Nghiên cứu thuật toán ổn định hệ thống lái gián tiếp điện tử bằng phương pháp PO/PC

Nội dung text: Nghiên cứu thuật toán ổn định hệ thống lái gián tiếp điện tử bằng phương pháp PO/PC

1. NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG LÁI GIÁN TIẾP ĐIỆN TỬ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PO/PC A PO/PC BASED METHOD FOR STABLITY OF STEER – BY - WIRE [1]Nguyễn Thành Tuyên, [2]Nguyễn Bá Hải Đại học Sư Phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh [1]tuyen.ckd.spkt@gmail.com, [2]bahai@hcmute.edu.vn Tóm tắt: Bài báo này đề xuất nghiên cứu thuật toán ổn định giao diện Haptics trong điều khiển từ xa bằng phương pháp PO/PC.Nghiên cứu trình bày các phương pháp tái tạo cảm giác lái.Điểm mới của đề tài là quá trình ứng dụng thuậttoán ổn đinh bằng phương pháp PO/PC vào giao diện haptics trong điều khiển từ xa bằng cách thực nghiệm trên mô hình đã có sẵn. Từ đó, người lái sẽ điều khiển hệ thống lái một cách ổn định hơn trong điều khiển từ xa. Với mô hình hệ thống điều khiển xe từ xa sử dụng một giao diện điều khiển hệ thống lái, cảm biến dòng và thiết bị truyền dữ liệu không dây có băng thông thấp.Các thông tin này được xử lý, lập trình bằng phần mềm LabVIEW và tương tác với người điều khiển thông qua giao diện điều khiển hệ thống lái phản hồi xúc giác. Kết quả, hệ thống lái được ổn định trong quá trình điều khiển xe từ xa. Nghiên cứu này đã được kiểm tra, so sánh kết quả với 18 lần thực nghiệm trên mô hình vô lăng thật đã được chế tạo để điều khiển ổn định giao diện haptics (vô lăng). Từ khóa: Giao diện haptics, steer – by – wire, cảm giác lái, tính ổn định, phương pháp PO/PC. Abstract: This paper proposed algorithm stability research Haptics interface in remote control by PO/PC method. The research show the methods of renewable driving experience, new point of this topic is application process algorithm stability by PO/PC method into Haptics interface in remote control by experimental models available. From it, the driver will control steering system more stable in remote condition. With remote control car system model used a interface to control steering system , sensor line and equipment for wireless data transmission with low bandwidth. This information was handled, programmed by LabVIEW software and interaction with the controller through console steering system response refraction. As a result, steering system is stable during a remote control car. This research has been checked, comparing the results with 18 times the empirical model real steering wheel was made with stability control haptics interface (wheel). Keywords: Haptics interface, steer – by – wire, driving feel, free control, stability, method PO/PC. 1. Giới thiệu khó khăn như: thiếu cảm giác lái thực. Để tái tạo Cùng với sự phát triển của hệ thống lái, chẳng được cảm giác lái thực tế cho hệ thống lái SBW hạn như hệ thống lái không trục lái (SBW). SBW thì có nhiều phương pháp. Các phương pháp tái là một phiên bản mới của hệ thống lái trên ô tô. tạo cảm giác lái gồm [3, 4]: phương pháp dựa vào Trong hệ thống SBW, tín hiệu điều khiển xuất bản đồ mô menvà