MỞ ĐẦU
Nghiên cứu về sự phát triển các hệ thống trên ô tô cho thấy ô tô thế giới đang có những thay đổi
mạnh mẽ trong đó có những thay đổi của hệ thống lái. Xu thế dẫn động điều khiển kiểm soát toàn bộ
động lực học xe thông qua điều khiển bằng điện đang dần trở nên rõ nét. Các nghiên cứu về hệ
thống điều khiển bằng điện là tiền đề phát triển cộng nghệ lái tự động. Công nghệ này đã và đang
được thử nghiệm ở các cấp độ khác nhau trên ô tô có khả năng kết nối với cơ sở hạ tầng giao thông
thông minh.
Có bốn cấp độ phát triển công nghệ lái ô tô khác nhau: Hỗ trợ người lái, kết hợp chức năng tự
động với người lái, lái tự động mức độ giới hạn, lái tự động hoàn toàn. Trong đó, công nghệ lái tự
động hoàn toàn ngoài việc cho phép phương tiện thực hiện tự động tất cả các chức năng lái xe còn
có chức năng giám sát điều kiện giao thông khi vận hành. Công nghệ này giúp giải phóng sức lao
động và thời gian lái xe, người sử dụng chỉ cần lựa chọn điểm đi và đến, công việc còn lại hoàn toàn
tự động.
Các nghiên cứu về hệ thống lái điện (SBW) là tiền đề để phát triển công nghệ lái tự động đã
được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới thực hiện. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về hệ thống lái
điện chưa được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đúng mức. Với mong muốn nắm bắt được các công
nghệ điều khiển lái hiện đại trên thế giới một cách sâu sắc, tiến tới làm chủ công nghệ và phát triển
các công nghệ mới tại Việt Nam tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển hệ thống lái
điện trên ô tô con” làm luận án tiến sĩ.
Chƣơng I. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1.

Các loại hệ thống lái
Tổng hợp quá trình phát triển các hệ thống lái trên xe ô tô có thể liệt kê thành các hệ thống lái
sau: hệ thống lái thuần cơ khí, hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển
điện, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống lái tích cực, hệ thống lái điện, hệ thống lái tự động. Mặc dù
mặt kết cấu các hệ thống lái khác biệt, tuy nhiên có thể tổng hợp các thành phần kết cấu hệ thống lái
một cách chung nhất như Hình 1.

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái

Vấn đề chính cần giải quyết ở hệ thống lái này là tỷ lệ trợ lực phù hợp với điều kiện chạy xe và
sự thay đổi góc đánh lái. Có thể thấy rõ khi di chuyển ở vận tốc thấp mô men cản quay vòng tương đối
lớn do vậy cần trợ lực nhiều, ngược lại tốc độ cao cần hạn chế trợ lực. Hay nói cách khác, đặc tính trợ
lực của hệ thống trợ lực thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn thay đổi tỷ lệ trợ lực theo điều kiện
chuyển động dựa trên giá trị mô men cản quay vòng. Mô men cản này thay đổi theo vị trí góc đánh lái
và vận tốc chạy xe. Hệ thống lái trợ lực thủy lực ban đầu sử dụng thanh xoắn để điều khiển các chế độ
trợ lực.
1.1.3. Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện
Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện là phiên bản cải tiến của hệ thống lái trợ lực
thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn, được phát triển từ thập kỷ 90. Đặc điểm quan trọng của hệ thống
này là thanh xoắn cảm biến mô men đánh lái không trực tiếp điều khiển van trợ lực thành tín hiệu điện
gửi đến hộp điều khiển điều khiển trợ lực. Hộp điều khiển trợ lực tổng hợp các tín hiệu chạy xe, tính
toán và xác định phần tỷ lệ trợ lực từ đó quyết định đặc tính trợ lực thông qua việc điều khiển áp lực
dầu từ bơm trợ lực và lượng dầu đi vào xy lanh trợ lực. Thông qua việc điều khiển gián tiếp, các chế
độ trợ lực và đặc tính trợ lực được thay đổi một các linh hoạt.
So với hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng thanh xoắn hệ thống lái trợ lực thủy lực điều
khiển bằng điện có nhiều ưu điểm hơn như: Dải làm việc làm việc của trợ lực đa dạng đáp ứng các dải
tốc độ khác nhau đặc biệt là đặc tính trợ lực, tạo cảm giác lái ở dải tốc độ cao. Trên thị trường Việt
Nam hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện thường được trang bị cho các dòng xe hạng trung
và một số xe hạng sang.
1.1.4. Hệ thống lái trợ lực điện
Hệ thống lái trợ lực điện được phát triển với mong muốn thay thế hệ thống trợ lực thủy lực
truyền thống. Điểm chính của hệ thống trợ lực này là bộ phận trợ lực thủy lực truyền thống được
thay thế bằng bộ điều khiển trợ lực sử dụng động cơ điện.
Việc điều khiển trợ lực thông qua mô tơ điện được điều khiển bằng hộp điều khiển. Hệ thống
trợ lực điện có thể xem là một trong những hệ thống cơ điện tử. Trong đó hộp điều khiển ECU của
hệ thống trợ lực chứa chương trình điều khiển. Chương trình điều khiển được lập trình dựa trên
thuật toán điều khiển trợ lực lái. Trong hệ thống này, cảm biến mô men cản sẽ xác định mô men cản
quay bánh xe dẫn hướng, ứng với từng điều kiện chuyển động cụ thể chương trình sẽ tính toán lựa
chọn đặc tính trợ lực thích hợp để quyết định giá trị mô men bao nhiêu phần trăm thông qua việc

