Nghiên cứu điều khiển hệ thống lái điện trên ô tô con

Công trình nghiên cứu đã tổng hợp và phân tích quá trình phát triển công nghệ trên ô tô nói chung và hệ thống lái nói riêng, các nghiên cứu trong và ngoài nước. Trên cơ sở đó đề ra định hướng nghiên cứu phù hợp. Luận án đã xây dựng được mô hình động lực học tổng quát nhằm nghiên cứu hệ thống lái điện bao gồm nhiều thành phần liên kết với nhau. Mỗi thành phần của mô hình tổng quát có thể tách riêng thành các môdul tách rời giúp việc khảo sát, điều khiển trở nên linh hoạt. Trên cơ sở mô hình xây dựng có thể tính toán, thử nghiệm các phương án điều khiển hệ thống lái điện.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRẦN VĂN LỢI

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI

ĐIỆN TRÊN Ô TÔ CON

Chuyên ngành: KỸ THUẬT Ô TÔ – MÁY KÉO

Mã số: 62 52 01 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRẦN VĂN LỢI

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI

ĐIỆN TRÊN Ô TÔ CON

Chuyên ngành: KỸ THUẬT Ô TÔ –MÁY KÉO

1

I TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT

1 Nguyễn Tuấn Anh (2010), Điều khiển tối ưu hệ thống lái tích cực trên ô tô, Tạp

chí Giao thông Vận tải,số 04, tr 42 - 44

phát không ng ngu n k p trong hệ thống tur ine gi , Tạp chí i u hi n v

T ng h a, số 0, trang 48-54.

3 Cao Trọng Hi n, o Mạnh Hùng (2010), Lý thu t ô tô, NX Giao thông vận tải

4 Trần V n Lợi (2011), Nghiên cứu ch tạo mô hình mô phỏng hệ thống lái iều

khiển qu dâ dẫn, t i NCKH cấp trường Giao thông vận tải

5 Trần V n Lợi (2013), Nghiên cứu ch tạo iều khiển tạo c m giác lái trên mô

hình lái gián ti p, t i cấp th nh phố Hồ Chí Minh

6 Nguyễn Khắc Trai (2006), Cơ sở thi t k ô tô, NX Giao thông vận tải

7 PGS.TS Nguyễn Khắc Trai (1997), Tính iều khiển v quỹ ạo chu ển ng c ô

tô, NX Giao thông vận tải

II TÀI LIỆU TIẾNG ANH

8 A Emre Cetin, M Arif Adli, Duygun Erol Barkana, Haluk Kucuk (2009),

Compliant Control of Steer by Wire Systems, Kale Altınay Roboti ve Otomasyon,

Istanbul, Turkey

9 Abolfazl Tahmasebi Inallu (2014), M ster’s Thesis in the S stems control nd

Mechatronics Department of Signals and Systems Division of Automatic control,

Automation and Mechatronics Mechatronics group Chalmers University Of Technology, Göteborg, Sweden

10 Agoston L˝orincz (2004), Model reference control of a Steer–By–Wire system,

Department of Control Engineering and Information Technology, Budapest University of Technology and Economics

2

and Practical Issues, Volume I, University of Technology Dept, Krakow Poland

12 Bryan Reimer, Bruce Mehler & Joseph F Coughlin (2010), An Evaluation of

Driver Reactions to New Vehicle Parking Assist Technologies Developed to Reduce Driver Stress, New England University Transportation Center Massachusetts Institute of

Technology

13 Ba-Hai Nguyen, Jee-Hwan Ryu, Semi-Experimental Results on a Measured

Current Based Method for Reproducing Realistic Steering Feel of Steer-By-Wire Systems, School of Mechanical Engineering, Korea University of Technology and

Education, Cheonan, Korea

14 C Stiller and J Ziegler (2012), Perception And Planning For Self-Driving And

Cooperative Automobiles, In 9th IEEE International Multi-Conference onSystems,

Signals and Devices (SSD), pp 1–7

15 Chuck H Perala (2003), Effects Of Display Type And Steering Force Feedback

On Performance In A Medium-Fidelity Driving Simulator, Thesis submitted to the

faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of science in Industrial and Systems Engineering, Blacksburg, Virginia

16 Carl-Johan Sjöstedt (2009), Modeling and Simulation of Physical Systems in a

Mechatronic Context, Doctoral Thesis Stockholm, Sweden

17 Di Martino Raffaele, G L Gissinger, G Rizzo (2005), Modelling and Simulation

of the Dynamic Behaviour of the Automobile, the Faculty of Engineering, University of

Salerno

18 Deling Chen, Chengling Yin, Jianwu Zhang (2008), Controller Design Of A New

Active Front Steering System, Institute of Automotive Engineering, School of Mechanical

