MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG CHO LUẬN VĂN
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
LỜI NÓI ĐẦU
Chương 1 - TỔNG QUAN ........................................................................................1
1.1 Hệ thống phanh [9] ............................................................................................1
1.1.1 Công dụng của hệ thống phanh ..................................................................1
1.1.2 Yêu cầu kết cấu của hệ thống phanh ..........................................................1
1.2 Hệ thống phanh có điều chỉnh lực phanh ..........................................................2
1.2.1 Bộ điều chỉnh lực phanh (bộ điều hòa lực phanh) ......................................2
1.2.2 Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh (Antilock Brake Systems:
ABS) [21], [9] ......................................................................................................4
1.3 Các công trình nghiên cứu ứng dụng lô gic mờ trong ABS ............................12
1.3.1 Các công trình trong nước ........................................................................12
1.3.2 Các công trình ngoài nước ........................................................................12
1.4. Mục tiêu, nội dung, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, cơ sở khoa học và
tính thực tiễn của đề tài .........................................................................................15
1.4.1 Mục tiêu ....................................................................................................15
1.4.2 Các nội dung cụ thể của luận văn cần thực hiện.......................................15
1.4.3 Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................15
1.4.4 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài ..............................................16
Chương 2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CỦA ABS ...........................17
2.1 Mục tiêu điều khiển [12] .................................................................................17
2.1.1 Các thông số đánh giá hiệu quả phanh .....................................................17
2.1.2 Ổn định hướng của ô tô khi phanh ...........................................................20
2.2 Các phương pháp điều khiển của ABS............................................................24
2.2.1 Điều khiển theo giá trị độ trượt cho trước ................................................24
2.2.2 Điều khiển theo gia tốc góc bánh xe.........................................................26


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
-

Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và
chưa hề được sử dụng để bảo một học vị nào.

-

Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các
thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 06 tháng 06 năm 2012
Tác giả

Bùi Văn Trung


CÁC KÝ HIỆU DÙNG CHUNG CHO LUẬN VĂN
Kí
hiệu

Ý nghĩa (tên gọi)

Đơn vị

a

Khoảng cách từ tâm cầu trước đến trọng tâm

m


mt

Khối lượng phần không được treo cầu trước

kg

ms

Khối lượng phần không được treo cầu sau

kg

hg

Chiều cao trọng tâm xe

m

ht

Chiều cao trọng tâm phần không được treo cầu trước

m

hs

Chiều cao trọng tâm phần không được cầu treo sau

m


Jz

Mômen quán tính ô tô quanh trục thẳng đứng

kg.m2

Mk

Mômen kéo

N.m

Mp

Mômen phanh bánh xe

N.m

Zi

Tải trọng thẳng đứng tại các bánh xe

N

rb

Bán kính làm việc bánh xe

m


Chỉ số các bánh xe dẫn hướng

Cψs

Độ cứng chống nghiêng ngang cầu sau

α

Góc lệch bên bánh xe

rad

ε

Góc quay thân xe

rad

β vl

Góc quay vành lái

rad

β

Góc quay bánh xe dẫn hướng

rad


TTQV Trạng thái quay vòng
Fbd

Lực bàn đạp phanh

N

AN

Độ lệch của ô tô khi phanh

m


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng chân lý mệnh đề hợp thành trong lô gic kinh điển
Bảng 3.2 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ ở vận tốc nhỏ
Bảng 3.3 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ ở vận tốc vừa
Bảng 3.4 Các luật hợp thành của bộ suy luận mờ ở vận tốc nhanh
Bảng 4.1 Bảng so sánh hiệu quả phanh trên đường nửa khô nửa ướt


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Thể hiện sự thay đổi tải trọng của xe khi phanh
Hình 1.2 Đường đặc tính của bộ điều hoà lực phanh hai thông số
Hình 1.3 Đồ thị quan hệ lực dọc F, lực ngang Y giới hạn với độ trượt
Hình 1.4 Bố trí các cụm và sơ đồ hệ thống phanh ABS trên ô tô con
Hình 1.5 Nguyên lý làm việc của ASR

