Luận văn thạc sĩ về hệ thống ga điện tử phục vụ điều khiển ô tô từ xa

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích nghiên cứu và phát triển hệ thống ga gián tiếp bằng điện tử phục vụ điều khiển ô tô từ xa, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Trần Xuân Trình
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Bá Hải
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Cơ khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên cứu và phát triến hệ thống điều khiển ga phục vụ điều khiển ô tô từ xa
• Loại tài liệu: luận văn cao học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• Tóm tắt
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan và lí do chọn đề tài
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
• 1.3. Các kết quả nghiên cứu nước ngoài
• 1.4. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
• 1.4.1. Mục đích nghiên cứu
• 1.4.2. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.5. Đối tƣợng nghiên cứu
• 1.6. Điểm mới của đề tài
• 1.7. Giới hạn đề tài
• 1.8. Phƣơng pháp nghiên cứu và kế hoạch thực hiện
• 1.8.1. Phương pháp nghiên cứu
• 1.8.2. Kế hoạch thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Chức năng của bƣớm ga
• 2.1.1. Hệ thống ga trực tiếp
• 2.1.2. Hệ thống điều khiển ga gián tiếp
• 2.1.2.1. Mô đun chân bàn đạp ga điện tử
• 2.1.2.2. ECU điều khiển
• 2.1.2.3. Ưu và nhược điểm
• 2.1.2.4. Hệ thống ga gián tiếp từ xa
• 2.1.2.5. Các hệ thống ga được so sánh qua bảng sau
• 2.1.2.6. Tình hình các hãng đầu tư nghiên cứu hệ thống ga gián tiếp
• 2.1.2.7. Các vấn đề khó khăn đặt ra khi thiết kế hệ thống ga gian tiếp
• 2.2. Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác (haptics)
• 2.2.1. Ứng dụng của công nghệ Haptics
• 2.2.1.1. Ứng trên ô tô
• 2.2.1.2. Ứng dụng haptic trong robot giống người
• 2.2.1.3. Ứng dụng haptic trong y tế
• 2.2.1.4. Haptic cho người mù
• 2.2.1.5. Ứng dụng haptic trong công nghệ thông tin
• 2.3. Giới thiệu phần mềm LabVIEW
• 2.3.1. Ứng dụng LabVIEW trong thực tế
• 2.3.2. Lập trình với LabVIEW
• 2.4. Thuật toán PID và ứng dụng vào điều khiển động cơ DC
• 2.4.1. Khái niệm về thuật toán PID
• 2.4.2. Điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán PID
• 2.5. Lí thuyết điều khiển từ xa
• 2.5.1. Giới thiệu về mạng không dây
• 2.5.2. Tiêu chuẩn mạng không dây hiện nay
• 2.5.3. Kỹ thuật truyền tín hiệu trong mạng không dây
• 2.5.3.1. DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum
• 2.5.4. Truyền dữ liệu qua sóng vô tuyến mạng 3G
• 2.5.4.1. Khái niệm mạng 3G
• 2.5.4.2. Các thiết bị cần thiết để kết nối 3G
• 2.5.4.3. Thuật toán điều khiển từ xa qua mạng 3G
• 2.5.4.3.1. Chương trình truyền dữ liệu từ máy Server
• 2.5.4.3.2. Chương trình nhận dữ liệu từ máy Client
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GA GIÁN TIẾP TỪ XA
• 3.1. Thiết kế phần cứng
• 3.1.1. Giới thiệu sơ đồ hệ thống điều khiển ga 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 cơ khí hệ thống điều khiển ga gián tiếp từ xa
• 3.1.4. Bộ cảm biến đo tốc độ Encoder
• 3.2. Xây dựng phần mềm hệ thống điều khiển ga gián tiếp từ xa
• 3.2.1. Giới thiệu chung các bộ phận của hệ thống ga gián tiếp từ xa
• 3.2.1.1. Bàn đạp ga
• 3.2.1.2. Laptop dùng cho server và Client
• 3.2.1.3. Giới thiệu card USB HDL 9090
• 3.2.1.4. Chọn động cơ điện một chiều điều khiển hệ thống ga
• 3.2.2. Thiết kế phần điện của mô hình
• 3.2.2.1. Mạch điện được thiết kế điều khiển trong nhà
• 3.2.2.2. Mạch điện điều khiển ga được điều khiển gián tiếp
• 3.2.3. Thuật toán và lập trình hệ thống điều khiển ga
• 3.2.3.1. Giới thiệu lưu đồ thuật toán cho hệ thống điều khiển ga gián tiếp từ xa
• 3.2.3.2. Thiết kế phần mềm
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Kịch bản thử nghiệm và kết quả thử
• 4.1.1. Kịch bản thực nghiệm
• 4.1.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.1.3. Đường đặc tuyến của ga và đo thời gian trễ của hệ thống điều khiển ga gián tiếp từ xa qua đường đặc tuyến
• 4.2. Đo thời gian trễ của hệ thống điều khiển ga gián tiếp từ xa bằng thuật toán
• 4.2.1. Thuật toán tính thời gian trễ trên hệ thống điều khiển ga gián tiếp từ xa
• 4.2.2. Thuật toán đo thời gian trễ
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục A: Một số khối (hàm thức) phổ biến trong của LabVIEW
• A1. Cấu trúc một số vòng lặp
• A2. Một số hàm Delay thời gian. Cách lấy các hàm tính toán và so sánh
• Phụ lục B: Thuật toán PID và ứng dụng vào điều khiển động cơ DC
• B1. Khái niệm về thuật toán PID
• B2. Các lưu ý khi thiết kế bộ điều khiển PID
• B3. Điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán PID
• B3.1. Điều khiển vị trí động cơ DC khâu P
• B3.2. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PI
• B3.3. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PID