và điện) trong giao thông tại một số nước phát triển (Mỹ, Đức, Nhật, Trung Quốc). Công nghệ này
được dự báo sẽ được sử dụng trên nhiều phương tiện vận tải trong tương lai tại các thành phố lớn.
Công nghệ lái tự động ứng dụng trên xe nhiều cấp độ khác nhau. Công nghệ này có thể chia thành
bốn cấp độ khác nhau tùy vào khả năng công nghệ và kết cấu cơ sở hạ tầng giao thông.
1.2. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
1.2.1. Các nghiên cứu nƣớc ngoài
Trên thế giới đã có nhiều tổ chức, tác giả, nhiều đề tài và công trình nghiên cứu lý thuyết cũng
như thực nghiệm về hệ thống lái điện. Các nghiên cứu được tiến hành trên nhiều khía cạnh khác
nhau. Tuy nhiên, có thể thấy một vấn đề chính đó là việc truyền dẫn tín hiệu giữa vành tay lái phía
trên và chuyển động của các bánh xe dẫn hướng. Vấn đề này có thể được chia thành hai nhóm
chính: truyền tín hiệu và phản hồi tín hiệu. Tín hiệu được truyền đi dựa theo góc quay vành tay lái,
tín hiệu phản hồi phản ánh tình trạng đường lên người lái. Khi nghiên cứu về hệ thống lái điện có
thể chia thành năm phần: Bộ phận vô lăng, bộ phận chấp hành hệ thống lái điện, bộ phận xử lý tín
hiệu đảm bảo an toàn, bộ điều khiển, động lực học xe.
 Bộ phận vô lăng
Các nghiên cứu tập trung vào các phương pháp điều khiển tạo cảm giác trên vô lăng. Trong
lĩnh vực này nhiều tác giả nghiên cứu hình thành nên ba nhóm chính bao gồm phương pháp tạo cảm
giác sử dụng biểu đồ cảm giác, phương pháp sử dụng cảm biến mô men, phương pháp sử dụng cảm
biến dòng. Các nghiên cứu của Andrew Liu và Stacey Chang mô tả các kết quả thực nghiệm khi lái
xe làm cơ sở phản hồi cảm giác lái khi cho thử nghiệm ở ba điều kiện thử nghiệm khác nhau. Sau
khi thử nghiệm ở ba trạng thái quay vòng, tác giả so sánh với các kết quả đã công bố và đưa ra các
thảo luận chung. Nguyen-Jee Hwan Ryu nghiên cứu tạo cảm giác xác thực nhất trên vành tay lái
được tái tạo thông qua phương pháp đo dòng . Đặc điểm chính của phương pháp này là sử dụng cảm
biến đo dòng để đo cường độ dòng điện động cơ đặt tại cơ cấu lái làm tín hiệu phản hồi lên vô lăng.
Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phần mềm LabVIEW để mô phỏng đặc tính cảm giác thông
qua phương trình. Tác giả so sánh với các phương pháp tạo cảm giác khác và cho rằng phương pháp
này tái tạo cảm giác chính xác, đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn so với các phương pháp khác.
3



