Mô phỏng hệ thống lái và quá trình chuyển làn của Ô tô trên một số Đường giao thông Đặc trưng Ở việt nam

TRƯỜNG CƠ KHÍ – Ô TÔBÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ TRÊN MỘT SỐ ĐƯỜNG GIAO THÔNG ĐẶC TRƯNG Ở VIỆT NAM Si

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Trong ngành ô tô, nghiên cứu về mô phỏng số đang phát triển mạnh mẽ nhờ vào sự tiến bộ công nghệ Mô phỏng đã được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu, đào tạo và sản xuất, đặc biệt là trong các loại xe Hybrid, xe điện và xe tự lái Công nghệ mô phỏng cho phép xe tự hành di chuyển trong môi trường thực tế ảo, tương tác với các hệ thống điều khiển giao thông khác nhau, mô phỏng nhiều sự kiện và tạo ra các kịch bản phức tạp Điều này giúp người dùng thử nghiệm các phương tiện giao thông mới mà không có trong dữ liệu ban đầu.

Do sự phát triển mạnh mẽ và rộng rãi của mô phỏng trên toàn cầu, nhóm tác giả đã lựa chọn một số nghiên cứu tiêu biểu có liên quan đến nội dung nghiên cứu này.

1 Công trình về ứng dụng phần mềm mô phỏng: Dr Xavier TAUZIA, Dr Rémi Dubouil, (2021), Simulation in Automotive research and development, Compiler: Erfan Daneshpajooh, M2 Propulsion and Energetics, Ecole Centrale of Nantes, Centrale Nantes.

Ngày nay, mô phỏng đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và phát triển công nghệ ô tô, giúp tiết kiệm năng lượng, chi phí và thời gian sản xuất Mục tiêu chính của mô phỏng là rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm, giảm thiểu số lượng mẫu thử nghiệm và thực hiện các tính toán chính xác hơn để đạt được kết quả tối ưu Mô phỏng không chỉ hỗ trợ thiết kế sản phẩm mà còn tìm ra các giải pháp hiệu quả trong thời gian ngắn Quá trình này liên quan đến việc giải các phương trình toán học phức tạp mà không thể thực hiện bằng tay, thúc đẩy sự đổi mới trong các phương pháp và phần mềm thiết kế Trong ngành ô tô, một số phần mềm mô phỏng tiêu biểu bao gồm ANYLOGIC, SIMIO, ARENA SIMULATION, POWERSIM STUDIO và GT SUITE.

2 Công trình nghiên cứu mô phỏng động học, động lực học ô tô: T Hofman, and

M Steinbuch, R.M van Druten, (2014), Modeling for simulation of hybrid drivetrain components, DOI: 10.1109/VPPC.2006.364269 ã Source: IEEE Xplore, ReseaarchGate.

Nghiên cứu mô phỏng trên ô tô đã đạt được nhiều tiến bộ, đặc biệt trong việc phân tích hệ thống truyền động, khung gầm, hệ thống treo và động lực học của xe Một trong những kết quả quan trọng là mô phỏng quá trình nhiệt động học của chất lỏng trong động cơ đốt trong, cho phép tối ưu hóa các đặc tính như lỗ kim phun nhiên liệu, hành trình, thời gian van, kích thước van và số lượng xi lanh Qua đó, các nhà nghiên cứu có thể hiển thị hiệu suất động cơ, nhiệt độ và áp suất trong từng chu kỳ, giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.

- Mô phỏng vật lý 1D đến 3D của hệ thống truyền động và khung gầm

- Phát triển dựa trên mô hình các chức năng khác nhau để phân tích động lực học của xe

- Tính toán số các cụm thành phần trên mô hình và có thể điều chỉnh

- Thiết kế và đánh giá sơ bộ các hệ thống truyền động thường, hybrid và điện

- Dự đoán và biết được các hiện tượng và nguồn rung động

- Thiết kế dựa trên mô phỏng và thực hiện các thí nghiệm

3 Công trình nghên cứu về R&D: Stefan HThomke, (1998), Simulation, learning and R&D performance: Evidence from automotive development, https://doi.org/10.1016/S0048-7333(98)00024-9, Elsevier.

Nghiên cứu và phát triển (R&D) đang trở nên nhanh chóng và hiệu quả hơn nhờ vào việc áp dụng công nghệ và mô phỏng số, giúp các công ty tăng cường tính cạnh tranh Mô phỏng nâng cao đang được sử dụng để đánh giá tác động của xe tương lai đến thị trường và khách hàng Sự hỗ trợ từ máy tính hiện đại đã làm cho mô phỏng va chạm trở thành công cụ quan trọng trong sản xuất ô tô, giúp tối ưu hóa thiết kế và giảm chi phí lặp lại Điều này cho phép các nhà phát triển tăng cường chu trình giải quyết vấn đề, rút ngắn thời gian và chi phí sản xuất Việc thực hiện thí nghiệm qua mô phỏng không chỉ đa dạng mà còn hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống, dẫn đến kết quả R&D tốt hơn.

4 Công trình nghên cứu về chế tạo phụ tùng linh kiện ô tô ở Trung Quốc: Leiming Shi, Hongshun Zhang, Fuquan Xie, Xuewen Cheng, Zhihong Wang, Chao

Wu, Yanxia Du, Shunli Feng, (2017), Simulation and Research on Automobile Parts of Chassis, Advances in Engineering Research (AER), volume 153, 2017 International Conference Advanced Engineering and Technology Research (AETR 2017).

Trung Quốc hiện là thị trường ô tô lớn nhất thế giới với nhiều nhà máy chế tạo ô tô, trong đó hãng Dongfeng nổi bật với việc ứng dụng mô phỏng số trong phát triển sản phẩm Để tối ưu hóa quy trình sản xuất sàn khung gầm, Dongfeng đã sử dụng phần mềm AutoForm để mô phỏng toàn bộ mô hình sàn phía sau, giúp xác định ảnh hưởng của lực giữ phôi, khe hở lõm lồi và tốc độ kéo thành mỏng Qua thiết kế thí nghiệm trực giao ba yếu tố, hãng đã phân tích và tối ưu hóa các yếu tố này, qua đó tránh được các khuyết tật trong quá trình dập vỏ xe Kết quả mô phỏng không chỉ cung cấp lý thuyết mà còn hướng dẫn cho sản xuất thực tế, góp phần nâng cao hiệu quả trong sản xuất sàn xe của Dongfeng.

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước Ở Việt Nam đã có một số đơn vị nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực mô phỏng từ trước năm 2010 và đạt được thành tựu nhất định nhưng có một số hạn chế, như: chủ yếu sử dụng và tích hợp các nền tảng sẵn có, chưa làm chủ công nghệ lõi phức tạp; mới mô phỏng được một số bước, một số khâu của quá trình, phục vụ một phần công tác nghiên cứu, giảng dạy, chưa tiếp cận đến thực tiễn sản xuất, sửa chữa, bảo hành, bảo trì trong lĩnh vực ô tô; phụ thuộc nhiều vào nước ngoài; các dữ liệu của phần mềm mô phỏng hầu như nhập ngoại Các đơn vị ứng dụng mô phỏng phát triển mạnh có thể kể đến gồm:

Công ty TNHH MTV Ứng dụng kỹ thuật và sản xuất (Tecapro) phát triển mô phỏng huấn luyện súng 12,7 mm dựa trên công nghệ thực tế ảo Sản phẩm sử dụng súng thật kết hợp với thiết bị mô phỏng đường đạn bằng laser, tự động nhận diện điểm bắn qua kỹ thuật laser và xử lý hình ảnh bằng camera tốc độ cao Bên cạnh đó, mô phỏng huấn luyện chiến thuật xe tăng cấp phân đội sử dụng phần mềm 3D và cabin giả lập, cho phép mô phỏng vận hành, tìm kiếm mục tiêu và bắn của xe tăng trong môi trường ảo, hỗ trợ hiệu quả cho việc huấn luyện chiến thuật và hiệp đồng giữa các thành viên trong kíp xe.

