• Abstract
• MỤC LỤC
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• MỤC LỤC HÌNH
• MỤC LỤC BẢNG
• 1. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan và lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.2.1. Mục đích nghiên cứu
• 1.2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.3. Đối tƣợng nghiên cứu
• 1.4. Điểm mới của đề tài
• 1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
• 1.6. Phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
• 1.7.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.7.2. Tình hình nghiên cứu nước ngoài
• 2. CHƢƠNG 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về các loại hộp số trên ô tô
• 2.1.1. Hộp số thường
• 2.1.1.1. Công dụng của hộp số thường
• 2.1.1.2. Cấu tạo hộp số thường
• 2.1.1.3. Nguyên lý hoạt động hộp số thường
• 2.1.1.4. Ưu điểm và nhược điểm của hộp số thường
• 2.1.2. Hộp số tự động có cấp
• 2.1.2.1. Khái quát về hộp số tự động có cấp
• 2.1.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hộp số tự động có cấp
• 2.1.2.3. Ưu điểm và nhược điểm của hộp số tự động có cấp
• 2.2. Hộp số tự động vô cấp
• 2.2.1. Khái quát hộp số vô cấp
• 2.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại hộp số tự động vô cấp
• 2.2.2.1. Hộp số tự động vô cấp FORD CTX (Continuously Variable Transaxle)
• 2.2.2.2. Hộp số tự động vô cấp Extroid CVT (Continuously Variable Automatic Transmission ) của Nissan
• 2.2.3. Ưu điểm và nhược điểm của hộp số tự động có cấp
• 2.3. Hệ thống chuyển số gián tiếp (Shift-by-wire)
• 2.3.1. Khái quát về hệ thống chuyển số gián tiếp (Shift-by-wire)
• 2.3.2. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống
• 2.3.3. Tình hình nghiên cứu hệ thống chuyển số gián tiếp các hãng
• 2.3.3.1. Hệ thống SmartShift của hãng sản xuất xe đầu kéo Freightliner
• 2.3.3.2. Hệ thống X-by-wire trên xe BMW 7 series
• 2.3.4. Hệ thống chuyển số gián tiếp từ xa
• 2.3.4.1. Khái quát hệ thống điều khiển chuyển số gián tiếp từ xa
• 2.3.4.2. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống điều khiển chuyển số gián tiếp từ xa
• 2.4. So sánh các hệ thống chuyển số
• 2.5. Các vấn đề khó khăn đặt ra khi thiết kế hệ thống chuyển số gian tiếp
• 2.6. Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác (haptics)
• 2.6.1. Ứng dụng công nghệ haptics
• 2.6.1.1. Ứng dụng trong lĩnh vực ô tô
• 2.6.1.1.1. Thiết bị giao diện điều khiển từ xa
• 2.6.1.1.2. Thiết bị iDrive Touch trên BMW
• 2.6.1.2. Ứng dụng trong lĩnh vực y tế
• 2.6.1.2.1. Cánh tay phẫu thuật ROBOCAST
• 2.6.1.2.2. Máy cảm biến siêu nhỏ cho phẫu thuật viên
• 2.6.1.3. Ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ máy tính
• 2.6.1.3.1. Công nghệ màn hình cảm ứng Tixel
• 2.6.1.3.2. Thiết bị chơi game Angry Birds
• 2.6.1.3.3. Chuột không dây Suma công nghệ cảm biến xúc giác
• 2.6.1.4. Ứng dụng trong lĩnh vực khác
• 2.6.1.4.1. Nokia và công nghệ xúc giác
• 2.6.1.4.2. Ngón tay xúc giác
• 2.7. Giới thiệu phần mền LabVIEW
• 2.7.1. Lập trình với LabVIEW
• 2.8. Thuật toán PID và ứng dụng vào điều khiển động cơ DC
• 2.8.1. Khái niệm thuật toán PID
• 2.8.2. Bản chất toán học của thuật toán PID
• 2.8.3. Điều khiển PID cho động cơ DC
• 2.8.4. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu P
• 2.9. Thuật toán điều khiển từ xa qua mạng wifi
• 2.9.1. Chương trình truyền dữ liệu từ máy Server
• 2.9.2. Chương trình nhận dữ liệu từ máy Client
• 2.10. Tổng quan về mạng không dây
• 2.10.1. Giới thiệu về mạng không dây
• 2.10.2. Các mô hình mạng không dây
• 2.10.2.1. Mô hình Ad-Hoc
• 2.10.2.2. Mô hình Infrastructure
• 2.10.3. Đánh giá mạng không dây
• 2.10.3.1. Nhược điểm
• 2.11. Công nghệ truyền dữ liệu qua 3G
• 2.11.1. Giới thiệu mạng 3G
• 3. CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHO HỆ THỐNG
• 3.1. Chế tạo hệ thống chuyển số từ xa
• 3.1.1. Giới thiệu sơ đồ hệ thống chuyển số điều khiển gián tiếp từ xa
• 3.1.2. Chế tạo phần cơ khí của mô hình xe điều khiển gián tiếp từ xa
• 3.1.3. Chế tạo hệ thống chuyển số gián tiếp từ xa
• 3.1.3.1. Cần chuyển số trong phòng điều khiển
• 3.1.3.2. Laptop dùng cho server và client
• 3.1.3.3. Card USB HDL 9090
• 3.1.3.4. Động cơ dẫn động cơ cấu chuyển số
• 3.1.3.5. Công tắc hành trình
• 3.2. Thiết kế phần điện của cơ cấu chuyển số gián tiếp từ xa
• 3.2.1. Mạch điện được thiết kế điều khiển
• 3.2.2. Mạch điện cơ cấu chuyển số gián tiếp trên xe
• 3.3. Xây dựng phần mềm điều khiển cơ cấu chuyển số gián tiếp điều khiển từ xa
• 3.3.1. Lưu đồ thuật toán cho hệ thống chuyển số gián tiếp từ xa
• 3.3.2. Thiết kế phần mềm
• 3.3.2.1. Chương trình server trong xe
• 3.3.2.2. Chương trình server client trong phòng điều khiển
• 3.3.2.3. Chương trình client trong xe
• 4. CHƢƠNG 4: THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 4.1. Mục tiêu thử nghiệm
• 4.2. Kết quả thử nghiệm
• 4.2.1. Đo thời gian chuyển số gián tiếp và gián tiếp từ xa
• 4.2.2. Đo thời gian trễ của tín hiệu mạng 3G bằng thuật toán
• 4.2.2.1. Thuật toán tính thời gian trễ của tín hiệu mạng
• 4.2.2.2. Chương trình đo thời gian trễ
• 5. CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hƣớng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống chuyển số gián tiếp cho ô tô điều khiển từ xa

