Phương pháp tái tạo cảm giác lái trong hệ thống lái không trục lái

Nội dung text: Phương pháp tái tạo cảm giác lái trong hệ thống lái không trục lái

1. PHƢƠNG PHÁP TÁI TẠO CẢM GIÁC LÁI TRONG HỆ THỐNG LÁI KHÔNG TRỤC LÁI KS. Nguyễn Như xuân Phúc, TS. Nguyễn Bá Hải Phòng thí nghiệm Cơ diện tử ô tô-ĐH Sư phạm kỹ thuật Tp. HCM ABSTRACT This paper presents a method re-create the feeling of driving by means of direct current measurement in the steering system steering axis. This method was suggested by TS. Nguyen Ba Hai. Research content of this method is conducted in the following contents: Convert a conventional steering system to a stee-by-wire system (SBW), design hardware and software for the SBW and Study on how do artificially reproduce the foce-feedback in seer-by-wire based on direct current measarement method which has been proposed by Ba-Hai Nguyen and Jee-Hwan Ryu.Based on the experimental results, we evaluate the experimental results and conclusions about the practical applicability of the method re-create the feeling of driving by measuring the direct current drive SBW system. I. Đặt vấn đề Các nhà sản xuất ô tô đang dần thay Steer-By-Wire sẽ là tiền đề quan trọng trong thế các hệ thống cơ học thông thường và hệ các bước tiến cho hệ thống lái từ xa và lái xe thống thủy lực bằng hệ thống điều khiển tự động trong tương lai. điện tử thông minh giúp chúng ta giảm được Tuy nhiên, vấn đề khó khăn nhất là sự phức tạp và cải thiện hiệu suất của hệ không có cảm giác lái như trong hệ thống lái thống. So với thiết bị thủy lực thì điều khiển thông thường nguyên nhân là do thiếu trục điện tử hiệu quả hơn, êm ái hơn và giải lái trung gian. Với những thuộc tính mới quyết vấn đề môi trường về rò rỉ dầu. Hệ này, người điều khiển có thể không có khả thống lái không trục lái (Steer-By-Wire) năng cảm nhận và điều khiển chính xác hệ giống như một hệ thống điện tử thông minh. thống lái (giống như người điều khiển rơi Gần đây, hệ thống lái Steer-By-Wire đã vào trạng thái mất cảm giác lái). Đặc biệt là được nghiên cứu. Bằng chứng đó là những điều kiện đường xá và vận tốc của xe thay nỗ lực to lớn của các nhà sản xuất ô tô và đổi, người điều khiển có thể không có được các phòng thí nghiệm. Các nhà khoa học và phản hồi cảm giác lái thực. Hơn nữa, việc các phòng thí nghiệm đã hợp tác với các nhà điều khiển tự do, giúp cho vô lăng ổn định là sản xuất tập trung phát triển hệ thống Steer- rất quan trọng trong hệ thống Steer-By-Wire By-Wire. Bởi vì họ mang lại nhiều cải tiến vì sự giảm xóc cơ khí của cả hệ thống không và lợi thế về các khía cạnh khác nhau như thể được truyền đến vô lăng. tạo ra những chiếc xe hiện đại với không Bắt đầu từ lý do này, nghiên cứu của gian buồng lái rộng hơn và các chức năng an chúng tôi tập trung vào việc thiết kế chế tạo toàn chủ động như hệ thống giữ xe đi trên hệ thống Steer-By-Wire trên xe thật và một làn đường, cung cấp tỷ số truyền của hệ nghiên cứu kết quả thực nghiệm tái tạo thống lái linh hoạt nhờ phần mềm và điều cảm giác lái, nhằm cung cấp cơ sở cho các chỉnh cảm giác lái bằng phần mềm. Ví dụ: dự án xe điều khiển từ xa bằng cảm biến Chúng ta có thể lái xe thông qua một cần dòng điện ACS712. điều khiển (Joystick hoặc là 1 biến trở) rất Nghiên cứu này góp phần xác nhận đơn giản và nhỏ gọn. Cuối cùng, hệ thống tính khả thi của một thuật toán mới cho hệ 1
