Pham thanh binh EPS dieu khien on dinh quy dao chuyen dong

Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học và mô phỏng chuyển động ô tô khi đổi hướng, trên cơ sở đó thiết kế các bộ điều khiển theo các thuật giải khác nhau nhằm điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động. Nội dung nghiên cứu gồm: Tổng quan an toàn chủ động, bị động và các hệ thống ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Xây dựng mô hình động lực học và mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô khi đổi hướng. Thiết kế bộ điều khiển ổn định hướng chuyển động của ô tô.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ

Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số: 60.52.01.16

Chuyên sâu: KỸ THUẬT Ô TÔ – MÁY KÉO

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Trần Văn Như

Hà Nội 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kếtquả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các côngtrình nào khác!

Hà Nội, ngày 09 tháng 04 năm 2016

Tác giả

Phạm Thanh Bình

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông Vận tải, Phòng đào tạoSau đại học, Khoa Cơ khí và Bộ môn Cơ khí ô tô đã cho phép tôi thực hiện luận văntại Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành nhất tới TS Trần Văn Như đã hướngdẫn tôi hết sức tận tình, chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn này.Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo đã đọc vàđóng góp những ý kiến quý báu cho luận văn

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn cơ khí ô tô - Trường Đại họcGiao thông Vận tải luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi

để hoàn thành luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hộiđồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thểhoàn chỉnh luận văn này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, nhữngngười đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu,học tập và thực hiện luận văn này

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

OX0Y0 Z0 Hệ toạ độ cố định gắn với mặt đường

CXYZ Hệ toạ độ di động gắn với trọng tâm thân xe

F lực cản gió theo phương ngang (Lực gió ngang) N

x&& Gia tốc theo phương dọc xe m/s2y&& Gia tốc theo phương ngang xe m/s2

0

x v & = Vận tốc theo phương dọc xe m/s

y& Vận tốc theo phương ngang xe m/s

J Mô men quán tính khối của bánh xe ( f r ( ) - tương ứng là

của bánh xe trước (sau))

ψ & Vận tốc góc quay thân xe Rad/s

λ Hệ số trượt dọc giữa bánh xe và mặt đường

Tốc độ góc của bánh xe khi có mô men (phanh, kéo) Rad/s0

ω Tốc độ góc của bánh xe khi không có mô men (lăn lý tưởng) Rad/s

C y

Độ cứng ngang của bánh xe (trước và sau) với lốp mới và

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU

An toàn giao thông là một vấn đề luôn giành được sự quan tâm đặc biệt củaquốc tế, ở Việt Nam cũng như các nhà sản xuất ô tô Đặc biệt trong những năm gầnđây với sự cải tiến về công nghệ và thiết kế, tốc độ của xe được cải thiện rất nhiều,đồng thời hạ tầng giao thông cũng được xây dựng tương ứng với sự thay đổi đó Ô

tô khi chuyển động chịu rất nhiều tác động của điều kiện khác nhau như điều kiệnđường, thời tiết, các yếu tố kỹ thuật, con người Ở tốc độ càng cao, chỉ cần một sựmất ổn định hướng nhỏ cũng có thể gây mất an toàn giao thông Vì vậy, việc nghiêncứu ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô góp phần mang lại sự an toàn đối vớingười và phương tiện tham gia giao thông là điều hết sức quan trọng

Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tiên tiến

và hệ thống điều khiển điện tử, ngành công nghiệp ô tô đã có những ứng dụng nhằmnâng cao độ an toàn, tiện nghi, chủ động ngăn ngừa những tình huống nguy hiểm góp phần giảm thiểu tai nạn giao thông Việc mô phỏng quỹ đạo chuyển động cũngnhư điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô đã và đang được các nhànghiên cứu và hãng sản xuất ô tô quan tâm do sự ổn định quỹ đạo chuyển động cóliên quan mật thiết đến an toàn chuyển động của ô tô

Xuất phát từ thực trạng trên và trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ tôi chọn đề

tài “Điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô”

Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học và

mô phỏng chuyển động ô tô khi đổi hướng, trên cơ sở đó thiết kế các bộ điều khiểntheo các thuật giải khác nhau nhằm điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động

Nội dung nghiên cứu gồm:

- Tổng quan an toàn chủ động, bị động và các hệ thống ổn định quỹ đạochuyển động của ô tô

- Xây dựng mô hình động lực học và mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tôkhi đổi hướng

- Thiết kế bộ điều khiển ổn định hướng chuyển động của ô tô

Luận văn nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thiết kế bộ điều khiển trên máy tínhbằng phần mềm Matlab/Simulink.

Trong quá trình thực hiện luận văn cùng với sự cố gắng của bản thân, sự

hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS Trần Văn Như cùng các thầy giáo

trong Bộ môn Cơ khí Ô tô, Đại học Giao thông Vận tải Tuy nhiên luận văn khôngtránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy và bạn đọc

để luận văn được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 An toàn chủ động, bị động và tai nạn giao thông

An toàn giao thông là một vấn đề luôn giành được sự quan tâm đặc biệt củaquốc tế, ở Việt Nam cũng như các nhà sản xuất ô tô Khi tham gia giao thông, ô tôchịu rất nhiều tác động của điều kiện khác nhau như điều kiện đường, thời tiết, cácyếu tố kỹ thuật, con người, các phương tiện khác Nếu ô tô mất tính ổn định, mấttính điều khiển thì dễ dàng xẩy ra tai nạn giao thông Việc nghiên cứu nhằm nângcao tính an toàn chuyển động của ô tô nhằm giảm xác suất phát sinh tai nạn giaothông và giảm thiểu tổn thất về vật chất và con người khi xảy ra tai nạn giao thông

An toàn bị động được đảm bảo bởi các tính chất và chất lượng của kết cấunhằm giảm thiểu chấn thương của lái xe và hành khách khi xẩy ra tai nạn giaothông Hình dáng bên ngoài của xe, kết cấu bên trong khoang xe, độ bền của thùng

xe (ca bin) khi chịu va chạm, các giải pháp kỹ thuật quyết định tính an toàn bịđộng của ôtô

An toàn môi trường của ôtô cho phép giảm tác động có hại đến những ngườitham gia giao thông và môi trường xung quanh như bụi bẩn, tiếng ồn, độc hại củakhí xả v.v

Nghiên cứu tai nạn giao thông ta phải nghiên cứu trong mối quan hệ “Ô tô Môi trường - Lái xe” Tai nạn của ô tô có thể do nhiều nguyên nhân, có thể chia racác nhóm sau:

Đối với lái xe:

Do trình độ kỹ thuật thấp, ít kinh nghiệm, phản ứng chậm, mệt mỏi, căngthẳng khi tham gia giao thông Do ý thức chấp hành luật lệ giao thông, điều khiểngiao thông có nồng độ cồn cao hơn mức quy định cho phép,

- Đối với ô tô:

Do phương tiện tham gia giao thông không đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật antoàn theo quy định (đặc biệt ở hệ thống lái, hệ thống phanh), do các hư hỏng sự cốbất thường

- Đối với môi trường:

Do kết cấu hạ tầng giao thông: đường xấu, chất lượng mặt đường không đồngđều, không đáp ứng các tiêu chuẩn giao thông đường bộ Do mật độ phương tiện,chướng ngại vật trên đường cao, tầm quan sát hạn chế, thiếu biển báo thông tin…

Vì vậy, để giảm thiểu tai nạn giao thông, các yêu cầu đối với người lái xe, môitrường giao thông trên đều phải tuân thủ những quy định nghiêm ngặt của pháp luậtnhư: Luật giao thông đường bộ; tiêu chuẩn thiết kế đường; tiêu chuẩn thiết kế ô tôcũng như tiêu chuẩn về kiểm định chất lượng phương tiện khi xuất xưởng và đanglưu hành

Sự liên quan của quỹ đạo chuyển động tới an toàn chuyển động là một trongcác nguyên nhân nằm trong nhóm nguyên nhân do phương tiện gây ra Do đó kếtcấu ô tô, đặc biệt hệ thống điều khiển chuyển động ô tô cần được hoàn thiện đểgiảm thiểu nguyên nhân tai nạn do yếu tố kỹ thuật phương tiện gây ra Việc khảo sátcác yếu tố liên quan đến kỹ thuật phương tiện đến ổn định quỹ đạo chuyển động ô

tô là cần thiết Việc khảo sát giúp đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố về kỹ thuậtphương tiện đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, cân nhắc, xem xét đưa các

hệ thống tự động điều chỉnh, điều khiển tự động để nâng cao tính ổn định và điềukhiển hướng của ôtô

Trong thực tế trong quá trình tham gia giao thông, các yếu tố môi trường luônthay đổi dẫn thay đổi mối tương quan chuyển động của ô tô Người lái xe luôn cótác động điều khiển góc quay vành tay lái để thu được các quỹ đạo và trạng tháichuyển động phù hợp theo mong muốn Khi nâng cao tốc độ chuyển động cần thiết

phải đảm bảo mối tương quan chặt chẽ giữa quỹ đạo chuyển động và góc quay vànhlái, trong nhiều trường hợp chỉ cần một sai lầm nhỏ trong điều khiển sẽ dẫn tới mấtquỹ đạo chuyển động và gây mất an toàn giao thông Sự điều khiển của lái xe phụthuộc vào nhiều yếu tố như trạng thái tâm lý của lái xe, sự tập trung của lái xe, sựmệt mỏi của lái xe, … Do đó, ngày nay trên ô tô được trang bị nhiều hệ thống cơđiện tử tự động điều khiển tự động giúp nâng cao độ ổn định quỹ đạo chuyển độngcủa ô tô

1.2 Các hệ thống ổn định hướng chuyển động của ôtô

1.2.1 Hệ thống lái chủ động

Hệ thống lái tích cực (Active steering system hay Active front steering -AFS)

là hệ thống lái hiện đại kiểm soát các bánh xe dẫn hướng một cách chính xác theoyêu cầu của người lái Hệ thống lái này đã tạo ra cuộc cách mạng về cải tiến hệthống lái điều khiển kết hợp giữa cơ khí truyền thống và điều khiển điện tử làm cho

hệ thống lái hoạt động linh hoạt và an toàn hơn (Hình 1.1)

Trong cấu trúc chính của hệ thống lái tích cực này là cụm bánh răng hành tinh(Hình 1.2) cho phép thay đổi tỷ số truyền và điều chỉnh tự động góc quay bánh xedẫn hướng thông qua mô tơ điều khiển Hệ thống vẫn giữ nguyên bộ trợ lực thủylực như hệ thống lái thông thường, mô tơ có tác dụng điều chỉnh góc góc quay bánh

xe dẫn hướng mà không đóng vai trò là mô tơ trợ lực

Đối với hệ thống lái thông thường tỷ số truyền của hệ thống lái là một giá trị

cố định Thông thường tỷ số truyền được thiết kế cho một trạng thái làm việc trungbình của xe Trong hệ thống lái tích cực tỷ số truyền của hệ thống lái thay đổi phùhợp với các trạng thái chuyển động của ô tô nhờ sự điều khiển của mô tơ điềukhiển Ngoài mô tơ điều khiển còn có mô tơ tạo áp lực gây cảm giác lên vành tay láitrong các trường hợp chuyển động và giữ cho xe chuyển động ổn định dưới tácdụng của các tác động từ mặt đường

Hình 1.1 Cấu tạo hệ thống lái chủ động

1 – Cơ cấu lái; 2 – Cụm van xoay; 3 – Động cơ kỹ thuật số; 4 – Bộ chấp hànhcụm bánh răng hành tinh; 5 – Bộ điều khiển của AFS; 6 – Cảm biến góc quay môtơ; 7 – Khóa điện tử; 8 – Cảm biến góc quay bánh răng; 9 – Bơm trợ lực; 10 – Bìnhdầu và lọc; 11 - Ống dẫn dầu; 12- Đường kết nối hệ thống

Hình 1 2 Sơ đồ bộ chấp hành bánh răng hành tinh

Tùy theo bộ điều khiển hệ thống lái tích cực mà yêu cầu các tín hiệu đầu vàocho bộ điều khiển Hầu hết các hệ thống điều khiển lái tích cực cần các thông tinđầu vào cơ bản từ các cảm biên như: Vận tốc ô tô, vận tốc quay thân xe, góc đánhlái, góc chuyển động lệch bên của ô tô, vận tốc quay thân xe, gia tốc ngang … Từ

đó máy tính sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để đảm bảo ổn định quỹ đạo chuyển độngcủa ô tô

Quá trình truyền dữ liệu của AFS thông qua mạng nội bộ CAN bus (Hình 1.3)

Bộ điều khiển AFS được kết nối với bộ điều khiển cân bằng điện tử ESC và DME,EML, ECT của hộp số tự động bằng mạng nội bộ CAN Cảm biến góc đánh láiđược kết nối với mạng nội bộ CAN Các tín hiệu truyền trong mang nội bộ CANđược mã hóa với các mã khác nhau Khi AFS truyền tín hiệu điều khiển đến cơ cấuchấp hành của bộ điều khiển thì tín hiệu điều khiển của bộ chấp hành nào thì cơ cấuchấp hành đó giả mã để điều khiển

