Mô hình điều khiển của người lái xe luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật cơ khí động lực

vii

MCăLC

Trang tựa TRANG
Quytăđnhăgiaoăđ tài
Xác nhn của cán b hớng dn
Lý lch khoa hc ii
Liăcamăđoan iii
Li cmăơn iv
Tóm tắt v
Astract vi
Mc lc vii

Danh sách các chữ vit tắt ix
Danh sách các hình xi
Danh sách các bng xiii

Chngă1.TNG QUAN 1
1.1 Tng quan chung v lƿnhăvc nghiên cu 1
1.2 Mcăđíchăcaăđ tài 4
1.3 Nhim v caăđ tài và gii hnăđ tài 4
1.3.1 Nhim v củaăđ tài 4
1.3.2 Giới hn củaăđ tài 4
1.4ăPhngăphápănghiênăcu 4

Chngă2.ăCăS LÝ THUYT 5
2.1ăCăch sinh hcăvƠăđiu khinăcăcaăngi lái xe 5
β.1.1ăCơăch sinh hc 5
β.1.βăQuáătrìnhăđiu khinăcơăcủaăngi lái xe 6
2.2ăCăs lý thuyt h thngăđiu khin xe 7

2.3 Mô hình caăxeăvƠăngi lái 8
2.3.1 Mô hình xe 8
2.3.2 Mô hình điu khin lái xe vớiăđặc tính thầnăkinhăcơ 12

viii

2.4 Môăhìnhăđiu khinăchoăngi lái xe 13
β.4.1ăĐiu khinăbùăhớng xe di chuyn 13
2.4.2 Điu khinăđng di chuynăxemătrớc của xe 14
2.5 Tng quan v k thut lái xe 18
2.5.1 Khái quát h thng bung lái ô tô 18
2.5.2 Kỹ thutăcơăbn lái xe ô tô 20
β.5.γăPhơngăphápăláiăxeăôtôătrênăcácăloiăđng khác nhau 21
2.6ăĐiu kin sc khe caăngi lái xe 26
2.7 Phần mn LabVIEW 28
2.7.1 LabVIEW 28
2.7.2Lp trình với LabVIEW 29


Chngă3. THIT K, LPăTRÌNHăMỌăHÌNHăĐIU KHIN XE 30
3.1 Gii thiu phần mm mô phng City Car Driving 30
3.2 Thit k môăhìnhăđiu khin xe 30
3.2.1 Phơngăphápăchuyê
̉
năđô
̉
iătínăhi u xoay của trcăvôălĕngăthànhătínăhiu điu
khin của chut máy tính 31
3.2.2 Thit k cơăcu lái 34
3.2.3 Thit k h thng mchăđinăđiu khin mô hình lái 35

3.2.4 Thit k cơăcuăđiu khin tay s 36
3.2.5 Thit k khungămôăhố

nhăđiêuăkhiê
̉
năla

i 37
3.2.6 Sn phẩmăthiăcôngămôăhìnhăđiu khin xe 38
3.3 Lpătrìnhăđiu khinămôăhìnhăđiu khin lái 39
3.3.1 Thut toán thu thp tín hiuăvàăđiu khin lái 39
3.3.2 Lpătrìnhăđiu khin và thu thp s liu 40


Chngă4. KHOăSÁTăVĨăĐÁNHăGIÁăKT QU NGHIÊN CU 41
4.1ăPhngăánăkho sát 41
4.1.1ăNgi lái xe tham gia kho sát 41
4.1.βăMôiătrng kho sát 41
4.2 Giao din thu thp và x lý tín hiu 43
ix

4.3 Kt qu thc nghim 44
4.3.1 Kt qu thực nghimătrongătrng hp mt 44
4.3.2 Kt qu thực nghimătrongătrng hp hai 47
4.3.3 Kt qu thực nghimătrongătrng hp ba 50
4.4ăSoăsánhăđánhăgiáăkt qu 53


Chngă5. KT LUN 56
5.1 Kt lun 56

5.2ăHng phát trinăđ tài 57
TÀI LIU THAM KHO 58
PH LC 60


















x

DANH SÁCH CÁC CH VIT TT

LabVIEW : Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench ậ Phần
mm lp trình ngôn ngữ đ ha
IC : Integrated Circuit ậ Viămchătíchăhp
PID : Propotional Integral Derivative ậ B điu khin vi tích phân tỷ l.
AMP : Amplifier ậ B khuchăđi.

DC : Direct Current ậ Dòngăđin mt chiu.
AC : Alternating Currentậ Dòngăđin xoay chiu.
D : Dioptries ậ Đămắtăconăngi
LQR : Linear Quadratic Regulator ậ Điu chnhăphơngătrìnhăbc hai tuyn
tính
RS-232 : Recommended Standard-232 ậ Chuẩn giao tip ni tip giữa thit b
ngoi vi với máy tính.
USB : Univeral SerialăBusălàă1ăchuẩnăktăniăcácăthităbăđinătử

















xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 2.1 : Cơăch thầnăkinhăcơăcủaăconăngi 5
Hình 2.2 :ăCơăch điu khin củaăngi lái xe. 6
Hình 2.3 :ăSơăđ điu khin ba cpăđng ậ ngi ậ xe 7
Hình 2.4 :ăSơăđ điu khin thầnăkinhăcơăngi lái 7
Hình 2.5 : Mô hình taăđ của xe 8
Hình 2.6 :Mô hình xe mt vt 9
Hình 2.7 :Mô hình khi xe chuynăđng quay vòng. 10
Hình 2.8 : Mô hình bc tự do của xe 10
Hình 2.9 : Kt cu củaămôăhìnhăđiu khin lái xe vớiăđặc tính thầnăkinhăcơ. 12
Hình 2.10 : Môăhìnhăbùăhớng di chuyn của xe. 13
Hình 2.11 :ăMôăhìnhăđinăhìnhăláiăxeăxemătrớc. 14
Hình 2.12 : Mô hình chinălc dự báo. 15
Hình 2.13 :ăMôăhìnhăđiu khinăxeăđaăvòng lặp. 16
Hình 2.14 : Xe và quỹ doăxemătrớcăconăđngăphíaătrớc. 17
Hình 2.15 : Mã ngun vit bằng LabVIEW 29
Hình 3.1 : Giao din lái xe mô phỏng City Car Driving 30
Hình 3.2 : Sơăđ tín hiuătơngătự giữa chut máy tính với trc xoay củaăvôălĕng 31
Hình 3.3 : Tínăhiuălyătừăencoderătrcăx. 32
Hình 3.4 : Mchăgiiămưătínăhiuăvàăđiu khin trên chut máy tính 32
Hình 3.5 : Tínăhiuătruynătừămchăđiuăkhinăđnămáyătính 33
Hình 3.6 :ăVôălĕngălái 34
Hình 3.7 : Sơăđ mchăđiu khin mô hình lái 35
Hình 3.8 : Hp s điu khin s với tám cp s 36
Hình 3.9 : Bn vẽ thit k khungămôăhìnhăđiu khin xe 37
Hình 3.10 : Sn phẩmăthiăcôngămôăhìnhăđiu khin lái xe 38
Hình 3.11 : Thutătoánăđiu khin lái xe 39
Hình 3.12 : Mtă chơngă trìnhăthuă thpăvàă điu khin lái xetrongă môiă trng lp
trình LabVIEW 40
xii

