Xác địnhkhoảng cách, vận tốc, góc đánh vô lăngan toàn khi vượt bằng mô phỏng

Nội dung text: Xác địnhkhoảng cách, vận tốc, góc đánh vô lăngan toàn khi vượt bằng mô phỏng

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT XÁC ĐỊNHKHOẢNG CÁCH, VẬN TỐC, GÓC ĐÁNH VÔ LĂNGAN TOÀN KHI VƯỢT BẰNG MÔ PHỎNG. DETERMINATION OF SAFETY DISTANCE, SPEED ANDSTEERING WHEEL ANGLEBY SIMULATION AN OVERTAKING (1)KS.TrầnTrungThành, (2)PGS.TS. NguyễnVănPhụng (1)Trường Đại học CôngnghệĐồngNai, (2)Trường Đại Học SPKT TP.HCM TÓM TẮT Một trong những vấn đề nguy hiểm khi tham gia giao thông trên đường là việc vượt xe phía trước trên cùng len đường ở tốc độ cao. Quá trình vượt càng nguy hiểm hơn khi trời tối, thời tiết xấu, tầm nhìn bị hạn chế. Nên việc cảnh báo an toàn và hỗ trợ người tài xế trong quá trình vượt là rất cần thiết. Bàibáonày nghiên cứu đánh giá an toàn của quá trình vượt theo chỉ tiêu quay vòng và phanh khi chuyển động ở tốc độ cao tính cụ thể cho xe Ford Ranger và sau đó đưa ra quỹ đạo chuyển động vượt an toànbằngphầnmềmLabVIEWrồimôphỏnglạibằngCarSim. Kếtquảlàđưarađượckhoảngcáchvượttốiưu, vậntốcvượtvàgócđánhláiantoàn. Từkhóa:Antoànchuyểnđộngvượt, môphỏngchuyểnđộngvượt. ABSTRACT One of the most risky maneuvers in roads with both directions in the same carriageway and only one lane for each direction is overtaking another vehicle at high speed. To overtake becomes particularly dangerous at night, with bad weather conditions and in curves, due to the diminution of the visibility. Should the safety alert and assist the driver in the process is essential reached. In this paper research about stability and safe when roll and braking at high speed when overtaking for specific Ford Ranger and making the information of the road shape by software LabVIEW and then the simulation safety overtake by software CarSim. The result makes distance, speed, steering wheel angle by safety overtaking. Key words:the safety overtaking, the simulation overtaking. I. GIỚI THIỆU Vượt ô tô là một trong những thao tác cơ bản đối với những người điều khiển ô tô nhưng tiềm ẩn nhiều yếu tố không an toàn. Trong quá trình vượt ô tô, nếu chủ phương tiện không quan sát, rất dễ xảy ra đâm vào chướng ngại vật phía trước hoặc các đối tượng tham gia giao thông xung quanh. Vượt ô tô phải chạy tốc độ tương đối cao, cự ly tương đối gần (theo cả hướng ngang và hướng dọc) thời gian tương đối ngắn do đó “độ” nguy hiểm cao nên không thể vượt ẩu. Ở bàibáonàymôphỏngvà đánh giá an toàn theoquãngđường, vậntốcvàphảnứngngườiláicủa quá trình vượtdànhcho xe Ford Rangervới: - Các thông số động học cần thiết cho ô tô chuyển động trên đường với tốc độ cao. - Dùng phần mềm LabVIEW mô phỏng quỹ đạo chuyển động an toàn khi vượt ở tốc độ cao. - Mô phỏng trên máy tính quá trình vượt của ô tô khi di chuyển theo giới hạn của quỹ đạo chuyển động vượt an toàn bằng phần mềm CarSim. Toàn bộ những phân tích và chương trình tính toán ở đây có thể áp dụng cho các loại xe tương tự khác. Ta có thể sử dụng các cảm biến để thu thập các thông số đầu vào để tính toán và so sánh với các giá trị thực tế đo đạc được để hiệu chỉnh cho phù hợp trong quá trình thử nghiệm xe. II. TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨUMÔ HÌNH VƯỢT: 1. Xâydựng mô hình vượt 1
