Luận án TS Lại Năng Vũ: Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô

Luận án tiến sĩ nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô (ABS). Phân tích, xây dựng mô hình mô phỏng và chế tạo thử nghiệm bộ ECU-ABS.

• Tác giả: Lại Năng Vũ
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Trọng Hoan
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô máy kéo
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình phanh ô tô
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khám phá hệ thống điều khiển phanh ô tô ABS tối ưu nhất

Hệ thống điều khiển phanh ô tô, đặc biệt là hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), là một thành phần cốt lõi trong công nghệ an toàn chủ động trên ô tô. Sự phát triển của hệ thống này đánh dấu một bước ngoặt, chuyển đổi từ cơ cấu phanh cơ khí đơn thuần sang các hệ thống điều khiển điện tử phức tạp. Mục tiêu chính của việc nghiên cứu hệ thống điều khiển phanh ô tô (ABS) tối ưu là nhằm nâng cao hiệu quả phanh và duy trì ổn định động học của xe trong các tình huống phanh khẩn cấp. Lịch sử phát triển của hệ thống phanh đã trải qua nhiều giai đoạn, từ phanh tang trống, phanh đĩa, cho đến sự tích hợp của các công nghệ điện tử. Hệ thống ABS ra đời vào năm 1978, mở đầu cho kỷ nguyên của các hệ thống an toàn thông minh. Theo sau ABS là sự ra đời của Hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD), Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) và Hệ thống cân bằng điện tử (ESP). Các hệ thống này hoạt động dựa trên nền tảng của ABS, sử dụng chung các cảm biến và bộ chấp hành thủy lực để tối ưu hóa an toàn. Cấu trúc của một hệ thống ABS điển hình bao gồm bốn thành phần chính: các cảm biến tốc độ bánh xe, các van điều khiển trong bộ chấp hành, một bơm thủy lực và một bộ điều khiển điện tử (ECU). ECU là bộ não của hệ thống, liên tục nhận tín hiệu từ các cảm biến để phân tích trạng thái quay của từng bánh xe. Khi phát hiện nguy cơ bó cứng, ECU sẽ điều khiển các van điện từ để điều chỉnh áp suất dầu phanh theo chu kỳ tăng-giữ-giảm áp, đảm bảo bánh xe luôn lăn trong vùng độ trượt bánh xe tối ưu, từ đó tối đa hóa lực bám dọc và duy trì khả năng đánh lái. Nghiên cứu sâu hơn về thuật toán điều khiển ABS là chìa khóa để cải thiện hiệu suất, giúp hệ thống phản ứng nhanh và chính xác hơn với sự thay đổi của điều kiện mặt đường.

1.1. Lịch sử và tiến trình phát triển của hệ thống ABS

Tiến trình phát triển của hệ thống phanh ô tô phản ánh sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ. Ban đầu, các hệ thống phanh hoàn toàn là cơ khí, sau đó được thay thế bằng hệ thống thủy lực để tăng hiệu quả. Sự ra đời của hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) vào năm 1978 bởi hãng Bosch đã tạo ra một cuộc cách mạng. Công nghệ này ban đầu được áp dụng trên các dòng xe cao cấp, nhưng ngày nay đã trở thành tiêu chuẩn trên hầu hết các loại xe. Từ nền tảng ABS, các công nghệ an toàn khác đã được phát triển và tích hợp. Hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD) ra đời vào thập niên 90, giúp phân bổ lực phanh hợp lý giữa cầu trước và cầu sau. Tiếp đó là Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) giúp chống trượt bánh xe khi tăng tốc. Đỉnh cao của sự tích hợp này là Hệ thống cân bằng điện tử (ESP), kết hợp ABS, EBD và TCS để can thiệp vào cả hệ thống phanh và động cơ, giúp xe ổn định trong mọi tình huống, từ phanh thẳng, phanh khi vào cua đến các thao tác đánh lái đột ngột.