Hình 1 3 Hệ thống lái tích cực kết nối qua mạng nội bộ

Do hệ thống lái có tỷ số truyền thay đổi nên tạo điều kiện thuân lợi cho cáctrạng thái chuyển động của ô tô Khi xe chạy với tốc độ chậm trong các bến bãi hệthống lái thông thường sẽ có phản ứng rất chậm với sự thay đổi của vành lái Vìvậy, để nâng cao mức độ phản ứng khi thay đổi vành lái thì hệ thống lái tự độngđiều chỉnh giảm tỷ số truyển từ vành lái đến bánh xe dẫn hướng để xe phản ứngnhạy cảm hơn với vành lái giúp lái xe vào ra các vị trí chật hẹp tốt hơn Việc nàyđược thực hiện bằng cách cho động cơ quay cùng chiều với vành lái Khi xe chạyvào các đoạn đường gấp khúc lớn, lúc này lái xe cần phải đánh lái nhanh và có thểphải trở tay lái trên vô lăng làm giảm khả năng thực hiện các thao tác với các bộphận chức năng khác Để khắc phục điều đó bộ phận điều khiển cũng điều khiểnlàm giảm tỷ số truyền của hệ thống Khi xe chạy với tốc độ cao chỉ cần một sự thay

đổi đột ngột góc lái và độ lớn của góc lái làm xe phản ứng rất nhanh có thể gâynguy hiểm và mất an toàn vì vậy chúng ta phải giảm mức độ phản ứng của bánh xedẫn hướng với vành lái Điều này được thực hiện bằng cách tăng tỷ số truyền của hệthống bằng cách điều khiển động cơ quay ngược chiều với chiều chuyển động của

vô lăng Ngoài ra, trong các trường hợp tránh chướng ngại vật khẩn cấp, để tăng khảnăng phản ứng động cơ được điều khiển quay cùng chiều để giảm tỷ số truyền nângcao khả năng phản ứng

1.2.2 Hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng

Hệ thống lái 4 bánh hoặc hệ thống lái tất cả các bánh (4WS – Four WheelSteering) có thể điều khiển tất cả các bánh trên ô tô, gia tăng tính ổn định của ô tôtại tốc độ cao và giảm góc đánh lái tại tốc độ thấp Hệ thống 4WS ra đời từ nhữngnăm 80, được trang bị trên Honda Preludes vào cuối những năm 1980 và đầu 1990.Trong hầu hết các hệ thống lái chủ động bốn bánh, bánh lái phía sau được điềukhiển bởi một máy tính và bộ chấp hành Bánh lái phía sau không thể xoay nhưbánh phía trước Một vài hệ thống ví dụ như trên ô tô Honda Prelude cho phép bánhsau xoay ngược hướng với bánh trước tại thời điểm vận tốc xe thấp Điều này chophép xe quay vòng với bánh kính nhỏ hơn, điều này rất cần thiết cho các xe tải nặnghoặc chiều dài quá khổ

Các xe có hệ thống lái điều khiển tất cả các bánh xe được chia làm hai loại:điều khiển phụ thuộc vào tải trọng (điều khiển thụ động) và điều khiển phụ thuộcvào vận tốc và góc quay vành lái (điều khiển chủ động)

a Điều khiển thụ động

Điều khiển thụ động phụ thuộc vào tải trọng bố trí trên một số ô tô con, vàđược thực hiện chủ yếu nhờ khả năng thay đổi vị trí chuyển hướng của các bánh xesau theo hệ thống treo Các loại xe có lắp hệ thống này đảm bảo tính quay vòng và

ổn định trên đường cong ở tốc độ cao Nhưng khi xe chạy thẳng trên đường gồ ghề,tải trọng đặt lên các bánh xe biến đổi làm xấu tính ổn định chuyển động thẳng, mặc

dù góc quay các bánh xe sau là rất nhỏ Các loại ô tô này có khả năng dẫn hướngbánh xe sau thông qua kết cấu hệ thống treo động học mềm (biến dạng động học),

hay sử dụng hệ treo của cầu dẫn hướng Tùy thuộc vào mức độ hoàn thiện kết cấucủa ô tô, các trạng thái này được xây dựng với các quy luật biến đổi quan hệ giữacác góc quay dẫn hướng trên các cầu khác nhau

Hệ thống điều khiển cầu sau thụ động bố trí trên ô tô Mitsubishi Sigma thế hệtrước đây được trình bày trên Hình 1.4 Mỗi bánh xe sau được treo trên ba thanhtheo kết cấu không gian: một thanh dọc 2 và hai thanh ngang 3, 5 Các liên kết gốitựa bố trí khớp cao su đàn hồi và tạo nên cơ cấu điều khiển chuyển hướng bánh sauthụ động theo các góc được tính toán trước Khi bánh xe dịch chuyển lên xuống ứngvới tải trọng nhỏ, sẽ thay đổi không đáng kể độ chụm bánh xe, góc nghiêng dọc vàkhông thay đổi tính chất, chuyển động của ô tô Các bánh xe sau còn liên hệ vớithân xe thông qua một ống thủy lực Dưới tác dụng của lực dọc (lực phanh), các ốngthủy lực biến dạng đẩy bánh sau theo hướng nâng cao độ chụm bánh xe không thayđổi Tuy nhiên, khi quay vòng ở tốc độ cao lực dọc gây nên trên các bánh xe khácnhau và có thể dẫn tới thay đổi độ chụm bánh xe, tương ứng với góc điều khiển vớibánh sau

Hình 1 4 Hệ thống điều khiển cầu sau thụ động bố trí trên ô tô Mitsubishi Sigma

Ngày nay, trên nhiều loại xe đã lắp hệ thống lái điều khiển tích cực Các bánh

xe sau của loại xe này đặt trên các hệ thống treo có khả năng dẫn hướng bánh xe,các đòn dẫn động lái (tương tự như bánh xe dẫn hướng cầu trước) Các bánh xe saucũng sử dụng cơ cấu lái dạng cơ khí hoặc cơ khí – thủy lực,…

b Điều khiển tích cực (4WAS – 4 Wheel Active Steering)

Từ năm 1987, nhằm nâng cao khả năng ổn định khi chuyển động với vận tốccao, đã xuất hiện các loại ô tô con có kết cấu điều khiển các bánh xe quay cùngchiều Nhờ việc kết hợp với giải pháp nâng cao khả năng cơ động khi ra vào chỗ đỗ,

và ổn định ở tốc độ cao, hệ thống lái 4WS ngày nay đã hình thành với 3 trạng tháiđiều khiển bánh xe cầu sau như trên Hình 1.5

