Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghệ điều khiển tự động và từ xa cho các phương tiện giao thông, việc nghiên cứu thuật toán điều khiển lái tự động và từ xa đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao tính an toàn, chính xác và linh hoạt trong vận hành xe. Theo ước tính, các hệ thống lái không trục (Steer-By-Wire - SBW) đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên tại Việt Nam, nghiên cứu và ứng dụng còn rất hạn chế. Đề tài tập trung phát triển thuật toán điều khiển lái tự động và từ xa cho các phương tiện, đặc biệt thử nghiệm trên xe mô hình quân sự, nhằm tạo ra hệ thống lái có khả năng tái tạo cảm giác lái thực tế cho người điều khiển thông qua giao diện vô lăng điều khiển từ xa qua mạng WIFI.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm: đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống SBW, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cảm giác lái, phát triển phương pháp tái tạo cảm giác lái dựa trên đo cường độ dòng điện, thực thi điều khiển từ xa hệ thống SBW và khảo sát mối quan hệ giữa mô-men phản hồi, dòng điện và góc lái. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc điều khiển động cơ DC bằng thuật toán PID, sử dụng phần mềm LabVIEW và thiết bị giao tiếp HDL USB-9090, thực nghiệm trên xe mô hình quân sự tại phòng thí nghiệm cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ lái xe tự động và điều khiển từ xa, góp phần nâng cao an toàn trong các môi trường nguy hiểm, độc hại, đồng thời mở ra hướng ứng dụng mới cho các phương tiện vận tải hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cảm giác xúc giác (Haptics): Là cảm giác xúc giác bao gồm lực tác động, cảm giác bề mặt và chuyển động mà con người cảm nhận qua tiếp xúc. Công nghệ haptics được ứng dụng trong giao diện điều khiển xe từ xa nhằm tái tạo cảm giác lái thực tế cho người điều khiển.

  • Thuật toán điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative): Bộ điều khiển PID là phương pháp phổ biến trong điều khiển động cơ DC, giúp giảm sai số vị trí và duy trì ổn định hệ thống. Thuật toán PID được áp dụng để điều khiển vị trí động cơ trong hệ thống lái không trục.

  • Mô hình hệ thống lái không trục (SBW): SBW là hệ thống điều khiển lái không sử dụng cơ cấu cơ khí truyền thống mà thay bằng tín hiệu điện tử, gồm hai phần chủ (HW) và nô lệ (RW), trong đó HW đo góc lái và tạo cảm giác lái, RW thực hiện điều khiển bánh xe.

  • Phương pháp tái tạo cảm giác lái: Bao gồm các phương pháp dựa trên động học, biểu đồ mô-men, cảm biến mô-men xoắn và đo cường độ dòng điện. Phương pháp đo dòng điện được lựa chọn do ưu điểm chi phí thấp, đơn giản và khả năng phản ánh các đặc tính của tình trạng đường, mô-men bánh xe và động lực học xe.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu trong và ngoài nước về hệ thống lái không trục, thuật toán PID, công nghệ haptics và các phương pháp tái tạo cảm giác lái. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hệ thống lái không trục trên xe mô hình quân sự tại phòng thí nghiệm cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm LabVIEW để lập trình thuật toán điều khiển PID cho động cơ DC, xây dựng giao diện điều khiển từ xa qua mạng WIFI theo chuẩn TCP/IP. Thu thập tín hiệu góc lái, dòng điện và mô-men phản hồi để phân tích mối quan hệ và hiệu suất hệ thống.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2012, bao gồm giai đoạn tìm hiểu lý thuyết, phát triển thuật toán, lập trình phần mềm, thử nghiệm trên mô hình xe quân sự và đánh giá kết quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thử nghiệm trên xe mô hình quân sự được chế tạo tại phòng thí nghiệm, sử dụng các thiết bị cảm biến và card giao tiếp HDL USB-9090 để thu thập dữ liệu điều khiển và phản hồi.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả thuật toán điều khiển PID: Thuật toán PID được lập trình trên LabVIEW cho phép điều khiển vị trí động cơ DC với sai số tiến tới gần bằng 0 trong khoảng 0.5 giây, thể hiện qua đồ thị đáp ứng vị trí động cơ với độ ổn định cao.

