Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo và cân bằng điện tử xe ô tô

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: Các hệ thống an toàn trên xe ô tô

1.1. Lịch sử phát triển của một số hệ thống an toàn trên xe ô tô

1.2. Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS

1.3. Hệ thống cân bằng điện tử ESP

1.4. Tình hình nghiên cứu

1.4.1. Các công trình nghiên cứu ngoài nước

1.4.2. Các công trình nghiên cứu trong nước

1.5. Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi Luận văn

1.5.1. Mục tiêu Luận văn

1.5.2. Nhiệm vụ Luận văn

1.5.3. Phạm vi Luận văn

1.5.4. Cấu trúc Luận văn

1.6. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC HỆ THỐNG AN TOÀN

1.6.1. Tổng quan về các thành phần phần cứng trong các hệ thống an toàn

1.6.2. Các thành phần phần cứng có liên quan và chi phối lên hệ thống kiểm soát lực kéo TCS và hệ thống cân bằng điện tử ESP

1.6.2.1. Cảm biến tốc độ bánh xe (Wheel Speed Sensors)

1.6.2.2. Bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit)

1.6.2.3. Hệ thống phanh (Brake System)

1.6.2.4. Mô-đun điều khiển động cơ ECM (Engine Control Module)

1.6.2.5. Hệ thống điều khiển bướm ga (Throttle Control)

1.6.2.6. Bộ điều khiển thủy lực HCU (Hydraulic Control Unit)

1.6.2.7. Bộ vi sai (Differential Component)

1.6.2.8. Cảm biến tốc độ quay (Yaw Rate Sensor)

1.6.2.9. Cảm biến gia tốc (Acceleration Sensors)

1.6.3. Phân tích động học của xe

1.6.4. Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS

1.6.5. Hệ thống cân bằng điện tử ESP

1.7. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG KIỂM SOÁT LỰC KÉO TCS

1.7.1. Phân tích sơ lược bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo TCS

1.7.2. Phân tích bộ điều khiển lực phanh BTC

1.7.2.1. Nền tảng thuật toán PID cổ điển

1.7.2.2. Tính phân tầng theo các chế độ làm việc khác nhau

1.7.2.3. Bộ khuếch đại cùng các giá trị chặn trên và chặn dưới

1.7.2.4. Thiết kế bộ điều khiển lực phanh BTC

1.7.2.5. So sánh và nhận xét các kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển BTC

1.8. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐIỆN TỬ ESP

1.8.1. Phân tích sơ lược bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng điện tử ESP

1.8.2. Phân tích bộ điều khiển động lực học VDC

1.8.2.1. Lý thuyết tốc độ quay Ackermann

1.8.2.2. Ước tính hệ số ma sát

1.8.2.3. Các chế độ vận hành khác nhau của VDC

1.8.2.4. Sự thay đổi tùy theo tình huống của tốc độ bơm dầu phanh

1.8.2.5. Các tín hiệu liên quan và thuật toán tính mômen quay mục tiêu

1.8.2.6. Thiết kế bộ điều khiển động lực học VDC

1.8.2.7. So sánh và nhận xét các kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển VDC

2. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

I. Tổng quan về Hệ thống Kiểm Soát Lực Kéo và ESP

Sự gia tăng số lượng ô tô, đặc biệt ở khu vực thành thị, đã dẫn đến những thay đổi sâu sắc trong điều kiện giao thông. Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), tai nạn giao thông gây ra khoảng 1,35 triệu ca tử vong mỗi năm. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống an toàn cho ô tô trở nên vô cùng quan trọng. Các hệ thống an toàn chủ động, như Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) và Hệ thống cân bằng điện tử (ESP), đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa tai nạn. Luận văn này tập trung vào phân tích, nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho TCS và ESP trên xe ô tô con bốn bánh, dẫn động cầu sau, sử dụng các thông số tham khảo từ mẫu xe BYD Seal. Mục tiêu là cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống phanh, góp phần nâng cao tính năng an toàn.

1.1. Tầm quan trọng của hệ thống an toàn chủ động

Hệ thống an toàn chủ động, bao gồm TCS và ESP, giúp tài xế kiểm soát xe trong các tình huống nguy hiểm như trượt bánh, mất lái. Chúng hoạt động bằng cách can thiệp vào hệ thống phanh và động cơ để duy trì độ bám đường và ổn định xe. Các hệ thống này ngày càng trở nên phổ biến và quan trọng trong việc giảm thiểu tai nạn giao thông, đặc biệt là trong điều kiện thời tiết xấu hoặc đường trơn trượt. Việc nghiên cứu cải tiến các thuật toán điều khiển cho TCS và ESP là cần thiết để nâng cao hiệu quả hoạt động của chúng.

