Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô" được thực hiện trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô Việt Nam sau hơn hai thập niên phát triển vẫn duy trì quy mô nhỏ, công nghệ chủ yếu là lắp ráp dạng CKD từ linh kiện nhập khẩu với tỷ lệ nội địa hóa thấp. Ngoại trừ một số ít bộ phận như khung vỏ, cabin được sản xuất bởi các đơn vị như Toyota hay Thaco Trường Hải, phần lớn các cụm chi tiết chính từ động cơ, hệ thống truyền lực đến hệ thống lái và các cơ cấu điều khiển đều phải nhập ngoại. Nhằm thúc đẩy phát triển công nghiệp phụ trợ theo các định hướng của Chính phủ tại Quyết định số 1168/QĐ-TTg (Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035), Quyết định số 1211/QĐ-TTg (Quy hoạch phát triển đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030) và Quyết định số 229/QĐ-TTg ngày 04/02/2016 (Cơ chế, chính sách thực hiện Chiến lược và Quy hoạch), yêu cầu làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo các cụm chi tiết giá trị cao trở nên cấp thiết.

Cùng với xu hướng tăng số lượng phương tiện và tốc độ di chuyển trung bình, an toàn chuyển động trở thành yêu cầu kỹ thuật trọng yếu. Hệ thống lái tích cực (Active Front Steering - AFS) là giải pháp can thiệp tự động vào tỷ số truyền và góc quay bánh xe dẫn hướng để hỗ trợ người lái kiểm soát trạng thái mất ổn định. Khoảng trống nghiên cứu được xác định rõ: các tài liệu chuyên sâu về công nghệ AFS trên thế giới chủ yếu thuộc sở hữu độc quyền của các hãng sản xuất và không được công bố đầy đủ, trong khi các công trình trong nước chủ yếu dừng lại ở hệ thống lái có trợ lực truyền thống, chưa nghiên cứu sâu về thuật toán điều khiển và chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống lái tích cực.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án

  1. Xây dựng mô hình động lực học của ô tô.
  2. Xây dựng mô hình động lực học hệ thống lái tích cực.
  3. Xây dựng thuật toán, thiết kế bộ điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô và kiểm chứng bằng mô hình bán thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống lái tích cực trên dòng ô tô con (ô tô du lịch).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Luận án tập trung nghiên cứu điều khiển thay đổi tỷ số truyền góc của hệ thống lái.
    • Tiến hành thực nghiệm trên mô hình bán thực nghiệm ở các chế độ vận hành điển hình: quay vòng ổn định, chuyển làn đường, chuyển động thẳng với vận tốc thay đổi và chuyển động khi có tác dụng của lực gió ngang.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa và phân loại các công trình nghiên cứu liên quan đến hệ thống lái tích cực và ổn định chuyển động của ô tô trên thế giới theo bốn hướng chính:

Hướng nghiên cứu Tác giả & Năm công bố Nội dung và kết quả chính trong văn bản
1. Thiết lập mô hình động lực học ô tô với AFS Sylvain Tardy (sử dụng CarMaker Simulations) [44] Khảo sát 2 trường hợp: (1) Xe chạy thẳng ở vận tốc 140 km/h, góc quay vành lái 40°; (2) Xe chạy 140 km/h, gia tốc 1,7 m/s², bán kính quay vòng 200 m. Kết quả chỉ ra AFS và ARS giúp các đường đặc tính góc lệch bên và vận tốc góc quay thân xe tiệm cận giá trị lý thuyết.
2. Điều khiển tỷ số truyền theo tốc độ Wolfgang Reinelt, Willy Klier, Gerd Reimann, Wolfgang Schuster, Reinhard GroBheim (2004) [47] Nghiên cứu quan hệ giữa tốc độ chuyển động và tỷ số truyền; ở dải vận tốc khoảng 60 km/h, tỷ số truyền của AFS tương đương với tỷ số truyền của hệ thống lái cơ khí.
Tokihiko Akita, Katsuhiko Satoh, Masayuki Kurimoto, Tsuyoshi Yoshida (Aisin Seiki, FISITA Seoul 2000) [13] Đánh giá sự can thiệp của AFS trong thử nghiệm chuyển làn với ô tô con ở các tỷ số truyền 17 và 10, chứng minh việc chọn tỷ số truyền phù hợp giúp nâng cao tính năng cân bằng và giảm lực đánh lái.
3. Nghiên cứu cơ cấu chấp hành tích cực Willy Klier, Wolfgang Reinelt (ZF Lenksysteme GmbH, 2004) [47] Xây dựng mô hình toán học và tham số ước lượng cho cơ cấu bánh răng hành tinh trên hệ thống lái BMW; thiết lập quy luật điều khiển khi bánh răng bao quay đồng thời cùng vành lái.
Bjoern Avak (2004) [15] Phân tích cơ cấu Harmonic và đề xuất phương án điều khiển mô tơ chấp hành thích ứng theo dải tốc độ và quá trình quay vòng.
4. Thiết kế bộ điều khiển cho AFS Masao Nagai, Motoki Shino, Feng Gao (ĐH Nông nghiệp và Kỹ thuật Tokyo) [32] Thiết kế bộ điều khiển cho xe dẫn hướng cầu trước với các đầu vào: góc đánh lái $\theta$, hệ số bám $\varphi$, vận tốc $v$, vận tốc góc lệch thân xe $\dot{\beta}$, gia tốc góc quay thân xe $\ddot{\psi}$; đầu ra là góc quay bánh xe $\delta$ và góc bù mô tơ $\delta_{motor}$.
FengYing, Zhang Qiao (2012) [49] Xây dựng mô hình trên phần mềm Adams, ứng dụng bộ điều khiển mờ (Fuzzy Control) với đầu vào là góc trượt bên và sai lệch bên để kiểm soát góc quay bánh xe dẫn hướng.
Bing Zheng, Pahngroc Oh, Barry Lenart (2004) [52] Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống lái cầu trước; thử nghiệm chuyển làn ở các tốc độ 60 km/h, 75 km/h và 90 km/h tại trung tâm Smithers Winter (Michigan).
Iman Mousavinejad, Reza Kazemi, Mohsen Bayani Khaknejad (2012) [31] Thiết kế điều khiển phi tuyến cho hệ thống lái tích cực cầu trước dựa trên mô hình 3 bậc tự do và mô hình 8 bậc tự do phi tuyến.
Dan Xiang, Jian-zhong Yuan, Wei Xu (2012) [48] Ứng dụng giải thuật mờ - PID (Fuzzy-PID): giảm tỷ số truyền ở tốc độ thấp để tăng tính linh hoạt và tăng tỷ số truyền ở tốc độ cao để tăng độ ổn định.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu tiêu biểu gồm có:

  • Đỗ Sanh cùng cộng sự [9]: Nghiên cứu động học, động lực học và khảo sát động học quay vòng của ô tô ở tốc độ cao.
  • Nguyễn Khắc Trai (1997) [10]: Nghiên cứu tính điều khiển, quan hệ vật lý của bánh xe đàn hồi chịu lực bên, tác động của gió ngang và động lực học quay vòng.
  • Đào Mạnh Hùng (2006) [5]: Làm rõ mối quan hệ tương tác giữa bánh xe và mặt đường của ô tô tải tại Việt Nam.
  • Cao Trọng Hiền, Đào Mạnh Hùng (2010) [3]: Nghiên cứu tính dẫn hướng, thiết lập phương trình chuyển động, tính ổn định bánh xe dẫn hướng và động học đoàn ô tô.
  • Nguyễn Tuấn Anh (2010) [1]: Thiết kế bộ điều khiển tối ưu cho hệ thống lái tích cực ô tô và đánh giá chất lượng khi chịu tác động của gió ngang.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Phần lớn các công trình trong nước mới dừng ở mức độ phân tích động học, động lực học hệ thống lái thông thường hoặc hệ thống có trợ lực. Luận án lựa chọn giải quyết trọn vẹn việc kết hợp giữa mô hình hóa lý thuyết hệ thống lái tích cực sử dụng cơ cấu Harmonic, thiết kế thuật toán điều khiển mờ tích hợp bảng MAP tỷ số truyền theo vận tốc, và chế tạo mạch điều khiển để kiểm chứng trực tiếp trên mô hình bán thực nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