Hình 4.1 : Tình hung xe gặp chớng ngi vtătrênăđng di chuyn 42
Hình 4.2 : Giao din thu thp và hin th kt qu kho sát bằngăđ th 43
Hình 4.3 : Đ th góc lái củaăngi trẻ điu khinăxeăvàoăđonăđng vòng 44
Hình 4.4 : Đ th góc lái củaăngiăgiàăđiu khinăxeăvàoăđonăđng vòng 44
Hình 4.5 :ăĐ th góc lái củaăngi trẻ điu khin xe tránh va chm với chớng
ngi vt 47
Hình 4.6 : Đ th góc lái củaăngiăgiàăđiu khin xe tránh va chm với chớng
ngi vt 47
Hình 4.7 :ăĐ th góc lái củaăngi trẻ điu khin xe chuynălànăđng di chuyn 50
Hình 4.8 : Đ th góc lái củaăngiăgiàăđiu khin xe chuynălànăđng di chuyn 50
Hình 4.9 : Biuăđ đ lchăgócăláiătrongăcácătrng hp thực nghim 53
Hình 4.10 : Biuăđ đ lchăgócăláiătrongăbaăgiaiăđonăđiu khin xe 55

xiii


DANHăSÁCHăCÁCăBNG

BNG TRANG
Bng 4.1 :Phơngăánăkhoăsátăngiăláiăthamăgiaăđiu khin mô hình lái xe 41
Bng 4.2 :ăCácătrng hp kho sát 43
Bng 4.3 : Kt qu tínhătoánăđ lch góc lái củaăngi trẻ  trng hp mt 45
Bng 4.4 : Kt qu tínhătoánăđ lch góc lái củaăngi già  trng hp mt 46
Bng 4.5 : Kt qu tínhătoánăđ lch góc lái củaăngi trẻ  trng hp hai. 48
Bng 4.6 : Kt qu tínhătoánăđ lch góc lái củaăngi già  trng hp hai 49
Bng 4.7 : Kt qu tínhătoánăđ lch góc lái củaăngi trẻ  trng hp ba. 51
Bng 4.8 : Kt qu tínhătoánăđ lch góc lái củaăngi già  trng hp ba. 52
Bng 4.9 : Mứcătĕngăhiu qu điu khin xe củaăngi trẻ so vớiăngi già 54
Bng 4.10 : S liu thực nghimăngi trẻ điu khinăxeăvàoăđonăđng vòng 60
Bng 4.11 : S liu thực nghimăngiăgiàăđiu khinăxeăvàoăđonăđng vòng 62
Bng 4.12 : S liu thực nghimăngi trẻ điu khin xe tránh vt cn 64
Bng 4.13 : S liu thực nghimăngiăgiàăđiu khin xe tránh vt cn 66
Bng 4.14 : S liu thực nghimăngi trẻ điu khin xe chuynălànăđng 68
Bng 4.15 : S liu thực nghimăngiăgiàăđiu khin xe chuynălànăđng 70

1

Chngă1
TNG QUAN

1.1ăTngăquanăchungăvălƿnhăvcănghiênăcu
Tai nn giao thông là mt trong những vnăđ quan tâm lớn nht của từng cá
nhân, xã hiăvàăđặc bit trong ngành sn xut xe luôn phát trin hoàn thin các h
thngădới rt nhiu chứcănĕngănhằmăđm bo sự anătoànăchoăngiăláiăcũngănhă
hành khách, hàng hóa từ những gii pháp an toàn chủ đng, an toàn b đngăđn kt
hp an toàn chủ-b đng trên xe. Tuy nhiên, trong nhữngănĕmăgầnăđâyăs lng tai
nn giao thông xẩyăraăngàyăcàngătĕng.ăTheoăthng kê, phân tích các v tai nn giao
thôngăđng b đưăchoăthy rằng các yêu t v conăngi là nguyên nhân chính,
chim 85
o
/
o
v tai nnăgiaoă thôngăđng b [1]. Nguyên nhân dnă đn tình trng
này, là do mtăđiu khin củaăngiăláiăxeăhayăquáătrìnhăđiu khinăxeăkhôngăđt
hiu qu nhămongămun.ăDoăđó,ăvnăđ nghiên cứuăvàăđánhăgiáăhiu qu của quá
trìnhătơngătácăgiữaăngi và xe là mcăđíchănghiênăcứu củaăđ tài này.
Trong nhiu thp kỷ qua, nhiu nhà khoa hc, kỹ sătrênăth giớiăđưănghiênăcứu
và mô t sự tơngătácăgiữaăngi - xe. Phần lớn các nghiên cứuănàyăđuăhớng v
sự mô t đặcăđim hành vi củaăngiăláiăxe,ăxácăđnhăđc các giá tr giới hn dựa
trênăđiu kin v trí của xe với các yu t môiătrng và phát trinăcácămôăhìnhăđiu
khin xe [2, 3]. Gầnăđây,ăcácămôăhìnhăđiu khin củaăngiăláiăxeăđưăđc các hãng
sn xut xe nghiên cứu, phát trin và ứng dng mnh mẽ trong thực t.
MacAdam [4]ăđưă xâyădựngăđcă môăhìnhăđngăđiăxemătrớc. Mô hình này
giúpăngiăláiăđiu khinăxeăđiătheoăconăđng mong mun bằng cách dự đoánăconă
đngăphíaătrớc và liên kt chặt chẽ kh nĕngădự đoánăcủaăngi lái xe với thi
gian phn ứng. Các thutătoánăđiu khin cho mô hình này là những vòng lặp kín
trên các h thngăđiu khin xe.
Weir và McRuer [5]đưănêuăcácăquanăđim và lý thuytăđiu khinălàmăcơăs
khoa hc cho vic phân tíchăđng lực hc kim soát tay lái. Kt qu h thngăđiu
khinăxeăđánhăgiáăđc các thành phần làm nhăhngăđnăcácăphơngătrìnhăchuyn