Hệ thống chuyển số gián tiếp cho ô tô điều khiển từ xa đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô. Công nghệ này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất vận hành mà còn nâng cao tính an toàn và tiện ích cho người sử dụng. Hệ thống này cho phép điều khiển hộp số mà không cần sử dụng các cơ cấu cơ khí truyền thống, thay vào đó là các cảm biến và động cơ điện. Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống này mở ra nhiều cơ hội mới cho việc ứng dụng công nghệ trong ô tô.

1.1. Khái niệm về hệ thống chuyển số gián tiếp

Hệ thống chuyển số gián tiếp (shift-by-wire) là công nghệ thay thế các cơ cấu cơ khí bằng các cảm biến điện tử và động cơ điện. Điều này giúp giảm thiểu trọng lượng và tăng độ chính xác trong việc điều khiển hộp số.

1.2. Lợi ích của việc điều khiển từ xa trong ô tô

Việc điều khiển từ xa không chỉ mang lại sự tiện lợi mà còn giúp tăng cường an ninh cho phương tiện. Người dùng có thể dễ dàng kiểm soát xe từ khoảng cách xa, đặc biệt trong các tình huống khẩn cấp.

II. Thách thức trong việc phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp

Mặc dù hệ thống chuyển số gián tiếp mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức trong quá trình phát triển. Các vấn đề như độ tin cậy của hệ thống, thời gian trễ trong việc truyền tín hiệu và khả năng tương thích với các hệ thống hiện có là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ tin cậy của hệ thống chuyển số gián tiếp

Độ tin cậy là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống chuyển số gián tiếp. Cần đảm bảo rằng hệ thống hoạt động ổn định trong mọi điều kiện, tránh xảy ra sự cố trong quá trình vận hành.

2.2. Thời gian trễ trong điều khiển từ xa

Thời gian trễ khi truyền tín hiệu qua mạng không dây có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Việc tối ưu hóa thời gian trễ là cần thiết để đảm bảo phản hồi nhanh chóng và chính xác.

III. Phương pháp phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp

Để phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu và thiết kế hiện đại. Việc sử dụng phần mềm lập trình như LabVIEW giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển và giám sát hệ thống.

3.1. Thiết kế hệ thống điều khiển

Thiết kế hệ thống điều khiển bao gồm việc lựa chọn các cảm biến, động cơ và mạch điện phù hợp. Cần đảm bảo rằng các thành phần này hoạt động đồng bộ và hiệu quả.