1. Cơ sở lý thuyết và các mô hình toán học

  • Lý thuyết động lực học ô tô trong mặt phẳng: Sử dụng mô hình ô tô hai vết bánh xe (two-track model) có 3 bậc tự do ($v_x, v_y, \dot{\psi}$) dựa trên nguyên lý D’Alembert. Các giả thiết gồm: sàn xe cứng tuyệt đối, khối lượng tập trung tại trọng tâm, bỏ qua ảnh hưởng của mấp mô mặt đường và hệ thống treo đối với động lực học phương đứng.
  • Lý thuyết tiếp xúc và biến dạng lốp đàn hồi: Sử dụng công thức thực nghiệm Magic Formula của Pacejka [35] để xác định phản lực ngang $F_{yi}$ tác dụng lên từng bánh xe theo góc lệch bên $\alpha_i$ và tải trọng thẳng đứng $F_{zi}$: $$F_y = D \sin\left(C \arctan\left(B\alpha - E(B\alpha - \arctan(B\alpha))\right)\right)$$ Trong đó các hệ số $B, C, D, E$ và $BCD$ phụ thuộc vào tải trọng thẳng đứng $F_z$ và các thông số thực nghiệm của lốp $a_1 \div a_8$.
  • Đặc tính quay vòng và ổn định hướng: Xác định quan hệ giữa góc quay thực tế của bánh xe dẫn hướng $\delta$, góc quay hình học Ackermann $\delta_0 = L/R_0$, gia tốc hướng tâm $a_y$ và hệ số quay vòng $K_s$: $$\delta = \delta_0 + K_s a_y = \delta_0 + \left(\frac{m_1}{C_{\alpha f}} - \frac{m_2}{C_{\alpha r}}\right) a_y$$
    • $K_s = 0$ ($\alpha_f = \alpha_r$): Quay vòng đúng (neutral steering), bán kính thực tế $R_t = R$.
    • $K_s > 0$ ($\alpha_f > \alpha_r$): Quay vòng thiếu (under steering), bán kính thực tế $R_t > R$.
    • $K_s < 0$ ($\alpha_f < \alpha_r$): Quay vòng thừa (over steering), bán kính thực tế $R_t < R$.
  • Mô hình tải trọng động phương thẳng đứng: Xác định tải trọng thẳng đứng tác dụng lên 4 bánh xe ($F_{z1} \div F_{z4}$) có xét đến trọng lượng bản thân $G$, lực cản không khí $F_{wx} = 0,5 c_w \rho_w A v_x^2$, lực gió ngang $F_{wy}$, lực quán tính tiếp tuyến $F_{tt} = m\dot{v}$ và lực quán tính ly tâm $F_{lt} = m v \dot{\psi}$.
  • Mô hình hệ thống lái tích cực với cơ cấu Harmonic (VGRS): Cơ cấu Harmonic gồm bánh răng cố định ($n_1 = 102$ răng), bánh răng linh hoạt dạng vành đàn hồi ($n_2 = 100$ răng) và bánh dẫn động kiểu sóng hình oval. Tỷ số truyền cơ cấu $N = 1 - n_1/n_2$. Quan hệ góc quay trục lái phía dưới $\delta_{scc}$, trục lái phía trên $\delta_{sc}$ và góc quay mô tơ $\delta_{Motor}$ tuân theo phương trình: $$\delta_{scc} = \frac{N-1}{N} \delta_{sc} + \frac{1}{N} \delta_{Motor}$$

2. Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp lý thuyết: Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của ô tô trong mặt phẳng, mô hình động học và động lực học 6 bậc tự do của hệ thống lái bị động và hệ thống lái tích cực; giải hệ phương trình vi phân ma trận dạng: $$M_1 \ddot{x} + C_1 \dot{x} + K_1 x = F_1 + G_1$$
  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập cấu trúc mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink, kết hợp bộ điều khiển mờ với bảng MAP điều khiển tỷ số truyền theo vận tốc.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển điện tử và bố trí mô hình bán thực nghiệm dựa trên cụm hệ thống lái tích cực của xe Lexus LX470; đo đạc và kiểm chứng sự thay đổi góc quay bánh xe dẫn hướng theo góc quay vành lái trong các điều kiện làm việc mô phỏng.

3. Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Bộ thông số hình học, khối lượng và độ cứng góc đặt bánh xe (camber, caster, kingpin) của dòng ô tô con du lịch.
  • Dữ liệu thực nghiệm của mô hình lốp Pacejka ($a_1 \div a_8$).
  • Dữ liệu tín hiệu đo thực tế từ mô hình bán thực nghiệm hệ thống lái Lexus LX470.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này tổng kết quá trình phát triển của hệ thống lái qua 7 giai đoạn: hệ thống lái cơ khí $\rightarrow$ trợ lực thủy lực $\rightarrow$ trợ lực thủy lực điều khiển điện tử $\rightarrow$ trợ lực điện $\rightarrow$ hệ thống lái tích cực (AFS) $\rightarrow$ hệ thống lái bằng dây dẫn (steer-by-wire) $\rightarrow$ hệ thống lái tự động. Phân tích chi tiết các nguyên nhân gây mất ổn định quỹ đạo:

  1. Mất ổn định khi quay vòng: Do biến dạng đàn hồi bên của lốp dẫn tới hiện tượng quay vòng thiếu ($K_s > 0$) hoặc quay vòng thừa ($K_s < 0$), có nguy cơ gây trượt ngang hoặc lật xe khi bám đường cao.
  2. Mất ổn định do gió ngang: Khi lực gió bên $F_w$ tác dụng, nếu $\alpha_f > \alpha_r$ thì lực quán tính ly tâm $F_{lt}$ ngược chiều $F_w$ giúp xe tự ổn định; nếu $\alpha_f < \alpha_r$ thì $F_{lt}$ cùng chiều $F_w$ làm tăng độ lệch quỹ đạo.
  3. Mất ổn định khi phanh: Lực phanh không đều giữa hai bên bánh xe tạo ra mô men xoay thân xe $M_z$ quanh trục đứng qua trọng tâm làm xe lệch góc $\beta$.

Chương 1 cũng phân tích sâu hai dạng cơ cấu chấp hành AFS phổ biến: cơ cấu bánh răng hành tinh (tỷ số truyền biến thiên trong khoảng 10:1 đến 20:1) và cơ cấu Harmonic (VGRS). Trên cơ sở tổng quan các công trình quốc tế và trong nước, chương 1 xác lập mục tiêu nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền góc và bố cục 4 chương của luận án.

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học của ô tô và hệ thống lái

Chương 2 trình bày chi tiết việc thiết lập hệ thống phương trình vi phân mô tả chuyển động của ô tô:

  • Mô hình phẳng hai vết bánh xe (3 bậc tự do): Sử dụng nguyên lý D'Alembert để lập 3 phương trình vi phân phi tuyến cho trục dọc, trục ngang và mô men xoay trục đứng: $$\dot{v} = v \dot{\psi} \beta + \frac{1}{m} \left( F_{x1} - F_{y1}\delta_1 + F_{x2} - F_{y2}\delta_2 + F_{x3} + F_{x4} - F_{wx} \right)$$ $$\dot{\beta} = -\dot{\psi} + \frac{1}{m v} \left( F_{x1}\delta_1 + F_{y1} + F_{x2}\delta_2 + F_{y2} + F_{y3} + F_{y4} - F_{wy} \right)$$ $$\ddot{\psi} = \frac{1}{J_z} \left[ (F_{x1} - F_{y1}\delta_1)b_1 - (F_{x1}\delta_1 + F_{y1})a_1 - (F_{x2} - F_{y2}\delta_2)b_1 - (F_{x2}\delta_2 + F_{y2})a_1 - F_{x3}b_2 + F_{y3}a_2 + F_{x4}b_2 + F_{y4}a_2 - F_{wy}l_w \right]$$
  • Mô hình động lực học bánh xe đàn hồi: Xác định góc lệch bên $\alpha_i$ dựa trên vận tốc dọc $v_{xi}$ và vận tốc ngang $v_{yi}$ tại tâm từng bánh xe, kết hợp với công thức Pacejka để tính $F_{yi}$.
  • Mô hình xác định tải trọng thẳng đứng: Thiết lập hệ 4 phương trình tính $F_{z1}, F_{z2}, F_{z3}, F_{z4}$ dựa trên cân bằng tĩnh và động dưới tác động của $G, F_{wx}, F_{wy}, F_{tt}, F_{lt}$.
  • Mô hình toán học hệ thống lái:
    • Thiết lập phương trình vi phân cho hệ thống lái bị động (6 bậc tự do) gồm vành lái ($I_{sw}$), trục lái ($I_{sc}$), thanh răng ($m_R$), và hai bánh xe dẫn hướng ($I_{FW1}, I_{FW2}$).
    • Thiết lập mô hình động lực học cơ cấu Harmonic và xác định mô men mô tơ điều khiển cần thiết: $$T_{Motor} = \left( I_{scc} + N^2 I_M \right) \ddot{\delta}{scc2} + C_M \text{sgn}(\dot{\delta}{scc2}) + K_T \delta_{scc2} - \frac{K_T}{R_P} Y_R$$
  • Mô hình mô phỏng trên Matlab - Simulink: Xây dựng sơ đồ khối tổng thể liên kết giữa khối tính toán góc lăn lệch, khối tải trọng thẳng đứng, khối lốp Pacejka, khối động lực học ô tô trong mặt phẳng và khối hệ thống lái tích cực kết hợp bộ điều khiển mờ.