2

đng hc của xe. Nghiên cứuăcũngăđ xut mt chứcănĕngăgầnănhătuynătínhăđặc
trngăchoăsự phn ứng chm tr, chức nĕngămôăt đc sử dngăđ phân tích mt
kt ni mô hình hai bc tự do của xe và hành vi củaăngi lái xe. Nghiên cứu kt
lun rằngăngi lái xe chủ yuăđápăứng tcăđ hớng chuynăđng và góc lái t l
thun với tcăđ hớng chuynăđng của xe.
Legouis [6]ă đưăđ xut ra các kỹ thut tiăuăhoáăđ ớc tính các h s điu
khin củaăngi lái xe, bao gm li v trí dch dc, li tỷ l quay vòng và góc lái
bánhăxeătrớc. Mt mô hình theo dõi bù tiăuăđ thuăđc các giá tr, thông s
khác nhau của xe.
Sheridan [7] sử dng mt kỹ thut lpătrìnhăđng lực hcăđ thuăđc vùng quỹ
đo tiăuătrongăkhong thiăgianăxemătrớc sử dng mt thut toán vòng lặp. Ba
môăhìnhăđcăđ xutăđ dự đoánăsự phn hi củaăngiăláiăxe.ăMôăhìnhăđầu tiên
đc gi là mô hình vòng m rng vòng tuyn tính.Mô hình thứ haiădùngăđ thử
nghim thi gian phn ứng vớiămôăhìnhăđng lực hc sử dng mt dãy thut tính
toán lặp di lặp liăđ đoánătrớc thi gian nhanh, tr so với thi gian thực.Mô hình
cui cùng tính toán, cp nht nhiu lần trong chinălcă điu khin tiăuă trongă
khong thiăgianăxemătrớc củaăđầu vào.Nghiên cứu kt lun rằngăbaămôăhìnhăđ
xutăchoăđiu khinăxemătrớc hn ch ttăhơnăsoăvới kỹ thut mô t thôngăthng.
Kondo [8]ăđ xut mt mô hình dự báoăđngăđiăbc nht tuyn tính, nghiên
cứu,ăđánhăgiáăsự thun liăđiu khin củaăngi lái xe và gi đnh sự chm tr của
ngiăláiăxeălàăkhôngăđángăk. Mô hình dự đoánămt cách hiu qu vic thực hin
điu khinăhớng di chuyn củaăngi lái xe khi chuynăđngăbênălàătơngăđi nhỏ.
Allen [9]ăđ xut mtămôăhìnhăđiu khin gầnănhătuynătínhăđaăvòngălặpăđ xác
đnhăgócăláiăbánhăxeăphíaătrớc. Nghiên cứu thực hinăđiu khin xe trên mt phm
viăđiu khin, bao gm c các gi đnhăliênăquanăđn tránh tai nnăđ hn ch hiu
sut xử lý củaăngi lái xe. Chicăxeăđc biu dinănhămôăhìnhăbaăbc tự do bao
gm góc xoay, vn tc bên và lắc nganggắn với mt kt cuăđiu khin của xe. Sự
năđnh cho h thngăđaăvòngălặpăđc phân tích  tcăđ 96km/h dựa trên các gi

thit, hình nh và sự chuynăđng chm tr thi gian phn hiăđcăxemănhăn
3

đnh và kt hpăđng lực hc thầnăkinhăcơăđ mang li mt thi gian tr tng th
choăngi lái xe.
XiaoboăYangă[10]ăđ xut vnăđ anătoànătrênăđng cao tcăcóăliênăquanăđn
hotăđng của xe trênăđng và sự tơngătácăgiữaăngi lái vớiăxe.ăĐng lực hc
của xe nhăhng biăđiu kinămôiătrng hotăđng. Vnăđ nguy him, mt an
toànăliênăquanăđn giới hnăđiu khin năđnhăvàăđnhăhớng của xe, mà còn giới
hnăđiu khin củaăngi lái xe. Theo quanăđim của giới hn năđnh,ăđng lực hc
của các loiăxeăđưăđc nghiên cứu rngărưiăcũngănhăsự thích ứng củaăngi lái xe
hoàn ho cho sự chuynăđng của xe. Trong nghiên cứu này, mt s mô hình phân
tích của sự thayăđi phức tpăđc phát trinăđ nghiên cứu các sai lch bên, sự lch
hớngăvàăcácăđặc tính kt ni của xe.
Bên cnh những thành tựuăđưăđtăđc của các công trình nghiên cứu trên th
giới v h thngăđiu khinăchoăngi lái xe thì còn nhiu vnăđ cần phi nghiên
cứu, gii quyt.ăTrongăđóăvnăđ khoăsátăvàăđánhăgiá,ăsoăsánhăkh nĕngăđiu khin
củaăngi lái xe giữaăngiăđưăcóăkinhănghim vớiăngiăláiăxeăchaăhoànăthin
kinh nghim lái xe hoặcăngi b suy gim kh nĕngăđiu khin xe khi gặp các tình
hung hoặc các sự c nguy himătrênăđng di chuyn. Từ đó,ăđ tài sẽ thu nhn
đc các kt qu so sánh giữa các thông s điu khinălàmăcơăs khoa hc giúp mô
hìnhăđiu khinăchoăngi lái xe đc hoàn thinăhơnăgópăphần làm gim kh nĕngă
gây ra các sự c nguy him có th dn tới các tai nn giao thông.