Hình 4.8 Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc Fi, tải trọng Zi, độ
trượt dọc si
Hình 4.9 Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc Fi, góc lệch bên α i ,
và độ trượt dọc si
Hình 4.10 Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực bên Si, tải trọng Zi và
góc lệch bên α i
Hình 4.11 Đồ thị đặc tính lốp thể hiện mối quan hệ giữa lực bên Si, độ trượt si và
góc lệch bên α i
Hình 4.14 Mô hình tính góc lệch bên
Hình 4.13 Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ thân xe và hệ trục tọa độ mặt đường.
Hình 4.14 Các trạng thái quay vòng
Hình 4.16 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển phanh
Hình4.17 Sơ đồ làm việc của ECU
Hình 4.18 Độ trượt khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=36 km/h
Hình 4.19 Độ trượt hai bánh trước khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận
tốc v=36 km/h
Hình 4.20 Độ trượt khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=72 km/h
Hình 4.21 Độ trượt hai bánh trước khi phanh gấp trên đường đường nửa khô nửa
ướt ở vận tốc v=72 km/h
Hình 4.22 Gia tốc xe khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=36 km/h
Hình 4.23 Gia tốc xe khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=36
km/h
Hình 4.24 Gia tốc xe khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=72 km/h


Hình 4.25 Gia tốc xe khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=72
km/h
Hình 4.26 Quãng đường phanh khi phanh gấp trên đường khô ở vận tốc v=36 km/h
Hình 4.27 Quãng đường phanh khi phanh trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=36 km/h

Hình 4.44 Độ trượt hai bánh trước khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở
vận tốc v=90 km/h
Hình 4.45 Độ trượt hai bánh trước khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở
vận tốc v=108 km/h
Hình 4.46 Quãng đường phanh khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=90 km
Hình 4.47 Quãng đường phanh khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=108 km/h
Hình 4.48 Góc quay thân khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc v=90
km/h
Hình 4.49 Góc quay thân khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=108 km/h
Hình 4.50 Quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt
ở vận tốc v=90 km/h
Hình 4.51 Quỹ đạo chuyển động của xe khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt
ở vận tốc v=108 km/h
Hình 4.52 Độ lệch của ô tô khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=90 km/h
Hình 4.53 Độ lệch của ô tô khi phanh gấp trên đường nửa khô nửa ướt ở vận tốc
v=108 km/h


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, sự bùng nổ giao thông cùng với sự phát triển
mạnh mẽ về kinh tế đã gây nên cơn sốc đối với Chính Phủ nhiều nước châu Á. Mặc
dù số lượng ô tô, xe máy, xe buýt của các nước trên châu lục chỉ chiếm 16% số
lượng toàn cầu, nhưng theo thống kê của Tổ chức Y tế thế giới (WHO), tỷ lệ tai nạn
giao thông (TNGT) ở châu Á chiếm 50% trên toàn thế giới. Mỗi năm, TNGT cướp
đi mạng sống của hơn 600.000 người châu Á, làm 9,4 triệu người khác bị thương
nặng. Những con số thống kê trên cho thấy, mạng lưới giao thông đường bộ ở châu

phanh ngay cả khi độ trượt bánh xe không lớn. Việc xây dựng thuật toán điều khiển
hệ thống phanh ABS như vậy có ý nghĩa thực tế trong việc phát triển các hệ thống
điều khiển chuyển động ổn định của ô tô tại Việt Nam.
Với mong muốn góp một phần nhỏ để giải quyết các vấn đề nêu trên, đề tài
“Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống phanh ô tô có ABS ” được
thực hiện.
Nội dung của đề tài có thể hình thành các tài tài liệu giảng dạy. Kết quả của
đề tài có thể dùng để tổng hợp bộ điều khiển điện tử, khảo sát trên mô hình thực
nghiệm để khẳng định khả năng nghiên cứu, làm chủ về công nghệ mới đã và đang
được áp dụng trên xe ô tô.
Dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Hồ Hữu Hải, các thầy trong Bộ môn Ô tô
và Xe chuyên dụng, các bạn đồng nghiệp khác đề tài đã được hoàn thành. Đề tài
thực hiện tại Bộ môn Ô tô và Xe chuyên dụng - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội. Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng tận tụy của PGS.
TS Hồ Hữu Hải, sự đóng góp ý kiến quý báu của các thầy, các bạn đồng nghiệp để
bản luận văn được hoàn thành.
Do thời gian hạn chế nên bản luận văn khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong
nhận được các ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 5 năm 2012
Tác giả
Bùi Văn Trung


Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1 Hệ thống phanh [9]
1.1.1 Công dụng của hệ thống phanh
Hệ thống phanh có chức năng giảm tốc độ chuyển động tới tốc độ chuyển
động nào đó hoặc dừng hẳn ở một vị trí nhất định. Thông thường, quá trình phanh
xe được tiến hành bằng cách tạo ma sát giữa phần quay và phần đứng yên trên xe,

sử dụng, kể cả khi một phần dẫn động điều khiển có hư hỏng.
1.2 Hệ thống phanh có điều chỉnh lực phanh
Quá trình phanh tiến hành tốt nhất khi lực phanh gần xấp xỉ bằng lực bám,
tức là mômen phanh sinh ra trong cơ cấu phanh cần tương ứng với mômen bám của
bánh xe. Có thể hiểu đơn giản là: mômen phanh sinh ra trong cơ cấu phanh cần tỷ lệ
với giá trị tải trọng thẳng đứng của bánh xe khi phanh, đảm bảo nâng cao hiệu quả
điều khiển phanh và điều khiển hướng chuyển động cho ô tô.
Quy luật tổng quát đã chỉ ra: khi càng tăng cường độ phanh (so sánh giữa
phanh nhẹ và phanh gấp), tải trọng thẳng đứng đặt trên cầu trước G1 càng tăng cao,
còn tải trong thẳng đứng trên cầu sau G2 càng giảm (xem hình 1.1).

G2

G1

Hình 1.1 Thể hiện sự thay đổi tải trọng của xe khi phanh
Do vậy cầu sau có nhiều khả năng bị trượt lết bánh xe.
Theo xu hướng hoàn thiện hệ thống phanh trên ô tô có thể bố trí bộ điều
chỉnh lực phanh hoặc bộ chống hãm cứng bánh xe (ABS).
1.2.1 Bộ điều chỉnh lực phanh (bộ điều hòa lực phanh)
Trong hệ thống phanh thủy lực cũng như hệ thống phanh khí nén, áp suất
thủy lực (hoặc khí nén) dẫn ra các bánh xe của cầu trước và cầu sau có thể bằng
nhau hoặc khác nhau. Đa số ô tô có bố trí sử dụng các kết cấu phân bố áp suất dầu

2


như nhau. Như vậy các bánh xe cầu sau thường bị trượt lết, cần hạn chế áp suất dầu
phanh dẫn tới.
Một số hệ thống sử dụng van phân phối (phanh khí nén) hoặc xi lanh chính

phanh. Đường này bám sát đường lý tưởng nên đã được cải thiện chất lượng phanh.
1.2.2 Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh (Antilock Brake Systems:
ABS) [21], [9]
a. Lịch sử phát triển của hệ thống ABS
Hệ thống ABS được sử dụng đầu tiên trên các máy bay thương mại vào năm
1949, chống hiện tượng trượt ra khỏi đường băng khi máy bay hạ cánh. Nhưng do
công nghệ của những năm đó còn hạn chế vì vậy kết cấu hệ thống ABS còn cồng
kềnh, hoạt động không tin cậy, quá trình làm việc chưa linh hoạt trong các tình
huống.
Năm 1969, công nghệ kỹ thuật điện tử phát triển, các vi mạch (microchip) ra
đời, hệ thống ABS lần đầu tiên được lắp trên ô tô. Công ty Toyota sử dụng lần đầu
tiên vào năm 1971, đây là hệ thống ABS 1 kênh điều khiển đồng thời 2 bánh sau.
Năm 1980 kỹ thuật điều khiển điện tử, vi xử lý
(digitalmicroprocessors/microcontrollers) thay cho các hệ thống điều khiển tương tự
(analog) đơn giản trước đó.
Trong giai đoạn đầu, hệ thống ABS chỉ được lắp trên các xe du lịch cao cấp,
đắt tiền, theo yêu cầu của thị trường, dần dần hệ thống này được đưa vào sử dụng
rộng rãi hơn. Đến nay, ABS đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc đối với các loại xe du
lịch và các xe hoạt động ở những vùng đường băng tuyết dễ trơn trượt. Mặt khác,
hiện nay hệ thống ABS không chỉ thiết kế trên các hệ thống phanh dẫn động thuỷ