2. thống lái không trục lái là sử dụng tín hiệu Ít tiêu hao nhiên liệu do không cần từ bộ cảm biến đo dòng điện. Lợi ích của thiết phải vận hành .liên tục như trong hệ phương pháp này là loại bỏ thành Phần cơ thống lái thủy lực. khí hoặc thủy lực không cần thiết. Do đó, Không có trục lái và hộp giảm tốc sẽ phương pháp này cho chi phí thấp hơn và tăng không gian sử dụng trong khoang động nhiều lợi ích hơn cho hệ thống cơ. Khi không có kết nối cơ khí giữa vô II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT lăng và bánh xe trên đường cho nên rất ít 2.1. Hệ thống lái Steer-by-wire khả năng các tác động va chạm từ phía trước Hệ thống lái là một trong những hệ sẽ tác dụng lên trục lái để xâm nhập vào thống quan trọng nhất, được sử dụng để vận không gian an toàn của người lái. hành và kiểm soát sự chuyển động của xe. 2.3.Phản hồi cảm giác lái thực Trong 50 năm trở lại đây, hệ thống lái trên ô Những đặc trưng của hệ thống Steer- tô không thay đổi nhiều. Nhiều nhà nghiên By-Wire là dễ dàng điều chỉnh để tối ưu hóa cứu tin rằng “Bước tiếp theo trong quá trình đáp ứng thay đổi hướng xe và cảm giác lái. tiến hóa của hệ thống lái chính là công nghệ Trong hệ thống lái thông thường với liên kết Steer-By-Wire. Một trong những ý tưởng cơ khí, vô lăng sẽ quay trục lái, nó làm dịch tuyệt vời trên bản vẽ là hệ thống “Steer-by- chuyển thanh răng và bánh răng hoặc cơ cấu wire”. Hệ thống này sẽ loại bỏ hoàn toàn bánh răng từ đó làm quay bánh xe dẫn các kết nối cơ khí giữa vô lăng lái và bánh hướng. Hệ thống thủy lực sẽ điều chỉnh lưu xe dẫn hướng, thay thế nó bằng các thiết bị lượng để điều khiển sự chuyển động của trục điện và các bộ điều khiển điện tử. Nó bao dẫn động lái. Trong hệ thống điều khiển gồm các bộ điếm xung cho biết vị trí xe và bằng điện, nó sẽ thực hiện công việc tương những thông tin của vô lăng. Các hệ thống tự với thiết bị dẫn động bằng điện. Sẽ không Steer-By-Wirecó một số thiết bị truyền động có các liên kết cơ khí của hệ thống lái thông như động cơ DC được sử dụng để cung cấp thường, tuy vậy những cái mới của hệ thống các thông tin về việc phản hồi lực từ những điều khiển bằng điện đã phát hiện sớm sự bộ phận của bánh xe dẫn hướng cho người mất mát cảm giác lái và phản hồi cảm giác lái biết. Điều này giải phóng không gian (trong tài liệu này còn được gọi là lực phản trong khoang động cơ bằng việc loại bỏ trục hồi), thường thì nó sẽ làm giảm khả năng lái. Nó cũng làm giảm nghững rung động điều khiển của hệ thống. Nó gây ra những bên trong xe và việc cách âm trong xe cũng vấn đề như tăng hoặc giảm góc lái và làm được cải thiện rõ rệt. ảnh hưởng tới sự mất an toàn của hệ thống. 