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển và khảo sát chuyển động của ô tô

Chương này tập trung vào thiết kế cấu trúc điều khiển cho hệ thống lái tích cực:

  • Xây dựng thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy Control) để tính toán góc quay bù của mô tơ $\delta_{motor}$. Tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển mờ là sai lệch vận tốc góc quay thân xe ($\Delta \dot{\psi}$) và sai lệch gia tốc góc quay thân xe ($\Delta \ddot{\psi}$) giữa trạng thái chuyển động thực tế và mô hình chuẩn quay vòng đúng (Ackermann).
  • Xây dựng bảng MAP điều khiển thay đổi tỷ số truyền hệ thống lái $i_s$ theo vận tốc di chuyển $v$ của xe: ở dải tốc độ thấp, tỷ số truyền nhỏ giúp đánh lái nhẹ và nhạy; ở dải tốc độ cao, tỷ số truyền tăng lên nhằm duy trì độ ổn định hướng.
  • Thực hiện mô phỏng khảo sát chuyển động của ô tô trên Matlab - Simulink trong các tình huống:
    • Quay vòng ổn định ở các dải vận tốc khác nhau.
    • Thao tác chuyển làn đường (lane change).
    • Chuyển động thẳng khi vận tốc thay đổi đột ngột.
    • Chuyển động thẳng chịu tác động của lực gió ngang bất ngờ.

Chương 4: Thí nghiệm khảo sát chuyển động của ô tô với hệ thống lái tích cực

Chương 4 thực hiện quá trình chế tạo và thử nghiệm thực tế:

  • Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển điện tử phần cứng cho hệ thống lái tích cực.
  • Lắp đặt hệ thống thử nghiệm trên mô hình bán thực nghiệm sử dụng cụm hệ thống lái của ô tô Lexus LX470.
  • Tiến hành các chế độ thí nghiệm kiểm chứng:
    • Khảo sát đáp ứng góc quay của bánh xe dẫn hướng $\delta_{FW}$ tương ứng với các góc đánh lái vành tay lái $\delta_{sw}$ trong điều kiện tĩnh và động.
    • Thực nghiệm kiểm chứng thuật toán can thiệp trong các trạng thái quay vòng thiếu, quay vòng thừa, thao tác chuyển làn và khi mô phỏng có lực gió bên tác động.
    • Đánh giá khả năng bám quỹ đạo và mức độ sai lệch góc quay bánh xe giữa mô hình lý thuyết mô phỏng và số liệu đo đạc thực nghiệm.

Kết quả và những đóng góp mới

1. Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  • Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học động lực học ô tô trong mặt phẳng 3 bậc tự do kết hợp mô hình lốp phi tuyến Pacejka và mô hình phân bố tải trọng động 4 bánh xe chịu tác động tổng hợp của ngoại lực (gió ngang, cản không khí, lực quán tính).
  • Thiết lập mô hình động lực học hệ thống lái tích cực tích hợp cơ cấu Harmonic, xác định chính xác quan hệ truyền động và phương trình mô men của mô tơ điều khiển bù góc lái.
  • Xây dựng thuật toán điều khiển mờ kết hợp bảng MAP quy luật tỷ số truyền theo dải tốc độ nhằm triệt tiêu sai lệch góc quay thân xe và ổn định quỹ đạo chuyển động.