Engineering Shanghai Jiao Tong University, China ISSN: 1109-2777 Issue 1

19 Daniel Frede, Mohammad Khodabakhshian, Daniel Malmquis (2010), A

State-Of-The-Art Survey On Vehicular, Mechatronics Focusing On By-Wire Systems

3

thesis, Eindhoven University of Technology Department Mechanical Engineering, Control Systems Technology Group, Eindhoven

21 Hairi Zamzuri, Saiful Amri Mazlan, and Muhammad Aizzat Zakaria (2012),

Modeling and Simulation of Vehicle Steer by Wire System, IEEE Symposium on

Humanities, Science and Engineering Research, Universti Teknology Malaysia, Kuala Lumpur

22 Koehn, Eckrich (2004), the BMW approach towards modern steering technology,

SAE Technical

23 Kim, J-H Jang, S-N Yu, S-H Lee, C-S Han, and J-K Hedrick (2008), Development

Of A Control Algorithm For A Tie-Rod-Actuating Steer By Wire System, Department of

Mechatronics Engineering, Hanyang University, Ansan, Republic of Korea

24 Liu, A Chang (1995), Force Feedback In A Stationary Driving Simulator,

Systems, Man and Cybernetics Intelligent Systems for the 21st Century, IEEE

International Conference, Canada,vol 2, pp.1711-1716

25 Manning, Selby, Crolla and Brown (2002), Intelligent Vehicle Motion Control,

SAE Technical Paper

26 M Segawa (2000), A Study of Vehicle Stability Control by Steer-by-Wire System,

Proceedings of 5th International Symposium on Advanced Vehicle Control

27 M Alessandro Dell’Amico (2013), Pressure Control in Hydraulic Power Steering

Systems, Division of Fluid and Mechatronic Systems, Department of Management and

Engineering, Linköping University, Linköping, Sweden, SE 581 83

28 M.Segawa, R.Hayama, S.Nakano (2003), A study on reactive Torque for

Steer-By-Wire System with Mechanical Fail-safe Device, Koyo Engineering Journal English

Edition, No.162E

29 Masao, Nagai, Motoki, Shino, Feng Gao (July 2002), Study On Integrated Control

Of Active Front Steer Angle And Direct Yaw Moment, Volume 23, Issue 3

4

of the Automobile, Thesis submitted to the Faculty of Engineering, University of Salerno

in partial fulfilment of the requirements for the degree of doctor in mechanical engineering

31 Garrick J.Forkenbrock and W.Riley Garrott (2011), A Comprehensive

Experimental Evaluation of Test Maneuvers That May Induce On-Road, Untripped, Light

Vehicle Rollover, transportation research center, Washington DC

32 P Yih and J C Gerdes (2005), Modification of vehicle handling characteristics

via Steer-by-Wire, IEEE, vol 13, no 6

33 Pacejka (2002), Tire and vehicle dynamics, SAE, Warrendale, PA

34 Paul Yih, Jihan Ryu, J.Christian Gerdes (2003), Vehicle handling modification via

Steer-By-Wire, Dynamic Design Lab, Stanford University

35 Robert H.Bishop (2007), Mechatronic Systems, Sensors, and Actuators:

Fundamentals and Modeling, The university of Texas at Austin, USA, pp 22

36 Robert H.Bishop (2007), Mechatronic Systems, Sensors, and Actuators:

Fundamentals and Modeling, The university of Texas at Austin, USA, pp 58

37 SAE International (2014), Surface Vehicle Information Report J3016: Taxonomy

and Definitions for Terms Related to On-Road Motor Vehicle Automated Driving Systems

38 S Amberkar, F Bolourchi, J Dmerly, S Millsap (2004), A Control System

Methodology for Steer by wire Systems, SAE Wolrd Congress, Steering and Suspension

Technology Symposium, Detroit, 2004

39 S Wook (2003), The Development of an Advanced Control Method for the

Steer-by-Wire System to Improve the Vehicle Maneuvrability and Stability, Proceedings of

SAE International Congress and Exhibition

40 S.Wook (2003), The Development Of And Advanced Control Method For the

Steer-by-Wire System To Improve The Vehicle Maneuverability And Stability, SAE

International Congress and Exhibition

5

design of controller for the steer by wire system, JSME, Japan, vol 47

42 Thomas D Gillespie (1992), Fundamental of Vehicle Dynamics, Society of

Automotive Engineers

43 Todd Litman Victoria (2014), Autonomous Vehicle Implementation Predictions

Implications for Transport Planning, Transport Policy Institute, Presented at the 2015

Transportation Research Board Annual Meeting, Traffic Technology International,

44 Toshihiro Hiraoka, Souhei Hioki and Hiromitsu Kumamoto (2013), Fundamental

Rese rch on Driver’s H ptic Ch r cteristics Concerning Steering Re ctive Torque Department of Systems Science, Graduate School of Informatics, Kyoto University,

