Chương 1. Tổng quan , , , , Hình 1.5: Các lực tác dụng lên xe theo phương dọc tốc trọng trường, θ ký hiệu cho góc chỉ độ dốc mặt đường. Hệ thống các lực tác dụng lên xe ô tô theo phương dọc trục được trình bày trên hình 1. • Điều khiển lực kéo (Traction Control System - TCS) dành cho điều khiển theo cả hai hướng dọc và ngang trục của xe.
Tuy nhiên các nghiên cứu về điều khiển theo hướng dọc được tập trung nghiên cứu nhiều hơn [24,25]. Theo định nghĩa, điều khiển lực kéo là phương pháp điều khiển nhằm làm giảm hiện tượng trượt lốp xe trên mặt đường trơn trong quá trình tăng tốc bằng cách giới hạn lực chủ động trên các bánh xe. Vấn đề trượt bánh xe trên đường là hiện tượng thường thấy trong quá trình vận hành xe ô tô. Hiện tượng này được thể hiện bằng hệ số trượt, được tính theo sai lệch giữa tốc độ xe với tốc độ bánh xe.
Thông thường, nếu hệ số trượt được giữ trong một dải giá trị nhất định, xe sẽ được vận hành ổn định, an toàn. Khi hệ số trượt tăng lên, bánh xe trượt mạnh trên mặt đường. Điều này dẫn tới khả năng bám đường của xe không còn, gây ra hiện tượng mất điều khiển của người lái và hệ quả là có thể xảy ra tai nạn. Nếu lực chủ động trên các bánh xe được điều khiển tốt, hiệu năng của quá trình lái thẳng cũng như chuyển hướng được cải thiện rõ rệt [26], tăng độ tin cậy và an toàn cho người lái.
Để làm được điều này, các nghiên cứu tập trung vào việc ước lượng thông tin mặt đường, hệ số trượt để từ đó điều khiển dựa trên mô hình [27], điều khiển phân phối lực chủ động [28], điều khiển dựa trên ước lượng mô men truyền cực đại [29], điều khiển bền vững độ trượt [30],. Đồng thời, do tính phi tuyến mạnh của đối tượng nghiên cứu (độ trượt, lực dọc, mô hình xe) nên các phương pháp điều khiển sử dụng hiện nay được tập trung vào lý thuyết điều khiển phi tuyến với các phương pháp nâng cao như điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, sliding mode. • Điều khiển phanh - Hệ thống chống bó cứng phanh ABS. Khác với điều khiển lực kéo đảm nhiệm quá trình tăng tốc, hệ thống phanh đóng vai trò chủ đạo trong quá trình hãm dừng xe.
Hệ thống phanh ABS không những đảm bảo bánh xe không bị khóa cứng trong lúc phanh mà còn tối đa hóa lực phanh trên lốp bằng cách giới hạn hệ số trượt không được vượt quá giá trị tối ưu [23]. Do đó, xe vẫn còn có khả năng bám đường và người lái vẫn có thể làm chủ được xe tránh vật cản trong quá trình phanh gấp. Không những thế, quãng đường phanh với ABS đã được xác nhận là ngắn hơn so với hệ thống phanh thông thường trên mặt đường khô và và một số mặt đường trơn. Trên các mặt đường băng tuyết, ABS có thể cho quãng đường phanh dài hơn nhưng hệ thống này vẫn đảm bảo độ ổn định cần thiết của xe ô tô.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của ABS là đóng và cắt áp suất phanh trên bánh xe nếu xuất hiện nguy cơ khóa bánh. Một vấn đề cơ bản của hệ thống ABS là độ trượt bánh xe không thể đo được bằng các cảm biến giá rẻ trên các xe ô tô cá nhân. Thường thì hệ thống chỉ có thể đo được tốc 9 Chương 1. Tổng quan độ 4 bánh xe và sử dụng các thông tin này để dự đoán việc bánh xe bị khóa khi phanh hoặc đã được phục hồi trạng thái chuyển động bình thường.
