Thiết kế hệ thống tự động điều khiển xe ô tô chuyển động theo quỹ đạo

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 75 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN XE Ô TÔ CHUYỂN ĐỘNG THEO QUỸ ĐẠO Nguyễn Ngọc Tuấn, Lê Khắc Thủy* Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, cấu trúc của hệ tự động điều khiển lái thiết bị di động dựa trên cơ sở kết hợp bộ điều khiển mờ (FLC) và điều khiển PID đã được thực hiện. Bộ điều khiển mờ thực hiện điều khiển khiển vòng ngoài, bộ điều khiển PID thực hiện điều khiển vòng trong. Trên cơ sở các điều kiện đường sá, yếu tố tác động bên ngoài, đặc điểm cấu trúc của xe để thực hiện điều khiển xe phỏng theo người lái xe. Sự kết hợp bộ điều khiển mờ và điều khiển PID ưu việt hơn trong bài toán điều khiển với điều kiện thiếu các cảm biến đo lường, khó bố trí thực hiện các phép đo các đại lượng vật lý đặc thù trên thiết bị di dộng. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của phương pháp đề xuất. Từ khóa: Thiết bị di động không người lái, Hệ thống điều khiển thông minh, Hệ thống điều khiển mờ. 1. MỞ ĐẦU Ngày nay, sự phát triển của các thiết bị di động thông minh (Intelligent Transportation Systems-ITS) cho phép chúng ta nâng cao hiệu quả, tăng tính tiện lợi và an toàn trong quá trình sử dụng [1],[2]. Trong lĩnh vực nghiên cứu tự động lái xe với yêu cầu tốc độ thường xuyên thay đổi, trong các điều kiện đường sá khác nhau (đường nhựa, đường đất, đường băng – tuyết, đường đá hộc và các đường thử nghiệm mẫu xe ô tô đặc thù) [3]. Có hai hướng nghiên cứu chính để xây dựng các bộ tự động điều khiển lái: một là thiết kế hệ thống điều khiển thông minh lái phỏng theo lái xe của con người và hai là hướng thiết kế hệ thống điều khiển trên cơ sở mô hình động lực học của xe ứng dụng các lý thuyết điều khiển. Hướng thứ nhất không yêu cầu chính xác mô hình động học của xe. Trong khi đó, hướng thứ hai đòi hỏi sự chính xác mô hình động học của xe, vì vậy cần phải thực hiện nhận dạng chính xác các tham số mô hình. Công việc này không phải lúc nào cũng có thể thực hiện được, quan trọng hơn nữa phương pháp này yêu cầu phải sử dụng rất nhiều các cảm biến khác nhau và làm tăng sự phức tạp của hệ thống. Việc ứng dụng thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại cho phép thiết kế được những hệ thống điều khiển lái cho xe ở các loại đường sá khác nhau. Các hệ thống lái phỏng theo việc điều khiển xe của con người dựa trên điều khiển hiện đại, điều khiển mờ, mạng nơ ron đã nhận được nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu. Giáo sư Tsugawa và nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển xe thông minh sử dụng (GPS) thu được nhiều kết quả đáng kể [4]. Cùng với đó một số nghiên cứu trong lĩnh vực xe ô tô tự động thông minh đã được đề cập trong các bài báo [5],[6]. Các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực xe ô tô tự động thông minh [5],[6]. Đặc biệt trong công trình [7], Hessburg và Tomizuka sử dụng lý thuyết điều khiển mờ để thiết kế hệ thống điều khiển, và đã thực nghiệm trên xe Toyota Celica. Những kết quả trên đã minh chứng cho việc ứng dụng bộ điều khiển mờ để thiết kế các hệ thống lái thiết bị di động. Nghiên cứu [8] chỉ ra bộ điều khiển mờ là một giải pháp hữu hiệu để thực hiện thiết kế các hệ thống có tính phi tuyến lớn, làm việc trong điều kiện thiếu các cảm biến. Công trình nghiên cứu của Sugeno và Nishida [9] chỉ ra, bộ điều khiển mờ điều khiển hệ thống phi tuyến như trong quỹ đạo di chuyển của ô tô đã thu được thành công lớn. Trong nghiên cứu này, đưa ra cấu trúc của hệ tự động điều khiển lái thiết bị di động dựa trên sự kết hợp bộ điều khiển mờ và điều khiển PID. Trên cơ sở các đặc điểm, điều kiện đường sá, đặc điểm cấu trúc của xe để thực hiện điều khiển xe chuyển động theo quỹ đạo xác định. 