Luận án tiến sĩ: Điều khiển ổn định quỹ đạo ô tô bằng lái 4 bánh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN HỮU MẠNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BẰNG HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội, 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN HỮU MẠNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BẰNG HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS. ĐÀO MẠNH HÙNG Người đồng hướng dẫn: PGS. TRẦN VĂN NHƯ Hà Nội, 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đào Mạnh Hùng và PGS.TS Trần Văn Như. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, Ngày 09 tháng 09 năm 2023 NCS Nguyễn Hữu Mạnh ii LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đào Mạnh Hùng và PGS.TS Trần Văn Như, những người đã hướng dẫn tôi một cách tận tâm trong việc định hướng nghiên cứu, giải quyết các vấn đề cụ thể trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành biểu đạt lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô thuộc Bộ môn Cơ khí ô tô - Khoa Cơ khí - Trường Đại học Giao thông vận tải, luôn sẵn lòng hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án của mình. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy trong ngành Cơ khí - Động lực các trường Đại học Bách khoa Hà nội, Học viện kỹ thuật quân sự, Học viện nông nghiệp Việt nam, Trường Đại học Công nghiệp Hà nội, Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Lâm nghiệp Việt nam, Đại học Thái nguyên,. đã đóng góp những ý kiến quý báu để NCS hoàn thiện luận án.

Nghiên cứu sinh xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Giao thông vận tải, đặc biệt là Phòng Đào tạo Sau Đại học, đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh thực hiện luận án tại Trường. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, quý thầy cô Trường Cao Đẳng Lý Tự Trọng TP.HCM, Khoa Động lực, đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên và khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. NCS Nguyễn Hữu Mạnh iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.

ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU. vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.

xiii MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3 1.1 Đặc điểm giao thông Việt Nam .1 Sự phát triển cơ sở hạ tầng giao thông đường bộ tại Việt Nam 3 1.2 Sự gia tăng phương tiện giao thông đường bộ; tai nạn giao thông đường bộ .2 An toàn chủ động .3 Ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô .1 Các nguyên nhân gây ra mất ổn định quỹ đạo chuyển động 5 1.2 Các giải pháp ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô .4 Xu hướng phát triển hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .1 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng cơ khí .2 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng thủy lực .3 Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng dẫn động bằng điện tử .5 Các nghiên cứu trong và ngoài nước .1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước .2 Tình hình nghiên cứu trong nước .6 Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của đề tài 18 1.7 Kết luận Chương 1. ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG LÁI BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG 20 2.1 Động học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .1 Động học đổi hướng chuyển động của ô tô với hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .2 Quan hệ góc xoay bánh xe phía trước và phía sau trên ô tô bốn bánh dẫn hướng thực tế .3 Động học hình thang lái phía sau trên ô tô bốn bánh dẫn hướng .2 Động lực học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .2 Động lực học hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .3 Động lực học ô tô .1 Mô hình hai vết trong mặt phẳng .2 Mô hình không gian xác định phản lực thẳng đứng .4 Mô phỏng động lực học bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .1 Cơ sở lý thuyết điều chế xung PWM .2 Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ phận chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .3 Mô phỏng bộ chấp hành hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng 41 2.5 Kết luận Chương 2. ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ BỐN BÁNH DẪN HƯỚNG 43 3.1 Mô hình động lực học một vết của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .2 Giải pháp thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái 4WS .1 Mục đích thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái 4WS .2 Giới thiệu một số phương pháp điều khiển hệ thống lái 4WS 49 3.3 Thiết kế bộ điều khiển hệ thống lái 4WS .1 Sơ đồ mô phỏng động lực học chuyển động của ô tô với hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng .2 Cơ sở lý thuyết của bộ điều khiển PID .3 Giải thuật di truyền GA .4 Thiết kế bộ điều khiển PID-GA cho hệ thống lái 4WS .4 Khảo sát tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô .1 Mô hình Matlab/Simulink mô phỏng động lực học ô tô với hệ thống lái 4WS điều khiển PID-GA .2 Khảo sát khả năng ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô ở các trạng thái chuyển động .5 Kết luận Chương 3.