phương pháp dựa vào cảm biến phát từ người lái được truyền tới các bánh xe lực (RWs) bằng dây. Hệ thống SBW không có sự kết Gần đây Jee – Hwan Ryu và Ba Hai – Nguyen nối cơ khí giữa vô lăng và các bánh xe. Trong đã đề xuất một giải pháp mới với giá thành thấp cấu trúc đặc biệt này, lực bánh xe được sử dụng là tái tạo cảm giác lái dựa vào dòng đo được [4, để điều khiển hệ thống vô lăng (HW) nhằm cung 5]. Tuy nhiên, qua 5 năm nghiên cứu và thí cấp mô men cảm giác lái cho người lái. Tương tự nghiệm trên mô hình thực, phương pháp đo dòng như vậy, vị trí vô lăng được sử dụng để điều còn một vấn đề đặt ra cần giải quyết đó là: “sự khiển hệ thống RW nhằm di chuyển các bánh xe mất ổn định của hệ thống lái SBW ”. Chính vì tới vị trí mong muốn. Như đã nói, công nghệ vấn đề này nên trong bài báo này tôi đã đề xuất SBW đã loại bỏ trục trung gian trong hệ thống lái một thuật toán nhằm ổn định giao diện haptics thường. Như thế sẽ không có sự kết nối trực tiếp (vôlăng) bằng phương pháp PO/PC. giữa HW và RW, khi không có liên kết cơ khí này sẽ có những thuận lợi như: không gian trong 2. Phƣơng pháp truyền thống ổn định giao cabin rộng hơn, tự do trong thiết kế nội thất xe, diện haptics (PO/PC) không bị rò rỉ dầu và ít gây hư hại trong trường 2.1.Điều khiển bị động bằng giao diện haptic hợp xảy ra tai nạn [1]. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm đó SBW có những nhược điểm và 1
2. Giả sử rằng hệ thống có năng lượng được tích Đối với bộ PC có mối quan hệ trở kháng, chúng trữ ban đầu tại thời điểm t = 0 là E(0). Sau đó sử ta có thể tính toán α theo thời gian thực như sau: dụng các định nghĩa bị động [2], [3]: 1) 푣1 푛 = 푣2 푛 푙à 푡í푛 ℎ𝑖ệ đầ 푣à표 Định nghĩa 1: Hệ thống 1 cổng, N, với năng 2) 2 푛 = 퐹 푣2 푛 trong đó 퐹 là đầu lượng tích lũy ban đầu E(0) là bị động nếu và ra của môi trường ảo chỉ nếu: 3) 푛 = 푛 − 1 + 푡 표 푠푣 표 푠푣 푛 푣 푛 + 훼 푛 − 1 푣 푛 − 1 2 ∆ 푣( ) + 0 ≥ 0, 2 2 2 0 4) 훼(푛)= − 푛 ⩝ 푡 ≥ 0 (1) 표 푠푣 , 푛ế 푛 0 âm E(0) cho mọi thời gian. 5) 1 푛 = 2 푛 + 훼 푛 푣2 푛 → đầu ra Định nghĩa 2: Hệ thống đa cổng (M – port Tương tự chúng ta có thể bắt đầu trường hợp network), NM, với năng lượng tích lũy ban đầu của quan hệ độ dẫn nạp với một PC mắc song E(0) là bị động nếu và chỉ nếu: song. 푡 푣 + + 푣 + 0 ≥ 0, 1 1 0 ⩝ 푡 ≥ 0 (2) 1) 1 푛 = 푛 푙à 푡í푛 ℎ𝑖ệ đầ 푣à표 2) 푣2 푛 = 퐹2 푛 trong đó () là 2.2. Thiết bị quan sát bị động (PO: Passivity độ dẫn nạp của môi trường ảo Observer) Thiết bị quan sát bị động [2] dùng để đo dòng 3) 푊 푛 = 푊 푛 − 1 + 2 푛 푣2 푛 + 1 năng lượng vào và ra của một hoặc nhiều hệ (푛 − 1)2 훼(푛−1) 2 thống phụ trong phần mềm thời gian thực (real - −푊(푛) time). Do đó, có thể trang bị một hoặc nhiều khối 1 2 , 푛ế 푊 푛 0. Trong mô phỏng của 2.3.Bộ điều khiển bị động PC (Passivity chúng tôi, bức tường được thí nghiệm bằng quỹ Controller) đạo vận tốc hình sin. Với giảm chấn dương [ k = Bộ điều khiển bị động là phần tử chỉ để tiêu 710 N/m, b = 50Ns/m], giá trị PO tăng theo thời thụ năng lượng được yêu cầu. PC có dạng là phần gian dù không đơn điệu. Khi thông số giảm chấn tử tiêu tán năng lượng trong cấu hình mắc nối tiếp hoặc song song[2, 3]. được thay đổi thành giá trị âm [ b = -50 Ns/m, Cả hai tuân theo phương trình sau: = 훼푣 hình 7c], giá trị PO quay trở về sao mỗi “sự nảy  Trường hợp mắc nối tiếp hình 4a: lên (bounce)” tới một giá trị âm, cho biết trạng 1 = 2 + 훼푣 (5) thái hoạt động của môi trường. Cuối cùng, với b  Trường hợp mắc song song hình 4b: = -50 Ns/m và cả hai PC và bộ PC, giá trị của PO 푣 = 푣 − 1 (6) 2 1 훼 2