Kyoto, Japan

45 Xin Li Xue-Ping, Zhao Jie Chen (2009), Controller Design for Electric Power

Steering System Using T-S Fuzzy Model Approach, School of Mechanical Engineering,

Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, PRC

46 Yn D Corolla (2009), Automotive Engineering, Powertrain, Chassis system and

Vehicle Body Automotive Engineering, Powertrain, Chassis system and Vehicle Body,

Oxford

47 Jaremy (2013), ISO-lane change, Anthony Best Dynamics, Holt Road, Brad ford

Avon, UK

48 Jing-Fu Liu, Tsung-Hsien Hu, Tsung-Hua Hsu (2014), Design of an Automotive

Lane Keeping System Based on the Structure of Electric Power Steering, Automotive

Research Testing Center, Changhua Taiwan Automotive Research Testing Center

49 Junjie He, BEng, Meng (2005), Integrated Vehicle Dynamics Control Using

Active Steering, Driveline and Brakin, The University of Leeds School of Mechanical

Engineering

50 Julien Coudon, Carlos Canudas-de-Wit, and Xavier Claeys, J Coudon and Xavier

Claeys (2009), A New Reference Model for Steer By Wire Applications with Embedded

Vehicle Dynamics, Technocentre, 1 avenue du Golf, 78288 Guyancourt Cedex, France

6

wire systems with AC motors in road vehicles, IEEE Transactions on Industrial

Electronics

52 S Amberkar, F Bolourchi, J Dmerly, S Millsap (2004), A Control System

Methodology for Steer By Wire Systems, 2004 SAE Wolrd Congress, Steering and

Suspension Technology Symposium, Detroit

7

1 Trần V n Lợi, Nghiên cứu chế tạo mô h nh hệ thống lái i u hi n qua dây dẫn,

t i NCKH cấp trường Giao thông vận tải, 20

2 Trần V n Lợi, Nguyễn V n ang, Thí nghiệm i u hi n hệ thống lái hông trục lái qua phần m m Labview, Tạp chí cơ hí Việt Nam số 04, 2012

3 Trần V n Lợi - Nghiên cứu chế tạo b i u hi n tạo cảm giác lái trên mô h nh lái gián tiếp, t i cấp th nh phố HCM 20 3

4 Trần V n Lợi, ỗ V n Dũng, Nguyễn V n ang, Nghiên cứu tạo cảm giác lái trên

mô h nh hệ thống Steer-By –Wire, Tạp chí hoa học giáo dục Trường ại học Sư phạm ỹ thuật TPHCM, 31/5/2015

5 Trần V n Lợi, Nguyễn V n ang, Trần V n Như, Mô phỏng chuy n l n của ô tô sử dụng hệ thống lái Steer By Wire, Tạp chí Khoa học v Công nghệ, trường ại học công nghiệp H N i, 2015

6 Trần V n Lợi, Nguyễn V n nh, Nguyễn V n ang, ỗ V n Dũng, Thiết ế b

i u hi n PID cho hệ thống lái STEER-BY-WIRE, H i nghị cơ iện tử to n quốc,

2016

7 Trần V n Lợi, Nguyễn V n nh, Nguyễn V n ang, ỗ V n Dũng, Thiết ế b

i u hi n Fuzzy-PID cho hệ thống lái STEER-BY-WIRE, Tạp chí cơ hí Việt Nam, 2016

8 Trần V n Lợi, Nghiên cứu thiết ế b i u hi n hệ thống lái qua dây dẫn, t i NCKH cấp trường Giao thông vận tải, 20 6

8

PHỤ LỤC I: THÔNG SỐ KỸ THUẬT XE CƠ SỞ

PHỤ LỤC II: NGUYÊN LÝ VÀ KẾT CẤU MÔ HÌNH

PHỤ LỤC III: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MATLAB

PHỤ LỤC IV: CHƯƠNG TRÌNH LabVIEW

PHỤ LỤC V: THỬ NGHIỆM LỰA CHỌN K P VÀ TẠO CẢM GIÁC

9

Hình 1: Bản vẽ tuyến hình ô tô Mercedes-Benz 200E

v = 60/3.6; % toc do chuyen dong[m/s]

tsim =12; % simulation time

i_st= 20; % steering ratio

deltaV = 90; % goc quay volang [do]

deltamax = (deltaV/i_st)*pi/180; % goc quay BXDH [rad]

delta_rate=0.3; % toc do thay doi goc quay vo lang [rad/s]

% t_1=1.8; t_2=2.54; t_3=3.0;

