Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát hệ số trượt và ước lượng tốc độ tuyệt đối cho điều khiến lực kéo của ô tô điện459

M i tr ng thái cố ỗ ạ ủa xe ô tô đề đóng góp vai trò u quan tr ng vào h ọ ệ thống điều khiển, làm tăng cường chất lượng điều khiển và đặc bi t góp phệ ần đảm bảo an toàn cho người lái và

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại h c Bách khoa Hà N i ọ ộ

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS T Cao Minh ạ

Phản bi n 1: GS TS Lê Hùng Lân ệ

Phản bi n 2: PGS TS H H u H i ệ ồ ữ ả

Phản bi n 3: PGS TS Nguy n Thanh Tiên ệ ễ

Luận án được b o v ả ệ trước Hội đồng đánh giá ậ lu n án tiến sĩ ấc p Trường h p tại Trường Đạ ọọ i h c Bách khoa Hà N i ộ

Vào h i 8 ồ giờ , ngày 30 26 tháng 8 năm 2019

Có th tìm hi u luể ể ận án tại thư viện:

1 Thư viện T Quang Bạ ửu Trường ĐHBK- Hà N iộ

2 Thư viện Qu c gia ố Việt Nam

1

M Ở ĐẦU

Tính c p thi và nhi m v nghiên cấ ết ệ ụ ứu ủa đềc tài

Ước lượng tr ng thái là nhi m v ạ ệ ụ cơ bản của điều khi n chuy n ể ểđộng và động lực h c xe ô tô Trên xe ô tô có r t nhi u tr ng thái, ví ọ ấ ề ạ

d ụ như: góc trượt thân xe, v n t c dài, h s ậ ố ệ ố trượ , góc lăn xe, khối tlượng, độ ứ c ng l p M i tr ng thái cố ỗ ạ ủa xe ô tô đề đóng góp vai trò u quan tr ng vào h ọ ệ thống điều khiển, làm tăng cường chất lượng điều khiển và đặc bi t góp phệ ần đảm bảo an toàn cho người lái và hành khách trên xe trong những điều ki n vệ ận hành và đặc điểm môi trường khác nhau Nếu không xác định được các trạng thái thì việc điều khiển

xe hoàn toàn ph thu c kinh nghi m và th ng cụ ộ ệ ể trạ ủa người lái, tiềm

ẩ ấn r t nhi u rủi ro trong quá trình tham gia giao thông như hiện tượng ềmất lái khi đi đường trơn, thừa/thi u lái khi r hoế ẽ ặc khi phanh để tránh

v t c n xuậ ả ất hiện đột ng t N u có th ộ ế ể biết được các tr ng thái c a xe, ạ ủ

h ệ thống điều khi n có th can thiể ể ệp tín hiêu vào các cơ cấu ch p hành ấ

để ỗ ợ người lái, giúp đưa xe ô tô về ề h tr đi u ki n v n hành an toàn và ệ ậtuân theo yêu cầu điều khi n cể ủa người lái Vì v y, viậ ệc ước lượng trạng thái c a xe ô tô là c c k c n thi t ủ ự ỳ ầ ế

Việc ước lượng trạng thái cho xe ô tô điện đang là một ch ủ đềnghiên c u h p d n c lý thuy t hàn lâm l n tri n khai th c t b i ô ứ ấ ẫ ở ả ế ẫ ể ự ế ở

tô điện là xu th chung c a c ế ủ ả thế gi i Các kớ ết qu nghiên cả ứu về ước lượng tr ng thái cạ ủa ô tô điện thường đượ ức ng dụng vào điều khi n ểchuyển động và điều khi n t ể ự lái Xét trên đặc thù giao thông t i Viạ ệt Nam, tác gi l a chả ự ọn đề tài có tên g i: "Nghiên c u thi t k b quan ọ ứ ế ế ộsát h s ệ ố trượt và ước lượng tốc độ tuyệt đối cho điều khi n l c kéo ể ự

của ô tô điện"

