Luận văn Nghiên cứu ổn ñịnh hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu ổn ñịnh hệ thống lái không trục lái tại vị trí giới hạn quay vòng của vành tay lái (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƠ VĂN HỢP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG LÁI KHƠNG TRỤC LÁI TẠI VỊ TRÍ GIỚI HẠN QUAY VỊNG CỦA VÀNH TAY LÁI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 S K C 0 0 4 0 7 2 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH oOo LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƠ VĂN HỢP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG LÁI KHƠNG TRỤC LÁI TẠI VỊ TRÍ GIỚI HẠN QUAY VỊNG CỦA VÀNH TAY LÁI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU HƯỜNG Tp. HồChí Minh, 2013
3. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái LÝ L CH KHOA H C I. LÝ L CH S Ơ L ƯC: H & tên: NGƠ V ĂN H P Gi i tính: Nam Ngày, tháng, n ăm sinh: 16 / 10 / 1986 Nơi sinh: Bn Tre Quê quán: M Cày Nam – Bn Tre Dân t c: Kinh Ch riêng ho c đa ch liên l c: 242 – Tân Phong – Thành Th i A – M Cày Nam – Bn Tre ðin tho i c ơ quan: ðin tho i nhà riêng: 0977079973 Fax: E-mail: hopckdspkt@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ðÀO T O: 1. Trung h c chuyên nghi p: H đào to: Th i gian đào t o t / đn / Nơi h c (tr ưng, thành ph ): Ngành h c: 2. ði h c: H đào t o: Chính quy Th i gian đào t o t / đn / Nơi h c (tr ưng, thành ph ): Tr ưng ðHSPKT Tp. H Chí Minh Ngành h c: Cơ khí đng l c Tên đ án, lu n án ho c mơn thi t t nghi p: Nghiên c u h th ng truy n l c 4WD Ngày & n ơi b o v đ án, lu n án ho c thi t t nghi p: 10/2010 Tr ưng ðHSPKTTpHCM Ng ưi h ưng d n: Ths. Tr n ðình Quý III. QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MƠN K T KHI T T NGHI P ðI H C: Th i gian Nơi cơng tác Cơng vi c đm nhi m 2010 - 2011 Cơng ty ơ tơ ðƠ THÀNH Bo trì xe 2011 - nay Tr ưng C ðGT V n T i TpHCM Gi ng d y CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang i
4. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái LI CAM ðOAN Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên c u c a tơi. Các s li u, k t qu nêu trong lu n v ăn là trung th c và ch ưa t ng đưc ai cơng b trong b t k ỳ cơng trình nào khác Tp. H Chí Minh, ngày tháng n ăm 201 (Ký tên và ghi rõ h tên) NGƠ V ĂN H P CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang ii
5. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái LI CÁM ƠN Sau h ơn m t n ăm th c hi n, đ tài “Nghiên c u n đnh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái” đã đưc hồn thành. Ngồi s c gng n lc c a cá nhân, bn thân tơi đã đưc s giúp đ đĩng gĩp ý ki n, l i khuyên t th y cơ, b n bè s khích l đng viên t gia đình trong th i gian qua. Tr ưc tiên, tơi xin chân thành cám ơn gia đình đã đng viên ng h , t o điu ki n cho tơi h c t p và hồn thành đ tài này. Xin chân thành cám ơn quý th y cơ đã t n tình h ưng d n truy n đt ki n th c đ tơi hồn thành các mơn h c trong khĩa h c, quý th y cơ và các anh em trung tâm Hc ð Làm đã t o điu ki n cho tơi cĩ m t khơng gian h c t p và nghiên c u. ðc bi t là s bi t ơn sâu s c đn các Th y PGS. TS. Nguy n H u H ưng và Th y TS. Nguy n Bá H i là nh ng ng ưi đã tr c ti p h ưng d n, t n tình ch bo truy n đt nh ng ki n th c h u ích, luơn đng viên nh c nh tơi trong su t quá trình tơi th c hi n đ tài. Tơi xin chân thành cám ơn Ngơ V ăn H p CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang iii
6. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái TĨM T T Ngày nay cơng ngh thơng tin và k thu t ph n m m phát tri n m nh m . Nh ng thành t u m i trong l ĩnh v c đã giúp cho ơ tơ ngày càng tr nên thơng minh h ơn. Trong đĩ, s phát tri n theo h ưng cơng ngh SBW ng d ng trên ơ tơ đã và đang đưc quan tâm, đng th i c ũng h a h n mang l i s hồn thi n trong tính n ăng điu khi n xe và tính an tồn. Hi n nay SBW đang là xu h ưng c a ơ tơ t ươ ng lai vì chúng cĩ nhi u ưu đim so v i h th ng lái truy n th ng. Trong h th ng lái truy n th ng thì ng ưi lái tác đng vào vơ l ăng m t gĩc lái nh t đnh, gĩc lái này đưc truy n qua tr c lái t i c ơ cu lái r i làm xoay các bánh xe. Cịn bây gi đi v i h th ng SBW thì ng ưi lái xoay vơ l ăng r i nh các c m bi n phát hi n gĩc quay c a vơ l ăng, sau đĩ g i tín hi u đn b điu khi n b ng đin (ECU). ECU s điu khi n đng c ơ đin c a c ơ cu bánh xe đ xoay các bánh xe chuy n đng theo gĩc xoay c a vơ l ăng. ðiu này cho phép khi thi t k , chúng ta cĩ th b đi tr c lái. Khi b đi tr c lái thì h th ng SBW mang l i nhi u l i ích nh ư: tr ng l ưng xe gi m xu ng, bu ng lái r ng h ơn, khơng b rị r du và linh ho t trong vi c b trí các h th ng trên xe. Tuy nhiên, bên c nh nh ng thu n l i đĩ thì SBW cĩ nh ưc đim là ng ưi lái s mt c m giác lái khi khơng cịn tr c lái. ðiu này d n đn m t an tồn khi điu khi n xe. Do đĩ trong đ tài này tơi s trình bày các ph ươ ng pháp tái t o c m giác lái đ cĩ th tái t o ra đưc c m giác lái th c. Bên c nh đĩ, m c dù đã tái t o đưc cm giác lái th c nh ưng h th ng SBW v n cịn m t v n đ cn gi i quy t đĩ là vơ lăng s mt n đnh t i v trí gi i h n (lock – to - lock). Trong lu n v ăn này tơi đã đ xu t m t ph ươ ng pháp n đnh tay lái t i v trí gi i hn quay vịng nh m c i thi n c m giác lái và n đnh vành tay lái. ðc tính gi i hn cho phép lái xe c m nh n đưc đ cng c a b c t ưng o khi xoay vơ l ăng t i v trí khĩa. Nghiên c u đã đưc ki m tra thơng qua thí nghi m th c t và k t qu ca ph ươ ng pháp n đnh tay lái đưc đ xu t cho phép n đnh tay lái so v i tr ưng h p bình th ưng v các ch s: v trí, l c, mơ men CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang iv
7. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái ABSTRACT Today, information technology and software engineering flourished. New achievements in the field of automobile helped to become more intelligent. In particular, the development of technology towards applications in the automotive SBW have been interested, and also promises to bring perfection in the vehicle control and safety . Currently SBW is a trend of future cars, as they have several advantages compared with conventional steering system. In the traditional system, the driver drive impacts on the steering wheel a certain steering angle, steering angle is transmitted to the drive shaft and to rotate the steering wheel. And now for the SBW system, the steering wheel and rotate the sensor by detecting the angle of rotation of the steering wheel, then send a signal to the power control (ECU). ECU controls the electric motor gear mechanism to rotate the wheels in motion with rotation of the steering wheel. This enables the design, we can remove drive shaft. When the drive shaft is removed SBW system brings many benefits such as reduced weight, wider cockpit, no oil leaks and flexibility in the layout of the vehicle system. However, besides