Mặc dù hiện nay, ABS đã là một trang bị không thể thiếu trên các xe xuất xưởng nhưng số lượng nghiên cứu về hệ thống này vẫn khá nhiều, đặc biệt là các nghiên cứu phục vụ cho cấu hình xe ô tô điện 4 động cơ gắn bánh hoặc ABS không dùng cảm biến tốc độ cùng các thuật toán điều khiển tối ưu [31–33]. • Điều khiển hành trình và điều khiển hành trình thích nghi. Trong một hệ thống điều khiển hành trình tiêu chuẩn, tốc độ dài của xe ô tô được điều khiển một cách tự động theo một giá trị đặt trước thông qua việc điều khiển độ mở bướm ga (đối với xe xăng) hoặc tín hiệu đặt tốc độ động cơ điện (đối với ô tô điện). Tốc độ mong muốn được đặt bởi người lái thông qua bảng điện tử của xe hoặc đưa xe lên tốc độ mong muốn rồi xác nhận với hệ thống điều khiển.
Lúc này, người lái có thể rời chân ga và xe sẽ được vận hành ổn định ở tốc độ này trong các điều kiện mặt đường khác nhau. Điều khiển hành trình thích nghi ACC là trường hợp mở rộng của hệ thống điều khiển hành trình tiêu chuẩn. Trong đó, xe ô tô được trang bị thêm một số cảm biến để xác định khoảng cách với xe đi trước trên cao tốc, điển hình là cảm biến radar, laser. Như vậy, với hệ thống ACC được kích hoạt, khi lưu thông trên cao tốc, xe sẽ đi với vận tốc không đổi (điều khiển tốc độ) theo giá trị đặt nếu không có xe đi phía trước.
Trong trường hợp hệ thống cảm biến phát hiện có xe phía trước, hệ thống điều khiển ACC sẽ giữ khoảng cách giữa 2 xe là không đổi (điều khiển khoảng cách). Khoảng cách này do tốc độ hành trình quyết định (khoảng cách tỉ lệ thuận với tốc độ). Về vấn đề nghiên cứu, điều khiển hành trình hiện nay được tập trung nghiên cứu cho xe ô tô điện để tận dụng các ưu thế của ô tô điện như điều khiển trực tiếp mô men, hãm tái sinh, tối ưu hiệu quả sử dụng năng lượng.3 Điều khiển chuyển động theo phương thẳng đứng Cũng như điều khiển dọc và ngang của xe, điều khiển theo phương thẳng đứng hiện cũng là một chủ đề rất hấp dẫn. Nhìn chung, các nghiên cứu tập trung vào 3 lĩnh vực gồm [7]: (1) Điều khiển hệ thống treo (Vehicle Suspension Control), (2) Điều khiển tránh lật xe (Vehicle Rollover Avoidance), (3) Ước lượng độ dốc và nghiêng mặt đường (Road Slope and Road Bank Estimation).
Trong các hướng nghiên cứu trên, điều khiển hệ thống treo chiếm được sự quan tâm cao nhất trong cả nghiên cứu hàn lâm lẫn trong công nghiệp ô tô thế giới bởi nhu cầu ngày càng cao về tiện nghi và cảm giác lái. Điều khiển chuyển động của hệ thống treo tránh cho bánh xe bị nảy lên quá cao gây mất bám đường và giảm khả năng kiểm soát hệ thống lái. Phân phối lực để đảm bảo rằng tiếp xúc bánh xe - mặt đường luôn đạt giá trị tối ưu ở cả 4 bánh. Để thực hiện được các đặc tính trên, hệ thống treo được phát triển theo 3 dạng gồm: hệ thống treo bị động (Passive Suspension), hệ thống treo chủ động (Active Suspension) và hệ thống treo bán chủ động (Semi-active Suspension) [7, 23].