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hệ thống ga điện tử điều khiển ô tô từ xa

Hệ thống ga điện tử điều khiển ô tô từ xa đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghệ ô tô. Với sự phát triển của công nghệ thông tin và tự động hóa, việc điều khiển ô tô từ xa không chỉ mang lại sự tiện lợi mà còn nâng cao tính an toàn cho người sử dụng. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phát triển và cải tiến hệ thống ga điện tử, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

1.1. Lịch sử phát triển hệ thống ga điện tử

Hệ thống ga điện tử đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1980. Ban đầu, hệ thống này chỉ được áp dụng cho một số mẫu xe cao cấp. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ, ngày nay nó đã trở thành tiêu chuẩn cho hầu hết các loại xe.

1.2. Tầm quan trọng của hệ thống ga điện tử trong ô tô

Hệ thống ga điện tử không chỉ giúp cải thiện hiệu suất động cơ mà còn tăng cường an toàn giao thông. Nó cho phép điều khiển chính xác hơn, giảm thiểu độ trễ và tăng cường khả năng phản ứng của xe trong các tình huống khẩn cấp.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu hệ thống ga điện tử

Mặc dù hệ thống ga điện tử mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số vấn đề và thách thức cần được giải quyết. Độ trễ trong việc truyền tín hiệu qua mạng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Ngoài ra, việc đảm bảo an toàn và độ tin cậy của hệ thống cũng là một thách thức lớn.

2.1. Độ trễ trong truyền tín hiệu

Độ trễ trong việc truyền tín hiệu qua mạng 3G có thể gây ra sự chậm trễ trong phản ứng của hệ thống ga. Điều này có thể ảnh hưởng đến khả năng kiểm soát tốc độ của xe, đặc biệt trong các tình huống khẩn cấp.

2.2. An toàn và độ tin cậy của hệ thống

Đảm bảo an toàn cho người sử dụng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống ga điện tử. Các biện pháp bảo mật cần được áp dụng để ngăn chặn các cuộc tấn công từ xa có thể gây nguy hiểm cho người lái.

III. Phương pháp nghiên cứu hệ thống ga điện tử điều khiển từ xa

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp hiện đại để phát triển hệ thống ga điện tử điều khiển từ xa. Các công nghệ như cảm biến, mạng không dây và thuật toán điều khiển sẽ được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

3.1. Sử dụng cảm biến trong hệ thống

Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống ga. Chúng giúp theo dõi tốc độ và vị trí của bướm ga, từ đó cải thiện độ chính xác trong việc điều khiển.

3.2. Ứng dụng mạng không dây

Mạng không dây, đặc biệt là mạng 3G, cho phép truyền tải dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả. Điều này giúp giảm thiểu độ trễ trong việc điều khiển từ xa và nâng cao trải nghiệm người dùng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống ga điện tử điều khiển từ xa có thể hoạt động hiệu quả với độ trễ tối thiểu. Các thử nghiệm thực tế đã chứng minh rằng hệ thống này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và an toàn cho người lái.

4.1. Thử nghiệm độ trễ của hệ thống

Các thử nghiệm cho thấy độ trễ trong việc truyền tín hiệu qua mạng 3G là chấp nhận được, cho phép người lái kiểm soát xe một cách hiệu quả.