3. bị ép để lớn hơn 0 và biên độ các lần nảy lên ở giá trị không đổi. Mô phỏng thứ hai của hệ thống giao diện haptic cơ bản bao gồm người điều khiển (HO), giao diện haptic (HI), PC, và môi trường ảo (VE) Hình 2. Mô phỏng hệ thống giao diện haptic bằng bộ điều khiển bị động được kích hoạt. Bộ điều khiển bị động hoạt động một thời gian ngắn để làm giảm dao động và hạn chế tiêu hao năng lượng. (a) Vị trí. (b) Lực. (c) Năng lượng. (d) Lực điều khiển bị động. 3. Phƣơng pháp mới ổn định giao động haptics trong điều khiển từ xa. Ở đây chúng tôi kết hợp giữa phương pháp PO/PC công với thuật toán quan sát giữa vô lăng và xe. Hình 3. Lưu đồ tính thời gian trễ trên hê ̣thống Hình 1. Phản ứng của mô hình giao diện haptic lái gián tiếp từ xa được mô phỏng). Bộ điều khiển bị động là không hoạt động và hệ thống là không ổn định. (a) Vị 3.1. Thuật toán tính thời gian trễ của hệ thống lái trí. (b) Lực. (c) Năng lượng. SBW điều khiển từ xa Hình 4. Lưu đồ tính thời gian trễ trên hê ̣thống lái gián tiếp từ xa Nguyên lý hoạt động tính thời gian trễ điều khiển hê ̣thống lái t ừ xa (Nút nhấn như một nút 3
4. kích hoạt hệ th ống lái ho ặc nút Event1), trong Số lần đo thời gian trễ được thực hiện 5 lần. hình 3 người điều khiển sẽ gửi lệnh lái thông qua Kết quả khi thực nghiệm và thu thập được thời nút nhấn (Event1) dữ liệu từ xe truyền từ máy gian trễ được hiển thị như sau: tính Master (máy chủ) đến Slave (máy nhận) thì Lần 1 thời gian trễ là: 0.5 s đồng hồ thời gian khởi động trên máy Master, khi Lần 2 thời gian trễ là: 0.7 s tín hiệu dữ liệu được truyền đến máy tính trên xe (Slave) thì đồng hồ thời gian tắt đồng thời dữ liệu Lần 3 thời gian trễ là: 0.6 s từ máy Slave gửi tín hiệu về máy Master đồng Lần 4 thời gian trễ là: 0.5 s thời (Event1) tự động tắt so sánh hai dữ liệu, nếu Lần 5 thời gian trễ là: 0.5 s bằng nhau thì dừng bộ đếm thời gian.  Nhận xét: Thời gian trễ trong điều khiển hệ thống lái từ xa qua mạng WIFI phụ thuộc phần lớn ở tốc độ truyền của mạng. Do có sự chênh lệch về thời gian trễ giữa các lần đo, nên nhóm chọn phương án lấy trung bình các giá trị. Kết quả thời gian trễ đo được là: 0.5s =0.5 giây Hình 5.Giao diện hiển thị đo thời gian trễ Tác giả đề xuất một hệ số trễ m được đưa vào để xử lý tín hiệu truyền về từ vị trí bánh xe trước khi đưa vào tính toán bộ điều khiển PID điều khiển vị trí. Như vậy Vị trí bánh xe ɵb1 sẽ là một hàm của và ɵbnhư sau: = f( , ɵb ) Độ trễkhi ɵv1 ≠ ɵb1 dẫn đến sự mất ổn định của toàn bộ hệ thống khi điều khiển từ xa Ta có thuật toán của ổn định hệ thống lái là: Khi triển khai điều khiển vị trí trong trường hợp kết hợp thuật toán PO/PC. Mà theo lý thuyết PO/PC truyền thống không xét tới độ trễ thì ɵ ɵ suy ra khi tính PID điều Hình 6. Chương trình đo thời gian trễ vl = bx