1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cơ bản của phanh ABS

Một hệ thống ABS tiêu chuẩn được cấu thành từ các bộ phận chính. Cảm biến tốc độ bánh xe (thường là loại cảm biến Hall hoặc cảm biến từ trở) được lắp ở mỗi bánh xe để đo tốc độ góc và gửi tín hiệu về ECU. Bộ điều khiển điện tử (ECU) tiếp nhận và xử lý tín hiệu này, so sánh tốc độ các bánh xe và tính toán gia tốc góc để phát hiện nguy cơ bó cứng. Khi cần can thiệp, ECU sẽ gửi tín hiệu đến bộ chấp hành thủy lực. Bộ phận này bao gồm các van điện từ và một bơm tuần hoàn, có nhiệm vụ điều chỉnh áp suất dầu đến cơ cấu phanh của từng bánh xe. Nguyên lý hoạt động dựa trên một chu trình lặp đi lặp lại: giảm áp suất (để bánh xe quay trở lại), giữ áp suất (để duy trì trạng thái ổn định) và tăng áp suất (để tiếp tục quá trình phanh). Chu trình này diễn ra với tần số cao (khoảng 15-20 lần/giây), giúp bánh xe không bị khóa cứng hoàn toàn mà vẫn duy trì độ trượt bánh xe trong khoảng tối ưu.

II. Thách thức cốt lõi khi điều khiển độ trượt bánh xe tối ưu

Vấn đề trung tâm trong việc nghiên cứu hệ thống điều khiển phanh ô tô (ABS) tối ưu là quản lý độ trượt bánh xe (wheel slip). Độ trượt là sự chênh lệch tương đối giữa vận tốc dài của xe và vận tốc tiếp tuyến của bánh xe. Một trong những thách thức lớn nhất là mối quan hệ phi tuyến và phức tạp giữa độ trượt và hệ số bám. Theo tài liệu nghiên cứu của Lại Năng Vũ (2012), hệ số bám dọc đạt giá trị cực đại khi độ trượt nằm trong một vùng hẹp, thường từ 15% đến 30%. Nếu độ trượt quá thấp, lực phanh không đạt mức tối đa, làm tăng quãng đường phanh. Ngược lại, nếu độ trượt quá cao, bánh xe sẽ tiến đến trạng thái bó cứng, làm giảm đáng kể cả lực bám dọc và lực bám ngang, dẫn đến mất khả năng điều khiển và gây mất ổn định động học của xe. Thách thức thứ hai là sự thay đổi liên tục của điều kiện vận hành. Hệ số bám tối ưu không phải là một hằng số, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại mặt đường (khô, ướt, băng tuyết), loại lốp, tải trọng và vận tốc xe. Một thuật toán điều khiển ABS hiệu quả phải có khả năng thích ứng nhanh chóng với những thay đổi này. Việc xác định chính xác vận tốc thực của xe cũng là một bài toán khó, vì không có cảm biến trực tiếp để đo lường. Các hệ thống thường phải ước tính giá trị này dựa trên tốc độ của các bánh xe, điều này có thể dẫn đến sai số, đặc biệt khi tất cả các bánh xe đều có xu hướng trượt. Cuối cùng, việc thiết kế một bộ điều khiển vừa đảm bảo đánh giá hiệu suất phanh cao, vừa duy trì sự ổn định là một sự đánh đổi phức tạp, đòi hỏi các phương pháp mô hình hóa hệ thống phanh chính xác và các thuật toán điều khiển tiên tiến.

2.1. Phân tích hiện tượng trượt lết và mất ổn định động học

Hiện tượng trượt lết xảy ra khi mô-men phanh vượt quá mô-men bám cực đại giữa lốp và mặt đường, khiến bánh xe bị hãm cứng (độ trượt λ = 100%). Khi đó, hệ số bám dọc giảm mạnh so với giá trị đỉnh. Quan trọng hơn, hệ số bám ngang gần như bằng không. Điều này gây ra hai hậu quả nghiêm trọng. Thứ nhất, quãng đường phanh sẽ dài hơn so với khi phanh có kiểm soát độ trượt. Thứ hai, và nguy hiểm hơn, xe mất hoàn toàn khả năng điều khiển hướng lái. Nếu bánh trước bị bó cứng, xe sẽ trượt thẳng về phía trước bất kể người lái đánh vô lăng theo hướng nào. Nếu bánh sau bị bó cứng, xe sẽ bị mất ổn định động học của xe, dẫn đến hiện tượng vẫy đuôi cá và có thể xoay vòng không kiểm soát. Đây là lý do cốt lõi cho sự ra đời của hệ thống chống bó cứng phanh.