% t_4=3.0; t_5=4.325; t_6=5.37;

t_1=1.65; t_2=2.4; t_3=3.0;

t_4=3.0; t_5=4.2; t_6=5.25;

moto = 1810; % khoi luong oto [kg]

Jz = 1574; % momen quan tinh khoi luong oto theo phuong Cz[kgm2]

Lf = 1.15; % khoang cach tu trong tam den truc truoc[m]

Lr = 1.20; % khoang cach tu trong tam den truc sau[m]

L = Lf+Lr; % chieu dai co so[m]

tf = 1.497; % Vet banh truoc

tr = 1.497; % Vet banh sau

Cf = 45000; % do cung ben banh xe cau truoc [N/rad]

Cr = 45000; % do cung ben banh xe cau sau [N/rad]

Lw = 0.4; % vi tri tac dung cua luc gio ngang [m]

% a5 = b4+ e4*c2 ; b5 = d4 + c4*a1 + e4*a2; c5 = e4*d2 + c4*d1; d5 = c4*e1 + e4*e2; e5 = f4 + e4*b2 + c4*b1; f5 = e4*f2;

% K=1;

% b=c4/Jb;

Hình 6: Chương trình simulink mô phỏng xe sử dụng hệ thống lái điện

Sử dụng hối Step trong công cụ Matlab Simulin l m tín hiệu ích thích trên vô

l ng Sai số giữa tín hiệu c i ặt v tín hiệu áp ứng ược gửi tới b i u hi n i u

hi n tạo tín hiệu i u hi n hệ iện tử, bỏ qua sai số của cảm biến v mạch i u hi n

16

lốp C2 = 12000 (N/rad) ( ường nh a phủ tuyết – Snow Asphalt) So sánh ết quả cho thấy hả n ng áp ứng của hệ thống hi sử dụng b i u hi n PID c sai số giảm dần từ 0.8-0 (rad) trong hoảng 0 giây mô phỏng, hi sử dụng b i u hi n Fuzzy-PID hả

n ng áp ứng bám của hệ thống hi thay ổi cản hệ thống lái ược cải thiện, sai số giữa tín hiệu mong muốn v tín hiệu áp ứng tương ối thấp từ 0, -0,2 (rad) sau hoảng 2 giây mô phỏng sai số bằng hông

Hình 7: Đáp ứng hệ thống khi C 2 = 12000 N/rad

So sánh kết quả hảo sát cho thấy hả n ng áp ứng của hệ thống hi sử dụng b

i u hi n Fuzzy PID cải thiện t nh trạng ảnh hưởng thay ổi cản hi xe chạy trên ường

C2 = 45000 (N/rad) Sai số giữa tín hiệu mong muốn v tín hiệu áp ứng hi mô men cản

t ng hi sử dụng b i u hi n PID c xu hướng t ng theo (sai số ban ầu từ 2 (rad) giảm v 0 trong hoảng 2.5 giây mô phỏng Khi sử dụng b i u hi n Fuzzy-PID sai

số giảm tương ối thấp từ 0.1-0.2 (rad) trong hoảng thời gian 8 giây

Hình 8: Đáp ứng hệ thống khi C 2 = 45000 N/rad

17

i u hi n Fuzzy PID cải thiện t nh trạng ảnh hưởng thay ổi cản hi xe chạy trên ường

C2 = 80000 (N/rad) Sai số giữa tín hiệu mong muốn v tín hiệu áp ứng hi mô men cản

t ng hi sử dụng b i u hi n PID c xu hướng t ng theo (sai số ban ầu từ 4 (rad) giảm v 0 trong hoảng 3.5 giây mô phỏng Khi sử dụng b i u hi n Fuzzy-PID sai

số giảm tương ối thấp từ 0.1-0.3 (rad) trong hoảng thời gian 4 giây mô phỏng

Hình 9: Đáp ứng hệ thống khi C 2 = 80000 N/rad

Tổng hợp ết quả hảo sát hi sử dụng cho thấy hả n ng áp ứng của hệ thống hi

sử dụng b i u hi n Fuzzy PID cải thiện t nh trạng ảnh hưởng thay ổi cản hệ thống lái, sai số giữa tín hiệu mong muốn v tín hiệu áp ứng tương ối thấp từ 0.1-0.2 (rad) ảnh hưởng rất ít bởi t nh trạng cản bánh xe v mặt ường

Hình 10: Kết quả mô phỏng bộ điều khiển hệ thống lái điện

18

Hình 11: Bộ điều khiển Fuzzy-PID trong môi trường LabVIEW

Hình 12: Chương trình điều khiển bám sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PID