4.2. Ứng dụng trong thực tế

Hệ thống ga điện tử điều khiển từ xa đã được áp dụng trong một số mẫu xe mới, mang lại trải nghiệm lái xe an toàn và tiện lợi hơn cho người sử dụng.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu về hệ thống ga điện tử điều khiển từ xa đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghệ ô tô. Tuy nhiên, vẫn cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ tin cậy và an toàn của hệ thống. Hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến thuật toán điều khiển.

5.1. Đề xuất hướng nghiên cứu mới

Nghiên cứu có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh hơn, giúp cải thiện khả năng phản ứng của hệ thống ga điện tử.

5.2. Tích hợp công nghệ mới

Việc tích hợp các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống ga điện tử điều khiển từ xa.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh bùng nổ của cuộc cách mạng tự động hóa và công nghệ thông tin, việc phát triển các phương tiện thông minh có khả năng vận hành không người lái đóng vai trò thiết yếu cho các nhiệm vụ quốc phòng, an ninh, giám sát và cứu hộ trong môi trường độc hại. Tại Việt Nam vào năm 2012, các công trình nghiên cứu hệ thống điều khiển ô tô từ xa chủ yếu dừng lại ở việc truyền tín hiệu qua sóng vô tuyến ngắn hoặc mạng Wi-Fi nội bộ với phạm vi giới hạn dưới 50 mét. Nhằm mở rộng không gian vận hành và nâng cao khả năng tự động hóa trên phương tiện giao thông thực tế, luận văn "Nghiên cứu hệ thống ga điện tử điều khiển ô tô từ xa" của tác giả Trần Xuân Trình, dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Bá Hải tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đã giải quyết bài toán cốt lõi về điều khiển bướm ga điện tử gián tiếp (Throttle-by-wire) qua hạ tầng mạng viễn thông 3G.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế, gia công chế tạo cơ cấu chấp hành điều khiển bướm ga sử dụng động cơ điện một chiều 12V, đồng thời xây dựng hệ thống phần mềm giám sát và truyền dữ liệu thời gian thực qua giao thức TCP/IP. Đề tài thực hiện thực nghiệm toàn diện trên mô hình xe điện sân golf 4 chỗ ngồi có tải trọng thực tế, đạt tốc độ vận hành tối đa 30 km/h trong phạm vi bán kính thử nghiệm 100 mét. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc lượng hóa chính xác độ trễ gói tin viễn thông và đánh giá sự suy giảm gia tốc của xe, tạo nền tảng vững chắc để tích hợp đồng bộ các hệ thống an toàn chủ động tiên tiến như hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) và hệ thống cân bằng điện tử (ESP) trên các dòng ô tô thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động nhiều lớp kết hợp kỹ thuật ô tô hiện đại và truyền thông mạng không dây:

• Lý thuyết điều khiển bướm ga điện tử (Throttle-by-Wire - XBW): Thay thế liên kết cơ khí truyền thống bằng liên kết điều khiển mềm. Hệ thống bao gồm mô đun chân ga điện tử (TAC Module), cảm biến vị trí bàn đạp ga theo nguyên lý biến trở hoặc hiệu ứng Hall, và bộ điều khiển trung tâm (ECU) điều khiển bướm ga độc lập với lực tác động cơ học trực tiếp.
• Mô hình điều khiển vị trí động cơ bằng giải thuật PID: Vận dụng lý thuyết tỷ lệ - tích phân - vi phân (Proportional - Integral - Derivative) để điều khiển vị trí góc quay của động cơ điện một chiều 12V. Thuật toán tối ưu hóa các thông số $K_p$, $K_i$, $K_d$ nhằm triệt tiêu sai số góc mở bướm ga và rút ngắn thời gian xác lập dưới 0,2 giây.
• Lý thuyết truyền thông mạng không dây và công nghệ Haptics: Phân tích cơ chế truyền dữ liệu gói qua mạng tế bào 3G dựa trên giao thức TCP/IP và kiến trúc mạng Client - Server. Kết hợp lý thuyết cảm giác xúc giác (Haptics) để nghiên cứu phản hồi lực trên bàn đạp ga, tương tự như công nghệ chân ga thông minh AFFP của Continental với thời gian đáp ứng lực hãm 0,1 giây.