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XE Ô TÔ CHUYỂN ĐỘNG THEO QUỸ ĐẠO Kỹ thuật điều khiển &Điện tử N. N. Tuấn, L. K. Thủy, “Thiết kế hệ thống tự động điều khiển theo quỹ đạo.” 76 2.1. Mô hình động học xe ô tô Động học của truyền động điều khiển lái ô tô được nghiên cứu từ những năm 1950. Năm 1956 Segel đưa ra mô hình lái ô tô với ba bậc tự do xem xét chuyển động gồm 2 thành phần là chuyển động lăn và trượt, nếu chuyển động lăn bỏ qua thì mô hình động học ô tô được xem xét như mô hình xe đạp, đây là mô hình nghiên cứu thông dụng, chúng ta có thể tìm hiểu thêm [10,11,13]. Mô hình chuyển động được đưa ra như sau: rf ff r  fl rl f  CG B A v rf ff r fl rl f  CG B A v ry f y rv r yv xv rv f rM fM fsl rsl wl wf Hình 1. Mô hình xe đạp: Đối với thiết bị di động, với chuyển động lái bánh trước: mô hình động học ngoài (a); mô hình ma sát trong (b). Trong đó: v - tốc độ xe, А và B ký hiệu điểm tiếp xúc với đường bánh trước, bánh sau tương ứng.  – góc giữa hướng chuyển động mong muốn và hướng dọc thân xe AB. β - góc tạo bởi trục dọc thân xe và hướng chuyển động của xe, δf - góc đánh lái bánh xe trước, δr - góc hướng quay của bánh xe sau, vr - vận tốc đảo lái của xe. ff , fr lực tác dụng bánh trước và bánh sau vuông góc với hướng chuyển động của bánh xe. fw - lực gió tác động lên bề mặt khí động học xe và lw khoảng cách từ CG tới bề mặt khí động xe. lf, lr khoảng cách từ A và В tương ứng tới tâm của xe. lfs, lrs - khoảng cách từ cảm biến phía trước, cảm biến sau tương ứng tới tâm xe CG. yf, yr tương ứng là khoảng cách từ điểm quan sát trước và sau đến quỹ đạo di chuyển. αf, αr lần lượt là góc trượt của bánh trước và bánh sau, đại lượng này phụ thuộc góc lái, phụ thuộc vào đặc điểm lốp xe, áp suất lốp xe và chất lượng mặt đường. Sử dụng mô hình động học xe đạp hai bậc tự do. Mô hình chuyển động xe được mô tả như sau (mô hình Guldner, et al 1996)[12]: 2 2 0 1 0 0 0 2 2 2 2 2 0 0 . 00 0 0 1 22 2 2 2 0 0 f r f f r r f x x x f ff f r r f f r r zz x z x c c c l c ly y c v mv mvy y md dt l cl c l c l c l c II v I v                                                                          (1) Trong đó, vị trí di chuyển ngang y và góc hướng chuyển động của xe  . Các tham số y,  được xác định nhờ hệ thống định vị toàn cầu DGPS. Vận tốc chuyển động dọc thân Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 77 xe ký hiệu là vx; vy - vận tốc di chuyển ngang xe; cαf, cαr - hệ số độ cứng giữa bánh và mặt đường cho cặp bánh trước, sau tương ứng, cặp tham số này phụ thuộc vào cấu trúc, đặc điểm của xe và đặc điểm chất lượng đường sá, m - khối lượng xe và Iz - mô men quán tính xe. 2.2. Thiết kế bộ điều khiển 2.2.1. Bộ điều khiển PID điều khiển lái xe Trong nghiên cứu này, giới hạn góc quay và tốc độ quay bánh xe trước được cho như sau. Góc quay giới hạn |φ(t)| < 45 độ, tốc độ quay giới hạn (t) < 20 độ/s. Sai lệch vị trí trong chế độ quá độ không quá 0,15m; trong chế độ xác lập không quá 0,02m. Để đảm bảo yêu cầu thỏa mái và dễ chịu của hành khách thì gia tốc chuyển động theo chiều ngang không quá 2 m/s và chiều dọc thân xe không quá 4m/s. Hệ thống điện trên xe sử dụng là điện ác quy 12V. Do đó động cơ chấp hành sử dụng là động cơ điện 1 chiều 12V điều khiển vô lăng, động cơ chấp hành gắn với trục vô lăng qua dẫn động bánh răng. Tốc độ và góc quay của động cơ được phản hồi qua encoder tuyệt đối. Hệ thống lắp ghép các thiết bị được bố trí như trong hình 2. Hệ thống điều khiển hoạt động phỏng theo sự điều khiển của con người. Việc quay vô lăng từ trái sang phải và ngược lại được thực hiện trong khoảng 6÷8 s, do vậy yêu cầu tốc độ động cơ chấp hành khoảng 24 v/phút. Giá trị mô men của động cơ chấp hành đảm bảo quay được hệ truyền động lái khi ô tô ở vị trí dừng (cả 4 bánh dừng so với mặt đất), giá trị tính toán yêu cầu là 5Nm, do đó, ta chọn động cơ chấp hành là động cơ điện một chiều có mô men là 7Nm.  