NGHIÊN cứu và xây DỰNG THUẬT TOÁN mới ổn ĐỊNH GIAO DIỆN HAPTICS TRONG điều KHIỂN từ XA

NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

M CL C
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Xác nhận c a cán bộ hướng dẫn
Lý lịch khoa học ........................................................................................................... i
L i cam đoan ...............................................................................................................ii
Cảm tạ ....................................................................................................................... iii
Tóm tắt ....................................................................................................................... iv
Abstract ....................................................................................................................... v
Mục lục ....................................................................................................................... vi
Danh sách cách chữ viêt tắt ........................................................................................ ix
Danh sách các hình...................................................................................................... x
Danh sách các bảng .................................................................................................. xiv
Ch

ng 1: T NG QUAN ......................................................................................... 1

1.1Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên c u .............................................................. 1
1.2Các nghiên c u ngoài và trong nước ..................................................................... 2
1.2.1 Nghiên c u ngoài nước .................................................................................... 2
1.2.2 Nghiên c u trong nước .................................................................................... 4
1.3Mục đích c a đề tài ................................................................................................ 6
1.4Nhiệm vụ và giới hạn c a đề tài ............................................................................. 6
1.5Phương pháp nghiên c u........................................................................................ 6
Ch

ng 2: C

S

LÝ THUY T ............................................................................. 7

2.1 Cơ s lý thuyết cảm giác xúc giác ........................................................................ 7
2.1.1 Haptics ................................................................................................................ 7
2.1.2 Giao diện haptics và ng dụng ......................................................................... 10
2.2 Giới thiệu hệ thống lái không trục lái (Steer – By – Wire) ................................ 12
2.3 Hệ thống lái thư ng và hệ thống lái không trục lái (SBW) ............................... 14
2.3.1 Hệ thống lái thư ng và hệ thống lái không trục lái.......................................... 14
2.3.2 Mô hình động học c a hệ thống lái không trục lái........................................... 15

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrangvi
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

2.3.3 Cấu trúc điều khi n hệ thống SBW ............................................................... 15
2.3.4 Mô men vô lăng và cảm giác lái .................................................................... 17
2.3.5 Theo dõi góc bánh xe ..................................................................................... 20
2.3.6 Mô men phản hồi hệ thống bánh xe ............................................................... 22
2.3.7 Thuật toán điều khi n hệ thống SBW ............................................................ 24
2.4. Các phương pháp tái tạo cảm giác lái ................................................................ 26
2.4.1

Phương pháp dựa trên mô hình động lực học ............................................... 26

2.4.2

Phương pháp dựa trên bản đồ mô men cảm giác lái ..................................... 27

2.4.3

Phương pháp dựa vào cảm biến mô men ...................................................... 28

2.4.4. Phương pháp dựa trên dòng tín hiệu đo được ............................................... 30
2.5 Giới thiệu các phương pháp điều khi n xe từ xa ................................................ 31
2.6 Động lực học haptics và điều khi n phương tiện từ xa ....................................... 31
2.6.1 Khái quát hệ thống điều khi n phương tiện từ xa ............................................ 31
2.6.2 Động lực học haptics trong điều khi n phương tiện từ xa ............................... 32
2.6.3 Mối quan hệ giữa động lực học haptics và tín hiệu điện tử ............................. 33
2.8 Phần mền LabVIEW ........................................................................................... 35
2.8.1 LabVIEW ......................................................................................................... 35
2.8.2

ng dụng LabVIEW trong thực tế.................................................................. 36

2.8.3 Lập trình với LabVIEW .................................................................................. 38
2.9 Thuật toán điều khi n động cơ DC ................................................................... 39
2.9.1 Phương pháp điều khi n vận tốc động cơ DC ................................................ 39
2.9.2 Thuật toán điều khi n vận tốc ........................................................................ 40
2.9.3 Thuật toán PID và ng dụng vào điều khi n động cơ DC ............................. 42
Ch

ng 3: Đ

XU T THU T TOÁN

TRONG ĐI U KHI N T

N Đ NH GIAO DI N HAPTICS

XA ............................................................................. 51

3.1 Sơ đồ điều khi n hai chiều bằng phương pháp ổn định PO/PC ........................ 51
3.1.1 Các định nghĩa................................................................................................ 51
3.1.2 Bộ quan sát bị động (PO: Passivity Observer) ............................................... 52
3.1.3 Bộ điều khi n bị động (PC: Passivity Controller)........................................... 55

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrangvii
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

3.2 Lý thuyết mạng (Network Theory) ................................................................... 57
3.2.1 Hệ thống đại diện ............................................................................................ 57
3.2.2 Các hệ thống tương tự ..................................................................................... 58
3.2.3 Thuật toán và lập trình hệ thống lái không trục lái điều khi n từ xa. .............. 61
Ch

ng 4: TH C NGHI M VÀ K T QU NGHIÊN C U ............................ 63

4.1 Sơ đồ tổng quan và nguyên lý hoạt động hệ thống thực nghiệm ........................ 63
4.1.1 Sơ đồ tổng quan toàn bộ hệ thống .................................................................... 63
4.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động hệ thống....................................................... 64
4.2 Các trư ng hợp thực nghiệm............................................................................... 65

4.3 Phương tiện thực nghiệm .................................................................................... 65
4.3.1 Giao diện điều khi n và thuật toán ổn định hệ thống lái không trục lái .......... 65
4.3.2 Mô hình xe quân sự đ điều khi n từ xa .......................................................... 70
4.4 Môi trư ng thực nghiệm ..................................................................................... 73
4.5 Thực nghiệm và kết quả ..................................................................................... 73
4.5.1 Điều khi n ổn định hệ thống lái không trục lái bằng phương pháp PO/PC ..... 74
4.5.2 Ki m tra hệ thống trong điều khi n xe từ xa.................................................... 80
CH

NG 5: K T LU N VÀ H

NG PHÁT TRI N ..................................... 85

5.1 Kết luận ............................................................................................................. 85
5.2 Hạn chế .............................................................................................................. 86
5.8 Hướng phát tri n ............................................................................................... 87
TÀI LI U THAM KH O ...................................................................................... 88
PH L C ................................................................................................................. 90

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrangviii
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

DANH SÁCH CÁC CH

VI T T T

SBW :Steer by Wire - Hệ thống lái không trục

ECU : Electronic Control Unit - Bộ điều khi n bằng điện tử
ABS : Anti – lock Brake System- Hệ thống chống hãm (bó) c ng phanh
EPS :Electric Power Steering - Trợ lực lái bằng điện
ACC :Active Cruise Control - Điều khi n hệ thống ga tự động
PID :Proportional Integral Derivative - Tỉ lệ - Tích phân - Đạo hàm
LabVIEW :Laboratory Virtural Instrumentation Engineering Workbench - Phần
mềm lập trình c a công ty National Instruments, Hoa Kỳ
GPS :Global Positioning System - Hệ thống định vị toàn cầu
DBW : Drive by Wire - Dẫn động bằng dây
VCM :Variable Cylinder Management - Ki m soát số xylanh hoạt động
DOF :Degree of Freedom - Bậc tự do
I/O : Input/Output - Tín hiệu đầu vào/ Tín hiệu đầu ra
GUI :Graphical User Interface - Giao diện ngư i dùng đồ họa
HW :Handwheel - Vô lăng
RW