the advantages that the SBW downside is that the driver will lose steering feel when no longer drive shaft. This leads to loss of safe driver. Hence in this topic I will re- create the sensation method can drive to re- create the feeling of actually driving. Besides, despite reproduce real driving pleasure but SBW system remains a problem to be solved is that the steering wheel is unstable at limit position (lock - to - lock). In this essay, I have proposed a method of steering stability at the position limits rotation to improve steering feel and steering wheel steady. Character limits driving feel of the virtual wall stiffness when turning the steering wheel to the locked position. Research has been tested through practical experiments and results of stable steering method proposed allows stable steering compared with the parameters: position, force, torque CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang iv
8. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái DANH SÁCH CÁC T VI T T T SBW – Steer by Wire : H th ng lái khơng tr c ECU – Electronic Control Unit : B điu khi n b ng đin t ABS – Anti – lock Brake System : H th ng ch ng hãm (bĩ) cng phanh EPS – Electric Power Steering : Tr lc lái b ng đin ACC – Active Cruise Control : ðiu khi n h th ng ga t đng PID – Proportional Integral Derivative : T l - Tích phân - ðo hàm LabVIEW – Laboratory Virtural Instrumentation Engineering Workbench: Ph n m m l p trình c a cơng ty National Instruments, Hoa K ỳ GPS – Global Positioning System : H th ng đnh v tồn c u DBW – Drive by Wire : D n đng b ng dây VCM – Variable Cylinder Management : Ki m sốt s xylanh ho t đng DOF – Degree of Freedom : B c t do I/O – Input/Output : Tín hi u đu vào/ Tín hi u đu ra GUI – Graphical User Interface : Giao di n ng ưi dùng đ ha HW – Handwheel : Vơ l ăng RW - Roadwheel : Bánh xe PO – Passivity Observer : B quan sát b đng PC – Passivity Controller : B điu khi n b đng VE – Virtual Environment : Mơi tr ưng o HO – Human Operator : Ng ưi điu khi n (ho c Con ng ưi) CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang v
9. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: H th ng lái trên ơ tơ đu tiên ca Karl Benz năm 1885 13 Hình 1.2: Cu t o h th ng lái ph bi n hi n nay 14 Hình 1.3: H th ng lái điu khi n b ng dây (Drive By Wire) c a xe Nissan 14 Hình 1.4: Gĩc Camber 17 Hình 1.5: Gĩc Camber d ươ ng và Camber âm 17 Hình 1.6: Gĩc Caster 18 Hình 1.7: Gĩc Kingpin 18 Hình 1.8: ð ch m bánh xe 19 Hình 1.9: Bán kính quay vịng c a ơ tơ 19 Hình 1.10: Xe Land Glider ca hãng xe Nissan vi h th ng lái Drive-by-Wire 20 Hình 1.11: Khơng gian rng l n bên trong xe Hy-wire GM 21 Hình 1.12: Các thi t b ki m tra h th ng lái t đng c a xe Mercedes 22 Hình 1.13: ðiu khi n đ xe t xa ng d ng trên xe Su Rui c a BYD Trung Qu c23 Hình 1.14: Hình nh mơ ph ng c a h th ng Drive-by-wire 24 Hình 1.15: Cơng ngh điu khin b ng dây ng d ng cho xe t ươ ng lai 25 Hình 1.16: Cơng ngh by – Wire ng d ng trên đng c ơ i – VTEC 3.5 c a xe Honda Odyssey 2005 26 Hình 1.17: Chuy n đi t mt h th ng lái th ưng sang h th ng Steer-By-Wire . 27 Hình 1.18: Cm nh n c a con ng ưi v tr ng thái c a v t th 29 Hình 1.18a: Sơ đ cu trúc giao di n haptics 31 Hình 1.18b: Mơ hình haptics t ươ ng tác gi a con ng ưi v i mơi tr ưng 33 Hình 1.19: Thi t b ph n h i l c Exoskeleton 34 Hình 1.20: Thi t b CyberForce 34 Hình 1.21: FREFLEX [Ohio University Website, Robert L. Williams] 35 Hình 1.22: Cánh tay chính “Master Arm” tr ưng đi h c Southern Methodist 36 Hình 1.23: Master II, Rutgers University 37 Hình 1.24: Thi t b hi n th lc gi ca bàn tay 37 CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang vi
10. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái Hình 1.25: Thi t b CyberGlove 37 Hình 1.26: Thi t b CyberGrasp Exoskeleton 37 Hình 1.27: Thit b Phantom 38 Hình 1.28: Thi t b Pantograph c a tr ưng ði h c McGil 38 Hình 1.29: (a) H th ng đào t o ph u thu t đu g i và (b) Thi t b kính xoay kh p gi (Mock Arthroscope) (bên trên) đưc so sánh v i thi t b th c t (bên d ưi) 39 Hình 1.30: Cn điu khi n ph n h i l c Sidewinder, Microsoft Corp và chu t ph n hi l c WingMan, Logitech 39 Hình 1.31: Sơ đ cu trúc c ơ b n cho các ng d ng th c t o k t h p âm thanh, th giác và ph n h i haptics 40 Hình 1.32: Sơ đ các kh i c ơ b n c a m t thu t tốn bi u di n haptics 41 Hình 1.33a: Khái ni m b c t ưng o miêu t s tươ ng tác m t b c t do (1DOF) 42 Hình 1.33b: Sơ đ mch đin c a m t th n 43 Hình 1.34: Giao di n Haptics s dng trong điu khi n xe t xa 44 Hình 1.35: Thi t b giao di n điu khi n xe 44 Hình 1.36: Cơng ngh haptics trong h th ng iDrive c a hãng BMW 45 Hình 1.37: Tươ ng tác v i hình nh ba chi u trong ph u thu t t xa 45 Hình 1.38: Tươ ng tác v i hình nh ba chi u thơng qua cánh tay robot 46 Hình 1.39: Giao di n chính c a ph n m m LabVIEW phiên b n 2009 48 Hình 1.40: Mt robot (Spider) phát tri n d a trên l p trình LabVIEW 49 Hình 1.41: Kh năng k t h p các ph n c ng c a LabVIEW 49 Hình 1.42: Sơ đ đin c a đng c ơ DC 50 Hình 1.43: Sơ đ cu trúc điu khi n v n t c đin hình c a đng c ơ DC 51 Hình 1.44: Sơ đ điu khi n v n t c c a đng c ơ DC 52 Hình 1.45: Cơ c u c n điu khi n v trí 54 Hình 1.46: Sơ đ điu khi n v trí c a b PID 54 Hình 1.47: Mơ t giá tr đt, giá tr đo đưc và di n tích sai l ch 56 Hình1.48: Ph i c nh k t n i ph n c ng điu khi n PID đng c ơ DC 57 Hình 1.49: Sơ đ mch đin k t n i ph n c ng điu khi n PID đng c ơ DC 57 Hình 1.50: Sơ đ thu t tốn điu khi n đng c ơ DC theo v trí b ng PID 58 CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang vi
11. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái Hình 1.51: Sơ đ lp trình P control cho đng c ơ DC 60 Hình 1.52: Giao di n ng ưi dùng điu khi n P cho đng c ơ DC 60 Hình 1.53: ð th đáp ng v trí c a đng c ơ DC 61 Hình 1.54: Sơ đ điu khi n khâu PI v trí đng c ơ DC 62 Hình 1.55: Sơ đ điu khi n khâu PID v trí đng c ơ DC 63 Hình 2.1: Sơ đ ch c n ăng c a h th ng Steer – by – Wire 64 Hình 2.2: Sơ đ b trí chung m t s h th ng lái thơng d ng trên ơ tơ con 66 Hình 2.3: (a) H th ng lái khơng tr c lái trên ơ tơ (SBW); (b) “Hy-Wire” c a hãng General Motor’s; (c) Khái ni m SBW c a hãng BMW 67 Hình 2.4: H th ng lái th ưng (a) và h th ng lái khơng tr c lái (b) 68 Hình 2.5: Mơ hình đng h c c a h th ng lái khơng tr c lái (SBW) 69 Hình 2.6: Sơ đ kh i c a h th ng SBW 71 Hình 2.7: Mơ hình điu khi n vơ l ăng 72 Hình 2.8: H th ng điu khi n vơ l ăng d a vào đng c ơ 73 Hình 2.9: Bi u đ quan h mơ men trên vơ l ăng và gĩc vơ l ăng 74 Hình 2.10: Sơ đ h th ng điu khi n ph n h i bánh xe 75 Hình 2.11: Sơ đ tính tốn mơ men h th ng bánh xe 77 Hình 2.12: ð th quan h mơ men tính tốn và gĩc bánh xe 77 Hình 2.13: Sơ đ điu khi n tồn b h th ng SBW 78 Hình 2.14: ð th quan h gĩc quay vơ l ăng lái theo th i gian 79 Hình 