Thử nghiệm o sai số giữa tín hiệu g c quay vô l ng v g c quay trục lái o trên mô

h nh thí nghiệm ở trạng thái bánh xe tiếp xúc với mâm xoay cố ịnh, sử dụng b i u

hi n PID

21

h nh thí nghiệm ở trạng thái bánh xe tiếp xúc với mâm xoay cố ịnh

Hình 19: Sai số giữa tín hiệu góc quay vô lăng và góc quay trục lái dùng bộ điều khiển

22

h nh thí nghiệm ở trạng thái bánh xe tiếp xúc với mặt ường nh a

Hình 22: Sai số giữa tín hiệu góc quay vô lăng và góc quay trục lái Fuzzy-PID,

24

Hình 28: Đáp ứng vành tay lái và trục cơ cấu lái khi hệ số đáp ứng K P = 17.2, thời

gian chậm tác dụng 0,001s, sai số 7 xung

Hình 29: Vùng mất ổn định với K P = 20

Qua phần th c nghiệm i u hi n th c nghiệm xác ịnh thời gian áp ứng cơ cấu

i u hi n theo hệ số thích ứng i u hi n ng cơ sử dụng phần m m LabView Thông qua th c nghiệm Kp cho thấy giá trị Kp thay ổi từ 5- 7.2 l vùng i u hi n

ổn ịnh của hệ thống lái hông trục lái với trễ từ 7-12 xung Ở vùng giá trị thấp hơn cơ cấu lái áp ứng trễ so với cơ cấu i u hi n lái từ 450 – 30 xung Vùng Kp ngo i 8 l vùng mất ổn ịnh của hệ thống ng cơ hông áp ứng ịp quán tính cơ

hí của hệ thống

Thử nghiệm tái tạo mô men cảm giác lái:

Hình 30: Thử nghiệm tạo mô men cảm giác lái phụ thuộc vào góc đánh lái

25

Hình 31: Thử nghiệm tạo mô men cảm giác lái tại vị trí giới hạn

Tổng hợp các th nh phần mô men cảm giác ta c th tổng hợp th nh mô men tái tạo cảm giác lái trên mô h nh Tùy theo hệ số cảm giác v vận tốc chạy xe tổng hợp lại ược

ồ thị như sau:

Hình 32: Thử nghiệm tạo mô men cảm giác lái tại vận tốc chạy xe 30 km/h

Hình 33: Thử nghiệm tạo mô men cảm giác lái tại vận tốc chạy xe 45 km/h

Từ bi u ồ l c tổng hợp trên ta c th xây d ng ược ồ thị phản hồi cảm giác lái trên vô l ng ứng với từng chế tốc chạy xe v i u hi n chạy xe

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận án này là công trình nghiên cứu của tôi Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào

Trần Văn Lợi

LỜI CẢM ƠN

Xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Thầy PGS.TS-Nguyễn Văn Bang và Thầy PGS.TS-Đỗ Văn Dũng đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận án

Trân trọng gửi lời cảm ơn đến toàn thể quý Thầy bộ môn Cơ khí ô tô đã hướng dẫn,

tư vấn, đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện luận án

Trân trọng cảm ơn quý Thầy, Cô, đồng nghiệp Trường Đại học Giao thông vận tải, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chi Minh và Câu lạc bộ Cơ khí động lực đã tạo điều kiện thuận lợi và góp

ý trong quá trình thực hiện luận án

Trân trọng cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè đã động viên hỗ trợ trong quá trình thực hiện luận án!

Hà Nội, ngày 19 tháng 12 năm 2017

Trần Văn Lợi

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU xiv

Chương I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hệ thống cơ điện tử trên ô tô 1

1.1.1 Hệ thống điều khiển độc lập 3 1.1.2 Hệ thống điều khiển kết hợp 4 1.1.3 Hệ thống điều khiển tích hợp 6

1.2 Các loại hệ thống lái 7

1.2.1 Hệ thống lái cơ khí 8 1.2.2 Hệ thống lái trợ lực thủy lực 10 1.2.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử 11 1.2.4 Hệ thống lái trợ lực điện .12 1.2.5 Hệ thống lái chủ động .14 1.2.6 Hệ thống lái lái điện 16 1.2.7 Hệ thống lái trong tương lai 18

1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 19

1.3.1 Các nghiên cứu nước ngoài 20 1.3.2 Các nghiên cứu trong nước 21 1.3.3 Nhận xét, đánh giá 22 1.4 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 22 1.5 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi, phương pháp và nội dung nghiên cứu .24

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 24 1.5.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 24 1.5.3 Phương pháp nghiên cứu 24 1.5.4 Nội dung nghiên cứu 24

Matlab 59 2.8 Nghiên cứu sự thay đổi tải trọng thẳng đứng tại các bánh xe dẫn hướng ……… 60

Kết luận chương II

Chương III: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN 3.1 Mục đích và chức năng của mô hình 66