Tổng công ty Công nghiệp Công nghệ cao Viettel (Viettel High Tech - VHT) đại diện bởi Trung tâm MHMP, cung cấp các hệ thống và sản phẩm mô phỏng cho đào tạo quân sự VHT nghiên cứu và sản xuất hệ thống mô phỏng xe tăng T54B, T55, nhằm thay thế các hệ thống mô phỏng nước ngoài Công nghệ mô phỏng này cho phép mô hình hóa và tính toán động lực học xe tăng trong thời gian thực, đảm bảo hàng chục đặc tính kỹ thuật và chiến thuật tương đương với xe tăng thật Bên cạnh đó, VHT phát triển công nghệ mô phỏng chuyển động 6 bậc tự do, sử dụng robot song song kiểu Stewart Platform với truyền động điện và công nghệ điều khiển Servo, mang lại chuyển động nhanh, chính xác, êm ái và có khả năng tải trọng lớn, tạo điều kiện hiệu quả cho quá trình huấn luyện.

Hệ thống mô phỏng huấn luyện chỉ huy bay và phi công Su-30MK2 của VHT sử dụng công nghệ xử lý dữ liệu đa tầng sinh tham số động lực học bay Data Fusion Surrogated Model (DFSM) với thuật toán Co-Kriging, đạt 57 chỉ tiêu động lực học bay Hệ thống này được trang bị công nghệ mô phỏng chuyển động 6 bậc tự do và nhiều công nghệ hiện đại khác Ứng dụng mô phỏng đang ngày càng mở rộng trong các ngành kinh tế tại Việt Nam, điển hình là hệ thống VOTO trong đào tạo và sát hạch lái xe Hệ thống này sử dụng công nghệ mô phỏng động lực học thời gian thực, Warp & Blend để hiển thị hình ảnh, cùng các thuật toán điều khiển mô phỏng chuyển động 3-6 bậc tự do, mang lại trải nghiệm chân thực cho học viên với thiết bị phần cứng như xe ô tô thật và các cụm điều khiển tương tác.

Trong lĩnh vực đào tạo, ứng dụng mô phỏng đã trở thành công cụ nghiên cứu quan trọng tại nhiều trường đại học kỹ thuật Tại Đại học Công nghiệp Hà Nội, môn học mô hình hóa và mô phỏng đã được đưa vào chương trình giảng dạy từ khóa học đại học K13 cho đến hiện nay.

Tính cấp thiết của đề tài

Mô phỏng trong ngành công nghiệp ô tô đáp ứng nhu cầu xã hội và chuyên ngành, giúp thiết kế và đánh giá động cơ cũng như các hệ thống mới Đây là giải pháp hiệu quả về kinh tế, cho phép dự đoán độ an toàn và độ tin cậy thông qua phân tích kỹ thuật số và thử nghiệm ảo Các phần mềm mô phỏng hiện đại tích hợp đầy đủ để mô phỏng toàn bộ hệ thống ô tô liên quan đến cơ khí, điện tử, và điều khiển Trong giáo dục lái xe, mô phỏng giúp nghiên cứu phản ứng của con người, cải thiện hành vi và sự chú ý khi lái Nghiên cứu cho thấy người học có thể tiến bộ nhanh hơn từ 2 đến 3 lần so với phương pháp truyền thống nhờ vào việc tạo ra nhiều kịch bản học tập, giảm thời gian và chi phí đào tạo.

Kiến thức cơ bản về ô tô từ trường học là cần thiết, nhưng ô tô hiện đại ngày nay tích hợp nhiều công nghệ mới và yêu cầu vận tốc cao hơn do sự phát triển của hệ thống đường cao tốc và sự gia tăng số lượng người sử dụng Để đáp ứng các yêu cầu thực tiễn và hiểu biết sâu hơn về ngành, việc ứng dụng công cụ mô phỏng trong các môn học kỹ thuật chuyên ngành trở nên cấp thiết.

Mục tiêu của đề tài

- Nắm vững và hiểu sâu hơn kiến thức chuyên ngành về hệ thống lái

- Tiếp cận và sử dụng thành thạo phần mềm chuyên ngành ứng dụng …

- Mô phỏng hệ thống lái và quá trình chuyển làn của ô tô trên một số đường giao thông đặc trưng ở Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong các học phần chuyên ngành ô tô, chúng ta đã tiếp thu kiến thức về động lực học của ô tô trong nhiều trạng thái chuyển động như thẳng, quay vòng, trên dốc, tăng tốc và phanh Ngoài ra, các khía cạnh như tính kinh tế nhiên liệu, tính ổn định và tính năng cơ động của ô tô cũng được nghiên cứu Đề tài này sẽ tập trung khảo sát quá trình chuyển làn của ô tô, với đối tượng nghiên cứu là hệ thống lái.

Tổng quan về hệ thống lái

1.5.1 Công dụng và yêu cầu của hệ thống lái a) Công dụng

Hệ thống lái ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hướng di chuyển của xe, giúp thay đổi hoặc duy trì hướng đi theo ý muốn của người lái Nó hoạt động cùng với các hệ thống điều khiển khác để đảm bảo an toàn giao thông trong quá trình di chuyển Hệ thống lái bao gồm các thành phần từ vành lái đến các cơ cấu điều khiển hướng chuyển động của toàn bộ xe.

Góc quay tối đa của vô lăng không được vượt quá 5 vòng, và cần thiết lập cơ cấu giới hạn góc quay cho bánh xe dẫn hướng ở vị trí biên Điều này nhằm đảm bảo bán kính quay vòng phù hợp với khả năng cơ động của xe.

- Lực trên vành lái phù hợp với khả năng điều khiển của người sử dụng.

Đối với xe có vận tốc tối đa trên 100km/h, độ rơ vành lái không được vượt quá 15 độ Đối với xe có vận tốc từ 25 đến 100km/h, độ rơ vành lái tối đa là 27 độ.

- Hệ thống lái phải đảm bảo có khả năng giảm các lực va đập từ mặt đường truyền lên vành lái.

- Phải có khả năng ổn định hướng chuyển động, đặc biệt khi đi thẳng.

Để đảm bảo khả năng điều khiển hướng của ô tô trên những đoạn đường xấu, cần hạn chế tối đa ảnh hưởng của hệ thống treo đối với hệ thống lái.

1.5.2 Cấu tạo hệ thống lái

Cơ cấu lái là một hộp giảm tốc với tỉ số truyền lớn, giúp giảm bớt lực tác động lên vành lái, từ đó nâng cao tính tiện nghi khi sử dụng.