4

1.2 McăđíchăcaăđătƠi
Vn dng lý thuytăđng hc chuynăđng xe kt hp các công c mô phỏngăđ
kho sát và đánhăgiá,ăsoăsánhăkh nĕngăđiu khin củaăngi lái xe nhằm tiăuăhóaă
môăhìnhăđiu khinăchoăngi lái xe.
1.3 Nhim v caăđ tài và gii hnăđ tài
1.3.1ăNhimăvăcaăđătƠi
Tìm hiu và nghiên cứu lý thuytăđiu khin và kim soát xe củaăngi lái.
Nghiên cứu h thngăđiu khin thầnăkinhăcơăcủaăngi lái.
Tng hp và nghiên cứu các yu t nhăhngăđnăđng hc chuynăđng xe.
Xây dựngămôăhìnhăđiu khin lái xesử dng trong mô phỏng City CarDriving.
Chuynăđi tín hiuăđiu khin xe trên bàn phím máy tính của phần mn mô
phỏng City CarDriving thành tín hiuăđiu khin củaăcácăcơăcu lái ô tô.
Thit k,ăthiăcôngămôăhìnhăđiu khin xe.
Khoăsátăvàăđánhăgiá,ăsoăsánhăkh nĕngăđiu khin cho từngănhómăngi lái xe
bằng phần mn LabVIEW.
Đ xut giiăphápăđiu khin và kimăsoát,ănângăcaoăđ an toàn chuynăđng
của xe trong các tình hung nguy him.
1.3.2ăGiiăhnăcaăđătƠi
Doăđiu kin kinh t và kin thức có hnănênăđ tài nghiên cứu trong phm vi:
- Nghiên cứu dựa trên mô hình hóa và mô phỏng.
- Kho sát kh nĕngăđiu khin xe củaăhaiănhómăngi lái gm:ăNgi có đ
tuiăgiàăvàăngiăcóăđ tui trẻ.
1.4 Phngăphápănghiênăcu
Thu thp dữ liu và chn lc v các công trình nghiên cứuătrongăvàăngoàiănớc
có liên quan.
Khoăsátăvàăđánhăgiáăkt qu bằng các công c mô phỏng phần mn LabVIEW

và phần mn City CarDriving.
So sánh kt qu vớiăcácăcôngătrìnhăđưănghiênăcứu

5

Chngă2
CăS LÝ THUYT

2.1ăCăch sinh hcăvƠăđiu khinăcăcaăngi lái xe
2.1.1 Căch sinh hc
Những cáchăthứcăhotăđngăcủaăcácăyuătăsinhăhcăphăthucăvàoănhauăđcă
giălàă cơăchăsinhăhc[11].ăCơăchănàyăsẽă đcăngànhăkhoaăhcăcơăkhíăsinhăhcă
(Biomechanic)nghiênăcứuăvàăphânătíchăcuătrúc,ăchứcănĕngăcủaăcác hăthngăsinhă
hcănh conăngi, đng thựcăvt, cácăcơăquan vàătăbàoăbằngăphơngătinăcủaăcácă
phơngăphápăcơăhcănhăhìnhăβ.1.

Hình 2.1:ăăCơăchăthầnăkinhăcơăcủaăconăngi
Cơăchăsinhăhcăđcăkhoaăhcăkỹăthutăphânătíchădựaătrênăcácăđnhălutăcơăhcă
Newton vàăcácăphơngătrìnhătoánăhcăcóăthătínhătoánăxpăxăchínhăxácăcácăcơăchă
củaănhiu hăthngăsinhănhăcuătrúc,ăchứcănĕng,ăđặcăbităđngăhc và đngălực hcă
đóngăvaiătròăniăbtătrongăvicănghiênăcứuăcơăchăsinhăhc.ăTuyănhiên,ăbnăchtăhă
thngă sinhă hcă phứcă tpă hơnă kháă nhiuă soă vớiă cácă hă thngă màă conă ngiă xâyă
dựng. Doăđó,ăPhơngăphápăkỹăthutăs đcăápădngătrongăhầuăhtăcácănghiênăcứuă
cơăchăsinhăhc. Nghiênăcứuăđcăthựcăhinătrongămtăchuiăquáătrìnhălặpăđiălặpăliă
nhiuălầnă củaă giă thuytă vàă kimăchứng,ă baoă gmănhiuă bớcănhă xâyădựngă mô
hình, môăphỏngămáyătính và phépăđoăthựcănghim.
αă(ext)
2
2
3

4
F
i
(ext) =


m
1
(Lực củaăcơ)
i
x (H s)
i

F
j
(fl) =


n
j 1
(Lực củaăcơ)
j
x (H s)
j

M =


n
1

F
i
(ext) x d
i
+ F
j
(fl) x d
j

Hp lực
cơăthần kinh vnăđng
=


a
1
M
i



m
1
(Ngoi lực)
i
+


n
1

(Ni lực)
i

1
6

2.1.2ăQuáătrìnhăđiuăkhinăcăcaăngiăláiăxe
Cơăch sinh hcăđiu khinăcơăcủaăngiăláiăxeăđc thực hin thông qua ba quá
trìnhăcơăbn gm: Phát hinăđiătng thông qua mắt, phân tíchăđiătng trong b
não và thực hinăđiu khin xe di chuynădới tác dng của lựcăcácăcơăbắp lên h
thng lái, phanh trên xe ( xem Hình 2.2).