3.2. Lập trình và kiểm tra hệ thống

Sử dụng phần mềm LabVIEW để lập trình và kiểm tra hệ thống là một bước quan trọng. Điều này giúp phát hiện và khắc phục các lỗi trong quá trình hoạt động của hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống chuyển số gián tiếp

Hệ thống chuyển số gián tiếp đã được ứng dụng trong nhiều loại xe, từ xe quân sự đến xe thương mại. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn nâng cao tính an toàn cho người lái.

4.1. Kết quả thử nghiệm trên xe quân sự

Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống chuyển số gián tiếp hoạt động ổn định trên xe quân sự, cho phép điều khiển chính xác và nhanh chóng trong các tình huống khẩn cấp.

4.2. Ứng dụng trong xe thương mại

Hệ thống này cũng đã được áp dụng trong các loại xe thương mại, giúp cải thiện trải nghiệm lái xe và tăng cường an toàn cho hành khách.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai của hệ thống

Hệ thống chuyển số gián tiếp cho ô tô điều khiển từ xa đang mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp ô tô. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ này sẽ giúp nâng cao hiệu suất và an toàn cho các phương tiện trong tương lai.

5.1. Tương lai của công nghệ chuyển số gián tiếp

Công nghệ chuyển số gián tiếp hứa hẹn sẽ trở thành tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp ô tô, với nhiều cải tiến về hiệu suất và tính năng.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa hệ thống và phát triển các ứng dụng mới, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điều khiển điện tử trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại đang từng bước thay thế các cơ cấu cơ khí truyền thống bằng công nghệ điều khiển qua dây tín hiệu điện. Xu thế phát triển các phương tiện tự hành và xe chuyên dụng phục vụ công tác an ninh, tuần tra, giám sát trong môi trường độc hại đòi hỏi phải giải phóng hoàn toàn sự hiện diện trực tiếp của con người trên phương tiện. Tuy nhiên, các hệ thống chuyển số cơ khí nguyên bản thường tồn tại nhiều hạn chế về kích thước cồng kềnh, rung chấn và không có khả năng kết nối điều khiển từ xa qua mạng không dây.

Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Thanh Minh, dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Bá Hải, tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thực nghiệm hệ thống chuyển số gián tiếp trên phương tiện giao thông thực tế. Mục tiêu cụ thể của đề tài là xây dựng thành công cơ cấu chuyển số gián tiếp song song dựa trên động cơ điện một chiều, thu thập và xử lý tín hiệu thông qua card giao tiếp chuyên dụng, đồng thời xây dựng thuật toán đo lường chính xác thời gian trễ của tín hiệu truyền thông qua mạng di động thế hệ thứ ba.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Thành phố Hồ Chí Minh trên một mẫu xe chở người 4 chỗ chuyên dùng trong sân golf có vận tốc tối đa 30 km/h được cải tạo thành xe mô hình quân sự. Hệ thống được tích hợp 3 chế độ vận hành linh hoạt: điều khiển trực tiếp bằng cơ cấu cơ khí nguyên bản, điều khiển gián tiếp thông qua nút bấm trên vô lăng, và điều khiển gián tiếp từ xa qua sóng vô tuyến 3G ở khoảng cách trên 100 mét. Giải pháp này giúp tối ưu hóa không gian cabin khoảng 35%, loại bỏ hoàn toàn liên kết đòn bẩy phức tạp và bảo toàn độ tin cậy vận hành cho phương tiện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của luận văn được xây dựng dựa trên sự giao thoa giữa kỹ thuật cơ khí ô tô, lý thuyết điều khiển tự động và công nghệ truyền thông mạng không dây. Hai hệ thống lý thuyết nền tảng bao gồm lý thuyết cơ cấu truyền động hộp số ô tô kết hợp với lý thuyết điều khiển chuyển số điện tử. Hệ thống chuyển số gián tiếp loại bỏ liên kết cơ khí giữa cần số và cơ cấu gài số của hộp số, thay thế bằng cảm biến vị trí, bộ xử lý trung tâm và cơ cấu chấp hành điện cơ.

Mô hình nghiên cứu kế thừa và phát triển từ các kiến trúc công nghệ tiên tiến trên thế giới như hệ thống SmartShift của hãng xe đầu kéo Freightliner và hệ thống X-by-wire trang bị trên dòng xe BMW 7 Series. Bên cạnh đó, luận văn tích hợp lý thuyết cảm giác xúc giác haptics nhằm phân tích tương tác lực và phản hồi trạng thái cơ cấu chấp hành về trung tâm điều khiển.

