Luận văn thạc sĩ về hệ thống lái không trục cho ô tô điều khiển từ xa

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu hệ thống lái không trục lái cho ô tô từ xa, mang lại giải pháp điều khiển hiệu quả và tiên tiến.

• Tác giả: Nguyễn Như Xuân Phúc
• 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 Hệ Thống Lái Không Trục Cho Ô Tô Điều Khiển Từ Xa
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• ABSTRACT
• DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• KÝ HIỆU
• MỤC LỤC
• 1. PHẦN I: DẪN NHẬP
• 1.1. 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 tượng nghiên cứu
• 1.4. Điểm mới của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới
• 1.7.1. Tình hình trong nước
• 1.7.2. Tình hình trên thế giới
• 2. PHẦN II: NỘI DUNG
• 2. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về hệ thống lái trên ô tô
• 2.1.1. Công dụng của hệ thống lái
• 2.1.2. Yêu cầu của hệ thống lái
• 2.1.3. Các góc đặt bánh xe trong hệ thống lái
• 2.2. Sự phát triển của hệ thống lái trên ô tô
• 2.3. Khái niệm hệ thống STEER-BY-WIRE trên ô tô
• 2.3.1. Xe ô tô điện Mini Land Glider của Nissan
• 2.3.2. The GM Hy-wire
• 2.3.3. Sản phẩm của Mercedes và Su Rui của BYD Trung Quốc
• 2.3.4. Những lợi ích kỹ thuật của hệ thống STEER-BY-WIRE
• 2.3.5. Những cải tiến của hệ thống STEER-BY-WIRE
• 2.4. Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác (HAPTICS)
• 2.4.1. Ứng dụng công nghệ haptics
• 2.4.1.1. Đối với ô tô
• 2.4.1.2. Con người tương tác với robot
• 2.5. Giới thiệu phần mềm LabVIEW
• 2.6. Thuật toán PID và ứng dụng vào điều khiển động cơ DC
• 2.6.1. Khái niệm thuật toán PID
• 2.6.2. Bản chất toán học của thuật toán PID
• 2.6.3. Thực hành điều khiển PID cho động cơ DC
• 2.6.4. Các lưu ý khi thiết kế bộ điều khiển PID
• 2.6.5. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng thuật toán PID
• 2.6.6. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu P
• 2.6.7. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PI
• 2.6.8. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PID
• 3. CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN TÁI TẠO CẢM GIÁC LÁI
• 3.1. Giới thiệu về hệ thống lái không trục (SBW)
• 3.2. Các phương pháp tái tạo cảm giác lái
• 3.2.1. Phương pháp tiếp cận dựa trên động học
• 3.2.2. Phương pháp dựa trên biểu đồ mô-men
• 3.2.3. Phương pháp dựa trên cảm biến mô-men xoắn
• 3.2.4. Phương pháp đo dựa trên cường độ dòng điện
• 3.2.4.1. Giới thiệu phương pháp đo dòng điện
• 3.2.4.2. Sự tái tạo cảm giác lái
• 4. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG, XÂY DỰNG PHẦN MỀM CỦA HỆ THỐNG LÁI KHÔNG TRỤC LÁI ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
• 4.1. Thiết kế phần cứng
• 4.1.1. Giới thiệu sơ đồ hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa
• 4.1.2. Chế tạo phần cơ khí của hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa
• 4.1.3. Chuyển đổi cơ cấu lái thường sang cơ cấu lái không trục lái
• 4.1.4. Vô lăng điều khiển hệ thống lái
• 4.1.5. Chọn động cơ DC để dẫn động cơ cấu lái
• 4.2. Xây dựng phần mềm điều khiển hệ thống lái SBW điều khiển từ xa
• 4.2.1. Phần điện mô hình hệ thống lái không trục lái
• 4.2.2. Cảm biến dòng điện ACS712
• 4.2.3. Laptop dùng cho Server và Client
• 4.2.4. Giới thiệu Card USB HDL 9090
• 4.2.5. Mạch điện điều khiển mô hình vô lăng
• 4.2.6. Lập trình tái tạo cảm giác lái mô hình
• 4.2.6.1. Giao diện điều khiển
• 4.2.6.2. Giao diện lập trình mô hình
• 4.2.7. Thuật toán và lập trình hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa
• 4.2.7.1. Giới thiệu lưu đồ thuật toán cho xe có hệ thống lái SBW điều khiển từ xa
• 4.2.7.2. Thiết kế phần mềm
• 5. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.1. Kế hoạch và kết quả thử nghiệm
• 5.1.1. Kế hoạch thực nghiệm
• 5.1.2. Tiến hành thực nghiệm
• 5.2. Đo thời gian trễ của hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa
• 5.2.1. Thuật toán tính thời gian trễ của hệ thống lái SBW điều khiển từ xa
• 5.2.2. Thuật toán đo thời gian trễ
• 6. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống lái ô tô