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 76 4.1 Mục đích và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm .1 Mục đích, đối tượng và các thông số cần đo .2 Các phương pháp thí nghiệm .3 Lựa chọn phương pháp thí nghiệm .2 Thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm .1 Kết cấu cơ khí .2 Cảm biến đo tải trọng .3 Cảm biến đo góc xoay vô lăng .4 Máy tính kết nối .3 Các khối chức năng bộ điều khiển hệ thống lái sau 4WS .4 Quy trình thực nghiệm .1 Các thông số kỹ thuật .2 Các bước thực nghiệm .3 Đánh giá sai số mô hình thực nghiệm .4 Mô hình Matlab/Simulink thực nghiệm mô phỏng động lực học ô tô với hệ thống lái 4WS điều khiển PID-GA .5 Chế độ chuyển động thẳng với vận tốc 80 km/h có gió ngang 92 4.6 Chế độ quay vòng thiếu với vận tốc 60 km/h .7 Chế độ quay vòng thừa với vận tốc 60 km/h .5 Kết luận Chương 4. 101 KẾT LUẬN 102 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 PHỤ LỤC A.SO SÁNH GIÁ TRỊ THÍ NGHIỆM P1 A.1 Chế độ đi thẳng gió ngang 80 km/h .2 Quay vòng thiếu 60 km/h .3 Quay vòng thừa 60 km/h. CODE MATLAB P17 PHỤ LỤC C. MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM P25 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị m Khối lượng toàn bộ của ô tô kg rbx Bán kính bánh xe m L Chiều dài cơ sở m l1 , l2 Khoảng cách từ trọng tâm ô tô tới tâm cầu m trước, cầu sau B1 , B2 Khoảng cách tâm xoay trụ đứng bánh xe dẫn m hướng trước, sau βo Góc nghiêng đòn bên hình thang lái cầu sau rad lb Chiều dài đòn bên hình thang lái cầu sau m n Chiều dài thanh kéo ngang hình thang lái cầu m sau vo Vận tốc ô tô tại trọng tâm m/s vi (i=1,.,4) Vận tốc ô tô tại tâm các bánh xe m/s δi (i=1.4) Góc xoay của bánh xe dẫn hướng so với phương rad chuyển động dọc của ô tô δf , δr Góc xoay trung bình của bánh xe dẫn hướng rad tại tâm cầu trước, cầu sau δf _MP , δr_MP Góc xoay trung bình của bánh xe dẫn hướng rad tại tâm cầu trước, cầu sau mô phỏng δf _TN , δr_TN Góc xoay trung bình của bánh xe dẫn hướng rad tại tâm cầu trước, cầu sau thực nghiệm αf , αr Góc lệch bên của các bánh xe trước và sau rad Fxf , Fxr Phản lực dọc tác dụng từ mặt đường lên các N bánh xe cầu trước, cầu sau Fyx , Fyr Phản lực ngang tác dụng từ mặt đường lên các N bánh xe cầu trước, cầu sau Fzx , Fzr Phản lực thẳng đứng tác dụng từ mặt đường N lên các bánh xe cầu trước, cầu sau Fwx , Fwy Lực cản gió theo phương dọc, phương ngang N hwx , hwy Khoảng cách từ điểm đặt lực cản gió theo m phương ngang và phương dọc đến mặt đường Flt Lực quán tính ly tâm N hg Chiều cao trọng tâm ô tô so với mặt đường m la Khoảng cách từ điểm đặt của lực cản gió theo m phương ngang đến trọng tâm ô tô vii Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị JF W Mô men quán tính khối của bánh xe quanh kgm2 trục y (phương trục bánh xe) Jm Mô men quán tính khối của động cơ điện dẫn kgm2 động lái trục sau J Mô men quán tính đi qua trục thẳng đứng của kgm2 ô tô Ue Điện áp đầu vào V Eb Sức phản điện động sinh ra từ chuyển động của V rotor ia Dòng điện qua phần ứng A ϕ Từ thông của stator Wb θm Góc quay của rotor rad Tm Mô men xoắn trên trục động cơ N.m Tf Mô men cản nhớt N.m τl Mô men tải N.m Kb Sức phản điện động động cơ điện dẫn động lái V /(rad/s) cầu sau c Hệ số cản quy dẫn trên thước lái trục cầu sau N.m/(rad/s) K Hệ số cứng quy dẫn trên thước lái trục cầu sau N.m/rad mr Khối lượng quy dẫn kg Rm Điện trở phần ứng động cơ điện dẫn động lái Ω cầu sau Lm Điện cảm phần ứng động cơ điện dẫn động lái H cầu sau Bm Hệ số cản nhớt trên trục động cơ điện dẫn động N.m/(rad/s) lái cầu sau Km Hệ số mô men động cơ điện dẫn động lái cầu N.