qua các tác động của động lực học của cả xe. Tác giả sử dụng mô hình động lực học lốp Pacejka để
phân tích thành phần gây lên lực cản từ mặt đường làm cơ sở phản hồi lực tác dụng lên vô lăng.
Ngoài ra tác giả cũng xem xét ảnh hưởng của các tác động trợ lực lái thủy lực lên vô lăng.
1.2.2. Các nghiên cứu trong nƣớc
Trong nước, năm 2001, tác giả Nguyễn Thanh Quang nghiên cứu về hệ thống lái trợ lực thủy
lực trên xe du lịch thông qua việc nghiên cứu động học, động lực học và độ bền các chi tiết trên hệ
thống lái trên xe Mekông. Năm 2004, tác giả Mai Khoa tiến hành nghiên cứu tính điều kiển của ô tô
tải với hệ thống lái có trợ lực thủy lực. Năm 2010, tác giả Nguyễn Tuấn Anh công bố công trình
nghiên cứu về điều khiển tối ưu hệ thống lái tích cực trên ô tô. Năm 2015, tác giả Nguyễn Tuấn Anh
công bố nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống lái trợ lực điện ESP.
Ngoài các công trình trên, bản thân tác giả đã tiến hành nghiên cứu về hệ thống lái điện từ năm
2008 thông qua đề tài thạc sỹ.Trong đề tài này tác giả xây dựng mô hình hệ thống lái, đồng thời thiết
kế các giao diện thực hiện điều khiển và quan sát hệ thống. Tác giả sử dụng phần mềm LabVIEW
thiết kế giao diện điều khiển bộ phận chấp hành đồng thời quan sát tình trạng phản hồi trên vô lăng.
Đây là nghiên cứu ban đầu về hệ thống nên các thông số hệ thống cũng như bộ điều khiển còn chưa
được quan tâm nhiều. Trong nghiên cứu này bộ điều khiển PID được đưa vào thực nghiệm làm đồng
bộ vô lăng và cơ cấu chấp hành.
Nghiên cứu trên được phát triển qua đề tài cấp trường năm 2011. Trong nghiên cứu tiếp theo
này, tác giả quan tâm nhiều đến động lực học của hệ thống đồng thời hoàn thiện thông số kết cấu
cũng như mô phỏng 3D hệ thống. Đồng thời qua nghiên cứu này sai số giữa vô lăng và cơ cấu chấp
hành được xem xét một cách trực quan.
Trong đề tài nghiên cứu cấp thành phố “Nghiên cứu chế tạo bộ tạo cảm giác cho hệ thống lái
gián tiếp”, tác giả tập trung nghiên cứu phương pháp tái tạo cảm giác lái trên vô lăng. Nghiên cứu
4


này được tiến hành thông qua giao tiếp giữa khối 3D mô phỏng hệ thống lái và vô lăng thực. Tác giả
bước đầu cũng xây dựng được đặc tính tái tạo cảm giác lái trên vô lăng trong quá trình chuyển động
xe.
1.2.3. Nhận xét, đánh giá

khác nhau bao gồm các nghiên cứu về bộ phận cơ khí, phần mềm, phần cứng hệ thống lái điện.
Thông qua đề tài nghiên cứu, tác giả mong muốn đưa ra các thông tin, kết nối các nhà nghiên cứu
chuyên môn nhằm ứng dụng thực tế trên xe thật.
1.3.3. Ý nghĩa thực tiễn
Trong các năm gần đây số lượng các hệ thống lái hiện đại sử dụng trên ô tô ngày càng phổ
biến. Nghiên cứu hệ thống lái điện có ý nghĩa quan trọng trong việc tiếp cận và làm chủ công nghệ
lái trên các xe ô tô hiện đại tại Việt Nam. Trên cơ sở nghiên cứu về hệ thống lái điện có thể tiến
hành nghiên cứu các hệ thống điều khiển qua dây dẫn khác (Drive By Wire) trên ô tô.
Các sản phẩm của quá trình nghiên cứu như phần cứng, phần mềm của hệ thống cơ điện tử có
thể tiếp tục hoàn thiện để sử dụng trên hệ thống lái ô tô thực. Các sản phẩm trên có khả năng làm
việc tốt và ổn định trên mô hình bán tự nhiên. Tuy nhiên, khi thử nghiệm trên các xe thực tế cần xác
định thêm các yếu tố đảm bảo an toàn. Luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy,
nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ.