:Roadwheel - Bánh xe

PO

:Passivity Observer - Bộ quan sát bị động

PC

:Passivity Controller - Bộ điều khi n bị động

VE :Virtual Environment - Môi trư ng ảo
HO:Human Operator - Ngư i điều khi n (hoặc Con ngư i)

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrangix

HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Giao diện haptics trong điều khi n ô tô từ xa ..........................................10
Hình 2.2: Sơ đồ ch c năng c a hệ thống Steer – by - Wire .....................................12
Hình 2.3: Hệ thống lái thư ng và hệ thống lái không trục lái ..................................14
Hình 2.4: Mô hình động lực học hệ thông lái không trục lái (SBW) .......................15
Hình 2.5: Sơ đồ khối c a hệ thống SBW .................................................................17
Hình 2.6: Mô hình điều khi n vô lăng ......................................................................18
Hình 2.7: Hệ thống điều khi n vô lăng dựa vào động cơ .........................................19
Hình 2.8: Bi u đồ quan hệ mô men trên vô lăng và góc vô lăng .............................20
Hình 2.9: Sơ đồ hệ thống điều khi n phản hồi bánh xe ...........................................21
Hình 2.10: Sơ đồ tính toán mô men hệ thống bánh xe .............................................23
Hình 2.11: Đồ thị quan hệ mô men tính toán và góc bánh xe ..................................23
Hình 2.12: Sơ đồ điều khi n toàn bộ hệ thống SBW ...............................................24
Hình 2.13: Đồ thị quan hệ góc quay vô lăng lái theo th i gian................................25
Hình 2.14: Các phương pháp điều khi n đặc tính quay vòng thiếu .........................26
Hình 2.15: Bi u đồ điều khi n c a phương pháp bản đồ mô men ...........................27
Hình 2.16: Bi u đồ ki m soát vị trí lực đối với SBW ..............................................28
Hình 2.17: Thiết bị điều khi n từ xa hai cổng c a hệ thống lái không trục lái ........29
Hình 2.18: Sơ đồ kết nối c a cảm biến đo dòng ......................................................30
Hình 2.19: Sơ đồ hệ thống điều khi n xe từ xa có phản hồi hình ảnh và xúc giác ..31
Hình 2.20: Sơ đồ hệ thống điều khi n phương tiện từ xa ........................................31

Hình 2.21: Mô hình động lực học c a thiết bị ch /nô (Nguồn: Theo Jee Hwan Ryu,
bài 5, phần Teleoperation and haptics) .....................................................................32
Hình 2.22: Sơ đồ động lực học haptics trong điều khi n phương tiện từ xa ............33
Hình 2.23: Mô hình chuy n đổi tín hiệu cơ khí thành tín hiệu điện ........................34
Hình 2.24: Sơ đồ điều khi n từ xa với hai cổng kết nối (2- port Networt) ..............34
Hình 2.25: Mô hình giao diện haptics trong điều khi n phương tiện từ xa .............35

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrangx
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

H̀nh 2.26: Các lĩnh vực ng dụng c a LabVIEW ...................................................37
Hình 2.27: Mã nguồn viết bằng LabVIEW ..............................................................38
Hình 2.28: Sơ đồ điện c a động cơ DC ....................................................................39
Hình 2.29: Sơ đồ cấu trúc điều khi n vận tốc đi n hình c a động cơ DC ...............40
Hình 2.30: Sơ đồ điều khi n vận tốc c a động cơ DC .............................................41
Hình 2.31: Cơ cấu cần điều khi n vị trí....................................................................42
Hình 2.32: Sơ đồ điều khi n vị trí c a bộ PID .........................................................43
Hình 2.33: Mô tả giá trị đặt, giá trị đo được và diện tích sai lệch ............................44
Hình 2.34: Phối cảnh kết nối phần c ng điều khi n PID động cơ DC ....................45
Hình 2.35: Sơ đồ mạch điện kết nối phần c ng điều khi n PID động cơ DC .........46
Hình 2.36: Sơ đồ thuật toán điều khi n động cơ DC theo vị trí bằng PID...............47
Hình 2.37: Sơ đồ lập trình P control cho động cơ DC .............................................48
Hình 2.38: Giao diện ngư i dùng điều khi n P cho động cơ DC.............................49
Hình 2.39: Đồ thị đáp ng vị trí c a động cơ DC ....................................................49
Hình 2.40: Sơ đồ điều khi n khâu PI vị trí động cơ DC ..........................................50
Hình 2.41: Sơ đồ điều khi n khâu PID vị trí động cơ DC .......................................50
Hình 3.1: Hệ thống các thành phần c a hệ thống giao diện haptics ........................51

Hình 3.2: Ví dụ hệ thống mạng được kết nối tùy ý ..................................................53
Hình 3.3: Sơ đồ kết nối PC với hệ thống cấu hình một cổng54Hình 3.4: Sơ đồ kết
nối PC với hệ thống cấu hình hai cổng .....................................................................57
Hình 3.5: Hệ thống một cổng ɳ ................................................................................57
Hình 3.6: Lưu đồ chương trình dùng đ lập trình điều khi n ổn đinh hệ thống trong
điều khi n từ xa .........................................................................................................61
Hình 3.7: Thuật toán bên server ...............................................................................62
Hình 3.8: Thuật toán bên client ................................................................................62
Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khi n xe từ xa .........................................63
Hình 4.2: Cấu trúc mô hình hệ thống điều khi n xe từ xa bằng công nghệ haptics64
Hình 4.3: Mô hình cơ khí tái tạo cảm giác lái và ổn định vô lăng ...........................65
Hình 4.4: Bố trí dẫn động trục xoay vô lăng ............................................................66

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrangxi
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

Hình 4.5: Thành phần mạch điều khi n vô lăng.......................................................67
Hình 4.6: Cảm biến dòng điện ACS712 ...................................................................68
Hình 4.7: Sơ đồ chân cảm biến dòng ACS712 .........................................................68
Hình 4.8:Mối liên hệ giữa điện áp và dòng điện trong cảm biến dòng ACS712 .....69
Hình 4.9: Cấu trúc giao diện điều khi n ổn địnhxe từ xa .........................................70
Hình 4.10: Sơ đồ khối tín hiệu điều khi n được gửi về ...........................................70
Hình 4.11: Mô hình xe quân sự có hệ thống lái không trục lái điều khi n từ xa .....71
Hình 4.12: Kêt cấu cơ khí bên trong c a xe quân sự ...............................................72
Hình 4.13: Kết cấu cơ khí hệ thống lái không trục lái .............................................73
Hình 4.14: Các chi tiết trong bộ phận truyền động ..................................................73
Hình 4.15: Mô hình b c tư ng ảo đơn giản đ ki m tra mô phỏng c a PO/PC ......76