  2. Khả năng tái tạo cảm giác lái: Phương pháp đo cường độ dòng điện tại động cơ RW cho phép tái tạo cảm giác lái xác thực trên vô lăng HW. Mối quan hệ giữa mô-men phản hồi, dòng điện và góc lái được khảo sát, cho thấy mô-men phản hồi tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện (hệ số Kt = 0.581 Nm/A), giúp người lái cảm nhận lực lái tương tự hệ thống truyền thống.

  3. Thời gian trễ hệ thống điều khiển từ xa: Thời gian trễ đo được trong hệ thống lái không trục điều khiển từ xa qua mạng WIFI nằm trong khoảng cho phép, đảm bảo tính linh hoạt và an toàn khi vận hành xe từ xa.

  4. Đa dạng chế độ hoạt động: Hệ thống có thể hoạt động ở nhiều chế độ: điều khiển trực tiếp như hệ thống lái thông thường, điều khiển bằng vô lăng trong hệ thống SBW, và điều khiển từ xa qua mạng WIFI, đáp ứng nhu cầu ứng dụng đa dạng.

Thảo luận kết quả

Kết quả thử nghiệm cho thấy thuật toán PID là giải pháp hiệu quả trong việc điều khiển vị trí động cơ DC, phù hợp với yêu cầu điều khiển chính xác trong hệ thống lái không trục. Việc sử dụng cảm biến dòng điện để tái tạo cảm giác lái là một bước tiến quan trọng, giúp giảm chi phí và đơn giản hóa hệ thống so với các phương pháp dùng cảm biến mô-men xoắn phức tạp và đắt tiền.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, phương pháp đo dòng điện mang lại độ chính xác và phản hồi lực phù hợp với cảm giác lái thực tế, đồng thời giảm thiểu độ trễ và tăng tính ổn định cho hệ thống. Việc thử nghiệm trên xe mô hình quân sự tại Việt Nam là bước đầu tiên trong việc ứng dụng công nghệ SBW điều khiển từ xa, mở ra hướng phát triển cho các phương tiện tự động và điều khiển từ xa trong tương lai.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng vị trí động cơ theo thời gian, bảng so sánh các thông số mô-men phản hồi và cường độ dòng điện, cũng như biểu đồ thời gian trễ hệ thống điều khiển từ xa qua mạng WIFI.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển thuật toán điều khiển nâng cao: Tiếp tục hoàn thiện thuật toán PID kết hợp với các phương pháp điều khiển thông minh như Logic mờ hoặc Neural Network để nâng cao độ chính xác và khả năng thích ứng với điều kiện vận hành đa dạng. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: nhóm nghiên cứu và các trung tâm công nghệ.

  2. Tối ưu hóa hệ thống cảm biến dòng điện: Nâng cao độ nhạy và độ ổn định của cảm biến dòng ACS712 hoặc phát triển cảm biến mới phù hợp với môi trường vận hành thực tế, nhằm cải thiện chất lượng tái tạo cảm giác lái. Thời gian thực hiện: 1 năm; chủ thể: phòng thí nghiệm và nhà sản xuất thiết bị.

  3. Mở rộng thử nghiệm trên các loại xe thực tế: Áp dụng thuật toán và hệ thống điều khiển trên các phương tiện giao thông thực tế, đặc biệt trong các môi trường nguy hiểm hoặc độc hại để đánh giá hiệu quả và độ tin cậy. Thời gian thực hiện: 2-3 năm; chủ thể: các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất xe.