Hệ thống treo bị động là trang bị thường thấy trên các xe ô tô thương mại, chúng chỉ đơn giản gồm hệ thống giảm xóc với lò xo (spring) và bộ giảm chấn (damper). Với hệ thống bị động kiểu này, chuyển động theo 10 Chương 1. Tổng quan phương thẳng đứng của xe hoàn toàn phụ thuộc vào các điều kiện mặt đường. Ngược lại, hệ thống treo chủ động sử dụng một cơ cấu chấp hành để nâng hoặc hạ toàn bộ khung gầm xe ở các bánh một cách độc lập tùy thuộc vào mặt đường thời điểm đó.
Còn lại, hệ thống bán chủ động chỉ thay đổi độ cứng của bộ giảm chấn để phù hợp với mặt đường và các điều kiện động học của xe. Trong khi đó, điều khiển chống lật xe sử dụng kỹ thuật điều khiển hệ thống lái cũng được quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm trở lại. Lật xe mặc dù chỉ chiếm 3% trên tổng số vụ tai nạn nghiêm trọng nhưng tỉ lệ tử vong lại lên tới 30% đối với các xe ô tô cá nhân [38]. Trong các trường hợp nguy hiểm, điều khiển chống lật còn được đánh giá ở mức ưu tiên cao hơn cả điều khiển bám làn đường (Lane Keeping Control).
Theo [39], điều khiển chống lật nhắm tới 2 mục tiêu. Thứ nhất là nâng cao khả năng chống rung trong mô hình động lực học lắc ngang (roll dynamics) bằng hệ thống lái chủ động, từ đó làm giảm nguy cơ bị lật xe trong quá trình chuyển hướng. Nhiệm vụ thứ hai là nâng cao mức độ an toàn trong các tình huống nguy hiểm khi xe đã nằm gần trong ngưỡng lật. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, hệ thống lái chủ động cho phép tác động hiệu quả và ngay lập tức tới động học ngang, động học xoay quanh trục và động học lắc ngang của xe ô tô.
Do phản ứng của người lái chậm hơn nhiều so với sự tác động nhanh và chính xác của hệ thống lái chủ động nên nếu được trang bị chức năng này, mức độ an toàn của xe và người được nâng lên đáng kể. Hơn nữa, do mức tiêu thụ năng lượng rất thấp nên hệ thống lái chủ động được sử dụng không chỉ trong các trường hợp nguy hiểm mà còn trong cả hoạt động bình thường để nâng cao mức độ thoải mái và cảm giác lái. Bên cạnh điều khiển chống lật bằng hệ thống lái chủ động [40], điều khiển hệ thống phanh cũng là một hướng đi khác có hiệu quả không kém [41]. Ảnh hưởng tới động học theo phương thẳng đứng của xe ô tô, ngoài các yếu tố thuộc về trạng thái nội tại của xe ô tô, các yếu tố bên ngoài xe cũng tác động mạnh tới động học của xe bao gồm độ dốc (slope) và độ nghiêng (bank) mặt đường.
Các yếu tố này ảnh hưởng tới độ an toàn trong các điều kiện vân hành bình thường của xe và cần được ước lượng để tham gia quá trình điều khiển. Các nghiên cứu về chủ đề này cũng đa dạng, thể hiện ở việc ước lượng các thông số bằng nhiều công cụ khác nhau như lọc Kalman và các biến thể, ước lượng dùng RLS, sử dụng mô hình động học hoặc chỉ sử dụng mô hình cảm biến trang bị trên xe ô tô [42–45] 1.2 Các trạng thái cơ bản của xe ô tô Số lượng các trạng thái của xe ô tô là rất nhiều bao gồm cả trạng thái động học và trạng thái liên quan tới động lực học. Các trạng thái đều đóng vai trò nhất định trong quá trình điều khiển xe ô tô điện. Tuy nhiên, chỉ những trạng thái quan trọng và thường gặp trong lĩnh vực điều khiển chuyển động được đề cập trong phần này.6 mô tả các thông tin theo chiều đứng (hình 1.6(a) - ứng với các trạng thái theo chiều dọc và ngang) và theo chiều ngang (hình 1.