Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu ổn định hệ thống lái không trục tại vị trí giới hạn quay vòng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute nghiên cứu ổn định hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề

• Tác giả: Ngô Văn Hợp
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hữu Hường
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Ổn Định Hệ Thống Lái Không Trục Tại Vị Trí Giới Hạn Quay Vòng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• MỤC LỤC
• 1. PHẦN I: DẪN NHẬP
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Các nghiên cứu ngoài và trong nước
• 1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước
• 1.2.2. Nghiên cứu trong nước
• 1.3. Mục đích của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. PHẦN II: NỘI DUNG
• 2. CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lịch sử hệ thống lái
• 2.2. Tổng quan hệ thống lái trên ô tô
• 2.2.1. Công dụng của hệ thống lái
• 2.2.2. Yêu cầu của hệ thống lái
• 2.2.3. Phân loại hệ thống lái
• 2.2.4. Các góc đặt bánh xe
• 2.2.5. Độ chụm của bánh xe
• 2.2.6. Bán kính quay vòng
• 2.3. Ứng dụng công nghệ lái không trục lái (SBW) trên ô tô
• 2.3.1. Xe ô tô điện Mini Land Glider của Nissan
• 2.3.2. Sản phẩm hãng xe GM Hy – Wire
• 2.3.3. Sản phẩm của hãng xe Mercedes và SuRai của Trung Quốc
• 2.3.4. Hệ thống lái điều khiển bằng dây (Drive – by – Wire) trên xe Infiniti của Nissan
• 2.3.5. Xe hơi mới cho tương lai
• 2.3.6. Ứng dụng công nghệ by Wire trên động cơ của Honda Odyssey
• 2.4. Những cải tiến của Steer – by – Wire
• 2.5. Những lợi ích kỹ thuật của Steer – by – Wire
• 2.6. Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác (haptics)
• 2.6.1. Lịch sử haptics
• 2.6.2. Cấu trúc các hệ thống haptics
• 2.6.3. Các thiết bị giao diện haptics
• 2.6.3.1. Thiết bị Exoskeletons và Stationary
• 2.6.3.2. Găng tay và các thiết bị tay cầm
• 2.6.3.3. Thiết bị Point Sources and Specific Task
• 2.6.4. Mô phỏng cấu trúc thực tế ảo
• 2.6.5. Các thuật toán biểu diễn haptics
• 2.6.6. Phạm vi ứng dụng của haptics
• 2.7. Con người tương tác với robot
• 2.8. Giới thiệu phần mềm LabVIEW
• 2.9. Thuật toán điều khiển động cơ DC
• 2.9.1. Phương pháp điều khiển vận tốc động cơ DC
• 2.9.2. Thuật toán điều khiển vận tốc
• 2.9.3. Thuật toán PID và ứng dụng vào điều khiển động cơ DC
• 2.9.3.1. Khái niệm thuật toán PID
• 2.9.3.2. Bản chất toán học của thuật toán PID
• 2.9.3.3. Thực hành điều khiển PID cho động cơ
• 2.9.4. Các lưu ý khi thiết kế bộ điều khiển PID
• 2.9.5. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng thuật toán PID
• 2.9.6. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu P
• 2.9.7. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PI
• 2.9.8. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PID
• 3. CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN TÁI TẠO CẢM GIÁC LÁI
• 3.1. Giới thiệu hệ thống lái không trục lái (Steer – by – Wire)
• 3.2. Ứng dụng Steer – by – Wire trên ô tô
• 3.2.1. Hệ thống Steer – by – Wire là gì?
• 3.2.2. Sự phát triển của hệ thống Steer – by – Wire
• 3.2.3. Hệ thống lái thường và hệ thống lái không trục lái
• 3.2.4. Mô hình động học của hệ thống lái không trục lái
• 3.2.5. Cấu trúc điều khiển hệ thống SBW
• 3.2.6. Mô men vô lăng và cảm giác lái
• 3.2.7. Theo dõi góc bánh xe
• 3.2.8. Mô men phản hồi hệ thống bánh xe
• 3.2.9. Thuật toán điều khiển hệ thống SBW
• 3.2.9.1. Điều khiển động cơ vô lăng
• 3.2.9.2. Điều khiển động cơ bánh xe
• 3.3. Các phương pháp tái tạo cảm giác lái
• 3.3.1. Phương pháp dựa trên mô hình động lực học
• 3.3.2. Phương pháp dựa trên bản đồ mô men cảm giác lái
• 3.3.3. Phương pháp dựa vào cảm biến mô men
• 3.3.4. Phương pháp dựa trên dòng tín hiệu đo
• 3.3.4.1. Tổng quan về phương pháp đo
• 3.3.4.2. Sự tái tạo cảm giác lái
• 3.3.4.3. Điều khiển tự do
• 3.3.4.4. Điều khiển tự do

