Nghiên cứu mô phỏng hệ thống cân bằng điện tử ESC trên xe Toyota Camry 2023 2.5Q

Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu mô phỏng hệ thống cân bằng điện tử ESC trên xe Toyota Camry 2023 2.5Q

• Tác giả: Huỳnh Minh Mẫn
• Người hướng dẫn: Ngô Quang Thành
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu mô phỏng hệ thống cân bằng điện tử ESC trên xe Toyota Camry 2023 2.5Q
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật an toàn chủ động trên ô tô hiện đại, hệ thống cân bằng điện tử (Electronic Stability Control - ESC) giữ vai trò then chốt trong việc giảm thiểu tai nạn giao thông và nâng cao độ ổn định hướng của phương tiện khi vận hành ở điều kiện tới hạn. Tác giả luận văn viện dẫn nghiên cứu thực nghiệm tại Thụy Điển của A. Lie, C. Tingvall, M. Krafft và A. Kullgren (2006) để làm rõ tính cấp thiết của đề tài: trong tổng số khoảng 500 ca tử vong liên quan đến ô tô hàng năm tại quốc gia này, việc trang bị ESC cho toàn bộ phương tiện có thể cứu sống từ 80 đến 100 người. Nghiên cứu thực nghiệm đó chỉ ra rằng ESC giảm thiểu ít nhất 13% các vụ va chạm gây thương tích nghiêm trọng hoặc tử vong cho hành khách trong mọi tình huống va chạm, đồng thời đạt hiệu quả giảm thiểu tối thiểu 35% đối với các vụ va chạm nghiêm trọng hoặc tử vong do tự đâm va hoặc vượt xe trên mặt đường ướt và đóng băng trơn trượt.

Việc làm chủ công nghệ mô phỏng động lực học và thuật toán điều khiển ESC mang lại giá trị đào tạo và kỹ thuật thực tiễn. Nghiên cứu trên mẫu xe sedan phân khúc D hiện đại giúp đánh giá chính xác các đáp ứng động học khi đánh lái gấp. Nhóm tác giả lựa chọn đề tài nhằm nghiên cứu cơ sở lý thuyết, cấu tạo, thuật toán điều khiển và tiến hành mô phỏng kiểm chứng trên dòng xe Toyota Camry 2023 2.5Q.

Mục tiêu nghiên cứu:

1. Phân tích động học và động lực học của hệ thống cân bằng điện tử (ESC).
2. Thiết lập mô hình và mô phỏng hệ thống ESC trên phần mềm CarSim.
3. Phân tích kết quả mô phỏng thông qua hệ thống biểu đồ trích xuất từ MATLAB/Simulink.
4. Đánh giá khả năng thực hiện và hiệu quả của các giải pháp điều khiển đã nghiên cứu thông qua việc so sánh trạng thái động học giữa xe có trang bị ESC và xe không trang bị ESC.

Đối tượng nghiên cứu:

1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống cân bằng điện tử ESC.
2. Các cảm biến và bộ chấp hành trong hệ thống ESC trên xe Toyota Camry 2023 2.5Q.
3. Thuật toán điều khiển hệ thống cân bằng điện tử ESC.
4. Mô hình động lực học ô tô phục vụ công tác mô phỏng hóa hệ thống ESC.

Phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng kỹ thuật: Mẫu xe Toyota Camry 2023 2.5Q sử dụng động cơ xăng A25A-FKS, hệ dẫn động cầu trước, cùng hệ thống phanh thủy lực tích hợp cụm chấp hành điện tử.
• Không gian và công cụ thử nghiệm: Môi trường mô phỏng số đồng bộ giữa phần mềm chuyên ngành động lực học ô tô CarSim, môi trường lập trình thuật toán MATLAB/Simulink và phần mềm hỗ trợ thiết kế quỹ đạo hình học GeoGebra.
• Thời gian thực hiện: Đồ án tốt nghiệp được hoàn thành vào tháng 06/2025 tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý động lực học ô tô và lý thuyết điều khiển tự động trong kỹ thuật cơ khí động lực:

• Khái niệm và các định danh tương đương của ESC: Đồ án tổng hợp các tên gọi thương mại theo từng nhà sản xuất: Electronic Stability Program (ESP - Bosch, Mercedes-Benz, Audi, Volkswagen, Hyundai, Kia), Vehicle Stability Control (VSC - Toyota, Lexus), Dynamic Stability Control (DSC - BMW, Jaguar, Mazda, Land Rover), Vehicle Stability Assist (VSA - Honda, Acura), Dynamic Stability and Traction Control (DSTC - Volvo), AdvanceTrac/IVD (Ford), Vehicle Dynamic Control (VDC - Nissan), Porsche Stability Management (PSM - Porsche).
• Lý thuyết động học và động lực học quay vòng:
  • Hình học quay vòng hai bánh dẫn hướng cầu trước khi bỏ qua biến dạng ngang của lốp: $$\cot \delta_{fr} - \cot \delta_{fl} = \frac{l_w}{L}$$ Trong đó $\delta_{fl}, \delta_{fr}$ lần lượt là góc quay của bánh dẫn hướng phía trong và phía ngoài; $l_w$ là khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng; $L$ là chiều dài cơ sở.
  • Bán kính quay vòng từ tâm đến trục dọc: $R_V = \frac{L}{\tan \delta}$; vận tốc góc: $\omega = \frac{v}{R_V} = \frac{v}{L} \tan \delta$; gia tốc góc $\varepsilon = \frac{d\omega}{dt} = \frac{1}{R_V} \frac{dv}{dt} + \frac{v (L^2 + R_V^2)}{L R_V^2} \frac{d\delta}{dt}$.
  • Phương trình cân bằng lực và mô-men thân xe: Cân bằng lực dọc $\sum X_i = 0$, cân bằng lực ngang $\sum Y_i = 0$, cân bằng mô-men quanh trục đứng $T_z$: $\sum M_{iz} = 0$. Thành phần lực quán tính ngang gây mất ổn định: $F_{jly} = m \cdot j_y$.
  • Trạng thái quay vòng: Quay vòng trung tính (Intended Path: góc trượt thân xe $\beta$ bằng góc trượt lốp trước và sau $\beta = \alpha_f = \alpha_r$); Quay vòng thiếu (Understeering: $\alpha_r < \alpha_f$, xe mở rộng quỹ đạo cua); Quay vòng thừa (Oversteering: $\alpha_r > \alpha_f$, xe thu hẹp bán kính cua, dễ dẫn đến hiện tượng văng đuôi hoặc lật).
• Mô hình động lực học 7 bậc tự do (7-DOF): Ứng dụng mô tả chuyển động của ô tô phục vụ điều khiển phanh vi sai, gồm chuyển động tịnh tiến dọc ($\dot{x}, \ddot{x}$), chuyển động tịnh tiến ngang ($\dot{y}, \ddot{y}$), chuyển động quay quanh trục đứng thân xe (vận tốc góc lệch hướng $\dot{\psi}$ - yaw rate), và 4 bậc tự do chuyển động quay của 4 bánh xe ($\omega_{fl}, \omega_{fr}, \omega_{rl}, \omega_{rr}$).
• Phương pháp điều khiển ổn định hướng: Phanh vi sai (Differential Braking), Hệ thống lái điện tử (Steer-by-wire), và Phân bổ mô-men xoắn chủ động (Active Torque Distribution). Đồ án tập trung đi sâu vào giải pháp phanh vi sai kết hợp điều khiển hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) và hệ thống phân phối lực phanh điện tử (EBD).