Các khái niệm chính được chuẩn hóa trong luận văn bao gồm: hệ thống điều khiển bằng dây (X-by-Wire), độ trễ đường truyền vô tuyến (Network Latency), van điều khiển cầm chừng (ISCV), và cơ chế điều chế độ rộng xung (PWM) trong điều khiển công suất động cơ một chiều.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế cơ khí chính xác, lập trình điều khiển nhúng và thực nghiệm đo đạc hiện trường:

• Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu: Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hơn 50 chu kỳ chạy thử độc lập trên xe sân golf 4 chỗ thực tế. Các chu kỳ bao gồm các chế độ khởi hành từ 0 km/h, tăng tốc đột ngột, duy trì dải tốc độ 15 - 30 km/h và giảm tốc độ.
• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn mẫu thực nghiệm theo kịch bản có chủ đích nhằm so sánh trực tiếp hai trạng thái: lái trực tiếp cơ khí tại buồng lái và điều khiển gián tiếp từ xa thông qua bàn đạp ga không dây đặt tại máy tính trạm Server.
• Phương pháp phân tích và lý do lựa chọn: Nghiên cứu sử dụng môi trường lập trình đồ họa LabVIEW kết hợp phần cứng thu thập dữ liệu Card USB HDL 9090 và cảm biến Encoder đo góc quay quang học. Lý do lựa chọn giải pháp này là nhờ khả năng xử lý song song đa luồng tốc độ cao của LabVIEW, giao diện người dùng trực quan và khả năng lấy mẫu tín hiệu với chu kỳ trễ cực thấp dưới 10 mili giây.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được triển khai liên tục trong thời gian 12 tháng (từ tháng 10 năm 2011 đến tháng 10 năm 2012), trải qua 4 giai đoạn: phác thảo thiết kế mô hình, chế tạo gia công cơ khí, lập trình tích hợp phần mềm LabVIEW và thử nghiệm đánh giá thực địa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu thực nghiệm đã ghi nhận các kết quả định lượng cụ thể:

• Tính linh hoạt của cơ cấu chấp hành song song: Cơ cấu chấp hành sử dụng động cơ DC 12V được bố trí song song 100% với hệ thống dây cáp cơ khí ban đầu. Thiết kế này cho phép xe chuyển đổi tức thời giữa 2 chế độ vận hành (điều khiển trực tiếp bằng chân và điều khiển từ xa qua máy tính) mà không cần tháo lắp cụm bướm ga.
• Độ trễ truyền dẫn qua mạng 3G: Thời gian trễ truyền tín hiệu một chiều từ máy tính Server đến bộ nhận Client trên ô tô dao động trong khoảng 120 mili giây đến 250 mili giây. Mức dao động này phụ thuộc trực tiếp vào lưu lượng truyền dẫn của trạm viễn thông mặt đất tại từng thời điểm thử nghiệm.
• Độ chính xác bám góc mở bướm ga: Dưới sự kiểm soát của thuật toán điều khiển PID, sai lệch góc mở bướm ga thực tế đo qua Encoder so với góc bàn đạp ga tại trạm điều khiển được khống chế dưới mức 3,5%, đảm bảo động cơ duy trì đúng công suất yêu cầu.
• Sự suy giảm gia tốc khi điều khiển từ xa: Do ảnh hưởng cộng gộp giữa độ trễ mạng 3G và thời gian đáp ứng cơ điện của mô tơ, thời gian tăng tốc của xe từ 0 lên 20 km/h ở chế độ điều khiển từ xa kéo dài hơn từ 15% đến 22% so với khi người lái trực tiếp nhấn chân ga trên xe.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu thực nghiệm thu được từ phần mềm LabVIEW được trực quan hóa chi tiết thông qua các đường đặc tuyến bám vị trí tại Hình 4.3 (chế độ trực tiếp) và Hình 4.4 (chế độ từ xa qua mạng 3G), cùng với các bảng tổng hợp số liệu đo đạc thời gian đáp ứng (Bảng 4.1 và Bảng 4.3 trong tài liệu gốc). Đường biểu diễn cho thấy góc mở bướm ga luôn bám sát theo quy luật của bàn đạp ga điều khiển, tuy nhiên xuất hiện một khoảng dịch chuyển thời gian (time-shift) cố định từ 0,12 đến 0,25 giây do độ trễ truyền gói tin TCP/IP qua sóng vô tuyến.