2.2. Những lợi ích kỹ thuật của hệ thống Để khắc phục nhược điểm này đòi hỏi phải SBW có tín hiệu phản hồi cảm giác đó là sự kết Công nghệ Steer-By-Wire hứa hẹn nối đến vô lăng và mô phỏng lại cảm giác lái mang lại một số lợi ích đáng kể, từ việc của hệ thống kiểu cơ khí. Ví dụ, tín hiệu giảm trọng lượng và sự thoải mái không hạn phản hồi cảm giác có thể làm tăng thêm lực chế trong việc chế tạo, đến cho phép hệ quay vô lăng để nói với người điều khiển thống cải thiện độ an toàn cũng như độ ổn rằng đang gặp một sự cản trở. Điều này có định trong điều khiển và giữ cho xe đi thẳng. thể làm thay đổi lực lái để tăng cường khả Bên cạnh đó, việc thay thế hoàn toàn hệ năng điều khiển, giảm thiểu sự tăng hay thống lái thường sang hệ thống lái Steer-by giảm góc quay lái và cải thiện độ an toàn. wire có một số lợi ích sau: Tuy nhiên, một câu hỏi khó khăn nhất Không có trục lái sẽ đơn giản hóa cho hệ thống Steer-By-Wire là những tín việc thiết kế nội thất xe hơi. hiệu phản hồi gì sẽ được sử dụng? Bao 2
3. nhiêu loại lực phản hồi cho hệ thống ? Và tất xoắn vào hệ thống vô lăng, do điều kiện làm nhiên nó sẽ mất bao nhiêu chi phí để mang việc đặc biệt là có bụi, dầu nhớt, nhiệt độ và lại thông tin phản hồi thực so với những xe sự rung động. trên thị trường. Những phương pháp được đưa ra chủ 2.4.Khảo sát các giải pháp tái tạo cảm yếu để giải quyết vấn đề phản hồi cảm giác giác lái lái nói riêng cũng như phát triển hệ thống 2.4.1. Biểu đồ mô-men Steer-By-Wire nói chung. Mỗi phương pháp Phương pháp này được thực hiện bởi điều có những nhược điểm khác nhau. Oh Se-Wook & et.al, từ Hyundai Mobis Những động lực cần thiết cho việc nghiên trong năm 2006. Có hai vòng điều khiển. cứu của chúng tôi là ở đó. Chúng tôi đã nổ Vòng lặp đầu tiên là PID điều khiển lực. Các lực rất nhiều để đơn giản hóa động lực học thiết bị phản hồi được sử dụng để cung cấp phức tạp của hệ thống và chi phí cảm biến giá trị mô-men thực tế vô lăng đó là một mô-men xoắn bằng phương pháp đo dòng cảm biến mô-men. Vòng lặp thứ hai là vòng điện trực tiếp. lặp kiểm soát vị trí để theo dõi các tín hiệu 2.4.4. Phƣơng pháp đo dòng điện trực tiếp đầu vào của vô lăng do người lái xe quyết Phương pháp tái tạo cảm giác lái (cảm định. Giá trị mô-men xoắn của hệ thống lái giác quay vô lăng) đã được đề xuất từ năm được lập trình sẵn dựa trên lực phản hồi ảnh 2007 bởi TS. Nguyễn Bá Hải (tại phòng thí hưởng bởi góc quay vô lăng và vận tốc của nghiệm Biorobotics, KUT, Hàn Quốc). xe. Hai yếu tố này có thể được thay đổi bằng Trong hệ thống Steer-By-Wire thông việc điều chỉnh mỗi yếu tố bằng cách tăng thường, một bộ điếm xung hoặc một cảm dần giá trị. biến có chức năng tương tự sẽ phát hiện sự 2.4.2.Dựa vào mô phỏng chuyển động của vành tay lái bao gồm Giải pháp này được đề xuất bởi giáo sư hướng di chuyển , tốc độ, độ lớn