Hình 4.16: Mô hình mô phỏng hệ thống haptics hoàn chỉnh và bộ điều khi n bị động77
Hình 4.17: Đư ng đặc trưng sự mô phỏng đối với hệ thống b c tư ng ảo đơn giản ...77
Hình 4.18: Kết quả thí nghiệm: tương tác với môi trư ng ảo (1) ............................78
Hình 4.19: Kết quả thí nghiệm: tương tác với môi trư ng ảo (2) ............................79
Hình 4.20: Dòng i tăng khi đánh lái co ma sát gi ữa các bánh xe dẫn hướng với mặt
đư ng...................................................................................................................................80
Hình 4.21: Đồ thị dòng i theo góc lái khi các bánh xe dẫn hướng tiếp xúc mặt
đư ng và v =0 km/h .................................................................................................81
Hình 4.22: Mô-men phản hôi khi các bánh dẫn hướng tiêp xuc mă ̣t đư ng và V= 0
km/h .....................................................................................................................................81
Hình 4.23: Mô hình khối truyền Wifi......................................................................82
Hình 4.24: Lưu đồ tính th i gian tr trên hê ̣ thông lai gián tiếp từ xa .....................82
Hình 4.25: Chương trình đo th i gian tr .................................................................83
Hình 5.1: Kết quả thí nghiệm: tương tác với môi trư ng ảo (độ c ng k = 4.2 kN/m).
khi không có PO/PC ..................................................................................................85
Hình 5.2: Kết quả thí nghiệm: tương tác với môi trư ng ảo (độ c ng k = 4.2 kN/m).
khi có PO/PC .............................................................................................................86

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrangxii
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

DANH SÁCH CÁC B NG
B NG

TRANG

B ng 2.1: Các dạng cảm nhận về trạng thái vật th . .................................................. 8

B ng 2.2: Các ng dụng công nghệ haptics ............................................................. 11
B ng 3.1:Các cặp tương tự điện – cơ khí. ................................................................ 59
B ng 3.2: Sự kết nối cặp tương tự điện – cơ khí ...................................................... 60
B ng 4.1: Bảng các trư ng hợp thực nghiệm ........................................................... 65
B ng 4.2: Các thông số kỹ thuật mô hình ................................................................ 66
B ng 4.3: Các tính năng c a hệ thống dẫn động mô hình ........................................ 67
B ng 4.4: Chi tiết mạch điện điều khi n vô lăng ..................................................... 67
B ng 4.5: Đặc tính kỹ thuật c a mô hình xe quân sự (Nguồn: Đề tài c a Nguy n
Như Xuân Phúc) ........................................................................................................71
B ng 4.6: Các tính năng làm việc c a các chi tiết trong hệ thống lái không trục lái........ 74
B ng 4.7: Các thông số dùng trong mô phỏng .........................................................74
B ng 5.1: So sánh với các công trình trước đó .........................................................85

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrangxiii
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

Ch

ng 1

T NG QUAN
1.1 T ng quan chung v lĩnh v c nghiên c u
Ngày nay công nghệ thông tin và kỹ thuật phần mềm phát tri n mạnh mẽ. Những
thành tựu mới trong lĩnh vực đã giúp cho ô tô ngày càng tr nên thông minh hơn.
Trong đó X – By – Wire (SBW) là công nghệ điều khi n điện tử ng dụng trên ô tô
đã và đang được quan tâm. Hiện nay X – By – Wire đang là xu hướng c a ô tô
tương lai vì chúng có nhiều ưu đi m so với các hệ thống lái truyền thống. Ví dụ:

Đối với hệ thống ga, như chúng ta đã biết trong hệ thống ga truyền thống thì ngư i
lái tác động lên bàn đạp ga thông qua dây cáp đ dẫn động bướm ga. Còn ngày nay
với sự phát tri n c a công nghệ X – By – Wire thì điều khi n ga bằng điện tử
(Throttle – By – Wire) sẽ thay thế các liên kết cơ khí bằng các cảm biến và bướm ga
sẽ được điều khi n b i một động cơ điện thông qua bộ điều khi n bằng điện (ECU).
Điều này cho phép loại bỏ dây cáp nối chân ga tới bướm ga. Tương tự như vậy, đối
với hệ thống lái, trong hệ thống lái thư ng thì ngư i lái tác động vào vô lăng một
góc lái nhất định, góc lái này được truyền qua trục lái tới cơ cấu lái (ví dụ: cơ cấu
thanh răng – bánh răng) rồi làm xoay các bánh xe. Còn bây gi đối với hệ thống lái
không trục lái (Steer – By –Wire) thì ngư i lái xoay vô lăng rồi nh các cảm biến
phát hiện góc quay c a vô lăng, sau đó cảm biến g i tín hiệu đến bộ điều khi n
bằng điện (ECU), ECU sẽ điều khi n động cơ điện xoay bánh xe chuy n động theo
góc quay c a vô lăng. Điều này cho phép các kỹ sư thiết kế bỏ đi trục lái đã tạo một
không gian rộng và linh hoạt trong việc bố trí các hệ thống và cơ cấu trên xe [4]. Do
không còn trục lái trong hệ thống lái Steer – By – Wire nên ngư i lái mất cảm giác
lái. Điều này gây mất an toàn khi điều khi n xe [4]. Vì vậy, trong hệ thống lái
không trục lái thì vô lăng được lắp đặt động cơ điện đ tạo cảm giác lái. Và thuật
toán tái tạo cảm giác lái xác thực cho Steer – By –Wire là một trong những hướng
nghiên c u mới đang được nhiều nhà khoa học và phòng thí nghiệm quan tâm.

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang1
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

Hệ thống lái không trục lái (SBW) có nhiều ưu đi m như: làm cho không gian
cabin rộng hơn, tự do trong thiết kế nội thất, không có sự rò rĩ dầu, ít xảy ra tai
nạn… Bên cạnh những ưu đi m đó SBW cũng có những nhược đi m và khó khăn
như: thiếu cảm giác lái thực tế, vì cảm giác này là một tập hợp những ảnh hư ng tác

động từ mặt đư ng, ma sát giữa các khớp cơ khí c a hệ thống lái trước đây được
truyền đến ngư i lái xe thông qua trục lái. Tuy nhiên, việc gỡ bỏ trục lái trong Steer
– By – Wire đã tạo nên sự mất cảm giác lái. Sự mất cảm giác này dẫn đến mất an
toàn khi điều khi n xe. Tuy nhiên, đ hiện thực hóa được SBW cho ô tô hiện đại thì
phải tạo được cảm giác lái xác thực, cảm giác lái này giống như cảm giác lái trong
hệ thống lái thông thư ng, nhằm giúp ngư i lái không bị bất ng và không khó
khăn khi điều khi n. Đ tái tạo được cảm giác lái thực tế thì có nhiều phương pháp
tham khảo trong các bài báo [4, 6].
Nhìn chung, các nhà khoa học đã khẳng định đ tạo ra được cảm giác lái xác
thực là một điều rất khó khăn. Khi thí nghiệm SBW trong phòng thí nghiệm, hoặc
khi chế tạo các mô hình c a hệ thống lái thì có yêu cầu rất cao như: vi điều khi n
phải có công suất lớn, hoặc phải bỏ chi phí đắt đỏ cho các cảm biến lực, v.v…thông
tin chi tiết điều này có th xem trong [4], [5], [7]v.v. Gần đây, Jee – Hwan Ryu và
Ba Hai – Nguyen đã đề xuất một giải pháp mới với giá thành thấp là: tái tạo cảm
giác lái dựa trên dòng đo được từ các IC dòng giá rẻ. Tuy nhiên, qua kết quả thực
nghiệm trong suốt 5 năm nghiên c u và thí nghiệm trên mô hình thực, phương pháp
đo dòng còn một vấn đề đặt ra cần giải quyết hoàn thiện phương pháp trên là: Sự
mất ổn định c a hệ thống lái không trục lái (SBW). Vì vậy, tôi đã chọn đề tài “
Nghiên cứu và xây dựng thuật toán mới ổn định giao diện ểaptỄcs trong đỄều khi n
từ xa ” đ thực hiện đề tài cao học.
1.2 Các nghiên c u ngoƠi vƠ trong n