2.2. Mối quan hệ giữa lực bám dọc và độ trượt bánh xe

Mối quan hệ giữa lực bám dọc (lực phanh) và độ trượt bánh xe là nền tảng lý thuyết của mọi thuật toán điều khiển ABS. Đặc tính này được biểu diễn qua đường cong hệ số bám theo độ trượt. Đường cong này cho thấy hệ số bám tăng gần như tuyến tính khi độ trượt tăng từ 0, đạt đỉnh trong một vùng tối ưu (vùng ổn định), và sau đó giảm dần khi độ trượt tiếp tục tăng (vùng không ổn định). Mục tiêu của ABS là điều chỉnh áp suất phanh để duy trì độ trượt của bánh xe luôn dao động quanh điểm đỉnh này. Vùng tối ưu này không cố định mà thay đổi tùy theo điều kiện mặt đường. Ví dụ, trên đường khô, độ trượt tối ưu có thể khoảng 20%, nhưng trên đường băng tuyết, con số này có thể thấp hơn. Việc mô hình hóa hệ thống phanh và tương tác lốp-đường một cách chính xác là điều kiện tiên quyết để xây dựng một bộ điều khiển hiệu quả.

III. Phương pháp xây dựng thuật toán điều khiển ABS hiệu quả

Việc xây dựng một thuật toán điều khiển ABS hiệu quả là trọng tâm của các nghiên cứu nhằm tối ưu hóa hệ thống phanh. Có hai phương pháp điều khiển chính đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi: điều khiển dựa trên độ trượt và điều khiển dựa trên gia tốc góc bánh xe. Phương pháp điều khiển theo độ trượt có cơ sở lý thuyết rõ ràng, mục tiêu là duy trì độ trượt bánh xe trong một khoảng giá trị lý tưởng. Tuy nhiên, như đã phân tích, việc đo lường chính xác độ trượt trong thực tế gặp nhiều khó khăn, khiến phương pháp này chủ yếu được áp dụng trong môi trường mô phỏng. Do đó, các hệ thống ABS thương mại hầu hết sử dụng phương pháp điều khiển dựa trên gia tốc góc bánh xe. Phương pháp này không cần đo trực tiếp độ trượt mà dựa vào việc theo dõi sự thay đổi tốc độ của bánh xe. Khi một bánh xe bắt đầu bó cứng, tốc độ góc của nó sẽ giảm đột ngột, tạo ra một giá trị gia tốc góc âm lớn. ECU sẽ so sánh giá trị này với các ngưỡng được thiết lập sẵn để quyết định các pha điều khiển: giảm áp, giữ áp hoặc tăng áp. Việc tối ưu hóa thông số bộ điều khiển, cụ thể là xác định các giá trị ngưỡng gia tốc, là một nhiệm vụ phức tạp, thường phải dựa vào thực nghiệm và thống kê. Gần đây, các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn đã được đề xuất, như bộ điều khiển mờ (fuzzy logic) và điều khiển trượt (sliding mode control). Điều khiển mờ cho phép xử lý các thông tin không chắc chắn và mô phỏng tư duy của chuyên gia, giúp hệ thống thích ứng tốt hơn với các điều kiện đường sá khác nhau. Trong khi đó, điều khiển trượt là một kỹ thuật điều khiển phi tuyến mạnh mẽ, có khả năng đối phó tốt với sự thay đổi thông số và nhiễu của hệ thống.

3.1. So sánh điều khiển dựa trên độ trượt và gia tốc góc

Điều khiển dựa trên độ trượt bánh xe (slip-based control) có ưu điểm là nhắm thẳng vào mục tiêu vật lý cốt lõi: giữ cho độ trượt ở mức tối ưu để tối đa hóa lực bám. Các thuật toán như điều khiển PID có thể được áp dụng để điều chỉnh mô-men phanh nhằm đạt được độ trượt mong muốn. Tuy nhiên, nhược điểm lớn là sự phụ thuộc vào việc ước tính vận tốc xe, vốn không chính xác. Ngược lại, điều khiển dựa trên gia tốc góc (acceleration-based control) thực tế hơn vì chỉ cần tín hiệu từ cảm biến tốc độ bánh xe. Thuật toán này xác định các ngưỡng gia tốc góc âm (báo hiệu nguy cơ bó cứng) và dương (báo hiệu bánh xe đang tăng tốc trở lại) để chuyển đổi giữa các chế độ điều khiển áp suất. Mặc dù phương pháp này không trực tiếp tối ưu hóa độ trượt, nó đã chứng minh được tính hiệu quả và độ tin cậy cao trong các ứng dụng thương mại.