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Xây dựng mô hình mô phỏng an toàn khi vượt. Mô hình này chưaxétđến tác động lực bên từ bên ngoài (gió ngang, đường nghiêng ngang, đường dốc ) mô phỏng ô tô có hệ thống phanh ABS.  Thay đổi giá trị vận tốc ô tô khi phanh  Thay đổi độ bám mặt đường L1 Chiềudàitổngthểxe 1 Sv+a Khoảngcáchtừvịtrívượttớixe 3 L2 Chiềudàitổngthểxe 2 L2+b Khoảngcáchtừvịtrívượttớixe 4 V1 Vậntốcxe 1 Sp1 Quãngđườngxe 1 dừnghẳnkhicósựcốxảyra.[1] V2 Vậntốcxe 2 Sp2 Quãngđườngxe 2 dừnghẳnkhicósựcốxảyra. [1] V3 Vậntốcxe 3 St Quãngđườngxe 1 di chuyểnđượctrongthờigian t V4 Vậntốcxe 4 Sv Quãngđườngvượt Kết quả là đưa ra được quỹ đạo chuyển động của ô tô vượt và an toàn không va chạmvậntốcvượtlàtốtnhất, quãngđườngvượtngắnnhất, phảnứngcủangườilái. Hình 1:Sơđồvượtcùngchiều Xác định khoảng a, b an toàn khi ô tô số 2 vượt: (tính từ khi ô tô số 2 bắt đầu đánh lái vào quãng đường vượt cho đến khi thực hiện vượt an toàn thời gian t) Đối với ô tô chuyển động trước quãng đường vượt (ô tô số 3) (2.1) aS p3 a V3. t SSSat33 v p Sat33 S v V. t 2
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Hình 2:Sơđồvượtngượcchiều Xác định khoảng a, b an toàn khi ô tô số 2 vượt: (tính từ khi ô tô số 2 bắt đầu đánh lái vào quãng đường vượt cho đến khi thực hiện vượt an toàn thời gian t) Đối với ô tô chuyển động trước quãng đường vượt (ô tô số 3) (2.2) aS p3 a V3. t SSSat33 v p Sat3 S v ( V 2 V 3 ). t Đối với ô tô chuyển động trước quãng đường vượt (ô tô số 4) bS p4 (2.3) b V4. t SSat44 p Sat 44 V. t 2. Xâydựng quãng đườngSp: Xâydựng quãng đườngSp [1] (phanh có hiệu quả) Sp  'G V2 Vdv (2.4) S dS a p g Z. G . c os . f G .sin kFV 2 0 V1 p a a 2  'Ga Zp. G a . c os . f G a .sin kFV S p ln(2 ) g Zp. G a . c os . f G a .sin kFV Phanh ở tất cả các bánh ô tô Zp Z12 p Z p G a cos Khi phanh trên đường nằm ngang ( 0 ) khi ô tô dừng hẳn f=0, V2=0, '1 22 kFV1aa0,754* V (2.5) Ga . 22 2890.0,75 Ga 3,62890 3,6 Smp ln( ) ln( )( ) 2gkF Ga . 2.9.81.0,754 2890.0,75 3
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT 2 2 Với Ga=2955x9.81 (N), W=kF=0,754 (Ns /m ), 0,75 , V1a (Km/h) 2167,5 0,06V 2 (2.6) Sm 195ln(a )( ) p 2167,5 3. KếtquảmôhìnhvượtSv: k FV22 k F V GG 1 1 1 2 2 2 (2.7) k FV 2 GGaa1 13,622 1 2 3,6 1 1 1 aa12ln( ) LL ln( ) Ga . 1 2 12 Ga13,6 2 gk 1 F 1 G a 1 . 1 2 gk 2 F 2 G a 2 . 2 SLVv ln( ) 11 . 2.gk1 F 1 Ga 1 1 V 2 V 1 2 k2 F 2 V 2 Ga12. 2 Ga2 3,6 ln( ) L2 2.gk2 F 2 Ga 2 2 4. Xâydựngđiềukiệnvượt an toàn: 4.1 Môhìnhquỹđạovượt: Khi xe chuyển động trên cao tốc thực hiện việc đổi len đường khi di chuyển với tốc độ của xe vượt. Hình1: Thông số cơsởô tô Ford Ranger Hình4: Đềxuấtquỹđạovượt. 4
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT 4.2 Thựchiệnmôphỏngchuyểnđộngvượt: Bảng1:Thông sốkỹthuậtcủa ô tô Ford Ranger. Hãng sản xuất FORD Loại ô tô Pickup (full offtion) Hộp số Cơ khí 5 cấp Xuất xứ Thailand Động cơ Loại động cơ 3.198 lít Kiểu động cơ 4 Cylinder Thời gian tăng tốc từ 0 đến 100km/h 12giây Kích thước, trọng lượng Dài (mm) 5173mm Rộng (mm) 1788mm Cao (mm) 1870mm Chiều dài cơ sở (mm) 3000mm Chiều rộng cơ sở trước/sau 1455/1440mm Chiều cao trọng tâm ô tô 677mm Trọng lượng không tải (kg) 1900kg Hình 5: Thông số kích thước của xe Ford Ranger 5