1.2. Giới thiệu Hệ thống kiểm soát lực kéo TCS

Hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) ngăn ngừa tình trạng bánh xe bị quay trơn khi tăng tốc, đặc biệt trên bề mặt trơn trượt. TCS hoạt động bằng cách giảm công suất động cơ hoặc phanh bánh xe bị quay trơn, giúp duy trì lực kéo và cải thiện khả năng tăng tốc và ổn định của xe. Theo tài liệu nghiên cứu, TCS giúp giảm thiểu nguy cơ mất lái và tăng khả năng kiểm soát xe trong điều kiện đường trơn trượt hoặc khi tăng tốc đột ngột.

1.3. Giới thiệu Hệ thống cân bằng điện tử ESP

Hệ thống cân bằng điện tử (ESP) giúp ngăn ngừa tình trạng mất lái do trượt ngang hoặc trượt dọc. ESP hoạt động bằng cách phanh các bánh xe một cách độc lập để tạo ra mô-men xoắn giúp xe quay trở lại hướng mong muốn của người lái. ESP đặc biệt hữu ích trong các tình huống khẩn cấp như vào cua gấp hoặc tránh chướng ngại vật, giúp duy trì sự ổn định và ngăn ngừa tai nạn. ESP là một trong những hệ thống an toàn chủ động quan trọng nhất trên xe ô tô hiện đại.

II. Thách thức trong Thiết kế Bộ Điều khiển cho TCS ESP

Thiết kế bộ điều khiển hiệu quả cho TCS và ESP đặt ra nhiều thách thức. Các thuật toán điều khiển phải đáp ứng nhanh chóng và chính xác trong nhiều điều kiện vận hành khác nhau, từ đường khô ráo đến đường trơn trượt. Ngoài ra, cần đảm bảo sự phối hợp nhịp nhàng giữa TCS và ESP để tối ưu hóa khả năng kiểm soát xe. Một thách thức khác là việc tích hợp các bộ điều khiển này vào hệ thống điện tử của xe một cách hiệu quả và đáng tin cậy.

2.1. Độ phức tạp của thuật toán điều khiển

Các thuật toán điều khiển cho TCS và ESP phải xử lý nhiều tín hiệu đầu vào khác nhau, bao gồm tốc độ bánh xe, góc lái, gia tốc và tốc độ quay của xe. Thuật toán phải xác định chính xác thời điểm và mức độ can thiệp cần thiết để duy trì độ bám đường và ổn định xe. Điều này đòi hỏi các mô hình toán học chính xác và các kỹ thuật điều khiển tiên tiến như điều khiển PID, điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hoặc điều khiển thích nghi (Adaptive Control).

2.2. Yêu cầu về tính ổn định và độ tin cậy

TCS và ESP là các hệ thống an toàn quan trọng, do đó, tính ổn định và độ tin cậy là những yêu cầu hàng đầu. Các bộ điều khiển phải hoạt động chính xác và đáng tin cậy trong mọi điều kiện vận hành, kể cả khi gặp phải các lỗi cảm biến hoặc sự cố phần cứng. Việc kiểm tra và xác minh kỹ lưỡng là rất quan trọng để đảm bảo rằng các hệ thống này đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt. Phần mềm điều khiển cần được kiểm định và xác thực bằng các công cụ mô phỏng như Matlab/Simulink.

2.3. Tối ưu hóa hiệu suất và thời gian phản hồi

Hiệu suất và thời gian phản hồi của TCS và ESP có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng kiểm soát xe và ngăn ngừa tai nạn. Các bộ điều khiển phải phản ứng nhanh chóng với các thay đổi trong điều kiện vận hành và can thiệp kịp thời để duy trì độ bám đường và ổn định. Việc tối ưu hóa các tham số điều khiển và sử dụng các kỹ thuật điều khiển hiệu quả là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất và giảm thiểu thời gian phản hồi.

III. Phương pháp Nghiên cứu và Thiết kế Bộ Điều khiển TCS

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm để thiết kế bộ điều khiển cho TCS. Đầu tiên, mô hình toán học của hệ thống được xây dựng dựa trên các nguyên lý động lực học xe ô tô và điều khiển học. Sau đó, các thuật toán điều khiển được thiết kế và mô phỏng bằng phần mềm STEPS. Cuối cùng, các kết quả mô phỏng được kiểm chứng bằng thực nghiệm trên xe thử nghiệm.