Khi đánh giá hệ thống lái, cơ cấu lái đóng vai trò quan trọng và cần thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Đảm bảo tỉ số truyền hợp lý, nhằm giảm nhẹ lực trên vành lái trong giới hạn số vòng quay vành lái cho phép.

- Hiệu suất truyền lực cao.

- Độ rơ của cơ cấu lái nhỏ.

- Kết cấu đơn giản, giá thành thấp, tuổi thọ cao.

- Chiếm ít không gian, tháo, lắp, điều chỉnh dễ dàng.

- Hạn chế các va đập ngược từ bánh xe dẫn hướng lên vành lái.

Các loại cơ cấu lái hiện nay thường bố trí trên ô tô bao gồm:

- Loại trục vít globoit – con lăn.

- Loại trục vít – ê cu bi – thanh răng – cung răng.

- Loại bánh răng – thanh răng.

- Loại trục vít – cung răng.

Ngoài ra còn có cơ cấu lái: trục vít – chốt quay, bánh răng – cung răng… a) Loại trục vít globoit – con lăn

Trục vít lõm 5 kết nối với vành lái qua trục quay và trục các đăng 7 Trục này có ren dạng răng thang, được đặt quay trên hai ổ bi côn, không di chuyển dọc, đảm nhận vai trò chủ động trong hệ thống.

Con lăn 8 được đặt quay trên trục con lăn thông qua các ổ con lăn kim, với dạng tầng có thể là 1, 2 hoặc 3 tầng tùy thuộc vào khả năng chịu tải Trục con lăn được bố trí nghiêng theo chiều nâng của ren trục vít, giúp con lăn 8 di chuyển quay theo răng trục vít Phần dẫn động là trục đòn quay đứng 9, trong khi con lăn 8 và trục 9 tạo thành cấu trúc biến hình của bánh vít ăn khớp với trục vít lõm.

Hình TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.1 Cấu tạo của cơ cấu lái trục vít globoit – con lăn

Trong hệ thống cơ khí, các thành phần quan trọng bao gồm đòn quay đứng, nắp dưới, đệm điều chỉnh và vỏ CCL Ngoài ra, trục vít globoit, ổ bi côn và trục các đăng cũng đóng vai trò quan trọng Các con lăn và trục đòn quay đứng hỗ trợ trong quá trình vận hành, trong khi miếng hãm đai ốc và đai ốc giữ trục đảm bảo sự ổn định Cuối cùng, các đệm điều chỉnh và đệm tỳ giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

Cao su bao kín đầu ngoài trục của đòn quay đứng được thiết kế với then hoa để lắp ráp chắc chắn Sử dụng ổ bi kim giúp giảm thiểu lực ma sát trượt, thay thế bằng ma sát lăn, từ đó hạn chế tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất của cơ cấu lái Điều này không chỉ cải thiện hiệu suất hoạt động mà còn kéo dài tuổi thọ của kết cấu.

Tâm trục của trục vít lõm và tâm quay của con lăn được bố trí lệch nhau một khoảng E, điều này giúp đảm bảo khả năng điều chỉnh cho cơ cấu lái khi xảy ra hiện tượng mòn.

Khi quay vành lái, trục vít lõm và con lăn 8 sẽ dịch chuyển quanh trục 9, khiến đòn quay đứng 1 quay theo và dẫn động các đòn của hệ thống lái Một loại hệ thống lái khác là trục vít ê cu bi kết hợp với thanh răng và cung răng.

Trục vít có 5 dạng trụ với rãnh vít vô tận được bố trí theo góc nghiêng nhỏ, tạo thành phần chủ động Profin của ren là dạng rãnh tròn, cho phép các viên bi chạy trong rãnh lõm Trục vít hoạt động trơn tru nhờ các ổ bi, không cho phép rơ dọc trục.

Liên kết giữa trục vít vô tận và ê cu 4 được thực hiện thông qua các viên bi 3, nằm trong các nửa rãnh ren của trục vít và ê cu Ê cu không quay mà chỉ di chuyển dọc theo trục vít, và khi các viên bi lăn đến cuối trục vít, chúng sẽ quay trở lại qua đường ống dẫn, tạo thành một vòng tuần hoàn kín Số lượng viên bi phụ thuộc vào cấu trúc cụ thể của cơ cấu lái Mặt ngoài của ê cu có thanh răng, ăn khớp với cung răng rẻ quạt 2, trong khi trục của cung răng được gắn với đòn quay đứng 1 thông qua các rãnh then hoa Do đó, cơ cấu này là sự kết hợp của các bộ truyền: trục vít ê cu bi, thanh răng và bánh răng, trong đó cung răng là một phần của bánh răng.

Hình TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.2 Cấu tạo cơ cấu lái trục vít ê cu bi – thanh răng – cung răng

1 – Đòn quay đứng; 2 – Bánh răng rẻ quạt; 3 – Bi; 4 – Ê cu thanh răng; 5 – Trục vít;

6 – Vít điều chỉnh; 7 – Vỏ cơ cấu lái; 8 – Trục đòn quay đứng; 9 - Ổ bi trên; 10 –

Khi quay, trục vít 5 được cố định dọc bởi các ổ bi, giúp ê cu 4 di chuyển dọc theo trục vít Sự dịch chuyển này dẫn đến thanh răng cũng di chuyển tịnh tiến, với răng của thanh răng ăn khớp với bánh răng rẻ quạt 2 Điều này tạo ra sự quay ở trục quay đứng trên ổ đỡ (phần bị động) và điều khiển các bánh xe dẫn hướng.

Ma sát giữa trục vít và ê cu diễn ra dưới dạng ma sát lăn nhờ vào các viên bi, điều này giúp nâng cao hiệu suất truyền lực và giảm thiểu sự mòn trong cơ cấu lái.

Kết luận chương 1

Chương 1 cung cấp cái nhìn tổng quan về nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến công cụ mô phỏng và hệ thống lái, cũng như quá trình chuyển làn Đồng thời, chương này nhấn mạnh tầm quan trọng của hệ thống lái trong xe ô tô, giúp người đọc nhận thức rõ hơn về vai trò của nó.

CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU

Vấn đề chung về hệ thống lái và quá trình chuyển làn

Chuyển làn đường là quá trình di chuyển quan trọng, đặc biệt trong điều kiện mật độ phương tiện cao như ở Việt Nam, đòi hỏi người lái thường xuyên thay đổi góc quay vô lăng Các yếu tố như thông số kết cấu, tốc độ, góc đánh lái và quy luật đánh lái, cùng với hệ số bám của đường, ảnh hưởng lớn đến quỹ đạo và tính ổn định chuyển động của ô tô, đặc biệt ở tốc độ cao Khi thực hiện chuyển làn, nếu biên độ góc quay bánh xe dẫn hướng và vận tốc xe không phù hợp, có thể dẫn đến vi phạm làn đường, gây ra tình trạng chuyển làn thừa hoặc thiếu Điều này có thể làm một trong các cụm bánh xe va chạm với lề đường, dẫn đến nguy cơ lật xe.