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Hình 5: Thông số hệ thống truyền lực Ford Ranger Bảng 2: Chọn các thông số tính toán: Gia tốc trọng trường (m/s2) 9.81 (m/s2) Hệ số bám của bánh ô tô và mặt đường φx 0.75 Hệ số cản lăn f0 0.02 Hình 6: Thông số tính toán. 5. Ổnđịnhchuyểnđộngvượt: Quỹđạochuyểnđộngcủa ô tôlàmộtđườngcongvàđượcxácđịnhbởicácvịtríliêntiếpcủatrọngtâm ô tô C, vậntốctứcthờicủatrọngtâm ô tôlà V. Vậntốc V tiếptuyếnvớiquỹđạochuyểnđộngvànghiêngđi so vớitrụcdọccủa ô tôlà  (gócnàyđượcgọilàgóclệchhướngchuyểnđộng so vớiphươngngang). Gócquaytươngđốigiữa 2 hệtọađộlà , vàcũngchínhlàgócquaycủatrụcdọckhi ô tôchuyểnđộngđượctínhbởicôngthức: 6
7. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Vx V. c os( ) (2.8) VV .sin( ) y Vc. os( )  (tan( fr ) tan(  ) L ab.tan .tan  tan 1 (rf ) L Vịtrícủa ô tôtạimộtthờiđiểmnàođó (saukhoảngthờigiantừ 0 - t) đượcxácđịnhbởitọađộtrọngtâmtheotọađộtuyệtđối, tínhtheocôngthức: tt (2.9) X V. dt v . c os( ). dt 00 x 00 tt Y V. dt v .sin( ). dt 00 y 00 Nhưvậynếucóhệtrụctọađộmặtđường, biết X0, Y0, cácgóc , hoàntoàncóthểxácđịnhvịtrí ô tôtênđường, tạimộtthờiđiểmxácđịnh. Mụctiêucủabàitoánlàxácđịnhcácgóc , tọađộ X0, Y0nhằmxácđịnhquỹđạochuyểnđộngcủa ô tôtrongthựctếchuyểnđộng, góc   chỉchochúngtabiếtgóclệchdọctrụcthânxevớivậntốctứcthời. Khi ô tôchuyểnđộnggóc  tạolêncảmgiáclệchhướngcủaxevớiđường, ngườiláixecảmnhậnvàcóthểtiếnhànhđiềuchỉnhhướngchuyểnđộngnày. Cònđốivớigócquay nóilêngócquaycủathânxetrênmặtđường (quayquanhtrụcthẳngđứng 0Z). Thôngsốnàyrấtquantrọng, nóđóngvaitròtrongkhảosáttínhổnđịnhchuyểnđộngcủa ô tô, cảmnhậnvớisựthayđổinàyvàđiềuchỉnhđúngkhigiátrị thayđổilớnlàmộtkhókhănđốivớingườiláixe. Chỉvớiláixecókinhnghiệmmớitiếnhànhđiềuchỉnhđược. Hình 7: Độ lệch của trọngtâm C so vớiquỹ đạo chuyển động. 6. Phảnứngcủangườiláikhithựchiệnchuyểnđộngvượt: 7
8. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Khi đánh lái ở tốc độ cao dựa vào đồ thị ta nhận thấy rằng khả năng lệch hướng chuyển động sẽ xảy ra với khoảng thời gian ngắn và biến thiên liên tục ở thao tác đánh và trả lái vô lăng bị lệch ra khỏi trục của quỹ đạo chuyển động vượt. Góc lệch của thân xe 1 theo quỹ đạo chuyển động đổi làn đường lần 1 (đánh lái qua trái và trả lái): SS 3,5 (2.10) ar()ar(ctglane ctg lane )ar( ctg ) 1 S k F V22 k F V p2 GG 2 2 2 2 2 2 GGaa2 23,622 2 2 3,6 aa22ln( ) ln( ) 2gk2 F 2 Gaa 2 . 2 2 gk 2 F 2 G 2 . 2 Đánh vô lăng 1 (nsw1) theo quỹ đạo chuyển động đổi làn đường lần 1:  sw1 r 1.i d (id 22 tỉ số truyền của hệ thống lái) Góc lệch của thân xe r 2 theo quỹ đạo chuyển động đổi làn đường lần 2 (đánh lái qua trái và trả lái) quay về làn đường cũ: SS 3,5 (2.11) ar()ar(ctglane ctg lane )ar( ctg ) r2 S k FV22 k FV p1 GG 1 1 1 1 1 1 GGaa2 23,622 2 1 3,6 aa11ln( ) ln( ) 2gk F G . 2 gk F G . 1 1aa 1 1 1 1 1 1 Góc đánh vô lăng 2 (nsw2) theo quỹ đạo chuyển động đổi làn đường lần 2 quay về làn đường cũ: sw2 r 2.i d  s w1 (id 22 tỉ số truyền của hệ thống lái) Hình 8: Phảnứngcủangườilái. III. KẾT QUẢ Vậntốcxe 1 Vậntốcxe 2 QuãngđườngvượtSv(m) Gócđánh Thờigian 0 V1 (Km/h) V2 (Km/h) vôlăng ( ) đánhlái (s) 60 80 313 124 1,6 85 289 111 1,67 90 278 101 1,75 95 271 92 1,8 8
9. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT 100 269 84 1,9 105 270 78 1,95 110 273 72 2 115 278 67 2 120 282 62 2,12 125 288 58 2,2 130 295 55 2,2 135 302 52 2.2 140 309 49 2,3 80 100 567 84 1,9 105 509 78 1,95 110 474 72 2,0 115 452 67 2,0 120 437 61 2,1 125 428 58 2,17 130 423 55 2,2 135 421 52 2,2 140 421 49 2,3 Tương ứng với mỗi vận tốc vượt V2 sẽ có một quãng đường vượt an toàn riêng, nhưng không phải vận tốc vượt V2 càng lớn thì quãng đường vượt an toàn Sv càng ngắn mà ở mỗi V1 sẽ có một vận tốc V2 tối ưu để quảng đường vượt an toàn là ngắn nhất có thể. Dựa vào cách xác định tốc độ đánh vô lăng ta có thể thấy rằng thao tác của người lái đánh vô lăng cũng phụ thuộc vận tốc chuyển động vượt (khi ô tô chuyển động vượt với tốc độ cao thì tốc độ đánh lái giảm hay có thể nói chậm) Theo [13] phản ứng của người tài xế tối đa có thể đạt được 100 n 200(0 / s ) 3,5( rad / s ) nên thực hiện vượt theo quỹ đạo chuyển động đề xuất hoàn smw ax 0,05s toàn phù hợp với phản ứng của người lái. IV. KẾT LUẬN Đưaraquỹđạochuyểnđộng an toàncủa ô tôkhivượttheocácdữkiệnthựctế (vậntốc, điềukiệnđường ). Môphỏng, đánhgiáquátrìnhchuyểnđộngcủa ô tôkhivượtbằngmôphỏng. Giámsátquátrìnhvượttheovậntốc, quãngđường, gócđánhláiđểđảmbảo an toàntrêncaotốc. Cơ sở cho thuật toán ứng dụng với yêu cầu điều khiển chính xác, an toàn cho các nghiên cứu ứng dụng của hệ thống lái xe tự động (Autonomous Driving) của hệ thống mạng giao tiếp ô tô V2V. 9
10. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. PGS.TS. Nguyễn Văn Phụng. “Tính điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô”. Đại học SPKT Tp Hồ Chí Minh [2]. TS. Lâm Mai Long. “Giáo trình Cơ học chuyển động của ô tô”. Đại học SPKT Tp Hồ Chí Minh. Năm 2003. [3]. PGS.TS. Nguyễn Văn Phụng. “Cẩm nang tính toán kỹ thuật ô tô”. Đại học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh. [4]. Nguyễn Hữu Cẩn – Phan Đình Kiên. “Thiết kế và tính toán ô tô máy kéo tập III”. Hà Nội. Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp. Năm 1985. [5]. TS. Nguyễn Bá Hải. “Lập trình Labview”. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp.HCM. Năm 2012 [6]. BJORN ANDERSSON PATRIC GILLBERG. “High speed Braking Stability”. Master’s thesis in Applied Mechanics. 2013 [7]. “VEHICLE DYNAMICS and CONTROL” Rajesh Rajamani. Mechanical Engineering Series, University of Mechanical Engineering. 2012 [8]. National transportation research center, Incorporated Univesity Transportation center. “Vehicle Stablity and Dinamics Electronic Stability Control Final Report”. 2011 [9]. “Intelligent automatic overtaking system using vision for vehicle detection” by Computer Engineering Department, Polytechnic school, University of Alcala, Madrid, Spained. [10]. “An Overtaking Assistance System Based on Joint Beaconing and Real-Time Video Tranmission” by Alexey Vinel, member IEEE [11]. “ Determination of Safety Distance by Simulation and Collision Avoidance on a Road’s Danger Zones” by Schreiber Peter, Bartunek Marian and Moravcik Oliver, Slovak University of Technology Bratislava, Trnava SK 917 24, Slovakia. [12]. [13]. “ Amathematical model for predicting lane changes using the steering wheel angle” by Kim Schmidt, Matthias Beggiato, Karl Heinz Hoffmann, Josef F.Krems Institut fur Psychologie, Technische Univertat Chemnitz, D-09107, Ferbuary 2014, Germany. [14]. “Predictive Active Steering Control for Autonomous Vehicle Systems” by P.Falcone, F.Borrelli, J.Asgari, H.E.Tseng, D.Hrovat, IEEE Transaction of Control System Technology, January 2007. Thông tin tác giả chính: Họ tên: TrầnTrungThành Đơn vị: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại: 01222.400.179 Email: trungthanhdk@gmail.com 10
11. 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.