Luận án t p trung nghiên c u v ậ ứ ề các lĩnh vực sau của xe ô tô điện

- Nghiên c u thi t k các b ứ ế ế ộ quan sát và ước lượng tr ng thái ạ

của xe ô tô điện C ụ thể, lu n án t p trung gi i quy t vậ ậ ả ế ấn đềước lượng h s ệ ố trượ ủt c a xe ô tô, m t trong nh ng tr ng thái ộ ữ ạtiên quyết đảm b o v n hành an toàn và tin c y cả ậ ậ ủa xe cũng như người lái và hành khách

- Điều khi n chuyể ển động xe ô tô điện b ng cách thi t k các ằ ế ế

b ộ điều khi n chể ống trượt và điều khi n l c kéo Các thuể ự ật

- Chương 2 thực ện mô hình hóa đối tượhi ng và xây d ng mô ựhình mô phỏng trên máy tính cũng như mô hình mô phỏng thời gian th c HIL cự ủa xe ô tô điện

- Chương 3 đề xu t các thuấ ật toán ước lượng và quan sát h s ệ ốtrượ cũng như vậ ốc dài xe ô tô điệt n t n

- Chương 4 đề xu t các thuấ ật toán điều khi n chuyể ển động ng ứ

d ng k t qu nghiên cụ ế ả ứu h s ệ ố trượt

- Chương 5 tập trung vào vi c xây d ng ph n c ng ph c v việ ự ầ ứ ụ ụ ệc tri n khai các thuể ật toán ước lượng như đã đề ậ c p trong các chương trước Tiếp đó là các k t qu th nghi m trên c n n ế ả ử ệ ả ề

t ng ph n cả ầ ứng đã xây dựng và các k t qu ế ả thử nghi m trên ệ

h ệ thống HIL đã xây dựng trong chương 2

- Cuối cùng, m t s k t luộ ố ế ận và hướng nghiên c u ti p theo ứ ếđược trình bày trong ph n ầ cuối, ph n K t lu n ầ ế ậ

3

CHƯƠNG 1

GIỚI THI U CHUNG Ệ

1.1 Đối tượng và n i dung nghiên c u ộ ứ

Khi vấn đề ề ử ụng năng lượ v s d ng hóa th ch cùng các ạ ảnh hưởng

c a biủ ến đổi khí hậu đang diễn ra trên toàn c u thì xe ô tô ầ chạy bằng năng lượng thu n ầ điệ (gọ ắt là ô tô điện i t n) tr thành mộở t gi i pháp tất ả

y u cho mế ột môi trường xanh và s ch ạ Ô tô điện trong luận án được

gi i h n là loớ ạ ại phương tiện giao thông ch ở người, dưới 9 ch , có b n ỗ ốbánh xe g n vắ ới một thân độ ập, được l c truyền động bởi động cơ điện

• Đối v i nghiên c u v ớ ứ ề ước lượng, h s ệ ố trượt được l a ch n làm ự ọđối tượng nghiên cứu Căn cứ theo phương trình tính ệ ố trượh s t, luận án s ẽ ước lượn hg s trư t ệ ố ợ theo hai hướng:

- Ước lượng tr c tiự ếp thông qua mô hình, c ụ thể là mô hình

động h c cọ ủa đối tượng để đả m bảo tính độ ậc l p v i s thay ớ ự

đổ ủi c a các tham s ng l c h c c a xe ô tô ố độ ự ọ ủ

- Ước lượng v n t c dài cậ ố ủa xe ô tô để t ừ đó, kế ợt h p v i thông ớtin v tề ốc độ bánh xe, tính toán h s ệ ố trượt Việc ước lượng được v n tậ ốc dài cũng có thể được s d ng m r ng cho nhiử ụ ở ộ ều mục đích nghiên cứu trong tương lai

