Tổng quan luận án

Tính cấp thiết của đề tài và khoảng trống nghiên cứu

Trong kỹ thuật ô tô hiện đại, yêu cầu về an toàn chuyển động và tiện nghi điều khiển ngày càng được nâng cao. Hệ thống lái đảm nhiệm chức năng thay đổi và duy trì hướng chuyển động, tác động trực tiếp đến tính an toàn chủ động của phương tiện. Xu hướng tích hợp công nghệ điện tử vào các cụm tổng thành trên ô tô (như hệ thống phun xăng điện tử EFI, chống bó cứng phanh ABS, cân bằng điện tử ESC, hệ thống treo chủ động) đã hình thành nền tảng cho công nghệ điều khiển qua dây dẫn (X-by-wire).

Hệ thống lái Steer by wire (SBW) là bước phát triển tiếp theo thông qua việc loại bỏ hoàn toàn liên kết cơ khí (trục lái) giữa vành lái và cơ cấu dẫn hướng bánh xe. Thay vào đó, góc quay và mô men từ người lái được thu nhận qua cảm biến, xử lý bởi bộ điều khiển điện tử (ECU) và điều khiển cơ cấu chấp hành (động cơ điện, hệ thống thủy lực) để xoay bánh xe dẫn hướng.

Theo tác giả luận án, các nghiên cứu quốc tế về SBW thường được bảo mật bản quyền bởi các nhà sản xuất xe thương mại (tiêu biểu như hệ thống trên xe Nissan Infiniti Q50 ra mắt năm 2013), hoặc chủ yếu dừng lại ở mức độ mô phỏng số và mô hình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm mà chưa kiểm chứng đầy đủ trên xe thực tế. Tại Việt Nam, các nghiên cứu trước đó mới triển khai trên mô hình bán thực nghiệm với hệ thống lái cơ khí thuần túy, chưa tích hợp trợ lực thủy lực và chưa phản ánh được đầy đủ điều kiện tải trọng thực tế của xe tải. Do đó, việc nghiên cứu chuyển đổi hệ thống lái trợ lực thủy lực nguyên bản sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực và kiểm nghiệm trên ô tô thực tế là yêu cầu cấp thiết về mặt kỹ thuật và ứng dụng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là: Nghiên cứu chuyển đổi hệ thống lái thông thường có trợ lực thủy lực sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực trên xe ô tô thực tế (ô tô tải).

Để thực hiện mục tiêu trên, luận án xác định 4 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể tương ứng với 4 nội dung chính:

  1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về động lực học hệ thống lái, công nghệ SBW, các thuật toán điều khiển chấp hành và kỹ thuật tái tạo cảm giác lái.
  2. Xây dựng mô hình động lực học và mô hình mô phỏng hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực bằng phương trình vi phân và sơ đồ khối trên phần mềm Matlab/Simulink.
  3. Thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực bằng phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC), bao gồm bộ điều khiển bộ chấp hành dẫn hướng và bộ điều khiển cụm vành lái tạo cảm giác lái.
  4. Nghiên cứu thực nghiệm: khảo sát đo đạc thông số trên xe nguyên bản, thiết kế chế tạo mạch phần cứng, lập trình điều khiển, lắp đặt cụm SBW lên xe tải thực tế và tiến hành thử nghiệm kiểm chứng mô hình lý thuyết.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống lái trợ lực thủy lực nguyên bản và hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực được hoán cải trên xe ô tô tải HINO 300Series.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về nội dung: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá trình chuyển đổi hệ thống lái trợ lực thủy lực sang hệ thống SBW điện tử - thủy lực. Bơm trợ lực thủy lực vẫn giữ nguyên phương thức dẫn động trực tiếp từ động cơ đốt trong của xe ô tô. Luận án không đi sâu vào việc thiết kế cơ cấu an toàn cơ khí (ly hợp dự phòng).
    • Về không gian và điều kiện thử nghiệm: Các thử nghiệm thực nghiệm được thực hiện tại xưởng thực hành và trên tuyến đường giao thông nội bộ; khảo sát ở các chế độ: đánh lái tại chỗ (có trợ lực và không có trợ lực thủy lực) và xe di chuyển ở dải vận tốc thấp từ 5 km/h đến 10 km/h.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã tổng thuật các công trình nghiên cứu liên quan đến hệ thống lái SBW theo các nhóm vấn đề:

Hướng nghiên cứu Tác giả, công trình và năm công bố Nội dung và kết quả chính được điểm lại
Lịch sử và ứng dụng X-by-wire Gary Krier (1972) [13], [19]; Hãng Nissan (2013) [13] Công nghệ Fly-by-wire trên máy bay F-8C Crusader (1972); Nissan thương mại hóa hệ thống SBW trên dòng xe Infiniti Q50 (2013) sử dụng 2 động cơ điện dẫn hướng và bộ ly hợp dự phòng khẩn cấp.
Nghiên cứu trong nước Trần Văn Lợi (2015-2018) [1]-[6] Xây dựng mô hình động lực học tổng quát hệ thống lái điện ô tô con; sử dụng thuật toán Fuzzy-PID điều khiển bám; chế tạo mô hình bán tự nhiên với công nghệ giao tiếp DAQ, sai số góc quay trong khoảng 0 ÷ 0,15 rad. Chưa thử nghiệm trên xe tải có trợ lực thủy lực và tải trọng thực.
Nguyễn Bá Hải, Jee-Hwan Ryu (2011-2013) [20], [33] Đề xuất phương pháp tái tạo cảm giác lái dựa trên đo dòng điện và điện áp động cơ; mô phỏng trên LabVIEW. Kết quả thực nghiệm còn hiện tượng mất ổn định tại vị trí giới hạn góc quay vành lái.
Mô hình hóa động lực học SBW Paul Yih, J. Christian Gerdes (2005) [13], [22]; Eid S. Albatlan (2013) [23]; Sheikh Muhamad Hafiz (2020) [21] Xây dựng mô hình toán 2 bậc tự do, 3 bậc tự do, 4 bậc tự do; tích hợp mô hình lốp phi tuyến Pacejka và phân tích động lực học ngang của xe.
Thuật toán điều khiển chấp hành Adem Kader (2012) [24] Sử dụng 2 bộ điều khiển PID cho hệ thống; hạn chế là thời gian chuyển mạch đổi hướng chậm (khoảng 0,4 s) gây độ trễ góc lái.
Jack J. Patil (2013) [25] Thiết kế 2 vòng điều khiển PID (vòng dưới điều khiển bám góc quay bánh xe, vòng trên điều khiển mô men phản hồi cảm giác lái theo các mức vận tốc 5, 20, 60, 70, 80 km/h).
Chunyan Wang, Dong Zhou, Wanzhong Zhao, Xiaoyue Gu (2014) [26] Thuật toán PID thích nghi - mờ (Adaptive Fuzzy-PID) điều khiển góc quay bánh xe dẫn hướng trong các điều kiện làm việc khác nhau.
Salem Haggag, David Alstrom, Sabri Cetinkunt, Alex Egelja (2005) [27] Mô hình hóa hệ thống SBW điện - thủy lực cho máy xây dựng cỡ trung bằng Matlab/Simulink; hệ thống xử lý còn chậm.
Nhóm ĐH Swinburne (2006) [30]; Carlos Canudas-de-Wit et al. (Renault, 2003) [31] Nghiên cứu bộ điều khiển trượt (SMC) và bộ điều khiển thích nghi LQ cho hệ thống lái điện; chỉ ra SMC và LQ có khả năng thích ứng tốt trước các kích thích ngẫu nhiên.
Kỹ thuật tái tạo cảm giác lái Se-Wook Oh, Ho-chol Chae, Seok-Chan Yun (2004) [29] Sử dụng giản đồ Bond và xây dựng bản đồ mô men (Lookup table) từ tín hiệu góc đánh lái, vận tốc xe và gia tốc ngang.
F. Bolourchi (2001) [32] Sử dụng cảm biến đo mô men biến dạng xoắn trên trục nối giữa động cơ chấp hành và cơ cấu lái để phản hồi về vành lái.
Emad Mehdizadeh, Mansour Kabganian, Reza Kazemi (2011) [34]; Andrew Liu, Stacey Chang (2002) [35] Sử dụng mô hình ô tô ảo và phân tích thực nghiệm phản hồi lực lái trong các trạng thái quay vòng.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết

Từ việc phân tích tổng quan, luận án xác định các khoảng trống kỹ thuật cần giải quyết:

  • Đa số các công trình quốc tế dừng lại ở mô phỏng học thuật hoặc thử nghiệm trên ô tô con, thiếu số liệu thực nghiệm trên đối tượng ô tô tải có cơ cấu lái trục vít - ê cu bi trợ lực thủy lực.
  • Các nghiên cứu trong nước chưa thực hiện chuyển đổi trực tiếp trên xe thực tế có tải trọng và trợ lực thủy lực hoạt động.
  • Phương pháp tái tạo cảm giác lái bằng đo dòng và áp động cơ có ưu điểm chi phí thấp nhưng chưa hoàn thiện thuật toán xử lý vùng giới hạn quay vòng và chức năng tự động trả lái.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án áp dụng kết hợp các cơ sở lý thuyết cơ học và điều khiển tự động:

  1. Phương pháp thiết lập phương trình động lực học: Sử dụng phương trình Lagrange loại 2 và nguyên lý D'Alembert để đưa hệ động lực học nhiều bậc tự do về cân bằng động tĩnh. Mô hình ma sát phi tuyến Coulomb giữa các cụm cơ khí được mô tả theo công thức: $$T_f = F_f \cdot \text{sign}(\dot{\theta}_f)$$ Trong đó $T_f$ là mô men ma sát, $F_f$ là hằng số ma sát Coulomb, và hàm $\text{sign}(\dot{\theta}_f)$ nhận các giá trị $1, 0, -1$ tùy thuộc vào dấu của vận tốc góc $\dot{\theta}_f$.
  2. Lý thuyết thủy lực: Mô hình hóa dòng chảy dầu qua 4 cửa van tiết lưu điều khiển theo phương trình lưu lượng: $$q = A C_d \sqrt{\frac{2}{\rho} \Delta P}$$ với $A$ là diện tích mở van (phụ thuộc góc xoắn của thanh xoắn), $C_d$ là hệ số lưu lượng, $\rho$ là khối lượng riêng của dầu thủy lực, $\Delta P$ là độ chênh áp qua van. Áp suất tải $P_L$ trong xi lanh trợ lực biến thiên theo phương trình liên tục chất lỏng có tính đến mô đun đàn hồi thể tích $\beta$ và chuyển vị pít-tông $x_r$: $$\dot{P}L = \frac{\beta}{V_0} \left( C_d A_1 \sqrt{\frac{P_s - P_L}{\rho}} - C_d A_2 \sqrt{\frac{P_s + P_L}{\rho}} - A_p \dot{x}{rw} \right)$$
  3. Động lực học quay vòng ô tô: Sử dụng mô hình xe 2 bậc tự do (chuyển động ngang $Y$ và góc quay thân xe $\theta_V$). Bán kính quay vòng thực tế $R_t$ của xe khi lốp bị biến dạng bên được xác định qua góc quay bánh xe dẫn hướng $\delta$ và các góc lệch bên cầu trước $\alpha_f$, cầu sau $\alpha_r$: $$R_t = \frac{L}{\delta - (\alpha_f - \alpha_r)}$$ với $L$ là chiều dài cơ sở, $\alpha_f = \frac{F_{yf}}{C_f}$, $\alpha_r = \frac{F_{yr}}{C_r}$ ($C_f, C_r$ là độ cứng bên của lốp).
  4. Lý thuyết điều khiển trượt (SMC): Xây dựng mặt trượt $S$ và luật điều khiển tương đương kết hợp thành phần chuyển mạch dựa trên hàm Lyapunov nhằm đảm bảo tính ổn định tiệm cận của hệ thống bám góc lái.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật

  • Nghiên cứu lý thuyết: Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả 3 phân hệ (cụm vành lái, bộ chấp hành dẫn hướng, động lực học thân xe), xây dựng sơ đồ khối mô phỏng và kiểm chứng thuật toán điều khiển trên phần mềm Matlab/Simulink.
  • Nghiên cứu thực nghiệm:
    • Chuyển đổi phần cứng: Cắt bỏ trục lái cơ khí trên xe tải HINO 300Series; lắp đặt cụm động cơ điện một chiều DCM1 gắn hộp giảm tốc để tạo mô men phản hồi lên vành lái; lắp đặt cụm động cơ điện một chiều DCM2 gắn hộp giảm tốc kết nối trực tiếp vào trục vào của cơ cấu lái trợ lực thủy lực nguyên bản.
    • Hệ thống điều khiển và đo lường: Sử dụng vi điều khiển 32-bit STM32F407VET6; mạch cầu H công suất BTS7960 điều khiển động cơ DC bằng điều chế độ rộng xung (PWM); cảm biến góc quay dạng Encoder quang học; mạch đo dòng điện và điện áp phần ứng động cơ; thiết bị định vị vệ tinh GPS; thiết bị đo góc đặt bánh xe và góc quay bánh xe; phần mềm thu thập dữ liệu chuyên dụng Dewesoft.
       [ Cảm biến góc vành lái / Mô men ]

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương này tập trung trình bày vai trò của hệ thống lái đối với tính ổn định hướng và chuyển động quay vòng của ô tô. Phân tích rõ các trạng thái quay vòng: quay vòng đúng ($\alpha_f = \alpha_r$), quay vòng thừa ($\alpha_f < \alpha_r$), và quay vòng thiếu ($\alpha_f > \alpha_r$).

Tác giả phân loại các cấu trúc hệ thống lái SBW: loại 3 động cơ điện (Hình 1.9), loại 1 động cơ điện cơ khí (Hình 1.10), và loại SBW điện tử kết hợp trợ lực thủy lực (Hình 1.11). Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý chuyển đổi từ hệ thống lái trục vít - ê cu bi trợ lực thủy lực sang hệ thống lái SBW được xác lập cụ thể (Hình 1.12, 1.13, 1.14). Tác giả tổng thuật chi tiết các công trình trong và ngoài nước, chỉ rõ những hạn chế của các nghiên cứu trước để làm căn cứ xác định mục tiêu và nhiệm vụ của luận án.

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học và mô hình mô phỏng hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực

Chương 2 thiết lập hệ thống phương trình vi phân mô tả chuyển động của các mô hình con dựa trên các giả thiết kỹ thuật:

  • Cụm vành lái: Mô hình hóa tương tác giữa mô men đánh lái của tài xế $T_{sw}$, mô men của động cơ DCM1 ($T_{m1}$), mô men quán tính $J_{sw}, J_{m1}$, hệ số cản nhớt $C_{sw}, C_{m1}$, và tỷ số truyền hộp giảm tốc $i_{m1}$.
  • Bộ chấp hành dẫn hướng: Mô tả chuyển động quay của động cơ DCM2 ($T_{m2}, \theta_{m2}, i_{m2}$), thanh xoắn cơ cấu lái ($J_{tb}, C_{tb}, K_{tb}$), trục răng - thanh răng ($J_p, C_p, K_p, r_p, m_R$), lực đẩy từ pít-tông thủy lực $F_B = A_p \cdot P_L$, và phản lực cản quay từ mặt đường $T_{F-G}$.
  • Bộ phận điện tử và mô phỏng: Thiết lập mô hình phần ứng động cơ điện một chiều với điện trở $R_m$, hệ số mô men $k_m$, sức phản điện động và điện áp cấp $U$. Luận án đã tích hợp toàn bộ các phương trình vi phân vào sơ đồ khối Matlab/Simulink để khảo sát động học và động lực học của hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực.
Thông số ký hiệu Ý nghĩa thông số Đơn vị đo
$J_{sw}, J_{m1}, J_{m2}$ Mô men quán tính của vành lái, động cơ DCM1, động cơ DCM2 $\text{kg}\cdot\text{m}^2$
$K_{sw}, K_{tb}, K_p$ Hệ số độ cứng của vành lái, thanh xoắn, bánh răng cơ cấu lái $\text{N}\cdot\text{m/rad}$
$C_{sw}, C_{tb}, C_p$ Hệ số cản nhớt của vành lái, thanh xoắn, bánh răng cơ cấu lái $\text{N}\cdot\text{m/(rad/s)}$
$i_{m1}, i_{m2}$ Tỷ số truyền hộp giảm tốc gắn với động cơ DCM1 và DCM2 -
$A_p, L$ Diện tích làm việc của pít-tông và chiều dài xi lanh thủy lực $\text{m}^2, \text{m}$
$m_V, I_z$ Khối lượng toàn bộ xe và mô men quán tính khối quanh trục đứng $\text{kg}, \text{kg}\cdot\text{m}^2$
$L_f, L_r$ Khoảng cách từ trọng tâm xe đến trục trước và trục sau $\text{m}$
$C_f, C_r$ Độ cứng bên của lốp cầu trước và cầu sau khi quay vòng $\text{N/rad}$