Nguyên nhân chính dẫn đến sự chênh lệch thời gian tăng tốc xuất phát từ bản chất truyền dữ liệu không đồng bộ trên mạng 3G công cộng và quán tính cơ học của cụm bướm ga. Khi so sánh với các nghiên cứu X-by-Wire quốc tế của tác giả Cédric Wilwert sử dụng mạng nội bộ có dây FlexRay và TTCAN hoặc hệ thống chân ga Continental AFFP với thời gian phản hồi chỉ 0,1 giây (100 mili giây), hệ thống điều khiển từ xa qua mạng di động diện rộng có độ trễ lớn hơn. Mặc dù vậy, với dải vận tốc vận hành an toàn dưới 30 km/h trên dòng xe sân golf 4 chỗ, hệ thống hoàn toàn đảm bảo tính ổn định chuyển động, không xảy ra hiện tượng giật cục hay mất kiểm soát ga. Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi vượt trội của phương án sử dụng phần cứng nội địa Card USB HDL 9090 kết hợp động cơ DC 12V chi phí thấp thay cho các bộ điều khiển công nghiệp đắt tiền.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các hạn chế về độ trễ viễn thông và cảm giác lái từ xa, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

• Tích hợp thuật toán dự báo và bù trễ mạng: Ứng dụng giải thuật lọc thích nghi Kalman hoặc bộ điều khiển dự báo mô hình Smith Predictor vào phần mềm LabVIEW Client nhằm dự đoán trước góc mở bướm ga, phấn đấu giảm sai lệch đáp ứng xuống dưới 50 mili giây trong vòng 6 tháng bởi nhóm kỹ thuật điều khiển tự động.
• Chuyển đổi hạ tầng truyền dẫn sang công nghệ mạng 4G/5G: Nâng cấp mô đun truyền dữ liệu không dây từ 3G lên 4G/5G hoặc sử dụng dải tần số chuyên dụng công nghiệp, mục tiêu cắt giảm độ trễ truyền gói tin xuống dưới 30 mili giây trong lộ trình 12 tháng do các kỹ sư viễn thông phụ trách.
• Trang bị cơ cấu phản hồi cảm giác lực Haptics: Chế tạo bàn đạp ga có gắn mô tơ tạo lực phản hồi tại trạm điều khiển trung tâm, tái tạo 100% cảm giác gia tốc và độ rung của mặt đường cho người vận hành từ xa, hoàn thiện lắp đặt trong vòng 9 tháng bởi nhóm phát triển giao diện người - máy (HMI).
• Xây dựng cơ chế an toàn ngắt khẩn cấp đa cấp (Fail-Safe): Thiết lập rơ-le tự động hồi vị bướm ga về trạng thái không tải ngay lập tức nếu mất kết nối mạng quá 500 mili giây, đồng thời tự động kích hoạt phanh dừng đỗ, triển khai thử nghiệm trên xe trong thời hạn 3 tháng do kỹ sư cơ điện tử thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư thiết kế và nghiên cứu ô tô: Tiếp cận phương pháp thiết kế cơ cấu chấp hành ga gián tiếp kết hợp cơ-điện tử, làm tiền đề để tích hợp các tính năng kiểm soát hành trình chủ động (ACC) và hệ thống lái thông minh trên các dòng xe chở khách 4 - 7 chỗ.
• Học viên cao học và sinh viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa: Tham khảo toàn bộ kiến trúc lập trình LabVIEW đa luồng, cách khai thác Card giao tiếp USB HDL 9090 và phương pháp tinh chỉnh bộ thông số PID điều khiển vị trí động cơ điện 12V.
• Các đơn vị quốc phòng, an ninh và phòng cháy chữa cháy: Khai thác giải pháp kỹ thuật điều khiển phương tiện từ xa trong bán kính trên 100 mét để chế tạo robot trinh sát, xe cứu nạn và phương tiện vận tải hoạt động tại các khu vực rò rỉ hóa chất hoặc nguy cơ cháy nổ cao.
• Chuyên gia viễn thông và lập trình IoT công nghiệp: Nắm bắt số liệu đo đạc thực tế về độ trễ gói tin TCP/IP trên sóng di động tế bào để phục vụ bài toán truyền dữ liệu điều khiển thời gian thực cho các thiết bị di động thông minh.