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống lái không trục

Hệ thống lái không trục, hay còn gọi là Steer-by-Wire (SBW), là một công nghệ hiện đại trong lĩnh vực ô tô. Công nghệ này cho phép loại bỏ trục lái truyền thống, thay thế bằng các cảm biến và bộ điều khiển điện tử. Điều này không chỉ giúp giảm trọng lượng xe mà còn tạo ra không gian rộng rãi hơn trong buồng lái. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất của hệ thống này là việc tái tạo cảm giác lái cho người điều khiển. Theo nghiên cứu, việc mất cảm giác lái có thể dẫn đến sự không an toàn trong quá trình điều khiển xe. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tái tạo cảm giác lái là rất cần thiết.

1.1. Lịch sử phát triển hệ thống lái

Hệ thống lái đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những ngày đầu của ô tô. Ban đầu, hệ thống lái cơ khí truyền thống được sử dụng, nhưng với sự phát triển của công nghệ, hệ thống lái điện tử đã ra đời. SBW là một bước tiến lớn trong công nghệ lái, cho phép điều khiển chính xác hơn và linh hoạt hơn. Nghiên cứu cho thấy rằng SBW có thể cải thiện hiệu suất lái xe, nhưng cũng cần phải giải quyết vấn đề cảm giác lái để đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

II. Ứng dụng công nghệ SBW trong ô tô

Công nghệ SBW đang được áp dụng rộng rãi trong các mẫu xe hiện đại. Các nhà sản xuất ô tô như Nissan và GM đã phát triển các mẫu xe thử nghiệm với hệ thống lái không trục. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện tính năng điều khiển mà còn mang lại trải nghiệm lái tốt hơn cho người dùng. Tuy nhiên, việc triển khai công nghệ này cũng đặt ra nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc đảm bảo độ tin cậy và an toàn của hệ thống. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển để cải thiện cảm giác lái và ổn định hệ thống.

2.1. Lợi ích của hệ thống lái không trục

Hệ thống lái không trục mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng. Đầu tiên, nó giúp giảm trọng lượng xe, từ đó cải thiện hiệu suất nhiên liệu. Thứ hai, việc loại bỏ trục lái truyền thống tạo ra không gian rộng rãi hơn trong buồng lái, giúp tăng cường sự thoải mái cho hành khách. Cuối cùng, SBW cho phép các nhà thiết kế linh hoạt hơn trong việc bố trí các hệ thống khác trên xe. Tuy nhiên, để đạt được những lợi ích này, cần phải giải quyết vấn đề cảm giác lái và độ ổn định của hệ thống.

III. Phương pháp nghiên cứu và thí nghiệm

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp thí nghiệm thực tế để kiểm tra tính ổn định của hệ thống lái không trục tại vị trí giới hạn quay vòng. Các thí nghiệm được thực hiện trên mô hình mô phỏng, cho phép đánh giá các chỉ số như vị trí, lực và mô men. Kết quả cho thấy rằng phương pháp ổn định tay lái được đề xuất có thể cải thiện cảm giác lái và ổn định vành tay lái. Điều này cho thấy rằng việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp ổn định là rất quan trọng trong việc nâng cao tính an toàn và hiệu suất của hệ thống lái không trục.

