Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu và phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp cho ô tô từ xa

• Tác giả: Nguyễn Thanh Minh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Bá Hải
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khai Thác Và Bảo Trì Ô Tô, Máy Kéo
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Phát Triển Hệ Thống Chuyển Số Gián Tiếp Phục Vụ Điều Khiển Ô Tô Từ Xa
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• Tóm tắt
• 1. CHƯƠNG 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
• 2.1.2. Công dụng của hộp số thường
• 2.1.3. Cấu tạo hộp số thường
• 2.1.4. Nguyên lý hoạt động hộp số thường
• 2.1.5. Ưu điểm và nhược điểm của hộp số thường
• 2.1.6. Hộp số tự động có cấp
• 2.1.6.1. Khái quát về hộp số tự động có cấp
• 2.1.6.2. Cấu tạo và nguyên lý hộp số tự động có cấp
• 2.1.6.3. 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
• 2.4. Hệ thống chuyển số gián tiếp từ xa
• 2.4.1. Khái quát hệ thống điều khiển chuyển số gián tiếp từ xa
• 2.4.2. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống điều khiển chuyển số gián tiếp từ xa
• 2.5. So sánh các hệ thống chuyển số
• 2.6. Các vấn đề khó khăn đặt ra khi thiết kế hệ thống chuyển số gian tiếp
• 2.7. Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác (haptics)
• 2.7.1. Ứng dụng công nghệ haptics
• 2.7.1.1. Ứng dụng trong lĩnh vực ô tô
• 2.7.1.1.1. Thiết bị giao diện điều khiển từ xa
• 2.7.1.1.2. Thiết bị iDrive Touch trên BMW
• 2.7.1.2. Ứng dụng trong lĩnh vực y tế
• 2.7.1.2.1. Cánh tay phẫu thuật ROBOCAST
• 2.7.1.2.2. Máy cảm biến siêu nhỏ cho phẫu thuật viên
• 2.7.1.3. Ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ máy tính
• 2.7.1.3.1. Công nghệ màn hình cảm ứng Tixel
• 2.7.1.3.2. Thiết bị chơi game Angry Birds
• 2.7.1.3.3. Chuột không dây Suma công nghệ cảm biến xúc giác
• 2.7.1.4. Ứng dụng trong lĩnh vực khác
• 2.7.1.4.1. Nokia và công nghệ xúc giác
• 2.7.1.4.2. Ngón tay xúc giác
• 2.8. Giới thiệu phần mền LabVIEW
• 2.9. Lập trình với LabVIEW
• 2.10. Thuật toán PID và ứng dụng vào điều khiển động cơ DC
• 2.10.1. Khái niệm thuật toán PID
• 2.10.2. Bản chất toán học của thuật toán PID
• 2.10.3. Điều khiển PID cho động cơ DC
• 2.10.4. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu P
• 2.11. Thuật toán điều khiển từ xa qua mạng wifi
• 2.11.1. Chương trình truyền dữ liệu từ máy Server
• 2.11.2. Chương trình nhận dữ liệu từ máy Client
• 2.12. Tổng quan về mạng không dây
• 2.12.1. Giới thiệu về mạng không dây
• 2.12.2. Các mô hình mạng không dây
• 2.12.2.1. Mô hình Ad-Hoc
• 2.12.2.2. Mô hình Infrastructure
• 2.12.3. Đánh giá mạng không dây
• 2.12.3.1. Nhược điểm
• 2.13. Công nghệ truyền dữ liệu qua 3G
• 2.13.1. 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
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

I. Tổng quan về hệ thống chuyển số gián tiếp

Hệ thống chuyển số gián tiếp (shift-by-wire) là một công nghệ hiện đại trong lĩnh vực ô tô, cho phép điều khiển hộp số mà không cần sử dụng các cơ cấu cơ khí truyền thống. Công nghệ này sử dụng các cảm biến và động cơ điện để thực hiện việc chuyển số, mang lại nhiều lợi ích như giảm trọng lượng, tăng độ chính xác và khả năng điều khiển từ xa. Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống này tại HCMUTE không chỉ đáp ứng nhu cầu hiện đại hóa công nghệ ô tô mà còn mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng công nghệ trong giao thông thông minh. Theo nghiên cứu, hệ thống này có thể được điều khiển thông qua mạng không dây 3G, cho phép người dùng thực hiện việc chuyển số từ xa một cách dễ dàng và hiệu quả.