Câu hỏi thường gặp

• Hệ thống điều khiển ga điện tử trong đề tài có làm mất đi khả năng lái trực tiếp của xe không? Không. Luận văn thiết kế cơ cấu điều khiển bướm ga sử dụng động cơ DC 12V gắn song song hoàn toàn với hệ thống cơ khí nguyên bản. Do đó, phương tiện 4 chỗ vẫn duy trì linh hoạt 2 chế độ vận hành: lái trực tiếp bằng chân ga truyền thống hoặc chuyển sang điều khiển từ xa qua mạng máy tính.
• Độ trễ truyền tín hiệu qua mạng 3G ảnh hưởng như thế nào đến sự an toàn của xe? Độ trễ đo được từ 120 đến 250 mili giây làm giảm tốc độ đáp ứng tăng tốc của xe từ 15% đến 22% so với điều khiển trực tiếp. Tuy nhiên, ở giới hạn vận tốc thử nghiệm 30 km/h, khoảng trễ này hoàn toàn nằm trong ngưỡng kiểm soát ổn định của người vận hành.
• Những phần cứng chính nào đã được sử dụng để xây dựng hệ thống điều khiển ga từ xa? Phần cứng cốt lõi gồm một động cơ một chiều 12V truyền động bướm ga, bộ cảm biến đo tốc độ Encoder quang học, Card giao tiếp dữ liệu USB HDL 9090, 2 máy tính laptop đóng vai trò Server và Client, cùng mô-đun phát sóng mạng không dây 3G.
• Thuật toán PID đóng vai trò gì trong việc kiểm soát bướm ga điện tử? Thuật toán PID nhận tín hiệu phản hồi vị trí từ cảm biến Encoder để liên tục hiệu chỉnh điện áp cấp cho động cơ DC 12V qua xung PWM. Nhờ đó, góc mở bướm ga luôn bám chính xác theo tín hiệu điều khiển từ xa với sai số vị trí dưới 3,5%.
• Đề tài có tiềm năng mở rộng ứng dụng trong những lĩnh vực nào ngoài xe sân golf? Công nghệ ga điện tử từ xa có thể ứng dụng trực tiếp cho các phương tiện quân sự không người lái, xe rà phá bom mìn, xe vận chuyển chất thải nguy hại trong cự ly trên 100 mét, nơi con người không thể trực tiếp có mặt trong cabin.

Kết luận

• Thiết kế và gia công chế tạo thành công cơ cấu điều khiển bướm ga song song sử dụng động cơ điện một chiều 12V trên ô tô thực tế.
• Xây dựng hoàn chỉnh chương trình điều khiển truyền nhận dữ liệu qua mạng 3G trên phần mềm LabVIEW thông qua Card USB HDL 9090.
• Tối ưu hóa thuật toán PID giúp cơ cấu bướm ga bám sát lệnh điều khiển với sai số góc mở được kiểm soát chặt chẽ dưới 3,5%.
• Đo đạc và lượng hóa chính xác độ trễ mạng viễn thông (120 - 250 mili giây) cùng sự sụt giảm gia tốc xe trong dải vận tốc 0 - 30 km/h.
• Chứng minh tính ứng dụng thực tiễn của giải pháp điều khiển ô tô 2 chế độ (trực tiếp và từ xa) trên phương tiện chở 4 người.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là công trình tiên phong tại Việt Nam tích hợp thành công cơ chế điều khiển bướm ga gián tiếp qua mạng viễn thông tế bào 3G trên phương tiện giao thông thực tế. Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2024 đến năm 2026, các nhóm nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển đề tài bằng cách ứng dụng công nghệ mạng 5G và hoàn thiện bàn đạp ga tích hợp cảm giác lực Haptics. Bạn đọc, quý thầy cô và các kỹ sư quan tâm có thể khai thác tài liệu này để phục vụ nghiên cứu và phát triển các hệ thống phương tiện tự hành thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tác giả cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tác giả. 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 29 tháng 9 năm 2012 Học viên thực hiện Trần Xuân Trình LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn đã giúp em học hỏi thêm rất nhiều được rất nhiều kiến thức bổ ích từ thầy cô, bạn bè. Những kiến thức này giúp em vững vàng hơn về chuyên môn nghiệp vụ sau này.

Có được kết quả như ngày hôm nay, em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Bá Hải, Thầy đã cho em những kiến thức, tận tình hướng dẫn, giúp em xác định hướng đi để em có thể hoàn thành luận văn này. Cùng các bạn trong phòng nghiên cứu HỌC ĐỂ LÀM đã giúp đỡ rất nhiều về nơi làm việc cũng như hỗ trợ về trang thiết bị trong quá trình thực hiện đề tài này. Em cũng xin chân thành gởi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Cơ khí Động Lực của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình làm luận văn. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn với tất cả tấm lòng của mình.Hồ Chí Minh, 10/2012 Học viên thực hiện Trần Xuân Trình Tóm tắt Trong đề tài “Nghiên cứu và phát triến hệ thống điều khiển ga phục vụ điều khiển ô tô từ xa” này người thực hiện đã thực hiện được các công viêc như sau: Đo đạc được độ trễ của tín hiệu khi truyền qua mạng thông qua mạng 3G, đo được độ đáp ứng về sự tăng tốc của xe khi truyền qua mạng, so sánh độ đáp ứng giữa viêc điều khiển trực tiếp và điều khiển từ xa qua.