Hệ thống lái ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và kiểm soát phương tiện. Hệ thống lái không chỉ giúp xe di chuyển theo hướng mong muốn mà còn đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách. Trong bối cảnh hiện đại, việc phát triển hệ thống lái không trục trở nên cần thiết, đặc biệt là trong các ứng dụng ô tô điều khiển từ xa. Hệ thống này cho phép người điều khiển có thể điều khiển xe từ khoảng cách xa mà không cần phải ngồi trực tiếp trong xe. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng trong các lĩnh vực như cứu hộ, giám sát an ninh và các hoạt động trong môi trường nguy hiểm. Theo nghiên cứu, công nghệ lái không trục có thể cải thiện tính linh hoạt và độ chính xác trong việc điều khiển xe, đồng thời giảm thiểu rủi ro cho người lái.

1.1. Công dụng của hệ thống lái

Hệ thống lái có nhiều công dụng quan trọng trong việc điều khiển ô tô. Đầu tiên, nó giúp người lái có thể thay đổi hướng di chuyển của xe một cách dễ dàng và chính xác. Thứ hai, hệ thống lái còn đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách bằng cách cung cấp khả năng kiểm soát tốt hơn trong các tình huống khẩn cấp. Hệ thống lái không trục, hay còn gọi là steer-by-wire, cho phép loại bỏ các cơ cấu cơ khí truyền thống, từ đó giảm trọng lượng và tăng tính linh hoạt cho xe. Việc sử dụng cảm biến ô tô và công nghệ điện tử trong hệ thống lái không trục giúp cải thiện khả năng phản hồi và cảm giác lái cho người điều khiển.

II. Nghiên cứu và phát triển hệ thống lái không trục

Nghiên cứu về hệ thống lái không trục cho ô tô điều khiển từ xa đã được thực hiện với mục tiêu phát triển một mô hình xe có khả năng hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau. Việc chuyển đổi từ hệ thống lái truyền thống sang hệ thống lái không trục đòi hỏi sự nghiên cứu kỹ lưỡng về cấu trúc cơ khí và phần mềm điều khiển. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ tự lái và robot điều khiển từ xa có thể mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng điều khiển chính xác hơn và giảm thiểu thời gian phản hồi. Hệ thống lái không trục cũng cho phép người điều khiển có thể cảm nhận được trạng thái của xe thông qua các cảm biến, từ đó tạo ra cảm giác lái chân thực hơn.

2.1. Thiết kế và phát triển phần mềm

Phần mềm điều khiển là một phần quan trọng trong việc phát triển hệ thống lái không trục. Sử dụng phần mềm LabVIEW, nhóm nghiên cứu đã thiết kế giao diện điều khiển cho phép người dùng tương tác với hệ thống lái một cách dễ dàng. Phần mềm này không chỉ giúp điều khiển xe từ xa mà còn cho phép tái tạo cảm giác lái thông qua các cảm biến. Việc sử dụng cảm biến ô tô như ACS712 giúp đo lường dòng điện và từ đó điều chỉnh mô-men xoắn của động cơ, đảm bảo rằng xe có thể phản hồi chính xác theo yêu cầu của người điều khiển. Điều này không chỉ nâng cao trải nghiệm lái mà còn đảm bảo an toàn trong quá trình điều khiển.

III. Kết quả thực nghiệm và đánh giá

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống lái không trục hoạt động hiệu quả trong việc điều khiển ô tô điều khiển từ xa. Các thử nghiệm đã được thực hiện để đo thời gian trễ và độ chính xác của hệ thống. Kết quả cho thấy rằng thời gian trễ của hệ thống lái không trục là trong giới hạn cho phép, cho phép người điều khiển có thể kiểm soát xe một cách linh hoạt và an toàn. Việc so sánh giữa hệ thống lái truyền thống và hệ thống lái không trục cho thấy rằng hệ thống mới có nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm khả năng phản hồi nhanh hơn và cảm giác lái chân thực hơn. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng công nghệ này trong các lĩnh vực khác nhau, từ cứu hộ đến giám sát an ninh.