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu chuyên khảo và dịch thuật tài liệu kỹ thuật quốc tế về hệ thống an toàn chủ động và động lực học lốp - mặt đường.
• Phương pháp tính toán giải tích các phương trình vi phân mô tả chuyển động của ô tô.
• Phương pháp mô phỏng số đồng thời (Co-simulation) sử dụng CarSim và MATLAB/Simulink; ứng dụng GeoGebra để xuất tọa độ hình học cho quỹ đạo ZigZag.

Nguồn dữ liệu:

• Dữ liệu thông số kỹ thuật chính thức của mẫu xe Toyota Camry 2023 2.5Q xuất xứ Thái Lan.
• Dữ liệu quy chuẩn thử nghiệm đánh lái chuyển làn kép theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 3888-2.

Thiết kế và triển khai mô hình mô phỏng

Đồ án triển khai hệ thống mô phỏng kỹ thuật hoàn chỉnh kết hợp giữa mô hình động lực học xe trong CarSim và thuật toán điều khiển trong MATLAB/Simulink:

Hạng mục thông số xe Toyota Camry 2023 2.5Q	Giá trị kỹ thuật
Kiểu dáng / Số chỗ ngồi	Sedan phân khúc D / 5 chỗ
Kích thước tổng thể dài x rộng x cao (mm)	4885 x 1840 x 1445
Chiều dài cơ sở (mm)	2825
Chiều rộng cơ sở trước / sau (mm)	1580 / 1605
Khoảng sáng gầm xe (mm)	140
Khối lượng không tải (kg)	1565
Bán kính vòng quay tối thiểu (m)	5.8
Động cơ / Dung tích xi-lanh	A25A-FKS, 4 xi-lanh thẳng hàng / 2487 cc
Hệ thống phân phối khí / Nhiên liệu	Van biến thiên VVT-iE / Phun xăng trực tiếp D-4S
Công suất cực đại	154 kW (207 hp) tại 6600 vòng/phút
Mô-men xoắn cực đại	250 Nm tại 2000 vòng/phút
Tiêu chuẩn khí thải / Dung tích bình xăng	Euro 5 w OBD / 60 lít

Cấu trúc thuật toán điều khiển trong MATLAB/Simulink:

1. Khối Bicycle Model (Mô hình xe hai bánh): Tiếp nhận góc đánh lái và vận tốc dọc để tính toán vận tốc lệch hướng mong muốn ($\dot{\psi}{des}$) và giới hạn ngưỡng vật lý ($\dot{\psi}{upper_bound}$) dựa trên hệ số bám $\mu$ của mặt đường.
2. Khối Upper_Controller (Bộ điều khiển tầng trên): Tính toán sai lệch giữa giá trị đo thực tế và giá trị mục tiêu nhằm xác định mô-men xoay bù quanh trục đứng ($M_{\psi b}$) cần tạo ra bằng thuật toán trượt.
3. Khối Lower_Controller (Bộ điều khiển tầng dưới): Phân bổ mô-men xoay bù thành độ lệch lực dọc bánh xe ($\Delta F_{xf}$) và tính toán giá trị áp suất phanh tương ứng cần tác động lên từng bánh xe ($P_{bfl}, P_{bfr}, P_{brl}, P_{brr}$).
4. Khối Brake Signal và hàm Mapping ESC: Phân tích trạng thái rẽ trái hoặc rẽ phải kết hợp điều kiện thiếu lái (understeer) hoặc thừa lái (oversteer) để xuất tín hiệu điều khiển van chấp hành thủy lực:
   • Khi thiếu lái lúc rẽ phải: Áp dụng phanh bánh sau bên phải để kéo đuôi xe, hỗ trợ đầu xe quay vào cua.
   • Khi thừa lái lúc rẽ phải: Áp dụng phanh bánh trước bên trái để tạo mô-men chống quay vòng thừa.
   • Khi thiếu lái lúc rẽ trái: Áp dụng phanh bánh sau bên trái.
   • Khi thừa lái lúc rẽ trái: Áp dụng phanh bánh trước bên phải.