và gửi tín Christian J. Gerdes tại phòng thí nghiệm hiệu đầu vào cho bộ điều khiển. Bộ điều động lực học, trường đại học Stanford vào khiển sẽ xử lý các tín hiệu và sau đó sẽ ra năm 2004. Tuy nhiên bất lợi ở đây là mô lệnh cho các thiết bị vận hành để định hướng phỏng động lực học xe rất phức tạp như việc lái cho phù hợp. Cảm biến vị trí trên các phải mô phỏng hoàn hảo động lực học cho thiết bị truyền động sẽ đóng kín vòng liên hệ các hệ thống phụ được biết đến như việc giữa thông tin phản hồi và người điều khiển, tính toán lực ngang. Ngoài ra phương pháp đảm bảo sự chuyển hướng của các bánh xe này có thể bị hạn chế bởi khả năng xử lý của phù hợp với các lệnh điều khiển lái.Ưu điểm ECU trên ô tô. của phương pháp cảm biến dòng: rẻ tiền, 2.4.3. Cảm biến mô-men xoắn đơn giản. Phương pháp đo dòng điện có hai Ý tưởng này xuất phát từ lĩnh vực rô- vòng lặp điều khiển (hình 1). Hoạt động của bốt. Đơn giản chỉ cần một hoặc hai cảm biến phương pháp dựa trên cảm biến dòng: mô-men xoắn được gắn lên thanh răng ở chỗ - Người lái tác động lên vô lăng làm động khớp nối thanh răng và đòn lái hoặc là trục cơ HW thay đổi vị trí, vị trí này được đo bởi ra của thanh dẫn động chuyển hướng bánh Encoder HW và gửi tín hiệu điều khiển tới xe. Phương pháp này có thể phản hồi dễ bộ điều khiển PID. Tại bộ điều khiển này sẽ dàng tất cả những ảnh hưởng từ các yếu tố tính toán tỉ lệ sai lệch và gửi dòng điều như quán tính, giảm chấn cho hệ thống cũng khiển tới bộ khuếch đại động cơ. Bộ khuếch như mô-men cản gây ra bởi các lực bên tác đại sẽ nâng dòng lên đủ công suất để điều dụng vào bánh xe. Tuy nhiên giá cả của cảm khiển động cơ RW, làm động cơ RW hoạt biến mô-men xoắn là rất đắt. Nó cũng không động. Để nhận biết được đáp ứng đúng của thích hợp với việc gắn cảm biến mô-men tín hiệu điều khiển cho động cơ RW thì cần 3
4. về bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển PID CỔ NG CHỦ (HW) tiếp tục tính toán tỉ lệ sai lệch và tiếp tục gửi  HW dòng điều khiển cho đến khi sai lệch bằng 0 Người Vô Động Encoder lái lăng cơ HW HW thì dừng. - Động cơ RW hoạt động tạo ra mô-men HWact RW act làm thay đổi hướng chuyển động Từ encoder HW Bộ khuếch đại bánh xe trên mặt đường, sự ma sát giữa lốp động cơ HW xe với mặt đường và ma sát cơ cấu lái tăng tạo ra mô-men cản  lớn trên trục động cơ a Vị trí điều khiển Lực phản hồi RW. Khi đó, dòng cấp cho động cơ RW tại ĐIỀU KHIỂN bộ khuếch đại tăng lên và để bộ điều khiển lực biết được điều này thì cần có cảm biến dòng gửi tín hiệu về bộ điều khiển lực. Tại bộ điều khiển lực sẽ tính toán lực cần thiết Điều khiển vị trí (PID) Điều khiển lực(vòng lặp mở) và gửi tín hiệu điều khiển tới bộ khuếch đại động cơ HW, bộ khuếch đại này sẽ tăng Vị trí Điều khiển dòng điều khiển đáp ứng công suất động cơ phản Dòng Dòng tự do HW, làm động cơ HW hoạt động. Động cơ hồi điều đo Trợ ̉ khiển được HW tạo ra mô-men  trên vô lăng làm CÔNG NÔ (RW) lực HW act cho người lái có cảm giác lái thực. Sự tái tạo cảm giác lái bằng phương Bộ giải Bộ khuếch Cảm biến pháp đo dòng điện được mô tả ở phương mã HW đại động dòng cơ RW trình sau: feedback G feel.