c

1.2.1 Nghiên c u ngoƠi nu c
- Với đề tài: ĐỄêu kểỄển ểê ̣ tểông laỄ băng dây trên ô tô c a Yixin Yao [9]tại hội
nghị SAE International 2006 đã nghiên c u kết cấu chung c a cac hê ̣ thông lai băng
dây va đê ra phương phap khăc phu ̣c lỗi hê ̣ thông lai không tr ục lái dây băng cach
thiêt kê thêm mô ̣t đô ̣ng cơ điêu khiể n cơ câu lai banh xe . Đề tài này đã nghiên cưu

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang2
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

cách th c đồng bộ bánh xe và hướng điều khi n , các yếu tố ảnh hư ng cảm giác lái
gồm: vâ ̣n tôc , điêu kiê ̣n mă ̣t đương , đô ̣ng lực ho ̣ c của xe , điêu khiể n hôi vê vi tri
̣
giữa của vô lăng khi ngươi điêu khiể n thả tự do tay lai . Khi vô lăng ở tra ̣ng thai tự
do thi mô ̣t mô -men chủ đô ̣ng sẽ hôi vi ̣vô lăng vê vi ̣tri trung tâm đươ ̣c sinh ra va
kêt quả la cơ câu điêu khiể n banh xe cũng đươ ̣c trả vê vi ̣tri trung tâm . Đồng th i đề
tài cũng đã nghiên cưu tỷ sô truyên thay đổ i phu ̣ thuô ̣c vao vâ ̣n tôc xe . Khi vâ ̣n tôc
càng lớn thì t̉ số truyền lái càng tăng đảm bảo khả năng đáp ng nhanh kh

i ở tôc

đô ̣ cao. Đề tài này còn đưa ra được các kêt quả so sanh giữa xe ap du ̣ng hê ̣ thông lai
băng dây va hê ̣ thông lai thương.
- Tên đê tai: NgểỄên cưu tạo cảm gỄac laỄ trên ểê ̣ tểông laỄ băng dây gỄông nểư laỄ
trợ lực c a Dirk Odenthal, Tilman Bunte, Heinz-Dieter Heitzer va Christoph Eicker ở
trung tâm không gian vũ tru ̣ Đưc, 2002 đã thiêt kê được hê ̣ thông điêu khiể n SBW co
chưc năng giông như hê ̣ thông lái thương . Đê tai nay cũng đã trinh bay vê tỷ sô
truyên trong hê ̣ thông lai băng dây, sự ổ n đinh
̣ hê ̣ thông lai va giao diê ̣n haptics điêu
khiể n phản hôi thông tin mă ̣t đương . Đồng th i trong đề tài cũng đã so sanh cac hê ̣
thông trơ ̣ lực băng điê ̣n va th y lực , tư đo đê ra phương pháp áp dụng trên hệ thống
SBW. Tư đó các tac giả cũng đã đê xuât cac phương phap điêu khiể n phản hôi thông
tin cảm giac xuc giac thông qua cơ câu điêu khiể n cổ ng chủ va cổ ng nô.
- Tên đề tài: Fusion of Redundant, Informationin Brake-By-Wire Systems Using a

Fuzzy Voter do Reza Hoseinnezhad Alirezabab-hadiashar đã đề xuất thuật toán thông
minh Fuzzy đ dự đoán khả năng hư hỏng c a các cảm biến trong hệ thống phanh
gián tiếp. Trong đề tài này tác giả đã giới thiệu một phương pháp mới về sự hợp nhất
thông tin cảm giác khả năng chẩn đoán các hưhỏng trong hệ thống tập trung trên hệ
thống phanh gián tiếp. Áp dụng phương pháp hợp nhất các dữ liệu hư hỏng b i hai
cảm biến lực và một cảm biến chuy n động trong hệ thống phanh gián tiếp bàn đạp
phanh. Đồng th i tác giả cũng đã đề xuất phương pháp phát hiện lỗi.
- Tên đề tài: Program-level Soft Error Derating in a Brake-by-Wire System, do
Daniel Skarin và Johan Karlsson công bố đã nêu ra những giải pháp đánh giá lỗi
c a hệ thống phanh gián tiếp. Bài báo này cũng đưa ra các giải pháp đánh giá lỗi
trong các hệ thống xe. Hiện tại hệ thốngđiện tửôtô được sử dụngđ hỗ trợcáchệ

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang3
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

thống như: hệ thốngbó c ng phanh(ABS), hệ thống lái ổn định bằng điện tử(ESP),
điều khi nhành trìnhthích

ng(ACC). Trong tương lai hệ thốngđiện tử sẽnâng

caohoạt độngan toànc a các hệ thống như:(ví dụ như giảm thi u sự va chạm):
phanh gián tiếp, lái từ xa…
- Trong đê tai : T o c m giác lái xác thực dựa trên c m biến dòng c a TS.
Nguy n Bá Hải – Giáo sư Jee Hwan Ryu [8], các tác giả đã nghiên cưu v ề tạo cảm
giác lái bằng phương pháp đo dòng và so sánh với các phương pháp tạo cảm giác
khác. Các giả đã đê xuât ra cac công thưc phản hôi cảm giac lên ngươi điêu khiể n .
Đê tai đã hiể n thi ̣kêt quả thực nghiê ̣m cho viê ̣c ta ̣o cảm giac lai bao gôm cac đô

thị như: đap ưng goc lai va goc banh xe , không tiêp xuc mă ̣t đương và co tiêp xuc
mă ̣t đương, ảnh hư ng c a mô-men trơ ̣ lực…
1.2.2 Nghiên c u trong nu c
- Ths. Lê Thanh Phong và TS. Nguy n Bá Hải đã hoàn thành đề tài “ĐỄều khi n
xe ba bánh từ xa có ph n hồi c m giác lái” trong đề tài đã cung cấp cảm giác lái
thông qua vô lăng nhưng cảm giác lái còn chưa xác thực.
- Luâ ̣n văn tha ̣c si ̃ : “NgểỄên cưu va cểê tạo ểê ̣ tểôn g laỄ kểông tr ục lái” của Trân
Văn Lơ ̣i, Đa ̣i Ho ̣c GTVT Ha Nô ̣i - Cơ Sở 2 đã thực hiê ̣n đươ ̣c viê ̣c điêu khiể n vi ̣tri
hê ̣ thông lai băng dây. Đồng th i đề tài có những hạn chế là viê ̣c ta ̣o cảm giac lai va
đanh gia kêt quả chưa hoan thiện.
- Đồ án tốt nghiệp : NgểỄên cưu tểỄêt kê gỄao dỄê ̣n ểaptỄcs đỄêu kểỄển xe ôtô tư
xaqua mạng wỄfỄ c a Nguy n Thành Tuyên và Lê Thiện Tịnh