Mô hình hóa cụm chấp hành thủy lực ESC: Bộ chấp hành thủy lực được bố trí trong khoang động cơ, tích hợp hộp điều khiển điện tử ECU hoạt động ở dải điện áp 9-16V. Hệ thống van điện từ và mạch dầu gồm:

• Van điện từ đầu vào (EV - Inlet Valve): Thường mở; đóng lại khi chuyển sang chế độ giữ áp hoặc xả áp trong chu trình điều khiển.
• Van điện từ đầu ra (AV - Outlet Valve): Thường đóng; mở ra khi xả dầu phanh về bình chứa để giảm áp suất xi-lanh bánh xe.
• Van điện từ điều hướng (HSV - High-pressure Switching Valve): Đóng trong chế độ phanh thường; mở ra trong chế độ ESC hoạt động chủ động để cấp dầu phanh từ xi-lanh chính (Master Cylinder) về bơm.
• Van kiểm soát lực kéo (USV): Mở trong chế độ phanh thường; đóng lại khi ESC hoặc TCS can thiệp để ngăn dòng dầu áp suất cao do motor bơm tạo ra dội ngược về xi-lanh chính.
• Motor bơm thủy lực (M) và piston hồi (SRP1, SRP2): Tạo nguồn áp suất cao chủ động độc lập với lực đạp phanh của người lái khi hệ thống ESC phát hiện xe chệch quỹ đạo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài dựa trên số liệu tai nạn giao thông và hiệu quả bảo vệ của công nghệ an toàn chủ động ESC theo nghiên cứu quốc tế của A. Lie và cộng sự (2006). Đề tài xác định cấu trúc 4 đối tượng nghiên cứu (nguyên lý, cảm biến/chấp hành, thuật toán điều khiển, mô hình động lực học) và 4 nhiệm vụ/mục tiêu nghiên cứu cụ thể. Chương này cũng trình bày phương pháp luận nghiên cứu gồm tra cứu tài liệu lý thuyết, dịch thuật bài báo khoa học và ứng dụng công cụ mô phỏng số liên kết CarSim - MATLAB/Simulink.

Chương 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESC) TRÊN XE TOYOTA CAMRY 2023 2.5Q

Chương 2 trình bày chi tiết về thông số kỹ thuật của xe Toyota Camry 2023 2.5Q và lịch sử phát triển của hệ thống ESC từ các mốc năm 1983 (hệ thống Anti Skid Control trên Toyota Crown), năm 1987 (hệ thống kiểm soát lực kéo của Mercedes-Benz, BMW, Toyota), năm 1992 (hệ thống can thiệp mô-men động cơ của BMW hợp tác cùng Bosch và Continental), năm 1995 (Mercedes-Benz trang bị ESP trên S600 Coupé, Toyota ra mắt VSC trên Crown Majesta), năm 1997 (Cadillac ra mắt StabiliTrack STS, Audi ứng dụng trên A8/A6) và năm 1998 (Volvo giới thiệu DSTC trên S80).

Chương này phân tích sâu cấu tạo và nguyên lý của từng chi tiết trong hệ thống ESC:

• Cảm biến tốc độ bánh xe (WSS): Hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, gồm nam châm vĩnh cửu, phần tử Hall và chip bán dẫn kết hợp vành xung răng hoặc vòng từ tính, phát tín hiệu xung vuông có tần số tỷ lệ thuận với tốc độ góc của bánh xe gửi về ECU.
• Cảm biến góc lái (SAS): Lắp đặt trong cụm vô lăng gần công tắc còi, đo góc quay và hướng quay của vô lăng.
• Cảm biến gia tốc ngang: Đặt dưới ghế lái hoặc ghế hành khách trước; cấu tạo gồm nam châm vĩnh cửu, tấm giảm chấn, lò xo và cảm biến Hall. Khi xuất hiện gia tốc ngang, quán tính làm dịch chuyển tấm giảm chấn so với nam châm, sinh dòng điện xoáy biến thiên làm đổi điện áp Hall tỷ lệ thuận với gia tốc.
• Cảm biến áp suất phanh và Cảm biến góc xoay thân xe (Yaw Rate Sensor): Theo dõi áp lực dầu trong đường ống thủy lực và tốc độ quay của xe quanh trục thẳng đứng.
• Bầu trợ lực phanh chân không: Cấu tạo gồm 13 bộ phận cơ khí và màng ngăn khí; phân tích nguyên lý làm việc qua 3 trạng thái: khi phanh, khi giữ phanh và khi nhả phanh.
• Bộ chấp hành thủy lực và mạch dầu: Mô tả nguyên lý làm việc ở 3 chế độ:
  • Chế độ phanh thông thường: Toàn bộ van HSV, AV đóng; van USV, EV mở; dầu phanh truyền trực tiếp từ xi-lanh chính đến xi-lanh bánh xe theo lực đạp của người lái.
  • Chế độ ESC tăng áp suất chủ động: Bơm M hoạt động hút dầu qua van HSV1/HSV2 và piston hồi SRP1/SRP2; van nạp EV tại bánh xe cần phanh mở ra, van xả AV đóng; dòng dầu từ bàn đạp bị ngắt để ESC giành quyền kiểm soát áp suất. Van hồi áp RVR1/RVR2 mở xả bớt dầu thừa về bình chứa khi quá áp.
  • Chế độ ESC xả áp suất: Khi bánh xe có nguy cơ bó cứng, van cấp áp đóng lại, van xả áp mở ra để dầu hồi về bình chứa qua van hồi RVR, motor bơm M hút dầu về tái tuần hoàn.
• Hệ thống hỗ trợ: Phân tích vai trò tương hỗ của ABS (chống bó cứng), TCS (kiểm soát lực kéo, đóng bướm ga hoặc làm chậm đánh lửa để giảm mô-men động cơ) và EBD (phân bổ lực phanh theo tải trọng và góc lái).

Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESC)

Chương 3 xây dựng hệ thống phương trình động học và động lực học ô tô khi chuyển động quay vòng:

• Thiết lập công thức tính gia tốc tiếp tuyến $j_t$, gia tốc hướng tâm $j_h$, và phép chiếu lên trục dọc $j_x$ và trục ngang $j_y$: $$j_x = \frac{dv}{dt} + \frac{v (L^2 + R_V^2)}{L R_V^2} \frac{d\delta}{dt} - \frac{v^2 l_r}{R_V^2}$$ $$j_y = \frac{l_r}{R_V} \frac{dv}{dt} + \frac{v (L^2 + R_V^2)}{L R_V^2} \frac{d\delta}{dt} + \frac{v^2}{R_V}$$
• Phân tích lực quán tính ly tâm khi xe chuyển động đều ($dv/dt = 0, d\delta/dt = 0$): thành phần dọc $F_{jlx} = - \frac{G l_r v^2}{g R_V}$ và thành phần ngang $F_{jly} = \frac{G v^2}{g R_V}$. Để ổn định xe, cần giảm vận tốc $v$, giảm khối lượng hoặc tăng bán kính quay vòng $R_V$.
• Phân tích 3 trạng thái quay vòng dưới tác động của lực ngang: quay vòng trung tính, quay vòng thiếu và quay vòng thừa.
• Khảo sát 3 giải pháp điều khiển ESC (phanh vi sai, steer-by-wire, phân bổ mô-men xoắn chủ động) và xây dựng phương trình động lực học thân xe cho mô hình 7 bậc tự do: $$m \ddot{x} = (F_{xfl} + F_{xfr}) \cos\delta + F_{xrr} + F_{xrl} - (F_{yfl} + F_{yfr}) \sin\delta + m \dot{y} \dot{\psi}$$ $$m \ddot{y} = F_{yrl} + F_{yrr} + (F_{xfl} + F_{xfr}) \sin\delta + (F_{yfl} + F_{yfr}) \cos\delta - m \dot{x} \dot{\psi}$$ $$I_z \ddot{\psi} = l_f (F_{yfl} + F_{yfr}) \cos\delta - l_r (F_{yrl} + F_{yrr}) + l_f (F_{xfl} + F_{xfr}) \sin\delta + \frac{l_w}{2} (F_{xfr} - F_{xfl}) \cos\delta + \frac{l_w}{2} (F_{xrr} - F_{xrl}) + \frac{l_w}{2} (F_{yfl} - F_{yfr}) \sin\delta$$
• Xác định góc trượt của lốp trước và sau: $\alpha_f = \delta - \frac{\dot{y} + l_f \dot{\psi}}{\dot{x}}$.

Chương 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESC)

Chương 4 thiết lập môi trường đồng mô phỏng giữa CarSim và MATLAB/Simulink:

• Cài đặt thông số xe Toyota Camry 2023 2.5Q trong CarSim và cấu hình các biến I/O.
• Xây dựng sơ đồ khối chi tiết trong Simulink: khối chuyển đổi đơn vị, khối Bicycle Model, khối tính $\dot{\psi}{des}$, khối tính $\dot{\psi}{upper_bound}$, khối Upper_Controller, Lower_Controller, Brake Signal, và khối Mapping ESC xét dấu cho các trường hợp rẽ trái/phải.
• Thiết kế 3 kịch bản mô phỏng kiểm chứng hoạt động của hệ thống ESC:
  • Trường hợp 1: Đường cong, vận tốc 100 km/h, thiết lập hệ số bám $\mu$.
  • Trường hợp 2: Đường đổi làn kép (Double Lane Change) theo tiêu chuẩn ISO 3888-2, vận tốc 50 km/h.
  • Trường hợp 3: Đường ZigZag, vận tốc 60 km/h, sử dụng phần mềm GeoGebra để xây dựng tọa độ đánh lái chính xác.
• Trích xuất và so sánh các thông số động học giữa hai trường hợp xe có ESC và xe không có ESC: quỹ đạo tọa độ di chuyển $(X, Y)$, góc xoay vô lăng, góc lái bánh xe, góc trượt từng bánh xe, vận tốc lệch hướng thân xe ($\dot{\psi}$) và đồ thị phân bổ áp suất phanh tại các bánh xe.

Chương 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

Tổng kết các kết quả đạt được từ việc giải quyết bài toán động lực học, xây dựng thành công bộ điều khiển phanh vi sai và kiểm chứng hiệu quả ổn định hướng trên các đường thử mô phỏng; nêu các kiến nghị kỹ thuật mở rộng đề tài.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính thu nhận từ mô phỏng: Đồ án đã thiết lập thành công các kịch bản thử nghiệm kiểm chứng đáp ứng động lực học của xe Toyota Camry 2023 2.5Q:

Kịch bản mô phỏng	Điều kiện thử nghiệm	Thông số đánh giá chính	Ứng xử xe không có ESC	Ứng xử xe có trang bị ESC
Trường hợp 1: Chạy trên đường cong	Vận tốc: 100 km/h	Tọa độ $(X, Y)$, góc trượt bánh xe, vận tốc lệch hướng	Xe bị trượt văng ra khỏi làn đường mong muốn do lực quán tính ly tâm lớn; góc trượt bánh xe tăng nhanh mất kiểm soát	ESC kích hoạt van nạp và bơm M cấp áp suất phanh vi sai đến bánh xe thích hợp, giữ vận tốc lệch hướng ổn định, xe ôm cua đúng làn
Trường hợp 2: Đổi làn kép Double Lane Change (ISO 3888-2)	Vận tốc: 50 km/h	Quỹ đạo chuyển làn, góc xoay vô lăng, áp suất phanh 4 bánh	Thân xe bị chao đảo mạnh, xảy ra hiện tượng thừa lái khi trả lái gấp, xe mất ổn định hướng di chuyển	Áp suất phanh độc lập tại từng bánh xe được điều chế linh hoạt (tăng/giữ/xả), dập tắt dao động lắc ngang, xe chuyển làn mượt mà
Trường hợp 3: Chạy đường ZigZag	Vận tốc: 60 km/h (quỹ đạo GeoGebra)	Góc trượt lốp, vận tốc lệch hướng $\dot{\psi}$, áp suất phanh	Góc trượt các bánh dao động với biên độ lớn, tài xế mất khả năng kiểm soát hướng sau các khúc ngoặt liên tiếp	Hệ thống tự động nhận diện chiều rẽ và trạng thái thiếu/thừa lái qua hàm Mapping ESC, can thiệp phanh tức thời giúp xe bám sát quỹ đạo

