Nghiên cứu đề xuất bộ điều khiển chuyển động ổn định của ô tô

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT BỘ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ Nguyễn Thành Công(1), Đào Mạnh Hùng(1), Hồ Hữu Hải(2) (1) Trường Đại học Giao thông Vận tải, (2)Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt: Bài báo đề xuất bộ điều khiển logic mờ điều khiển chuyển động ổn định của ô tô thông qua việc phân phối lực phanh tại mỗi bánh xe. Dựa vào tốc độ góc xoay thân xe thực tế được cung cấp bởi cảm biến bộ điều khiển sẽ so sánh với với giá trị mong muốn. Thông qua tín hiệu sai lệch này, bộ chấp hành sẽ thực hiện phanh tại bánh xe điều chỉnh quỹ đạo chuyển động của ô tô gần với mong muốn. Hệ thống được mô phỏng khi ô tô thực hiện chuyển làn, tín hiệu điều khiển vành lái dạng hình Sin. Đánh giá tác động của bộ điều khiển quá trình mô phỏng được thực hiện khi có và không có tác động của bộ điều khiển với các vận tốc khác nhau. I. Đặt vấn đề Nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô là vấn đề rất phức tạp. Khi ô tô chuyển động trên đường với tốc độ cao có thể xảy ra quay vòng không theo quỹ đạo người điều khiển mong muốn làm mất ổn định dẫn tới những tai nạn đáng tiếc. Các nghiên cứu gần đây cho thấy điều khiển mô men xoay thân xe là phương pháp hiệu quả để cải thiện tính chuyển động ổn định của ô tô. Phương pháp này tập trung vào điều khiển vận tốc góc xoay thân xe. Khi mất ổn định hệ thống điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều chỉnh mô men xoay thân xe bằng cách phân phối lực phanh hoặc điều khiển lực kéo để giữ ô tô chuyển động ổn định. Trong bài này, tác giả đưa ra bộ điều khiển logic mờ để điều khiển chuyển động của ô tô thông qua việc phân phối lực phanh tại mỗi bánh xe. Điều khiển mờ sử dụng các kỹ năng của người điều khiển có kinh nghiệm hoặc các tri thức chuyên gia, có thể sử dụng các tiêu chí được mô tả bằng ngôn ngữ hoặc không định nghĩa được rõ ràng. Vì thế, điều khiển mờ thường được dùng khi tiến trình điều khiển không được biết rõ hoặc khó mô tả chính xác vì quá phức tạp chẳng hạn. II.Trạng thái chuyển động và đề xuất bộ điều khiển 2.1 Các trạng thái quay vòng của ô tô Điều kiện để các bánh xe dẫn hướng với hệ thống lái 2WS không bị trượt bên khi xe quay vòng thoả mãn: (1) Khi ô tô quay vòng với vận tốc không đổi bán kính quay vòng Rqv được xác định từ sơ đồ (hình 1) như sau: (2) Trong đó: L-chiều dài cơ sở của ô tô [m]; βt- góc quay bánh xe dẫn hướng[rad]; αt-góc biến dạng bên của cầu trước [rad]; αs- góc biến dạng bên của cầu sau[rad]. Nếu xe quay vòng với βt nhỏ thì ta có thể coi: tg(βt-αt) ≈βt-αt; tgαs ≈αs Hình 1. Xác định bán kính quay vòng theo L, β, αt, αs - Khi ( αt -αs ) = 0 là trạng thái quay vòng đúng. Bán kính quay vòng không phụ thuộc vào gia tốc bên (Rqv = const). - Khi ( αt -αs ) < 0 là trạng thái quay vòng thiếu. Khi đó bán kính quay vòng tăng, để thực hiện quay vòng theo bán kính R thì người lái phải tăng góc quay vành lái một lượng Δβvl. - Khi ( αt -αs ) > 0 là trạng thái quay vòng thừa. Khi đó bán kính quay vòng giảm, lực ly tâm gia tăng. Để khắc phục người lái phải giảm góc quay vành lái một lượng Δβvl . 