Hình 1 5 Hệ thống lái 4WS với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu sau

Ba trạng thái điều khiển cơ bản khi chuyển động:

1 Khi góc quay vành lái nhỏ và sử dụng với tốc độ trung bình, các bánh xesau khóa cứng tương tự như kết cấu truyền thống (Hình 1.5b)

2 Các bánh xe trước và sau quay ngược chiều, trạng thái này bảo đảm để dễdàng quay đầu xe, ra vào chỗ đỗ, bán kính quay vòng nhỏ (Hình 1.5a)

3 Các bánh xe trước và sau quay cùng chiều, đảm bảo nâng cao khả năngquay vòng thiếu của xe, tức là tạo điều kiện nâng cao tính ổn định chuyển động khihoạt động ở vận tốc cao (Hình 1.5c)

Từ những đặc điểm của hệ thống 4WS trên được bố trí trên các dòng xe nhưhiện nay thì để đảm bảo tính ổn định của xe trong các điều kiện mất an toàn, chuyểnđộng quay vòng…, hệ thống lái 4WAS có các dạng điều khiển bảo đảm an toànnhư sau:

Điều khiển hoạt động cầu sau.

Điều khiển chuyển động trơn trợt: Trong trường hợp khi chuyển hướng, quayvòng hoặc điều kiện đường trơn trượt…bánh dẫn hướng phía trước đi lệch quỹ đạochuyển động của xe như Hình 1.6 về phía mũi tên đẩy cho xe trượt ngang về bênphải, trong trường hợp này thông qua hệ thống các cảm biến sẽ xác định quỹ đạo sailệch so với quỹ đạo mong muốn phụ thuộc vào góc quay của bánh xe dẫn hướng,điều khiển các bánh sau quay ngược chiều so với bánh trước để cân bằng góc lệchcủa bánh trước Như vậy thông qua sơ đồ trên ta thấy trong điều kiện này nhữngdòng xe có sử dụng hệ thống 4WAS sẽ có mức độ ổn định an toàn cao hơn khi xechuyển hướng

Hình 1 6 Điều khiển chuyển động trơn trợt Kiểm soát trực tiếp sự chạy lệch bánh sau (điều khiển chuyển động trơn trợt bánh sau (khẩn cấp)

Trong trường hợp khi bánh sau quay lệch hướng so với hướng chuyển độngthẳng của xe như trên Hình1.7 , trong trường hợp này do xe được trang bị hệ thốnglái 4 bánh (4WS) nên khi bánh sau có chuyển động lệch quỹ đạo chuyển động của

xe bất ngờ, nhưng do 4 bánh có thể điều khiển riêng biệt được do các cảm biến thuthập thông tin sai lệch quỹ đạo của bánh sau, dữ liệu được đưa về bộ điều khiểntrung tâm, dữ liệu được xử lý và điều khiển cho các bánh bên trái quay ngược so vớihướng trượt ngang của các bánh xe

Hình 1 7 Điều khiển chuyển động trơn trợt Kiểm soát hoạt động cầu trước

Kiểm soát tỷ lệ trượt ngang là quá trình các bánh sau bị trượt ngang khi đườngxấu, trên Hình 1.8

Hình 1 8 Kiểm soát tỷ lệ trượt ngang

Khi các bánh sau bị trượt lệch quỹ đạo của xe về bên phải nhưng do cầu trước

có thể điều khiển riêng biệt được và không phụ thuộc vào các bánh sau lên khi bánhsau trượt ngang thì thông qua các cảm biến và hệ thống kiểm soát sẽ thu thập thôngtin gửi về bộ điều khiển và xử lý dữ liệu điều khiển giữ cho bánh trước ổn định quỹđạo để kéo cho bánh sau chạy theo quỹ đạo của người lái điều khiển, giúp cho xekhông trượt khỏi bề mặt đường…

Như vậy thông qua các sơ đồ phân tích các trạng thái mất ổn định của xe khichuyển động trên ta thấy đối với các dòng xe có sử dụng hệ thống lái 4 bánh 4WS

có mức độ an toàn cao do 4 bánh có thể được điều khiển riêng biệt và tự cân bằngngược chiều với các bánh khác

1.2.3 Hệ thống cân bằng điện tử

Hệ thống cân bằng điện tử có tên chung là ESC – Elcectronic Stability Control

và tồn tại dưới nhiều tên thương mại khác nhau như: ESP – Electronic StabilityProgram của Mercedes – Benz VSC – Vehicle Stability Control của Toyota,…Nguyên lý chung của hệ thống này là tạo ra mô men làm quay thân xe để làm ổnđịnh quỹ đạo bằng cách phanh bánh xe ở một bên Hệ thống này sử dụng bộ phậnchấp hành của hệ thống phanh ABS và thường hoạt động kết hợp với hệ thống này.Trong mục sau tác giả sẽ trình bày chi tiết cấu tạo, nguyên lý và nguyên tắc điềukhiển

1.3 Phân tích hệ thống cân bằng điện tử

1.3.1 Quá trình hình thành và phát triển

ESC là tên viết tắt của Electronic Stability Control, là hệ thống an toàn trang

bị trên ô tô hiện đại Hệ thống này do kỹ sư người Đức đưa ra với tên gọi

Elektronisches Stabilitäts Program (ESP) và được Mercedes – Benz ứng dụng trên

ô tô lần đầu tiên vào năm 1995 Sau đó được giới thiệu tại hội chợ triển lãm ô tô tại

Mỹ với tên gọi ESC (Electronic Stability Control) và sau này được gọi là ESC đượchiệp hội kỹ sư ô tô Mỹ chấp nhận Mặc dù, nó có thể có tên gọi khác nhau tùy thuộcvào các nhà sản xuất

Có thể nói ESC là hệ thống còn rất mới mẻ đối với nước ta nhưng trên thế giớithì ESC đã trở thành một hệ thống khá quen thuộc đối với ngành công nghiệp ô tônói riêng và với người sử dụng ô tô nói chung Sự phổ biến của hệ thống này có thểthấy rõ qua những số liệu sau: ESC là tiêu chuẩn trên 40% xe khách năm 2006 vàtuỳ chọn trên 15% với các loại xe khác tại Đức Nó là tiêu chuẩn trên mọi xe: Audi

2006, BMW, Infiniti, Mercedes-Benz, Porsche Tám hãng chế tạo ô tô khác là:Cadillac, Jaguard, Randrover, Lexus, Mini, Toyota, Volkswagen, Volvo cũng đã đưa

ra ít nhất là tùy chọn trên tất cả các mẫu xe Đến năm 2004, Cục an toàn giao thôngquốc gia Mỹ, một số nhà sản xuất đã có kế hoạch chế tạo chuẩn ESC trên tất cả các

mẫu xe SUV Hiện nay tất cả các xe ô tô ở nước này đều trang bị hệ thống ổn địnhESC.