5


1.4. Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm động lực học hệ thống lái điện làm cơ sở khoa học
thay thế hệ thống lái điện cho hệ thống lái cơ khí truyền thống trên mô hình bán tự nhiên.
1.4.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu điều khiển bám và tái tạo cảm giác lái trên
mô hình bán tự nhiên hệ thống lái điện tích hợp của ô tô con có công thức bánh xe 4  2R , cầu
trước dẫn hướng, hệ thống treo độc lập, không kể đến ảnh hưởng của biến dạng lốp.
Điều khiển bám trong trường hợp này được hiểu là tối thiểu hóa sai lệch về thời điểm và trị số
giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái hệ thống lái điện.
1.4.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm.
1.4.4. Nội dung nghiên cứu

Je1, mô men tạo cảm giác lái  1 (Hình 2.3).

 d . Trục lái có hệ số

1 . Động cơ điện một chiều có mô men quán tính

Hình 2.3: Mô hình cơ học bộ phận vô lăng
Khi bỏ qua ảnh hưởng của các khe hở trong các bộ phận, mô hình toán học bộ phận vô
lăng nêu trên được biểu diễn bằng hệ phương trình:





 J s .d  d  Cs d  1   K s d  1


 J e1.1  Cs d  1   K s d  1   1





(2.1)

Hệ phương trình trên được viết lại thành phương trình 2.2 để giải bằng phương pháp ma
trận.

Js
0


 K phi .im  B.m  J .
 K phi .

dim
dt
hệ số khuếch đại đặc trưng

kt  kkt .ikt . Phương trình 2.3 được viết lại thành

dm
dt

(2.4)

Eu
d
 J . m  B.m
Ru
dt

Từ phương trình trên ta có thể khảo sát được đáp ứng vận tốc, mô men, biến thiên theo thời
7


gian khi lắp đặt động cơ lên hệ thống lái.
2.2.3. Bộ phận chấp hành
Bộ phận chấp hành được phân tích như mô Hình 2.5.

Hình 2.5: Mô hình bộ phận chấp hành hệ thống lái điện

8


Trong đó: lc , l p là khoảng cách được xác định theo góc đặt bánh xe và áp suất lốp. Mô
hình toán học của bộ phận chấp hành biểu diễn bằng hệ phương trình vi phân 2.5.

x
x

J




K
(


)

C
(


)
0
M
o
o


p
p 



 J bx  C1 ( x   .rl )  K1 ( x   .rl )  rl  C2 .(lc  l p ).


(2.5)

Từ phương trình hệ thống lái điện phân tích như trên, ta có thể khảo sát các trạng thái điều
khiển hệ thống, thử nghiệm bộ điều khiển khác nhau, so sánh chất lượng điều khiển, mô phỏng tình
trạng làm việc của hệ thống với điều kiện thí nghiệm khác nhau.
2.3. Xây dựng mô hình khảo sát quỹ đạo chuyển động ô tô sử dụng hệ thống lái điện
Hình 2.7 minh họa mô hình ô tô hai vết nghiên cứu chuyển động lệch của ô tô trong trường
hợp tổng quát chịu tác dụng của lực gió ngang Fwy và lực cản không khí Fwx với giả thiết tải trọng
tĩnh phân bố đối xứng theo phương chuyển động của ô tô, vận tốc chuyển động bằng hằng số, bề
mặt đường phẳng, thông số kết cấu hệ thống treo ảnh hưởng không đáng kể trong quá trình chuyển
động.

Fwx

Hình 2.7: Mô hình chuyển động của ôtô trong mặt phẳng đường
Các ký hiệu trong hình vẽ được giải thích như sau:
C
: Trọng tâm ô tô
δi
: Góc quay của các bánh xe 1 ,  2  0,  3 ,  4  0 
αi
: Góc lệch bên của bánh xe thứ i (i = 1 ÷ 4)


m


 fI
dt  vIy   FIy 
Ix

Ix

Trong đó: m: khối lượng ô tô, bao gồm cả khối lượng các bánh xe
vIx , vIy: các thành phần của vận tốc trong hệ tọa độ mặt đường
fI : véc tơ các ngoại lực tác dụng lên ô tô
FIx , FIy : các thành phần lực trong hệ tọa độ mặt đường.
Quan hệ giữa phản lực dọc và ngang từ mặt đường tác dụng lên các bánh xe được thể hiện qua
Hình 2.8.