3.1.1 Mục đích chế tạo mô hình thí nghiệm 66

3.3.1 Thử nghiệm so sánh hệ thống lái điện và hệ thống lái cơ khí truyền thống 85

3.3.2 Thử nghiệm động lực học hệ thống lái lắp đặt hệ thống lái điện ở tình trạng

bánh xe tiếp xúc với mâm xoay 87

3.3.3 Thử nghiệm tái tạo cảm giác lái 89

Kết luận chương III

Chương IV: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH

4.1 Mục đích thí nghiệm 96

4.2 Chương trình thí nghiệm 96

4.3 Khảo sát xe sử dụng hệ thống lái điện qua thí nghiệm chuyển làn DLC 109

4.4 Nhận xét, đánh giá kết quả thí nghiệm 111

Kết luận chương IV

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

L f m Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm cầu trước

L r m Khoảng cách từ trọng tâm tới tâm cầu sau

 Rad Góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm

 rad Góc lệch giữa phương vận tốc v i của bánh xe và phương

chuyển động của ô tô

d

1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Tọa độ của bánh xe trong hệ tọa độ mặt đường……… 60 Bảng 3.1: Kết quả thử nghiệm đánh lái bên phải……… 76 Bảng 3.2: Kết quả thử nghiệm đánh lái bên trái……… 77 Bảng 4.1 Chế độ thí nghiệm đo sai số góc quay vô lăng và góc quay trục lái……… 101 Bảng 4.2: Bảng tổng hợp sai số giữa tín hiệu góc quay vô lăng và góc quay trục lái 105 Bảng 4.3: Tổng hợp sai số giữa tín hiệu góc quay vô lăng và góc quay trục lái……… 107 Bảng 4.4: So sánh điều khiển bám giữa tính toán lý thuyết và thực tế……… 107

/

PID Proportional- Integral-Derivative

HPAS Hydraulic Power Assisted Steering

EHPAS Electro Hydraulic Power Assisted Steering

EAS-HPAS Electric Angle Assisted System - Hydraulic Power Assisted System

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống cơ điện tử ô tô 3 Hình 1.2: Hệ thống điều khiển hệ thống lái phản hồi kiểu vòng kín 3 Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển kết hợp AFS và DSC 5 Hình 1.4: Hệ thống điều khiển tích hợp trên xe 7 Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái 8 Hình 1 6: Các giá trị định lượng của cảm giác lái 9 Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển trợ lực lái thủy lực 10 Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển điện tử 12 Hình 1 9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lái trợ lực điện 12 Hình 1.10: Các loại hệ thống lái trợ lực điện 13 Hình 1.11: Đặc tính trợ lực hệ thống lái trợ lực điện ứng với chế độ tải khác nhau 14 Hình 1.12: Mô hình phân tích góc xoay thân xe do biến dạng lốp 15 Hình 1.13: Sơ đồ hoạt động phối hợp của hệ thống AFS và ESC 16 Hình 1.14: Các kiểu hệ thống lái điện 17 Hình 2.1: Mô hình tổng quát nghiên cứu hệ thống lái điện 26 Hình 2.2: Hệ thống lái điện 28 Hình 2.3: Mô hình cơ học bộ phận vô lăng 28 Hình 2.4: Sơ đồ mạch điện bộ phận vô lăng 29 Hình 2.5: Sơ đồ mạch điện bộ phận chấp hành 30 Hình 2.6: Mô hình động cơ điện một chiều 30 Hình 2.7: Mô hình bộ phận chấp hành hệ thống lái điện 32 Hình 2.8: Sơ đồ xác định mô men cản quay vòng 33 Hình 2.9: Chương trình mô phỏng tín hiệu đánh lái 35 Hình 2.10: Chương trình mô phỏng bộ phận vô lăng 35 Hình 2.11: Tín hiệu góc quay vô lăng 35 Hình 2.12: Kết quả mô phỏng bộ phận vô lăng 36 Hình 2.13: Chương trình mô phỏng động cơ điện một chiều 36 Hình 2.14: Kết quả mô phỏng động cơ điện một chiều 37 Hình 2.15: Chương trình mô phỏng bộ phận chấp hành 37 Hình 2.16: Kết quả mô phỏng hoạt động động cơ DC khi lắp đặt lên mô hình 38

Hình 2.17: Sơ đồ điều khiển hệ thống lái điện 39 Hình 2.18: Sơ đồ bộ điều khiển PID 40 Hình 2.19: Chương trình mô phỏng bộ điều khiển PID 44 Hình 2.20: Kết quả mô phỏng với 03 tình trạng mặt đường với bộ điều khiển PID 44 Hình 2.21: Cấu trúc khối điều khiển Fuzzy 47 Hình 2.22: Hàm thuộc tải trọng thay đổi 47 Hình 2.23: Hàm thuộc sai số thay đổi 47 Hình 2.24: Hàm thuộc biến K p 48