• Đố ới v i việc ứng d ng, h ụ ệ thống điều khi n lể ực kéo TCS ô tô điện được l a ch n làm m c tiêu ự ọ ụ ứng d ng c a k t qu ụ ủ ế ả ước lượng Điều này là hoàn toàn h p lý b h s ợ ởi ệ ố trượ đượt c s d ng nhi u nhử ụ ề ất cho mục đích điều khi n l c kéo ho c cái bài toán chể ự ặ ống trượt bánh cho xe ô tô điện

1.2 Các yêu c u c a nghiên c u ầ ủ ứ

T ừ các đề xuất v nề ội dung nghiên c u, các yêu cứ ầu tương ứng đối với các mục tiêu cũng được đề ngh ị như sau:

4

• Yêu cầu đố ới v i thuật toán và k t qu ế ả ước lượng:

- Yêu c u v chính xácầ ề độ : đề xuất độ chính xác c a k t qu ủ ế ả

ph i trên 95% t c là sai s ả ứ ố phép ước lượng phải nh ỏ hơn 5%

- Yêu c u v b n vầ ề độ ề ững (robust) của phép ước lượng

- Yêu c u v tầ ề ốc độ ước lượng: đề xu các b ất ộ ước lượng/quan sát ph hoải ạt động tở ốc độ ố t i thi u là 200Hz ể

- Yêu c u v tính kh thi Các thuầ ề ả ật toán ước lượng phải đảm

bảo đơn giản để có th tri n khai th i gian th c trên các nể ể ờ ự ền

t ng x lý s ả ử ố

• Yêu cầu đố ớ ộ điềi v i b u khi n l c kéo ể ự

• Yêu c u v tính ầ ề ổn định: tính ổn định c a b ủ ộ điều khi n c n phể ầ ải được kh o sát và ch ng minh ả ứ

• Yêu c u v tính kh thi thuầ ề ả : ật toán điều khi n cể ần đủ đơn giản đểtri n khai th i gian th c trên các b ể ờ ự ộ điều khi n s ể ố như vi điều khi n, DSP ể

1.3 Phương hướng th c hi n nhi m v nghiên c u ự ệ ệ ụ ứ

Hình 1.18 mô t các n i dung c ả ộ ụ thể cũng như phương hướng thực

hi n nghiên c u ệ ứ

Đố ới v i nhi m v ệ ụ ước lượng h s ệ ố trượt, lu n án ti n hành theo ậ ếhai hướng Th nh t, luứ ấ ận án đề xu t b ấ ộ ước lượng và quan sát h s ệ ốtrượ ựa trên mô hình đột d ng h c cọ ủa chính đối tượng ước lượng Th ứhai, xác định h s ệ ố trượt đư c th c hi n thông qua viợ ự ệ ệc ước lượng v n ậtốc dài xe ô tô điện Các k t qu ế ả ước lượng được ki m ch ng b ng mô ể ứ ằ

ph ng o -line trên máy tính, mô ph ng th c nghi m trên mô hình ỏ ff ỏ ự ệHardware- -the-loop (HIL) và b ng th c nghiin ằ ự ệm trên xe ô tô điện i-MiEV do Mitsubishi s n xu ả ất

Trên cơ sở h s ệ ố trượt đã ước lượng, luận án đề xu t các thu t toán ấ ậđiều khi n chể ống trượt và điều khi n lực kéo xe ô tô điệể n Chất lượng

c a các b ủ ộ điều khiển được ki m ch ng b ng mô ph ng off-line và mô ể ứ ằ ỏ

ph ng th c nghi m HIL trên n n tỏ ự ệ ề ảng card điều khi n dSPACE DS-ể

1103

M t chi c xe ô tô chuyộ ế ển động trên đường có th ể được xem như

m t mô hình thân c ng v i 6 b c t do trong không gian 3 chi u ộ ứ ớ ậ ự ềChúng gồm có 3 phương chuyển động t nh ti n d c tr c (longitudinal), ị ế ọ ụngang trục (lateral), lên xuống (heave) cùng 3 phương chuyển động quay quanh 3 trục này (yaw, roll, pitch) Tuy nhiên, để gi m khả ối lượng tính toán cũng như độ ph c t p c a mô hình trong quá trình thiứ ạ ủ ết