  4. Phát triển giao diện điều khiển từ xa đa nền tảng: Xây dựng phần mềm điều khiển từ xa tương thích với nhiều thiết bị và mạng truyền thông khác nhau (3G, 4G, 5G) để tăng tính linh hoạt và khả năng ứng dụng rộng rãi. Thời gian thực hiện: 1 năm; chủ thể: nhóm phát triển phần mềm và đối tác công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Cơ khí Động lực và Tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thuật toán PID, hệ thống lái không trục và công nghệ haptics, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các hệ thống điều khiển tự động.

  2. Kỹ sư phát triển hệ thống điều khiển xe tự động và từ xa: Tài liệu chi tiết về thiết kế thuật toán, lập trình LabVIEW và thử nghiệm thực tế giúp kỹ sư áp dụng vào phát triển sản phẩm và giải pháp công nghiệp.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và cải tiến phương tiện giao thông: Thông tin về hệ thống lái không trục và điều khiển từ xa giúp doanh nghiệp nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng xu hướng công nghệ hiện đại.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách giao thông: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá và thúc đẩy ứng dụng công nghệ điều khiển tự động, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển giao thông thông minh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thuật toán PID là gì và tại sao được sử dụng trong điều khiển hệ thống lái?
    Thuật toán PID là bộ điều khiển gồm ba thành phần tỷ lệ, tích phân và đạo hàm, giúp giảm sai số và duy trì ổn định hệ thống. Nó được sử dụng vì tính đơn giản, hiệu quả và dễ áp dụng trong điều khiển vị trí động cơ DC, đảm bảo độ chính xác cao cho hệ thống lái.

  2. Phương pháp đo cường độ dòng điện có ưu điểm gì so với cảm biến mô-men xoắn?
    Phương pháp đo dòng điện có chi phí thấp, thiết kế đơn giản và dễ tích hợp. Nó phản ánh chính xác mô-men tải trên động cơ, từ đó tái tạo cảm giác lái mà không cần dùng cảm biến mô-men đắt tiền và phức tạp.

  3. Hệ thống lái không trục (SBW) hoạt động như thế nào?
    SBW thay thế cơ cấu cơ khí truyền thống bằng tín hiệu điện tử, gồm phần chủ (HW) đo góc lái và tạo cảm giác lái, phần nô lệ (RW) điều khiển bánh xe theo lệnh. Hệ thống cho phép điều khiển linh hoạt, tiết kiệm không gian và tích hợp nhiều tính năng.

  4. Thời gian trễ trong điều khiển từ xa ảnh hưởng thế nào đến an toàn?
    Thời gian trễ quá lớn có thể gây mất kiểm soát và nguy hiểm khi điều khiển xe từ xa. Nghiên cứu cho thấy thời gian trễ trong hệ thống điều khiển qua mạng WIFI được kiểm soát trong khoảng cho phép, đảm bảo vận hành an toàn và linh hoạt.

  5. LabVIEW được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    LabVIEW là phần mềm lập trình đồ họa được dùng để phát triển thuật toán điều khiển PID, xây dựng giao diện người dùng và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi như card giao tiếp và động cơ. Nó giúp tự động hóa quá trình điều khiển và thu thập dữ liệu hiệu quả.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công thuật toán điều khiển PID cho hệ thống lái không trục, đảm bảo điều khiển vị trí động cơ DC chính xác và ổn định.
  • Phương pháp đo cường độ dòng điện được áp dụng hiệu quả để tái tạo cảm giác lái xác thực trên vô lăng điều khiển từ xa.
  • Hệ thống lái không trục điều khiển từ xa qua mạng WIFI hoạt động ổn định với thời gian trễ trong giới hạn an toàn.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ lái xe tự động và điều khiển từ xa tại Việt Nam, góp phần nâng cao an toàn và hiệu quả vận hành trong môi trường nguy hiểm.
  • Các bước tiếp theo bao gồm hoàn thiện thuật toán điều khiển nâng cao, mở rộng thử nghiệm trên xe thực tế và phát triển giao diện điều khiển đa nền tảng.

Hành động đề xuất: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điều khiển tự động nên tiếp tục ứng dụng và phát triển các giải pháp này để thúc đẩy công nghệ giao thông thông minh tại Việt Nam.