Do tốc độ truyền dữ liệu qua mạng có một độ trễ nhất định nên cơ cấu được điều khiển sẽ có một độ trễ nhất định so với thực tế và ảnh hưỡng tới chất lượng điều khiển hệ thống ga. Một động cơ một chiều 12V được thiết kế bên trong cơ cấu điều khiển ga để thực hiện việc điều khiển bướm ga nhằm duy trì vị trí mà tài xế điều khiển. Hệ thông cơ bản vẫn giữ được kết cấu cơ khí. Cơ cấu ga điều khiển gián tiếp được gắn song song với hệ thống cơ khí nên xe vẫn có thể hoạt động được 2 chế độ điều khiển trực tiếp hoặc điều khiển từ xa.

Abstract In the project “A study on Throttle -by-wire” is studied vehicle teleoperation. We carried out the as follows: Measure the delay of the signals when transmitted over the network 3G, the response of the acceleration of the car, and the comparison of responses between the direct control and teleoperated control. A 12V DC motor is built in the control structure of the terminal to make the throttle control to maintain the position that the driver controls. Basically the proposed Throttle-by-wire system remains original mechanism.The structure of indirect control throttle is mounted parallelly to the original system.

As the result the car can be still operated by two control modes direct control or teleoperation. Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học MỤC LỤC MỤC LỤC. 1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT. 6 MỤC LỤC HÌNH.

9 MỤC LỤC BẢNG. 14 Chƣơng 1: TỔNG QUAN.1 Tổng quan và lí do chọn đề tài .2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.2 Các kết quả nghiên cứu nước ngoài .3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài .1 Mục đích nghiên cứu .2 Nhiệm vụ nghiên cứu .4 Đối tƣợng nghiên cứu .5 Điểm mới của đề tài .6 Giới hạn đề tài .7 Phƣơng pháp nghiên cứu và kế hoạch thực hiện .1 Phương pháp nghiên cứu .2 Kế hoạch thực hiện. 22 Chƣơng 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Chức năng của bƣớm ga .1 Hệ thống ga trực tiếp .2 Hệ thống điều khiển ga gián tiếp .1 Mô đun chân bàn đạp ga điện tử.

Nguyễn Bá Hải -1- HVTH: Trần Xuân Trình Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học 2.2 ECU điều khiển .3 Ưu và nhược điểm .3 Hệ thống ga gián tiếp từ xa .4 Các hệ thống ga được so sánh qua bảng sau .6 Tình hình các hãng đầu tư nghiên cứu hệ thống ga gián tiếp .7 Các vấn đề khó khăn đặt ra khi thiết kế hệ thống ga gian tiếp .2 Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác (haptics) .1 Ứng dụng của công nghệ Haptics.1 Ứng trên ô tô .2 Ứng dụng haptic trong robot giống người .3 Ứng dụng haptic trong y tế .4 Haptic cho người mù .5 Ứng dụng haptic trong công nghệ thông tin .3 Giới thiệu phần mềm LabVIEW .2 Ứng dụng LabVIEW trong thực tế .2 Lập trình với LabVIEW .4 Thuật toán PID và ứng dụng vào điều khiển động cơ DC .1 Khái niệm về thuật toán PID .2 Điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán PID.5 Lí thuyết điều khiển từ xa .1 Giới thiệu về mạng không dây .2 Tiêu chuẩn mạng không dây hiện nay .3 Kỹ thuật truyền tín hiệu trong mạng không dây.1 DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum. Nguyễn Bá Hải -2- HVTH: Trần Xuân Trình Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học 2.4 Truyền dữ liệu qua sóng vô tuyến mạng 3G .1 Khái niệm mạng 3G .3 Các thiết bị cần thiết để kết nối 3G.6 Thuật toán điều khiển từ xa qua mạng 3G.1 Chương trình truyền dữ liệu từ máy Server .2 Chương trình nhận dữ liệu từ máy Client. 71 Chƣơng 3: THIẾT KẾ PHẦN CÚNG VÀ LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GA GIÁN TIẾP TỪ XA .1 Thiết kế phần cứng .1 Giới thiệu sơ đồ hệ thống điều khiển ga gián tiếp từ xa.2 Chế tạo phần cơ khí của mô hình xe điều khiển gián tiếp từ xa .3 Chế tạo cơ khí hệ thống điều khiển ga gián tiếp từ xa .4 Bộ cảm biến đo tốc độ Encoder.2 Xây dựng phần mềm hệ thống điều khiển ga gián tiếp từ xa .1 Giới thiệu chung các bộ phận của hệ thống ga gián tiếp từ xa.1 Bàn đạp ga .2 Laptop dùng cho server và Client .3 Giới thiệu card USB HDL 9090 .4 Chọn động cơ điện một chiều điều khiển hệ thống ga .2 Thiết kế phần điện của mô hình .1 Mạch điện được thiết kế điều khiển trong nhà .2 Mạch điện điều khiển ga được điều khiển gián tiếp .3 Thuật toán và lập trình hệ thống điều khiển ga .1 Giới thiệu lưu đồ thuật toán cho hệ thống điều khiển ga gián tiếp từ xa .2 Thiết kế phần mềm. Nguyễn Bá Hải -3- HVTH: Trần Xuân Trình Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học Chƣơng 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .1 Kịch bản thử nghiệm và kết quả thử .1 Kịch bản thực nghiệm .2 Kết quả thực nghiệm .3 Đường đặc tuyến của ga và đo thời gian trễ của hệ thống điều khiển ga gián tiếp từ xa qua đường đặc tuyến .2 Đo thời gian trễ của hệ thống điều khiển ga gián tiếp từ xa bằng thuật toán .1 Thuật toán tính thời gian trễ trên hệ thống điều khiển ga gián tiếp từ xa .2 Thuật toán đo thời gian trễ.