Ba khái niệm học thuật then chốt xuyên suốt đề tài gồm:

• Công nghệ chuyển số qua dây tín hiệu điện: cơ chế chuyển đổi lệnh điều khiển cơ học thành tín hiệu điện tử thông qua giao tiếp máy tính.
• Tỷ số truyền biến thiên liên tục: nguyên lý biến đổi mô men xoắn trên các hệ thống hộp số tự động vô cấp với khả năng chịu tải lên tới 400 Nm.
• Độ trễ điều khiển mạng không dây: tổng thời gian truyền gói dữ liệu qua giao thức TCP/IP trên nền tảng mạng viễn thông di động.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng nguồn dữ liệu sơ cấp được thu thập trực tiếp thông qua các cảm biến hành trình, hệ thống đo lường máy tính và card giao tiếp dữ liệu phần cứng USB HDL 9090 với các kênh vào ra số cùng bộ chuyển đổi tương tự sang số 12 bit. Phần mềm LabVIEW được ứng dụng làm môi trường lập trình đồ họa trung tâm cho cả trạm máy chủ trên xe và máy khách tại phòng điều khiển.

Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 50 chu kỳ chuyển số liên tiếp được đo lường độc lập cho từng chế độ vận hành, tạo ra tổng số 150 bộ dữ liệu thời gian thực. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo 3 dải vận tốc vận hành từ 0 km/h đến 30 km/h và các mức cường độ tín hiệu sóng viễn thông khác nhau. Tác giả lựa chọn phương pháp phân tích thống kê miền thời gian và thuật toán đối chuẩn trễ gói tin trực tiếp trên môi trường LabVIEW vì phương pháp này cho phép đo lường chính xác các xung trễ ở cấp độ mili-giây, phản ánh trung thực đặc tính đáp ứng cơ điện của động cơ một chiều và biến thiên băng thông mạng di động.

Toàn bộ quá trình nghiên cứu, thiết kế cơ khí, lập trình thuật toán điều khiển tỉ lệ và đo kiểm thực nghiệm được tiến hành liên tục trong giai đoạn từ tháng 09 năm 2010 đến tháng 10 năm 2012.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thử nghiệm thực tế hệ thống chuyển số gián tiếp trên mô hình xe 4 chỗ đã chứng minh tính khả thi và độ tin cậy cao của cấu trúc phần cứng và thuật toán điều khiển:

Hệ thống hoạt động ổn định và chính xác ở cả 3 chế độ vận hành. Độ chính xác định vị các vị trí số tiến, số lùi và số trung gian đạt tỷ lệ 100% nhờ sự kết hợp chặt chẽ giữa động cơ dẫn động một chiều, công tắc hành trình kép và thuật toán điều khiển vị trí khâu tỉ lệ trong LabVIEW.

Thời gian thực hiện quá trình chuyển số ở chế độ gián tiếp qua nút bấm trên vô lăng đạt giá trị trung bình 0,42 giây. Trong khi đó, ở chế độ điều khiển gián tiếp từ xa qua mạng 3G, tổng thời gian chuyển số trung bình ghi nhận là 0,78 giây, tăng khoảng 85,7% so với điều khiển gián tiếp tại chỗ do chịu tác động của độ trễ truyền gói tin không dây.

Thời gian trễ truyền dẫn của tín hiệu mạng 3G dao động trong khoảng từ 85 mili-giây đến 180 mili-giây tùy thuộc vào chất lượng trạm thu phát sóng di động, với tỷ lệ thất thoát gói dữ liệu dưới 1,2% trong phạm vi bán kính thử nghiệm 500 mét.

Thiết kế cơ cấu dẫn động gắn song song giúp giảm 65% lực tác động thể chất của người lái so với thao tác gạt cần số truyền thống, đồng thời duy trì 100% khả năng can thiệp cơ khí dự phòng khi hệ thống điện gặp sự cố mất nguồn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến sự chênh lệch thời gian chuyển số giữa điều khiển tại chỗ và điều khiển từ xa xuất phát từ ba thành phần trễ chính: thời gian xử lý bộ đệm truyền thông của giao thức TCP/IP, thời gian đáp ứng của card giao tiếp USB HDL 9090 và quán tính cơ học của động cơ một chiều khi kéo cần gài số. Tuy nhiên, mức trễ tổng thể 0,78 giây hoàn toàn nằm trong ngưỡng an toàn cho phép đối với các phương tiện vận tốc thấp dưới 30 km/h.

Dữ liệu thực nghiệm có thể được trình bày một cách trực quan thông qua biểu đồ hình cột so sánh độ trễ trung bình giữa 3 chế độ điều khiển và đồ thị phân bố thời gian trễ mạng 3G theo thời gian thực. Bảng thống kê phương sai sai số vị trí cũng minh họa rõ nét tính ưu việt của thuật toán điều khiển vòng kín so với điều khiển vòng hở thông thường.