3.1. Kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng phương pháp ổn định tay lái tại vị trí giới hạn quay vòng đã cải thiện đáng kể cảm giác lái so với các phương pháp truyền thống. Các chỉ số như vị trí, lực và mô men đều cho thấy sự ổn định cao hơn. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại có thể mang lại những cải tiến rõ rệt trong hệ thống lái không trục. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp ô tô.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ thông tin và kỹ thuật phần mềm phát triển mạnh mẽ, ngành công nghiệp ô tô đang chuyển mình mạnh mẽ với sự xuất hiện của các hệ thống lái thông minh. Một trong những xu hướng nổi bật là hệ thống lái không trục lái (Steer-By-Wire - SBW), được đánh giá là công nghệ của tương lai nhờ nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ thống lái truyền thống. Theo ước tính, SBW giúp giảm trọng lượng xe, mở rộng không gian cabin và loại bỏ các rủi ro rò rỉ dầu từ hệ thống thủy lực. Tuy nhiên, việc loại bỏ trục lái cũng đồng nghĩa với việc người lái mất đi cảm giác lái truyền thống, gây ảnh hưởng đến an toàn khi điều khiển xe.

Luận văn tập trung nghiên cứu ổn định hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái, nhằm cải thiện cảm giác lái và đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình hệ thống SBW, sử dụng phần mềm LabVIEW để mô phỏng và thí nghiệm thực tế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vị trí giới hạn quay vòng (lock-to-lock) của vô lăng, nơi hệ thống thường mất ổn định, gây khó khăn trong việc tái tạo cảm giác lái thực tế. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống lái điện tử an toàn, góp phần thúc đẩy ứng dụng SBW trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: công nghệ Steer-By-Wire (SBW) và lý thuyết cảm giác xúc giác (haptics). SBW là hệ thống lái điện tử không sử dụng trục lái cơ khí, trong đó góc quay vô lăng được cảm biến và truyền tín hiệu đến bộ điều khiển điện tử (ECU), từ đó điều khiển động cơ điện để quay bánh xe theo ý muốn người lái. Lý thuyết haptics nghiên cứu về cảm giác xúc giác, bao gồm lực tác động, cảm giác bề mặt và chuyển động, giúp tái tạo cảm giác lái thực tế cho người điều khiển.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

• Mô men phản hồi vô lăng: lực và mô men tác động lên vô lăng để tạo cảm giác lái.
• Thuật toán ổn định PO-PC (Passivity Observer - Passivity Controller): phương pháp điều khiển bị động nhằm đảm bảo hệ thống lái không trục lái ổn định tại vị trí giới hạn quay vòng.
• Mô hình động học hệ thống SBW: mô phỏng chuyển động và lực tác động trong hệ thống lái không trục lái.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng mô hình thực nghiệm hệ thống lái không trục lái được thiết kế và chế tạo với các thành phần cơ khí và điện tử tương tự hệ thống SBW thực tế. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình hệ thống lái với các cảm biến dòng điện ACS712, bộ điều khiển động cơ DC và phần mềm LabVIEW phiên bản 2009 để lập trình và điều khiển.

Phương pháp chọn mẫu là mô hình thực nghiệm nhằm kiểm tra trực tiếp các đặc tính ổn định và cảm giác lái tại vị trí giới hạn quay vòng. Phân tích dữ liệu dựa trên các phép đo vị trí, lực và mô men phản hồi vô lăng trong các điều kiện thí nghiệm khác nhau.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng một năm, bao gồm các giai đoạn:

• Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tổng quan công nghệ SBW.
• Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống lái không trục lái.
• Lập trình thuật toán tái tạo cảm giác lái và ổn định vô lăng.
• Thí nghiệm và thu thập dữ liệu.
• Phân tích kết quả và hiệu chỉnh thuật toán.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ổn định vô lăng tại vị trí giới hạn quay vòng được cải thiện rõ rệt: Thuật toán PO-PC giúp duy trì vị trí vô lăng ổn định hơn so với trường hợp không sử dụng thuật toán, với sai số vị trí giảm khoảng 30%.
2. Lực phản hồi và mô men trên vô lăng được tái tạo chính xác: Các phép đo lực phản hồi cho thấy mô men vô lăng tại vị trí lock-to-lock tăng lên khoảng 25% so với hệ thống không ổn định, giúp người lái cảm nhận được "bức tường ảo" khi quay vô lăng đến giới hạn.
3. Tăng tính xác thực của cảm giác lái: So sánh với hệ thống lái truyền thống, hệ thống SBW có thuật toán ổn định cho cảm giác lái gần tương đương, giảm thiểu cảm giác mất an toàn khi không có trục lái.
4. Hiệu quả thuật toán được xác nhận qua thí nghiệm thực tế: Dữ liệu thu thập từ mô hình cho thấy vị trí, lực và mô men phản hồi có độ ổn định cao, với sai số dưới 5% trong các lần thử nghiệm lặp lại.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự mất ổn định tại vị trí giới hạn quay vòng là do thiếu phản hồi cơ học trực tiếp từ trục lái, dẫn đến dao động và rung lắc vô lăng. Việc áp dụng thuật toán PO-PC giúp kiểm soát năng lượng hệ thống, ngăn chặn dao động không mong muốn và tạo ra lực phản hồi ổn định.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này khẳng định tính khả thi của phương pháp điều khiển bị động trong việc cải thiện cảm giác lái SBW. Các biểu đồ mô tả mối quan hệ giữa góc quay vô lăng và mô men phản hồi cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa hệ thống có và không có thuật toán ổn định, minh họa hiệu quả của giải pháp đề xuất.

Ý nghĩa của nghiên cứu là mở ra hướng phát triển hệ thống lái không trục lái an toàn và thân thiện với người dùng, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ SBW trong các dòng xe hiện đại.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thuật toán PO-PC trên hệ thống SBW thực tế: Áp dụng thuật toán ổn định tại vị trí giới hạn quay vòng để nâng cao an toàn và cảm giác lái, ưu tiên trong vòng 1-2 năm tới, do các nhà sản xuất ô tô và nhà cung cấp linh kiện.
2. Phát triển hệ thống cảm biến lực và mô men chính xác, chi phí thấp: Tăng cường độ nhạy và độ tin cậy của cảm biến dòng điện ACS712 hoặc các cảm biến tương tự để tái tạo cảm giác lái xác thực, hướng đến sản xuất đại trà trong 3 năm.
3. Tích hợp giao diện haptics nâng cao: Kết hợp các thiết bị phản hồi lực và mô phỏng haptics để cải thiện trải nghiệm người lái, đặc biệt trong các tình huống giới hạn quay vòng, do các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ ô tô thực hiện.
4. Đào tạo và nâng cao nhận thức người lái về hệ thống SBW: Tổ chức các khóa huấn luyện và hướng dẫn sử dụng hệ thống lái không trục lái nhằm giảm thiểu rủi ro do mất cảm giác lái truyền thống, triển khai trong 1 năm đầu sau khi hệ thống được thương mại hóa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư phát triển hệ thống lái ô tô: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về ổn định hệ thống SBW, hỗ trợ phát triển các giải pháp điều khiển và cảm giác lái mới.
2. Các nhà sản xuất ô tô và linh kiện điện tử: Tham khảo để ứng dụng thuật toán ổn định và công nghệ cảm biến trong sản phẩm, nâng cao tính cạnh tranh và an toàn.
3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực, điện tử ô tô: Tài liệu học thuật chi tiết về công nghệ SBW, thuật toán điều khiển và mô hình hóa hệ thống lái hiện đại.
4. Cơ quan quản lý và tổ chức đào tạo lái xe: Hiểu rõ về công nghệ mới, từ đó xây dựng các quy định, tiêu chuẩn an toàn và chương trình đào tạo phù hợp với xe sử dụng hệ thống lái không trục lái.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống lái không trục lái (SBW) là gì?
   SBW là hệ thống lái điện tử không sử dụng trục lái cơ khí, trong đó góc quay vô lăng được cảm biến và điều khiển bằng bộ điều khiển điện tử (ECU) để quay bánh xe. Ví dụ, xe Nissan Land Glider sử dụng công nghệ này để tăng không gian cabin và giảm trọng lượng xe.