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực

Chương 3 trình bày việc thiết kế thuật toán điều khiển cho hai phân hệ chính bằng phương pháp điều khiển trượt (SMC):

  1. Thiết kế bộ điều khiển chấp hành dẫn hướng: Nhận tín hiệu đặt là góc quay vành lái $\theta_{sw}$, tính toán điện áp cấp cho động cơ DCM2 sao cho góc quay trục vào cơ cấu lái $\theta_{m2}$ bám sát tín hiệu mong muốn. Sai lệch bám được định nghĩa $e_2 = \theta_{sw} - \frac{\theta_{m2}}{i_{m2}}$. Thuật toán SMC triệt tiêu hiện tượng dao động (chattering) bằng cách thay thế hàm dấu $\text{sign}(S)$ bằng hàm bão hòa $\text{sat}(S)$, chứng minh tính ổn định qua tiêu chuẩn hàm Lyapunov $V = \frac{1}{2}S^2 \le 0$.
  2. Thiết kế bộ điều khiển tạo cảm giác lái (Cụm vành lái): Điều khiển động cơ DCM1 tạo mô men cản phản hồi $T_{m1}$ tác dụng lên tay lái. Thuật toán xử lý 3 chế độ:
    • Tạo mô men cản tỷ lệ với lực cản quay vòng thực tế (tính toán từ dòng điện động cơ DCM2 và áp suất thủy lực).
    • Tạo chốt giới hạn hành trình góc đánh lái cực đại bằng điện tử (thay thế cữ chặn cơ khí).
    • Tự động điều khiển vành lái quay trở về vị trí trung gian (điểm cân bằng 0 rad) tương ứng với trạng thái xe chạy thẳng sau khi người lái buông tay lái.
  3. Kết quả mô phỏng: Đồ thị mô phỏng trên Matlab/Simulink cho thấy sai lệch góc quay $e_1, e_2, e_3$ nhanh chóng tiến về 0; điện áp điều khiển cấp cho DCM1 và DCM2 đáp ứng mượt mà; các thông số chuyển vị ngang $Y$, góc quay thân xe $\theta_V$ và lực trợ lực thủy lực $F_B$ phản ánh đúng quy luật động lực học.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 là nội dung kiểm chứng thực tế công phu của luận án, được chia thành các bước:

  • Thực nghiệm hệ thống nguyên bản: Đo đạc các góc đặt bánh xe, độ dơ vành lái, mối quan hệ giữa góc quay vành lái và góc quay bánh xe dẫn hướng bên trái/bên phải trên xe HINO 300Series nguyên bản để xác lập bộ số liệu chuẩn.
  • Thiết kế, chế tạo và hoán cải hệ thống SBW:
    • Gia công giá đỡ, hộp giảm tốc cho động cơ DCM1 (cụm vành lái) và DCM2 (cụm dẫn hướng).
    • Thiết kế bo mạch vi điều khiển trung tâm STM32F407VET6, mạch đo dòng áp, mạch hiển thị màn hình TFT và các cổng truyền thông.
    • Lắp đặt toàn bộ hệ thống lên xe tải HINO 300Series.
  • Thực nghiệm hệ thống SBW điện tử - thủy lực trên xe:
    • Tiến hành thử nghiệm đánh lái tại chỗ (có trợ lực thủy lực và không có trợ lực thủy lực).
    • Thử nghiệm xe vận hành trên đường nội bộ với vận tốc $5 \div 10\text{ km/h}$, đo quỹ đạo quay vòng bán kính nhỏ nhất, góc quay vành lái, góc quay trục cơ cấu lái và điện áp điều khiển.
  • Kiểm chứng mô hình lý thuyết với thực nghiệm: Đồ thị so sánh giữa kết quả tính toán mô phỏng lý thuyết và số liệu đo đạc thực nghiệm trên phần mềm Dewesoft cho thấy sự trùng khớp cao về dạng quỹ đạo và giá trị đáp ứng; sai lệch góc quay $e_4, e_5$ nằm trong giới hạn cho phép của hệ thống lái ô tô.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng thành công mô hình động lực học và mô hình mô phỏng hoàn chỉnh cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực trên ô tô tải, mô tả chính xác mối quan hệ phi tuyến giữa các khâu cơ khí (vành lái, cơ cấu lái trục vít ê-cu bi, hình thang lái), phân hệ thủy lực (van tiết lưu, xy lanh trợ lực) và động cơ điện một chiều chấp hành.
  2. Ứng dụng thành công lý thuyết điều khiển trượt (SMC) có hiệu chỉnh hàm bão hòa để thiết kế bộ điều khiển bám góc lái và bộ điều khiển tái tạo cảm giác lái, khắc phục nhược điểm đáp ứng chậm của các bộ điều khiển PID truyền thống trong hệ thống lái điện tử.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Lần đầu tiên tại Việt Nam thực hiện chuyển đổi thành công hệ thống lái trợ lực thủy lực nguyên bản trên xe ô tô tải thực tế (HINO 300Series) sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực.
  2. Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng điều khiển công nghiệp sử dụng vi điều khiển STM32F407VET6 kết hợp driver BTS7960, cảm biến Encoder và mạch đo dòng/áp; hệ thống vận hành ổn định trên xe thực tế ở chế độ đánh lái tại chỗ và chuyển động trên đường giao thông nội bộ ở dải tốc độ $5 \div 10\text{ km/h}$.
  3. Giải quyết trọn vẹn 3 yêu cầu tái tạo cảm giác lái trên vành tay lái không trục lái: tạo mô men cản phản hồi thực tế, giới hạn góc quay cực đại hai phía bằng điện tử, và tự động trả vành lái về vị trí cân bằng khi chạy thẳng.

Kiến nghị và đề xuất của tác giả

  • Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào công tác giảng dạy chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Kỹ thuật Ô tô và làm tài liệu chuyển giao công nghệ.
  • Đề xuất tiếp tục hoàn thiện cơ cấu an toàn cơ khí (bộ ly hợp đóng cắt tự động) để tăng cường mức độ an toàn khi đưa hệ thống thử nghiệm ở tốc độ cao hơn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Thử nghiệm thực tế trên đường mới thực hiện ở dải vận tốc thấp ($5 \div 10\text{ km/h}$) trên đường giao thông nội bộ; chưa tiến hành thử nghiệm ở dải tốc độ cao trên đường công cộng do các quy định pháp lý và điều kiện an toàn giao thông.
  • Luận án chưa chế tạo và tích hợp cụm cơ cấu an toàn cơ khí tự động (ly hợp điện từ dự phòng) để kết nối lại trục lái khi hệ thống điện tử gặp sự cố.
  • Bơm trợ lực thủy lực vẫn phụ thuộc vào chuyển động quay của động cơ đốt trong trên xe, chưa sử dụng bơm điện thủy lực độc lập.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu thiết kế và lắp đặt cơ cấu an toàn ly hợp từ tự động nhằm phục vụ thử nghiệm xe ở dải dốc và tốc độ cao hơn.
  • Nghiên cứu hoàn thiện thuật toán điều khiển thích nghi đa biến khi các thông số tải trọng và hệ số bám mặt đường thay đổi đột ngột.
  • Mở rộng ứng dụng bộ chấp hành SBW điện tử - thủy lực để tích hợp vào các hệ thống điều khiển tự hành và xe chuyên dụng.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Nguồn tài liệu chuyên sâu về mô hình hóa toán học hệ thống lái phi tuyến, hệ thống điện - thủy lực và thuật toán điều khiển trượt SMC.
  • Giảng viên và các nhà nghiên cứu: Dữ liệu thực nghiệm thực tế trên xe tải HINO 300Series làm cơ sở so sánh, đối chứng cho các mô hình mô phỏng lý thuyết.
  • Kỹ sư phát triển tại các nhà máy sản xuất, lắp ráp ô tô và xe chuyên dụng: Giải pháp kỹ thuật phần cứng (STM32, BTS7960) và phương pháp chuyển đổi từ cơ cấu lái truyền thống sang điều khiển qua dây dẫn (by-wire).