khiển vị trí bánh xe theo vị trí vô lăng thì: 3.2. Thực nghiệm Độ sai lệch: e = ɵvl1 - ɵbx1 Thời gian trễ điều khiển lái t ừ xa khi người Ta được ɵvl1 = ɵbx1+ suyra ɵbx1= ɵvl1- điều khiển sẽ gửi lệnh lai tb ằng cách xoay vô Từ đó ta được: 푣 ɵ ́ 푡ℎ= 푣푙 lăng điều khiển (Event1) dữ liệu từ xe truyền từ 푡 Vậy ta được năng lượng: máy tính Master (máy chủ) đến Slave (máy nhận) 푛 thì đồng hồ thời gian khởi động trên máy Master, 표 푠푣푡 ℎ (푛) = ∆ (푣 + 푣푡ℎ ) khi tín hiệu dữ liệu được truyền đến máy tính trên =0 xe (Slave) thì đồng hồ thời gian tắt đồng thời dữ Triển khai thực nghiệm trên mô hình xe quân liệu từ máy Slave gửi tín hiệu về máy Master lúc sự điều khiển từ xa (như hình dưới) ta được các này (Event2) so sánh hai dữ liệu, nếu bằng nhau kết quả sau: thì dừng bộ đếm thời gian. Để dễ nhận xét và đánh giá, chúng tôi đã làm 18 thí nghiệm. 4
5. Trong thí nghiệm đầu tiên, không có PC: người điều khiển tiếp cận với bức tường ảo có độ cứng k = 4,2 kN/m trong khoảng thời gian thí nghiệm từ 0 tới 100 s. Tiến hành thí nghiệm ta thu được đồ thị hình 7: quan sát [hình 7a] ta thấy vô lăng cứ dao động liên tục quanh vị trí trung tâm. Điều này dẫn đến mất ổn định, tương tác (b) không ổn định, kết quả tạo ra một dao động quan sát được như xung lực (hình 7b), giá trị của PO (hình 7c) có dấu dương (tăng theo thời gian). (c) Hình 8. Kết quả thí nghiệm: tương tác với môi trường ảo (độ cứng k = 4,2 kN/m). Bộ điều khiển bị động (PC) hoạt động, (a) Vị trí, (b) Lực, (c) (a) Năng lượng 4. Kết luận và hƣớng phát triển 4.1. Kết luận Với đề tài “Nghiên cứu và xây dựng thuật toán mới ổn định giao diện haptics trong điều khiển từ xa” tác giả đã giải quyết được một số vấn đề như sau: ( b) - Đưa ra được thuật toán mới để kết hợp với phương pháp PO/PC ổn định hệ thống lái trong điều khiển từ xa so với phương pháp 1 thì chỉ đưa ra mô phỏng còn phương pháp 2 thì chỉ thực hiện trên vô lăng chưa thực hiện (c) được trong điều khiển từ xa. - Đo được thời gian trễ đi từ vô lăng điều Hình 7. Kết quả thí nghiệm: tương tác với môi trường ảo (độ cứng k = 4,2 kN/m). Bộ điều khiển khiển đến mô hình xe quân sự từ xa. bị động (PC) không hoạt động. a) vị trí; b) lực; c) năng lượng - Từ hai phương pháp trên một là phương pháp Trong thí nghiệm thứ 2, có bộ PC: người điều cổ điển và hai là phương pháp mới ta thấy khiển tương tác với cùng vận tốc và các thông số được phương pháp mới có những ưu điểm giống như trường hợp 1 (chưa có PC), nhưng tương tác đạt được ổn định sau khoảng 3 lần dao động lên như sau: ứng dụng được thuật toán PO/PC (như hình 8a). Giá trị của lực có giảm xuống (hình vào hệ thống thực, nghiên cứu được thêm 8b) nhưng không đáng kể. Năng lượng được tạo ra trong hệ thống giảm xuống (hình 8c). thuật toán mới ổn đinh hệ thống mới ổn định giao diện haptics trong điều khiển từ xa. Để hiểu rõ hơn sự khác nhau giữa phương (a) này với các phương pháp đã nghiên cứu ta có bảng so sánh dưới đây: (a) 5