2. Tại sao cần ổn định vô lăng tại vị trí giới hạn quay vòng?
   Vị trí giới hạn quay vòng (lock-to-lock) là điểm vô lăng có thể quay tối đa, nơi hệ thống dễ mất ổn định do thiếu phản hồi cơ học. Ổn định tại vị trí này giúp người lái cảm nhận lực cứng của "bức tường ảo", tăng an toàn và cảm giác lái thực tế.

3. Thuật toán PO-PC hoạt động như thế nào?
   PO (Passivity Observer) quan sát năng lượng hệ thống, PC (Passivity Controller) điều chỉnh để hệ thống không phát sinh năng lượng dư thừa gây dao động. Kết hợp giúp duy trì trạng thái bị động, đảm bảo ổn định và phản hồi lực chính xác.

4. Cảm giác lái được tái tạo ra sao trong hệ thống SBW?
   Cảm giác lái được tái tạo bằng cách sử dụng động cơ điện gắn trên vô lăng, điều khiển lực phản hồi dựa trên tín hiệu từ cảm biến dòng điện và thuật toán điều khiển, giúp người lái cảm nhận được lực và mô men tương tự hệ thống lái truyền thống.

5. SBW có những ưu điểm và hạn chế gì?
   Ưu điểm gồm giảm trọng lượng xe, tăng không gian cabin, loại bỏ rò rỉ dầu và linh hoạt bố trí hệ thống. Hạn chế là mất cảm giác lái truyền thống do không có trục lái, gây khó khăn và tiềm ẩn rủi ro nếu không có giải pháp tái tạo cảm giác lái hiệu quả.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu và đề xuất thành công thuật toán ổn định PO-PC cho hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng, cải thiện đáng kể độ ổn định và cảm giác lái.
• Mô hình thực nghiệm và phần mềm LabVIEW được sử dụng hiệu quả để kiểm tra và đánh giá các đặc tính của hệ thống SBW.
• Kết quả thí nghiệm cho thấy lực phản hồi và mô men vô lăng được tái tạo chính xác, giúp người lái cảm nhận được "bức tường ảo" tại vị trí lock-to-lock.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao tính an toàn và trải nghiệm người dùng cho các hệ thống lái điện tử thế hệ mới.
• Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm ứng dụng thuật toán trên xe thực, cải tiến cảm biến và tích hợp giao diện haptics nâng cao.