3.2. Ứng dụng bộ điều khiển mờ fuzzy logic trong ABS

Logic truyền thống yêu cầu các quy tắc và ngưỡng rõ ràng, điều này gây khó khăn khi hệ thống hoạt động trong môi trường thay đổi liên tục. Bộ điều khiển mờ (fuzzy logic) ra đời để giải quyết vấn đề này. Thay vì các giá trị đúng/sai, logic mờ sử dụng các biến ngôn ngữ như 'độ trượt nhỏ', 'gia tốc âm lớn'. Các đầu vào như độ trượt và gia tốc góc bánh xe được 'mờ hóa', sau đó một hệ thống các quy tắc 'Nếu-Thì' (ví dụ: NẾU độ trượt 'lớn' VÀ gia tốc 'âm lớn' THÌ áp suất phanh 'giảm nhanh') được áp dụng để đưa ra quyết định điều khiển. Kết quả sau đó được 'giải mờ' thành tín hiệu điều khiển cụ thể cho bộ chấp hành thủy lực. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng xử lý các bài toán phi tuyến phức tạp và tích hợp kinh nghiệm của chuyên gia vào thuật toán, giúp hệ thống hoạt động mượt mà và thích ứng tốt hơn.

IV. Hướng dẫn mô phỏng hệ thống phanh ABS bằng Matlab Simulink

Mô phỏng là một công cụ không thể thiếu trong việc nghiên cứu hệ thống điều khiển phanh ô tô (ABS) tối ưu. Matlab/Simulink là một trong những phần mềm mạnh mẽ và phổ biến nhất cho mục đích này. Quá trình mô phỏng hệ thống phanh ABS cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra và tối ưu hóa thông số bộ điều khiển mà không cần thực hiện các thử nghiệm tốn kém và nguy hiểm trên xe thật. Để xây dựng một mô hình mô phỏng hoàn chỉnh, cần phải mô hình hóa hệ thống phanh và động lực học của xe một cách chi tiết. Mô hình này bao gồm nhiều khối thành phần. Thứ nhất là mô hình động lực học ô tô, mô tả chuyển động dọc, ngang và quay của thân xe, có tính đến sự phân bố tải trọng khi phanh. Thứ hai là mô hình bánh xe, quan trọng nhất là mô hình tương tác lốp-đường (ví dụ: mô hình Burckhardt hoặc Pacejka's Magic Formula) để tính toán lực bám dọc và ngang dựa trên độ trượt bánh xe. Thứ ba là mô hình hệ thống dẫn động phanh thủy lực, bao gồm xy-lanh chính, bộ chấp hành thủy lực và cơ cấu phanh, mô tả quan hệ giữa áp suất và mô-men phanh. Cuối cùng là khối bộ điều khiển, nơi các thuật toán điều khiển ABS khác nhau (PID, logic mờ, điều khiển trượt) được lập trình và thử nghiệm. Thông qua mô phỏng, có thể đánh giá các chỉ tiêu quan trọng như quãng đường phanh, ổn định động học của xe và sự biến thiên của độ trượt trên các bề mặt đường khác nhau, từ đó tinh chỉnh thuật toán để đạt hiệu suất cao nhất.

4.1. Xây dựng mô hình hóa hệ thống phanh và động lực học xe

Bước đầu tiên trong mô phỏng hệ thống phanh ABS là xây dựng các mô hình toán học. Mô hình động lực học xe thường sử dụng mô hình phẳng hoặc không gian, mô tả các phương trình chuyển động của xe dựa trên các lực tác động lên nó. Điều này bao gồm lực phanh, lực cản không khí, và sự thay đổi tải trọng thẳng đứng lên các bánh xe khi phanh. Mô hình hóa hệ thống phanh tập trung vào hệ thống thủy lực, mô tả sự biến đổi áp suất từ xy-lanh chính đến các xy-lanh bánh xe dưới sự điều khiển của các van trong bộ chấp hành. Mô hình lốp xe là thành phần phức tạp và quan trọng nhất, vì nó quyết định lực bám dọc được tạo ra. Các mô hình như Burckhardt cho phép tính toán hệ số bám dựa trên độ trượt và các thông số của mặt đường. Việc kết hợp các mô hình này trong môi trường Matlab/Simulink tạo ra một 'chiếc xe ảo' để thử nghiệm thuật toán.