k , các gi thiế ả ết sau được đưa ra: (1) xe ô tô chỉ chạy trên đường b ng ằ

l c tác dự ụng cũng như của các hướng chuyển động được tham chiếu theo h c tệ trụ ọa độ ắ g n vào tr ng tâm c a xe ọ ủ

Hình 2.2 Mô hình xe ô tô ba b c t do và các l c tác d ậ ự ự ụng

2.2 Mô hình động học và động l c h c c a xe ô tô ự ọ ủ

2.2.1 Mô hình động học xe ô tô

(2.3a) (2.3b)

v i, ớ và tương ứng là gia t c d c tr c và ngang tr c c a xe, là ố ọ ụ ụ ủ

tốc độ quay quanh thân xe (yaw rate), và lần lượt là v n t c dậ ố ọc

và ngang tr c c a xe ô tô ụ ủ

2.2.2 Mô hình động l c h c xe ô tô ự ọ

1 Mô hình các l c tác d ng lên xe ự ụ

(2.4a)

c a xe, là mủ ật độ không khí, và chi u r ng trề ộ ục trước và sau

c a xe, ủ và là kho ng cách t ả ừ trục trước và sau xe đến tâm kh i, ố

là góc lái c a bánh xe, ủ là khối lượng xe ô tô

và ph thu c vào ph n lụ ộ ả ực c a mủ ặt đường lên điểm ti p xúc bánh ế

xe, và lần lượt là h s ệ ố trượ và góc trượt t ngang c a bánh th ủ ứPhả ựn l c là m t hàm s ph thuộ ố ụ ộc vào kích thước hình h c c a xe ọ ủ

và đặc bi t là gia tốc c a xe ệ ủ

3 H s ệ ố trượ và góc trượt ngang t

- H s ệ ố trượ ủa bánh xe được xác định theo công th c sau: t c ứ

(2.12)

8

Với là bán kính bánh xe, là tốc độ quay của bánh xe th ứ

- Góc trượt ngang của các bánh xe được tính theo:

(2.15a)

(2.15b)

(2.15c)

(2.15d)

2.3 Mô hình h truyệ ền động xe ô tô điện

H ệ thống truyền động (Drivetrain System) bao g m toàn b các thành ồ ộ

ph n truy n l c, tính t ầ ề ự ừ động cơ cho tới tr c bánh ch ng c a xe ô ụ ủ độ ủ

tô Xe ô tô điện có cấu trúc đơn giản gồm (các) động cơ điện, h p giộ ảm

t c, tr c và bánh xe Hình 2.13 mô t cố ụ ả ấu hình điển hình c a h th ng ủ ệ ốtruyền động cho xe ô tô điện

Hình 2.13 C u hình h ấ ệ thố ng truy ền động xe ô tô điệ n

(2.18)

Với là t ng l c d c trổ ự ọ ục trên các bánh xe đã quy đổi

v ề trục c a b truyủ ộ ền Động cơ truyền động được mô hình đơn giản

b ng m t khâu tr b c nh t v i h s khuằ ộ ễ ậ ấ ớ ệ ố ếch đại và h ng s ằ ố thời gian

2.4 Mô hình HIL của xe ô tô điện

V i h ớ ệ thống các mô hình và phương trình đã đề ậ c p, h ệ thống HIL được xây d ng v i cự ớ ấu hình được mô t trên Hình 2.12 Mô hình ảHIL được biên d ch và ch y th i gian thị ạ ờ ực trên card điều khi n ểdSPACE DS-1103 như thể ệ hi n trên Hình 2.16