Hình 2.8: Các thành phần lực tác dụng lên bánh xe
Thành phần lực theo phương dọc thay đổi theo tình trạng chuyển động, giá trị lớn nhất có thể
truyền xuống mặt đường được giới hạn bởi hệ số bám φxi và tải trọng thẳng đứng Fzi theo công thức
2.8.
(2.8)
F

F
xi max

xi max

zi

F
c
o
s


F





y
x
xi
i
yi
i
wy


m  i 1



(2.10)

với góc lệch thân xe β được xác định theo công thức:

tan  




14
 v x      v y  m    Fxi cos  i  Fyi sin  i   Fwx 
 i 1



14
v





v

  x m   Fxi sin i  Fyi cos i   Fwy 
 y
 i 1




1 4
      ryi  Fyi sin  i  Fxi cos  i   rxi  Fyi cos  i  Fxi sin  i   lw .Fwy 

J z  i 1 


chọn các thông số cho bộ điều khiển PID Kp =10, KI =1.7, KD=0.15.

Hình 2.11: Kết quả mô phỏng với 03 tình trạng mặt đường với bộ điều khiển PID
Kết quả trên cho thấy nếu bộ điều khiển PID với các tham số Kp, KI, KD cố định sai số đáp
ứng hệ thống thay đổi theo tình trạng cản. Để giải quyết vấn đề trên, cần phát triển bộ điều khiển
khác phù hợp với đặc tính cản thay đổi tác dụng lên hệ thống lái điện.
2.5.2. ộ điều khiển uzzy-PID
Vấn đề thay đổi tình trạng cản ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển trình bày phần trên có thể
giải quyết thông qua phương pháp hiệu chỉnh bộ tham số KP, KI, KD. Ý tưởng sử dụng bộ điều khiển
Fuzzy để hiệu chỉnh tự động tham số KP, KI, KD tương ứng với các trạng thái cản mặt đường được
hình thành. Do vậy có thể kết hợp giữa bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ Fuzzy thành bộ điều
khiển Fuzzy-PID.
Mục tiêu của bộ điều khiển Fuzzy-PID là tối ưu hóa sự lựa chọn tham số cho bộ điều khiển
PID. Bộ điều khiển Fuzzy-PID với một biến đầu vào là sai số giữa tín hiệu đánh lái và góc quay đáp
ứng cơ cấu lái, trạng thái cản, tín hiệu đầu ra là thông số hiệu chỉnh cho tham số PID K P , K I , K D .
Tham số này được dịch chuyển trong khoảng thay đổi [KPmin, KImax ], [KImin , KImax], [KDmin, KDmax]
tương ứng với trạng thái của mô men cản và sai số hệ thống. Quy đổi trạng thái này về dạng không
chính tắc.
K P  K Pmin
K I  K Imin
K D  K Dmin
K P' 
, K I' 
, K p' 
(2.13)
K Pmax  K Pmin
K Pmax  K Pmin
K Dmax  K Dmin
Trong đó các giá trị KP, KI, KD được hiệu chỉnh theo công thức sau:
(2.14)

Hình 2.18: Phân bố tải trọng thẳng đứng lên bánh xe dẫn hướng
bên trái và bên phải

Hình 2.19: Quỹ đạo chuyển động ô tô khi sử dụng hệ thống lái điện
KẾT LUẬN CHƢƠNG II
Trong Chương II, luận án hoàn thành công việc xây dựng mô hình tổng quát nghiên cứu hệ
thống lái điện. Mô hình tổng quát này bao gồm nhiều mô hình thành phần liên kết với nhau như: Bộ
phận vô lăng, bộ phận điện tử, bộ phận chấp hành và động lực học xe.
14


Từ các mô hình đã xây dựng, sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng, phân tích hệ thống và
thử nghiệm các chế độ làm việc của hệ thống lái điện. Các kết quả mô phỏng cho thấy cần phải sử
dụng bộ điều khiển có chất lượng đảm bảo khả năng bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục
lái, tái tạo cảm giác lái.
Kết quả nghiên cứu trong Chương II đã xây dựng 02 bộ điều khiển PID và Fuzzy-PID, cho
thấy khi sử dụng bộ điều khiển PID sai số bám giữa vô lăng và bộ phận chấp hành thay đổi từ 0 0.23 rad khi tác động đầu vào theo quy luật hình sin với tần số 1/6 Hz, biên độ lớn nhất khoảng 3.5
rad . Với bộ điều khiển PID với tham số không đổi, khi mô men cản quay tăng, sai số có xu hướng
tăng theo, đây là nhược điểm của bộ điều khiển PID.
Để đảm bảo khả năng làm việc khi tải trọng thay đổi ở phạm vi lớn, luận án tiến hành phân
tích, thử nghiêm bộ điều khiển Fuzzy-PID. Khi sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PID sai số dao động
trong khoảng nhỏ hơn từ 0 - 0.132 rad.
Cả hai bộ điều khiển đều đáp ứng được tiêu chuẩn hệ thống lái thông thường, bộ điều khiển
Fuzzy-PID có khả năng bám tốt hơn so với bộ điều khiển PID. Do vậy, bộ điều khiển Fuzzy-PID
được lựa chọn làm bộ điều khiển bám giữa vô lăng và trục lái.
Kết quả nghiên cứu trên mô hình lý thuyết làm cở sở cho nghiên cứu thực nghiệm trên mô
hình bán tự nhiên. Các tính toán trên mô hình lý thuyết làm cở sở thay đổi tải trọng lên các bánh xe
dẫn hướng khi thí nghiệm trên mô hình.
Chƣơng III: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN
3.1. Thiết kế mô hình thí nghiệm