1.3.2 Cơ sở ra đời của hệ thống ESC

Tính ổn định của ô tô là khả năng giữ được quỹ đạo chuyển động theo yêu cầutrong mọi điều kiện khác nhau Tùy theo hiện trạng sử dụng ô tô có thể đang chuyểnđộng đường dốc, quay vòng, phanh trên các loại đường khác nhau,… Như vậy, tính

ổn định là phải giữ được quỹ đạo chuyển động sao cho không bị lật, không bị trượt,không lệch khỏi hành lang cho phép đảm bảo cho xe chạy an toàn Cùng với sự pháttriển của khoa học công nghệ, hiện nay trên ô tô tích hợp rất nhiều hệ thống an toànđảm bảo ổn định cho xe khi chuyển động

Hệ thống ổn định điện tử ESC là một thành tựu của ngành công nghiệp ô tôtrong việc nâng cao tính năng an toàn chuyển động Sự ra đời của ESC cùng với sựphát triển của các hệ thống điện tử an toàn khác như: ABS, EBD, TRC, BAS,… vàESC là sự kết hợp của các hệ thống trên, dựa trên cơ sở kế thừa và phát huy ưuđiểm của các hệ thống để kết hợp một cách hoàn hảo khắc phục các xu hướng gây

ra mất ổn định chuyển động cho xe Sơ đồ sự làm việc kết hợp của các hệ thống thểhiện trên Hình 1.9

Hình 1 9 Sự làm việc kết hợp giữa các hệ thống ESC, ABS và TRC

Từ sơ đồ trên ta có thể thấy hệ thống ESC làm việc dựa trên nền tảng sự kếthợp của hệ thống ABS phức hợp và hệ thống TRC Chính nhờ sự kết hợp này nên

hầu hết các nguyên nhân gây mất an toàn cho xe đều được kiểm soát và ngăn chănmột cách kịp thời ngay khi nó có xu hướng xảy ra

1.3.3 Cấu tạo chung của hệ thống ESC

Sơ đồ bố trí chung của hệ thống ESC của hãng MERCEDES thể hiện trênHình 1.10 gồm các phần tử chính như: cảm biến góc lệch chuyển động; cảm biếngóc quay thân xe; cảm biến gia tốc bên; cảm biến tốc độ xe; bộ phận tăng áp; bộphận chấp hành tại các bánh xe và ECU điều khiển

Hình 1 10 Sơ đồ bố trí chung của hệ thống ESC

Bộ phận thuỷ lực (Bộ phận chấp hành - Bộ phận thực hiện)

Bộ phận chấp hành gồm van điện từ giữ áp suất, van điện từ giảm áp suất,bơm, mô tơ, bình chứa (Hình 1.11) Khi bộ chấp hành nhận lệnh từ ECU điều khiểntrượt,van điện từ đóng hoặc ngắt và áp suất thủy lực của xi lanh ở bánh xe tănglên,giảm xuống hoặc được giữ để tối ưu hóa mức trượt cho mỗi bánh xe Ngoài ra,mạch thủy lực còn thay đổi để đáp ứng yêu cầu của mỗi loại điều khiển

Hình 1 11 Cấu tạo bộ phận thủy lực Cảm biến góc xoay vô lăng

Bộ cảm biến góc xoay vô lăng gồm có một đĩa có rãnh, một máy tính và ba bộngắt quang học (SS1, SS2, SS3) thể hiện trên Hình 1.12 Các tín hiệu do các bộ ngắtquang học SS1, SS2, SS3 (Hình 1.13) phát hiện được máy tính biến đổi thành tínhiệu chuỗi để đưa vào ECU, ECU sẽ phát hiện vị trí trung gian của vô lăng, chiềuquay hoặc góc quay của vô lăng bằng sự tổ hợp của các tín hiệu này

Hình 1 12 Cảm biến góc xoay vô lăng

Hình 1 14 Cấu tạo cảm biến độ lệch ngang thân xe

Để phát hiện độ lệch hướng, người ta đặt điện áp xoay chiều vào phần rung,điện áp này làm cho nó rung Sau đó, mức lệch hướng được phát hiện từ phần pháthiện theo mức lệch và hướng lệch của miếng gốm áp điện, do tác động của lựccoriolis được tạo ra quanh cái cộng hưởng.

Cảm biến tốc độ góc bánh xe

Trên xe sử dụng 4 cảm biến tốc độ: hai cho cầu trước và 2 cho cầu sau Cảmbiến đo tốc độ được hình thành theo nguyên tắc làm việc của máy phát tốc xoaychiều thể hiện trên (Hình 1.15)

Hệ thống thủy lực

Hệ thống thủy lực bao gồm: Xy lanh phanh chính (có bộ trợ lực); Bơm sơ cấp;Cụm piston sơ cấp và cảm biến áp suất; Bộ phận thủy lực; Các xi lanh phanh bánh

xe (Hình 1.16)

Hình 1 16 Sơ đồ mạch thủy lực hệ thống cân bằng điện tử

1 – Xi lanh phanh chính; 2 – Bơm sơ cấp; 3 – Piston sơ cấp; 4,7 – Van sơ cấp;5,6 – Van chuyển đổi; 8 – Van cấp sau trái; 9 – Van cấp trước phải; 10 – Van cấp trước trái; 11 – Van cấp trước phải; 12 – Van hồi bánh sau trái; 13 – Van hồi bánhsau phải; 14 – Van hồi bánh trước trái; 15 – Van hồi bánh trước phải; 16 – Bơm hồi;

RL – Sau trái; RR – Sau phải; FL – Trước trái; FR – Trước phải

Bơm sơ cấp có nhiệm vụ cung cấp dầu có áp suất cao cho piston nạp, nó luôngiữ áp suất quy định cho piston nạp để piston nạp sẵn sàng cung cấp áp suất cho bộphận thủy lực

Piston nạp có nhiệm vụ cung cấp dầu có áp suất cao cho các phần tử thủy lực,

áp suất ban đầu khoảng 15bar

Các van điện từ có nhiệm vụ đóng ngắt cấp dầu hoặc ngắt dầu tới các xy lanhphanh bánh xe Các van hồi dầu có nhiệm vụ hồi dầu từ xy lanh phanh bánh xe hoặc

xả dầu từ xy lanh phanh bánh xe Các trạng thái đóng, mở của van cấp hay van hồi

do ECU gửi các tín hiệu đến khi cần thiết

1.3.4 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống ESC

Cũng giống như hệ thống lái tích cực hệ thống cân bằng điện tử kiểm soát ổnđịnh của ô tô khi chuyển động dựa trên các tín hiệu đầu vào đo được như: vận tốc ô

tô, góc điều khiển của người lái, gia tốc lệch bên của xe, … từ đó bộ điều khiểnđược kích hoạt gửi đến bộ phận chấp hành phanh ABS để tạo ra một lực phanh vềmột phía để tạo ra mô men quay thân xe làm ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô.Giá trị phản hồi đo được từ cảm biến đo vận tốc góc quay của thân xe, từ đó máytính sẽ so sánh tín hiệu phản hồi thu được và tín hiệu điều khiển mong muốn đãđược thiết lập trong máy Nếu chúng có sự sai khác lớn hơn so với sai khác chophép được ghi trong bộ nhớ thì ESC tiến hành tiến hành điều chỉnh lại.

