Nghiên cứu hệ thống lái steer by wire điện tử thủy lực TT

Trên thế giới đã có nhiều tác giả nghiên cứu về hệ thống lái SBW, nhưng những nghiên cứu khoa học này rất khó để tiếp cận các nghiên cứu bản quyền, nghiên cứu đặt hàng của các nhà sản xu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN XUÂN TUẤN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG LÁI STEER BY

WIRE ĐIỆN TỬ - THỦY LỰC

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 9520116

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2021

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Giao thông vận tải

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Nguyễn Văn Bang

PGS.TS Đinh Thị Thanh Huyền

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu:

Hệ thống lái Steer by wire (SBW) là một trong các hệ thống trên ô tô được ứng dụng công nghệ điện tử Thời gian gần đây có nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới đã và đang nghiên cứu để hoàn thiện hệ thống này, các nghiên cứu cũng là tiền đề phát triển cộng nghệ lái tự động

Công nghệ lái hiện đại này được dự báo sẽ sử dụng trên phương tiện vận tải trong tương lai tại các thành phố lớn Do vậy, nghiên cứu hệ thống lái SBW có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn nhằm nắm bắt các công nghệ tiên tiến trên thế giới để từng bước làm chủ công nghệ

Trên thế giới đã có nhiều tác giả nghiên cứu về hệ thống lái SBW, nhưng những nghiên cứu khoa học này rất khó để tiếp cận (các nghiên cứu bản quyền, nghiên cứu đặt hàng của các nhà sản xuất…), hoặc các nghiên cứu mới dừng ở mức độ mô phỏng hoặc nghiên cứu mới thực nghiệm trên mô hình mà chưa thực sự được kiểm chứng trên ô tô thực

Ở nước ta cũng đã có một số nghiên cứu trong vài năm gần đây về hệ thống lái SBW, tuy nhiên các nghiên cứu mới chỉ dừng lại trên mô hình bán thực nghiệm Do đó việc nghiên cứu hệ thống lái SBW đầy đủ về cả phương diện lý thuyết và kiểm nghiệm trên xe ô tô thực tế là rất cần thiết

 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Hệ thống lái trợ lực thủy lực trên ô tô tải HINO 300Series

- Nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm để chuyển đổi hệ thống lái có trợ lực thủy lực trên ô tải HINO 300Series sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực Bơm thủy lực trợ lực lái vẫn được dẫn động trực tiếp

từ động cơ của ô tô

 Ý nghĩa khoa học của nghiên cứu:

- Là nghiên cứu đầu tiên ở Việt nam hoàn thành việc chuyển đổi hệ thống lái có trợ lực thủy lực trên ô tô HINO 300Series thành hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực

- Đã xây dựng mô hình động lực học và mô hình mô phỏng hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực phù hợp với đối tượng nghiên cứu, đạt độ chính xác cần thiết

- Nghiên cứu phương pháp điều khiển phù hợp, xây dựng luật điều khiển Thiết kế chế tạo bộ điều khiển công nghiệp hoạt động ổn định trên đối tượng nghiên cứu

 Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu:

- Hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực lắp trên Ô tô HINO 300Series

là sản phẩm công nghiệp đã được thử nghiệm không tải, có tải tại chỗ và vận hành trên đường giao thông nội bộ

- Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng cho việc giảng dạy, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ

- Mở ra một hướng nghiên cứu mới về việc chuyển đổi từ hệ thống lái

ô tô thông thường sang hệ thống lái SBW

 Đóng góp của nghiên cứu:

- Đã nghiên cứu chuyển đổi thành công hệ thống lái có trợ lực thủy lực trên xe ô tô HINO 300Series sang hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực Sản phẩm hoàn thành là hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực lắp trên xe hoạt động ổn định, tin cậy ở các chế độ khai thác trong thực tế

- Mô hình lý thuyết, các thông số của hệ thống được tính toán và đo đạc từ các bộ xử lý, cảm biến điện tử cho kết quả chính xác; Bộ số liệu thực nghiệm được tiến hành công phu, đầy đủ với các thiết bị, dụng cụ thí nghiệm hiện đại đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy

- Đã nghiên cứu tạo cảm giác lái cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực đầy đủ nhất bao gồm: Tạo mô men cảm giác khi đánh lái; Giới hạn vành lái khi đánh hết lái về hai phía bằng điện; Tự động trả vành lái về điểm cân bằng tương ứng với khi ô tô chuyển động thẳng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 HT lái với vấn đề quay vòng và ổn định hướng chuyển động

Trong một số trường hợp, việc sử dụng hệ thống lái thay vì phanh sẽ

an toàn hơn bởi vì việc đánh lái phát sinh ít ma sát hơn giữa lốp xe và mặt đường Khi lốp xe phía sau đã đạt đến giới hạn độ bám, lúc này kiểm soát duy nhất là bánh xe phía trước, nếu phanh trong tình huống này thường dẫn đến xe bị mất hướng và quay tròn không thể kiểm soát được [13], [15] Hệ thống lái Steer by wire (SBW)

1.2.1 Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống lái SBW

Các hệ thống lái SBW đã được nghiên cứu hiện nay biểu diễn từ Hình 1.9 đến Hình 1.11:

Hình 1.9: HT lái SBW- 3 động cơ điện

Hình 1.10 hệ thống lái SBW sử dụng bộ chấp hành dẫn hướng gồm 1 động cơ điện làm quay cơ cấu lái bánh răng thanh răng, thông qua hình thang lái để làm quay các bánh xe dẫn hướng

Hình 1.10: HT lái SBW- 1 động cơ điện

Hình 1.11 hệ thống lái SBW trong đó động cơ điện sẽ làm quay cơ cấu lái và trong hệ thống còn có bộ trợ lực thủy lực

Hình 1.11: HT lái SBW trợ lực TL

1.2.2 Chuyển đổi hệ thống lái thông thường sang hệ thống lái SBW

Thay vì sử dụng trục lái cơ khí để truyền động đến cơ cấu lái, hệ thống lái SBW sử dụng một bộ chấp hành lái gồm 1 động cơ làm nhiệm vụ tạo cảm giác, 1 động cơ làm nhiệm vụ quay cơ cấu lái và bộ điều khiển điện tử như Hình 1.12

Hình 1.12: Chuyển đổi sang hệ thống lái SBW

1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Các nghiên cứu trong nước:

- Nghiên cứu của tác giả Trần Văn Lợi – Trường ĐH GTVT [1] ÷ [6]: Xây dựng mô hình động lực học của hệ thống lái điện và xây dựng thuật toán điều khiển bám giữa vành lái và bộ phận chấp hành bằng bộ điều khiển Fuzzy-PID

- Nghiên cứu tạo cảm giác lái của tác giả Nguyễn Bá Hải [20]: Nghiên cứu dựa vào phương pháp đo dòng, áp tuy nhiên kết quả vẫn chưa giải quyết được vấn đề mất ổn định của hệ thống lái không trục tại vị trí giới hạn quay vòng của vành lái

1.3.2 Các nghiên cứu ngoài nước:

 Nghiên cứu về mô hình và động lực học hệ thống lái SBW:

Nghiên cứu của tác giả Sheikh Muhamad Hafiz fahami1 [21] Nghiên cứu Paul Yih, J Christian Gerdes [22]; Nghiên cứu của tác giả Eid S Mohamed, Saeed A Albatlan [23]

 Nghiên cứu về điều khiển:

Nghiên cứu của tác giả Paul Yih [13]; Nghiên cứu của A dem Kader (SBW) [24]; Nghiên cứu của Jack J Kenned, Professor V.R Patil [25]; Nghiên cứu của các tác giả Chunyan Wang, Dong Zhou, Wanzhong Zhao, Xiaoyue Gu [26]; Nghiên cứu của các tác giả Salem Haggag, David Alstrom, Sabri Cetinkunt, and Alex Egelja [27]; Nghiên cứu của tác giả Yixin Yao [28]; Nghiên cứu của các tác giả Se-Wook Oh, Ho - chol CHAE, Seok – Chan YUN [29]; Nhóm nghiên cứu thuộc Trường đại học Swinburne, Melbourne, Úc [30]; Nhóm nghiên cứu thuộc trung tâm nghiên cứu hãng Renault, Carlos Canudas-deWit, Xavier Claeys, J Coudon and Xavier Claeys [31]; Nghiên cứu của tác giả Sheikh Muhamad Hafiz [21]