2. Đóng góp mới về mặt thực tiễn và kỹ thuật

  • Thiết kế, chế tạo thành công mạch điều khiển điện tử cho hệ thống lái tích cực ứng dụng trên mô hình bán thực nghiệm.
  • Lắp đặt hoàn thiện hệ thống thử nghiệm bán thực nghiệm trên cơ sở cụm lái xe Lexus LX470, cung cấp dữ liệu thực nghiệm phục vụ kiểm chứng thuật toán điều khiển.

3. Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng quy trình tính toán, thiết kế và bộ điều khiển đã xây dựng vào công tác nghiên cứu, cải tạo và từng bước nội địa hóa các cụm chi tiết thuộc hệ thống lái thông minh trong ngành công nghiệp ô tô trong nước.
  • Sử dụng mô hình bán thực nghiệm làm phương tiện kiểm tra, đánh giá chất lượng các bộ điều khiển điện tử trên hệ thống lái trước khi thử nghiệm trực tiếp trên xe thật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của luận án

  • Mô hình động lực học ô tô được xây dựng dựa trên các giả thiết đơn giản hóa: coi sàn xe cứng tuyệt đối, bỏ qua ảnh hưởng của hệ thống treo, dao động phương đứng và mấp mô biên dạng mặt đường.
  • Động lực học bên trong hệ thống lái được giả thiết là tuyến tính và bỏ qua các tổn hao công suất truyền động cơ khí.
  • Phạm vi nghiên cứu mới chỉ tập trung vào điều khiển thay đổi tỷ số truyền góc của hệ thống lái tích cực cầu trước, chưa tích hợp điều khiển phối hợp với hệ thống phanh (ABS/ESP) hoặc hệ thống lái bốn bánh (4WS).
  • Các kiểm chứng thực nghiệm mới dừng lại ở mô hình bán thực nghiệm tĩnh/động trong phòng thí nghiệm (trên cụm lái Lexus LX470), chưa tiến hành thử nghiệm trên xe thực tế chạy trên đường thử.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng mô hình động lực học không gian đầy đủ có xét đến tương tác của hệ thống treo, chuyển động lắc dọc (pitch), lắc ngang (roll) và mấp mô mặt đường.
  • Nghiên cứu tích hợp bộ điều khiển hệ thống lái tích cực với các hệ thống an toàn chủ động khác như ESP và hệ thống kiểm soát lực kéo (TRC).
  • Hoàn thiện bộ điều khiển để tiến hành thử nghiệm trên ô tô thực nghiệm di chuyển trên đường thử thực tế ở dải tốc độ cao.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị chuyên môn cao đối với các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên ngành Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực và Cơ điện tử: Tham khảo phương pháp xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động ô tô, công thức lốp Pacejka và kỹ thuật mô phỏng hệ thống lái tích cực trên Matlab - Simulink (Chương 2).
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề về Động lực học ô tô, Lý thuyết điều khiển tự động trên phương tiện giao thông và Thiết kế hệ thống an toàn chủ động (Chương 1, Chương 2, Chương 3).
  • Kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp và viện nghiên cứu ô tô: Tham khảo cấu trúc phần cứng, sơ đồ mạch điều khiển và phương pháp xây dựng mô hình bán thực nghiệm kiểm thử cụm lái Lexus LX470 phục vụ phát triển công nghiệp phụ trợ (Chương 3, Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu chấp hành của hệ thống lái tích cực được nghiên cứu sâu trong mô hình toán học của luận án là loại nào và có đặc điểm gì?

Luận án tập trung xây dựng mô hình toán học cho hệ thống lái tích cực sử dụng cơ cấu Harmonic (VGRS). Cơ cấu này gồm có bánh dẫn động kiểu sóng hình oval, vành bánh răng linh hoạt biến dạng đàn hồi ($n_2 = 100$ răng) và bánh răng cố định ($n_1 = 102$ răng). Tỷ số truyền của cơ cấu là $N = 1 - n_1/n_2 = -0,02$. Khi mô tơ quay, cơ cấu tạo ra góc quay bù $\delta_{Motor}$ cộng hưởng vào góc quay trục lái từ vành tay lái $\delta_{sc}$ để tạo ra góc quay trục lái phía dưới $\delta_{scc}$.