Hình 2.12 Cấ u hình h ệ HIL xe ô tô điệ n

xe ô tô điện 2.5 K t qu ế ả kiểm ch ng mô hình ứ

Mô hình HIL được ki m ch ng thông qua hai th nghi m mang ể ứ ử ệtính đại di n gệ ồm đi thẳng và đánh lái theo chu k Các k t qu ỳ ế ả được trình bày trên các Hình 2.17 và 2.18

chậm trên cơ sở sửa đổi b ộ

Multirate Kalman Filter (M-MKF)

B M-MKF hoộ ạt động thông

qua vi c c p nh t lệ ậ ậ ại phương sai

của phép đo sau m i chu k trích ỗ ỳ

mẫu “giả” theo biểu th c sau: ứ

(3.13) Trong đó, là h s cệ ố ập nhật và được đề xu t ấ trên cơ sở Hình 3.4 như sau:

Hình 3.4 Các tín hi u và ệ phương sai động

11

(3.11)

Với là chu k trích m u th c c a c m bi n (khác vỳ ẫ ự ủ ả ế ới là chu k ỳtrích mẫu điều khi n, yêu cể ầu nhanh hơn l n so vầ ới )

Để đánh giá chất lượng c a b M-MKF, hai d ng tín hi u tiêu biủ ộ ạ ệ ểu

là hình sin và hình tam giác được th nghi m mô ph ng Các k t qu ử ệ ỏ ế ả

mô ph ng ki m chỏ ể ứng được trình bày trên các Hình 3.7 và 3.8 Trong

đó, tín hiệu gốc được so sánh v i các tín hi u trích m u ch m (có kèm ớ ệ ẫ ậnhi u) và tín hi u sau b M-MKF Ngoài ra, b M-ễ ệ ộ ộ MKF còn dược so sánh v i b Multirate Kalman Filter tiêu chuớ ộ ẩn đề thấ đượy c s cự ải tiến K t qu đư c trình bày k ế ả ợ ỹ hơn trong luận án chi ti ết

a) Tín hi u g c và tín hi ệ ố ệu đo a) Tín hi u g c và tín hi ệ ố ệu đo

c) Tín hi u g c và b M-MKF ệ ố ộ

Hình 3.7 Th nghi m tín hi u sin ử ệ ệ

c) Tín hi u g c và b M-MKF ệ ố ộ Hình 3.8 Tín hi ệu tam giác 3.2 Ước lượng h s trượ xe ô tô điệệ ố t n

H s ệ ố trượt trong quá trình tăng tốc của xe ô tô điện được tính theo công th c sau: ứ

(3.21)

Lấy đạo hàm và sau m t s phép biộ ố ến đổi, b ộ ước lượng h s ệ ốtrượ được đềt xuất như sau:

Hình 3.12 Kế t qu mô ph ả ỏng ước lượng ệ ố trượ h s t

3.3 Ước lượng tốc độdài trên cơ sở ổ t ng h p cợ ảm bi n ế

Tốc độ dài c a xe ô tô trong nghiên củ ứu được ước lượng b ng ằphương pháp tổng h p d ợ ữ liệ ừu t các c m bi n gả ế ồm: c m bi n gia t c, ả ế ố

c m bi n tả ế ốc độ quay bánh xe và GPS Vi c xây d ng thu t toán t ng ệ ự ậ ổ

hợp được bắt đầ ừu t bài toán t ng quát vổ ới các phép đo cùng một đối tượng b ng ba lo i c m bi n khác nhau và cho ra các k t qu ằ ạ ả ế ế ả đo khác nhau theo công thức:

(3.36)

13

Với là giá tr ị đo về ừ t các c m bi n, ả là nhi u c a các ế ễ ủphép đo tương ứng Có th xây dể ựng phép ước lượng c a ủ như sau:

(3.37) Với là các tr ng s c n phọ ố ầ ải xác định m t cách tộ ối ưu

Định nghĩa sai số phép ước lượng là Để có được là ước lượng tối ưu của thì c n t i thiầ ố ểu hóa trung bình bình phương của m t cách tộ ối ưu Hơn nữa, các giá tr ị cũng cần phải được xác định với độ lớn độ ậc l p v i giá tr cớ ị ủa Các điều ki n này d n t i các ệ ẫ ớphương trình sau:

từng trường h p c ợ ụ thể Quá trình v n hành xe có th ậ ể được chia làm

ba giai đoạn gồm tăng tốc, gi m tốc và đi ổn định như trình bày trong ả

b ng 1 ng vả Ứ ới các giai đoạn này mà phương sai của các c m biả ến cũng sẽ khác nhau và c n ph i ti n hành th c nghi m v i h ầ ả ế ự ệ ớ ệ thống chuẩn để xác định các giá tr này ị

14

B ảng Các giai đoạ 1 n c a v n t c ủ ậ ốTăng tốc Đi ổn định Phanh/gi m t c ả ố

Trong đó, và là các h ng sằ ố có giá tr nh tương ứị ỏ ng v i gia tốc ớ

và v ịtrí chân ga để phân biệt các giai đoạn c a v n t c ủ ậ ố và là vị trí chân ga và chân phanh

CHƯƠNG 4

ĐIỀU KHI N CHUYỂ ỂN ĐỘNG XE Ô TÔ ĐIỆN

4.1 Điều khi n gi i hể ớ ạn ệ ố trượh s t

D a trên h s ự ệ ố trượ đã t

ước lượng được, thu t toán ậ

điều khi n gi i h n h s ể ớ ạ ệ ố trượt

được đề xu t v i hoấ ớ ạt động

theo ki u bù feedforward và ể

c u hình h ấ ệ thống bù được

trình bày trong Hình 4.2 H ệ

thống điều khi n này cho phép ể

h n ch h s ạ ế ệ ố trượt dưới giá tr ị

cho phép nh m kh ng chằ ố ế độ trượ ủ t c a xe trong vùng an toàn

Hình 4.3 Lu t bù ki u 1 ậ ể

Hình 4.5 Lu t bù ki u 2 ậ ểLuật bù được mô t trên Hình 4.3 và 4.5ả Trong đó, Hình 4.3 trình bày lu t bù th nh t cho k t qu b ậ ứ ấ ế ả ị dao động t n s cao ầ ố ở lượng đặt

Hình 4.2 C u hình h ấ ệ thống điều khi ể n gi i h ớ ạ n h s ệ ố trượ t

15

mô men Lu t bù thậ ứ hai ở Hình 4.5 được biến đổi thành một khâu

rơ-le nh m gi m t n s p mằ ả ầ ố đậ ạch trong tín hiệu đặt mô men

Trong đó, chính là được đặt mô men t ừ người lái thông qua

16

Chất lượng c a b ủ ộ điều khi n kiể ểu bù được mô ph ng kiỏ ểm chứng

và được trình bày trong các Hình 4.8 và 4.9 Trước h t, có th ế ể thấy ệh

s ố trượ đã đượt c gi ữ ổn định t i giá tr ạ ị điều khi n (Hình 4.8) hay dao ể

động quanh giá tr c nh (Hình 4.9) ị ố đị

4.2 Điều khi n chể ống trượt trên cơ sở ước lượng mô men truy n ề

cực đại

Mô men truy n cề ực đại được s d ng cho vi c gi i h n mô men ử ụ ệ ớ ạ

đặ ừ phía người lái để đảt t m b o xe v n hành ả ậ ổn định trên các điều

ki n mệ ặt đường không t t Theo công trình khoa hố ọc ban đầu đã công

b , mô men truy n cố ề ực đại được tính như sau:

(4.7)

Với là t s gi a gia t c xe và gia t c bánh xe, ỉ ố ữ ố ố là l c lái c a xe ô ự ủ

tô và đượ ước lược ng theo công th c ứ