, Đa ̣i Ho ̣c SPKT

TP.HCM, 2011 trong đê tai đã mô tả cach thưc ta ̣o cảm giac lai thông qua đ

iêu

khiể n xe tư xa , nghiên cưu thuâ ̣t toan PID điêu khiể n cảm giac lai cho giao diê ̣n
haptics và thực hiê ̣n phương phap truyên nhâ ̣n dữ liê ̣u thông qua ma ̣ng nô ̣i bô ̣
Nhưng mặt hạn chế c a đê tai la chưa ta ̣o ra cảm giac lái xac thực

.

và chưa điều

khiể n thông qua các ma ̣ng khac được.
- Đồ án tốt nghiệp : “Nghiên cứu nể ểưởng của c m gỄác xúc gỄác trong đỄều
khi n ô tô” c a Diệp Văn Hiếu và Hoàng Văn Tư ng, ĐHSPKT TpHCM, 2012 đã

miêu tả được cảm giác lái bằng phương pháp đo dòng điện, lập trình được sự đồng

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang4
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

bộ giữa mô hình vô lăng và mô hình cơ cấu lái. Đồng th i cũng xây dựng và điều
khi n được mô hình ảo hệ thống lái 3D. Nhưng trong đề tài còn có hạn chế là sự ổn
định vô lăng khi hồi về vị trí ban đầu sau khi quay vòng.
- Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu và phát tri n hệ thống chuy n số gián tiếp phục
vụ đỄều khi n ô tô từ xa” c a Nguy n Thanh Minh, ĐHSPKT TpHCM, 2012. Đề tài
đã thiết kế được hệ thống ga gián tiếp từ xa thông qua mạng 3G và ng dụng mô
hình xe đ điều khi n ga điện tử gián tiếp nhằm phục vụ trong phòng thí nghiệm.
Đồng th i đo được th i gian tr và th i gian tăng tốc c a hệ thống ga điều khi n
gián tiếp thông qua mạng 3G. Nhưng đề tài còn các mặt hạn chế là: kết cấu cơ khí
c a mô hình vẫn chưa đạt được tính thẩm mỹ cao, chưa lập trình được chế độ dự
phòng khi có sự cố và chỉ mới ng dụng trong phòng thí nghiệm.
- Luận văn thạc sĩ “ Nghiên cứu và phát tri n hệ thống ga gián tiếp bằng đỄện tử
phục vụ đỄều khi n ô tô từ xa” c a Trần Xuân Trình, ĐHSPKT TpHCM, 2012, đề
tài cũng đã thiết kế và điều khi n được hệ thống ga gián tiếp từ xa thông qua mạng
3G. Qua đó đã vẽ được đồ thị đáp ng c a hệ thống ga gián tiếp và hệ thống ga gián
tiếp từ xa. Đồng th i đề tài này đã đo được th i gian tr c a hệ thống ga gián tiếp từ
xa qua thiết bị 3G. Cũng như những đề tài khác, thì đề tài này còn những mặt hạn
chế là th i gian truyền thông qua mạng vẫn còn bị tr nên không có cảm giác điều
khi n ga như mong muốn, chưa lập trình được chế độ dự phòng trong trư ng hợp
mất tín hiệu điều khi n hay bị nhi u sóng và chưa có độ an toàn cao.
- Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu và phát tri n hệ thống lái không trục lái phục vụ
đỄều khi n xe quân sự từ xa” c a Nguy n Như Xuân Phúc[2], ĐHSPKT TpHCM,

2012. Đề tài đã thiết kế và điều khi n được hệ thống lái SBW cho xe quân sự qua
mạng wifi. Đồng th i đề tài cũng đã tái tạo được cảm giác lái xác thực trên vô lăng,
xác định được sự đáp ng c a vô lăng và cơ cấu lái thông qua điều khi n từ xa.
Trong đề tài này tác giả cũng đã đo được th i gian tr c a việc điều khi n hệ thống
lái SBW từ xa thông qua sóng wifi và đánh giá được kết quả thực nghiệm khi điều
khi n hệ thống lái SBW trên xe thực.
- Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu ổn định hệ thống lái không trục lái t i vị trí giới
h n quay vòng của vànể tay láỄ”c a Đỗ Xuân Hợp[3], ĐHSPKT TPHCM,2013. Đề

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang5
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

tài thiết kế mô hình giao diện haptics vô lăng lái và đề suất thuật toán toán ổn định
hệ thống lái không trục lái tại vị trí quay vòng c a vành tay lái. Trong đề tài này tác
giả cũng đã đưa ra thuật toán điều khi n ổn vị trí giới hạn vành tay lái nhưng độ ổn
định chưa cao và chưa tận dụng hết thuật toán PO/PC chỉ
giản chỉ dùng

m c độ nghiên c u đơn

giới hạn vành tay lái.

1.3 M c đích c a đ tài
- Mục đích đề tài là Nghiên cứu và xây dựng thuật toán mới ổn định giao diện
haptỄcs trong đỄều khi n từ xa, giúp ngư i điều khi n được thuận lợi và an toàn khi
lái xe.
- Trong đề tài sử dụng lý thuyết về cảm giác lái c a ngư i lái và viết chương

trình tính toán nhằm tái tạo cảm giác lái cho hệ thống lái không trục lái, kết hợp mô
hình hệ thống lái không trục lái đ thí nghiệm sự ổn định hệ thống lái không trục lái
trong điều khi n từ xa.
1.4 Nhi m v và gi i h n c a đ tài
- Đề tài nghiên c u sẽ thực hiện trên mô hình hệ thống lái không trục lái, từ đó
thí nghiệm sự ổn định c a hệ thống lái không trục lái trong điều khi n từ xa.
- Trong đề tài sẽ sử dụng phần mềm LabVIEW đ mô phỏng, khảo sát đặc tính
c a hệ thống lái thư ng, sau đó tiến hành nghiên c u hệ thống lái không trục lái đ
thí nghiệm sự ổn định hệ thống lái SBW trong điều khi n từ xa.
- Thực nghiệm các thuật toán trên mô hình vô lăng hệ thống lái không trục lái.
- Thực nghiệm trên mô hình thật.
1.5 Ph

ng pháp nghiên c u

- Phân tích dữ liệu từ các công trình nghiên c u trong và ngoài nước.
- Khảo sát đặc tính c a hệ thống lái thư ng, tiến hành nghiên c u hệ thống lái
không trục lái.
- Thí nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm.
- Hiệu chỉnh sau thực nghiệm đ tìm được các yếu tố cần thiết và quan trọng,
nhằm ổn định hệ thống lái không trục lái trong điều khi n từ xa.