dạng thanh đỡ kích.

Hình 3.4: Hộp điều khiển mô hình thí nghiệm hệ thống lái điện
Xây dựng bộ điều khiển trong môi trường LabVIEW:

Hình 3.5: Chương trình điều khiển bám sử
dụng bộ điều khiển PID

Hình 3.6: Chương trình điều khiển bám sử dụng
bộ điều khiển Fuzzy-PID
16


Hình 3.7: Mô hình thí nghiệm hệ thống lái điện hoàn chỉnh
Thử nghiệm so sánh hệ thống lái điện và hệ thống lái cơ khí truyền thống
Bảng 3.1: Kết quả thử nghiệm đánh lái bên phải
Góc quay bánh Góc quay bánh Góc quay bánh
Góc quay vô
xe bên phải
xe bên trái
xe bên trái lý
Tỷ số truyền
lăng (độ)
(độ)
thực tế (độ)
thuyết (độ)
thực tế
0
0
0

557
19.9
35.4
31.4
30.17
674
20.2
38.1
33.1
32.95
714
20.1
Bảng 3.2: Kết quả thử nghiệm đánh lái bên trái
Góc quay bánh Góc quay bánh
Góc quay bánh
Góc quay vô
xe bên phải
xe bên phải lý
xe bên trái (độ)
lăng(độ)
thực tế (độ)
thuyết (độ)
Tỷ số truyền
0
0
0
0
20
5.1
4.9

30.1
675
20.5
37.9
33.2
32.95
714
20.1
3.3. Thử nghiệm tái tạo cảm giác lái
Phương pháp sử dụng bản đồ mô men cản điều khiển tạo cảm giác được phát triển bởi Se
Wook Oh. Trong phương pháp này, bản đồ mô men được xây dựng từ tín hiệu chính là cảm biến
góc đánh lái và tốc độ chuyển động. Mô men cảm giác phụ thuộc vào vận tốc quan hệ theo biểu
thức:
3.2.

1
3

1
2




 1   K  .v 2  .v  Vmax   Tin

(3.1)

Trong đó: Tin mô men cản ban đầu hệ thống, K  hiệu chỉnh theo tọa độ trọng tâm và diện tích
cản gió thay đổi áp lực tác dụng lên mặt đường, v vận tốc chạy xe, Vmax vận tốc max cực đại.

cấu lái đảm bảo độ chính xác. Bên cạnh đó, nghiên cứu tái tạo cảm giác lái được thử nghiệm trên mô
hình.
Kết quả thử nghiệm hoạt động mô hình khi cài đặt điều khiển PID, thay đổi tải trọng tại bánh
xe dẫn hướng cho thấy:

Ở chế độ bánh xe tiếp xúc mâm xoay tự do, trạng thái tĩnh, tải trọng đặt lên bánh xe
dẫn hướng 4250 N, sử dụng bộ điều khiển PID, sai số giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu chấp hành
bé dao động từ 0 rad đến 0.06 rad. Khi thay đổi tải ứng với các vận tốc thử nghiệm sai số giữa tín
hiệu điều khiển và tín hiệu chấp hành dao động có xu hướng tăng từ 0.06 rad đến 0.09 rad.