Hình 2.2:ăCơăchăđiuăkhinăcủaăngiăláiăxe.
Trong hình 2.2, mô t cơăch điu khin củaăngi lái xe thông qua mi quan h
giữaă cácă giaiă đonăkhácă nhauă trongăquáă trìnhă điu khin. Sự điu khin này ph
thuc rt nhiu vào tầm quan sát của mắt ghi nhn các thông tin. Các thông tin này
sẽ đc b não xử lý, phân tích, so sánh và thực hin lnhăđiu khinădới những
cpăđ vàăcơăch sinh hc bao gm: Cpăđ điu khin vớiăthôngătinăbìnhăthng
choăngi lái có cm giác thoi mái, cpăđ thông tin quá ti gây ra cm giác mt
mõiăchoăngi lái và cpăđ thông tin cao nht sẽ dinăraăcácăcơăch sinh hc phức
tp.ăDoăđó,ăngiăđiu khin có cm giác mt an toàn, nguy him trong quá trình
điu khin xe.
Vùng
phát
hin
Nhn dng
mô t
Phân tích
Thông tin
cơăbn

Mô t
phân tích
phán đoán
Thông tin
Phân tích
phánăđoán
Thông tin
lựa chn
Phân tích
cơăbn
Phánăđoán
Thông tin
lựa chn
Xử lý thông tin và ra lnhăđiu khin
7

2.2 Căs lý thuyt h thngăđiu khin xe
Điu khin chuynăđng của xe trên mặtăđng luôn có sự tơngătácăgiữa hai
khiăđiătng chính bao gmăngiăđiu khinăvàăxeănhăhìnhăβ.γ. Yu t làm nh
hngăđnăquáătrìnhăđiu khinănàyănh:ăCácăđiu kin củaăđng di chuyn,ăđ
bám mặtăđng, góc lchăhớng khi có hinătngătrt xẩy ra  các bánh xe, lực
cnăgió,.v.văđưăđc xem xét trong phầnăđng hc chuynăđng của xe.

Hình 2.3:ăSơăđăđiuăkhinăbaăcpăđngăậ ngiăậ xe
Trong hình 2.3,ătrìnhăbàyăsơăđ điu khin tng quan của mt chicăxe.ăNgi
láiăđóngăvaiătròănhămtătrìnhăđiu khin và kim soát tình trng hotăđng của xe
nhăchy,ătĕngătc,ăphanh,ăthayăđiăhớng di chuyn [12]. Hiu qu điu khin ph
thucăvàoăđiu kinătrênăđng di chuyn,ătínhănĕngăđng hc của xe và các yu t
v tâm lý th cht củaăngiăđiu khin. Mc tiêu củaăquáătrìnhăđiu khinălàăđng
hc của chic xe di chuynăđúngăhớng vớiăđ sai lch là nhỏ nhtăđ kt qu điu

khinăđt tiăuăvàăto cm giác thoiămáiăchoăngiăđiu khin, hn ch đn mức
tiăđaăcácăsự c mt an toàn nguy himăchoăngi sử dngăđc thực hin bi h
thng phn hiăthôngătinăđiu khin.

Hình 2.4:ăSơăđăđiuăkhinăthầnăkinhăcơăngiălái
Não
ĐIU KHIN
Cơăbắp
cánh tay
CHP HÀNH
V trí mong mun
cánhătayăngi lái
Mắt và áp lựcăcơăquanăă
cm nhnăconăngi
THU NHN, PHN HI
Tín hiu thần kinh
V trí
cánh tay
ngi lái
Áp lực
V tríăđiu
khin tay lái
u
s
e
d
z
y
−
+

Ʃ
Ngi lái
Xe
Đng di chuyn
Đng hc
của xe
Thông tin phn hi
−
+
Ʃ
8

2.3 Mô hình caăxeăvƠăngi lái
2.3.1 Mô hình xe
Mt mô hình xe toán hc chính xác và thực t làăđiu cần thităđ mô phỏng h
thngăđiu khin xe. Nhiu mô hình khác nhau từ đơnăginăđn phức tpăđưăđc
phát trin và ứng dng. Mô hình phức tp có th cho kt qu nghiên cứu b sung
thêm các yu t v đápăứng củaăxe,ănhngămôăhìnhănàyăđiăkèmăvới chi phí lớn mt
nhiu thiăgianătínhătoán.ăDoăđó,ăcácăgi đnhăđ làm gim sự phức tpăđng lực hc
của xe và các thành phần nhăhng trong hình thứcăđơnăginăhơn.
Nu gắn vào thân xe mt h taăđ điăquaătrng tâm xe, chúng ta có th biu th
môăhìnhăxeătheoăbaăphơngăx,y,z. Xe là mtăcơăh đànăhi chuynăđngătrênăđng
với h taăđ c đnh (OXYZ). Các dch chuyn của xe theo các trc taăđ gây nên
chuyn v dc theo 3 trc. khi xét chuynăđng xe quan trng nht là chuyn v theo
taăđ mặtăđng biu din bằng taăđ x,y với góc quay thân xe là sự chuynăđng
gâyănênătrt ngang và góc lchăhớng của xe. mứcăđ đơnăgin ta có th biu
din taăđ nhăhìnhă2.5 [13].

Hình 2.5.ăMôăhìnhătaăđăcủaăxe
Khi xe chuynăđng sẽ xut hin các thành phần dch dc, nghiêng lắc ngang và

lchăhớng củaăxeăđc trình bày trong hinh 2.5.[14].ăuăđim của mô hình mt vt
là tính cht tuyn tính có th kt hp d dàng với mô hình tuynătính.Cácăphơngă
pháp truyn thngănhăquỹ đo gc và phân tích tần s phn hi có th đc sử
dngăđ đánhăgiáăhiu qu của h thng.
Y
Z
X
x
C
G


z
y




9

Khi mt chic xe  trng thái quay vòng  tcăđ khôngăđi v phíaătrớc (u),
lực ly tâm xut hin ti trng tâm sẽ làmătĕngăgiáătr gócătrt trên lpăxe.ăCácăđặc
trngăhotăđng của xe ph thuc vào mi quan h giữaăgócătrt của mặtătrớc và
sau của lp,ătơngăứng

f
và

r
.ăCácăđặc tính năđnh của xe là vnăđ nghiên cứu

đ xácăđnh vn tc góc lchăhớng, gia tc bên và phn hi tới h thngăđiu khin.
Choăgócăđiu khinănhămt hàm thi gian

(t),ăđặcătrngăchuynăđng của mt
chic xe, tùy thucăvàoăhànhăviăđiu khin xe tức thi củaăngi lái là những giá tr
tức thi của góc lchăhớng và gia tc bên. Mô hình mt vt có th thực hinăđánhă
giá nhanh chóng v đng lực hc của xe với mt vài thông s,ănhngănhcăđim
của mô hình mt vt là bỏ qua hiu sutălĕn.ăMôăhìnhătuyn tính không th đi din
chính xác cho xe nuăliênăquanăđn gia tc bên cao.