Khi xe vào cua ở tốc độ cao do sự trượt ngang của các bánh xe dẫn đến quỹđạo chuyển động của ô tô không đúng theo quỹ đạo mong muốn Trường hợp ô tô

có xu hướng trượt ra khỏi quỹ đạo mong muốn so với tâm quay vòng (Hình 1.17),trường hợp này gọi là quay vòng thiếu (bán kính quay vòng lớn hơn so với bán kínhquay vòng mong muốn)

Hình 1 17 Hoạt động của ESP khi ô tô quay vòng thiếu

Nhìn vào hình vẽ trên chúng ta có thể thấy: khi xe vào cua ở tốc độ cao nếungười lái đánh lái quá non (còn gọi là đánh lái thiếu) xe sẽ có xu hướng bị văngngang (đường màu đỏ) ra khỏi cung đường điều khiển mong muốn (đường màuxanh) xe mất an toàn và có thể gây ra tai nạn Khi xe bắt đầu có xu hướng trượtngang, cảm biến trượt ngang và góc lái xe gửi tín hiệu về hộp điều khiển ESC, dựavào các tín hiệu đó ESC sẽ tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển thực hiện việc chủđộng phanh bánh phía đối diện với hướng xe bị trượt (bánh sau bên phải), lực phanhtạo ra tại bánh xe có tác dụng như một tâm quay để tạo ra mô men bù lại lực trượt

Tương tự cách giải thích như trường hợp 1, tình huống này do người lái thựchiện việc đánh lái bị quá nhiều khi vào cua gấp dẫn đến hiện tượng xe có thể bịvăng đuôi và chệch khỏi quỹ đạo của cung đường mong muốn Khi đó hộp điềukhiển ESC cũng sẽ gửi tín hiệu điều khiển thực hiện việc phanh bánh trước bên lái,lực phanh tạo thành tâm quay (vì khi đó các bánh bên phải vẫn quay bình thường)

và sinh ra mô men bù để giữ cho xe cân bằng, ổn định và tiến về phía trước theođúng cung đường mong muốn

Hình 1 18 Hoạt động của ESC khi ô tô quay vòng thừa

Cả 2 trường hợp điều khiển trên thì ESC hoạt động một cách tự động, khôngcần người lái tác động lên bàn đạp phanh ESC hoạt động một cách tự động phụthuộc và trạng thái xe đang hoạt động Khi ESC hoạt động đèn cảnh báo trên đồng

hồ taplo sẽ sáng nhấp nháy, đồng thời hệ thống phanh phát ra tiếng kêu “khục khục”

đó là do hệ thống đang làm việc

1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

Vấn đề điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô được các tác giảtrong và ngoài nước nghiên cứu quan tâm nghiên cứu Các hướng nghiên cứu baogồm: nghiên cứu đặc tính bám của lốp; mô hình động lực học tương tác theophương dọc, ngang của lốp; nghiên cứu mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô;nghiên cứu điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô; nghiên cứu hệ thốnglái tích cực; kết hợp giữa các hệ thống lái tích cực và hệ thống phanh

Về hướng nghiên cứu điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô theonguyên lý điều khiển của hệ thống ESC, các nội dung nghiên cứu chủ yếu là thiếtlập mô hình động lực học của ô tô với hệ thống ESC sau đó tiến hành mô phỏng vàkhảo sát đánh giá quá trình điều khiển quỹ đạo chuyển động bằng các phần mềmnhư Matlab, Carmaker, MSC ADAMS/Car… tiêu biểu như các công trình sau:

Công trình của các tác giả Liangmo Wang, Li Tan, Li-hua An, Zhi-lin Wu, Li

Li [6] đã xây dựng một mô hình động lực học đa vật thể ô tô bằng phần mềmMSC.ADAMS/Car được sử dụng để kiểm tra độ tin cậy của hệ thống ESP Để cảithiện hiệu suất điều khiển, bộ điều khiển được sử dụng trong các hệ thống ESP đượcthiết kế theo bộ điều khiển logic mờ và PID Sau đó, một mô hình mô phỏng chungđược thành lập trong một môi trường MATLAB / Simulink, trong đó các moduleđiều khiển ESP được nhúng vào các mô hình động xe đã xây dựng được từADAMS/Car Sau khi xây dựng mô hình trong môi trường ADAMS/Car, mô phỏngthí nghiệm được thực hiện qua các trường hợp đánh lái, thay đổi làn khẩn cấp, vàocua gấp để nghiên cứu phản ứng của mô hình ô tô trong các trường hợp khác nhau

và phát triển hệ thống ESP Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng hệ thống ESP đượcthiết kế có thể cải thiện tính điều khiển phương tiện, nâng cao sự ổn định và thíchnghi với những con đường và điều kiện lái xe khác nhau

Sử dụng các mô-đun điều khiển của ADAMS/Control trong ADAMS xâydựng được một mô hình hệ thống cơ khí mô hình động lực học của ô tô, sau đó thựchiện các mô phỏng và phân tích Các biến đầu vào (biến điều khiển) và chín cácbiến đầu ra (biến sensor) được tạo ra thông qua thuật mô phỏng sẵn có trong ADAMthể hiện trong Hình 1.19

Các thuật toán điều khiển ESP được thiết kế để có cấu trúc phân cấp thể hiệntrong Nó được chia thành ba lớp điều khiển: (1) kiểm soát mô-men quay thân xe;(2) Kiểm soát hệ số trượt quay (áp lực phanh); và (3) Kiểm soát các bơm và van

Hình 1.19 Sơ đồ khối mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô [1]

Hình 1 20 Cấu trúc bộ điều khiển ESP [6]