Ở chế độ bánh xe tiếp xúc mâm xoay cố định, trạng thái tĩnh, tải trọng đặt lên bánh xe
dẫn hướng 4250 N, sử dụng bộ điều khiển PID, sai số giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu chấp hành
tương đối lớn dao động từ 0 rad đến 0.26 rad. Khi thay đổi tải ứng với các vận tốc thử nghiệm sai số
giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu chấp hành dao động có xu hướng tăng từ 0 rad đến 0.28 rad.
Kết quả cho thấy cần kiểm soát sai số giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu chấp hành khi mô
men cản thay đổi. Kết quả thử nghiệm bộ điều khiển phù hợp với các nghiên cứu lý thuyết trong
Chương II. Các kết quả nghiên cứu trên làm cơ sở cho việc thí nghiệm các chế độ làm việc của hệ
thống lái.
18


Chƣơng IV: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH
4.1. Mục đích thí nghiệm
Mục đích cụ thể của thí nghiệm trong nghiên cứu bao gồm:
- Xác định mô men cản quay các bánh xe dẫn hướng phục vụ cho việc nghiên cứu động lực
học xe và xây dựng bộ điều khiển.
- Thí nghiệm điều khiển bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái để đánh giá chất
lượng bộ điều khiển.
4.2. Phƣơng pháp xác định mô men cản quay bánh xe dẫn hƣớng


trạng thái đánh lái trên 30 lần với các vận tốc khác nhau.
Bước 5: Ghi lại các kết quả: Sai số giữa tín hiệu góc quay vô lăng và góc quay trục lái được
lưu lại dưới dạng đồ thị liên tục.
4.6. Kết quả thí nghiệm
4.6.1. Kết quả thí nghiệm xác định mô men cản quay
Kết quả đo mô men cản quay các bánh xe dẫn hướng đo trên mô hình thí nghiệm ở trạng thái
bánh xe tiếp xúc với mâm xoay tự do như Hình 4.3.

Hình 4.3: Mô men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe
tiếp xúc mâm xoay tự do
Kết quả đo mô men cản quay các bánh xe dẫn hướng đo trên mô hình thí nghiệm ở trạng thái
bánh xe tiếp xúc với mâm xoay cố định như Hình 4.4.

Hình 4.4: Mô men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe
tiếp xúc mâm xoay cố định
Kết quả đo mô men cản quay các bánh xe dẫn hướng đo trên mô hình thí nghiệm ở trạng thái
bánh xe tiếp xúc với mặt đường nhựa như Hình 4.5.

Hình 4.5: Mô men cản quay bánh xe dẫn hướng trạng thái bánh xe
tiếp xúc mặt đường nhựa
4.6.2. Kết quả thí nghiệm điều khiển bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái

Hình 4.6: Sai số góc quay vô lăng và góc quay trục lái
(bộ điều khiển PID, Zl =4250 N, Zr = 4250 N)
20


Hình 4.7: Sai số góc quay vô lăng và góc quay trục lái (bộ điều khiển Fuzzy-PID,
Zl =4250 N, Zr = 4250 N)


0-0.132
7.6
1950
6550
0-0.135
7.7
6550
1950
0-0.131
7.5
4250
4250
0-0.130
7.5
1950
6550
0-0.134
7.7
6550
1950
0-0.131
7.5
Bảng 4.3: Tổng hợp sai số giữa tín hiệu góc quay vô lăng và góc quay trục lái
Kết quả thí nghiệm bộ điều khiển trạng thái bánh xe tiếp xúc với mặt đƣờng nhựa
Tải
Bộ điều
Tải trọng thẳng đứng
Sai số
Sai số
khiển


PID

FUZZY
PID
FUZZY
PID

Đƣờng nhựa

PID

Mâm xoay cố
định

Từ bảng kết quả thực nghiệm trên mô hình so sánh với kết quả mô phỏng. Kết quả so sánh
trình bày trong bảng.
Bảng 4.4: So sánh điều khiển bám giữa tính toán lý thuyết và thực tế
SO SÁNH CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ THỰC TẾ
Tải
Bộ điều
Tải trọng thẳng đứng
Sai số (rad)
khiển
(N)
Bánh xe Bánh xe bên phải
Mô phỏng
Thực tế
bên trái
4250

Khảo sát xe sử dụng hệ thống lái điện qua thí nghiệm chuyển làn DLC
Trong phạm vi đề tài, mô hình bán tự nhiên mặc dù cơ bản đã đáp ứng được các yêu cầu hệ
thống lái, tuy nhiên chúng chỉ là mô hình tĩnh vì vậy để có thể sử dụng mô hình này trên ô tô thực tế
cần khảo sát chất lượng hệ thống lái điện khi lắp đặt lên xe thông qua mô phỏng quỹ đạo chuyển
động ô tô khi chuyển làn. Các kết quả nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm thực tế (mô men cản, sai
số góc quay vô lăng và góc quay trục lái) kết hợp với điều kiện và vận tốc chạy xe được đưa vào mô
hình tổng quát để nghiên cứu đánh giá các tiêu chuẩn hệ thống lái theo các tiêu chuẩn quốc tế nhắm
đánh giá chất lượng hệ thống lái điện.
4.7.