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang6
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

Ch
C

S

ng 2

LÝ THUY T

2.1 C s lý thuy t c m giác xúc giác
2.1.1 Haptics
Haptics:/'hap-tiks/ xuất hiện vào thập k̉ 90 c a thế k̉ 19 là một từ gốc Hy lạp
“Haptesthai” đ chỉ cảm giác xúc giác (sense of touch).Haptics bao gồm cảm giác
lực tác động (c ng, mềm), cảm giác về bề mặt (thô, nhám, sắc, trơn, v.v.) cảm giác
về chuy n động mà con ngư i có th cảm nhận thông qua tiếp xúc, cầm, nắm,
s ,v.v.( xem B ng 2.1).
Công nghệ haptics là công nghệ tái tạo lại các cảm giác xúc giác toàn bộ hay
một phần cảm giác xúc giác c a con ngư i khi tiếp xúc với thiết bị. Công nghệ
haptics ch yếu mang lại 2 loại cảm giác tiếp xúc:
- Cảm giác về lực (force feedback) mang lại cho con ngư i cảm giác về lực
tác động, nhằm tái tạo sự hiện diện c a sự vật thông qua lực tác động c a nó với tư
cách đối tượng trong thế giới ảo với con ngư i.
- Cảm giác xúc giác (tactile) mang lại các cảm giác chi tiết hơn về bề mặt c a
vật, tái tạo các đặc tính thô, nhám, trơn, v.v.
Trên thực tế không có sự khác biệt rõ ràng trong cách phân loại này, nhưng sự
khác biệt chỉ nằm

cách thực thi chúng. Cảm giác lực thông thư ng được thực hiện

thông qua việc điều khi n một cơ cấu chấp hành sẽ tái tạo cảm giác về lực qua tác
động với con ngư i. Cơ cấu chấp hành có th bao gồm các động cơ điện, động cơ
khí nén,v.v. Cảm giác xúc giác thông thư ng được tạo ra b i một trư ng tĩnh điện.

Bằng cách sử dụng một lớp ph trên bề mặt thiết bị cho phép gửi các khích thích
nhẹ lên đầu ngón tay, làm cho ngư i dùng cảm giác được các thao tác, cảm nhận
được các bề mặt đối tượng. Một trư ng điện từ áp dụng lên bề mặt đối tượng (màn
hình, v.v.), tương tác với tải trọng tự nhiên trên đầu ngón tay. Hai lực điện cùng dấu
đẩy nhau, hai lực điện trái dấu hút nhau. Bằng cách điều biến trư ng điện tại từng
pixel, chúng ta có th tái tạo xúc giác một cách chính xác.

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang7
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

B ng 2.1: Các dạng cảm nhận về trạng thái vật th
TT

Dạng cảm nhận về trạng thái vật th

Hình minh họa

Cảm giác về trọng lựchay cảm giác vật th nặng,
nhẹkhi con ngư i khuân vác, xách mang,chống đỡ
vật th . Lực tương tác giữa vật th với con ngư i tính
b i công th c:
1

P
F = P + FA

Trong đó:

F là lực tương tác giữa ngư i với vật th
P là trọng lượng c a vật th
FA là lực đẩy Archimedes
Cảm giác về áp suất hay cảm giác độ c ng, mềm c a
vật th phụ thuộc vào đặc tính đàn hồi c a vật. Lực
tác dụng lên ngư i khi ấn, bẻ, bóp, véo,tựa vào vật
th có th được xác định gần đúng theo định luật
Hooke:

2

Trong đó:

ứF

F = −kx

F là lực đàn hồi
k là hệ số đàn hồi
x là độ biến dạng
Định luật này chính xác với những vật th có hình
dạng lò xo đơn giản. Với những vật th

như

miếng cao su hay chất dẻo thì sự phụ thuộc giữa lực
đàn hồi vào biến dạng sẽ rất ph c tạp.
Cảm giác về s c bén c a đư ng biên hay cảm giác về
3

độ góc cạnh c a vật th khi cơ th ngư i tiếp xúc (s ,
chạm, v.v.) với đư ng biên vật th . Nó phụ thuộc vào
hình dạng bề cạnh c a vật.

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang8
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN

FA


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

Cảm giác về chuy n động ngang hay cảm giác về độ
thô nhám, nhẵn mịn bề mặt c a vật th . Cảm giác này
gây ra do sự ma sát giữa cơ th ngư i với vật th .
Lực ma sát có th được tính xấp xỉ theo công th c:
4

Trong đó:

Fms = μF0

Fms là lực ma sát gây ra cảm giác chuy n
động ngang
μ là hệ số ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc

F0 là lực tác dụng lên bề mặt vật th

Cảm giác về đư ng biên th tích hay cảm giác về
kích thước, th tích c a vật th . Cảm giác này có

5

được thông qua sự cầm, nắm hoặc s , chạm toàn bộ
bề mặt bên trong, bên ngoài c a vật th . Từ đó, con
ngư i có th nhận biết được hình dạng, kích thước,
th tích c a vật.
Cảm giác về nhiệt độ hay cảm giác sự nóng, lạnh c a
vật th .Cảm giác này sinh ra khi con ngư i s , chạm

6

hoặc tương tác

cự ly gần với vật th . Cảm giác vật

th nóng hay lạnh là giá trị chênh lệch nhiệt độ giữa
cơ th ngư i với nhiệt độ vật th .

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang9
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN

Fms


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

2.1.2 Giao di n haptics và ng d ng
Giao diện haptics là những hệ cơ điện tử cho phép con ngư i cảm nhận được
các đặc tính vật lý c a đối tượng hay vật th trong môi trư ng ảo hoặc môi trư ng
cách xa vị trí c a ngư i tương tác đối tượng.

Giao diện haptics

Vô lăng

Hình 2.1: Giao diện haptics trong điều khi n ô tô từ xa
Thiết bị haptics đem đến cho ngư i sử dụng những cảm giác khi s hoặc cầm
nắm, như cảm giác về lực, về sự rung động, về sự mềm mại hay khô c ng c a
vậtliệu, về sự nóng hay lạnh c a môi trư ng, về hình ảnh và âm thanh, v.v. Thiết bị
haptics có th giao tiếp với máy tính và các thiết bị khác đ cung cấp thông tin về vị
trí và lực.
Công nghệ haptics cũng như những giao diện haptics c a nó có nhiều ng dụng
nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm các hệ thống hỗ trợ b i máy tính, tự động
khám phá và giám sát các môi trư ng độc hại hoặc nơi mà con ngư i khó có th đặt
chân tới. Đồng th i, ng dụng phổ biến trong hệ tay máy hoặc robot có kích thước
micro/nano, lĩnh vực công nghệ ô tô, giáo dục, y họcvà nhiều lĩnh vực khác. (xem
B ng 2.2)

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang10
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

B ng 2.2: Các ng dụng công nghệ haptics
TT

1

Lĩnh vực

Khả năng ng dụng

Công

Hệ thống lái không

nghệ ô tô

Hình ảnh minh họa

trục lái (SBW)
(Nguồn: Theo Nguy n Bái Hải, Jee
Hwan Ryu, IFOST 2009)
Hệ thống phản hồi

2

Robotics

cảm giác và phản
hồi thông tin có tự
(Nguồn:Theo />
ch

sponsored-article-haptics)
Hàng
3

không vũ

trụ

Robot

khám

phá,

khảo sát hành tinh
sao hỏa, mặt trăng.
(Nguồn: Theo marsrover.nasa.gov)