108 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU. 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 112 Phụ lục A: Một số khối (hàm thức) phổ biến trong của LabVIEW. 112 A1 Cấu trúc một số vòng lặp.

112 A2 Một số hàm Delay thời gian. Cách lấy các hàm tính toán và so sánh. 116 Phụ lục B: Thuật toán PID và ứng dụng vào điều khiển động cơ DC. 117 B1 Khái niệm về thuật toán PID.

117 B2 Các lưu ý khi thiết kế bộ điều khiển PID. 118 B3 Điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán PID. Nguyễn Bá Hải -4- HVTH: Trần Xuân Trình Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học B3. Điều khiển vị trí động cơ DC khâu P .2 Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PI .3 Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PID.

Nguyễn Bá Hải -5- HVTH: Trần Xuân Trình Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3 G (Third Generation) : Hệ thống thông tin thế hệ thứ 3 ABS (Anti-lock braking system) : Hệ thống chống bó cứng phanh ACC (Adaptive Cruise Control) : Hệ thống kiểm soát hành trình ACK (acknowledgment signal) : Thông báo tiếp nhận tốt thông tin ADC ( analog-to-digital converter) : Chuyển đổi tin hiệu từ tương tự sang số Ad-hoc (hay còn gọi là peer-to-peer) : Mạng ngang hàng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) : Là đường dây thuê bao số bất đối xứng AM/FM (Frequency modulation) : Điều chỉnh tần số tín hiệu ASR (Anti-slip regulation) : Hệ thống chống trượt BAS (Brake Assist) : Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp CSMA/CA (carrier sense multiple access with collision avoidance) : Là giao thức truyền thông tin trong đó các thiết bị mạng tranh nhau sử dụng đường truyền DC ( Direct Current ) : Động cơ một chiều DIR : Đảo chiều DNS (Domain Name System) : Hệ thống tên miền DSC (Dynamic stability control) :Hệ thống kiểm soát sự ổn định chủ động DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) : Trải phổ nhảy tần ECO (Economic Cooperation Organization) : Hệ thống kiểm soát nhiên liệu ECU (Enigine Control Unit) : Bộ điều khiển đông cơ EFI (Electronic Fuel Injection) : Phụn nhiên liệu điện tử ESC (Electronic stability control) : Hệ thống cân bằng điện tử ESP (Electronic stability program) : Hệ thống cân bằng điện tử GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải -6- HVTH: Trần Xuân Trình Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn cao học FFC (Federal Communications Commission) : Trải phổ chuỗi trực tiếp GND ( Ground) : Chân mát GPS (Global Positioning System) : Là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) : Kỹ sư điện và điện tử I/O (input/output or I/O) : Sự giao tiếp giữa hệ thống sử lý thông tin ITU (International Telecommunication Union) : Tổ chức viễn thông thế giới thuộc Liên Hợp Quốc. ISC ( Idle Speed Control System) : Van điều khiển cầm chừng LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) : Ngôn ngữ lập trình đồ họa LAN (Wireless Local Area Network) : Mạng nội bộ LBT (Listen Before Talk) : Nghe trước khi nói MAC Media Access Control : Địa chỉ vật lý của mạng PCI (Peripheral Component Interconnect) : Chuẩn để truyền dữ liệu giữa các thiết bị ngoại vi đến bo mạch chủ.