3.1. Xây dựng mô hình động lực học xe ô tô

Mô hình động lực học xe ô tô là nền tảng cho việc thiết kế bộ điều khiển cho TCS. Mô hình này mô tả mối quan hệ giữa các lực tác dụng lên xe, bao gồm lực kéo, lực phanh, lực cản và lực ly tâm. Mô hình cũng bao gồm các thông số quan trọng như khối lượng xe, quán tính, hệ số ma sát và độ cứng của lốp. Mô hình toán học chính xác là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu quả của thuật toán điều khiển.

3.2. Thiết kế thuật toán điều khiển lực phanh BTC

Luận văn này tập trung vào thiết kế thuật toán điều khiển lực phanh (BTC - Brake Torque Control) cho TCS. Thuật toán BTC hoạt động bằng cách điều chỉnh lực phanh trên từng bánh xe để ngăn ngừa tình trạng quay trơn. Thuật toán sử dụng thông tin từ các cảm biến tốc độ bánh xe để xác định bánh xe nào đang bị quay trơn và áp dụng lực phanh phù hợp. Thuật toán điều khiển lực phanh BTC được thiết kế dựa trên nền tảng thuật toán PID cổ điển.

3.3. Mô phỏng và kiểm chứng thuật toán

Sau khi thiết kế, thuật toán điều khiển được mô phỏng bằng phần mềm STEPS để đánh giá hiệu suất và độ ổn định. Các bộ kiểm tra (test cases) được tạo ra để mô phỏng các điều kiện vận hành khác nhau, bao gồm tăng tốc trên đường trơn, vào cua gấp và phanh khẩn cấp. Kết quả mô phỏng được phân tích để xác định các điểm yếu và cải thiện thuật toán. Theo kết quả mô phỏng, thuật toán được cải thiện rút ngắn thời gian hoạt động của hệ thống TCS.

IV. Phương pháp Nghiên cứu và Thiết kế Bộ Điều khiển ESP

Tương tự như TCS, việc thiết kế bộ điều khiển cho ESP cũng đòi hỏi sự kết hợp giữa phân tích lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Mô hình toán học của hệ thống được xây dựng dựa trên các nguyên lý động lực học xe ô tô, điều khiển học và ước tính trạng thái xe (VSE). Các thuật toán điều khiển được thiết kế và mô phỏng, sau đó kiểm chứng bằng thực nghiệm.

4.1. Phân tích bộ điều khiển động lực học VDC

Việc phân tích bộ điều khiển động lực học VDC là yếu tố quan trọng trong thiết kế ESP. VDC sử dụng thông tin từ các cảm biến tốc độ quay (Yaw Rate Sensor) và cảm biến gia tốc để xác định trạng thái của xe và can thiệp khi cần thiết. Luận văn này tập trung vào phân tích các chế độ vận hành khác nhau của VDC và cách nó điều chỉnh lực phanh trên từng bánh xe để duy trì sự ổn định.

4.2. Ước tính hệ số ma sát và tốc độ quay Ackermann

Việc ước tính hệ số ma sát và tốc độ quay Ackermann là rất quan trọng cho ESP. Hệ số ma sát ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng bám đường của xe, trong khi tốc độ quay Ackermann là tốc độ quay lý tưởng của xe khi vào cua. Bộ điều khiển ESP sử dụng các thông tin này để xác định mức độ can thiệp cần thiết và điều chỉnh lực phanh một cách phù hợp. Lý thuyết về tốc độ quay Ackermann được áp dụng để thiết kế thuật toán điều khiển.

4.3. Thiết kế thuật toán điều khiển dMzControl

Luận văn này nghiên cứu việc thiết kế thuật toán điều khiển dMzControl. Sơ đồ thuật toán được cập nhật để hiệu quả hơn. Đảm bảo tính ổn định của xe. Thuật toán điều khiển này có nhiệm vụ tạo ra mô-men xoắn để chống lại các hiện tượng thừa lái và thiếu lái, giúp xe duy trì quỹ đạo mong muốn của người lái. Việc cải tiến thuật toán điều khiển dMzControl giúp nâng cao hiệu quả của ESP trong các tình huống khẩn cấp.