Hệ thống đào tạo
4

Giáo dục

thực hành lái xe ô tô,
xe nâng, xe cẩu, v.v.
(Nguồn: Theo www.5dt.com)

5

Y học

Hệ thống thiết bị
phẫu thuật Da Vinci
(Nguồn: Theo )

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang11

HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

2.2. Gi i thi u h th ng lái không tr c lái (Steer ậ By ậ Wire)
Hệ thống lái không trục lái (SBW) là một phiên bản mới c a hệ thống lái trên ô
tô. Với hệ thống lái được cải tiến như SBW, kết nối cơ khí giữa vô lăng và các bánh
xe bị loại bỏ, như hình 1. Trong cấu trúc này, lực bánh xe được nhận biết dùng đ
điều khi n vô lăng nhằm cung cấp mô men cho ngư i lái. Tương tự như vậy, vị trí
vô lăng được dùng đ điều khi n hệ thống RW đ di chuy n các bánh xe đến vị trí
mong muốn. Như vậy, hệ thống ki m soát hai vòng khép kín là: vòng lặp thông tin
phản hồi lực vô lăng và vòng lặp thông tin phản hồi vị trí RW. Các tín hiệu điều
khi n cho hai vòng lặp đi qua và được sửa đổi trong bộ điều khi n chính (Master
Controller).Trong hệ thống lái SBW, góc lái xoay b i tay ngư i lái được truyền tới
bánh xe (road wheelđược ký hiệu là RW) thông qua thiết bị điện tử (cảm biến, cơ
cấu chấp hành, ECU) trong khi đó, tín hiệu này được truyền qua cơ cấu cơ khí hoặc
các liên kết th y lực trong hệ thống lái thông thư ng.

Hình 2.2: Sơ đồ ch c năng c a hệ thống Steer – by – Wire
Nh không có kết nối cơ khí giữa vô lăng (HW: handwheel) và 2 bánh xe (RW),
hệ thống SBW có các ưu đi m như: không gian trong cabin rộng hơn, loại bỏ được
các liên kết th y lực… Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược đi m như: thiếu cảm
giác lái thực (cảm giác lái được mong đợi giống như cảm giác lái c a hệ thống lái
thư ng), SBW hoạt động dựa vàotín hiệu c a các thiết bị điện tử nên dẫn tới sự mất
an toàn c a hệ thống so với hệ thống cơ khí [7], [8].Hai đặc tính quan trọng đó là

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang12
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN

NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

cảm giác lái và sự phản hồi c a hệ thống lái. Một đặc tính thêm vào c a hệ thống lái
được gọi là “Free control”. Free control” là trạng thái HW được ngư i lái xoay
một góc nào đó, rồi sau đó ngư i lái buông tay ra khỏi HW một cách đột ngột, được
gọi là trạng thái HW tự do (Free Control). Như chúng ta đã biết, đối với hệ thống
lái truyền thống thì khi ngư i lái buông tay đột ngột ra khỏi vô lăng thì vô lăng tự
xoay trả về vị trí cân bằng nh lực chuy n động thẳng c a hệ thống lái. Điều này
giúp giữ cho xe chuy n động thẳng, còn đối với SBW thì vô lăng không tự trả về vị
trí cân bằng giống như hệ thống lái thư ng được hoặc tr về nhưng mất an toàn.
Đây cũng là một vấn đề cần quan tâm đối với SBW. Như vậy, thách th c khi thiết
kế SBW là làm thế nào đ cho ngư i lái có được cảm giác lái giống như khi điều
khi n hệ thống lái thông thư ng và làm sao đ vô lăng tự trả về vị trí cân bằng
giống như hệ thống lái thông thư ng một cách an toàn.
Trong hệ thống lái thư ng, cảm giác lái được truyền tới ngư i lái không chỉ bao
gồm mô men quán tính, mô men cản

các khớp mà còn cả mô men giữ cho xe

chuy n động thẳng.Hơn nữa, việc giữ cho xe chuy n động thẳng cũng bị ảnh hư ng
b i đặc tính c a lốp xe, điều kiện mặt đư ng, tốc độ xe…Khác với hệ thống lái
thư ng, cảm giác lái hệ thống SBW được tạo ra b i cơ cấu chấp hành HW. Đ tạo
ra cảm giác lái thực tham khảo [4, 7, 10, 11]. Đ giải quyết điều này, có một số
nghiên c u và chúng có th phân loại thành ba phương pháp như sau: th nhất là
dựa trên mô hình động lực học, th hai là dựa trên bản đồ mô men cảm giác lái và
cuối cùng là dựa trên cảm biến mô men. Trong phương pháp dựa trên mô hình động
lực học, cảm giác lái có th thu được từ mô hình động học bằng cách dùng một thiết
bị quan sát.
Trong phương pháp dựa trên bản đồ mô men, vòng lặp ki m soát lực có bản đồ

mô men được xử lý đ điều chỉnh thông tin lực phản hồi. Bản đồ mô men này được
điều chỉnh b i sự kết hợp với một số tín hiệu như tốc độ xe, góc quay HW. Các chi
tiết này cóth xem

[12]. [14], [15], v.v. Trong phương pháp dựa trên cảm biến mô

men, cảm giác lái được tái tạo dựa trên tín hiệu mô men đo được từ thanh răng c a
hệ thống lái. Tín hiệu mô men thu được từ cảm biến mô men. Các chi tiết này có th
xem

[8], [10], v.v.

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang13
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

2.3. H th ng lái th
2.3.1 H th ng lái th

ng và h th ng lái không tr c lái (SBW)
ng và h th ng lái không tr c lái

Trong hệ thống lái thư ng như hình 2.3(a), ngư i lái quay vô lăng lúc này lực lái
truyền qua trục trung gian, trục này được kết nối tới thanh răng và bánh xe (RW).
Do đó, góc bánh xe được đồng hóa với sự quay vô lăng. Bơm th y lực được dùng
đ giảm lực lái cho ngư i điều khi n trong khi lái.

Hình 2.3:Hệ thống láỄ tểường (a) và hệ thống lái không trục lái (b)

Trong hệ thống lái không trục lái hình 2.3(b), một số cảm biến vị trí và cơ cấu
chấp hành được dùng đ thay thế trục trung gian và bơm th y lực. Sự chuy n động
c a vô lăng được giám sát b i bộ mã hóa (encoder) và gửi đến bộ điều khi n. Bộ
điều khi n đưa ra tín hiệu đ điều khi n bánh xe (RW) xoay theo chuy n động c a
vô lăng (HW). Cơ cấu chấp hành tại vô lăng được dùng đ tái tạo cảm giác lái.
Đ hệ thống lái không trục lái giống hệ thống lái thư ng, thì một vài yêu cầu phải
được thỏa mãn như: sự sao chép vị trí là ch c năng cơ bản đi n hình c a hệ thống
lái. Điều này đảm bảo RW sao chép chính xác chuy n động c a HW theo một t̉ lệ
phụ thuộc vào t̉ số truyền lái. Thông tin phản hồi thực tế, chính nh thông tin phản
hồi này làm cho hệ thống lái không trục lái có cảm giác lái như hệ thống lái truyền
thống. Đây là một trong những vấn đề khó khăn nhất khi tiến hành làm hệ thống lái
không trục lái (SBW). Điều khi n tự do, trong đó đề cập đến độ nhạy c a vô lăng