3.1. Đánh giá ưu nhược điểm

Việc đánh giá ưu nhược điểm của hệ thống lái không trục là rất quan trọng để xác định khả năng ứng dụng trong thực tế. Một trong những ưu điểm lớn nhất của hệ thống này là khả năng giảm trọng lượng và tăng tính linh hoạt cho xe. Hệ thống lái không trục cũng cho phép người điều khiển có thể cảm nhận được trạng thái của xe thông qua các cảm biến, từ đó tạo ra cảm giác lái chân thực hơn. Tuy nhiên, một số nhược điểm cần được khắc phục bao gồm độ tin cậy của các cảm biến và khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt. Việc nghiên cứu và phát triển thêm các công nghệ mới sẽ giúp cải thiện những nhược điểm này, từ đó nâng cao hiệu quả của hệ thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ điều khiển ô tô từ xa ngày càng phát triển, việc nghiên cứu và phát triển hệ thống lái không trục lái (Steer-By-Wire - SBW) phục vụ điều khiển ô tô từ xa trở thành một hướng đi mới mẻ và đầy tiềm năng tại Việt Nam. Theo ước tính, các hệ thống lái truyền thống chiếm phần lớn trong các phương tiện hiện nay, tuy nhiên chúng tồn tại nhiều hạn chế về trọng lượng, tiêu hao nhiên liệu và không gian khoang động cơ. Đề tài nghiên cứu này tập trung vào việc chuyển đổi hệ thống lái truyền thống sang hệ thống lái không trục lái, nhằm nâng cao tính linh hoạt, an toàn và khả năng điều khiển từ xa qua mạng WIFI.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống lái không trục lái trên một mẫu xe quân sự có khả năng chở 4 người, đạt vận tốc tối đa 30 km/h, đồng thời phát triển phần mềm điều khiển và tái tạo cảm giác lái xác thực trên vô lăng điều khiển từ xa. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc ứng dụng thuật toán PID điều khiển động cơ DC, sử dụng phần mềm LabVIEW và card giao tiếp HDL USB-9090 để thu thập và xử lý tín hiệu. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ năm 2010 đến 2012.

Ý nghĩa của đề tài không chỉ nằm ở việc phát triển công nghệ điều khiển ô tô từ xa trong nước mà còn góp phần mở rộng kiến thức về hệ thống lái không trục lái, tạo tiền đề cho các ứng dụng trong lĩnh vực lái xe tự động và robot vận tải trong tương lai. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong các môi trường nguy hiểm, độc hại, giúp bảo vệ an toàn con người và nâng cao hiệu quả vận hành phương tiện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: hệ thống lái không trục lái (Steer-By-Wire - SBW) và thuật toán điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative). Hệ thống SBW loại bỏ hoàn toàn kết nối cơ khí giữa vô lăng và bánh xe, thay thế bằng các thiết bị điện tử và bộ điều khiển, giúp giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu và tăng không gian khoang động cơ. Các khái niệm quan trọng bao gồm góc Camber, Caster, Kingping và độ chụm bánh xe, ảnh hưởng đến tính ổn định và khả năng điều khiển của xe.

Thuật toán PID được ứng dụng để điều khiển vị trí động cơ DC trong hệ thống lái, đảm bảo sai số giữa góc lái đặt và góc lái thực tế được giảm thiểu tối đa. Bộ điều khiển PID gồm ba thành phần: tỷ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D), phối hợp để điều chỉnh tín hiệu điều khiển động cơ nhằm đạt được độ chính xác và ổn định cao.