1.1. Lý do chọn đề tài

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ ô tô và nhu cầu ngày càng cao về an toàn và tiện ích trong việc điều khiển xe đã thúc đẩy việc nghiên cứu hệ thống chuyển số gián tiếp. Đề tài này không chỉ mang tính ứng dụng cao mà còn góp phần vào việc nâng cao chất lượng giao thông và an toàn cho người sử dụng. Việc áp dụng công nghệ điều khiển từ xa trong ô tô sẽ giúp giảm thiểu rủi ro và tăng cường khả năng giám sát, đặc biệt trong các tình huống khẩn cấp.

II. Cơ sở lý thuyết về hệ thống chuyển số gián tiếp

Hệ thống chuyển số gián tiếp (shift-by-wire) hoạt động dựa trên nguyên lý thay thế các cơ cấu cơ khí bằng các cảm biến điện tử và động cơ điện. Hệ thống này cho phép điều khiển hộp số thông qua tín hiệu điện, giúp tăng cường độ chính xác và giảm thiểu thời gian phản hồi. Theo nghiên cứu, việc sử dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của xe mà còn tạo ra những trải nghiệm lái xe mới mẻ cho người dùng. Hệ thống này có thể được tích hợp với các công nghệ khác như cảm biến haptics để cung cấp phản hồi xúc giác cho người lái, từ đó nâng cao trải nghiệm điều khiển xe.

2.1. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống

Hệ thống chuyển số gián tiếp mang lại nhiều ưu điểm như giảm thiểu trọng lượng, tăng độ chính xác và khả năng điều khiển từ xa. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý đến một số nhược điểm như độ tin cậy của hệ thống phụ thuộc vào chất lượng của các cảm biến và mạng không dây. Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống này cần phải cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong thực tế.

III. Ứng dụng công nghệ trong hệ thống chuyển số gián tiếp

Công nghệ chuyển số gián tiếp không chỉ được ứng dụng trong ô tô mà còn có thể mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác như giao thông thông minh và tự động hóa. Việc áp dụng công nghệ này trong các phương tiện giao thông sẽ giúp nâng cao hiệu quả quản lý và điều khiển giao thông, đồng thời giảm thiểu tai nạn và ùn tắc. Hệ thống này cũng có thể được tích hợp với các công nghệ khác như GPS và cảm biến để cung cấp thông tin chính xác về vị trí và tình trạng của xe, từ đó hỗ trợ người dùng trong việc điều khiển và giám sát xe từ xa.

3.1. Tính khả thi và triển vọng phát triển

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, hệ thống chuyển số gián tiếp có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất và an toàn cho các phương tiện giao thông. Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống này tại HCMUTE không chỉ đáp ứng nhu cầu hiện tại mà còn mở ra hướng đi mới cho tương lai của ngành công nghiệp ô tô. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa hệ thống và nâng cao tính năng điều khiển từ xa, từ đó tạo ra những sản phẩm chất lượng cao phục vụ cho người tiêu dùng.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ ô tô ngày càng phát triển, việc ứng dụng các hệ thống điện tử hỗ trợ người lái trở thành xu hướng tất yếu. Theo ước tính, các hệ thống điều khiển điện tử trên ô tô đã góp phần nâng cao hiệu suất vận hành và an toàn giao thông. Đề tài nghiên cứu và phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp phục vụ điều khiển ô tô từ xa nhằm giải quyết các thách thức kỹ thuật trong việc thay thế cơ cấu cơ khí truyền thống bằng các cơ cấu điện tử và điều khiển không dây. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là chế tạo thành công hệ thống chuyển số kiểu mới điều khiển từ xa qua mạng 3G, đánh giá hiệu quả và đo thời gian trễ tín hiệu trong quá trình điều khiển. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên xe sân golf 4 chỗ, vận tốc tối đa 30 km/h, thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2012. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc mở rộng ứng dụng công nghệ “by-wire” trong lĩnh vực khai thác và bảo trì ô tô, đồng thời góp phần phát triển các giải pháp điều khiển từ xa phục vụ an ninh và giám sát phương tiện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hệ thống chuyển số gián tiếp (Shift-by-wire): Thay thế cơ cấu cơ khí bằng cảm biến và cơ cấu chấp hành, cho phép điều khiển chuyển số qua tín hiệu điện tử. Hệ thống này giúp giảm kích thước cơ khí, tăng không gian nội thất và nâng cao tính linh hoạt trong thiết kế.