Hình 2.25: Hàm thuộc biến K I 48

Hình 2.26: Hàm thuộc biến K D 48

Hình 2.27: Bảng luật hợp thành điều khiển mờ 49 Hình 2.28: Đáp ứng hệ số K p theo tải trọng, sai số 49 Hình 2.29: Đáp ứng hệ số K I theo tải trọng, sai số 49 Hình 2.30: Đáp ứng hệ số K D theo tải trọng, sai số 50 Hình 2.31: Bộ điều khiển Fuzzy-PID 50 Hình 2.32: Chương trình mô phỏng hệ thống lái điện với hai bộ điều khiển 51 Hình 2.33: Đáp ứng hệ thống khi C 2 = 12000 N/rad 52 Hình 2.34: Đáp ứng hệ thống khi C 2 = 45000 N/rad 52 Hình 2.35: Đáp ứng hệ thống khi C 2 = 80000 N/rad 53 Hình 2.36: Quỹ đạo chuyển động quay vòng của ô tô 53 Hình 2.37: Quỹ đạo chuyển động của ô tô trong mặt phẳng đường 54 Hình 2.38: Quan hệ giữa các thông số động học trong hệ tọa độ trọng tâm 55 Hình 2.39: Mô hình chuyển động của ôtô trong mặt phẳng đường 55 Hình 2.40: Các thành phần lực tác dụng lên bánh xe 57 Hình 2.41: Quỹ đạo chuyển động ô tô khi sử dụng hệ thống lái điện 59 Hình 2.42: Mô hình khảo sát sự thay đổi tải trọng theo phương ngang 60 Hình 2.43: Sơ đồ cân bằng lực ngang 61 Hình 2.44: Sơ đồ phân bố lực, momen tại cầu trước và cầu sau 62 Hình 2.45: Góc quay bánh xe dẫn hướng 63 Hình 2.46: Gia tốc theo phương ngang 63 Hình 2.47: Phân bố tải trọng thẳng đứng lên bánh xe dẫn hướng bên trái và bên phải 64 Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm hệ thống lái 67

Hình 3.2: Sơ đồ mô hình thí nghiệm hệ thống lái điện 68 Hình 3.3: Kết cấu cơ cấu lái sử dụng làm mô hình hệ thống lái điện 69 Hình 3.4: Các bộ phận chính trên mô hình thí nghiệm hệ thống lái điện 71 Hình 3.5: Kết cấu khung mô hình thí nghiệm hệ thống lái điện 72 Hình 3.6: Phân tích thành phần lực tác dụng lên mô hình 73 Hình 3.7: Kiểm tra độ bền khung thiết kế 73 Hình 3.8: Bộ phận tạo tải trên mô hình thí nghiệm 74 Hình 3.9: Hộp điều khiển mô hình thí nghiệm hệ thống lái điện 75 Hình 3.10: Nguyên lý mạch điều khiển hệ thống lái điện 76 Hình 3.11: Nguyên lý Driver điều khiển động cơ DC sử dụng cầu H 77 Hình 3.12: Mạch giao tiếp máy tính NI 6009 77 Hình 3.13: Khối mạch điện cảm biến dòng và đặc tính 78 Hình 3.14: Nguyên lý và kết cấu cảm biến đo vị trí encoder 78 Hình 3.15: Giao diện kết nối máy tính phục vụ thí nghiệm hệ thống lái điện 79 Hình 3.16: Giao diện điều khiển bám 80 Hình 3.17: Hàm thuộc tải trọng thay đổi trong chương trình máy tính 80 Hình 3.18: Hàm thuộc sai số thay đổi trong chương trình máy tính 81 Hình 3.19: Hàm thuộc biến K P trong chương trình máy tính 81 Hình 3.20: Hàm thuộc biến K I trong chương trình máy tính 81 Hình 3.21: Hàm thuộc biến K D trong chương trình máy tính 81 Hình 3.22: Bảng luật hợp thành điều khiển mờ trong chương trình máy tính 82 Hình 3.23: Đáp ứng hệ số K P theo tải trọng, sai số trong chương trình máy tính 82 Hình 3.24: Đáp ứng hệ số K I theo tải trọng, sai số trong chương trình máy tính 82 Hình 3.25: Đáp ứng hệ số K D theo tải trọng, sai số trong chương trình máy tính 83 Hình 3.26: Chương trình điều khiển bám sử dụng bộ điều khiển PID 83 Hình 3.27: Chương trình điều khiển bám sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PID 83 Hình 3.28: Mô hình thí nghiệm hệ thống lái điện hoàn chỉnh 84 Hình 3.29: Bánh xe tiếp xúc với mâm xoay 84 Hình 3.30: Quan hệ góc quay bánh xe dẫn hướng khi đánh lái sang phải 85 Hình 3.31: Quan hệ góc quay bánh xe dẫn hướng khi đánh lái sang trái 86 Hình 3.32: Kết quả điều khiển bám sử dụng bộ điều khiển PID ở vận tốc 0 km/h 87 Hình 3.33: Kết quả điều khiển bám sử dụng bộ điều khiển PID ở vận tốc 40 km/h 87