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:

• Ứng dụng cấu trúc điều khiển phân tầng: Tầng trên (Upper Controller) giám sát sai lệch vận tốc góc lệch hướng để xác định mô-men xoay bù; Tầng dưới (Lower Controller) tính toán áp suất phanh chính xác cho từng bánh xe.
• Thuật toán Mapping ESC phân định rõ ràng 4 trạng thái động học (thiếu lái rẽ phải, thừa lái rẽ phải, thiếu lái rẽ trái, thừa lái rẽ trái) kết hợp cùng trạng thái các van solenoide thủy lực (EV, AV, HSV, USV) để tạo ra lực phanh vi sai chính xác.

Đóng góp của đồ án:

• Xây dựng thành công mô hình đồng mô phỏng hoàn chỉnh giữa CarSim và MATLAB/Simulink cho xe Toyota Camry 2023 2.5Q.
• Hệ thống hóa đầy đủ cơ sở toán học động lực học ô tô 7 bậc tự do và lý thuyết cấu tạo mạch dầu phanh thủy lực ESC, tạo nguồn tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho công tác nghiên cứu chuyên ngành cơ khí ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế:

• Đồ án mới dừng lại ở mức độ nghiên cứu và kiểm chứng bằng mô phỏng số (numerical co-simulation) trên CarSim và MATLAB/Simulink; chưa có điều kiện thực hiện thử nghiệm trên mô hình thực tế hoặc thử nghiệm phần cứng trong vòng lặp (Hardware-in-the-Loop - HIL).
• Phạm vi điều khiển của mô hình chỉ tập trung vào giải pháp phanh vi sai (Differential Braking); chưa kết hợp điều khiển đồng thời hệ thống lái điện tử (Steer-by-wire) và hệ thống phân bổ mô-men xoắn chủ động 4 bánh (Active Torque Distribution).

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Mở rộng thuật toán điều khiển tích hợp đồng thời giữa hệ thống phanh vi sai với hệ thống lái chủ động (Active Front Steering/Steer-by-wire) để nâng cao độ mượt mà khi ổn định thân xe ở dải tốc độ cao.
• Triển khai mô phỏng Hardware-in-the-Loop (HIL) kết nối hộp điều khiển ECU thực tế với cụm van chấp hành thủy lực nhằm đo lường chính xác độ trễ cơ học và tổn hao thủy lực trong đường ống.
• Thử nghiệm mô hình điều khiển với các thuật toán hiện đại hơn như điều khiển dự báo mô hình (MPC) trên các điều kiện mặt đường có hệ số bám thay đổi liên tục.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho các đối tượng sau:

• Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tài liệu hữu ích cho việc làm đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học Lý thuyết ô tô, Động lực học ô tô và Hệ thống điều khiển an toàn trên ô tô.
• Kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực ô tô: Cung cấp phương pháp xây dựng mô hình đồng mô phỏng CarSim - MATLAB/Simulink, phương pháp thiết lập quỹ đạo thử nghiệm chuẩn ISO 3888-2 và ZigZag qua phần mềm GeoGebra.

Các phần nội dung đáng tham khảo nhất trong văn bản:

• Mục 2.7 (Chương 2): Sơ đồ nguyên lý và phân tích chi tiết dòng chảy dầu thủy lực qua các van EV, AV, HSV, USV trong 3 chế độ (phanh thường, tăng áp suất chủ động, xả áp suất).
• Mục 3.1 & 3.2 (Chương 3): Các phương trình vi phân chuyển động 7 bậc tự do, công thức tính toán lực ly tâm, gia tốc hướng tâm, góc trượt lốp trước và lốp sau.
• Mục 4.2 & 4.3 (Chương 4): Sơ đồ khối chi tiết cấu trúc bộ điều khiển phân tầng Upper Controller - Lower Controller và thuật toán Mapping ESC trong môi trường MATLAB/Simulink.

Câu hỏi thường gặp

1. Trong cấu tạo bộ chấp hành thủy lực ESC, dòng dầu di chuyển như thế nào khi hệ thống can thiệp ở chế độ tăng áp suất chủ động?
Khi ESC phát hiện xe bị mất ổn định và cần tăng áp lực phanh độc lập tại bánh xe cần thiết, bơm thủy lực do motor M dẫn động được kích hoạt. Bơm hút dầu từ bình chứa thông qua hai piston hồi SRP1, SRP2 và các van hút HSV1, HSV2, sau đó đẩy dầu qua van kiểm soát lực kéo USV1, USV2. Tại bánh xe cần tăng lực phanh, van cấp áp EV mở ra để đưa dầu áp suất cao vào xi-lanh bánh xe, trong khi van xả AV đóng lại nhằm giữ áp. Dòng dầu từ xi-lanh chính (bàn đạp phanh) hầu như bị ngắt quyền kiểm soát, và các van hồi áp RVR1, RVR2 sẽ mở xả dầu thừa về bình chứa nếu áp suất vượt ngưỡng an toàn.