• Thuật toán điều khiển PID: Ứng dụng trong điều khiển vị trí động cơ điện một chiều (DC motor) để dẫn động cần chuyển số, đảm bảo độ chính xác và ổn định trong quá trình vận hành.

• Công nghệ truyền dữ liệu không dây 3G: Được sử dụng để truyền tín hiệu điều khiển từ xa, với các đặc điểm về tốc độ truyền tải, độ trễ và độ tin cậy cần được đánh giá kỹ lưỡng.

Các khái niệm chính bao gồm: cơ cấu chấp hành, cảm biến hành trình, thời gian trễ tín hiệu, giao thức TCP/IP, và phần mềm LabVIEW dùng để lập trình điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các tín hiệu thu thập từ hệ thống chuyển số trên xe sân golf được cải tạo, bao gồm dữ liệu vị trí số, tín hiệu điều khiển từ nút nhấn trên vô lăng và từ mạng 3G. Cỡ mẫu nghiên cứu là một xe thực nghiệm với hệ thống chuyển số song song giữa cơ khí truyền thống và hệ thống gián tiếp mới.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Thiết kế và chế tạo phần cơ khí và điện tử của hệ thống chuyển số gián tiếp.

• Lập trình điều khiển bằng phần mềm LabVIEW, sử dụng card giao tiếp USB HDL 9090 để thu thập và xử lý tín hiệu.

• Thực nghiệm đo thời gian chuyển số và thời gian trễ tín hiệu qua mạng 3G bằng thuật toán tính toán thời gian trễ.

• So sánh hiệu quả vận hành giữa các chế độ điều khiển trực tiếp, gián tiếp và điều khiển từ xa.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2012, từ khảo sát tài liệu, thiết kế, chế tạo, lập trình đến thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chế tạo thành công hệ thống chuyển số gián tiếp điều khiển từ xa: Hệ thống được lắp đặt song song với cơ cấu cơ khí truyền thống trên xe sân golf 4 chỗ, vận tốc tối đa 30 km/h, cho phép điều khiển chuyển số qua nút nhấn trên vô lăng hoặc qua mạng 3G.

2. Thời gian chuyển số: Thời gian chuyển số gián tiếp trung bình khoảng 0,8 giây, trong khi thời gian chuyển số qua mạng 3G có độ trễ tăng lên khoảng 1,2 giây, tương đương tăng 50% so với điều khiển gián tiếp tại chỗ.

3. Độ trễ tín hiệu mạng 3G: Thời gian trễ tín hiệu đo được dao động trong khoảng 300-400 ms, phụ thuộc vào điều kiện mạng và khoảng cách truyền tải.

4. Hiệu quả vận hành: Hệ thống chuyển số gián tiếp từ xa hoạt động ổn định, không gây lỗi chuyển số, đảm bảo an toàn và thuận tiện cho người điều khiển, đặc biệt trong các ứng dụng an ninh và giám sát.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thời gian trễ tăng khi điều khiển qua mạng 3G là do đặc tính truyền dữ liệu không dây, bao gồm độ trễ truyền tải và xử lý tín hiệu. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả thời gian trễ trong phạm vi chấp nhận được, phù hợp với các ứng dụng điều khiển từ xa không yêu cầu phản hồi tức thì. Việc sử dụng động cơ điện một chiều và thuật toán PID giúp hệ thống chuyển số đạt độ chính xác cao và ổn định trong vận hành. Kết quả thử nghiệm có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh thời gian chuyển số giữa các chế độ điều khiển, cũng như bảng thống kê thời gian trễ tín hiệu mạng 3G theo từng điều kiện thử nghiệm. Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc mở rộng ứng dụng công nghệ “by-wire” trong điều khiển ô tô, góp phần phát triển các giải pháp xe tự hành và điều khiển từ xa trong tương lai.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển: Cải tiến thuật toán PID và tích hợp các bộ lọc tín hiệu để giảm thiểu thời gian trễ và tăng độ chính xác trong điều khiển chuyển số, nhằm nâng cao trải nghiệm người dùng.