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang14
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

(HW) sau khi ngư i lái buông tay ra khỏi vô lăng một cách đột ngột, đây cũng là
một vấn đề cần được giải quyết đối với hệ thống lái không trục lái.
2.3.2 Mô h̀nh đ ng h c c a h th ng lái không tr c lái
Hệ thống lái không trục lái SBW gồm 2 phần: HW và RW được chỉ trong
hình 2.4 Mô hình động học c a HW được miêu tả trong phương trình (2.1).
�h

hw

�hwact
�rwact

rw

Jh �fh

bh

Hình 2.4: Mô hình động học c a hệ thống lái không trục lái (SBW)
Trong đó:

Jhvà bh là hệ số quán tính và hệ số chóng rung c a HW

�fh là mô men ma sát tại HW;

hw:

góc xoay HW

�h: là mô men ch động do ngư i lái tác động lên HW;
Jh

+

�hwact là mô men được tạo ra b i mô tơ HW
+�

+� =�

(2.1)

Mô hình động học c a RW được mô tả trong phương trình (2).
Trong đó:

Jh và bh là hệ số quán tính và hệ số chóng rung c a RW;

�fhlà mô men ma sát tại HW;

rw

là góc RW;

�alà mô men giữ cho xe chuy n động thẳng nh góc caster và kingpin. Mô

men �a chỉ xuất hiện khi có sự tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đư ng.
Jh

�hwact là mô men được tạo ra b i mô tơ RW
+

+�

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang15
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN

+� =�

(2.2)


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa

2.3.3 C u trúc đi u khi n h th ng SBW
Hình 2.5 cho thấy sơ đồ c a một hệ thống SBW[7]. Hệ thống SBW bao gồm: cơ
cấu vô lăng và cơ cấu bánh xe. Cơ cấu vô lăng và cơ cấu bánh xe là thiết bị được
điều khi n. Một bộ điều khi n bằng điện (bộ điều khi n SBW) điều khi n cơ cấu vô
lăng và cơ cấu bánh xe. Bộ điều khi n SBW liên kết cơ cấu vô lăng và cơ cấu bánh
xe bằng dây qua các tín hiệu điều khi n.
Như được hi n thị trong hình 2.5, hệ thống th y lực truyền thống đã được thay
thế bằng cơ cấu chấp hành động cơ điện đ dẫn động các bánh xe trong cơ cấu bánh
xe. Các bánh xe được kết nối với cơ cấu thanh răng và bánh răng bằng các khớp rô
tuyn. Cảm biến góc được lắp trong động cơ hoặc cơ cấu thanh răng và bánh răng
được sử dụng đ nhận biết góc quay bánh xe. Bộ điều khi n SBW nhận các tín hiệu
góc bánh xe và đưa ra một tín hiệu điều khi n tới đ điều khi n động cơ điện DC.
Mục đích đầu tiên đ điều khi n cơ cấu bánh xe là giữ bánh xe theo góc bánh xe
tham chiếu. Tín hiệu góc bánh xe tham chiếu có từ thiết bị vô lăng và thay đổi
tương ng với ý định c a ngư i lái xe và các yêu cầu động lực học xe. Hệ thống
này bao gồm cơ cấu bánh xe và cơ cấu điều khi n bánh xe được gọi là hệ thống phụ
điều khi n bánh xe.
Cơ cấu vô lăng bao gồm một vô lăng được gắn với trục lái, một cảm biến được
gắn trên trục lái đ cảm nhận góc vô lăng, một động cơ điện DC và một dây đai và
puli (hoặc bộ bánh răng) đ kết nối động cơ và trục lái. Mục đích đầu tiên là đ điều
khi n cơ cấu vô lăng nhằm tạo ra cảm giác lái và cung cấp tín hiệu góc bánh xe
tham chiếu. Hệ thống này bao gồm cơ cấu vô lăng và cơ cấu điều khi n vô lăng
được gọi là hệ thống phụ điều khi n vô lăng. Nó là cần thiết đ điều khi n SBW
bằng cách sử dụng các thay đổi nhằm thực hiện các ch c năng c a hệ thống lái và
cải tiến động lực học xe. Tín hiệu chung nhất là tốc độ xe. Tốc độ xe là cần thiết đ
thực hiện cảm giác lái, thay đổi tỉ số truyền, phản hồi vô lăng và các yêu cầu về
ch c năng hệ thống lái. Phụ thuộc vào các yêu cầu riêng c a hệ thống SBW, gia tốc
ngang và các tín hiệu lệch hướng có th được sử dụng đ nâng cao động lực học c a
xe. Bài này miêu tả hệ thống SBW bằng cấu trúc được hi n thị trong hình 2.5.

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang16
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN


NgểỄên cứu và xây dựng tểuật toán mớỄ ổn địnể gỄao dỄện ểaptỄcs trong đỄều kểỄ n từ xa
Vô lăng
Tín hiệu c a cảm biến SW
Bộ điều khi n
SBW

Cảm biến

Tín hiệu điều khi n SW
Tín hiệu c a cảm biến RW

Bộ nối

Động cơ
dẫn động

Động cơ
SW

Cơ cấu vô lăng
Tín hiệu điều khi n RW
Động cơ
dẫn động

Rô tuyn

Cảm biến
Động cơ
RW

Bánh răng

Bánh xe

Rô tuyn

Bánh xe

Cơ cấu bánh xe

Hình 2.5: Sơ đồ khối c a hệ thống SBW
2.3.4 Mô men vô lăng vƠ c m giác lái
Cảm giác lái cung cấp thông tin về sự tiếp xúc giữa bề mặt các lốp bánh xe với
mặt đư ng. Cho nên, cảm giác lái là quan trọng cho ngư i tài xế đ điều khi n
hướng chuy n động c a xe và an toàn khi lái xe. Trong hệ thống lái thư ng bằng
các liên kết cơ khí, ngư i lái điều khi n hướng chuy n động c a xe bằng cách xoay
vô lăng và thu được cảm giác lái qua cơ cấu lái cơ khí. Trong hệ thống lái SBW
không có kết nối cơ khí giữa vô lăng và các bánh xe, một cảm giác lái nhân tạo nên
được tạo ra b i hệ thống phụ điều khi n vô lăng với cấu trúc điều khi n phản hồi.
Cảm giác lái được xác định bằng mô men phản hồi c a vô lăng. Ngư i lái xe giữ
vô lăng có th thu được mô men phản hồi từ trục vô lăng trong hệ thống lái thư ng.
Trong hệ thống SBW được hi n thị trong hình 2.5, một động cơ điện được sử dụng
đ cung cấp mô men cảm giác lái. Đ tạo ra một cảm giác lái tương tự và có th
điều chỉnh được, mô men vô lăng nên được điều khi n bằng động cơ điện dựa vào
hệ thống vô lăng.

CBHD: TS. NGUY N BÁ H ITrang17
HVTH: NGUY N THÀNH TUYÊN