Lớp kiểm soát đầu tiên sử dụng các trạng thái xe là đối tượng kiểm soát Bộđiều khiển ESP (ECU) liên tục tính toán Δωγ và Δβ, được xác định là sai số giữacác giá trị danh nghĩa và giá trị thực tế của các hệ số trượt và góc lệch hướngchuyển động Nếu cả hai sai số trong giới hạn, hệ thống ESP sẽ không hoạt động.Khi sai số quá giới hạn, hệ thống ESP sẽ kích hoạt theo các bước sau: lớp đầu tiênsẽ tính toán mô-men quay thân xe cần thiết ΔM theo Δωγ và Δβ và sử dụng ΔM thuđược để xác định các hệ số trượt tối ưu cho mỗi bánh xe và để xác định số gia hệ số

trượt Δλ cho lớp điều khiển thứ hai Lớp điều khiển thứ hai sau đó sẽ sử dụng mỗibánh xe là đối tượng điều khiển Từ số gia hệ số trượt Δλ và hệ số trượt thực tế,thống ESP sẽ tính toán lực phanh phù hợp cho mỗi bánh xe và sau đó xác định ápsuất phanh cũng như thời gian đóng mở cho tất cả các van điện từ của thệ thốngphanh phanh Cuối cùng, lớp thứ ba sẽ kết hợp các phần điều khiển cứng của van,máy bơm….

Xu hướng thứ 2: Nghiên cứu lý thuyết các thuật giải cho bộ điều khiển ESP,tiêu biểu là các công trình:

Công trình nghiên cứu ổn định hướng chuyển động của ô tô của Sohel Anwar[7] đã trình bày hướng theo nghiên cứu lý thuyết và kết quả thí nghiệm của một hệthống kiểm soát ổn định xe dựa trên phương pháp tổng quát điều khiển dự báo(generalized predictive control) Mô hình sử dụng để khảo sát là mô hình tuyến tính

Bộ điều khiển sẽ dự đoán vận tốc góc (trong tương lai) của ô tô và điều khiển ở thờiđiểm hiện tại dựa trên hệ số đó Bộ điều khiển căn cứ vào sự gia tăng sai lệch củavận tốc góc khi ô tô quay vòng thiếu hoặc thừa trên một bề mặt đường có hệ số bámxác định

Các thuật toán điều khiển so sánh giữa vận tốc góc thực tế đo từ cảm biến vậntốc góc (yaw rate sensor) với vận tốc góc lý tưởng (do nhà sản xuất cung cấp dựatrên vận tốc xe và góc đánh lái) Nếu sai số đó vượt qua một ngưỡng nào đó, mộtmomen quay ổn định thân xe sẽ được xác định dựa trên thuật toán điều khiển dựbáo Trong các trạng thái quay vòng, mô men điều khiển được tạo ra dựa trên sựkiểm soát các mô men phanh tại các bánh xe Luật điều khiển này được áp dụngtrên chiếc xe thử nghiệm được trang bị hệ thống phanh thủy lực-điện tử Kết quảthử nghiệm cho thấy các tính năng dự đoán của bộ điều khiển đã điều khiển hiệuquả để kiểm soát sự ổn định xe

Trong công trình nghiên cứu theo tài liệu [8], các tác giả đã nghiên cứu ứngdụng điều khiển tích hợp của mô men quay thân xe quanh trục thẳng đứng và quanhtrục dọc xe để nâng cao sự an toàn hoạt động của xe đường cao tốc trong các trườnghợp Thuật giải LQR được sử dụng trong kiểm soát ổn định góc quay của thân xequanh trục dọc, bộ điều khiển PI được sử dụng trong kiểm soát ổn định góc quay

của thân xe quanh trục thẳng đứng Sử dụng phần mềm Carsim và MATLAB, môphỏng các chuyển động vào cua ngặt và đổi làn được sử dụng để đánh giá hiệu quảcủa các phương pháp kiểm soát

Mô hình khảo sát sử dụng trong công trình là mô hình phẳng, 2 bậc tự do (đểđiều khiển ổn định góc quay thân xe quanh trục thẳng đứng) thể hiện trên Hình 1.21

Hình 1 21 Mô hình nghiên cứu điều khiển quỹ đạo chuyển động

Và mô hình 3 bậc tự do được sử dụng để điều khiển ổn định lắc ngang củathân xe (Hình 1.22)

Hình 1 22 Mô hình trong mặt phẳng ngang nghiên cứu ổn định lắc ngang

của ô tô

Các tác giả đã tích hợp các bộ điều khiển ổn định lắc ngang và ổn định gócxoay thân xe như sơ đồ Hình 1.23 Các kết quả khảo sát đã cho thấy bộ điều khiểnnày hoạt động tốt trong việc duy trì sự ổn định lắc xe theo trục dọc xe và xoay xequanh trục thẳng đứng Nghiên cứu này đưa ra một cơ sở lý thuyết đối với phương

pháp điều khiển kế hợp giữa ổn định theo phương ngang và theo phương thẳngđứng của ô tô

Hình 1 23 Sơ đồ điều khiển tích hợp

Năm 2013, Ali Roshanbin và Mahyar Naraghi [9] đã nghiên cứu điều khiển

ổn định chuyển động với bộ điều khiển mờ (Fuzzy) Trong công trình này, một bộđiều khiển được tạo ra điều khiển xe đi theo quỹ đạo mong muốn theo lệnh củangười lái xe Trong đó, góc lệch hướng chuyển động và và vận tốc xoay thân xeđược tính toán dựa trên mô đơn giản của ô tô là mô hình một vết (gọi là mô hình xeđạp), sau đó hai thông số và tích hợp đưa vào bộ điều khiển để tính tổng mô men vàlực ngang cần thiết để ổn định hướng cho xe Hai bộ điều khiển mờ riêng biệt được

sử dụng, một để kiểm soát vận tốc góc xoay thân xe r và bộ còn lại để kiểm soát góc lệch hướng chuyển động (β)

Hình 1 24 Mô hình điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô trong [9]

Để so sánh giữa việc sử dụng các bộ điều khiển logic mờ tiêu chuẩn và bộđiều khiển mờ tích hợp Một mô hình khảo sát động lực học phi tuyến 9 bậc tự docủa xe (bao gồm mô hình lốp Dugoff) được sử dụng cho các mục đích mô phỏng

Để điều tra sự khác biệt giữa điều khiển mờ tiêu chuẩn và chương trình điềukhiển mờ biến đổi chúng ta xem xét một sự thay đổi làn đường gấp Chiếc xe chạyvới vận tốc ban đầu là 120 km / h trong 0.5 s cùng với góc đánh lái là 60 độ với quyluật hình sin, với tần số 0,5 Hz, trên mặt đường khô (µi=1), tỉ số truyền hệ thống láibằng 18 Các khảo sát được thực hiện trong trường hợp không có lực phanh Sosánh vận tốc góc và góc lệch bênh khi sử dụng điều khiển mờ tiêu chuẩn và sửa đổitích hợp, được thể hiện trong Hình 1.25:

Hình 1 25 So sánh hiệu quả điều khiển với các thuật toán khác nhau

Kết quả cho thấy hiệu năng của hệ thống kiểm soát và chỉ ra rằng bộ điềukhiển mờ sửa đổi hệ thống điều khiển xe tích hợp hiệu quả hơn so với bộ điều khiểnlogic mờ tiêu chuẩn

Nhìn chung, các nghiên cứu về ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô đượctiến hành theo nhiều hướng, một trong các hướng tập trung vào việc ứng dụng cácthuật toán điều khiển như điều khiển Logic mờ (Fuzzy logic), PID, điều khiển dựbáo (GPC), điều khiển bám quỹ đạo…và được mô phỏng, kiểm nghiệm trên cácphần mềm như Matlab, ADAM… Hầu hết các bộ điều khiển, các thuật giải đều điềukhiển dựa trên sự sai số giữa các đại lượng: vận tốc góc xoay thân xe, góc lệchhướng chuyển động theo điều kiện lý tưởng và trong thực tế, từ đó tính toán các giá

trị điều khiển tới thời điểm phanh, tạo mô men phanh tại các bánh xe để tạo mô menđiều khiển thân xe Đây cũng là xu hướng nghiên cứu chính của luận văn.

Tác giả cũng đã tập trung tìm hiểu, phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động các

hệ thống ổn định hướng chuyển động của ô tô đã và đang được sử dụng bao gồm:

- Hệ thống lái chủ động

- Hệ thống lái bốn bánh 4WS

- Hệ thống cân bằng điện tử ESC

Các nghiên cứu ngoài nước, trong nước về xu hướng ứng dụng các thuật giảicho các bộ điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động; các bộ điều khiển tích hợpgiữa các hệ thống (như hệ thống lái, phanh…) nhằm hỗ trợ kiểm soát ổn định quỹđạo chuyển động

Trên cơ sở đó, tác giả tập trung vào xây dựng mô hình động lực học của ô tôtrong một số trường hợp chuyển động, phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến quỹđạo chuyển động Từ đó thiết kế bộ điều khiển ổn định chuyển động quỹ đạo của ô tô

Nội dung của luận văn: Dựa trên cơ sở lý thuyết, thiết lập mô hình mô phỏngquỹ đạo chuyển động của ô tô bằng phần mềm Matlab/SimuLink phục vụ cho việcnghiên cứu điều khiển ổn định chuyển động quỹ đạo góp phần vào việc giải quyếtbài toán đánh giá chất lượng chuyển động cũng như việc thiết kế bộ điều khiển ổnđịnh chuyển động của ô tô trong thực tế

Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu nghiên cứu của luận văn là xecon được mô hình hóa bằng phần mềm Matlab SimuLink

37

CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ KHI ĐỔI HƯỚNG

2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình

Mô hình động lực học chuyển động ô tô tổng quát của ô tô là một hệ thống cơhọc phức tạp gồm nhiều bậc tự do và liên kết phức tạp như liên kết giữa lốp xe vớimặt đường theo 3 phương… Trong mô hình động lực học thông thường gồm có cácphần tử có khối lượng và các liên kết Để đơn giản hóa khi xây dựng mô hình độnglực học người ta thường đưa vào các giả thiết vật lý và rút gọn mô hình trên cơ sởquy dẫn các thành phần của mô hình Từ mô hình động lực học, để xây dựng môhình toán có thể sử dụng nhiều phương pháp như phương trình Lagrange loại 2,nguyên lý Dalambe, phương pháp họa đồ (bond graph), phương pháp hệ thốngcon Trong chương này này luận văn trình bày hai phương pháp phổ biến để xâydựng mô hình toán cho hệ động lực học đó là phương phương trình Lagrange loại 2

n i

2

2 1

m i

Trong đó: Ji- mô men quán tính khối tương ứng mỗi vật; θi- dịch chuyển góc

góc tương ứng mỗi phần tử; mi - khối lượng quán tính; xi - dịch chuyển của phần

tử i theo phương xi; Fij - ngoại lực tác dụng lên phân tử theo phương xi; Mij - mômen tác dụng lên phần tử theo chiều dịch chuyển θi

2.1.2 Phương trình Lagrange loại 2

Xét hệ cơ học có n tọa độ suy rộng, động năng, thế năng đàn hồi và nănglượng khuyết tán của hệ được xác định tương ứng theo các công thức sau:

J , mj - tương ứng là mô men quán tính khối và khối lượng của

phần tử tương ứng, k l n + = ; θi, xj - dịch chuyển góc và dịch chuyển dài củaphần tử

- Thế năng của hệ:

2 1

Trong đó: δ i - biến dạng (dài, góc) của phần tử có độ cứng (chống biến dạng

dài, góc) Ci, δ θ θi = −j k; - số lượng phần tử có độ đàn hồi

- Năng lượng khuyết tán:

2 1

Trong đó: δ &i - vận tốc biến dạng của phần tử có độ cản nhớt Ki

Phương trình Lagrange loại II cho cơ hệ được viết như sau:

i i

 &  & & (2.6)

2.2 Các mô hình nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô

Trong nghiên cứu ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, tùy theo mục tiêu vàphạm vi nghiên cứu người ta lựa chọn mô hình nghiên cứu phù hợp, không quáphức tạp cũng không quá đơn giản quá làm mất tính chất của đối tượng nghiên cứu.Các mô hình được sử dụng để nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô thường là

mô hình trong không gian, mô hình hai vết trong mặt phẳng (biểu diễn trên mặtphẳng của đường), mô hình một vết, mô hình bánh xe

2.2.1 Mô hình chuyển động tổng quát của ô tô

Trong trường hợp tổng quát mô hình chuyển động của ô tô trong không giangồm 9 bậc tự do (tọa độ suy rộng) Đối với thân xe có 6 bậc tự do: dịch chuyển theophương thẳng đứng (phương OZ); góc quay thân xe theo trục OZ (yaw angle); dịchchuyển theo phương dọc (OX); góc lắc ngang của thân xe (roll angle); dịch chuyểntheo phương ngang (OY); góc lắc dọc của thân xe (pitch angle) Đối với mỗi bánh

xe dẫn hướng có 3 bậc tự do: dịch chuyển theo phương thẳng đứng do sự kích thíchcủa mấp mô mặt đường (wheel lift); góc quay bánh xe theo trục của nó và góc quay