V. Kết quả Mô phỏng và Đánh giá Hiệu quả của TCS ESP

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng các bộ điều khiển TCS và ESP được thiết kế trong luận văn này có hiệu quả trong việc cải thiện khả năng kiểm soát xe và ngăn ngừa tai nạn. TCS giúp giảm thiểu tình trạng quay trơn khi tăng tốc, trong khi ESP giúp duy trì sự ổn định trong các tình huống khẩn cấp. So với các hệ thống hiện có, các bộ điều khiển được đề xuất trong luận văn này có thời gian phản hồi nhanh hơn và hiệu suất cao hơn.

5.1. So sánh thời lượng hoạt động của BTC qua các bộ kiểm tra

Thời lượng hoạt động của BTC (Brake Torque Control) được so sánh qua các bộ kiểm tra khác nhau để đánh giá hiệu quả của thuật toán điều khiển. Kết quả cho thấy rằng BTC hoạt động hiệu quả trong việc ngăn ngừa tình trạng quay trơn và duy trì độ bám đường, đặc biệt trong các điều kiện đường trơn trượt. Thời gian hoạt động của BTC giảm đáng kể so với các hệ thống TCS khác.

5.2. So sánh thời lượng hoạt động của VDC qua các bộ kiểm tra

Tương tự, thời lượng hoạt động của VDC (Vehicle Dynamics Controller) cũng được so sánh qua các bộ kiểm tra khác nhau. Kết quả cho thấy rằng VDC hoạt động hiệu quả trong việc duy trì sự ổn định của xe trong các tình huống khẩn cấp, như vào cua gấp hoặc tránh chướng ngại vật. Thời gian hoạt động của VDC cũng giảm so với các hệ thống ESP khác.

5.3. Đánh giá cải thiện hiệu suất bộ điều khiển

Thông qua các kết quả mô phỏng, tác giả nhận thấy hiệu suất của các bộ điều khiển đã được cải thiện đáng kể. Cụ thể thời gian hoạt động của chúng được rút ngắn với tỷ lệ trung bình là 35.72% cho hệ thống kiểm soát lực kéo TCS và 10.47% cho hệ thống cân bằng điện tử ESP. Luận văn hy vọng các kết quả đạt được sẽ góp phần cải thiện và nâng cao tính an toàn của xe ô tô.

VI. Kết luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Bộ Điều khiển TCS ESP

Luận văn này đã trình bày một phương pháp tiếp cận để thiết kế bộ điều khiển hiệu quả cho TCS và ESP. Các bộ điều khiển được thiết kế trong luận văn này có hiệu quả trong việc cải thiện khả năng kiểm soát xe và ngăn ngừa tai nạn. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển tiềm năng cho nghiên cứu này, bao gồm việc tích hợp các thuật toán điều khiển thích nghi (Adaptive Control) và mạng nơ-ron để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

6.1. Ứng dụng Điều khiển thích nghi và Mạng nơ ron

Việc tích hợp các thuật toán điều khiển thích nghi (Adaptive Control) và mạng nơ-ron có thể giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của TCS và ESP. Điều khiển thích nghi cho phép hệ thống tự động điều chỉnh các tham số điều khiển để phù hợp với các điều kiện vận hành khác nhau. Mạng nơ-ron có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình chính xác hơn về động lực học xe ô tô và dự đoán các tình huống nguy hiểm.

6.2. Nghiên cứu Hệ thống hỗ trợ lái xe nâng cao ADAS

Trong tương lai, việc tích hợp TCS và ESP vào Hệ thống hỗ trợ lái xe nâng cao (ADAS) là một hướng phát triển đầy hứa hẹn. ADAS sử dụng các cảm biến và thuật toán phức tạp để hỗ trợ người lái trong các tình huống khác nhau, như giữ làn đường, kiểm soát hành trình thích ứng và phanh tự động khẩn cấp. Việc kết hợp TCS và ESP với ADAS có thể giúp nâng cao hơn nữa tính an toàn và tiện nghi của xe ô tô.

6.3. Phát triển Bộ Điều khiển ESP cho Xe tự lái

Ngoài ra, sự phát triển của xe tự lái đòi hỏi các hệ thống ESP tiên tiến hơn để đảm bảo an toàn trong các tình huống lái xe tự động. Bộ Điều khiển ESP cho Xe tự lái cần phải có khả năng dự đoán và ứng phó với các tình huống nguy hiểm một cách nhanh chóng và chính xác, thậm chí còn hơn cả khả năng của người lái xe. Nghiên cứu và phát triển các thuật toán điều khiển mạnh mẽ và đáng tin cậy là rất quan trọng để hiện thực hóa xe tự lái an toàn.

Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống kiểm soát lực kéo và hệ thống cân bằng điện tử cho xe ô tô