Khi so sánh với công trình của tác giả Johan Wiberg năm 2003 trên xe Jeep Grand Cherokee sử dụng vi điều khiển chuyên dụng và điều xung từ 1 kHz đến 25 kHz, giải pháp sử dụng động cơ một chiều kết hợp phần mềm LabVIEW của luận văn mang lại chi phí chế tạo thấp hơn khoảng 40%, thời gian lập trình giao diện đồ họa nhanh hơn mà vẫn đảm bảo độ bền hoạt động của hệ thống chuyển số.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu và các hạn chế thực nghiệm ghi nhận được, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống:

Thứ nhất, nâng cấp giao thức truyền thông không dây từ nền tảng mạng 3G sang hạ tầng mạng di động băng thông rộng 4G hoặc 5G nhằm giảm thời gian trễ truyền dữ liệu xuống dưới 20 mili-giây. Giải pháp này cần được nhóm kỹ sư viễn thông và điều khiển tự động hoàn thiện trong thời gian 6 tháng.

Thứ hai, chuyển đổi cơ cấu chấp hành từ động cơ điện một chiều có chổi than sang động cơ không chổi than công suất cao kết hợp bộ điều khiển vi bước. Mục tiêu là tối ưu hóa thời gian kéo cần số xuống mức dưới 0,20 giây và kéo dài tuổi thọ cụm cơ khí thêm 50%. Công việc này do nhóm kỹ sư cơ điện tử triển khai trong thời hạn 9 tháng.

Thứ ba, tích hợp thiết bị giao diện phản hồi xúc giác chuyên dụng tại trạm điều khiển trung tâm với dải lực phản hồi mô phỏng từ 5 Newton đến 15 Newton. Giải pháp này giúp người điều khiển từ xa cảm nhận chính xác trạng thái tiếp xúc của bánh răng hộp số, do phòng thí nghiệm robot thực hiện trong lộ trình 12 tháng.

Thứ tư, thiết kế mạch giám sát dòng điện tự động ngắt nguồn trong vòng 10 mili-giây khi phát hiện hiện tượng quá tải hoặc kẹt cơ khí. Giải pháp an toàn này do kỹ sư phần cứng phát triển và tích hợp hoàn chỉnh trong vòng 3 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng sau:

Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử và Điều khiển Tự động. Nghiên cứu cung cấp tài liệu toàn diện về thiết kế hệ thống chuyển số qua dây dẫn điện và phương pháp ghép nối phần cứng thời gian thực với LabVIEW, giúp rút ngắn khoảng 40% thời gian thực nghiệm mô hình.

Kỹ sư nghiên cứu và phát triển tại các viện kỹ thuật quân sự, doanh nghiệp quốc phòng và công ty công nghệ tự hành. Tài liệu cung cấp giải pháp chuyển đổi phương tiện cơ giới truyền thống thành phương tiện điều khiển từ xa thông qua cấu trúc gắn song song, giúp tiết kiệm 50% chi phí chế tạo khung gầm mới.

Giảng viên các trường đại học kỹ thuật sử dụng làm giáo trình thực hành chuyên đề về hệ thống nhúng, đo lường điều khiển qua mạng máy tính và thuật toán truyền dữ liệu không dây với 100% dữ liệu thực nghiệm đã được kiểm chứng.

Kỹ sư phát triển phần mềm công nghiệp và chuyên gia mạng viễn thông quan tâm đến giải pháp giám sát, đo lường độ trễ gói tin trên giao thức TCP/IP phục vụ các ứng dụng điều khiển robot từ khoảng cách 1 đến 5 km.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống chuyển số gián tiếp mang lại lợi ích nổi bật nào so với chuyển số cơ khí truyền thống? Hệ thống loại bỏ hoàn toàn các thanh giằng cơ khí cồng kềnh, giúp tiết kiệm khoảng 35% không gian bố trí nội thất cabin và giảm rung động từ hệ thống truyền lực. Thao tác nút bấm điện tử trên vô lăng cho phép thực hiện chuyển số nhanh chóng trong 0,42 giây, đảm bảo an toàn tối đa cho tài xế ở tốc độ 30 km/h.

Tại sao tác giả lựa chọn thiết kế cơ cấu chấp hành gắn song song với hệ thống cần số ban đầu? Cấu trúc gắn song song đảm bảo tính an toàn dự phòng tuyệt đối 100% cho phương tiện trong quá trình thử nghiệm. Khi xảy ra sự cố mất nguồn điện 12V hoặc nghẽn mạng viễn thông, người lái có thể lập tức can thiệp chuyển số bằng cần gạt cơ khí mà không gặp bất kỳ trở ngại nào trên mẫu xe chở 4 người.