6. Bảng 1: So sánh với các phương pháp đã nghiên cứu trước đó Loại đồ thị Đồ thị năng lƣợng khí Đồ thị năng lƣợng khí Đồ thị vị trí Phƣơng chƣa có PO/PC có PO/PC pháp Phƣơng Biểu đồ vị trí của cơ cấu Biểu đồ năng lượng của cơ Biểu đồ năng lượng của (chung) cơ cấu (chung) khi có cấu (chung) khi chưa có pháp 1: PO/PC PO/PC Giáo sƣ Jee-Hwan Ryu Biểu đồ vị trí của vô lăng ở vị Biểu đồ năng lượng của cơ Biểu đồ năng lượng của Phƣơng trí giới hạn. cơ cấu vô lăng ở vị trí giới cấu vô lăng vị trí giới hạn hạn khicó PO/PC pháp 2: khi chưa có PO/PC Ths. Đỗ Xuân Hợp Ở đây vị trí dao động liên Và TS. tục và tăng dần theo thời Ở đây năng lượng chỉ Nguyễn giảm được một phần gian. Ở đây năng lượng tăng Bá Hải dần theo thời gian. bên trong hệ thống. Biểu đồ vị trí của vô lăng khi Biểu đồ năng lượng của cơ Biểu đồ năng lượng của điều khiển từ xa. cấu vô lăng khi điều khiển cơ cấu vô lăng điều khiển Phƣơng từ xa chưa có PO/PC xe từ xa khicó PO/PC pháp 3: KS.Nguyễn Ở đây ta thấy biểu đồ vị trí của Thành Tuyên Ở đây ta thấy biểu đồ năng Khi đưa thuật toán PO/PC vô lăng trong điều khiển từ xa Và lượng của vô lăng trong vào thì năng lượng đã dần dao động của chúng tăng dần TS. Nguyễn điều khiển từ xa dao động dập tắt đi. Bá Hải của chúng cũng tăng dần theo thời gian 4.2. Hạn chế 4.3 Hướng phát triển Tuy đã hoàn thành thuật toán ổn định nhưng Vấn đề cần được tiến hành trong tương lai là vâñ chưa đ ạt được chưa đaṭ đươc̣ đ ộ chính xác ứng dụng thuật toán ổn định này để tiến hành thí cao, việc thử nghiệm của xe chưa được kết hợp nghiệm ổn định vô lăng trên xe thực tế để ổn định các hệ thống với nhau với nhiều tốc độ của xe, hệ thống lái không trục lái trong điều khiển từ xa. chưa được thiết kế khí động học như trên xe ô Công việc cần làm nữa là làm sao để thuật toán tô nên chỉ áp dụng làm thí nghiệm trong trường ổn định vô lăng lái trong điều khiển từ xa ngày học và sẽ tiếp tục phát triển thêm thành một càng hoàn thiện hơn. phương tiện hoàn chỉnh phục vụ cho quân sự. 6
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO [4] Ba Hai Nguyen và Jee-Hwan Ryu “The [1] Sanket Amberkar, Farhad Bolourchi, Jon realistic haptic feedback of steer – by – wire Demerly and Scott Millsap “A Control System system based on a direct current measurement Methodology for Steer by Wire Systems” SAE method” International 2004. [5] Ba Hai Nguyen và Jee-Hwan Ryu “Semi – [2] Blake Hannaford, Senior Member, IEEE, and Experimental Result on a Measured Current Jee-Hwan Ryu “Time-Domain Passivity Control Based Method for Reproducing Realistic Steering of Haptic Interfaces” IEEE Transactions On Feel of Steer – by – Wire System” The 15th Robotics And Automation, Vol. 18, No. 1, Pacific Automotive Engineering Conference – February 2002. APAC15. [3] Andrew H. C. Gosline and Vincent Hayward [6] Ba-Hai Nguyen, Jee-Hwan Ryu, “Direct “Time-Domain Passivity Control of Haptic Current Measurement Based Steer-By-Wire. Interfaces with Tunable Damping Hardware” Systems for Realistic Driving Feeling”. ISIE Proceedings of World Haptics 2007 (The Second 2009. IEEE International Symposium on Joint Eurohaptics Conference And Symposium Industrial Electronics, 2009. Korea. On Haptic Interfaces For Virtual Environment And Teleoperator Systems), pp. 164-169. 7
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.