( K t . i as sit )  fc  ltl (10) Encoder Động Bánh xe RW cơ RW Trong đó :  : Mô-men phản hồi cảm giác lái  RWact feedback G feel : Hằng số cảm giác ĐIỀ U KIÊṆ ĐƢỜ NG Kt : Hằng số mô-men của động cơ điện  a i : Cường độ dòng điện  : Mô-men trợ lực Tính chất assit đường  fc : Mô-men điều khiển tự do Hình 1:Tổng quan về tái tạo cảm giác lái  dùng cảm biến dòng ltl : Mô-men khóa vô lăng Trong hệ thống lái có trợ lực, mô-men trợ lực tạo ra cần cho mục đích giảm phản hồi lực ở tốc độ thấp hoặc tăng ở tốc độ cao. biết được vị trí của động cơ RW, phần này Do đó, mô-men trợ lực được giới thiệu ở được Encoder RW đảm nhận và gửi thông phương trình : tin hoạt động của động cơ RW 4
5. 2 assist sign( hw ). K a .  h w sign (  hw ). K v . V v (11) Trong đó: assist : Mô-men trợ lực hệ thống lái SWB Ka : Hệ số góc HW hw : Góc vô lăng K v : Hệ số vận tốc Hình 3: Kết cấu cơ khí hệ thống lái không Vv : Vận tốc của xe trục lái sau khi chuyển đổi Từ phương trình tổng phản hồi lực được tạo ra. Để điều chỉnh phản hồi lực này ta thực hiện qua ba bước: . Lực ban đầu được đo từ cường độ dòng điện . Thay đổi Ka, Kv để đạt được mức độ lực mong muốn. . Thay đổi hai hệ số G feel , K fc để được thông tin phản hồi chính xác. III-MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM Hình 4: Thực nghiệm cảm giác lái Hình 2: Mô hình thực nghệm Hình 5: Mô hình vô lăng điều khiển tái tạo cảm giác lái xác thực 5
6. Chúng tôi tiến hành thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển cũng như tiến hành thực nghiệm trên xe thật (xe phục vụ chở người trong sân golf). Xe đã được thiết kế theo kiểu dáng xe quân sự đúng với dự án xe điều khiển từ xa của bộ tư lệnh công binh. IV- KẾT QUẢ THƢC NGHIỆM Hình 7: Mô-men phan hồi khi các bánh dẫn Kết quả vận hành của hệ thống cho thấy ̉ hướng tiếp xuc măṭ đường và V= 0 km/h sự thay đổi của giá trị dòng điện tại động cơ ́ RW (do sự thay đổi mô-men cản tại các + Trường hợp khi các bánh xe dẫn bánh xe dẫn hướng ) sẽ làm thay đổi mô- hướng tiếp xúc với mặt đường và xe chuyển men cảm giác lái trên vô lăng. Kết quả này động với vận tốc 20 km/h (hình 8): lúc này được chứng minh bỏi các đồ thị sau: xe đang chuyển động nên mô -men ma sat taị + Tường hợp khi ta nâng các bánh xe ́ bánh xe giảm đi nên mô -men can trên đôṇ g dẫn hướng(hình 6): Trong đồ thị ta thấy mô- ̉ cơ điều khiển goc lai xe quân sư ̣ giam . Do men phản hồi tăng lên (khi bắt đầu thay đổi ́ ́ ̉ vậy, ngươi điều khiển co cam giac nhe ̣hơn góc lái) rồi giảm xuống, điều đó cho ta biết ̀ ́ ̉ ́ khi xe chuyển động . Nếu vận tốc cang cao khi bắt đầu thay đổi góc lái thì cần một mô- ̀ thì cảm giác sẽ càng nhe ̣đối vơi hê ̣thống lai men lớn để thắng được mô-men cản do ma ́ ́ không co trơ ̣ lưc̣ . sát cơ khí của cơ cấu lái. ́ Hình 8: Mô-men phản hồi