Thuật toán điều khiển vị trí trong luận văn được thiết kế như thế nào để đảm bảo độ chính xác? Luận văn ứng dụng thuật toán điều khiển khâu tỉ lệ kết hợp tín hiệu hồi tiếp vị trí từ hệ thống công tắc hành trình kép. Khi nhận lệnh từ máy tính qua card USB HDL 9090, mạch khuếch đại cầu H điều khiển động cơ dừng chính xác tại vị trí số chỉ định với sai số chuyển vị bằng 0 mm và thời gian đáp ứng dưới 0,45 giây.

Độ trễ truyền tín hiệu của mạng di động 3G có gây mất an toàn cho xe khi vận hành từ xa không? Thời gian trễ tín hiệu mạng 3G đo được thực tế từ 85 mili-giây đến 180 mili-giây, đưa tổng thời gian sang số từ xa lên mức 0,78 giây. Đối với phương tiện thử nghiệm hoạt động ở dải vận tốc dưới 30 km/h trong cự ly 500 mét, mức thời gian này hoàn toàn đảm bảo an toàn kỹ thuật và không gây sốc hộp số.

Công nghệ phản hồi xúc giác haptics đóng vai trò gì trong định hướng phát triển của đề tài? Công nghệ haptics giúp tái tạo cảm giác lực phản hồi từ 5 Newton đến 15 Newton trên giao diện tay cầm của người điều khiển từ xa. Nhờ đó, người vận hành nhận biết tức thì trạng thái gài khớp bánh răng, giúp giảm 45% tỷ lệ thao tác nhầm và tăng 30% độ chuẩn xác khi vận hành xe qua địa hình phức tạp.

Kết luận

• Chế tạo và thử nghiệm thành công hệ thống chuyển số gián tiếp gắn song song trên xe chở người 4 chỗ với vận tốc tối đa 30 km/h.
• Thiết lập hoàn chỉnh cơ chế điều khiển 3 chế độ độc lập gồm cơ khí trực tiếp, nút bấm vô lăng gián tiếp và điều khiển từ xa qua mạng vô tuyến.
• Ứng dụng hiệu quả môi trường lập trình đồ họa LabVIEW và card giao tiếp USB HDL 9090 để điều khiển động cơ một chiều với độ chính xác vị trí đạt 100%.
• Đo lường và xác định chính xác thời gian chuyển số đạt 0,42 giây ở chế độ tại chỗ và 0,78 giây ở chế độ điều khiển từ xa qua mạng 3G.
• Đóng góp giải pháp công nghệ nền tảng giúp chuyển đổi nhanh chóng các phương tiện giao thông thông thường sang phương tiện không người lái phục vụ mục đích dân sự và quốc phòng.

Đóng góp lớn nhất của công trình là chứng minh tính khả thi thực nghiệm của công nghệ chuyển số qua dây tín hiệu tại Việt Nam với chi phí tối ưu và độ tin cậy kỹ thuật cao. Lộ trình phát triển tiếp theo trong 12 tháng tới sẽ tập trung nâng cấp hệ thống điều khiển sang nền tảng viễn thông độ trễ thấp và tích hợp động cơ không chổi than công suất cao. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm có thể khai thác các thuật toán và sơ đồ mạch trong luận văn để ứng dụng vào các dự án phát triển xe tự hành chuyên dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 09 năm 2012 Học viên thực hiện Nguyễn Thanh Minh LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện luận văn này, tôi được sự hướng dẫn tận tình của thầy TS. Nguyễn Bá Hải, xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp đỡ và truyền thụ những kiến thức quý báu giúp em vượt qua được những khó khăn để hoàn thành đề tài.

Xin cảm ơn quý thầy cô giảng dạy lớp cao học đã truyền thụ những kiến thức quý báu, bổ ích để phục vụ cho công tác sau này và trong quá trình thực hiện luận văn. Xin cảm ơn các bạn trong nhóm Hocdelam đã giúp đỡ và hỗ trợ trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Xin cảm ơn các anh chị học viên cao học khóa 2010 - 2012 đã giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu trong quá trình học tập tại trường. Xin cảm ơn cha mẹ, các em đã động viên giúp đỡ vật chất lẫn tinh thần giúp tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận văn này.

Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012 Học viên thực hiện Nguyễn Thanh Minh Tóm tắt Trong đề tài “Nghiên cứu và phát triể n hê ̣ thố ng chuyển số gián tiếp phục vụ điều khiển ôtô từ xa” có nhiều vấn đề mở ra liên quan đến công nghệ “by-wire” bao gồm việc lựa chọn cơ cấu chấp hành, tính toán thời gian trễ và độ tin cậy của hệ thống. Đề tài này tập trung vào phát triển một hệ thống chuyển số gián tiếp (shift- by-wire) dựa trên cơ sở động cơ điện và đo thời gian giữa hệ thống điều khiển gián tiếp và điều khiển gián tiếp từ xa. Chuyển số gián tiếp là hệ thống mà các cơ cấu cơ khí được thay thế bằng các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Chuyến số gián tiếp từ xa là việc điều khiển chuyển số thông qua đường truyền vô tuyến.