Ngoài ra, công nghệ Haptics được áp dụng để tái tạo cảm giác lái xác thực trên vô lăng điều khiển từ xa, giúp người lái có trải nghiệm gần giống như lái xe trực tiếp. Phần mềm LabVIEW được sử dụng để xây dựng giao diện điều khiển, lập trình thuật toán và thu thập dữ liệu qua card HDL USB-9090.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các tài liệu khoa học trong và ngoài nước về hệ thống lái SBW, thuật toán PID, công nghệ Haptics và các thiết bị phần cứng liên quan. Nghiên cứu sử dụng phương pháp thiết kế và chế tạo hệ thống lái không trục lái trên xe mô hình quân sự, sau đó tiến hành thử nghiệm thực tế để đánh giá hiệu suất.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một chiếc xe quân sự có khả năng chở 4 người, vận tốc tối đa 30 km/h, được chuyển đổi từ hệ thống lái truyền thống sang hệ thống SBW. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính khả thi và ứng dụng thực tế trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Phân tích dữ liệu được thực hiện thông qua phần mềm LabVIEW, sử dụng các thuật toán PID để điều khiển động cơ DC và đo lường các thông số như mô-men phản hồi, dòng điện theo góc lái, thời gian trễ hệ thống. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 2 năm, từ thiết kế, chế tạo, lập trình đến thử nghiệm và hiệu chỉnh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chuyển đổi thành công hệ thống lái truyền thống sang hệ thống lái không trục lái: Mô hình xe quân sự được thiết kế lại với hệ thống SBW hoạt động ổn định, đạt vận tốc tối đa 30 km/h. Hệ thống có thể hoạt động ở ba chế độ: điều khiển trực tiếp, điều khiển bằng vô lăng SBW và điều khiển từ xa qua mạng WIFI.

2. Tái tạo cảm giác lái xác thực: Sử dụng phương pháp đo dòng điện trực tiếp với cảm biến ACS712, hệ thống tái tạo mô-men phản hồi lên vô lăng điều khiển, giúp người lái cảm nhận được lực lái tương tự như hệ thống truyền thống. Đồ thị dòng điện theo góc lái cho thấy sự tăng dòng i khi đánh lái có ma sát giữa bánh xe và mặt đường, phản ánh chính xác trạng thái vận hành.

3. Thời gian trễ hệ thống điều khiển từ xa: Thời gian trễ đo được qua mạng WIFI khoảng vài trăm mili giây, đủ để đảm bảo tính linh hoạt và an toàn trong điều khiển xe từ xa. Thuật toán đo thời gian trễ được xây dựng và thử nghiệm thành công, cho phép đánh giá hiệu suất truyền tín hiệu.

4. Khả năng đáp ứng của hệ thống lái SBW: So sánh với hệ thống lái truyền thống, hệ thống SBW có khả năng đáp ứng nhanh và chính xác hơn trong việc điều khiển góc lái, đồng thời giảm thiểu rung động truyền lên vô lăng, cải thiện trải nghiệm người lái.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả tích cực này xuất phát từ việc ứng dụng công nghệ điều khiển điện tử hiện đại, thuật toán PID hiệu quả và phần mềm LabVIEW linh hoạt trong việc lập trình và thu thập dữ liệu. So với các nghiên cứu trước đây trong nước, đề tài đã vượt qua hạn chế về tài liệu và thiết bị, tạo ra hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa trên xe thật đầu tiên tại Việt Nam.

Kết quả cũng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về hệ thống SBW, như các sản phẩm của Nissan, GM và Mercedes, đồng thời mở rộng ứng dụng công nghệ Haptics trong lĩnh vực điều khiển xe từ xa. Việc đo lường thời gian trễ và mô-men phản hồi cung cấp dữ liệu quan trọng để tối ưu hóa hệ thống, đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dòng điện theo góc lái, mô-men phản hồi trong các điều kiện vận hành khác nhau, và bảng so sánh thời gian trễ giữa các phương thức điều khiển, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng hệ thống SBW trong các phương tiện chuyên dụng: Khuyến nghị các đơn vị quân sự và công nghiệp vận tải nghiên cứu áp dụng hệ thống lái không trục lái để nâng cao tính an toàn và hiệu quả điều khiển, đặc biệt trong môi trường nguy hiểm.

2. Phát triển phần mềm điều khiển từ xa đa nền tảng: Đề xuất mở rộng giao diện điều khiển qua mạng WIFI sang các mạng 3G, 4G để tăng phạm vi và tính linh hoạt trong điều khiển xe từ xa, hướng tới ứng dụng trong đô thị thông minh.

3. Nâng cao độ chính xác và giảm thời gian trễ: Khuyến khích nghiên cứu thêm về thuật toán điều khiển và truyền thông để giảm thiểu thời gian trễ dưới 100 ms, đảm bảo phản hồi tức thời và an toàn khi vận hành.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về hệ thống SBW, thuật toán PID và công nghệ Haptics cho kỹ sư, sinh viên và cán bộ kỹ thuật nhằm phổ biến và phát triển công nghệ trong nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Cơ khí Động lực, Cơ điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về hệ thống lái không trục lái, thuật toán điều khiển PID và ứng dụng phần mềm LabVIEW, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

2. Kỹ sư và chuyên gia phát triển hệ thống điều khiển ô tô: Tài liệu chi tiết về thiết kế phần cứng, phần mềm và thử nghiệm thực tế giúp nâng cao năng lực thiết kế và ứng dụng công nghệ SBW trong sản xuất.

3. Các đơn vị quân sự và công nghiệp vận tải: Tham khảo để áp dụng công nghệ điều khiển xe từ xa trong các môi trường nguy hiểm, độc hại, tăng cường an toàn và hiệu quả vận hành.

4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách công nghệ: Cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ điều khiển từ xa và xe tự động trong tương lai.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống lái không trục lái (SBW) là gì?
   SBW là hệ thống lái loại bỏ kết nối cơ khí giữa vô lăng và bánh xe, sử dụng thiết bị điện tử và bộ điều khiển để truyền tín hiệu điều khiển, giúp giảm trọng lượng và tăng tính linh hoạt.

2. Thuật toán PID được ứng dụng như thế nào trong hệ thống lái?
   Thuật toán PID điều khiển vị trí động cơ DC, đảm bảo sai số giữa góc lái đặt và góc lái thực tế được giảm thiểu, giúp hệ thống phản hồi nhanh và chính xác.

3. Làm sao để tái tạo cảm giác lái trên vô lăng điều khiển từ xa?
   Sử dụng cảm biến dòng điện ACS712 đo mô-men phản hồi từ bánh xe, sau đó tái tạo lực này lên vô lăng điều khiển qua phần mềm LabVIEW, tạo cảm giác lái xác thực cho người điều khiển.

4. Thời gian trễ của hệ thống điều khiển từ xa qua mạng WIFI là bao nhiêu?
   Thời gian trễ đo được khoảng vài trăm mili giây, đủ để đảm bảo tính linh hoạt và an toàn trong điều khiển xe từ xa.

5. Hệ thống SBW có ưu điểm gì so với hệ thống lái truyền thống?
   SBW giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng không gian khoang động cơ, giảm rung động truyền lên vô lăng và cho phép điều khiển từ xa linh hoạt hơn.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa trên xe quân sự với vận tốc tối đa 30 km/h.
• Ứng dụng thuật toán PID và phần mềm LabVIEW giúp điều khiển chính xác và tái tạo cảm giác lái xác thực.
• Đo lường thời gian trễ qua mạng WIFI cho thấy hệ thống đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển từ xa.
• Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ điều khiển xe từ xa và lái xe tự động tại Việt Nam.
• Đề xuất tiếp tục hoàn thiện thuật toán, mở rộng ứng dụng và đào tạo nhân lực để phát triển công nghệ trong tương lai.

Học viên và các nhà nghiên cứu được khuyến khích tiếp tục khai thác và phát triển hệ thống lái không trục lái, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả vận hành phương tiện trong các lĩnh vực công nghiệp và quân sự.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NHƯ XUÂN PHÚC NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG LÁI KHÔNG TRỤC LÁI PHỤC VỤ ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ ÔTÔ, MÁY KÉO-605246 S K C0 0 3 7 2 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09/2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NHƯ XUÂN PHÚC NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG LÁI KHÔNG TRỤC LÁI PHỤC VỤ ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA NGÀNH : KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ ÔTÔ, MÁY KÉO-605246 TP. Hồ Chí Minh, 09 – 2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NHƯ XUÂN PHÚC NGHIÊN CỨU VÀ PHÁ T TRIỂN HỆ THỐNG LÁI KHÔNG TRỤC LÁI PHỤC VỤ ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA NGÀNH : KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ ÔTÔ, MÁY KÉO-605246 Hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN BÁ HẢI Tp.

Hồ Chí Minh, tháng 09 – 2012 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Như xuân Phúc Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh: 26/10/1975 Nơi sinh : Bến Tre Quê quán: Bến tre Dân tộc : Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 30/10-Lãnh Binh Thăng-Tp.Bến Tre-Bến Tre Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0908179631 Fax: E-mail:nguyennhuxuanphuc1975@gmail. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/1993 đến 10/1997 Nơi học: Trường Cao Đẳng Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long Ngành học: Cơ khí động lực 2.