4.2. Đánh giá hiệu suất phanh qua kết quả mô phỏng

Sau khi xây dựng mô hình, các kịch bản thử nghiệm khác nhau sẽ được thực hiện. Ví dụ, mô phỏng quá trình phanh khẩn cấp từ vận tốc 100 km/h trên đường khô, đường ướt và đường có hệ số bám không đồng đều (μ-split). Các kết quả đầu ra quan trọng cần được phân tích để đánh giá hiệu suất phanh. Các chỉ số này bao gồm: quãng đường phanh, thời gian phanh, gia tốc chậm dần cực đại, và độ lệch của xe so với quỹ đạo thẳng. Đồng thời, các biểu đồ về vận tốc xe, vận tốc góc bánh xe, độ trượt bánh xe và áp suất phanh sẽ được phân tích chi tiết. Bằng cách so sánh kết quả khi có ABS, không có ABS, và với các thuật toán điều khiển khác nhau, các nhà nghiên cứu có thể xác định phương án tối ưu, giúp rút ngắn quãng đường phanh mà vẫn đảm bảo xe không bị mất lái, góp phần nâng cao an toàn chủ động trên ô tô.

V. Đánh giá hiệu suất phanh qua bộ điều khiển ECU ABS chế tạo

Từ lý thuyết và mô phỏng đến ứng dụng thực tiễn là một bước tiến quan trọng trong nghiên cứu hệ thống điều khiển phanh ô tô (ABS) tối ưu. Luận án của Lại Năng Vũ (2012) đã trình bày quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một bộ điều khiển điện tử (ECU) cho hệ thống ABS. Mục tiêu là làm chủ công nghệ và tạo ra một sản phẩm có khả năng thay thế các ECU nhập khẩu với chi phí cao. Quá trình này bắt đầu bằng việc xây dựng thuật toán điều khiển ABS dựa trên phương pháp gia tốc góc bánh xe. Các giá trị ngưỡng gia tốc được xác định sơ bộ thông qua mô phỏng hệ thống phanh ABS trên Matlab/Simulink, sau đó được hiệu chỉnh qua thực nghiệm. Bộ ECU-ABS chế tạo được xây dựng dựa trên vi điều khiển, có khả năng nhận tín hiệu từ các cảm biến tốc độ bánh xe, xử lý theo thuật toán đã lập trình và xuất tín hiệu điều khiển đến bộ chấp hành thủy lực. Để đánh giá hiệu suất phanh, các thử nghiệm được tiến hành trên xe thực trong các điều kiện mặt đường khác nhau (đường khô và đường ướt). Kết quả được so sánh giữa ba trường hợp: xe không có ABS, xe sử dụng ECU-ABS nhập ngoại và xe sử dụng ECU-ABS chế tạo. Các chỉ tiêu như quãng đường phanh và ổn định động học của xe được đo lường và phân tích. Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ ECU-ABS chế tạo đã hoạt động hiệu quả, giúp giảm đáng kể quãng đường phanh và giữ xe ổn định, tương đương với hiệu suất của ECU nhập ngoại. Thành công này không chỉ chứng minh tính đúng đắn của thuật toán mà còn mở ra tiềm năng nội địa hóa các công nghệ điều khiển phức tạp trong ngành công nghiệp ô tô Việt Nam.

5.1. Quy trình thiết kế và chế tạo bộ điều khiển điện tử ECU

Quy trình thiết kế và chế tạo bộ điều khiển điện tử (ECU) bắt đầu từ việc lựa chọn cấu trúc phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm một vi điều khiển trung tâm, các mạch chuẩn hóa tín hiệu đầu vào từ cảm biến tốc độ bánh xe, và các mạch công suất để điều khiển rơ-le và van điện từ trong bộ chấp hành thủy lực. Phần mềm là nơi thuật toán điều khiển ABS được hiện thực hóa. Thuật toán này, dựa trên phương pháp gia tốc góc, được lập trình để liên tục đọc tốc độ bánh xe, tính toán gia tốc, so sánh với ngưỡng và đưa ra quyết định điều khiển áp suất phanh. Sau khi chế tạo mạch in và lắp ráp linh kiện, ECU được kiểm tra chức năng trong phòng thí nghiệm trước khi lắp đặt lên xe để thử nghiệm thực tế. Quá trình này đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức về điện tử, lập trình và cơ khí động lực.

5.2. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng hệ thống phanh

Việc so sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng là bước cuối cùng để xác nhận tính chính xác của mô hình và hiệu quả của thuật toán. Các thông số đo được từ thử nghiệm thực tế, như vận tốc xe, gia tốc góc bánh xe, và quãng đường phanh, được đối chiếu với các giá trị tương ứng thu được từ mô phỏng hệ thống phanh ABS. Kết quả từ nghiên cứu của Lại Năng Vũ cho thấy sự tương đồng cao giữa mô phỏng và thực nghiệm, chứng tỏ mô hình đã phản ánh tốt các đặc tính động lực học của hệ thống. Sự sai lệch nhỏ có thể đến từ các yếu tố khó mô hình hóa chính xác như sự thay đổi nhiệt độ của lốp và má phanh. Việc xác thực này khẳng định rằng Matlab/Simulink là một công cụ hữu hiệu để nghiên cứu và phát triển các hệ thống điều khiển ô tô, giúp rút ngắn thời gian và chi phí R&D, đồng thời nâng cao độ tin cậy của sản phẩm cuối cùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHANH Ô TÔ Nghiên cứu điều khiển quá trình phanh ô tô nhằm nâng cao hiệu quả phanh và ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh luôn là vấn đề được các nhà khoa học quan tâm. Trên thế giới và trong nước vấn đề này đã trở thành yêu cầu cấp thiết, là một trong các biện pháp bảo đảm an toàn cho xe khi chuyển động và hạn chế tai nạn giao thông do ô tô gây ra. Để đạt các chỉ tiêu hiệu quả, ổn định hướng chuyển động của ô tô khi phanh hệ thống phanh trên ô tô ngày càng hoàn thiện. Sự phát triển của khoa học, công nghệ kỹ thuật điện, điện tử và điều khiển tự động ngày càng ứng dụng phổ biến trong công nghiệp ô tô nói chung và hệ thống phanh nói riêng.

Trên cơ sở phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam nhằm đề xuất nội dung nghiên cứu của luận án.1 Tai nạn giao thông và các yếu tố ảnh hưởng Trong những năm gần đây, với sự tăng trưởng của nền kinh tế, giao thông đường bộ Việt Nam đã phát triển trên nhiều lĩnh vực, trong đó phải kể đến sự gia tăng nhanh chóng phương tiện ô tô cả về số lượng, chủng loại. Theo thống kê của cơ quan quản lý phương tiện tính đến tháng 9/2011 toàn quốc có khoảng gần 2 triệu ô tô, trên 33 triệu mô tô. Số lượng phương tiện tiếp tục tăng, 8 tháng năm 2011 đăng ký mới gần 130 nghìn ô tô và 2 triệu mô tô; nếu chỉ tính riêng trong tháng 8/2011 có gần 14 nghìn ô tô và trên 267 nghìn mô tô đã được đăng ký. Đi đôi với sự gia tăng về phương tiện, nguy cơ mất an toàn giao thông đường bộ cũng tăng lên, theo số liệu của Ủy ban An toàn giao thông quốc gia tổng hợp số vụ mất an toàn giao thông đường bộ xẩy ra 8 tháng năm 2011 là gần 8 nghìn 5 trăm vụ, làm chết trên 7 nghìn người, bị thương gần 6 nghìn người; riêng trong tháng 8/2011 toàn quốc xẩy ra trên 1 nghìn vụ, làm chết gần 9 trăm người, bị thương trên 8 trăm người.

Trên thế giới tai nạn giao thông cũng đang là vấn đề cấp bách, hàng năm tai nạn giao thông làm chết trên dưới một triệu người, bị thương hàng trục triệu người. Nếu chỉ tính năm 2002, tai nạn giao thông làm chết gần 1,2 triệu người, bị thương hơn 50 triệu người, trong đó nhiều người bị thương tật suốt đời. 5 Qua thống kê, tai nạn giao thông do ô tô gây ra phụ thuộc điều kiện môi trường giao thông, người lái, tình trạng kỹ thuật của ô tô và các yếu tố khác. Đây là mối quan hệ qua lại giữa ba yếu tố: Đường - Xe - Người, các yếu tố có tác động mật thiết và chi phối lẫn nhau.