2.2.Cấu trúc bộ điều khiển Cấu trúc bộ điều khiển được thể hiện ở hình 2. Hình 2 Cấu trúc bộ điều khiển. Từ các tín hiệu đầu vào: tốc độ ô tô, góc quay vành lái, khối Reference Model sẽ xác định tốc độ góc quay thân xe mong muốn. Biểu thức xác định tốc độ góc quay thân xe mong muốn như sau [7]: (3) Trong đó: v – vận tốc của ô tô [m/s];- góc quay của bánh xe dẫn hướng [rad]; m - khối lượng của ô tô [kg]; lf, lr - khoảng cách từ trọng tâm ô tô tới tâm cầu trước, cầu sau [m]; Caf, Car - Độ cứng bên của lốp trước, sau [N/rad] Từ tốc độ góc xoay thân xe thực tế được đo bởi cảm biến. Bộ điều khiển so sánh với giá trị mong muốn. Qua tín hiệu sai lệch này xác định giá trị mômen xoay thân xe. Từ đó bộ chấp hành sẽ thực hiện phanh tại bánh xe để điều chỉnh quỹ đạo chuyển động của ô tô. Khi xe quay vòng thừa (hình 3-a) xe được ổn định bằng cách tăng lực bên ở bánh xe trước phía ngoài tạo ra mô men ngược chiều với mô men gây ra quay vòng thừa. Lực phanh tác dụng lên bánh xe phía trước cũng làm giảm tốc độ của xe, vì thế tính ổn định của xe được đảm bảo. Khi xe quay vòng thiếu (hình 3-b) xe được ổn định bằng cách tác dụng phanh ở bánh sau bên trong. Vì thế mô men quay vòng sẽ tăng, ô tô chuyển động ổn định. a)Xe quay vòng thừa b)Xe quay vòng thiếu FB- Lực phanh; FS- Lực bên Hình 3 Trạng thái chuyển động của ô tô khi có điều khiển và không điều khiển 2.3.Xây dựng bộ điều khiển mờ Sơ đồ điều khiển mờ như trên hình 4. Biến vào tương tương ứng của bộ điều khiển như sau: - dr: Sai lệch vận tốc góc xoay thân xe, đánh giá sai lệch giữa giá trị thực tế(đo từ cảm biến) và giá trị mong muốn (xác định từ biểu thức 3). -ddr: Độ biến thiên sai lệch vận tốc góc xoay thân xe. Được xác định từ giá trị sai lệch vận tốc góc xoay thân xe tại thời điểm tính toán với giá trị sai lệch vận tốc xoay thân xe thời điểm trước đó, trong khoảng thời gian trễ 0,005 (s). Hình 4 Sơ đồ mô phỏng khối điều khiển mờ Biến vào được định lượng bằng 3 giá trị ngôn ngữ (hình 5a): “Âm”, ký hiệu N (Negative),“Không“, ký hiệu Z (Zero), “Dương“, ký hiệu P (Positive). Biến ra được định nghĩa là mô men xoay thân xe (ký hiệu Mz). Được định nghĩa bằng 5 giá trị ngôn ngữ (hình 5b):“Âm lớn”, ký hiệu NL (Negative Large),“Âm nhỏ”, ký hiệu NS (Negative Small), “Không”, ký hiệu Z (Zero),“Dương nhỏ”, ký hiệu PS (Positive Small),“Dương lớn”, ký hiệu PL (Positive Large). a)Sai lệch, độ biến thiên sai lệch vận tốc góc xoay thân xe b) Mô men xoay thân xe Hình 5 Các hàm quan hệ giá trị ngôn ngữ biến vào/ra bộ điều khiển mờ Xây dựng tập luật điều khiển Tập luật điều khiển mờ được xây dựng trên cơ sở nguyên lý điều khiển của mô hình kết hợp với tri thức các chuyên gia, theo tiêu chí nâng cao chuyển động ổn định của ô tô, gồm 9 luật thể hiện trong bảng 1. Bảng 1 Tập luật điều khiển của bộ điều khiển mờ III. Kết quả mô phỏng Khi ô tô chuyển làn với vận tốc chuyển động 20 m/s. Điều khiển vành lái dạng hình Sin với biên độ đánh lái 1500 (hình 6). Mô hình mô phỏng quỹ đạo chuyển động ô tô xây dựng trên phần mềm Matlab-Simulink [3]. Các thông số kỹ thuật của ô tô được cho