Các nhà sản xuất và nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế trên xe, đồng thời phát triển các giải pháp cảm biến và thuật toán điều khiển để hoàn thiện hệ thống SBW an toàn và thân thiện với người dùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Lịch sử hệ thống lái .2 Tổng quan hệ thống lái trên ô tô .1 Công dụng của hệ thống lái .2 Yêu cầu của hệ thống lái .3 Phân loại hệ thống lái.4 Các góc ñặt bánh xe. NGUYỄN HỮU HƯỜNG HVTH: NGÔ VĂN HỢP TS. NGUYỄN BÁ HẢI Trang 1 Luan van Nghiên cứu ổn ñịnh hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái 1.4 ðộ chụm của bánh xe .5 Bán kính quay vòng .3 Ứng dụng công nghệ lái không trục lái (SBW) trên ô tô .1 Xe ô tô ñiện Mini Land Glider của Nissan .2 Sản phẩm hãng xe GM Hy – Wire .3 Sản phẩm của hãng xe Mercedes và SuRai của Trung Quốc .4 Hệ thống lái ñiều khiển bằng dây (Drive – by – Wire) trên xe Infiniti của Nissan .5 Xe hơi mới cho tương lai .6 Ứng dụng công nghệ by Wire trên ñộng cơ của Honda Odyssey.4 Những cải tiến của Steer – by – Wire .5 Những lợi ích kỹ thuật của Steer – by – Wire .6 Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác (haptics) .2 Lịch sử haptics .3 Cấu trúc các hệ thống haptics .4 Các thiết bị giao diện haptics .1 Thiết bị Exoskeletons và Stationary .2 Găng tay và các thiết bị tay cầm .3 Thiết bị Point Sources and Specific Task .5 Mô phỏng cấu trúc thực tế ảo .6 Các thuật toán biểu diễn haptics .7 Phạm vi ứng dụng của của haptics.2 ðối với ô tô .4 Con người tương tác với robot. NGUYỄN HỮU HƯỜNG HVTH: NGÔ VĂN HỢP TS.

NGUYỄN BÁ HẢI Trang 2 Luan van Nghiên cứu ổn ñịnh hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái 1.5 Trong quân ñội .7 Giới thiệu phần mềm LabVIEW .2 Thuật toán ñiều khiển ñộng cơ DC .1 Phương pháp ñiều khiển vận tốc ñộng cơ DC .2 Thuật toán ñiều khiển vận tốc .3 Thuật toán PID và ứng dụng vào ñiều khiển ñộng cơ DC .1 Khái niệm thuật toán PID .2 Bản chất toán học của thuật toán PID .3 Thực hành ñiều khiển PID cho ñộng cơ .4 Các lưu ý khi thiết kế bộ ñiều khiển PID.5 ðiều khiển vị trí ñộng cơ DC bằng thuật toán PID .6 ðiều khiển vị trí ñộng cơ DC bằng khâu P .7 ðiều khiển vị trí ñộng cơ DC bằng khâu PI .8 ðiều khiển vị trí ñộng cơ DC bằng khâu PID. 62 CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN TÁI TẠO CẢM GIÁC LÁI .1 Giới thiệu hệ thống lái không trục lái (Steer – by – Wire) .2 Ứng dụng Steer – by – Wire trên ô tô .1 Hệ thống Steer – by – Wire là gì? .2 Sự phát triển của hệ thống Steer – by – Wire .3 Hệ thống lái thường và hệ thống lái không trục lái .4 Mô hình ñộng học của hệ thống lái không trục lái .5 Cấu trúc ñiều khiển hệ thống SBW.6 Mô men vô lăng và cảm giác lái .7 Theo dõi góc bánh xe .8 Mô men phản hồi hệ thống bánh xe .9 Thuật toán ñiều khiển hệ thống SBW .1 ðiều khiển ñộng cơ vô lăng .2 ðiều khiển ñộng cơ bánh xe. NGUYỄN HỮU HƯỜNG HVTH: NGÔ VĂN HỢP TS. NGUYỄN BÁ HẢI Trang 3 Luan van Nghiên cứu ổn ñịnh hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái 2.10 Các phương pháp tái tạo cảm giác lái .1 Phương pháp dựa trên mô hình ñộng lực học .2 Phương pháp dựa trên bản ñồ mô men cảm giác lái .3 Phương pháp dựa vào cảm biến mô men .4 Phương pháp dựa trên dòng tín hiệu ño .1 Tổng quan về phương pháp ño .2 Sự tái tạo cảm giác lái .3 ðiều khiển tự do .4 ðiều khiển tự do.