2. Mô hình động lực học ô tô phục vụ điều khiển hệ thống phanh vi sai trong đồ án được thiết lập với bao nhiêu bậc tự do và gồm những biến trạng thái nào?
Mô hình xe được thiết lập với 7 bậc tự do (7-DOF), bao gồm: vận tốc dọc ($\dot{x}$), vận tốc ngang ($\dot{y}$), vận tốc góc lệch hướng quanh trục đứng thân xe ($\dot{\psi}$ - yaw rate), và 4 tốc độ góc quay độc lập của 4 bánh xe ($\omega_{fl}, \omega_{fr}, \omega_{rl}, \omega_{rr}$).

3. Nghiên cứu thực nghiệm của A. Lie và cộng sự (2006) tại Thụy Điển được tác giả trích dẫn đưa ra những số liệu nào về hiệu quả của ESC?
Nghiên cứu chỉ ra rằng trong khoảng 500 ca tử vong do tai nạn ô tô mỗi năm tại Thụy Điển, ESC có thể cứu sống từ 80 đến 100 ca nếu toàn bộ xe được trang bị hệ thống này. ESC giúp giảm thiểu ít nhất 13% các vụ va chạm gây thương tích nghiêm trọng hoặc tử vong cho người ngồi trên xe trong mọi loại va chạm, và đạt hiệu quả tối thiểu 35% đối với các vụ va chạm nghiêm trọng hoặc tử vong đơn lẻ, va chạm do mất lái hoặc vượt xe trên mặt đường ướt hoặc đóng băng.

4. Ba trạng thái quay vòng của ô tô gồm quay vòng trung tính, quay vòng thiếu và quay vòng thừa được phân định dựa trên cơ sở động lực học nào?
Trạng thái quay vòng được phân định dựa trên mối quan hệ giữa góc trượt lốp trước ($\alpha_f$), góc trượt lốp sau ($\alpha_r$) và góc trượt thân xe ($\beta$):

• Quay vòng trung tính: $\beta = \alpha_f = \alpha_r$, bán kính quay vòng thực tế bằng bán kính lý thuyết, xe duy trì đúng quỹ đạo cong định trước.
• Quay vòng thiếu: $\alpha_r < \alpha_f$, bán kính quay vòng thực tế lớn hơn bán kính lý thuyết, xe có khuynh hướng mở rộng vòng cua (văng đầu) do góc đánh lái của người lái chưa đủ.
• Quay vòng thừa: $\alpha_r > \alpha_f$, bán kính quay vòng thực tế nhỏ hơn bán kính lý thuyết, xe có xu hướng thu hẹp vòng cua (văng đuôi), lực quán tính ngang cùng chiều với phản lực ngang làm tăng góc lệch và có nguy cơ gây lật xe.

5. Đồ án kiểm chứng hiệu quả của hệ thống ESC thông qua những kịch bản mô phỏng cụ thể nào trên CarSim và Simulink?
Hệ thống được kiểm chứng qua 3 kịch bản vận hành:

• Kịch bản 1: Chạy trên đường cong với vận tốc cao 100 km/h dưới điều kiện có thiết lập hệ số bám mặt đường $\mu$.
• Kịch bản 2: Thực hiện bài kiểm tra đổi làn kép (Double Lane Change) theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 3888-2 ở vận tốc 50 km/h.
• Kịch bản 3: Chạy trên đường ZigZag ở vận tốc 60 km/h với biên độ và tọa độ đánh lái được thiết kế chính xác bằng phần mềm GeoGebra.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Huỳnh Minh Mẫn và Trịnh Bảo Lâm đã phân tích cơ sở lý thuyết động học, động lực học và nguyên lý cấu tạo của hệ thống cân bằng điện tử ESC trên xe Toyota Camry 2023 2.5Q. Nhóm tác giả đã thiết lập thành công mô hình xe 7 bậc tự do, cấu trúc bộ điều khiển phân tầng và giải thuật Mapping ESC tích hợp trong môi trường đồng mô phỏng CarSim - MATLAB/Simulink. Kết quả thử nghiệm trên các kịch bản đường cong, Double Lane Change theo chuẩn ISO 3888-2 và ZigZag chứng minh rằng việc can thiệp phanh vi sai độc lập giúp kiểm soát hiệu quả vận tốc góc lệch hướng và góc trượt lốp, ngăn ngừa hiện tượng thiếu lái hoặc thừa lái khi xe vào cua ở tốc độ cao. Công trình cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cho hoạt động đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực an toàn chủ động ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1. Lý do chọn đề tài Trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô ngày một đổi mới, các hệ thống an toàn trên xe giữ vai trò cốt yếu trong việc giảm thiểu tai nạn giao thông và nâng cao độ ổn định của phương tiện. Một trong những công nghệ an toàn hiện đại hóa được ứng dụng đa dạng trên các dòng xe hiện đại là Hệ thống cân bằng điện tử (Electronic Stability Control - ESC).

Một nghiên cứu ở Thụy Điển của tác giả A Lie, C Tingvall, M Krafft và A Kullgren (2006) cho thấy rằng: “ Với tổng cộng 500 ca tử vong liên quan đến xe cộ hàng năm, thì có thể cứu được 80-100 ca tử vong mỗi năm nếu tất cả ô tô đều có ESC. ESC được phát hiện có khả năng giảm thiểu các vụ va chạm gây thương tích cá nhân, đặc biệt là các vụ va chạm nghiêm trọng và tử vong. Hiệu quả dao động từ ít nhất 13% đối với người ngồi trên xe trong mọi loại va chạm gây tử vong hoặc nghiêm trọng đến tối thiểu 35% hiệu quả đối với các vụ va chạm nghiêm trọng và tử vong đơn lẻ/va chạm/vượt trên mặt đường ướt hoặc đóng băng ”[1]. Việc nghiên cứu và mô phỏng hệ thống ESC mang tính hữu ích trong cả học thuật lẫn thực tiễn.