 Nghiên cứu về cảm giác lái:

Nghiên cứu của Se Wook Oh [29]; Nghiên cứu của F.Bolourchi [32]; Nghiên cứu của Ba-Hai Nguyen, Jee-Hwan Ryu [20]; Nghiên cứu của Emad Mehdizadeh, Mansour Kabganian, and Reza Kazemi [34]; Các nghiên cứu của Andrew Liu và Stacey Chang[35]; Nghiên cứu của Paul Jih [13]

1.3 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu chuyển hệ thống lái thông thường có trợ lực thủy lực sang

hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực trên xe ô tô thực

1.4.2 Nội dung nghiên cứu

Luận án có 04 chương:

- Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

- Chương 2 Xây dựng mô hình ĐLH và mô hình mô phỏng hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực bằng phần mềm Matlab/Simulink

- Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực bằng phương pháp điều khiển SMC

- Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm ô tô HINO 300Series với hệ thống lái trợ lực thủy lực; Thực nghiệm trên ô tô với hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực; Kiểm chứng mô hình lý thuyết với thực nghiệm

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

 Nghiên cứu lý thuyết:

- Xây dựng mô hình động lực học và mô hình mô phỏng hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực

- Xây dựng luật điều khiển cho các cơ cấu chấp hành

 Nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành trên xe HINO 300Series để lấy

số liệu đầu vào cho mô hình lý thuyết và kiểm chứng mô hình

- Đã xác định được phương pháp và nội dung nghiên cứu của LA

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HT LÁI SBW ĐIỆN TỬ - THỦY LỰC 2.1 Cơ sở lý thuyết

Hệ thống lái SBW là hệ thống cơ học gồm nhiều bậc tự do và có liên kết phức tạp, trong mô hình động lực học thường gồm có các phần tử có khối lượng và các liên kết Để xây dựng mô hình toán LA sử dụng phương trình Lagrange loại 2, nguyên lý Dalambe để chuyển bài toán động lực học về bài toán tĩnh học bằng cách đưa các mô men quán tính khối lượng, khối lượng quán tính vào cơ hệ Khi đó phương trình chuyển động sẽ được thiết lập trên

cơ sở lấy tổng các mô men, lực tác dụng lên cơ hệ [7]

2.2 Xây dựng mô hình ĐLH hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực 2.2.1 Các giả thiết xây dựng mô hình

Các khâu của mô hình cơ học có khối lượng tập trung đặt tại trọng tâm; Độ cứng và hệ số cản là hằng số; Tốc độ chuyển động của ô tô không đổi; Tốc

độ quay vành lái không đổi; Coi HT thủy lực là đoạn nhiệt và đẳng nhiệt; Hệ

số lưu lượng dòng chảy không đổi; Áp suất đầu ra của bơm thủy lực không đổi; HT điện có điện áp nguồn ổn định; Từ thông của Stato không đổi; Hệ số

mô men và sức phản điện động của động cơ không đổi

Hình 2.4: Mô hình động lực học hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực

Mối quan hệ vật lý, đầu vào, ra giữa các mô hình con trong hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực được trình bày như Hình 2.5:

Hình 2.5: Sơ đồ quan hệ vật lý giữa các mô hình con trong hệ

thống lái SBW điện tử - thủy lực

2.2.2 Hệ thống trợ lực thủy lực

Hệ thống trợ lực thủy lực được mô hình hóa như Hình 2.6 [36]÷[39] Lực tác dụng lên pít tông làm pít tông dịch chuyển được tính theo phương trình (2.25):

Hình 2.6: Mô hình ĐLH hệ thống thủy lực

2.2.3 Động cơ điện một chiều

Mô hình của phần ứng động cơ điện một chiều như Hình 2.7

Hình 2.7: Mô hình phần ứng động cơ điện một chiều

Phương trình (2.36) của động cơ điện được sử dụng trong HT lái:

𝐽𝑚𝜃̈𝑚(𝑡) + (𝐵𝑚+ 𝐾𝑏𝐾𝑚/𝑅)𝜃̇𝑚(𝑡)

= (𝐾𝑚/𝑅)𝑉(𝑡) − 𝜏𝑙(𝑡)/𝑖𝑚

(2.36)

2.2.4 Cụm bánh xe dẫn hướng

Mô men cản liên quan đến các góc đặt bánh xe với mặt đường, được

mô tả như Hình 2.8 [34], được xác định bằng công thức (2.40):

Hình 2.8: Mô hình bánh xe DH với mặt đường

𝑇𝐹_𝐺 = (𝑡𝑝+ 𝑟 𝑡𝑎𝑛𝑣)𝑐𝑜𝑠√𝜆2+ 𝑣2𝐹𝑦𝑓+ 𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜆 𝑠𝑖𝑛𝛿 𝐹𝑧𝑓 (2.40)

2.2.5 Cụm vành lái

Mô hình động lực học vành lái biểu diễn như Hình 2.9 Phương trình vi phân

chuyển động của VL biểu diễn bởi phương trình (2.41) và (2.42):

Mô hình động lực học bộ chấp hành dẫn hướng được biểu diễn như

Hình 2.10 [36] Phương trình vi phân chuyển được biểu diễn từ phương trình

𝐽𝑝𝜃̈𝑝= −𝐶𝑝(𝜃̇𝑝−𝑥̇𝑟

𝑁) − 𝐾𝑝(𝜃𝑝−

𝑥 𝑟

𝑁) + 𝐶𝑡𝑏(𝜃̇𝑡𝑏− 𝜃̇𝑝)+ 𝐾𝑡𝑏(𝜃𝑡𝑏− 𝜃𝑝)−𝑇𝐹𝑅−𝑃

2.2.7 Mô hình động lực học đổi hướng chuyển động ô tô

Xét mô hình chuyển động của ô tô trong mặt phẳng đường như Hình

2.11 [34] Với giả thiết 𝑣𝑥 = 𝑥̇ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, Ta được phương trình vi phân

chuyển động của ô tô (2.58) và (2.59)

Hình 2.11: Mô hình ĐLH đổi hướng chuyển động ô tô

2.3 Xây dựng sơ đồ khối mô phỏng ĐLH HT lái SBW điện tử - TL

2.3.1 Sơ đồ khối mô phỏng ĐLH vành lái

Hình 2.12 biểu diễn sơ đồ khối mô phỏng ĐLH cụm vành lái được

xây dựng bằng phần mềm matlab/Simulink

Hình 2.12: Mô phỏng ĐLH cụm VL

2.3.2 Sơ đồ khối mô phỏng ĐLH bộ chấp hành dẫn hướng

Hình 2.13 biểu diễn sơ đồ khối mô phỏng ĐLH bộ chấp hành dẫn

hướng được xây dựng bằng phần mềm matlab/Simulink

Hình 2.13: Mô phỏng ĐLH bộ chấp hành DH

2.4 Kết luận chương

- Đã xây dựng mô hình động lực học cho hệ thống lái SBW điện tử -

thủy lực, trong đó có các mô hình con: Hệ thống trợ lực thủy lực, động cơ

điện một chiều, cụm bánh xe dẫn hướng, cụm vành lái, bộ chấp hành dẫn

hướng, mô hình đổi hướng chuyển động ô tô

- Đã xây dựng sơ đồ khối mô phỏng động lực học cụm vành lái và bộ

chấp hành dẫn bằng phần mềm Matlab/Simulink

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG LÁI

SBW ĐIỆN TỬ - THỦY LỰC 3.1 Tổng quan về điều khiển trượt SMC

 Các bước thiết kế bộ điều khiển trượt bám quỹ đạo:

- Bước 1: Biểu diễn quan hệ vào ra của đối tượng phi tuyến:

3.2 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực

bằng phương pháp điều khiển SMC

2.1.1 Thiết kế bộ điều khiển chấp hành dẫn hướng

 Xây dựng hệ phương trình trạng thái dạng: 𝑥̇ = 𝐴𝑥 + 𝐵𝑢 + 𝑤

2.1.2 Thiết kế bộ điều khiển tạo cảm giác lái

 Xây dựng hệ phương trình trạng thái dạng:

2.3 Mô phỏng hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực

2.3.1 Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống lái SBW điện tử - thủy lực

Hình 3.10 biểu diễn Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống lái sử dụng phần mềm Matlab/Simulink

Hình 3.10: Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống lái SBW điện tử - TL

2.3.2 Mô phỏng vành lái

Kết quả mô phỏng: Hình 3.11 biểu diễn góc quay vành lái 𝜃𝑠𝑤; Hình 3.12 biểu diễn góc quay DCM1 mô phỏng 𝜃𝑚1 và mong muốn 𝜃𝑚1𝑑 ; Hình 3.13 biểu diễn sai lệch 𝑒1 giữa góc quay trục động cơ DCM1 mong muốn và mô phỏng: 𝑒1𝑚𝑎𝑥= 0.1682 (rad), RMS 𝑒1= 0.098 (rad); Hình 3.14 biểu diễn điện

áp điều khiển cấp cho DCM1: RMS = 5,7225 (V), max = 9,8(V)

Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn góc quay vành lái

Hình 3.12: Biểu diễn góc quay DCM1 mô phỏng và mong muốn

Hình 3.13: Sai lệch 𝑒1 giữa góc quay mô phỏng và mong muốn

Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn điện áp cấp cho động cơ DCM1

2.3.3 Mô phỏng bộ chấp hành dẫn hướng

Kết quả mô phỏng: Hình 3.15 biểu diễn góc quay mô phỏng 𝜃𝑚2 và mong muốn 𝜃𝑚2𝑑 ; Hình 3.16 biểu diễn sai lệch 𝑒2: 𝑒2𝑚𝑎𝑥=0,0273 (rad), RMS𝑒2 = 0,0105 (rad); Hình 3.17 biểu diễn góc quay mô phỏng 𝜃𝐹𝑊 và mong muốn

𝜃𝐹𝑊𝑑 ; Hình 3.18 biểu diễn sai lệch 𝑒3: 𝑒3𝑚𝑎𝑥= 0.009 (rad), RMS𝑒3 = 0.0053(rad); Hình 3.19 biểu diễn điệp áp cấp cho DCM2: max = 9,8 (V), RMS = 5,7225 (V); Hình 3.20 biểu diễn trợ lực thủy lực 𝐹𝐵: lực trợ lực trung bình/ lớn nhất = 401,88/ 807,47 (N);

Hình 3.15: Biểu diễn góc quay DCM2 mô phỏng và mong muốn

Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn sai lệch 𝑒2

Hình 3 17: Biểu diễn góc quay bánh xe DH mô phỏng và mong muốn

Hình 3.18: Đồ thị biểu diễn sai lệch 𝑒3

Hình 3.19: Đồ thị biểu diễn điện áp cấp DCM2

Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn trợ lực thủy lực 𝐹𝐵

2.3.4 Mô phỏng đổi hướng chuyển động ô tô

Hình 3.21 biểu diễn góc quay vành lái; Hình 3.22 biểu diễn dịch chuyển thân xe theo phương ngang được mô phỏng ở ba vận tốc 5m/s, 10 m/s, 15 m/s; Hình 3.23 biểu diễn góc quay thân xe được mô phỏng ở ba vận tốc 5m/s, 10 m/s, 15 m/s; Hình 3.24 biểu diễn mô men cản của hệ thống lái

Hình 3.21: Đồ thị biểu diễn góc quay VL

Hình 3.22: Đồ thị dịch chuyển ngang xe

Hình 3.23: Đồ thị góc quay thân xe

Hình 3.24: Đồ thị biểu diễn mô men cản hệ thống lái

Mô phỏng ở vận tốc cực đại Vmax = 30,5 m/s (109 km/h):

Hình 3.25: Đồ thị dịch chuyển ngang thân xe

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

4.1 Mục đích và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

4.1.1 Mục đích thực nghiệm

 Mục đích của thực nghiệm trên ô tô HINO 300Series với hệ thống lái trợ lực thủy lực: Đo đạc, đánh giá các thông số và xác định tỉ số truyền góc của hệ thống lái