Hình 2.6: Môăhìnhăxeămtăvt
Mt chic xe không phi là mt khi vt th cứng duy nht mà có nhiu khi
vt th kt ni vớiănhau.ăChúngătaăxemăxétăđ đơnăgin hóa mt mô hình xe làm
thành hai khi chung. Khiăđànăhi và khiăkhôngăđànăhi sẽ đc liên kt với nhau
bằng mt h thng treo. Trong khi xe quay vòng khiă đànăhiă cóă khuynhăhớng
nghiêng làm nhăhngăđángăk sự năđnh của xe. Sự chuynăđng của xe lúc này
đc th hin trong hinh 2.6.
Đ lớn của các góc nhăhng còn ph thucăvàoăđ cứng vững và h s đànă
hi b gim chn của h thngătreoăcũngănhăcácăh thng khác. nhăhng của các

f

f
F
xf
F
yf
F
yr
F

xr
r

x

y


r
l
f
l
r
l

10

gócănàyăđc hiuănhălàăsự truyn ti trng từ mặtăbênănàyăđn bên khác của xe,
lầnălt là lực bên và lực dcăthayăđi theo sự truyn ti trng của xe.

Hình 2.7:Môăhìnhăkhiăxeăchuynăđngăquayăvòng.
Mô hình xe toàn din bc tự doăđc trình bày trong hình 2.7,ăđcădùngăđ
nghiên cứu hành vi củaăngi lái xe theo chiu dc, mặtăbênăvàătheoăhớng thẳng
đứng. Mô hình xe bao gm mt khi treo và khiă khôngăđc treo. Khi không
đc treo có sáu bc tự do bao gm chiu dc, mặt bên, thẳngăăđứng và sự quay tròn
của bánh xe. Mô hình này thích ứng với nghiên cứuăđặcătínhăcóăliênăquanăđn sự
daoăđng thẳngăđứng của thân xe. Mt chic xe là mt h thng nhiu b phn bao
gm các h thngăconănhăh thngătreoătrớc và sau, h thng lái, lp xe và thân xe.

Hình 2.8:ăMôăhìnhăbcătựădoăcủaăxe

k
s3
k
u3
k
s4
k
s1
k
s2
k
u3
k
u3
k
u3
m
u3
m
u1
m
u2
m
u4
c
2
c
1
c
4

c
3
x
y
z
z
y
m
S
a
Sy
m
S
g



h
S
k
l
c
l
k
r
c
r
Y
X
O

V

y

r


3
F
x3
F
y3

4
F
x4
F
y4
F
y2
F
x2


2

1

f
F

y1
F
x1
x

l
f
l
r
11

Mt trong những thành phần quan trng nht của mô hình xe là mô hình lp xe,
đi din cho mặt tip xúc giữa xe và mặtăđng. Các lực quan trng và những thi
đim nhăhngăđn sự chuynăđng của xe là lực tác dngăđặt xuyên qua mặt tip
xúc của lp với mặtăđng,ăđâyălàăđiu cần thităđ mô t đặcătínhăxeănhăđặc tính
lpăvàăhànhăviăđiu khin củaăngi lái xe. Khi mt chicăxeăđiăquaăkhúcăngoặt thì
khong cách trc của lp b thayăđi và xut hin lực bên sinh ra  lp. Khi quay
vòngălcănàyăsẽ thayăđi trên b mặt tip xúc trên b mặt bánh xe và mặtăđng
dch dc mtăgócăα.ăMi quan h giữa lựcăquayăvòngăvàăgócătrt là rt phức tp
tùy thucăvàoăđiu kinăđng, tình trang lpămàăgócăαănhỏ hay lớn.ăĐi vớiăđiu
kinăđngăbìnhăthng thì mi quan h nàyăđc xem là tuynătínhănhăbiu thức sau:


CF
y

(2.1)
Trongăđó:

C

:ăĐặcătrngăđ cứng vững của lp
α : Góc lchăhớng

y
F
: Lực quay vòng

Mô hình mt vt là mô hình tuyn tính kt ni d dàng vớiămôăhìnhăngi lái
cũngănhămôăhìnhătuyn tính. Lý thuytăđiu khin tuynătínhădùngăđ đánhăgiáăh
thngăđiu khină xe.ă Đâyălàă môăhìnhăcóăth sử dng hin thực hóa mô hình của
ngi lái bằng các thông s tuyn tính củaămôăhìnhăđiu khin xe.










12

2.3.2ăMôăhìnhăđiu khin lái xe viăđặc tính thầnăkinhăc
Cánh tay củaăngi lái có th đi din bi mt h lựcăquánătínhăđơnăgin kt ni
với mặtăđtăthôngăquaătínhăđànăhi song song. B gim chn vớiăđ cứng áp lực b
đng và sự cn củaăcánhătay.ăCánhătayăvàăđng lực hcăláiăđc kt hp trong khi
ngi lái cầmăvôălĕng.ăPhơngătrìnhăchuynăđng cho các kt ni là:
     

sw
T
mswstdrswstdrswstdr
n
M
TKKBBJJ 


(2.2)
Trongăđó:
J
st
: Khiălng quán tính.
B
st
: Gm chn.
K
st
:ăĐ cứng vững.
M
T
: Phát sinh từ lực bên và tự hiu chnh mô men.
Vòng lặpăđiu khin phn x duy trì chiuădàiăcơăbằng các tín hiu cm giác, vn
tcăcơăhotăđng và thông tin phn hiănhăhìnhăβ.9.[15]

Hình 2.9:ăKtăcuăcủaămôăhìnhăđiuăkhinăláiăxeăvớiăđặcătínhăthầnăkinhăcơ.
Mtătrìnhăđiu khin b sung là làm binăđi các thông s phn x, chứcănĕngăcủa
điu khin của các phn x này có th đc mô t nhăsau:
 
 

c
s
rrc
r
s
eKsB
sH







(2.3)
Trongăđó:
ω
c
: Tần s dừng
B
r
và K
r
: Các tham s đi din cho phn x đ cứngăvàăđànăhi.
G
s
(s)
Xe
Hàm điều
chỉnh LQR