trong bảng 2. Bộ điều khiển logic mờ được tổng hợp bằng công cụ fuzzy logic toolbox của Matlab. Hình 6 Tín hiệu góc quay vành lái Bảng 2 Thông số kỹ thuật của ô tô khảo sát STT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị 1 Khối lượng toàn bộ xe m 1006 kg 2 Mô men quán tính của khối lượng được treo Isy 1500 kg.m2 3 Khoảng cách từ trọng tâm khối lượng được treo đến tâm cầu trước a 0.8839 m 4 Khoảng cách từ trọng tâm khối lượng được treo đến tâm cầu sau b 1.4261 m 5 Độ cứng bên của lốp trước, sau Caf, Car 30000 N/rad Kết quả mô phỏng thể hiện trên hình 7, đánh giá tác động của bộ điều khiển, khi có và không có tác động của bộ đều khiển. a. Vận tốc góc xoay thân xe b. Góc xoay thân xe c. Quỹ đạo chuyển động Hình 7 Kết quả mô phỏng chuyển động Kết quả cho thấy khi ô tô chuyển làn: trường hợp không có điều khiển ô tô mất ổn định chuyển động do sai lệch vận tốc góc xoay thân xe (hình 7a), mức mất ổn định thể hiện qua sai lệch góc xoay thân xe (hình 7b). Khi có điều khiển vận tốc góc xoay thân xe được duy trì gần giá trị mong muốn nên tăng mức ổn định chuyển động của ô tô. Kết thúc chuyển làn góc xoay thân xe mong muốn là 0o do sự biến dạng đàn hồi của lốp trong quá trình trả lái nên có sự sai lệch góc xoay thân xe, do đó quỹ đạo chuyển động của ô tô (hình 7c) lệch với hướng chuyển động thẳng. Bộ điều khiển duy trì giá trị vận tốc xoay thân xe gần với giá trị mong muốn nhằm duy trì hướng chuyển động thẳng của ô tô. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng quỹ đạo chuyển động phù hợp với tín hiệu điều khiển góc quay vành lái, khi có điều khiển quỹ đạo chuyển động của ô tô gần với quỹ đạo mong muốn hơn khi không có điều khiển. IV.Kết luận: Tác giả đã đưa ra bộ điều khiển mờ để điều khiển chuyển động ổn định của ô tô dựa vào việc phân phối lực phanh tại mỗi bánh xe. Từ kết quả mô phỏng thấy rằng khi có điều khiển ô tô chuyển động ổn định hơn so với trường hợp không có điều khiển. Kết quả của nghiên cứu có thể làm cơ sở để chế tạo bộ điều khiển chuyển động ổ định của ô tô. Tài liệu tham khảo: [1] Nguyễn Khắc Trai – Tính điều khiển và quĩ đạo chuyển động của ô tô - Nhà xuất bản Giao thông vận tải, Hà Nội, 1997. [2]. B.Bouchon-Meunier-Hồ Thuần-Đặng Thanh Hà – Logic mờ và ứng dụng – Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà nội, 2007 [3] Nguyễn Thành Công- Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong điều khiển chuyển động ổn định của ô tô, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2009 [4] Jong Hyeon Park and Woo Sung Ahn - H-infinite Yaw-Moment Control with Brakes for Improving Driving Performance and Stability – Proceedings of the 1999 IEEE/ASME International Conference on Advanced Advanced Mechatronics, September 1999, Atlanta, USA [5] Rajesh Rajamani – Vehicle Dynamics and control - Springer Science+Business, Inc., 233 Spring Street, New York, NY 10013, USA [6] Sang-Jin Ko, Jeong-Jung Kim and Ju-Jang Lee - Yaw stabilization of a vehicle by yaw stability controller based on Fuzzy Logic – 8th International Symposium on Advanced Intelligent System (ISIS2007), September 2007, Sokcho-City, Korea