Các nhà nghiên cứu đã đưa ra kết quả khảo sát tỷ lệ tai nạn giao thông do yếu tố con người chiếm khoảng (72 ÷ 80)%, điều kiện môi trường chiếm (18 ÷ 20)%, yếu tố tình trạng kỹ thuật của ô tô chiếm (1,5 ÷ 2)%. Yếu tố con người là nguyên nhân gây tai nạn giao thông chiếm tỷ lệ cao nhất, phụ thuộc vào ý thức, trình độ kỹ thuật và trạng thái tâm lý, kinh nghiệm xử lý của người lái ô tô. Để hạn chế các yếu tố này, cần phải tăng cường về thể chế pháp lý, giáo dục, nhận thức, ý thức chấp hành luật giao thông và trình độ, kỹ năng điều khiển ô tô của người tham gia giao thông. Yếu tố môi trường giao thông như hệ thống giao thông, tình trạng mặt đường, khí hậu, thời tiết, cơ sở hạ tầng.

Khi cơ sở hạ tầng phát triển, nhu cầu nâng cao hiệu quả kinh tế, năng xuất vận chuyển của ô tô tăng cao, làm cho mật độ tham gia giao thông, vận tốc chuyển động ô tô có xu hướng tăng, do đó nguy cơ xảy ra tai nạn giao thông cũng tăng lên, đòi hỏi trình độ chuyên môn, ý thức chấp hành luật giao thông và yêu cầu kỹ thuật của ô tô khi tham gia giao thông cao hơn. Tình trạng kỹ thuật của ô tô là yếu tố gây mất an toàn giao thông chiếm tỷ lệ thấp, đó là kết quả của sự ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật, công nghệ hiện đại ngày càng nhiều, đồng thời các trang thiết bị, tài liệu công nghệ về ô tô từng bước hoàn thiện và trình độ chuyên môn, khả năng ứng dụng, khai thác sử dụng của đội ngũ cán bộ chuyên môn kỹ thuật trong ngành công nghệp ô tô ngày càng cao. Tại Việt Nam, thực trạng tình hình giao thông đường bộ có nhiều vấn đề bất cập, tiềm ẩn khả năng gây mất an toàn giao thông cao, để kiềm chế và ngăn chặn tai nạn giao thông, ngày 29/6/2007 Chính phủ đã ban hành Nghị quyết 32/2007/NQ - CP, với 7 nhóm giải pháp chính, trong đó việc nghiên cứu, nâng cao chất lượng, hiệu quả hệ thống an toàn trên ô tô là yêu cầu không thể thiếu. Hệ thống phanh trên ô tô phải bảo đảm các yêu cầu ổn định hướng chuyển động khi phanh và hiệu quả phanh tốt nhất, do đó việc nghiên cứu, hoàn thiện về bố trí, kết cấu, cấu trúc và thuật toán điều khiển của hệ thống phanh trên ô tô đang được các hãng ô tô đầu tư và đã thu được nhiều kết quả khả quan.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 1.1 Sự phát triển của hệ thống phanh ô tô Hiện nay, hệ thống phanh ô tô đã tương đối hoàn thiện về bố trí, kết cấu các bộ phận, cụm và hệ thống, cũng như quá trình điều khiển, giúp bảo đảm, nâng cao hiệu quả quá trình phanh và tính ổn định hướng.

Để đạt được những thành tựu đó, hệ thống phanh ô tô đã trải qua một quá trình phát triển trong thời gian dài, tiến trình phát triển của hệ thống phanh ô tô được mô tả trên Hình 1. ABS- Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh ACC- Hệ thống kiểm soát hành trình EBD- Hệ thống phân bố lực phanh điện tử ESP - Chương trình điều khiển ổn định điện tử ECU- Bộ điều khiển điện tử HCU- Bộ điều khiển thủy lực EHB- Hệ thống phanh điện thủy lực EMB- Hệ thống phanh điện tử Hình 1.1 Tiến trình phát triển của hệ thống phanh ô tô Theo tiến trình trên, sự phát triển của hệ thống phanh được phản ánh thông qua sự phát triển về cơ cấu phanh, dẫn động phanh và điều khiển phanh. Về cơ cấu phanh: sự phát triển đầu tiên trong thiết kế phải kể đến sự thay đổi của phanh tang trống, với việc chuyển từ đai phanh ngoài tang trống đến guốc phanh ở trong, thay đổi sử dụng phanh tang trống cơ cấu phanh bốn bánh trên các xe được thiết kế trước năm 1970 [23], [25],[26], các xe con sản xuất sau năm 1970 7 sử dụng phanh đĩa ở cơ cấu phanh 2 bánh xe phía trước, hiện nay trên ô tô con hầu hết sử dụng phanh đĩa ở cơ cấu phanh của tất cả các bánh xe. Về dẫn động phanh: tương tự như cơ cấu phanh bánh xe, dẫn động phanh ngày càng hoàn thiện, từ dẫn động cơ khí, cơ khí kết hợp với dẫn động thủy lực hay khí nén và dẫn động thủy - khí kết hợp.