*
sw

sw


Điu khin phn x
H s cn
Đng hc cánh tay
vàăvôălĕng
H thng phn x
T
m
Điu kin
đng di
chuyn y
p
-

+

-

H
r
(s)
K
a

13

2.4 Môăhìnhăđiuăkhinăchoăngiăláiăxe
2.4.1ăĐiuăkhinăbùăhngăxeădiăchuyn
Nhiuămôăhìnhăđiu khin cho sự thayăđi phức tpăđng lực hc của xe. Phần
lớn những mô hình này dựaătrênăđiu khinăđng lực hc bên củaăxe,ăđc phân loi
theoă haiă nhóm:ă Môă hìnhă điu khină bùă hớng di chuynă vàă môă hìnhă xemă trớc
hớng di chuyn.
Mt cu trúc củaămôăhìnhăđiu khinăbùăhớng di chuynăđc minh ha trong
hình 2.10 [18]

Hình 2.10:ăăMôăhìnhăbùăhớngădiăchuynăcủaăxe.

Trong hình 3.6:
H(s): Mô t nhim v củaăngi lái xe trên nhn thức tức thi liăăhớng
di chuyn của xe.
G(s): Chuyn giao nhim v cho xe.
Đ dtăđc chứcănĕngăchuynăgiaoăđiu khinăH(s),ămôăhìnhăđiu khin phi
điu chnh: Thứ nhtăđiu khin xe cần phi thực hin sự phánăđoánăvàăhànhăđng
đi din trong thi gian tr
s
e


,ăτăthiăgianătrăhiuăqu.ăSauăđóăhànhăđngătơng
ứngăchoăđầuăraăđnăsựăkíchăthíchă,ăngiăđiuăkhinăcóăkhănĕngădựăđoánăthayăđiă
dữăliuăđầuăvào.ăNgiăđiuăkhinăcũngăcóăkhănĕngăthựcăhinăhànhăđngătrnăvẹnă
nơiătínăhiuăraătălăthunăvớiătínăhiuăvàoăthíchăhp.ăDoăđó,ăngiăđiuăkhinăxeăsẽă
xácăđnhăttănhăthutătoánăđiuăkhinăPID.ăTuyănhiên,ăliăthăcủaăhăthngăchứcă
nĕngăđiuăkhinăPIDăkhôngăcóăliênăquanăđnăhànhăviăvtălýăcủaăngiăđiuăkhin.ăVìă
vy,ămt chứcănĕngăchuyn giao chung củaăngiăđiu khin có th sử dng phần

lớn các nhim v điu khinăđ xutănhăsau:
 
sT
I
L
d
N
e
sT
sT
KsH





1
1
(2.4)
G(s)
H(s)
-
+
Tín hiệu

ɸ

ɷ
sw
y

14

Trongăđó:
K
d
:ăĐ khuchăđiăđiăđiu khin.
1
1


sT
sT
I
L
:ăĐặc tính sự cân bằng.
T
N
: Hằng s thi gian của h thng thầnăkinhăcơ.
K
d
: Kh nĕngăthích nghi.
Mô hình trên thực hin tt quá trình xử lý cuătrúcătrongăđiu khin xe bao gm
tần s, h thng thầnăkinhătrungăơng,ăđ khuchăđi và thi gian tr. Tần s caoăđi
din cho h thng thần kinh củaăngiăđiu khin xe là h thng bc hai mô t sự
vnăđng củaăchânătayăvàăcơăbắp củaăngiăđiu khin. Mô hình cu trúc có phm vi
đaădng của dãi tần s so với mô hình giao nhau.
Môăhìnhăxemătrớcăđng di sẽ càiăđặt các dữ liuătrớc củaăconăđng phía
trớcăđ thực hin ttămôăhìnhăđiu khin hớng di chuyn.
2.4.2ăĐiu khinăđng di chuynăxemătrc ca xe

Môăhìnhă đngă điăxemătrớcă đină hìnhăđc minh ha trong hình 2.11,[16].
nhăhngăxemătrớc của h thng vòng lặpăkhépăkínăđc biu din bằng hàm
 
sT
P
esP 
với T
p
là thiăgianăxemătrớc củaătrìnhăđiu khin mà có th đtăđc tùy
thucăvàoăphơngăphápăthử nghim, tình trng mặtăđng, tcăđ xe.


Hình 2.11:ăMôăhìnhăđinăhìnhăláiăxeăxemătrớc.
Hàm B(s) có chứcănĕngădự báo.Khiăđangăchyăraăđng mong mun thì mt
trìnhăđiu khin làm gimăđ lch bên bằngăcáchăxácăđnh khong cách giữa v trí
dự đoánăvàăv trí mong munăđc trình bày trong hình 2.11. Nuăphơngătin di
chuyn liên tc với góc di chuynăkhôngăđi , v trí bên của xe sau thi gian T
P
tr
thành y(t+T
P
) và có th xemănhăhàmăsau:
P(s)
B(s)
G(s)
H(s)
f(t)
-
+
ɸ

ɷ
sw
y(t+T
P
)

15

         
tyTtytLtyTty
PP



(2.5)
Từ đó,ăchứcănĕngădự báo là
 
sTsB
P
1
.

Hình 2.12:ăMôăhìnhăchinălcădựăbáo.
Bài toán tiăuăcủaăbàiătoánătheoădõiătrìnhăđiu khin xe sử dng khu vực xem
trớc tiăuăthìăngiăđiu khin luôn nhìn vùng hữu hn củaăđngăphíaătrớc, do
đóăngi lái xe sẽ gim thiuăđc liăđngăđiăvàămôăt h thngăxeăxemănhălàă
mt trng thái tuynătính.ăTrongătrng hpăxemătrớc củaăđim duy nht, h thng
tuyn tính có th mô t nhăsau:






xm
gFxx
T
y
SW


(2.6)
Trongăđó:
x :ăcóănghĩaălàăvécătơătrng tháicủa h thng xe
F : h thng các ma trn.
g :ăđiu chnh ma trn.