Đề tài này giúp sinh viên hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động, thuật toán điều khiển và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Đồng thời, việc sử dụng các phần mềm mô phỏng như MATLAB/Simulink và CarSim giúp tối ưu hóa các thông số điều khiển, từ đó gia tăng độ chính xác và hiệu quả của hệ thống. Bên cạnh đó, Toyota hiện đang là hãng xe hàng đầu, nổi tiếng về độ bền, công nghệ cũng như tầm nhìn phát triển lâu dài. Chính vì thế, nhóm chúng em đã chọn đề tài “ Nghiên cứu mô phỏng hệ thống cân bằng điện tử (ESC) trên xe TOYOTA CAMBRY 2.5Q 2023 ” là một hướng nghiên cứu thiết thực, giúp sinh viên củng cố chuyên môn về điều hành ô tô cũng như mô phỏng động lực học ô tô, đồng thời tạo nền móng vững vàng cho các nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai.

Đối tượng nghiên cứu + Nguyên lí hoạt động của hệ thống ESC. + Các cảm biến và bộ chấp hành trong hệ thống ESC trên xe TOYOTA CAMRY 2023 2. + Thuật toán điều khiển ESC. 1 + Mô hình động lực học xe phục vụ mô phỏng hóa ESC.

Mục tiêu đề tài + Phân tích động học, động lực học hệ thống cân bằng điện tử ( ESC). + Mô phỏng hệ thống ESC trên Carsim. + Phân tích kết quả các mô phỏng thông qua biểu đồ từ Simulink. + Phân tích kết quả mô phỏng để đánh giá khả năng thực hiện của các giải pháp đã nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp nghiên cứu tài liệu: tính toán, lựa chọn, so sánh, thống kê cũng như tham khảo kiến thức từ giáo viên hướng dẫn. + Phương pháp dịch thuật tài liệu, bài báo nước ngoài. + Phương pháp ứng dụng MATLAB/SIMULINK và phần mềm Carsim. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ (ESC) TRÊN XE TOYOTA CAMRY 2023 2.

Giới thiệu chung về xe TOYOTA CAMRY 2023 2.5Q Toyota được biết đến là một trong những hãng xe hơi hàng đầu toàn cầu cả về quy mô lẫn độ tin cậy, chất lượng cao, bền bỉ, tiết kiệm nhiên liệu và phát triển nhiều công nghệ nổi bật. Hãng không chỉ đáp ứng nhu cầu sử dụng của khách hàng từ xe đô thị cỡ nhỏ đến các dòng xe cao cấp, mà còn tiên phong trong xu hướng phát triển các giải pháp thân thiện với môi trường. Tại Việt Nam, hãng xe Toyota đã đem lại ấn tượng tuyệt vời với người tiêu dùng và trở thành một trong những thương hiệu ô tô phổ biến nhất kể từ khi có mặt vào năm 1995. Được biết đến với khẩu hiệu “Khách hàng là trên hết”, Toyota không ngừng đổi mới và nâng cấp sản phẩm để đáp ứng ngày càng tốt hơn nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng Việt.Trong số các mẫu xe nổi bật, Toyota Camry 2.5Q 2023 là phiên bản cao cấp thuộc phân khúc sedan hạng D, sở hữu thiết kế sang trọng và công nghệ tối tân.

Đây là lựa chọn lý tưởng cho những khách hàng ưu tiên trải nghiệm lái cao cấp, thoải mái và an toàn trên mọi hành trình[2].1 Thông số kỹ thuật xe Toyota Camry 2023 2.5Q Số chỗ ngồi 5 Kiểu dáng Xe Sedan Xuất xứ Thái Lan Nhiên liệu sử dụng Máy xăng Tiêu chuẩn khí thải Euro 5 w OBD Kích thước xe 4885 x 1840 x 1445 Chiều dài cơ sở 2825 Chiều rộng cơ sở (mm) 1580/1605 Khoảng sáng gầm xe (mm) 140 Bán kính vòng quay tối 5.8 thiểu(m) Trọng lượng không tải(kg) 1565 Dung tích bình nhiên liệu (L) 60 Loại động cơ A25A-FKS 3 Số xy lanh 4 xy lanh thẳng hàng Dung tích xy lanh (cc) 2487 Hệ thống van biến thiên VVT-iE Hệ thống nhiên liệu Phun xăng trực tiếp (D-4S) Loại nhiên liệu Xăng Công suất tối đa 154(207)/6600 Momen xoắn tối đa 250/2000 2. Khái niệm hệ thống ESC Hệ thống cân bằng ổn định điện tử ESC “ Electronic Stability Control ” là một trong những công nghệ toàn trên ô tô được thiết lập nhằm giúp duy trì sự ổn định và kiểm soát hướng di chuyển của xe trong những tình huống khẩn cấp như vào cua gấp, đường trơn trượt hoặc mất độ bám đường. Hệ thống này liên tục theo dõi các thông số như tốc độ từng bánh xe, góc đánh lái, tốc độ quay và gia tốc ngang của xe để phát hiện tình trạng mất ổn định. Khi nhận thấy nguy cơ mất lái hoặc trượt, ESC sẽ tự động can thiệp bằng cách điều chỉnh lực phanh riêng biệt tại từng bánh, từ đó giúp xe quay lại quỹ đạo di chuyển an toàn một cách hiệu quả.