Hình 3.34: Kết quả điều khiển bám sử dụng bộ điều khiển PID ở vận tốc 60 km/h 88 Hình 3.35: Kết quả điều khiển bám sử dụng bộ điều khiển PID ở vận tốc 0 km/h 88 Hình 3.36: Kết quả điều khiển bám sử dụng bộ điều khiển PID ở vận tốc 40 km/h 88 Hình 3.37: Kết quả điều khiển bám sử dụng bộ điều khiển PID ở vận tốc 60 km/h 89 Hình 3.38: Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên vành lái 90 Hình 3.39: Nguyên lý điều khiển phản hồi cảm giác sử dụng cảm biến mô men 91 Hình 3.40: Bản đồ tổng hợp mô men tạo cảm giác theo vận tốc và góc đánh lái 92 Hình 3.41: Đặc tính mô men cảm giác lái thay đổi theo vận tốc 92 Hình 3.42: Đặc tính mô men cảm giác thay đổi theo góc đánh lái 93 Hình 3.43: Sơ đồ nguyên lý tái tạo cảm giác lái 93 Hình 3.44: Đặc tính cảm giác lái thực tế đo trên vành lái ở chế độ bánh xe tiếp xúc mặt đường nhựa 94 Hình 3.45: Đặc tính tổng hợp tạo mômen cảm giác lái 94 Hình 4.1: Sơ đồ xác định mô men cản bánh xe dẫn hướng 96 Hình 4.2: Nguyên lý đo mô men cản quay bánh xe dẫn hướng gián tiếp qua cường độ dòng điện 98 Hình 4.3: Chương trình đo ghi và xử lý số liệu trong máy tính 98 Hình 4.4: Nguyên lý thí nghiệm khả năng bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái

99

Hình 4.5: Tải trọng thẳng đứng tại bánh xe dẫn hướng 99 Hình 4.6: Chương trình máy tính đo sai số 100 Hình 4.7: Điện áp cảm biến dòng khi thí nghiệm đo cản 102 Hình 4.8: Dòng điện cảm biến dòng khi thí nghiệm đo cản 102 Hình 4.9: Mô men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe tiếp xúc mâm xoay tự

do 102 Hình 4.10: Điện áp cảm biến dòng khi thí nghiệm đo cản 103 Hình 4.11: Dòng điện cảm biến dòng khi thí nghiệm đo cản 103 Hình 4.12: Mô men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe tiếp xúc mâm xoay

cố định 103 Hình 4.13: Điện áp cảm biến dòng khi thí nghiệm đo cản 104 Hình 4.14: Dòng điện cảm biến dòng khi thí nghiệm đo cản 104

Hình 4.15: Mô men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe tiếp xúc mặt đường nhựa 104 Hình 4.16: Sai số góc quay vô lăng và góc quay trục lái (bộ điều khiển PID, Z l =4250 N,

Z r = 4250 N) 105 Hình 4.17: Sai số góc quay vô lăng và góc quay trục lái (bộ điều khiển Fuzzy-PID, Z l

=4250 N, Z r = 4250 N) 105 Hình 4.18: Sai số góc quay vô lăng và góc quay trục lái (bộ điều khiển PID, Z l = 4250 N,

Z r = 4250 N) 106 Hình 4.19: Sai số góc quay vô lăng và góc quay trục lái (bộ điều khiển Fuzzy-PID, Z l =

4250 N, Z r = 4250 N) 106 Hình 4.20: Sai số giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái khi sử dụng hai bộ điều khiển 108 Hình 4.21: Sai số giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái tính toán lý thuyết và thí nghiệm khi sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PID 108 Hình 4.22: Quỹ đạo chuyển động ô tô khi thí nghiệm Double lane change 109 Hình 4.23: Chương trình mô phỏng quỹ đạo ô tô sử dụng hệ thống lái điện khi thực hiện thí nghiệm chuyển làn DLC 110 Hình 4.24: Kết quả mô phỏng quỹ đạo ô tô sử dụng hệ thống lái điện khi thực hiện thí nghiệm chuyển làn DLC 40km/h 110 Hình 4.25: Kết quả mô phỏng quỹ đạo ô tô sử dụng hệ thống lái điện khi thực hiện thí nghiệm chuyển làn DLC 60 km/h 111