NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT BỘ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH CỦA Ô TÔ pdf

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:
t2 t1
L
Cotg Cotg
B
β − β =

(1)
Khi ô tô quay vòng với vận tốc

không đổi bán kính quay vòng R
qv
được
xác định từ sơ đồ (hình 1) như sau:

qv
t t s
L
R
tg( ) tg
=
β −α + α
(2)
Trong đó: L-chiều dài cơ sở của ô
tô [m]; β
t
- góc quay bánh xe dẫn
hướng[rad]; α
t
-góc biến dạng bên của cầu
trước [rad]; α
s
- góc biến dạng bên của cầu
sau[rad].
Nếu xe quay vòng với β
t
nhỏ thì ta
có thể coi: tg(β
t
-α

t
) ≈β
t
-α
t
; tgα
s
≈α
s
Hình 1. Xác định bán kính quay vòng theo
L, β, α
t
, α
s
- Khi ( α
t
-α
s
) = 0 là trạng thái quay
vòng đúng. Bán kính quay vòng không phụ
thuộc vào gia tốc bên (R
qv
= const).
- Khi ( α
t
-α
s
) < 0 là trạng thái quay
vòng thiếu. Khi đó bán kính quay vòng
tăng, để thực hiện quay vòng theo bán kính

1
Hình 4 Sơ đồ mô phỏng khối điều khiển mờ
R thì người lái phải tăng góc quay vành lái
một lượng Δβ
vl
.
- Khi ( α
t
-α
s
) > 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 Δβ
vl
.
2.2.Cấu trúc bộ điều khiển
Cấu trúc bộ điều khiển được thể
hiện ở hình 2.
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]:

m m
2
r r f f
f r

v
r
m.v (l C l C )
L
2C C L
α α
α α
= ε = δ
−
+
&
(3)
Trong đó: v – vận tốc của ô tô [m/s];
δ
- góc quay của bánh xe dẫn hướng [rad]; m
- khối lượng của ô tô [kg]; l
f
, l
r
- khoảng
cách từ trọng tâm ô tô tới tâm cầu trước,
cầu sau [m]; C
α
f
, C
α
r
- 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
F
B
- Lực phanh; F
S
- 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).
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
2
V x
d e l t a
r _ m
R e f e re n c e m o d e l
M TT
M TP
M S T
M S P
d e l t a
e x i_ d
M o h in h o t o
d r M z

B o d ie u k h ie n m o
M z
M TT
M TP
M S T
M S P
B o c h a p h a n h
2
d e lta
1
V x
Hình 2 Cấu trúc bộ điều khiển.
d d r
1
Mz
z
1
Un it D e la y
S a tu ra tio n 1Sa tu ra tio n
-K -
K 3
-K -
K 2
-K -
K 1
Fuzzy Logic
Controller
Ad d
1
d r

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 150
0
(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.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
Thoi gian (s)
Bien do (do)
150
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

I
sy
1500 kg.m
2
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
C
α
f
,
C
α
r
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.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Thoi gian (s)
Van toc goc xoay than xe (rad/s)
Co dieu khien
Mong muon
Khong dieu khien
a. Vận tốc góc xoay thân xe
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
Thoi gian (s)

Goc xoay than xe (rad)
Co dieu khien
Mong muon
Khong dieu khien
b. Góc xoay thân xe
3
0 10 20 30 40 50 60 70 80
-1
0
1
2
3
4
5
6
X (m)
Y (m)
Co dieu khien
Khong dieu khien
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 0
o
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 – 8
th
International Symposium on
Advanced Intelligent System (ISIS2007),
September 2007, Sokcho-City, Korea
4