2.1.1 Hệ thống lái Để thực hiện chuyển làn, xe phải có hệ thống lái Khi chuyển làn, người lái sẽ làm thay đổi hướng chuyển động của bánh xe dẫn hướng thông qua hệ thống lái bắt đầu từ vô lăng Để tạo được mối liên kết động học quay vòng giữa hai bánh xe dẫn hướng, trên các ô tô hiện nay người ta thường sử dụng một hệ thống các khâu khớp để tạo nên hình thang lái.

Hình thang lái, mặc dù có cấu trúc đơn giản, nhưng không đảm bảo mối quan hệ chính xác giữa các góc quay vòng của hai bánh xe dẫn hướng Độ sai khác này phụ thuộc vào kích thước của các khâu trong hình thang lái.

2.1.2 Động học quay vòng của ô tô

Nhằm quay vòng ô tô, chúng ta có thể sử dụng các biện pháp sau:

- Quay vòng các bánh xe dẫn hướng phía trước hoặc quay vòng tất cả các bánh xe dẫn hướng

Truyền động lực từ các momen quay có giá trị khác nhau đến các bánh xe dẫn hướng bên phải và bên trái, đồng thời sử dụng phanh để hãm các bánh xe phía trong so với tâm quay vòng.

Khi xem xét động học quay vòng của xe, chúng ta bỏ qua biến dạng ngang của các bánh xe do độ đàn hồi của lốp Trong trường hợp này, véc tơ vận tốc chuyển động của các bánh xe sẽ trùng với mặt phẳng quay, tức là mặt phẳng đối xứng của bánh xe.

Hình mô tả động học quay vòng của ô tô cho thấy hai bánh dẫn hướng ở cầu trước, bỏ qua biến dạng ngang của lốp Trong sơ đồ, A và B là vị trí của hai trụ đứng, E là điểm giữa của AB, và α1, α2 là góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên ngoài và bên trong so với tâm quay vòng O Góc α đại diện cho góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng ở cầu trước, trong khi AC và ED song song với trục dọc của ô tô.

Hình Cơ sở khoa học nghiên cứu.11 Sơ đồ động học quay vòng của ô tô khi bỏ qua biến dạng ngang

Khi xe quay vòng, để tránh tình trạng trượt lết hoặc trượt quay của các bánh xe, các đường vuông góc với véctơ vận tốc của bánh xe cần gặp nhau tại một điểm, gọi là tâm quay vòng tức thời của xe (điểm O).

Biểu thức mối quan hệ giữa các góc quay vòng của hai bánh xe dẫn hướng được xác định để đảm bảo không xảy ra hiện tượng trượt khi xe quay vòng là: cotg α1 – cotg α2 = q L, trong đó q là khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng tại vị trí đặt các cam quay của bánh xe dẫn hướng.

L – Chiều dài cơ sở của xe.

Biểu thức α1 = f(α2) cho phép vẽ đường cong thể hiện mối quan hệ lý thuyết giữa các góc α1 và α2, khi xe quay vòng mà không xảy ra hiện tượng trượt ở các bánh xe.

Hình Cơ sở khoa học nghiên cứu.12 Đồ thị lý thuyết và thực tế về mối quan hệ giữa các góc quay vòng của hai bánh xe dẫn hướng

Để đảm bảo các bánh xe dẫn hướng lăn không bị trượt khi quay vòng, cần phải duy trì mối quan hệ giữa các góc quay vòng α1 và α2 theo biểu thức đã nêu.

Trạng thái quay vòng xe sẽ được quyết định bởi hệ số quay vòng K

Trong đó: G1, G2 là trọng lượng xe phân lên cầu trước và cầu sau

CL1, CL2 là hệ số cản lệch bên của lốp ở cầu trước và cầu sau

Hình Cơ sở khoa học nghiên cứu.13 Quan hệ giữa vận tốc xe và góc quay bánh dẫn hướng ở các trạng thái quay vòng

Khi K = 0, xe có trạng thái quay vòng đủ

Khi K > 0, xe có trạng thái quay vòng thiếu

Khi K < 0, xe có trạng thái quay vòng thừa

Khi hệ số quay vòng K = 0, tức là C G 1

Các góc lệch của bánh xe trước và sau cũng bằng nhau: δ 1 = δ 2

Khi đó bán kính quay vòng R chỉ phụ thuộc vào góc quay bánh xe dẫn hướng α mà không phụ thuộc vào vận tốc tịnh tiến của xe: α = L R

Khi K = 0, giá trị góc α không đổi, do đó đường biểu diễn α là một đường nằm ngang.

Trạng thái quay vòng đủ được định nghĩa khi bán kính quay vòng không thay đổi khi giữ nguyên góc quay vô lăng, cho phép xe di chuyển trên một cung tròn có bán kính cố định Ở điều kiện này, nếu xe di chuyển thẳng và chịu tác động của lực ngang Y (như gió hoặc đường nghiêng), các bánh xe sẽ bị biến dạng với một góc đồng nhất, khiến xe lệch hướng nhưng quỹ đạo di chuyển vẫn giữ nguyên là đường thẳng.

Hình Cơ sở khoa học nghiên cứu.14 Quỹ đạo quay vòng và chuyển động của xe 2.1.2.2 Quay vòng thiếu

Khi hệ số quay vòng K > 0, tức là các góc lệch của các bánh xe trước lớn hơn góc lệch bánh xe sau:

Trạng thái quay vòng thiếu là hiện tượng mà khi vận tốc xe tăng, để duy trì bán kính quay vòng không đổi, góc quay bánh xe dẫn hướng cần phải tăng theo bình phương vận tốc Điều này có nghĩa là người lái phải tăng góc quay vô lăng; nếu giữ nguyên góc quay vô lăng, bán kính quay vòng sẽ tăng lên Trong điều kiện quay vòng thiếu với K > 0, khi xe di chuyển thẳng và chịu tác động của lực ngang (như gió hoặc độ dốc của đường), các bánh xe sẽ bị biến dạng với các góc khác nhau, dẫn đến việc xe bị lệch hướng nhưng vẫn tuân theo quỹ đạo nhất định.

Khi hệ số quay vòng K < 0, tức là các góc lệch của các bánh xe trước nhỏ hơn góc lệch bánh xe sau:

Để duy trì bán kính quay vòng không đổi, góc quay của bánh dẫn hướng cần phải giảm theo chuyển động của xe, trạng thái này được gọi là trạng thái quay vòng thừa.

Khi xe quay vòng thừa, để duy trì bán kính quay vòng không đổi, người lái cần giảm góc quay vô lăng Nếu giữ nguyên góc quay vô lăng, bán kính quay vòng sẽ giảm, đặc biệt trong điều kiện quay vòng thừa K < 0 Khi xe di chuyển thẳng và chịu tác động của lực ngang Fy (như gió hoặc đường nghiêng), các bánh xe sẽ bị biến dạng với các góc khác nhau.

2.1.3 Các phương pháp quay vòng

2.1.3.1 Thay đổi hướng của bánh xe

Hình Cơ sở khoa học nghiên cứu.15 Hai bánh dẫn hướng

Hệ thống dẫn hướng bốn bánh là phương pháp phổ biến trên hầu hết các loại xe, bao gồm ô tô Khi các bánh xe di chuyển song song với trục dọc của xe, xe sẽ di chuyển thẳng Ngược lại, nếu các bánh xe thay đổi hướng di chuyển và không còn song song với trục dọc, xe sẽ không còn di chuyển thẳng mà sẽ chuyển hướng Điều này không yêu cầu tất cả các bánh xe phải đổi hướng, ví dụ như trên xe đạp hoặc xe máy, chỉ cần thay đổi hướng của bánh trước là đủ để thay đổi hướng di chuyển của toàn bộ xe.