Đại học: Hệ đào tạo: Liên thông Thời gian đào tạo từ 09/2002 đến 09/2004 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Ngành học: Cơ Khí Động Lực Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thi các môn Chuyên Đề Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Người hướng dẫn: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2004- Đến nay Trường Cao Đẳng Bến Tre Giảng viên i Luan van 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 07 tháng 09 năm 2012 Học viên thực hiện Nguyễn Như Xuân Phúc ii Luan van LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn đã giúp em học hỏi thêm 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 TS. Nguyễn Bá Hải, Thầy đã cho em những kiến thức vô cùng quý báu, tận tình hướng dẫn, giúp em xác định đúng hướng đi để em có thể hoàn thành luận văn 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.

Các bậc sinh thành, người thân trong gia đình là nguồn động viên cho em trong suốt quá trình học tập và phấn đấu. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn với tất cả tấm lòng của mình. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 09 năm 2012 Học viên thực hiện Nguyễn Như Xuân Phúc iii Luan van TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Hiện nay, hướng nghiên cứu về điều khiển xe từ xa (Vehicle teleoperation) khá mới ở Việt Nam.Tuy nhiên, lại khá phổ biến ở các nước phát triển. Với sự hướng dẫn của TS Nguyễn Bá Hải cùng với sự nổ lực của bản thân và các thành viên trong nhóm nghiên cứu đã triển khai và hoàn thiện xe điều khiển từ xa với các hệ thống cơ bản trên xe như: hệ thống lái, hệ thống ga, hệ thống phanh và hệ thống chuyển số.Nhóm đã thiết kế một mô hình xe quân sự có khả năng chở bốn người và đạt vận tốc tối đa 30km/h.

Để xe chuyển động được an toàn và linh hoạt khi điều khiển từ xa thì ôtô phải có một hệ thống lái tốt (tức là hệ thống lái phải đáp ứng được yêu cầu tối thiểu của một hệ thống lái thông thường đồng thời phải đạt được tính tức thời, linh hoạt và an toàn ở những điều kiện lái khác nhau). Đó là lý do tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu và phát triể n hê ̣ thố ng lái không trục lái phục vụ điều khiển ô tô từ xa”. Các vấn đề cần nghiên cứu đã được thực hiện trong đề tài này gồm:  Thiết kế chuyển đổi hệ thống lái thường sang hệ thống lái không trục lái cho xe quân sự.  Thiết kế phần cứng và xây dựng phần mềm cho vô lăng điều khiển để tái tạo cảm giác lái xác thực trên vô lăng điều khiển hệ thống lái không trục lái dựa trên phương pháp đo dòng điện trực tiếp (Sử dụng phần mềm LabVIEW).

 Xây dựng phần mềm để điều khiển hệ thống lái trên xe từ xa thông qua thiết bị WIFI (Sử dụng phần mềm LabVIEW).  Đánh giá và so sánh các ưu nhược điểm của hệ thống lái thường và hệ thống lái không trục lái.  Đo được thời gian trễ của hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa qua thiết bị WIFI. Đây là một trong những hướng nghiên cứu mới mẽ (Theo kiến thức của nhóm nghiên cứu, thì đây là công trình duy nhất về hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa trên ô tô tại Việt Nam tính tới thời điểm thực hiện đề tài này).

Khi thực hiện thành công , đề tài này sẽ là nguồn tài liệu tham khảo rất tốt cho các học viên cao học cũng như những người có quan tâm tới điều khiển phương tiện từ xa. iv Luan van ABSTRACT Currently, vehicle teleoperation is one of the challenges vehicular robotics. Under supervision of Dr. Nguyen Ba Hai, along with the efforts of myself and the members of the team to redesign the basic system in the car and built a model military vehicles capable of carrying four people and reach a maximum speed of 30 km/h.

To be safe vehicle movement and flexibility of a remote control, the car must have a good driving system suitable for the road conditions. This motivates us to choose the topics : "The study on a steer-by-wire system for vehicle teleoperation". The research topics include:  Convert a conventional steering system to a stee-by-wire system (SBW).  Design hardware and software for the SBW.