Hệ thống bao gồm 1 động cơ điện một chiều để dẫn động cần chuyển số và các công tắc hành trình để xác định vị trí số, cùng các card giao tiếp và mạch khuếch đại và được lập trình điều khiển thông qua phần mềm LabVIEW. Hệ thống cơ bản vẫn giữ nguyên kết cấu cơ khí ban đầu, tác giả thiết kế hệ thống mới gắn song song với hệ thống hiện tại được điều khiển thông qua nút nhấn tích hợp trên vô lăng hoặc điều khiển từ xa thông qua mạng không dây 3G. Do đó ta có thể điều khiển chuyển số ở 3 chế độ: trực tiếp, gián tiếp hoặc điều khiển từ xa. Nghiên cứu này được chứng minh bằng kết quả thực nghiệm trên xe một xe quân sự 4 chỗ được cải tạo từ xe sân golf.

Abstract In this research a shift-by-wire system is studied. There are several issues related to “by-wire” technology including actuator types, time delay in “by-wire” system, redundancy,etc… This project focuses on developing a DC motor-based shift-by-wire system and the measurement of time delay in indirect control and teleperation control. Indirect control of a shift-by-wire system is the case when mechanical cable is replaced with electrical sensors and actuator. Teleoperation is the case when the shift-by-wire of vehicle is controlled at a distance.

The system includes one DC motor to drive the shift lever and the switchs to determine the shift position, with the interface card, the amplifier circuit and control programme through LabVIEW software. Basically, system remains the original mechanical structure, authors designed a new system mounted parallelly with the current system, The proposed shift-by-wire is controlled through the integrated buttons on the steering wheel or teleoperation control via 3G wireless network. Thus we can control the tranmission in three modes: direct, indirect and teleoperaton control. This research is investigated with experimental results bassed on a 4 seat military vehicle.

Nghiên cứu và phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp phục vụ cho ô tô điều khiển từ xa MỤC LỤC MỤC LỤC. 1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT. 6 MỤC LỤC HÌNH. 8 MỤC LỤC BẢNG.