SW:
đầu vào h thngăđiu khin.
y : v trí bên.
Khiăđóă,ăgócăláiăxe tiău:
   
 
 
P
P
SWSW
TA
Tt
tt





*
(2.7)
Trongăđó:
Đng mong mun
y(t)

(t)
y(t+T
P
)
L
y
x
16

 
P
Tt 

: Li giữaăđầuăvàoăconăđngăxemătrớcăvàăđầuăraăxemătrớc của
v trí bên.
A(T
P
) :ăĐơnăv phn hiăđầu của h thng xe.
Tt c cácămôăhìnhăđcăđ cp  trên là dựa trên chinălcăxemătrớc vòng
lặpăđơn,ămặc dù hiu sut b nhăhng không ch v tríăbênămàăcònăđnhăhớng lắc

ngang củaăxe.ăDoăđó,ăchúngătaăcóăth sử dng mô hình da vòng lặp có cuătrúcănhă
trong hình 2.13, [17].


Hình 2.13: Môăhìnhăđiuăkhinăxeăđaăvòngălặp.

Trong hình 2.13:
H
L
(s)ă:ăHàmăđặcătrngăL
H
H
(s):ăĐi din cho tần s thp và tần s cao.
F
ay
(s):ăHàmăđặcătrngăay
F
r
(s) và F

(s):ăĐi din cho dự báo chứcănĕngăcủaăngi điu khin
xe cho gia tc bên, tcăđ lchăhớngăvàăgócăquayăvòngătơngăứng.
Môăhìnhăđiu khinăxeăđaăvòngălặp thì quỹ đoăconăđngăxemătrớcăđc liên
kt chặt chẽ với sự cân bằng trng thái củaă xe.ăPhơngăphápă điu chnhăphơngă
trình bc hai tuyn tính, góc lái của bánh xe tiăuăbằng:
     
 
T
sw
kkk

pp
yxK
*

(2.8)
Trongăđó:
P(s)
B(s)

G(s)

H
H
(s)
f(t)
-
+
ɷ
s
w

H
L
(s
F

(s)
F
r
(s)

F
ay
(s)
-
-
-
+
a
y
r



17

K
P
:ăĐ khuchăđiăđiu chnh trngătháiăđầyăđủ.
x(k) : Trng thái của xe.
Môăhìnhăđng di chuynăvàămôăhìnhăđiu khinăxeăđc thu thp các dữ liu
đngăvàăxeăđ điu chnhăphơngătrìnhăbc hai tuynătínhă(LQR)ăphơngăphápănàyă
trình bày mtăconăđng ttănhăhìnhă2.14.

Hình 2.14:ăXeăvàăquỹădoăxemătrớcăconăđngăphíaătrớc.
Điu khinăconăđng (LQR) mô t nhămt b nưoăngi lái xe và to ra góc
lái củaăbánhăxe.ăSauăđó,ăthôngăquaăh thng thầnăkinhăcơ,ăgócăláiătiăuănàyăsẽ điu
khin biăvôălĕngăcủa xe. H thng thầnăkinhăcơăcungăcpăchoăđiu khin bằng cách
kích hotăcơăbắp thích hp. H thngăđiu khin lái xe của mô hình bao gmăđng
lực hc thầnăkinhăcơ,ăđiu khină(LQR)ăvàăcácăđng lực hc của xe.

Road path
y
x
y
p1
y
p2
y
p3
y
pN
ψ
18

2.5ăTngăquanăvăkăthutăláiăxe
2.5.1ăKháiăquátăhăthngăbungăláiăôătô
+ Vôălĕngălái:ăVôălĕngăláiădùngăđ điu khinăhớng chuynăđng của xe ôtô.
V trí củaăvôălĕngăláiătrongăbung lái ph thucăvàoăquyăđnh của miănớc. Khi quy
đnh chiu thun của chuynăđng là bên phiă(ătheoăhớngăđiăcủaămình)ăthìăvôălĕngă

láiă đc b trí bên trái (còn gi là tay lái thun).ă Khiă quyă đnh chiu thun của
chuynăđngălàăbênătráiăthìăvôălĕngăláiăđc b trí  phía bên phi ( còn gi là tay lái
nghch). Trong nghiên cứu này ch giới thiu loiă“Tay lái thun”ătheoăđúngălut
giaoăthôngăđng b của Vit nam.
+ Công tắcăcòiăđin: Công tắcăcòiăđinădùngăđ điu khin còi phát ra âm thanh
báo hiuăchoăngiăvàăphơngătin tham gia giao thông bităcóăxeăôtôăđangăchuyn
đng tới gần. Công tắcăcòiăđinăthngăđc b trí  v trí thun liăchoăngi lái xe
sử dng,ănhă tâmăvôălĕngălái,ăhoặc  gần vành củaăvôălĕngăláiă
+ Công tắcăđèn:ăCông tắcăđènădùngăđ bt hoặc tắt các loiăđènătrênăxeăôtô,ănhă
đènăpha,ăct và các loiăđènăchiu sáng khác. Công tắcăđènăloiăđiu khin bằng tay
đc b trí phía bên trái trên trc lái. Tuỳ theo loiă đènă màă theoătácă điu khin
chúng có sự khácănhau.ăĐiu khinăđẻn pha ct: Vic bt hoặc tắtăđènăpha,ăctăđc
thực hin bằngăcáchăxoayănúmăđiu khin  đầu công tắc.ăNúmăđiu khin có ba nc:
- Ncă“0”ătt c các loiăđèn đu tắt;
- Ncă“1”ăbt btăsángăđènăctă(đènăchiu gần)ăđènăkíchăthớc,ăđènăhu,
đènăchiu sáng bngăđng h.
- Ncă“β”ăBtăsángăđènăphaă(đènăchiu xa) và nhữngăđènăph nu trên.
Điu khinăđènăxinăđng: Khi cầnăthayăđiăhớng chuynăđng hoặc dừng xe
cần gt công tắc v phíaătrớc hoặcăphíaăsauăđ xinăđng sẽ phi hoặc sẽ trái. Khi
gt công tắcăđènăxinăđngăthìăđènăbáoăhiu trên bngăđng h sẽ nhp nháy theo.
Khoáăđinăthng có bn nc:
- Ncă“0”ă(LOCK):ăV trí cắtăđin;
- Ncă“1”(ăACC):ăCpăđin hn ch; v tríăđngăcơăkhôngăhotăđngănhngă
vn cpăđinăchoărađiôăcátăxét,ăbngăđng h, châm thuc.