2. Trạng thái quay vòng của ô tô được phân loại như thế nào dựa trên hệ số quay vòng $K_s$ và góc lệch bên của lốp?

Dựa trên sự chênh lệch góc lệch bên giữa cầu trước $\alpha_f$ và cầu sau $\alpha_r$, luận án phân thành ba trạng thái:

  • Quay vòng đúng ($K_s = 0, \alpha_f = \alpha_r$): Bán kính quay vòng thực tế $R_t$ trùng với bán kính hình học $R$, góc quay thực tế cân bằng với góc Ackermann ($\delta = \delta_0$).
  • Quay vòng thiếu ($K_s > 0, \alpha_f > \alpha_r$): Bán kính thực tế lớn hơn bán kính mong muốn ($R_t > R$), góc đánh lái thực tế phải lớn hơn góc lý thuyết ($\delta > \delta_0$).
  • Quay vòng thừa ($K_s < 0, \alpha_f < \alpha_r$): Bán kính thực tế nhỏ hơn bán kính mong muốn ($R_t < R$), xe có xu hướng quay vòng mạnh hơn góc đánh lái ($\delta < \delta_0$), dễ gây mất ổn định trượt đuôi xe.

3. Bộ điều khiển hệ thống lái tích cực trong luận án sử dụng các tín hiệu đầu vào nào để tính toán góc điều khiển bù?

Bộ điều khiển mờ trong mô hình mô phỏng sử dụng tín hiệu đầu vào là sai lệch vận tốc góc quay thân xe ($\Delta \dot{\psi}$) và sai lệch gia tốc góc quay thân xe ($\Delta \ddot{\psi}$) giữa mô hình ô tô thực tế và mô hình chuẩn quay vòng đúng Ackermann. Đồng thời, bộ điều khiển tiếp nhận giá trị vận tốc xe $v$ để tra cứu tỷ số truyền cơ cấu lái $i_s$ tương ứng theo bảng MAP đã được thiết lập.

4. Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên các bánh xe ($F_{zi}$) được tính toán dựa trên những thành phần ngoại lực nào?

Theo mô hình không gian ở Chương 2, tải trọng thẳng đứng $F_{zi}$ ($i = 1 \div 4$) được xác định bằng phương trình cân bằng mô men quanh trọng tâm, bao gồm: trọng lượng bản thân xe $G$, lực cản không khí chính diện $F_{wx}$, lực gió ngang $F_{wy}$, lực quán tính tiếp tuyến $F_{tt} = m\dot{v}$ (đặt tại trọng tâm cách mặt đất khoảng $h_g$) và lực quán tính ly tâm $F_{lt} = m v \dot{\psi}$.

5. Mô hình thực nghiệm trong luận án được thiết kế dựa trên cơ sở cụm hệ thống lái của dòng xe nào?

Hệ thống thiết bị thử nghiệm và mạch điều khiển điện tử bán thực nghiệm trong luận án được thiết kế, chế tạo và lắp đặt tích hợp trực tiếp trên cụm hệ thống lái tích cực của dòng ô tô con Lexus LX470.

Kết luận

Luận án "Nghiên cứu điều khiển tỷ số truyền hệ thống lái nhằm tăng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô" đã giải quyết một cách có hệ thống bài toán ổn định hướng chuyển động cho ô tô con thông qua công nghệ hệ thống lái tích cực. Tác giả đã thiết lập thành công hệ thống mô hình toán học động lực học ô tô 3 bậc tự do kết hợp mô hình lốp phi tuyến Pacejka, mô hình cơ cấu lái Harmonic và xây dựng thuật toán điều khiển mờ tích hợp bảng MAP theo dải tốc độ trên phần mềm Matlab - Simulink. Toàn bộ giải pháp lý thuyết đã được kiểm chứng bằng việc thiết kế, chế tạo mạch điều khiển phần cứng trên mô hình bán thực nghiệm hệ thống lái Lexus LX470 ở các chế độ quay vòng, chuyển làn và chịu tác động của gió ngang. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn thiết thực, đóng góp cơ sở lý thuyết và giải pháp công nghệ phục vụ định hướng phát triển ngành công nghiệp phụ trợ ô tô tại Việt Nam.