 Implement wireless network-based control algorithms for SBW  Compare and study the characteristics of a SBW system under various conditions such as: ground contact, without ground contact and so on.  Study on how do artificially reproduce the foce-feedback in seer-by-wire based on direct current measarement method which has been proposed by Ba-Hai Nguyen and Jee-Hwan Ryu. v Luan van DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT HPS-Hydraulic Power Steering: Hệ thống lái trợ lực thủy lực EPS-Electric Power Steering: Hệ thống lái trợ lực điện SBW-Steering By Wire: Hệ thống lái không trục lái Haptics: Thuật ngữ chỉ cảm giác, xúc giác của con người I/O-Input/Output: Đầu vào/đầu ra LabVIEW-Laboratory Virtual Công cụ kỹ thuật thiết bị ảo trong phòng thí Instrumentation Engineering nghiệm Workbench: PID-Proportional Integral Thuật toán điều khiển tỉ lệ-tích phân-đạo hàm Derivative: BD-Block Diagram: Giao diện lập trình phần mềm LabVIEW FP-Front Panel: Giao diện điều khiển phần mềm LabVIEW VDK: Vi điều khiển HW-Handwheel: Vô lăng RW-Roadwheel: Bánh xe HDL 9090: Mạch giao tiếp máy tính đa năng dùng để thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị ngoại vi vi Luan van DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Các góc Camber,Caster và Kingping của hệ thống lái .2: Độ chụm dương (B-A>0) của xe .3: Hệ thống lái trên ô tô đầu tiên của Karl Benz năm 1885 .4: Trong tương lai, nó có thể biến đổi vô lăng lái ô tô thành cần điều điều khiển giống như một trò chơi vi tính.5: Xe Land Glider của Nissan với hệ thống lái drive-by-wire .6: Không gian rộng lớn bên trong Hy-wire GM .7: Các thiết bị kiểm tra hệ thống lái tự động của Mercedes.8: Điều khiển đỗ xe từ xa ứng dụng trên xe Su Rui của BYD Trung Quốc .9: Chuyển đổi từ hệ thống lái thông thường sang hệ thống Steer-By-Wire .10: Các cảm nhận về trạng thái của vật thể.11: Giao diện Haptics sử dụng trong điều khiển xe từ xa .12: Thiết bị giao diện điều khiển xe .13: Công nghệ haptics trong hệ thống iDrive của hãng BMW.14: Tương tác với hình ảnh ba chiều thông qua cánh tay robot .15: Tương tác với hình ảnh ba chiều trong phẫu thuật từ xa .16: Giao diện chính của phần mềm LabVIEW phiên bản 2009 .17: Một robot (Sprider) phát triển dựa trên lập trình LabVIEW .18: Khả năng kết hợp các phần cứng của LabVIEW .19: Cơ cấu cần điều khiển vị trí .20: Bộ PID điều khiển vị trí .21: Mô tả giá trị đặt, giá trị đo được và diện tích sai lệch .22: Sơ đồ kết nối phần cứng điều khiển PID động cơ DC .23: Sơ đồ mạch điện kết nối phần cứng điều khiển PID động cơ DC .24: Thuật toán điều khiển động cơ DC theo vị trí bằng PID .25: Kết quả lập trình P control cho động cơ DC .26: Giao diện người dùng điều khiển P cho động cơ DC .27: Đáp ứng của vị trí động cơ DC. 40 vii Luan van Hình 1.28: Điều khiển khâu PI vị trí động cơ DC .29: Điều khiển khâu PID vị trí động cơ DC.1: Động lực học của hệ thống SBW .2: Sự phối hợp điều khiển của phương pháp dựa trên mô hình .3: Sơ đồ điều khiển của biểu đồ mô-men .4: Sơ đồ điều khiển phương pháp mô-men xoắn .5: Những tín hiệu tham khảo cho phương pháp biểu đồ mô-men xoắn.6: Tổng quan về tái tạo cảm giác lái dùng cảm biến dòng .7: Sơ đồ kết nối của cảm biến dòng .8: Mối liên hệ giữa điện áp và dòng điện trong cảm biến ACS712 .1: Sơ đồ khối hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa qua mạng WIFI .2: Mô hình xe quân sự có hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa .3: Kết cấu cơ khí hệ thống lái ban đầu .4: Kết cấu cơ khí hệ thống lái không trục lái sau khi chuyển đổi .5: Các chi tiết bộ phận truyền động .6: Mô hình cơ khí tái tạo cảm giác lái xác thực .7: Cơ cấu dẫn động trục xoay vô lăng.8: Motor điều khiển cơ cấu lái .9: Công tắc hành trình .