Hình 4.12: Chương trình mô phỏng quỹ đạo ô tô sử dụng hệ thống lái điện khi thực hiện thí
nghiệm chuyển làn DLC

22


Hình 4.13: Kết quả mô phỏng quỹ đạo ô tô sử dụng hệ thống lái điện khi thực hiện thí nghiệm
chuyển làn DLC 40km/h

Hình 4.14: 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
KẾT LUẬN CHƢƠNG IV
Trong Chương IV, luận án đã xây dựng được phương pháp thí nghiệm xác định mô men cản
quay bánh xe dẫn hướng, quy trình thí nghiệm điều khiển bám giữa góc quay vô lăng và góc quay
trục lái khi thay đổi điều kiện làm việc thông qua việc xác định sai lệch về thời điểm và trị số góc
quay vô lăng và góc quay trục lái. Thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Cơ khí ô tô của
Trường Đại học Giao thông Vận tải với sự hỗ trợ của các chuyên gia với các thiết bị đo kiểm có độ
tin cậy cao.
Thí nghiệm xác định mô men cản quay cho thấy tại vị trí trung gian mô men cản có giá trị bé,
khi tăng góc đánh lái, mô men cản có xu hướng tăng theo. Mô men cản thay đổi từ 6.2 N.m đến 6.8

Kết quả nghiên cứu lý thuyết đã hoàn tất việc xây dựng thuật toán điều khiển bám giữa vô lăng
và bộ phận chấp hành bằng bộ điều khiển Fuzzy-PID. Thông qua việc khảo sát bằng mô phỏng cho
thấy khi mô men cản quay thay đổi bộ điều khiển Fuzzy –PID có khả năng kháng nhiễu tương đối
tốt. Sai số góc quay vô lăng và trục lái dao động trong phạm vi bé từ 0- 0.15 rad nằm trong phạm vi
cho phép sai số hệ thống lái truyền thống.
Đã xây dựng mô hình động lực học ô tô sử dụng hệ thống lái điện nhằm xác định quỹ đạo
chuyển động ô tô và phân bố lại tải trọng lên các bánh xe dẫn hướng phục vụ nghiên cứu thực
nghiệm.
Việc thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm bán tự nhiên hệ thống lái điện đóng vai trò quan
trọng trong việc hoàn thành mục tiêu nghiên cứu và nắm bắt, làm chủ các công nghệ tiên tiến trong
hệ thống cơ điện tử. Từ mô hình thí nghiệm đã thử nghiệm đo các thông số đầu vào cho bài toán mô
phỏng và kiểm chứng các kết quả tính toán lý thuyết. Mô hình thí nghiệm đã xây dựng sử dụng công
nghệ giao tiếp ảo DAQ là một trong những giải pháp tiên tiến được sử dụng tại các phòng thí
nghiệm ứng dụng trên thế giới.
Luận án đã xây dựng được quy trình đo mô men cản quay bánh xe dẫn hướng. Kết quả đo là
thông số đầu vào quan trọng cho bài toán mô phỏng hệ thống lái điện.
Kết quả điều khiển bám giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái đã khẳng định sự cần thiết
phải xây dựng bộ điều khiển Fuzzy-PID cho mô hình và khả năng thay thế hệ thống lái điện cho các
hệ thống lái truyền thống.
Luận án đã tái tạo được cảm giác lái cho mô hình hệ thống lái điện.
Kết quả khảo sát quay vòng ô tô sử dụng hệ thống lái điện trong thí nghiệm DLC theo tiêu
chuẩn quốc tế cho thấy hệ thống lái điện nghiên cứu đáp ứng được các yêu cầu đặt ra khi chuyển
động ở tốc độ 40 km/h và 60 km/h.
Với các kết quả đã đạt được như trên có thể khẳng định hệ thống lái điện với bộ điều khiển
Fuzzy-PID hoàn toàn có thể thay thế được hệ thống lái truyền thống trên mô hình bán tự nhiên và
trên ô tô như mục tiêu nghiên cứu đã đặt ra.
2.
Những hạn chế và hƣớng nghiên cứu tiếp theo
- Hoàn thiện mô hình tổng quát: Mô hình hệ thống lái điện trong luận án chủ yếu tập trung
phân tích các yếu tố bản thân hệ thống lái chưa đề cập tới yếu tố an toàn và tự chẩn đoán. Các bộ