Lịch sử ra đời của hệ thống ESC Khởi đầu vào năm 1983, hệ thống điện tử “ Anti Skid Control ” đã được giới thiệu trên Toyota Crown. Vào năm 1987, các hãng Mercedes-Benz, BMW và Toyota đã chính thức giới thiệu hệ thống kiểm soát lực kéo đầu tiên của họ. Hệ thống kiểm soát lực kéo hoạt động bằng cách áp dụng hệ thống phanh và bướm ga riêng lẻ cho từng bánh xe. Vào năm 1992, hãng xe BMW hợp tác với Bosch và Continental đã phát triển ra một hệ thống nhằm mục đích làm giảm momen xoắn của động cơ nhằm ngăn ngừa sự mất kiểm soát trên phương tiện và được áp dụng hầu hết cho dòng xe BMW.

Từ năm 1987 đến 1992, hãng xe Mercedes-Benz và Bosch đã cùng phát triển một hệ thống có được đặt tên là: “ Elektronisches Stabilitäts Programm ” hay còn được gọi là: “ Electronic Stability Program ” mục đích để kiểm soát trượt ngang. Năm 1995, các nhà sản xuất ô tô giới thiệu hệ thống cân bằng điện tử trên sản phẩm của họ. Mercedes-Benz là hãng đầu tiên triển khai hệ thống ESP trên xe Mercedes-Benz 4 S600 Coupé của họ. Cùng năm đó, Toyota đã cho ra mắt hệ thống kiểm soát cân bằng ổn định xe (VSC) trên Toyota Crown Majesta.

Năm 1997, Cadillac cũng đã giới thiệu hệ thống cân bằng điện tử với tên gọi là: “ StabiliTrack Stability ” được viết tắt là STS. Hãng xe Audi cũng chính thức đưa hệ thống ESP trên xe Audi A8 và A6 của họ. Năm 1998, Volvo Cars bắt đầu cung cấp phiên bản hệ thống cân bằng điện tử của họ có tên là: “ Dynamic Stability and Traction Control ” trên Volvo S80 đời mới[3]. Ngày nay mặc dù mỗi hãng có tên gọi hệ thống khác nhau nhưng về nguyên lý hoạt động lại khá giống nhau.

Một trong những tên gọi khác nhau như: - Kia, Audi, Huyndai, Chevrolet, Volkswagen, Mercedes, Peugeot, Suzuki: Electronic Stability Program (ESP) - Toyota, Lexus: Vehicle Stability Control (VSC) - Jaguar, BMW, Land Rover, Mazda: Dynamic Stability Control (DSC) - Acura, Honda: Vehicle Stability Assist (VSA) - Volvo: Dynamic Stability hoặc Traction Control (DSTC) - Ferrari: Controllo Stabilita Tration (CST) - Ford: AdvanceTrac and Interactive Vehicle Dynamics (IVD) - Maserati: Maserati Stability Program (MSP) - Nissan: Vehicle Dynamic Control (VDC) - Porsche: Porsche Stability Management (PSM) - Subaru: Vehicle Dynamics Control Systems (VDCS) 5 2. Cấu tạo hệ thống ESC Hình 2.1 Cấu tạo hệ thống điều khiển cân bằng điện tử ESC [4] 2. Cảm biến tốc độ bánh xe Cảm biến tốc độ ô tô giúp đo lường tốc độ di chuyển của phương tiện. Nhờ đó, khi xe bất ngờ thay đổi tốc độ đột ngột, người lái vẫn có thể kiểm soát hướng di chuyển giúp giảm nguy cơ trượt và mất lái.

Cảm biến tốc độ ngày nay thường thuộc loại cảm biến Hall do có có độ chính xác cao và phản hồi nhanh. Bộ phận này hoạt động bằng cách tạo ra tín hiệu thông qua mức tiêu thụ ở thời điểm hiện tại, sau đó sẽ tạo ra dòng tín hiệu thấp đến ECM để phân tích và điều chỉnh vận hành phù hợp. ❖ Cấu tạo: Cảm biến Hall được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu, phần tử cảm biến Hall,chip bán dẫn điện áp Hall và hoạt động cùng với vành xung răng hoặc từ tính, cần cấp một nguồn điện để duy trì hoạt động.2 Cấu tạo cảm biến tốc độ [5] 6 ❖ Nguyên lý hoạt động: Khi bánh xe ô tô quay thì phần bánh răng của vành xung răng hoặc vòng từ đó quay theo khi đó sẽ làm cho từ trường của nam châm đi qua phần tử cảm biến Hall thay đổi. Mạch điện tử xử lý bên trong cảm biến sẽ phát hiện sự thay đổi này và tạo ra tín hiệu dưới dạng xung vuông – tần số xung tỉ lệ với tốc độ quay của bánh xe nhưng có biên độ không thay đổi.

Tín hiệu này được truyền đến Electronic control unit. Cảm biến góc lái Hình 2.3 Cảm biến góc lái [6] Cảm biến góc lái (Steering Angle Sensor - SAS) có nhiệm vụ đo góc quay, hướng quay, giám sát góc của vô lăng và gửi các thông tin tín hiệu đến hệ thống kiểm soát ổn định điện tử. Cảm biến này thường được gắn bên trong cụm vô lăng, gần vị trí công tắc còi và các bộ phận điều khiển khác. Cảm biến gia tốc ngang Cảm biến gia tốc ngang (Lateral Acceleration Sensor) là một thiết bị điện tử đo gia tốc theo phương ngang (vuông góc với hướng chuyển động của xe).

Nó giúp kiểm soát độ ổn định của xe khi vào cua, phát hiện tình trạng trượt ngang và hỗ trợ các hệ thống an toàn như ESC và TCS. Vì lý do vật lý, cảm biến này được lắp đặt ở dưới ghế lái hoặc ghế hành khách trước.4 Cảm biến gia tốc ngang [6] ❖ Cấu tạo: Hình 2.5 Cấu tạo gia tốc ngang [6] Cấu tạo bộ cảm biến gia tốc ngang gồm: 1. Nam châm vĩnh cửu 2. Tấm giảm chấn 4.