2.15: Các ph ươ ng pháp điu khi n đc tính quay vịng thi u 80 Hình 2.16: Sơ đ điu khi n c a ph ươ ng pháp d a trên mơ hình đng l c h c 82 Hình 2.17a: Sơ đ điu khi n c a ph ươ ng pháp b n đ mơ men 83 Hình 2.17b: Sơ đ điu khi n c a ph ươ ng pháp b n đ mơ men 84 Hình 2.18: Sơ đ ki m sốt v trí l c đi v i SBW 85 Hình 2.19: Sơ đ quan h điu khi n t xa hai c ng c a h th ng lái khơng tr c lái86 Hình 2.20a: Tng quan v tái t o c m giác lái dùng c m bi n dịng 88 Hình 2.20b: Sơ đ kt n i c a c m bi n đo dịng 89 Hình 3.1: H th ng các thành ph n c a h th ng giao di n haptics 93 Hình 3.2: Ví d h th ng m ng đưc k t n i tùy ý (m i kh i b đng hay ch đng)94 CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang vi
12. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái Hình 3.3: Sơ đ kt n i PC v i h th ng c u hình m t c ng 96 Hình 3.4: Sơ đ kt n i PC v i h th ng c u hình hai c ng 98 Hình 3.5: H th ng m t c ng, ɳ 99 Hình 3.6: V trí HW và l c ph n h i khi l p khơng ti p xúc v i m t đưng 102 Hình 3.7: V trí HW và l c ph n h i khi l p ti p xúc v i m t đưng 102 Hình 3.8: V trí HW và l c ph n h i v i mơ men ph 103 Hình 3.9: Bi u đ tr ng thái HW khơng cĩ mơ men điu khi n t do (T fc ) 103 Hình 3.10: ð th hi n th tr ng thái HW cĩ mơ men điu khi n t do 104 Hình 3.11: ð th so sánh ph ươ ng pháp đo dịng v i các ph ươ ng pháp khác 104 Hình 4.1: Sơ đ ph i c nh mơ hình vơ l ăng 106 Hình 4.2: Mơ hình c ơ khí tái t o c m giác lái và n đnh vơ l ăng 107 Hình 4.3: B trí d n đng tr c xoay vơ l ăng 108 Hình 4.4: Thành ph n m ch điu khi n vơ l ăng 109 Hình 4.5: Cm bi n dịng đin ACS712 110 Hình 4.6: Sơ đ chân c m bi n dịng ACS712 110 Hình 4.7: Mi liên h gi a đin áp và dịng đin trong c m bi n dịng ACS712 111 Hình 4.8: Card USB HDL 9090 112 Hình 4.9: Sơ đ chân Card USB HDL 9090 112 Hình 4.10: Sơ đ kh i Card USB HDL 9090 trong LabVIEW 113 Hình 4.11: Giao di n hi n th thơng tin c m giác lái 114 Hình 4.12: Giao di n cài đt thơng s 115 Hình 4.13: Giao di n l p trình tính tốn mơ men ph n h i 116 Hình 4.14: Giao di n l p trình t o c m giác lái trên mơ hình h th ng lái SBW 117 Hình 4.15: Giao di n hi n th thơng tin n đnh c ơ c u vơ l ăng t i v trí gi i h n quay vịng 118 Hình 4.16: Giao di n cài đt thơng s thu t tốn n đnh vơ l ăng 119 Hình 4.17: Giao di n l p trình thu t tốn n đnh vơ l ăng c a SBW 120 Hình 4.18: Mơ hình b c t ưng o đơ n gi n đ ki m tra mơ ph ng c a PO/PC 123 Hình 4.19: Mơ hình mơ ph ng h th ng haptics hồn ch nh và b điu khi n b đng 123 CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang vi
13. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái Hình 4.20: ðưng đc tr ưng s mơ ph ng đi v i h th ng b c t ưng o đơ n gi n124 Hình 4.21: Kt qu thí nghi m 125 Hình 4.22: Kt qu thí nghi m 126 Hình 4.23: Kt qu thí nghi m 127 Hình 4.24: Kt qu thí nghi m 128 CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang vi
14. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái DANH SÁCH CÁC B NG BNG TRANG Bng 3.1: Các c p t ươ ng t đin – cơ khí 100 Bng 3.2: S kt n i c p t ươ ng t đin – cơ khí 101 Bng 4.1: Các chi ti t mơ hình vơ l ăng 106 Bng 4.2: Các thơng s k thu t mơ hình 107 Bng 4.3: Các tính n ăng c a h th ng d n đng mơ hình 108 Bng 4.4: Chi ti t m ch đin điu khi n vơ l ăng 109 Bng 4.5: Thơng s k thu t c a Card USB HDL 9090 112 Bng 4.6: Cách ki m tra Card USB HDL 9090 113 Bng 4.7: Các thơng s dùng trong mơ ph ng 121 CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang vii
15. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái MC L C Trang t a Lý l ch khoa h c i Li cam đoan ii Li cám ơn iii Tĩm t t iv Abstract iv Danh sách các t vi t t t v Danh sách các hình vi Danh sách các bng vii Mc l c 1 PH N I: DN NH P 6 1.1 Tng quan chung v lĩnh v c nghiên c u 6 1.2 Các nghiên c u ngồi và trong n ưc 7 1.2.1 Nghiên c u ngồi nu c 7 1.2.2 Nghiên c u trong nu c 9 1.3 Mc đích c a đ tài 11 1.4 Nhi m v và gi i h n c a đ tài 11 1.5 Ph ươ ng pháp nghiên c u 12 PH N II: N I DUNG 13 CH ƯƠ NG I: C Ơ S LÝ THUY T 13 1.1 Lch s h th ng lái 13 1.2 T ng quan h th ng lái trên ơ tơ 15 1.2.1 Cơng d ng c a h th ng lái 15 1.2.2 Yêu c u c a h th ng lái 15 1.2.3 Phân lo i h th ng lái 15 1.2.4 Các gĩc đt bánh xe 16 1.2.4.1 Gĩc camber 16 CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang 1
16. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái 1.2.4.2 Gĩc Caster 17 1.2.4.3 Gĩc Kingpin 18 1.2.4.4 ð ch m c a bánh xe 18 1.2.4.5 Bán kính quay vịng 19 1.3 ng d ng cơng ngh lái khơng tr c lái (SBW) trên ơ tơ 20 1.3.1 Xe ơ tơ đin Mini Land Glider c a Nissan 20 1.3.2 Sn ph m hãng xe GM Hy – Wire 21 1.3.3 S n ph m c a hãng xe Mercedes và SuRai c a Trung Qu c 22 1.3.4 H th ng lái điu khi n b ng dây (Drive – by – Wire) trên xe Infiniti c a Nissan 24 1.3.5 Xe h ơi m i cho t ươ ng lai 25 1.3.6 ng d ng cơng ngh by Wire trên đng c ơ c a Honda Odyssey 26 1.4 Nh ng c i ti n c a Steer – by – Wire 26 1.5 Nh ng l i ích k thu t c a Steer – by – Wire 28 1.6 C ơ s lý thuy t c m giác xúc giác (haptics) 28 1.6.1 Haptics là gì? 28 1.6.2 L ch s haptics 29 1.6.3 C u trúc các h th ng haptics 31 1.6.4 Các thi t b giao di n haptics 32 1.6.4.1 Thi t b Exoskeletons và Stationary 33 1.6.4.2 Găng tay và các thi t b tay c m 36 1.6.4.3 Thi t b Point Sources and Specific Task 38 1.6.5 Mơ ph ng c u trúc th c t o 39 1.6.6 Các thu t tốn bi u di n haptics 40 1.6.7 Ph m vi ng d ng c a c a haptics 43 1.6.7.1 Dân d ng 43 1.6.7.2 ði v i ơ tơ 43 1.6.7.3 Y h c 45 1.6.7.4 Con ng ưi t ươ ng tác v i robot 46 CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang 2
17. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái 1.6.7.5 Trong quân đi 46 1.7 Gi i thi u ph n m m LabVIEW 46 1.7.1 LabVIEW là gì? 46 1.7.2 Thu t tốn điu khi n đng c ơ DC 50 1.7.2.1 Ph ươ ng pháp điu khi n v n t c đng c ơ DC 50 1.7.2.2 Thu t tốn điu khi n v n t c 52 1.7.3 Thu t tốn PID và ng d ng vào điu khi n đng c ơ DC 53 1.7.3.1 Khái ni m thu t tốn PID 53 1.7.3.2 B n ch t tốn h c c a thu t tốn PID 54 1.7.3.3 Th c hành điu khi n PID cho đng c ơ 57 1.7.3.4 Các l ưu ý khi thi t k b điu khi n PID 58 1.7.3.5 ðiu khi n v trí đng c ơ DC b ng thu t tốn PID 58 1.7.3.6 ðiu khi n v trí đng c ơ DC b ng khâu P 59 1.7.3.7 ðiu khi n v trí đng c ơ DC b ng khâu PI 61 1.7.3.8 ðiu khi n v trí đng c ơ DC b ng khâu PID 62 CH ƯƠ NG 2 THU T TỐN TÁI T O C M GIÁC LÁI 64 2.1 Gi i thi u h th ng lái khơng tr c lái (Steer – by – Wire) 64 2.2 ng d ng Steer – by – Wire trên ơ tơ 66 2.2.1 H th ng Steer – by – Wire là gì? 66 2.2.2 S phát tri n c a h th ng Steer – by – Wire 67 2.3 H th ng lái th ưng và h th ng lái khơng tr c lái 68 2.4 Mơ hình đng h c c a h th ng lái khơng tr c lái 69 2.5 C u trúc điu khi n h th ng SBW 70 2.6 Mơ men vơ l ăng và c m giác lái 71 2.7 Theo dõi gĩc bánh xe 74 2.8 Mơ men ph n h i h th ng bánh xe 76 2.9 Thu t tốn điu khi n h th ng SBW 78 2.9.1 ðiu khi n đng c ơ vơ l ăng 78 2.9.2 ðiu khi n đng c ơ bánh xe 79 CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang 3
18. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái 2.10 Các ph ươ ng pháp tái t o c m giác lái 80 2.10.1 Ph ươ ng pháp d a trên mơ hình đng l c h c 81 2.10.2 Ph ươ ng pháp d a trên b n đ mơ men c m giác lái 82 2.10.3 Ph ươ ng pháp d a vào c m bi n mơ men 85 2.10.4 Ph ươ ng pháp d a trên dịng tín hi u đo 87 2.10.4.1 T ng quan v ph ươ ng pháp đo 87 2.10.4.2 S tái t o c m giác lái 89 2.10.4.3 ðiu khi n t do 90 2.10.4.4 ðiu khi n t do 91 CH ƯƠ NG 3 ð XU T THU T TỐN N ðNH VÀNH TAY LÁI T I V TRÍ GI I H N QUAY VỊNG 92 3.1 S ơ đ điu khi n hai chi u b ng ph ươ ng pháp b đng 92 3.1.1 Các đnh ngh ĩa 92 3.1.2 B quan sát b đng (PO: Passivity Observer) 93 3.1.3 B điu khi n b đng (PC: Passivity Controller) 96 3.2 Lý thuy t m ng (Network Theory) 98 3.2.1 H th ng đi di n 98 3.2.2 Các h th ng t ươ ng t 100 3.3 Mt s vn đ đã gi i quy t và k t qu đt đưc 102 3.3.1 Thơng tin ph n h i th c t 102 3.3.2 ðiu khi n t do 103 3.4 ð xu t thu t tốn n đnh vành tay lái 104 CH ƯƠ NG 4 THI T K MƠ HÌNH VÀ L P TRÌNH THU T TỐN 106 4.1 Ph n c ơ khí mơ hình h th ng SBW 106 4.1.1 B n v thi t k mơ hình vơ l ăng 106 4.1.2 Mơ hình th t h th ng SBW 107 4.2 Ph n đin mơ hình h th ng SBW 109 4.2.1 M ch đin điu khi n mơ hình vơ l ăng 109 4.2.2 C m bi n dịng ACS712 109 CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang 4
19. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái 4.3 Gi i thi u Card LabVIEW 9090 111 4.4 L p trình tái t o c m giác lái và n đnh vơ l ăng t i v trí gi i h n quay vịng114 4.4.1 Giao di n l p trình và điu khi n c m giác lái 114 4.4.1.1 Giao di n điu khi n 114 4.4.1.2 Giao di n l p trình c m giác lái 115 4.4.2 Giao di n l p trình n đnh vơ l ăng t i v trí gi i h n quay vịng 117 4.4.2.1 Giao di n điu khi n 117 4.4.2.2 Giao di n l p trình thu t tốn n đnh vơ l ăng 120 4.5 Thí nghi m 121 4.5.1 Các thơng s mơ ph ng 121 4.5.2 Ví d mơ ph ng 121 4.5.3 Thí nghi m 124 CH ƯƠ NG 5 K T LU N VÀ H ƯNG PHÁT TRI N 127 5.1 K t lu n 127 5.2 H ưng phát tri n 128 TÀI LI U THAM KH O 129 PH LC 1 Các bài báo g i đă ng t p chí khoa h c cơng ngh GTVT 1 - Nghiên c u các thu t tốn tái t o c m giác xúc giác lái trên vơ l ăng ơ tơ 2 - Nghiên c u n đnh vơ l ăng trong h th ng lái khơng tr c lái PH LC 2 Bng v thi t k mơ hình h th ng lái khơng tr c lái CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang 5
20. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái PH N I DN NH P 1.1 Tng quan chung v lĩnh v c nghiên c u Ngày nay cơng ngh thơng tin và k thu t ph n m m phát tri n m nh m . Nh ng thành t u m i trong l ĩnh v c đã giúp cho ơ tơ ngày càng tr nên thơng minh h ơn. Trong đĩ Steer – By – Wire (SBW) là cơng ngh điu khi n đin t ng d ng trên ơ tơ đã và đang đưc quan tâm. Hi n nay Steer – By – Wire đang là xu h ưng c a ơ tơ t ươ ng lai vì chúng cĩ nhi u ưu đim so v i các h th ng lái truy n th ng. Ví d : ði v i h th ng ga, nh ư chúng ta đã bi t trong h th ng ga truy n th ng thì ng ưi lái tác đng lên bàn đp ga thơng qua dây cáp đ dn đng b ưm ga. Cịn ngày nay vi s phát tri n c a cơng ngh Steer – By – Wire thì điu khi n ga b ng đin t (Throttle – By – Wire) s thay th các liên k t c ơ khí b ng các c m bi n và b ưm ga s đưc điu khi n b i m t đng c ơ đin thơng qua b điu khi n b ng đin (ECU). ðiu này cho phép lo i b dây cáp n i chân ga t i b ưm ga. T ươ ng t nh ư v y, đi vi h th ng lái, trong h th ng lái th ưng thì ng ưi lái tác đng vào vơ l ăng m t gĩc lái nh t đnh, gĩc lái này đưc truy n qua tr c lái t i c ơ c u lái (ví d : c ơ c u thanh r ăng – bánh r ăng) r i làm xoay các bánh xe. Cịn bây gi đi v i h th ng lái khơng tr c lái (Steer – By –Wire) thì ng ưi lái xoay vơ l ăng r i nh các c m bi n phát hi n gĩc quay c a vơ l ăng, sau đĩ c m bi n g i tín hi u đn b điu khi n bng đin (ECU), ECU s điu khi n đng c ơ đin xoay bánh xe chuy n đng theo gĩc quay c a vơ l ăng. ðiu này cho phép các k sư thi t k b đi tr c lái đã t o m t khơng gian r ng và linh ho t trong vi c b trí các h th ng và c ơ c u trên xe [2]. Do khơng cịn tr c lái trong h th ng lái Steer – By – Wire nên ng ưi lái m t c m giác lái. ðiu này gây m t an tồn khi điu khi n xe [2]. Vì v y, trong h thng lái khơng tr c lái thì vơ l ăng đưc l p đt đng c ơ đin đ to c m giác lái. Và thu t tốn tái t o c m giác lái xác th c cho Steer – By –Wire là m t trong nh ng h ưng nghiên c u m i đang đưc nhi u nhà khoa h c và phịng thí nghi m quan tâm. CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang 6
21. Nghiên c u n đ nh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái H th ng lái khơng tr c lái (SBW) cĩ nhi u ưu đim nh ư: làm cho khơng gian cabin r ng h ơn, t do trong thi t k ni th t, khơng cĩ s rị r ĩ d u, ít x y ra tai nn Bên c nh nh ng ưu đim đĩ SBW c ũng cĩ nh ng nh ưc đim và khĩ kh ăn nh ư: thi u c m giác lái th c t , vì c m giác này là m t t p h p nh ng nh h ưng tác đng t mt đưng, ma sát gi a các kh p c ơ khí c a h th ng lái tr ưc đây đưc truy n đn ng ưi lái xe thơng qua tr c lái. Tuy nhiên, vi c g b tr c lái trong Steer – By – Wire đã t o nên s mt c m giác lái. S mt c m giác này d n đn m t an tồn khi điu khi n xe. Tuy nhiên, đ hi n th c hĩa đưc SBW cho ơ tơ hi n đi thì ph i t o đưc c m giác lái xác th c, c m giác lái này gi ng nh ư c m giác lái trong h th ng lái thơng th ưng, nh m giúp ng ưi lái khơng b bt ng và khơng khĩ kh ăn khi điu khi n. ð tái t o đưc c m giác lái th c t thì cĩ nhi u ph ươ ng pháp tham kh o trong các bài báo[2, 3, 6]. Nhìn chung, các nhà khoa h c đã kh ng đnh đ to ra đưc c m giác lái xác th c là m t điu r t khĩ kh ăn. Khi thí nghi m SBW trong phịng thí nghi m, ho c khi ch to các mơ hình c a h th ng lái thì cĩ yêu c u r t cao nh ư: vi điu khi n ph i cĩ cơng su t l n, ho c ph i b chi phí đt đ cho các c m bi n l c, v.v thơng tin chi ti t điu này cĩ th xem trong [3], [5], [6]v.v. G n đây, Jee – Hwan Ryu và Ba Hai – Nguyen đã đ xu t m t gi i pháp m i v i giá thành th p [6] là: tái t o c m giác lái d a trên dịng đo đưc t các IC dịng giá r . Tuy nhiên, qua k t qu th c nghi m trong su t 5 n ăm nghiên c u và thí nghi m trên mơ hình th c, ph ươ ng pháp đo dịng cịn m t v n đ đt ra c n gi i quy t hồn thi n ph ươ ng pháp trên là: S mt n đnh c a h th ng lái khơng tr c lái (SBW) t i v trí gi i h n quay vịng ca vành tay lái. Vì v y, tơi đã ch n đ tài “ Nghiên c u n đnh h th ng lái khơng tr c lái t i v trí gi i h n quay vịng c a vành tay lái” đ th c hi n đ tài cao h c. 1.2 Các nghiên c u ngồi và trong n ưc 1.2.1 Nghiên c u ngồi nu c nưc ngồi đã cĩ các nghiên c u liên quan điu khi n t xa cho các h th ng trên ơ tơ, trong đĩ cĩ th k đn nh ư: CBHD: PGS.TS. NGUY N H U H ƯNG HVTH: NGƠ V ĂN H P TS. NGUY N BÁ H I Trang 7