4


lực mà còn ứng dụng rộng rãi trên hệ thống phanh dẫn động khí nén của các xe tải
và xe khách cỡ lớn. Nhằm nâng cao tính ổn định và an toàn của xe khi hoạt động, hệ
thống ABS còn được thiết kế kết hợp với nhiều hệ thống khác:
- Hệ thống kiểm soát lực kéo Traction Regulator Control (TRS) hay
Acceleraion Slip Regulator (ASR).
- Hệ thống phân phối lực phanh bằng điện tử Electronic Brakeforce

có thể đạt giá trị lớn. Khi độ trượt lơn hơn 50%, lực dọc và lực ngang bắt đầu suy
giảm và có thể giảm mạnh.
Để hoàn thiện chất lượng phanh, trên ô tô bố trí các hệ thống điện tử điều
khiển sự quay của các bánh xe độc lập (hoặc chung một số bánh xe) sao cho: trong
quá trình phanh, mômen phanh được điều khiển đảm bảo độ trượt nằm trong giới
hạn 15%÷30%. Quá trình điều khiển mômen phanh được thực hiện theo:
Vận tốc chuyển động của ô tô,
Gia tốc góc quay thân xe,
Độ trượt giới hạn yêu cầu.

6


Hệ thống điều khiển điện tử (ABS) thực hiện chức năng điều khiển mômen
phanh, góp phần hoàn thiện chất lượng phanh ô tô với sự biến động thường xuyên
của các thông số kể trên.
d. Sơ đồ nguyên lí cơ bản của hệ thống phanh ABS trên ô tô con
ABS trong hệ thống phanh thủy lực là một bộ tự động điều chỉnh áp suất dàu
phanh đưa vào các xi lanh bánh xe sao cho phù hợp với chế độ lăn của bánh xe,
nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển phanh.
Mô tả cấu trúc các cụm bố trí trên xe và sơ đồ hệ thống phanh ABS thủy lực
cơ bản được trình bày trên hình 1.4.
Ngoài các cụm của hệ thống phanh thủy lực thông thường, hệ thống phanh
có ABS còn thêm: các cảm biến tốc độ bánh xe, bộ điều khiển trung tâm (ECUABS), các van điều chỉnh áp suất được bố trí trước xi lanh bánh xe (block thủy lực
ABS).
Chức năng của các bộ phận chính như sau:
- Cảm biến tốc độ bánh xe nhằm xác định tốc độ góc của bánh xe và chuyển
thành tín hiệu điện gửi đến bộ ECU-ABS.
- Bộ điều khiển trung tâm (ECU-ABS) theo dõi sự thay đổi tốc độ góc quay
bánh xe khi phanh, xác định tốc độ ô tô, gia tốc góc của bánh xe, cấp tín hiệu điều

biến
tốc độ
bánh
xe

Bộ điều
khiển
trung tâm

DLC3

Cảm
biến
tốc độ
bánh
xe

Đèn báo ABS
Đèn báo hệ
thống phanh
Đồng hồ đo
tốc độ

Hình 1.4 Bố trí các cụm và sơ đồ hệ thống phanh ABS trên ô tô con
e. Các liên hợp với ABS
Để nâng cao chất lượng hoạt động của ô tô trên các điều kiện sử dụng khác
nhau, trên các ô tô sử dụng ABS với chức năng sử dụng liên hợp:
- BAS: Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp dùng trên ô tô con,
- TRC: Hệ thống điều khiển lực kéo bánh xe gồm:
+ ASR: Kiểm soát trượt quay bánh xe chủ động,

Khi bánh xe trượt quay, nhờ thiết bị ASR (phanh bớt mômen kéo) và EDC
(hạ thấp mômen truyền từ động cơ), mômen truyền xuống bánh xe giảm, bánh xe
không bị trượt lớn
Sự trượt quay chỉ xuất hiện trên các bánh xe chủ động, do vậy ASR được bố
trí trên các bánh xe này, cùng với EDC để hạn chế mômen động cơ truyền xuống
bánh xe.
Muốn làm việc ở chế độ ASR cần thiết phải có cơ cấu kích hoạt chuyển sang chế độ
có ASR.
Trên ô tô ngày nay sử dụng một phím kích hoạt, tại chế độ này đèn ASR
sáng. Người lái xe điều khiển ô tô trên đường, khi thấy tác động của việc nhấn sâu
ga không có hiệu quả nâng cao tốc độ chuyển động, sẽ chuyển sang chế độ làm việc
có ASR. Khi chuyển động trên đường tốt để phát huy tốc độ lập tức nhả phím ấn,
khi đó chờ ô tô hoạt động theo chế độ ABS.