Năm 1924, hệ thống phanh dẫn động thủy lực bắt đầu được áp dụng, trong hệ thống dẫn động phanh thủy lực đầu tiên xy lanh chính sử dụng loại pít tông đơn, xy lanh có một cửa ra. Năm 1967, xy lanh chính kép được sử dụng. Hiện nay sử dụng loại xy lanh chính có đường kính bậc. Để nâng cao độ tin cậy làm việc của hệ thống và chất lượng phanh ô tô, dẫn động thủy lực đến các bánh xe cũng thay đổi nhằm phân chia lực tác dụng phanh ngày càng phù hợp với kết cấu và bố trí hệ thống truyền lực.

Lúc đầu hệ thống phanh dẫn động thủy lực chỉ có 1 đường dẫn động cho cả 4 bánh xe. Năm 1931, hệ thống phanh thủy lực dẫn động hai dòng ra đời. Đến nay, có 5 kiểu bố trí đường dẫn dầu phanh: một đường dẫn động 2 bánh xe cầu trước và một đường dẫn động 2 bánh xe cầu sau; một đường dẫn động cho bánh xe phía trước bên phải, bánh sau bên trái và một đường dẫn động cho 2 bánh còn lại; 1 đường dẫn động cho cả 4 bánh xe và 1 đường dẫn động riêng cho 2 bánh trước; có 2 đường trong đó mỗi đường dẫn động 2 bánh phía trước và 1 bánh phía sau; có 4 đường, mỗi đường dẫn động cho cả 4 bánh xe. Bộ phận trợ lực phanh làm giảm lực tác động của người lái lên bàn đạp phanh nhưng vẫn duy trì được cảm giác và độ nhạy khi phanh, thực ra hệ thống phanh trợ lực thực chất là hệ thống phanh cơ bản có thêm bộ khuếch đại công suất phanh.

Năm 1952, bộ khuếch đại được đặt giữa bàn đạp phanh và xy lanh chính, khuếch đại lực tác động từ bàn đạp phanh. Năm 1952, sử dụng độ chân không trên đường ống nạp của động cơ cung cấp cho bộ trợ lực chân không, đến năm 1963 trợ lực thủy lực được ra đời, sử dụng áp suất thủy lực từ hệ thống lái thủy lực để hoạt động. Vào giữa thập niên 80, bộ khuếch đại công suất phanh kết hợp điện - thủy lực được giới thiệu, loại này hoạt động tương tự trợ lực thủy lực nhưng dùng bơm thủy lực bằng điện. Bộ trợ lực điện - thủy lực chỉ kích hoạt bơm thủy lực khi cần sự trợ lực vì vậy tính hiệu quả cao hơn, làm cơ sở cho việc điều khiển quá trình phanh điều khiển cơ khí được thay thế điều khiển điện tử càng nhiều.

8 Về điều khiển phanh: một trong những bước đột phá trong tiến trình phát triển của hệ thống phanh ô tô là sự tích hợp các hệ thống điện, điện tử, dẫn đến sự ra đời của hệ thống điều khiển phanh tích cực như hệ thống chống bó cứng bánh xe khi phanh (ABS). Sự phát triển của hệ thống ABS, cũng như các hệ thống điều khiển tích cực trên ô tô khác luôn gắn bó chặt chẽ với sự phát triển của công nghệ trong cảm biến và cơ cấu chấp hành. Hệ thống ABS bắt đầu được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô từ năm 1978 [35], [43] và hiện nay được trang bị trên hầu hết các xe ô tô hiện đại. Theo thông tin của hãng Bosch, năm 2007, 76% xe ô tô chế tạo mới được trang bị hệ thống ABS và nó trở thành thiết bị tiêu chuẩn cho xe ô tô chở khách tại châu Âu, Mỹ và Nhật.