2. Nâng cấp hạ tầng mạng: Khuyến nghị sử dụng các công nghệ mạng không dây thế hệ mới như 4G hoặc 5G để giảm độ trễ truyền tải, tăng băng thông và độ ổn định cho hệ thống điều khiển từ xa.

3. Phát triển giao diện xúc giác (haptics): Áp dụng công nghệ cảm giác xúc giác để người điều khiển từ xa có thể nhận biết trạng thái chuyển số, bù đắp cho việc mất cảm giác trực tiếp khi không ngồi trên xe.

4. Mở rộng ứng dụng hệ thống: Đề xuất áp dụng hệ thống chuyển số gián tiếp điều khiển từ xa trong các lĩnh vực an ninh, cứu hộ, và các môi trường độc hại, nơi người điều khiển không thể trực tiếp ngồi trên xe.

Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 1-2 năm tới, với sự phối hợp giữa các đơn vị nghiên cứu, doanh nghiệp công nghệ và các cơ quan quản lý giao thông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí động lực và công nghệ ô tô: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về hệ thống chuyển số gián tiếp và ứng dụng công nghệ điều khiển từ xa, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Kỹ sư phát triển sản phẩm ô tô và thiết bị điều khiển: Tham khảo để áp dụng các giải pháp điều khiển điện tử và mạng không dây trong thiết kế và cải tiến sản phẩm.

3. Doanh nghiệp công nghệ và startup trong lĩnh vực xe tự hành và IoT: Nắm bắt xu hướng công nghệ “by-wire” và điều khiển từ xa, từ đó phát triển các sản phẩm và dịch vụ mới.

4. Cơ quan quản lý giao thông và an ninh: Hiểu rõ tiềm năng và hạn chế của công nghệ điều khiển từ xa trong quản lý phương tiện, phục vụ cho việc xây dựng chính sách và quy định phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống chuyển số gián tiếp khác gì so với hộp số truyền thống?
   Hệ thống chuyển số gián tiếp thay thế cơ cấu cơ khí bằng cảm biến và cơ cấu chấp hành điện tử, giúp giảm kích thước, tăng không gian nội thất và cho phép điều khiển từ xa qua mạng không dây.

2. Thời gian trễ khi điều khiển chuyển số từ xa qua mạng 3G là bao nhiêu?
   Thời gian trễ đo được dao động khoảng 300-400 ms, làm tổng thời gian chuyển số tăng lên khoảng 1,2 giây, phù hợp với các ứng dụng không yêu cầu phản hồi tức thì.

3. Hệ thống sử dụng loại động cơ nào để điều khiển cần chuyển số?
   Hệ thống sử dụng động cơ điện một chiều (DC motor) được điều khiển bằng thuật toán PID để đảm bảo độ chính xác và ổn định trong việc thay đổi vị trí cần số.

4. Phần mềm nào được sử dụng để lập trình điều khiển hệ thống?
   Phần mềm LabVIEW được sử dụng để lập trình điều khiển, thu thập và xử lý tín hiệu từ các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông qua card giao tiếp USB HDL 9090.

5. Hệ thống có thể áp dụng cho các loại xe khác ngoài xe sân golf không?
   Có thể, tuy nhiên cần điều chỉnh thiết kế cơ khí và phần mềm điều khiển phù hợp với đặc tính kỹ thuật của từng loại xe, đồng thời đánh giá lại hiệu quả và độ an toàn.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công hệ thống chuyển số gián tiếp điều khiển từ xa trên xe sân golf 4 chỗ, vận tốc tối đa 30 km/h.
• Hệ thống hoạt động ổn định với 3 chế độ điều khiển: trực tiếp, gián tiếp và điều khiển từ xa qua mạng 3G.
• Thời gian chuyển số qua mạng 3G tăng khoảng 50% so với điều khiển gián tiếp tại chỗ, với độ trễ tín hiệu mạng trong khoảng 300-400 ms.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ “by-wire” và điều khiển từ xa trong lĩnh vực ô tô, góp phần nâng cao an toàn và tiện ích.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu thuật toán, nâng cấp hạ tầng mạng và phát triển giao diện xúc giác để hoàn thiện hệ thống trong tương lai.

Hướng phát triển tiếp theo là ứng dụng công nghệ mạng 4G/5G, tích hợp cảm biến xúc giác và mở rộng thử nghiệm trên các loại xe khác. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp triển khai để đưa công nghệ vào thực tiễn.