9


Cụm van điện từ ASR trên ô tô buýt có tác dụng điều khiển mạch cung cấp
khí nén ASR. Khi kích hoạt làm việc ở chế độ ASR, đồng thời đưa ABS tham gia
hoat động.
* Cụm van điều khiển áp suất khí nén ASR.
Cụm van ASR có tác dụng điều khiển cung cấp khí nén cho cụm van ABS
nhằm tiến hành phanh bánh xe chủ động, khi bánh xe xuất hiện trượt quay ở một giá
trị tính toán trước. Cấu trúc van ASR được trình bày trên hình 1.6, bao gồm: vỏ,
cuộn dây, lõi từ đồng thời là van, đầu nối dây điện.
Từ van phân phối (P)

P

Đầu nối

thống

Không kích hoạt ASR

ABS

Ấn phím (kích hoạt)

ASR + ABS

ASR

Độ trượt

ABS

Trượt lết

+

Trượt lết

+

Trượt quay

+

ASR


10.
11.
12.
13.

11

6
3

10

4
4
9

13

9

CB tốc độ bánh xe
Vành răng cảm biến
ECU ABS+ASR
Van điều khiển áp suất ABS
Van điều khiển ASR
Van đổi chiều xả phanh
Van phân phối hai dòng
Bộ điều khiển tải trọng
Bầu phanh bánh xe sau
ECU EDC

khi phanh trên cơ sở mô hình mờ”. Trong bài báo này đã sử dụng lô gic mờ để tự
động nhận dạng hệ số ma sát mặt đường, sau đó thiết kế bổ sung mạch điều khiển
thích nghi, kết quả mô phỏng cho thấy quá trình phanh luôn đảm bảo được độ trượt
ở giá trị tối ưu, hướng sử dụng lô gic mờ cho bài toán này cũng được đề cập tới.
Tuy nhiên chưa được ứng dụng vào thực tế.
Năm 2009, tác giả Nguyễn Thành Công [2] đã nghiên cứu ứng dụng lô gic
mờ trong điều khiển chuyển động ổn định của ô tô. Về mặt ứng dụng lô gic mờ, tác
giả đã tổng hợp được bộ điều khiển chuyển động ổn định của ô tô trên cơ sở lô gic
mờ bằng công cụ fuzzy control toolbox của phần mềm Matlab-Simulink.
1.3.2 Các công trình ngoài nước
Năm 1995, tác giả G. F. Mauer [16] đã nghiên cứu “A fuzzy logic
controller for an ABS braking system ” với nội dung thiết kế bộ điều khiển ứng
dụng lô gic mờ dùng cho xe có ABS nhằm xác định điều kiện mặt đường và đưa ra
một tín hiệu điều khiển áp suất phanh, dựa vào giá trị hệ số trượt cho trước, hiện tại
và áp suất phanh. Bộ điều khiển xác định ngay lập tức hãm bánh xe và sự trượt quá
mức. Hệ thống ABS được thực hiện thử nghiệm trên mô hình ¼ với hệ thống treo

12


đàn hồi phi tuyến. Bài báo này đã mô tả tiêu chuẩn thiết kế và đưa ra kết cấu quy tắc
của hệ thống. Các kết quả mô phỏng của hệ thống được tiến hành trên nhiều loại
đường và dưới các điều kiện đường thay đổi rất nhanh.
Năm 2002, các tác giả F. YU1, J.-Z. FENG2 và J. LI3 [15] đã nghiên cứu “A fuzzy
logic controller design for vehicle ABS with a on-line optimized target wheel slip ratio”,
nội dung của bài báo nói về thiết kế bộ điều khiển lô gic mờ dùng cho xe có hệ thống ABS
với mục đích duy trì hệ số bám trong vùng tối ưu để đảm bảo quãng đường phanh nhỏ nhất
và ổn định khi phanh. Lô gic mờ được áp dụng để duy trì mục đích tối ưu hóa tỷ lệ trượt
giữa giảm tốc độ phanh, quãng đường phanh và tính ổn định hướng khi phanh. Mục đích
trên đạt được bằng cách sử dụng mô hình chiếc xe phi tuyến 8-DOF và thử nghiệm mô