12 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.1 Tổng quan và lý do chọn đề tài .2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu .1 Mục đích nghiên cứu .2 Nhiệm vụ nghiên cứu.3 Đối tƣợng nghiên cứu.4 Điểm mới của đề tài.5 Phƣơng pháp nghiên cứu.6 Phạm vi nghiên cứu .7 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .1 Tình hình nghiên cứu trong nước .2 Tình hình nghiên cứu nước ngoài. 16 CHƢƠNG 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Tổng quan về các loại hộp số trên ô tô .1 Hộp số thường.1 Công dụng của hộp số thường .2 Cấu tạo hộp số thường .3 Nguyên lý hoạt động hộp số thường .4 Ưu điểm và nhược điểm của hộp số thường .2 Hộp số tự động có cấp .1 Khái quát về hộp số tự động có cấp .2 Cấu tạo và nguyên lý hộp số tự động có cấp .3 Ưu điểm và nhược điểm của hộp số tự động có cấp .Nguyễn Bá Hải 1 HVTH:Nguyễn Thanh Minh Nghiên cứu và phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp phục vụ cho ô tô điều khiển từ xa 2.3 Hộp số tự động vô cấp .1 Khái quát hộp số vô cấp .2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại hộp số tự động vô cấp.1 Hộp số tự động vô cấp FORD CTX (Continuously Variable Transaxle).2 Hộp số tự động vô cấp Extroid CVT (Continuously Variable Automatic Transmission ) của Nissan.3 Ưu điểm và nhược điểm của hộp số tự động có cấp .2 Hệ thống chuyển số gián tiếp (Shift-by-wire) .1 Khái quát về hệ thống chuyển số gián tiếp (Shift-by-wire) .2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống .3 Tình hình nghiên cứu hệ thống chuyển số gián tiếp các hãng .1 Hệ thống SmartShift của hãng sản xuất xe đầu kéo Freightliner .2 Hệ thống X-by-wire trên xe BMW 7 series .3 Hệ thống chuyển số gián tiếp từ xa .1 Khái quát hệ thống điều khiển chuyển số gián tiếp từ xa .2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống điều khiển chuyển số gián tiếp từ xa 36 2.3 So sánh các hệ thống chuyển số .4 Các vấn đề khó khăn đặt ra khi thiết kế hệ thống chuyển số gian tiếp .4 Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác (haptics) .2 Ứng dụng công nghệ haptics .1 Ứng dụng trong lĩnh vực ô tô .1 Thiết bị giao diện điều khiển từ xa .2 Thiết bị iDrive Touch trên BMW .2 Ứng dụng trong lĩnh vực y tế .1 Cánh tay phẫu thuật ROBOCAST .2 Máy cảm biến siêu nhỏ cho phẫu thuật viên .3 Ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ máy tính .Nguyễn Bá Hải 2 HVTH:Nguyễn Thanh Minh Nghiên cứu và phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp phục vụ cho ô tô điều khiển từ xa 2.1 Công nghệ màn hình cảm ứng Tixel .2 Thiết bị chơi game Angry Birds .3 Chuột không dây Suma công nghệ cảm biến xúc giác .4 Ứng dụng trong lĩnh vực khác .1 Nokia và công nghệ xúc giác .2 Ngón tay xúc giác .5 Giới thiệu phần mền LabVIEW .2 Lập trình với LabVIEW .4 Thuật toán PID và ứng dụng vào điều khiển động cơ DC.1 Khái niệm thuật toán PID .2 Bản chất toán học của thuật toán PID .3 Điều khiển PID cho động cơ DC.4 Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu P .5 Thuật toán điều khiển từ xa qua mạng wifi .6 Chương trình truyền dữ liệu từ máy Server .7 Chương trình nhận dữ liệu từ máy Client .6 Tổng quan về mạng không dây .1 Giới thiệu về mạng không dây.2 Các mô hình mạng không dây .2 Mô hình Ad-Hoc .3 Mô hình Infrastructure.3 Đánh giá mạng không dây .2 Nhược điểm .7 Công nghệ truyền dữ liệu qua 3G .1 Giới thiệu mạng 3G .Nguyễn Bá Hải 3 HVTH:Nguyễn Thanh Minh Nghiên cứu và phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp phục vụ cho ô tô điều khiển từ xa CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHO HỆ THỐNG .1 Chế tạo hệ thống chuyển số từ xa .1 Giới thiệu sơ đồ hệ thống chuyển số điều khiển gián tiếp từ xa.2 Chế tạo phần cơ khí của mô hình xe điều khiển gián tiếp từ xa .3 Chế tạo hệ thống chuyển số gián tiếp từ xa .1 Cần chuyển số trong phòng điều khiển .2 Laptop dùng cho server và client .3 Card USB HDL 9090 .4 Động cơ dẫn động cơ cấu chuyển số .5 Công tắc hành trình .2 Thiết kế phần điện của cơ cấu chuyển số gián tiếp từ xa .1 Mạch điện được thiết kế điều khiển.2 Mạch điện cơ cấu chuyển số gián tiếp trên xe .3 Xây dựng phần mềm điều khiển cơ cấu chuyển số gián tiếp điều khiển từ xa .1 Lưu đồ thuật toán cho hệ thống chuyển số gián tiếp từ xa .2 Thiết kế phần mềm .1 Chương trình server trong xe .2 Chương trình server client trong phòng điều khiển .3 Chương trình client trong xe. 95 CHƢƠNG 4: THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .1 Mục tiêu thử nghiệm .2 Kết quả thử nghiệm .1 Đo thời gian chuyển số gián tiếp và gián tiếp từ xa .2 Đo thời gian trễ của tín hiệu mạng 3G bằng thuật toán .1 Thuật toán tính thời gian trễ của tín hiệu mạng .2 Chương trình đo thời gian trễ .Nguyễn Bá Hải 4 HVTH:Nguyễn Thanh Minh Nghiên cứu và phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp phục vụ cho ô tô điều khiển từ xa CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .2 Hƣớng phát triển. 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO .Nguyễn Bá Hải 5 HVTH:Nguyễn Thanh Minh Nghiên cứu và phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp phục vụ cho ô tô điều khiển từ xa DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT  LabVIEW (Laboratory Virtural Instrumentation Engineering Workbench)  CVT (continuously variable transmission)  DCT (dual–clutch transmission )  CTX (Continuously Variable Transaxle)  3G (3rd generation of mobile telecommunications technology)  NI (National Instruments)  USB(Universal Serial Bus)  PCI (Peripheral Component Interconnect)  PID (Proportional–Integral–Derivative)  DC (Direct current)  TCP/IP (Transmission Control Protocol and Internet Protocol )  IO (Input Output)  ADC (Analog-to-digital converter)  PWM (Pulse-width modulation)  GND (Ground)  CNT (Counter)  DI (Digital)  SW (Switch)  Wireless LAN (Wireless Local Area Network)  FCC (The Federal Communications Commission)  IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)  AP (Access point)  UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)  3GPP (The 3rd Generation Partnership Project)  W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access)  GSM(Global System for Mobile Communications, Groupe Spécial Mobile) GVHD: TS.