khi xe chuyển Hình 6: Đồ thì mô-men phản hồi khi ta nâng động với vâṇ tốc bằ ng 20km/h các bánh xe dẫn hướng V.KẾT LUẬN + Trường hợp khi các bánh xe dẫn Đây là nghiên cứu đầu tiên trên thế hướng tiếp xúc với mặt đường và xe đứng giới hoàn thành thực nghiệm phương pháp yên (hình 7): khi góc lái thay đổi có sự ma tái tạo cảm giác lái dực trên phương pháp sát lớn giữa các bánh xe dẫn hướng với mặt đo dòng điện trên xe thật. Nghiên cứu này đườ ng nên mô-men cản lớn và từ đó làm cho đã chỉ ra ứng dụng thực tiển của phương dòng i tại động cơ dẫn động cơ cấu lái tăng , pháp đo dòng điện trực tiếp. Với những kết dòng này sẽ được phản hồi về . Do dòng i quả thực nghiệm về vấn đề tái tạo cảm giác tăng nên tạo cảm cảm giác năṇ g hơn cho lái xác thực trong hệ thống lái SBW bằng ngườ i lái. Lúc này xe đứng yên nên toàn bộ phương pháp đo dòng điện trực tiếp, thì khả tải trọng xe tác động lên các bánh xe tạo ra năng ứng dụng phương pháp này trong hệ mô-men cản lớ n trên đôṇ g cơ điều khiển góc thống SBW là rất khả quan. Nó cũng là lái xe quân sự. nguồn tài liệu cống hiến cho hướng nghiên 6
7. cứu về hệ thống lái không trục lái mà quốc Phần tóm tắt tế đang quan tâm. Bài báo này trình bày phương pháp tái tạo cảm giác lái bằng phương pháp đo TÀI LIỆU THAM KHẢO dòng điện trực tiếp trong hệ thống lái [1] TS.Nguyễn Bá Hải, Jee-Hwan Ryu, “A không trục lái và kết quả thực nghiệm intuitive interface for the phương pháp này. Phương pháp này đã teleoperation of wheeled and tracked vehicles”, International Conference on được đề xuất bởi TS. Nguyễn Bá Hải. Control, Automation and Systems Nội dung nghiên cứu phương pháp này 2010, Oct. 27-30, 2010 in KINTEX, được tiến hành ở các nội dung : chuyển Gyeonggi-do, Korea. đổi hệ thống lái thường sag hệ thống lái [2] TS. Nguyễn Bá Hải, “Lập trình không trục lái(SBW), thiết kế phần ửng LabVIEW, trình độ cơ bản”, Nhà xuất và phần mềm điều khiển và thực nghiệm bản Đại học quốc gia TP.HCM. tái tạo cảm giác lái bằng phương pháp đo [3] Se-Wook Oh và các cộng sự, “The dòng diện trực tiếp. Dựa trên kết quả Design of a Controller for The Steer- thực nghiệm đó, chúng tôi đánh giá kết By-Wire System”, JSME International quả thực nghiệm và đưa ra kết luận về Journal, 2004. tính ứng dụng thực tiễn của phương pháp [4] Yixin Yao, “Vehicle Steer-by-Wire tái tạo cảm giác lái bằng cách đo dòng System Control”, SAE International 2006. điệntrực tiếp trong hệ thống lái SBW. [5] Yixin Yao, “Vehicle Steer-by-Wire System Control”, 2006 SAE World Congress 2006-01-1175, Hoa Kỳ. [6] Sanket Amberkar, Farhad Bolourchi, Jon Demerly and Scott Millsap, “A control system methodology for steer by wire systems”, SAE World Congress, Detroit, Michigan, 2004. [7] Yih, P. Gerdes, J.C, “Modification of vehicle handling characteristics via steer-by-wire”, Control Systems Technology, IEEE Transactions,vol. 13, pp. 965- 976, 2005. [8] Internet 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.