Cơ sở nghiên cứu khoa học về vấn đề chuyển làn trên ô tô

2.2.1 Động lực học quá trình chuyển làn

Hiện nay, Volvo/Zenuity đang phát triển các hệ thống lái tự động với mục tiêu nâng cao an toàn Hệ thống này kết hợp khoảng cách dài và rộng để tối ưu hóa khả năng phanh của xe, từ đó có thể phản ứng kịp thời với các tình huống bất ngờ.

Khi khoảng cách giữa các phương tiện giảm, phương pháp này ngăn chặn ô tô thay đổi làn đường Một ví dụ là khi một tài xế cố gắng chuyển làn, kích thích phản ứng từ các xe xung quanh Chiếc xe điều khiển bởi hệ thống ADS (ego-vehicle) phải tuân thủ các giới hạn an toàn của nó, được thiết kế để đảm bảo khả năng tránh va chạm bằng cách phanh, ngăn cản việc thay đổi làn đường không an toàn.

Hình Cơ sở khoa học nghiên cứu.17 Vùng màu đỏ là giới hạn an toàn của phương tiện, vùng màu xanh cho phép chuyển làn

Hệ thống có khả năng ngăn chặn việc thay đổi làn đường, đồng thời cho phép chuyển hướng lái linh hoạt Điều này dẫn đến việc tăng cường sự sẵn sàng thay đổi làn đường, như báo cáo của Chandru et al Giải pháp của họ cũng minh họa các giới hạn trong hình ảnh kèm theo.

Hiện nay, hệ thống ADS cho phép ô tô thực hiện chuyển làn vào làn đường mong muốn một cách tự động, tạo ra hành vi tương tự như con người bằng cách di chuyển vào khoảng cách an toàn Điều này hoàn toàn khác biệt so với giải pháp hiện tại của Volvo, khi họ hạn chế chuyển làn ở mép làn đường và sử dụng đèn báo để cảnh báo người lái xe.

Hình Cơ sở khoa học nghiên cứu.18 Vùng màu đỏ là giới hạn an toàn của phương tiện, vùng màu xanh cho phép chuyển làn

Lý thuyết về vùng an toàn trong hệ thống lái tự động (ADS) cho rằng nếu phương tiện không xâm phạm vào vùng giới hạn nguy hiểm, ADS sẽ có khả năng tránh va chạm khi gặp các tình huống đã được xác định trước Tuy nhiên, các vùng giới hạn này không cố định và không hoàn toàn phụ thuộc vào tốc độ của xe Thao tác tránh của xe cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi góc tương đối của nó so với đối tượng mà xe đang cố gắng tránh.

Việc phát triển một thuật toán lập kế hoạch đường đi là rất quan trọng, nhằm đảm bảo khả năng tránh va chạm trong khi vẫn duy trì tính hợp lệ của vùng giới hạn an toàn cho tất cả các trạng thái của xe xung quanh Thuật toán này cần hoạt động theo thời gian thực và có khả năng xem xét các phương tiện trong cả làn đường hiện tại và làn đường mà xe chuẩn bị chuyển sang.

Lập kế hoạch chuyển làn là quá trình tối ưu hóa thời gian lái xe để đạt được trạng thái cuối cùng, đồng thời xem xét các yếu tố như sự thoải mái và an toàn trong quá trình di chuyển.

Tổng quát, mô hình tối ưu được mô tả bằng các phương trình (2-1) đến (2-7) x min ( t ) ,u(t ) J ( x ( t ) ,u ( t )) (2-1)

Giải pháp cho OCP là giá trị nhỏ nhất của hàm số J(x,u) trong phương trình (2-1), với Q và R là các ma trận vuông xác định mức độ lỗi trạng thái và kiểm soát Các ma trận này cũng là các thông số điều chỉnh ảnh hưởng đến hành vi của bộ điều khiển Giá trị nhỏ nhất này phụ thuộc vào động lực của xe.

Các ràng buộc cho phép X(2-5) và U(2-6) sẽ được xác định bởi các giới hạn như tốc độ và cơ cấu chấp hành Ngoài ra, các ràng buộc bất đẳng thức (2-7) cũng bao gồm các công thức nhằm tránh va chạm khi chuyển làn.

Giải pháp tối ưu hóa sẽ bao gồm một chuỗi các trạng thái x và các đầu vào điều khiển u tương ứng, tạo thành con đường tối ưu để đạt được mục tiêu đã đề ra.

Hình Cơ sở khoa học nghiên cứu.19 Sơ đồ dự đoán chuyển làn

Quy tắc chung trong điều khiển hệ thống là tối ưu hóa động lực để đạt độ chính xác cao nhất Trong điều khiển dự đoán mô hình, động lực xuất hiện ở mỗi bước tối ưu hóa, dẫn đến việc cần phải cân nhắc giữa độ chính xác của mô hình và thời gian tính toán.

Dựa trên các nghiên cứu trước, một mô hình đường đơn giản hóa đã được lựa chọn để đại diện cho phương tiện động lực học, nhằm cân bằng giữa mô hình khối lượng không bao gồm các yếu tố động lực học quan trọng và mô hình động lực học 4 bánh phức tạp hơn với tải trọng và các phần tử nâng cao khác.

Trong mô hình đường đơn đơn giản cho tình huống đường thẳng, các phương trình chính được sử dụng bao gồm: phương trình chuyển động theo trục x là ˙ x = vcos(ψ) (2-8) và theo trục y là y ˙ = vsin(ψ) (2-9) Thay đổi hướng ψ được mô tả bởi phương trình ψ ˙ = v l(1+( v v ch 2 ) ) δ (2-10), trong khi sự thay đổi vận tốc được xác định bởi ˙ v = a x (2-11) và sự thay đổi góc lái được mô tả bởi δ˙ = δrate (2-12) Các thông số đầu vào ax và δrate đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh mô hình.

Trong mô hình này các thông số của xe được thu thập theo vận tốc đặc trưng vch được mô tả bởi phương trình (2-13) v ch =√ m( c l r 2 l c r −c f c r f l f ) (2-13)

Trong bài viết này, l là chiều dài cơ sở của xe, trong khi lf và lr là khoảng cách từ trọng tâm đến cầu trước và cầu sau Động lực học của lốp được ước tính thông qua độ cứng khi vào cua cf và cr, với sự gần đúng này chỉ có giá trị khi góc trượt nhỏ, đảm bảo lực dẫn động được đáp ứng.

Để đảm bảo rằng các lộ trình theo kế hoạch không vượt quá giới hạn vật lý của lốp, cần phải giới hạn gia tốc dọc và ngang trong phạm vi vòng tròn ma sát của lốp, dẫn đến bất phương trình (2-14).

Kết luận chương 2

Ở chương 2 đã trình bày tổng quan về:

- Cơ sở lý thuyết về hệ thống lái và động lực học quay vòng của ô tô

- Đưa ra một số lý thuyết về tính toán quá trình chuyển làn của ô tô

Những kiến thức cơ sở này là tiền đề cho việc mô phỏng quá trình chuyển làn.