Các phần nội dung đáng tham khảo

  • Chương 2 (Mục 2.2 - 2.8): Hệ thống phương trình vi phân chi tiết về động lực học van và xi lanh trợ lực thủy lực kết hợp động cơ điện DC.
  • Chương 3 (Mục 3.2): Thuật toán thiết kế bộ điều khiển SMC triệt tiêu hiện tượng chattering và thuật toán tái tạo cảm giác lái 3 chức năng.
  • Chương 4 (Mục 4.3 - 4.5): Sơ đồ mạch điện tử, giải pháp kết nối phần cứng và quy trình thực nghiệm đo kiểm góc quay bằng phần mềm Dewesoft trên ô tô thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Đối tượng phương tiện cụ thể được sử dụng để thực nghiệm chuyển đổi trong luận án là loại xe nào?

Đối tượng thực nghiệm của luận án là xe ô tô tải HINO 300Series, sử dụng hệ thống lái nguyên bản là cơ cấu lái trục vít - ê cu bi có trợ lực thủy lực, bơm thủy lực được dẫn động trực tiếp từ động cơ ô tô.

2. Thuật toán điều khiển chính được tác giả lựa chọn cho hệ thống lái SBW là gì và nhằm giải quyết nhược điểm nào?

Tác giả lựa chọn thuật toán Điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) chứng minh độ ổn định bằng hàm Lyapunov. Thuật toán này khắc phục nhược điểm thời gian chuyển mạch trễ (khoảng 0,4 s) và đáp ứng chậm của các bộ điều khiển PID truyền thống trước các tác động phi tuyến của tải trọng và ma sát mặt đường.

3. Cụm vành lái tạo cảm giác lái được thiết kế để thực hiện những chức năng cụ thể nào?

Cụm vành lái (sử dụng động cơ DCM1 và mạch đo dòng/áp) thực hiện đầy đủ 3 chức năng:

  1. Tạo mô men cản phản hồi lực đánh lái tương ứng với điều kiện cản thực tế từ mặt đường;
  2. Giới hạn góc quay vành lái cực đại về hai phía bằng thuật toán điện tử;
  3. Tự động điều khiển vành lái quay trả về vị trí cân bằng (0 rad) khi xe chạy thẳng.

4. Hệ thống điều khiển phần cứng trên xe thực nghiệm bao gồm những vi xử lý và linh kiện công suất nào?

Hệ thống phần cứng sử dụng khối vi xử lý trung tâm là chip 32-bit STM32F407VET6, mạch điều khiển động cơ công suất (Driver) sử dụng module BTS7960, cảm biến đo góc quay dạng Encoder quang học, mạch đo dòng điện - điện áp động cơ và thiết bị truyền nhận dữ liệu kết nối phần mềm Dewesoft.

5. Xe thực nghiệm sau khi chuyển đổi hệ thống lái SBW đã được thử nghiệm ở những chế độ và vận tốc nào?

Hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực lắp trên xe HINO 300Series đã được thử nghiệm thành công ở 2 chế độ:

  • Đánh lái tại chỗ (khảo sát cả hai trường hợp có trợ lực thủy lực và không có trợ lực thủy lực);
  • Di chuyển quay vòng trên đường giao thông nội bộ ở dải vận tốc từ $5 \div 10\text{ km/h}$.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Xuân Tuấn đã giải quyết trọn vẹn bài toán nghiên cứu lý thuyết kết hợp chế tạo thực nghiệm chuyển đổi hệ thống lái trợ lực thủy lực sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực trên xe tải HINO 300Series. Hệ thống phương trình động lực học, mô hình mô phỏng Matlab/Simulink và thuật toán điều khiển trượt SMC được xây dựng bài bản, có độ tin cậy cao. Các kết quả đo đạc thực nghiệm trên xe thực tế đã minh chứng tính khả thi của giải pháp công nghệ, cung cấp nguồn tư liệu khoa học có giá trị tham khảo cao cho lĩnh vực kỹ thuật cơ khí động lực và công nghệ ô tô.