91 CHƯƠNG 3 ðỀ XUẤT THUẬT TOÁN ỔN ðỊNH VÀNH TAY LÁI TẠI VỊ TRÍ GIỚI HẠN QUAY VÒNG .1 Sơ ñồ ñiều khiển hai chiều bằng phương pháp bị ñộng .2 Bộ quan sát bị ñộng (PO: Passivity Observer) .3 Bộ ñiều khiển bị ñộng (PC: Passivity Controller) .1 Hệ thống ñại diện .2 Các hệ thống tương tự .3 Một số vấn ñề ñã giải quyết và kết quả ñạt ñược .1 Thông tin phản hồi thực tế .2 ðiều khiển tự do.4 ðề xuất thuật toán ổn ñịnh vành tay lái. 104 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ LẬP TRÌNH THUẬT TOÁN.1 Phần cơ khí mô hình hệ thống SBW .1 Bản vẽ thiết kế mô hình vô lăng .2 Mô hình thật hệ thống SBW .2 Phần ñiện mô hình hệ thống SBW .1 Mạch ñiện ñiều khiển mô hình vô lăng.2 Cảm biến dòng ACS712. NGUYỄN HỮU HƯỜNG HVTH: NGÔ VĂN HỢP TS. NGUYỄN BÁ HẢI Trang 4 Luan van Nghiên cứu ổn ñịnh hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái 4.3 Giới thiệu Card LabVIEW 9090 .4 Lập trình tái tạo cảm giác lái và ổn ñịnh vô lăng tại vị trí giới hạn quay vòng114 4.1 Giao diện lập trình và ñiều khiển cảm giác lái .1 Giao diện ñiều khiển .2 Giao diện lập trình cảm giác lái .2 Giao diện lập trình ổn ñịnh vô lăng tại vị trí giới hạn quay vòng .1 Giao diện ñiều khiển .2 Giao diện lập trình thuật toán ổn ñịnh vô lăng .1 Các thông số mô phỏng .2 Ví dụ mô phỏng.

124 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.2 Hướng phát triển. 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 129 PHỤ LỤC 1 Các bài báo gởi ñăng tạp chí khoa học công nghệ GTVT 1 - Nghiên cứu các thuật toán tái tạo cảm giác xúc giác lái trên vô lăng ô tô 2 - Nghiên cứu ổn ñịnh vô lăng trong hệ thống lái không trục lái PHỤ LỤC 2 Bảng vẽ thiết kế mô hình hệ thống lái không trục lái CBHD: PGS. NGUYỄN HỮU HƯỜNG HVTH: NGÔ VĂN HỢP TS.

NGUYỄN BÁ HẢI Trang 5 Luan van Nghiên cứu ổn ñịnh hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái PHẦN I DẪN NHẬP 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Ngày nay công nghệ thông tin và kỹ thuật phần mềm phát triển mạnh mẽ. Những thành tựu mới trong lĩnh vực ñã giúp cho ô tô ngày càng trở nên thông minh hơn. Trong ñó Steer – By – Wire (SBW) là công nghệ ñiều khiển ñiện tử ứng dụng trên ô tô ñã và ñang ñược quan tâm. Hiện nay Steer – By – Wire ñang là xu hướng của ô tô tương lai vì chúng có nhiều ưu ñiểm so với các hệ thống lái truyền thống.

Ví dụ: ðối với hệ thống ga, như chúng ta ñã biết trong hệ thống ga truyền thống thì người lái tác ñộng lên bàn ñạp ga thông qua dây cáp ñể dẫn ñộng bướm ga. Còn ngày nay với sự phát triển của công nghệ Steer – By – Wire thì ñiều khiển ga bằng ñiện tử (Throttle – By – Wire) sẽ thay thế các liên kết cơ khí bằng các cảm biến và bướm ga sẽ ñược ñiều khiển bởi một ñộng cơ ñiện thông qua bộ ñiều khiển bằng ñiện (ECU). ðiều này cho phép loại bỏ dây cáp nối chân ga tới bướm ga. Tương tự như vậy, ñối với hệ thống lái, trong hệ thống lái thường thì người lái tác ñộng vào vô lăng một góc lái nhất ñịnh, góc lái này ñược truyền qua trục lái tới cơ cấu lái (ví dụ: cơ cấu thanh răng – bánh răng) rồi làm xoay các bánh xe.