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ

Giới thiệu phần mềm Matlab-Simulink 2021Ra

Matlab (MATric LABoratory) là phần mềm của MathWorks, nổi bật với giao diện mạnh mẽ và khả năng lập trình linh hoạt, phục vụ cho nhiều lĩnh vực kỹ thuật như điện, điện tử, điều khiển tự động, và robot công nghiệp Với bộ lệnh phong phú, Matlab có khả năng giải quyết nhanh chóng và chính xác các hệ phương trình tuyến tính và phi tuyến, cũng như xử lý ma trận Phần mềm này cung cấp khả năng xử lý dữ liệu và biểu diễn đồ họa dễ dàng trong không gian hai chiều và ba chiều, giúp người dùng quan sát trực quan và tìm ra phương pháp giải tối ưu Chương trình bao gồm các hàm toán học, chức năng nhập/xuất, và khả năng điều khiển chu trình để tạo Scripts Ngoài ra, Matlab còn có các Toolbox chuyên dụng như Control System Toolbox, Signal Processing Toolbox và Optimization, giúp mở rộng chức năng của phần mềm.

Simulink là một Toolbox quan trọng, đóng vai trò là công cụ mạnh mẽ để mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống kỹ thuật - vật lý thông qua sơ đồ cấu trúc dạng khối Ngoài Simulink, các công cụ khác như Stateflow Blockset, Power System Blockset và Real-time Workshop cũng hỗ trợ tối ưu cho quá trình này.

Simulink là một phần mở rộng của Matlab, chuyên dùng cho mô hình hóa, mô phỏng và khảo sát các hệ thống động học Giao diện đồ họa của Simulink cho phép người dùng thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc Phần mềm này cung cấp một thư viện phong phú với nhiều khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tuyến và gián đoạn Người dùng cũng có khả năng tạo ra các khối chức năng riêng Đặc biệt, Simulink có thể nhận tín hiệu trực tiếp từ các phần mềm khác, như Dasylab, cho phép xử lý và phản hồi tín hiệu để điều khiển các đối tượng.

Trên hình thể hiện màn hình làm việc của Matlab, đây là màn hình chính điều khiển toàn bộ tất cả các quá trình diễn ra ở Matlab.

Hình ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI VÀ QUÁ

Trình chuyển làn của ô tô là một ứng dụng quan trọng trong việc phát triển các hệ thống tự lái Hình ảnh hiển thị màn hình của Simulink Library Browser, nơi tập hợp tất cả các phần tử có sẵn trong Simulink, cho phép người dùng dễ dàng truy cập và sử dụng các công cụ cần thiết để mô phỏng và phân tích hệ thống.

Hình ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI VÀ QUÁTRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.26 Cửa sổ tra cứu các khối trong thư viện

Trên hình biểu diễn một màn hình mới chuẩn bị cho quá trình lập trình với các phần tử có sẵn trong Matlab-Simulink.

Phần mềm MATLAB với Simulink cho phép mô phỏng hệ thống lái và quá trình chuyển làn của ô tô thông qua màn hình xây dựng sơ đồ khối Trong MATLAB-Simulink, có nhiều khối chức năng có sẵn thường được sử dụng để tạo ra các mô hình mô phỏng chính xác và hiệu quả.

Tất cả các khối chức năng được thiết kế theo một mẫu đồng nhất, với mỗi khối có thể có một hoặc nhiều đầu vào và đầu ra Tuy nhiên, có một số trường hợp ngoại lệ đối với các khối thuộc thư viện.

Các khối Sources và Sinks chỉ có đầu vào hoặc đầu ra, được đặt tên và nằm ở trung tâm hình khối chữ nhật với biểu tượng thể hiện đặc điểm riêng Người dùng có thể thay đổi tên khối, nhưng mỗi tên chỉ được sử dụng một lần trong cửa sổ mô phỏng Khi nháy đúp chuột trái vào khối, người dùng sẽ mở cửa sổ tham số Block Parameters (trừ các khối Scope, Slider Gain, Subsystem) để nhập thủ công các tham số đặc trưng.

Simulink phân loại các khối chức năng thành hai loại: khối ảo và khối thực Các khối thực rất quan trọng trong quá trình mô phỏng mô hình Simulink, vì việc thêm hoặc bớt chúng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính động học của hệ thống Ví dụ, các khối như tích phân (Integrator) hay hàm truyền đạt (Transfer Function) từ thư viện Continuous là những khối thực có vai trò quyết định trong mô hình hóa.

Khối Product trong thư viện con Math có khả năng thực hiện phép nhân, trong khi các khối ảo như Mux, Demux và Enable thuộc thư viện Signal Routing và Ports & Subsystems không thay đổi đặc tính của hệ thống mà chỉ thay đổi diện mạo của mô hình Simulink.

3.1.2 Tạo mới một khối để mô phỏng trong Matlab Simulink

Simulink chủ yếu được sử dụng thông qua chuột Bằng cách nháy đúp chuột trái vào thư viện con trong cửa sổ Library, người dùng có thể mở một cửa sổ mới chứa các khối từ thư viện đó Ngoài ra, nháy đúp vào nhánh của thư viện con ở bên phải cửa sổ Library Browser cũng cho kết quả tương tự Từ các khối trong thư viện con, người dùng có thể xây dựng lưu đồ tín hiệu mong muốn Để định dạng và soạn thảo, Simulink cung cấp nhiều chức năng hữu ích.

Bằng cách sử dụng tính năng kéo và thả (Drag & Drop) với chuột, người dùng có thể dễ dàng sao chép một khối nội dung từ thư viện con hoặc từ một cửa sổ khác bên ngoài thư viện.

Di chuyển khối trong cửa sổ rất đơn giản, chỉ cần nhấn giữ phím trái chuột và kéo khối đến vị trí mong muốn Để đánh dấu khối, bạn chỉ cần nháy chuột trái vào khối đó hoặc giữ phím Shift và kéo chuột để chọn nhiều khối cùng lúc.

Xóa: có thể xóa các đường nối hay các khối đã được đánh dấu bằng cách gọi lệnh

Menu Edit/ Clear hoặc chọn phím delete trên bàn phím.

Để tạo một hệ thống con mới, bạn cần đánh dấu nhiều khối có mối quan hệ chức năng và sau đó gom chúng lại thông qua Menu Edit/ Create Subsystem.

Để nối hai khối, bạn chỉ cần nhấn chuột trái vào đầu ra của một khối, sau đó giữ chuột và di chuyển đến đầu vào của khối cần nối Cuối cùng, thả tay để hoàn tất việc kết nối hai khối lại với nhau.

Di chuyển đường nối là một bước quan trọng để giữ cho lưu đồ tín hiệu rõ ràng và dễ theo dõi Người dùng có thể dễ dàng thay đổi vị trí của các đường nối bằng cách nháy chọn với phím trái chuột, cho phép di chuyển các điểm góc hoặc điều chỉnh từng đường nối một cách song song.

Thiết lập mô hình

3.2.1 Mô hình tuyến tính chuyển làn trên cao tốc

Hệ thống điều động chuyển làn đường tự động (LCM) cho phép phương tiện tự động di chuyển giữa các làn đường bằng cách mô hình hóa động lực điều khiển dọc và ngang Hệ thống này sử dụng cảm biến tích hợp để quét môi trường, phát hiện các vật thể quan trọng (MIO) và xác định quỹ đạo tối ưu nhằm tránh va chạm Để phát hiện các phương tiện xung quanh, LCM sử dụng năm cảm biến tầm nhìn và một cảm biến radar, kết hợp với trình theo dõi dựa trên liên kết dữ liệu xác suất chung (JPDA) để theo dõi các phát hiện từ nhiều cảm biến Cuối cùng, người lập kế hoạch chuyển làn sẽ tạo ra một quỹ đạo khả thi để bộ điều khiển thực hiện quá trình chuyển làn một cách an toàn.

* Mô hình băng thử nghiệm

TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.29 Mô hình băng thử nghiệm

Mô hình băng thử nghiệm chứa các hệ thống con sau:

Hệ thống con được thiết kế để mô phỏng tình huống giao thông, sử dụng năm cảm biến tầm nhìn, một cảm biến radar và một cảm biến INS Nó bao gồm khối Scenario Reader, cung cấp vị trí thực tế của mạng lưới đường bộ và xuất ra dữ liệu bản đồ cần thiết cho thuật toán lập kế hoạch thay đổi làn đường trên cao tốc Hệ thống này cũng thu thập các phát hiện từ cảm biến tầm nhìn, thông tin từ cảm biến radar và vị trí ước tính từ cảm biến INS, phục vụ cho thuật toán theo dõi và tổng hợp cảm biến.

TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.30 Scenario and Environment

+ Surround Vehicle Sensor Fusion: Hệ thống con hợp nhất các phát hiện từ nhiều cảm biến để tạo ra các vết

Hình ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.31 Surround Vehicle Sensor Fusion

+ Highway Lane Change Planner: Hệ thống con thực hiện thuật toán lập kế hoạch thay đổi làn đường để lái xe trên đường cao tốc.

Hình ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.32 Highway Lane Change Planner

Bộ điều khiển thay đổi làn đường là một hệ thống con có nhiệm vụ chỉ định bộ điều khiển đường đi theo lộ trình đã được xác định, đồng thời tạo ra các lệnh điều khiển phương tiện để di chuyển dọc theo quỹ đạo đã được thiết lập.

TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.33 Lane Change Controller

+ Vehicle Dynamics: Hệ thống con xác định mô hình động cho phương tiện.

TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.34 Vehicle Dynamics + Metrics Assesment: Hệ thống con chỉ định số liệu để đánh giá hành vi ở cấp hệ thống

Trình chuyển làn của ô tô là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá an toàn và hiệu suất giao thông Mặc dù mô hình này được áp dụng trên các tuyến đường cao tốc với tốc độ cao ở một số quốc gia, nhưng ở Việt Nam, tốc độ tối đa cho phép trên cao tốc chỉ là 120 km/h, do đó không phù hợp để áp dụng cho nghiên cứu này.

3.2.2 Mô hình chuyển làn bằng cách sử dụng bộ điều khiển dự đoán mô hình phi tuyến tính

Hệ thống kiểm soát hỗ trợ chuyển làn tự động giúp điều khiển phương tiện tự động chuyển sang làn đường bên cạnh khi phát hiện có một phương tiện khác di chuyển chậm hơn phía trước.

TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.36 Minh họa chuyển làn

TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.37 Mô hình Simulink tổng thể

TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.38 Khối Nonlinear MPC

Tại mỗi khoảng thời gian điều khiển, khối tính toán các bước điều khiển tối ưu bằng cách giải các bài toán lập trình phi tuyến

- X: Là một vector bao gồm 5 trạng thái của mô hình

+ ydot: Vận tốc ngang thân xe (m/s)

+ r: Vận tốc góc ô tô khi quay khỏi trục thẳng đứng (rad/s)

+ ps: Chuyển động quay của xe quanh trục z (rad)

+ x: Chuyển vị của xe dọc theo trục x cố định

+ y: Chuyển vị của xe dọc theo trục y cố định

Những thông số này chính là dữ liệu đầu ra của khối Bicycle Model.

+ Tín hiệu điều khiển được sử dụng trong khoảng thời gian điều khiển trước đó ở đây là góc đánh lái của xe (có giá trị delay là 1).

+ Đầu ra của tín hiệu tham chiếu được chuyển thành các vector tham chiếu thông qua khối Reshape.

- mv: Góc đánh lái của xe dưới dạng vector

Mô hình hóa chuyển động của phương tiện và mô hình hóa môi trường.

TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.39 Khối Vehicle and Environment

* Khối con Vehicle Dynamics: Chứa các thông số của xe Đầu vào bao gồm: + Góc đánh lái (rad)

+ v_set: Vận tốc của xe (m/s) Ở trong mô hình Bicycle Model, ta cần các thông số của xe như:

- Khoảng cách từ tâm xe đến cầu trước lf (m)

- Khoảng cách từ tâm xe đến cầu sau lr (m)

- Độ cứng khi vào cua của lốp trước Cf (N/rad)

- Độ cứng khi vào cua của lốp sau Cr (N/rad)

TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.40 Vehicle Dynamics Đầu ra:

- X Positions: Vị trí xe theo trục X dưới dạng vector

- Y Positions: Vị trí xe theo trục Y dưới dạng vector

- X Velocities: Vận tốc của xe theo trục X dưới dạng vector

- Y Velocities: Vận tốc của xe theo trục Y dưới dạng vector

- Yaw Angle: Góc quay của xe theo trục z

- Yaw Rate: Vận tốc quay của xe theo trục z

TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.41 Pack Ego Actor

Là một gói câu lệnh chứa các thông tin của xe như vị trí, vận tốc, góc quay Tín hiệu được truyền đi dưới dạng BUS.

Trình chuyển làn của ô tô là một hệ thống quan trọng giúp đọc dữ liệu về kịch bản làn đường và các phương tiện xung quanh Nó nhận đầu vào từ thông tin của phương tiện, bao gồm vị trí và vận tốc, và cung cấp đầu ra là thông tin chi tiết về các xe trên đường cũng như tình trạng của các làn đường.

TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.43 Occupancy Grid Generator

Tạo ra một lưới riêng biệt chứa thông tin về môi trường và những chiếc ô tô xung quanh.

Trình chuyển làn của ô tô là một phần quan trọng trong việc lập kế hoạch đường đi không va chạm, giúp tối ưu hóa hành vi di chuyển của các phương tiện khác AStar Path Planner đóng vai trò then chốt trong việc này, đảm bảo rằng các xe có thể chuyển làn một cách an toàn và hiệu quả.

Trình chuyển làn của ô tô sử dụng công nghệ AStar Path Planner để thực hiện các thao tác chuyển làn đường một cách chính xác Khối này hiển thị trạng thái của các phương tiện và vật thể quan trọng xung quanh xe, giúp xe tự động điều chỉnh vị trí an toàn trong lưu thông.

TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.46 Generate reference signal

Khối này tạo ra các tín hiệu tham chiếu về vị trí và dự đoán chuyển làn để gửi đến khối Nonlinear MPC.

Thông số tính toán của xe Hyundai County

Thông số Giá trị Đơn vị

Trọng lượng toàn bộ thiết kế 6670 KG

Khoảng cách từ trọng tâm tới cầu trước 2000 mm

Khoảng cách từ trọng tâm đến cầu sau 2058 mm

Các kết quả khảo sát mô hình

3.3.1 Xe chạy với tốc độ 54km/h

Trong tình huống mô phỏng, xe di chuyển trên đường nội thành với mật độ giao thông bình thường và tốc độ 54km/h Đường thẳng màu xanh phía trước xe thể hiện dự đoán lộ trình di chuyển Các cảm biến xung quanh xe sẽ kiểm tra khoảng cách đến xe phía trước, và khi đường màu xanh gần chạm vào xe phía trước, xe sẽ tự động chuyển sang làn trống bên trái.

TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.47 Xe chuyển làn sang trái

Khi không có chướng ngại vật phía trước, xe sẽ tiếp tục đi thẳng mà không chuyển làn như hình dưới.

Khi ô tô di chuyển thẳng và gặp chướng ngại vật phía trước, hệ thống sẽ kiểm tra hai làn đường bên cạnh để xác định xem có phương tiện nào đang di chuyển hay không Nếu làn bên trái có xe đang tiến lên, hệ thống sẽ dự đoán và chuyển làn sang làn thứ ba, nơi mà xe có thể thực hiện việc chuyển làn một cách an toàn.

Trình chuyển làn của ô tô thể hiện rõ qua đồ thị góc đánh lái, cho thấy khi xe chuyển sang phải, giá trị đồ thị tăng lên Khi xe đánh lái sang trái, giá trị này sẽ nhỏ hơn 0 Để duy trì hướng đi thẳng sau khi chuyển làn, xe cần trả lái ngược lại Sự giảm biên độ của đồ thị thành đường thẳng cho thấy xe đang di chuyển ổn định mà không có sự chuyển làn Đặc biệt, tại giây thứ 6,6, khi xe chuyển làn sang phải, đồ thị lại tăng lên giá trị dương, tương tự như lần chuyển làn trước.

Hình ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.50 Đồ thị góc đánh lái khi v = 54km/h

Vị trí bên của xe được xác định bởi khoảng cách ngang từ đường tâm hoặc mép ngoài của đường đến lốp trước của xe, phản ánh quỹ đạo dự kiến mà xe sẽ di chuyển Đồ thị thể hiện sự thay đổi vị trí này tương ứng với hai lần chuyển làn: lần đầu khi xe chuyển từ làn 3 sang làn 2 và lần thứ hai khi xe quay trở lại làn 3 từ làn 2.

Hình ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.51 Đồ thị theo dõi hành trình khi v = 54km/h

3.3.2 Xe chạy với tốc độ 90km/h

Khi xe di chuyển với tốc độ 15m/s, các cảm biến sẽ nhận diện xe màu cam phía trước và xe màu xanh ở làn bên phải Dựa trên thông tin này, hệ thống sẽ lập kế hoạch chuyển làn sang làn 2 một cách an toàn, đảm bảo xe có thể thực hiện thao tác chuyển làn một cách hiệu quả.

Khi cảm biến phát hiện ở phía trước không có chướng ngại vật, xe sẽ tiếp tục di chuyển trên làn 2 mà không thực hiện chuyển làn.

Khi phát hiện xe tím phía trước trong vùng nguy hiểm, nếu xe đang chạy với tốc độ 54 km/h, nó sẽ chuyển làn sang làn 3 Tuy nhiên, do có xe di chuyển với tốc độ 90 km/h ở làn 3 phía sau, việc chuyển sang làn này khá nguy hiểm Do đó, xe đã quyết định chuyển sang làn 1, nơi có khoảng cách an toàn với xe phía sau.

Khi di chuyển với tốc độ cao, việc chuyển làn diễn ra liên tiếp và gần nhau Khi xe đánh lái sang trái, giá trị trên đồ thị bắt đầu từ âm và tăng lên tối đa 0,4 rad khi trả vô lăng để xe đi thẳng Sau hai lần chuyển làn trái, đồ thị thể hiện đường thẳng tại giá trị 0 rad, cho thấy xe đã ổn định trên một làn đường.

Hình ứng dụng phần mềm MATLAB mô phỏng hệ thống lái và quá trình chuyển làn của ô tô cho thấy đồ thị góc đánh lái khi xe di chuyển với tốc độ 90 km/h Trong đồ thị theo dõi hành trình, vị trí bên của xe và quỹ đạo dự kiến có hình dạng tương đồng Hai lần đồ thị dốc xuống biểu thị cho hai lần xe chuyển sang làn trái, trong khi đường đồ thị vị trí bên của xe thể hiện sự thay đổi mượt mà hơn so với quỹ đạo dự kiến.

Hình ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.56 Đồ thị theo dõi hành trình xe khi v = 90km/h

3.3.3 Xe chạy với vận tốc 115km/h Ở trường hợp này khi xe đang di chuyển ở làn 1 với tốc độ 115km/h, xe sẽ có xu hướng chuyển làn sớm hơn, khi đường thẳng màu xanh chưa gần chạm đến xe màu vàng phía trước, xe đã chuyển sang làn 2 để đảm bảo an toàn.

TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.57 Xe chuyển sang làn 2

Khi chuyển sang làn 2, các cảm biến phát hiện xe màu cam phía trước, khiến phương tiện mục tiêu chuyển sang làn 3 sớm hơn so với tốc độ chậm.

Trong tình huống chuyển làn thứ 3, khi xe di chuyển ở làn 3 gặp xe màu cam phía trước trong vị trí nguy hiểm, xe cần chuyển sang làn 4 để đảm bảo an toàn Đồng thời, ở làn 1 và 2, có hai xe màu vàng cũng đang di chuyển trong vùng nguy hiểm gần phương tiện mục tiêu, do đó việc chuyển làn sang trái với tốc độ cao sẽ rất nguy hiểm.

Trình chuyển làn của ô tô cho thấy rằng khi xe chuyển sang làn 4, đồ thị góc đánh lái không còn là đường thẳng như ở tốc độ thấp Ở tốc độ cao, việc đánh lái liên tục là cần thiết để giữ xe ở giữa làn đường, dẫn đến đồ thị góc đánh lái có dạng hình sine.

Hình ứng dụng phần mềm MATLAB mô phỏng hệ thống lái và quá trình chuyển làn của ô tô cho thấy đồ thị góc đánh lái khi vận tốc đạt 115 km/h Trong đồ thị theo dõi hành trình, vị trí bên của xe và quỹ đạo dự kiến có sự tương đồng rõ rệt Đồ thị này có xu hướng tăng dần, phản ánh rằng tất cả các lần chuyển làn của xe đều diễn ra sang bên phải.

Hình ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÁI VÀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN LÀN CỦA Ô TÔ.61 Đồ thị theo dõi hành trình xe khi v =

Tiêu đề	Mô Phỏng Hệ Thống Lái Và Quá Trình Chuyển Làn Của Ô Tô Trên Một Số Đường Giao Thông Đặc Trưng Ở Việt Nam
Tác giả	Phan Nhật Trường, Đặng Văn Quảng, Phạm Văn Quảng, Đặng Văn Dũng, Nguyễn Thế Anh
Người hướng dẫn	ThS. Phạm Việt Thành
Trường học	Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Chuyên ngành	Công Nghệ Kĩ Thuật Ô Tô
Thể loại	báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	2,4 MB