Hình 2. Mô hình ghép nối vật lý hệ thống truyền động điều khiển. Phương trình động học hệ truyền động lái hình 2 mô tả như sau: sgn( )c a aJ b F k           (2) Trong đó: θ - góc quay của trục lái, J - mô men quan tính của hệ thống lái, b - hệ số ma sát tốc độ, Fc - lực ma sát Coulomb, ka - hệ số tỉ lệ, τa - mô men tự cân bằng của hệ thống lái, τ - mô men xoắn truyền động. Từ mô hình truyền động của hệ thống, sơ đồ khối cấu trúc hệ thống truyền động lái cho xe ô tô có dạng như sau: Hình 3. Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển lái ô tô. Thực hiện nhận dạng tham số hệ hở sử dụng công cụ nhận dạng trong MatLab thu được Kỹ thuật điều khiển &Điện tử N. N. Tuấn, L. K. Thủy, “Thiết kế hệ thống tự động điều khiển theo quỹ đạo.” 78 hàm truyền sau: 2 0.8 ( ) 7.96 16.2 H s s s    (3) Sử dụng phương pháp Ziegler–Nichols thu được tham số bộ PID như sau: 36.8; 104.4; 1.42p I DK K K   2.2.2. Bộ điều khiển mờ điều khiển lái xe ô tô chuyển động theo quỹ đạo Bộ điều khiển mờ nhận tín hiệu từ các cảm biến DGPS, cảm biến góc đánh lái sau đó thực hiện xử lý thông tin, tính toán tín hiệu góc cần điều khiển lái vô lăng. Thông tin DGPS có tần số 10Hz, cảm biến góc tuyệt đối sử dụng là ATM90 SSI có tần số 100Hz, từ những thông tin này tính toán sai lệch vị trí xe và sai lệch góc hướng xe so với quỹ đạo chuyển động yêu cầu. Một bộ điều khiển mờ cơ bản (FIS) theo mô hình Mandani gồm ba thành phần chính: Khâu mờ hóa, khối suy luận mờ (thiết bị thực hiện luật hợp thành) và khâu giải mờ. Quá trình suy luận mờ dựa trên các biến ngôn ngữ, các tập mờ, các toán tử logic mờ và các luật hợp thành IF-THEN. Biến vào của bộ điều khiển mờ: sai lệch góc hướng của xe, sai lệch vị trí xe và vi phân sai lệch vị trí xe:  Góc sai lệch góc hướng của xe: ∆φ = φm - φ  Sai lệch vị trí xe: ∆l = lm - l  Vi phân sai lệch vị trí của xe : d(∆l)/dt Biến đầu ra của bộ điều khiển: giá trị tuyệt đối của góc điều khiển Các biến ngôn ngữ của bộ mờ ký hiệu như sau: N- âm (Negative); Z- không (Zero); P-dương(Positive); với các ký hiệu bổ sung S (nhỏ, small), M – (trung bình, medium), B –(lớn, big). Ví dụ, NB- âm lớn; NM- âm trung bình; PL- dương lớn. Các hàm liên thuộc của các biến mờ được đưa ra như sau: ( l)  a)Hàm liên thuộc sai lệch vị trí xe ( ) d l dt   b)Hàm liên thuộc vi phân sai lệch vị trí xe ( )  c)Hàm liên thuộc sai lệch góc hướng xe ( )  d)Hàm liên thuộc góc điều khiển động cơ chấp hành Hình 4. Hàm liên thuộc của các biến bộ điều khiển mờ. Trong nghiên cứu này, bộ điều khiển mờ được thiết kế theo mô hình Mandani [14]. Nguyên lý xây dựng bộ điều khiển mờ phỏng theo điều khiển của lái xe, bộ điều khiển bao hàm được các kinh nghiệm điều khiển xe. Các luật điều khiển đưa ra theo tư tưởng như sau:  Nếu góc hướng điều khiển sai lệch sang phải, thì điều khiển ô tô lái sang trái.  Nếu góc hướng điều khiển sai lệch sang trái, thì điều khiển ô tô lái sang phải. Ta quy ước hướng bên phải là hướng dương, hướng bên trái là hướng âm. If: sai lệch vị trí xe l là A1 và vi phân sai lệch vị trí xe d(∆l)/dt là B1 và góc hướng sai lệch  là C1, thì góc điều khiển động cơ chấp hành d là D1. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 79 Trong đó A1, B1,C1, D1 lần lượt là các biến ngôn ngữ của các hàm liên thuộc sai lệch vị trí xe, sai lệch vi phân vị trí xe và sai lệch góc hướng xe. Có rất nhiều phương pháp giải mờ [14], trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp trọng tâm vùng để tính toán góc điều khiển động cơ lái. Phương pháp này có khả năng giảm nhiễu, độ tin cậy cao, tính chính xác điều khiển và cải thiện tốc độ tính toán hệ thống. Công thức tính toán đưa ra như sau; 1 1 ( ) ( ) n i ii n ii u u du u u du        (4) Trong đó: u đại lượng đầu ra bộ điều khiển, ui biến ngôn ngữ hàm liên thuộc tín hiệu điều khiển động cơ lái và μ(ui) là hàm liên thuộc biến ngôn ngữ tương ứng. 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1. Số liệu đầu vào Mô hình nghiên cứu xe ô tô với bộ tham số như sau: m = 1500(kg); Iz = 2500(Kg.m 2); lf = 1.2(m); lr = 1.5(m); cf = 80000(N/rad); cr = 80000(N/rad). 3.2. Xây dựng hệ thống điều khiển ô tô chuyển động theo quỹ đạo sử dụng MatLab simulink Hình 5. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển ô tô chuyển động theo quỹ đạo. Hình 6. Kết quả mô phỏng hệ điều khiển bám theo quỹ đạo xung sin. Kỹ thuật điều khiển &Điện tử N. N. Tuấn, L. K. Thủy, “Thiết kế hệ thống tự động điều khiển theo quỹ đạo.” 80 Hình 7. Kết quả mô phỏng hệ điều khiển bám theo quỹ đạo xung vuông. 3.3. Kết quả mô phỏng và đánh giá Phân tích kết quả thu được trên hình vẽ 6 và 7 nhận thấy: Bộ điều khiển mờ và điều khiển PID thiết kế thực hiện điều khiển xe ô tô chuyển động đáp ứng các yêu cầu về chất lượng. Việc kết hợp bộ điều khiển mờ và điều khiển PID tạo ra hệ thống điều khiển thông minh, hệ thống có khả năng kháng nhiễu tốt. Hoạt động tốt trong điều kiện đối tượng điều khiển phi tuyến cao. Bộ điều khiển kết hợp PID và mờ hóa cho thấy có thể điều khiển ô tô chuyển động theo quỹ đạo biết trước hoạt động ổn định, chất lượng quá độ tốt, hệ thống đáp ứng nhanh, kết quả mô phỏng cho thấy thời gian yêu cầu để hệ thống bám được quỹ đạo 3,5s là hợp lý và phù hợp với thực tiễn lái xe. Sai số hệ thống nhỏ, kết quả mô phỏng cho thấy sai số bám vị trí của xe trên đường không quá 4cm. Hệ thống phản ứng tốt trong các điều kiện phức tạp của đường sá. 4. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, hệ thống tự động điều khiển lái xe theo quỹ đạo đã được thiết kế, trong đó đã kết hợp bộ điều khiển mờ và điều khiển PID để thực hiện điều khiển quay vô lăng xe. Bộ điều khiển mờ là bộ điều khiển cấp trên, thực hiện chức năng tính toán góc lái xe yêu cầu, góc lái xe này là đại lượng đầu vào để bộ điều khiển PID thực hiện điều khiển hệ thống truyền động điều khiển vô lăng sử dụng động cơ chấp hành một chiều kinh điển.Bộ điều khiển mờ thực hiện phỏng theo điều khiển của người lái xe, không cần phải nhận dạng tính toán các tham số mô hình động học phức tạp của xe ô tô. Bộ điều khiển mờ kết hợp được những kinh nghiệm của người lái xe. Sử dụng hệ thống định vị toàn cầu DGPS và cảm biến góc quay tuyệt đối của trục vô lăng để tính toán các tham số chuyển động của xe ô tô. Trên cơ sở đó xây dựng hệ thống điều khiển lái chuyển động mềm mại đáp ứng tính năng thời gian thực tốt. Kết quả nghiên cứu thu được minh chứng hệ thống điều khiển tự động cho thiết bị di động nói chung, cho xe ô tô nói riêng trong lĩnh vực nghiên cứu thiết bị di động thông minh, sử dụng hệ thống định vị toàn cầu DGPS và cảm biến góc tuyệt đối đo góc lái vô lăng trên cơ sở lí thuyết điều khiển mờ và PID thiết kế bộ điều khiển lái theo quỹ đạo cho trước thu được kết quả tốt. Là cơ sở để tiếp tục phát triển hệ thống tự động điều khiển thiết bị di động trong điều kiện đường sá phức tạp, có nhiều chướng ngại vật. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. European Transport Policy for 2010, “Time to Decide”, White Paper, Luxembourg: Office for Official Publications of the Eur. Communities, L-2985, 2001. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 81 [2]. Dr. Li Li& Dr. Fei-Yue Wang, “Advanced Motion Control and Sensing for Intelligent Vehicles”, 2007. [3]. J. E. Naranjo, C. González, J. Reviejo, R. García, and T. de Pedro, “Adaptive fuzzy control for inter-vehicle gap keeping,” Special Issue on Adaptive Cruise Control, IEEE Trans. Intell. Transp. Syst., vol. 4, no. 3, pp. 132–142, Sep. 2003. [4]. S. Kato, S. Tsugawa, K. Tokuda, T.Matsui, and H. Fujiri, “Vehicle control algorithms for cooperative driving with automated vehicles and intervehicle communications,” IEEE Trans. Intell. Transp. Syst., vol. 3, no. 3, pp. 155–161, Sep. 2002. [5]. R. Rajamani, H.-S. Tan, B. K. Law, and W.-B. Zhang, “Demonstration of integrated longitudinal and lateral control for the operation of automated vehicles in platoons,” IEEE Trans. Contr. Syst. Technol., vol. 8, no. 4, pp. 695–708, Jul. 2000. [6]. J. Farrell, H.-S. Tan, and Y. Yang, “Carrier phase GPS-aided INS based vehicle lateral control,” ASME J. Dyn. Syst. Meas. Control, vol. 125, No. 3, pp. 339–353, Sep. 2003. [7]. T. Hessburg and M. Tomizuka, “Fuzzy logic control for lateral vehicle guidance,” IEEE Control Syst., vol. 14, no. 4, pp. 55–63, Aug. 1994. [8]. J. M. Mendel, “Fuzzy logic systems for engineering: A tutorial,” Proc. IEEE, vol. 83, no. 3, pp. 345–377, Mar. 1995. [9]. M. Sugeno and M. Nishida, “Fuzzy control of a model car,” Fuzzy Sets Syst., vol. 16, no. 2, pp. 103–113, Aug. 1985. [10]. J. Ackermann, "Robust car steering by yaw rate control," Proceedings of the 29th IEEE Conference on Decision and Control, pp. 2033-2034, 1990. [11]. D.-C. Liaw, H.-H. Chiang, and T.T. Lee, “A bifurcation study of vehicle's steering dynamics,” Proceedings of IEEE Intelligent Vehicles Symposium, pp. 388-393, 2005. [12]. Guldner, Tan , ”Analysis of automatic steering control for highway vehicles with look-down lateral reference system”, et al. 1996 [13]. Rajesh Rajamani, ”Vehicle Dynamics and Control”,second edition, 2012. [14]. Егупова.Н.Д, “Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления”, МГТУ,2002. ABSTRACT DESIGN OF THE AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR CAR MOVING ON STRAJECTORY In this research, the control structure of steering automatic control system for unmanned autonomous vehicles, based on fuzzy logic (FL) and a proportional-integral- derivative (PID) controllers, is fulfilled. In which, fuzzy logic controller is designed in order to work as outer controller, while inner controller is based on PID algorithm. The control system, based on information of road situation, environment conditions, vehicles’ dynamics, will drive automobiles automatically as performance of professional driver. The integration of FL and PID controllers showed many advantages for automotive control system in real vehicles where are not enough whole sensors and cannot arrange specific equipment to measure necessary physical parameters. The simulated results demonstrated the efficiency of proposed control method. Keywords: Unmanned autonomous vehicles, Inteligent control system, Fuzzy logic controller. Nhận bài ngày 13 tháng 03 năm 2015 Hoàn thiện ngày 23 tháng 03 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày12 tháng 06 năm 2015 Địa chỉ: Khoa Kỹ thuật điều khiển - Học viện KTQS; *Email: lekhacthuy82@gmail.com.