Còn bây giờ ñối với hệ thống lái không trục lái (Steer – By –Wire) thì người lái xoay vô lăng rồi nhờ các cảm biến phát hiện góc quay của vô lăng, sau ñó cảm biến gởi tín hiệu ñến bộ ñiều khiển bằng ñiện (ECU), ECU sẽ ñiều khiển ñộng cơ ñiện xoay bánh xe chuyển ñộng theo góc quay của vô lăng. ðiều này cho phép các kỹ sư thiết kế bỏ ñi trục lái ñã tạo một không gian rộng và linh hoạt trong việc bố trí các hệ thống và cơ cấu trên xe [2]. Do không còn trục lái trong hệ thống lái Steer – By – Wire nên người lái mất cảm giác lái. ðiều này gây mất an toàn khi ñiều khiển xe [2].

Vì vậy, trong hệ thống lái không trục lái thì vô lăng ñược lắp ñặt ñộng cơ ñiện ñể tạo cảm giác lái. Và thuật toán tái tạo cảm giác lái xác thực cho Steer – By –Wire là một trong những hướng nghiên cứu mới ñang ñược nhiều nhà khoa học và phòng thí nghiệm quan tâm. NGUYỄN HỮU HƯỜNG HVTH: NGÔ VĂN HỢP TS. NGUYỄN BÁ HẢI Trang 6 Luan van Nghiên cứu ổn ñịnh hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái Hệ thống lái không trục lái (SBW) có nhiều ưu ñiểm như: làm cho không gian cabin rộng hơn, tự do trong thiết kế nội thất, không có sự rò rĩ dầu, ít xảy ra tai nạn… Bên cạnh những ưu ñiểm ñó SBW cũng có những nhược ñiểm và khó khăn như: thiếu cảm giác lái thực tế, vì cảm giác này là một tập hợp những ảnh hưởng tác ñộng từ mặt ñường, ma sát giữa các khớp cơ khí của hệ thống lái trước ñây ñược truyền ñến người lái xe thông qua trục lái.

Tuy nhiên, việc gỡ bỏ trục lái trong Steer – By – Wire ñã tạo nên sự mất cảm giác lái. Sự mất cảm giác này dẫn ñến mất an toàn khi ñiều khiển xe. Tuy nhiên, ñể hiện thực hóa ñược SBW cho ô tô hiện ñại thì phải tạo ñược cảm giác lái xác thực, cảm giác lái này giống như cảm giác lái trong hệ thống lái thông thường, nhằm giúp người lái không bị bất ngờ và không khó khăn khi ñiều khiển. ðể tái tạo ñược cảm giác lái thực tế thì có nhiều phương pháp tham khảo trong các bài báo[2, 3, 6].

Nhìn chung, các nhà khoa học ñã khẳng ñịnh ñể tạo ra ñược cảm giác lái xác thực là một ñiều rất khó khăn. Khi thí nghiệm SBW trong phòng thí nghiệm, hoặc khi chế tạo các mô hình của hệ thống lái thì có yêu cầu rất cao như: vi ñiều khiển phải có công suất lớn, hoặc phải bỏ chi phí ñắt ñỏ cho các cảm biến lực, v.v…thông tin chi tiết ñiều này có thể xem trong [3], [5], [6]v. Gần ñây, Jee – Hwan Ryu và Ba Hai – Nguyen ñã ñề xuất một giải pháp mới với giá thành thấp [6] là: tái tạo cảm giác lái dựa trên dòng ño ñược từ các IC dòng giá rẻ. Tuy nhiên, qua kết quả thực nghiệm trong suốt 5 năm nghiên cứu và thí nghiệm trên mô hình thực, phương pháp ño dòng còn một vấn ñề ñặt ra cần giải quyết hoàn thiện phương pháp trên là: Sự mất ổn ñịnh của hệ thống lái không trục lái (SBW) tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái.