Tài liệu Luận văn nghiên cứu điều khiển xe điện theo quỹ đạo cho trước​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- VŨ ĐỨC NGUYÊN NGHIÊN CỨU – ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN THEO QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ – Điện Tử Mã số ngành: 60520114 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- VŨ ĐỨC NGUYÊN NGHIÊN CỨU – ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN THEO QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ – Điện Tử Mã số ngành: 60520114 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN TẤN TIẾN TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2016 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. NGUYỄN TẤN TIẾN ……. Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 05 tháng 03 năm 2016. Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT 1 2 3 4 5 Họ và tên PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG TS. NGUYỄN DUY ANH TS. VÕ HOÀNG DUY TS. ĐẶNG XUÂN KIÊN TS. NGUYỄN VĂN NHANH Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện 1 Phản biện 2 Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận Văn Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày 26 tháng 01 năm 2016 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VŨ ĐỨC NGUYÊN ...............................Giới tính: Nam....................... Ngày, tháng, năm sinh: 26/04/2989......................................Nơi sinh: Tiền Giang ........... Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử ................................ MSHV: 1441840007 .......... I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU – ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN THEO QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC .............. ............................................................................................................................................... II- Nhiệm vụ và nội dung: Nghiên cứu thuật toán bám line tự động cho xe ô tô 4 bánh. 1./ Mô hình hóa hệ thống. 2./ Thiết kế bộ điều khiển. 3./ Thực nghiệm kiểm chứng. III- Ngày giao nhiệm vụ: 26/05/2015 ................................................................ IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 26/01/2016 ................................................................. V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN TẤN TIẾN............................................. ............................................................................................................................................... CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn (Ký và ghi rõ họ tên) VŨ ĐỨC NGUYÊN LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi đến thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến lòng tri ân sâu sắc. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, Tiến sĩ Nguyễn Tấn Tiến là người đã tận tình hướng dẫn, định hướng và cung cấp những góp ý cần thiết để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này. Không chỉ học hỏi được kiến thức của thầy, tôi còn học được ở thầy phương pháp nghiên cứu, cách thức làm việc khoa học và cũng như sự nhiệt tâm của người thầy với học trò. Để có được kiến thức như hôm nay, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy trong bộ môn Cơ Điện tử - trường đại học Công Nghệ thành phố Hồ Chí Minh. Ngoài ra tôi xin gửi lời cám ơn đến sự hỗ trợ của các bạn kỹ sư, sinh viên đang làm việc và học tập tại Phòng Thí nghiệm Cơ Điện Tử- trường Bách Khoa Tp HCM, nơi tôi đã tiến hành các thí nghiệm kiệm chứng. Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các người thân, bạn bè và đồng nghiệp, những người đã luôn động viên và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 11 năm 2015 VŨ ĐỨC NGUYÊN TÓM TẮT Mục tiêu chính của luận văn là tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển cho xe ô tô điện bốn bánh đi theo quỹ đạo cho trước. Nội dung nghiên cứu luận văn bao gồm: * Mô hình hóa hệ thống, tác giả mô hình hóa hệ thống dựa trên sơ đồ nguyên lý của xe ô tô 4 bánh sử dụng bộ truyền động vi sai phía sau và cơ cấu lái hình thang theo chuẩn cơ cấu lái Ackerman. * Thiết kế bộ điều khiển, tác giả thiết kế bộ điều khiển dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Tác giả sử dụng các dữ liệu đầu ra của cảm biến camera để tính toán các thông số cần thiết cho bộ điều khiển. * Mô phỏng, tác giả mô phỏng bằng phần mềm Matlab để kiểm tra tính ổn định bộ điều khiển. * Thực nghiệm kiểm chứng, tác giả sử dụng mô hình ô tô điện 4 bánh có sơ đồ nguyên lý giống với ô tô thực để kiểm chứng tính khả thi của bộ điều khiển. ABSTRACT The main objective of the thesis is focused on researching, designing controllers for electric cars four wheels followed the the previous orbit. Research contents include: * Modeling system, author modeling system based on the principle diagram of 4-wheeled vehicles using transmission rear differential and steering trapezoid with Ackerman steering standard. * Controller design, the authors designed controllers based on stable Lyapunov standards. The author uses the output data of the camera sensor to calculate the parameters necessary for the controller. * Simulation, by using Matlab software simulation for checking the stability of control. * Experimental verification, the authors use the model 4-wheel electric car with the principle diagram similar to real cars to test the feasibility of the controller. 1 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU.....................................................................................5 DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................7 DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.......................................................................................9 1.1. Giới thiệu chung về ô tô điện............................................................................9 1.2. Giới thiệu chung về ô tô điện tự động ............................................................10 1.2.1. Khái niệm ................................................................................................10 1.2.2. Ưu điểm – Nhược điểm...........................................................................10 1.2.3. Nguyên lý hoạt động ô tô điện tự động ..................................................11 1.2.4. Những hệ thống hỗ trợ tích hợp trên xe ô tô điện tự động.....................11 1.3. Những phương pháp điều khiển xe điện đã được nghiên cứu ........................12 1.3.1. Phương pháp điều khiển mờ ( Fuzzy Control)........................................12 1.3.2. Phương pháp điều khiển neural ( Neural Networks Control System) ....15 1.4. Vấn đề nghiên cứu của luận văn .....................................................................19 1.4.1. Đầu bài đặt ra ..........................................................................................19 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu của luận văn ...........................................................19 1.4.3. Nội dung thực hiện trong luận văn..........................................................19 1.4.4. Ý nghĩa khoa học của luận văn ...............................................................19 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ...............................................................20 2.1. Lựa chọn đối tượng điều khiển ......................................................................20 2.1.1. Xe ô tô 4 chỗ truyền động cầu vi sai phía trước .....................................20 2 2.1.2. Xe ô tô 4 chỗ truyền động cầu vi sai phía sau ........................................20 Lựa chọn:...........................................................................................................20 2.2. Lựa chọn bộ điều khiển ..................................................................................21 2.2.1. Bộ điều khiển mờ ( Fuzzy Control ) .......................................................21 2.2.2. Bộ điều khiển nơ-ron ( Neural Control ).................................................21 2.2.3. Bộ điều khiển Adaptive...........................................................................22 2.2.4. Bộ điều khiển Back Stepping ..................................................................22 Lựa chọn............................................................................................................22 2.3. Lựa chọn cảm biến ..........................................................................................23 2.3.1. Cảm biến từ trường .................................................................................23 2.3.2. Cảm biến siêu âm ....................................................................................23 2.3.3. Cảm biến Camera ....................................................................................23 Lựa chọn............................................................................................................24 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................25 3.1. Mô hình hóa động học xe ô tô 4 bánh ............................................................25 3.1.1. Động học cơ cấu lái.................................................................................25 3.1.2. Mô hình hóa động học toàn hệ thống......................................................26 3.2. Mô hình hóa hệ thống .....................................................................................28 3.3. Thiết kế bộ điều khiển bám line .....................................................................29 3.4. Đo các sai số ...................................................................................................30 3.5. Phương trình điều khiển mô hình thực nghiệm ..............................................31 3.5.1. Giải thuật điều khiển ...............................................................................31 3.5.2. Mối liên hệ giữa và ....................................................................31 3 3.5.3. Mối liên hệ giữa và Đ .....................................................................32 3.6. Mô phỏng matlab ............................................................................................33 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM ................................................................................35 4.1. Cảm biến sử dụng – CMU Cam 5 ..................................................................35 4.2. Tính tỷ số truyền cơ cấu lái ............................................................................35 4.3. Mô hình thực nghiệm ......................................................................................36 4.4. Kết quả thực nghiệm .......................................................................................37 4.5. So sánh kết quả ...............................................................................................38 Chương 5: KẾT LUẬN .............................................................................................39 5.1. Nhận xét kết quả .............................................................................................39 5.2. Kết luận ...........................................................................................................39 5.2. Định hướng phát triển đề tài ...........................................................................39 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................40 4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT EV: Electric vehicles HEV: Hybrid electric vehicle OLEV: OnLine Electric Vehicle AGVs : Automated Guided Vehicles SDC: Self Driving Car GPS: Global Positioning System 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký Hiệu Mô Tả Sai số theo phương tiếp tuyến. [mm] Sai số theo phương pháp tuyến. [mm] Sai số góc xoay. [deg.] Vận tốc tâm xe. [m/s] Vận tốc điểm tham chiếm R [m/s] 1/2 khoảng cách hai bánh xe. [m] Khối lượng xe. [kg] Gia tốc trọng trường 9.81 / ℎ Đơn Vị . [ / ] Lực ma sát. [N] Chiều cao đặt camera. [m] Bán kính bánh xe. [m] Góc hợp giữa trục xe và trục x. [deg] Góc hợp bởi tiếp tuyến đường line tại R và trục x. [deg] Tốc độ góc của xe. [rad/s] Tốc độ góc điểm tham chiếu R. [rad/s] Hoành độ tâm xe. [m] Tung độ tâm xe. [m] Hoành độ điểm tham chiếu R. [m] Tung độ điểm tham chiếu R. [m] Hoành độ tâm vùng trắc trên. [mm] 6 Đ Hoành độ tâm vùng trắc dưới. [mm] Tung độ tâm vùng trắc trên. [mm] Tung độ tâm vùng trắc dưới. [mm] Kích thước dọc màn hình. [mm] Kích thước ngang màn hình. [mm] Vận tốc vòng quay của bánh xe. [vòng/s] Vận tốc vòng quay của trục chính bánh xe. [vòng/s] Vận tốc vòng quay của trục bộ vi sai. [vòng/s] Vận tốc vòng quay của trục hộp giảm tốc. [vòng/s] Vận tốc vòng quay của trục động cơ. [vòng/s] 7 DANH MỤC BẢNG Bảng 3. 1 - Thông số ban đầu của xe ........................................................................33 Bảng 5. 1 - Tỷ lệ của góc quay đc và 2 bánh xe .......................................................35 DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1 – Hoạt động ô tô điện ..................................................................................9 Hình 1. 2 - Nguyên lý hoạt hộng ô tô điện tự động hoàn toàn ..................................11 Hình 1. 3 – Hệ thống điều khiển [14] .......................................................................13 Hình 1. 4 – Bộ điều khiển Fuzzy Control [14]..........................................................13 Hình 1. 5 – Kết quả thu nhận từ camera [14] ............................................................14 Hình 1. 6 – Kết quả thực nghiệm trên đường chữ S [14] ..........................................14 Hình 1. 7 – Kết quả thực nghiệm trên góc cong gắt [14] ..........................................14 Hình 1. 8 – The CMU Navlab Autonomous Navigation Testbed [15] .....................15 Hình 1. 9 – Network for Vehical Detection [15] ......................................................16 Hình 1. 10 – Neural network architecture for autonomous driving [15] ..................16 Hình 1. 11 – Quá trình huấn luyện cho hệ thống [15] ..............................................17 Hình 1. 12 – Hình ảnh những dạng mẫu đường để huấn luyện [15].........................17 Hình 1. 13 – Những dạng đường thực tế [15] ...........................................................17 Hình 1. 14 – Mô phỏng khi xe lệch hướng [15]........................................................18 Hình 1. 15 – Kết quả mô phỏng khi xe quay lại hướng ban đầu [15] .......................18 Hình 2. 1 – Sơ đồ nguyên lý mô hình .......................................................................21 Hình 2. 2 - Sơ đồ bộ điều khiển back stepping. ........................................................22 Hình 2. 3 – Khối điều khiển DC Motor Controller. ..................................................22 Hình 2. 4 - Cảm biến Camera CMU 5 ......................................................................24 8 Hình 2. 5 - Dạng bám line .........................................................................................24 Hình 3. 1 - Mô hình hóa cơ cấu lái. ..........................................................................25 Hình 3. 2 - Xác định góc quay φ_c thông qua φ_l. ...................................................26 Hình 3. 3 - Mô hình hóa hệ thống bám line. .............................................................28 Hình 3. 4 - Sơ đồ đo sai số e2, e3. ............................................................................30 Hình 3. 5 - Sơ đồ tính sai số e1. ................................................................................30 Hình 3. 6 - Giải thuật điều khiển. ..............................................................................31 Hình 3. 7 - Kết quả mô phỏng bằng matlab. .............................................................33 Hình 3. 8 - Sai số 2..................................................................................................34 Hình 3. 9 - Sai số 3. .................................................................................................34 Hình 4. 1 – Mô hình thực nghiệm .............................................................................36 Hình 4. 2 – Mô hình di chuyển trên line thực nghiệm ..............................................36 Hình 4. 3 – Thực nghiệm sai số 2. .........................................................................37 Hình 4. 4 – Thực nghiệm sai số 3. .........................................................................37 Hình 4. 5 – So sánh thông số 2. ..............................................................................38 Hình 4. 6 – So sánh thông số 3. ..............................................................................38 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về ô tô điện Gồm ba hệ thống chủ yếu: hệ động lực điện, hệ thống năng lượng, và hệ thống phụ trợ. [1] - Hệ động lực điện bao gồm: hệ thống điều khiển xe, bộ chuyển đổi điện, các động cơ điện, và bánh chủ động. - Hệ thống năng lượng bao gồm: nguồn năng lượng, bộ phận quản lý năng lượng. - Hệ thống phụ trợ bao gồm: trợ lực lái, điều hòa, nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ. Nguồn điện Bộ quản lý năng lượng Pin Tay lái Chân ga Chân thắng Trung tâm xử lí tín hiệu Hệ thống điều hòa Động cơ điện Góc lái bánh xe Hình 1. 1 – Hoạt động ô tô điện Truyền động cơ khí 10 1.2. Giới thiệu chung về ô tô điện tự động 1.2.1. Khái niệm Ô tô điện tự động là một chiếc ô tô điện có một hệ thống lái tự động cho phép nó vận hành một cách an toàn từ nơi này đến nơi khác mà không có sự can thiệp từ con người, tránh trở ngại về thời tiết, tránh vật cản trên đường và xe khác. 1.2.2. Ưu điểm – Nhược điểm + Ưu điểm về mặt kỹ thuật + Hạn chế lỗi của con người trong khi vận hành, an toàn hơn khi lưu thông. + Công nghệ cảm biến hiện đại có thể thích ứng tốt hơn với môi trường, tăng tầm nhìn, phát hiện được chướng ngại vật nhỏ hơn và tinh tế hơn. + Thân thiện với môi trường, giảm thiểu tiếng ồn. + Người bị khuyết tật và người cao tuổi vẫn có thể sử dụng được ô tô. + Ô tô có thể tự đi tìm chỗ và đậu chính nó, tiết kiệm thời gian. + Khuyết điểm về mặt kỹ thuật + Cần phải đảm bảo chất lượng tốt nhất vì chỉ cần một trục trặc nhỏ cũng có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng. + Không phân định được trách nhiệm khi có hậu quả xảy ra. + Khi những Hacker thâm nhập vào phần mềm sẽ kiểm soát được xe. + Thời tiết khắc nghiệt có thể ảnh hưởng đến chất lượng cảm biến. + Hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông cần phải thay đổi. 11 1.2.3. Nguyên lý hoạt động ô tô điện tự động Nguồn điện Môi trường Pin Hệ thống cảm biến Bộ quản lý năng lượng Hệ thống điều hòa Trung tâm xử lý tín hiệu và điều khiển Động cơ điện Hệ thống xử lý tín hiệu cảm biến Góc lái bánh xe Truyền động cơ khí Hình 1. 2 - Nguyên lý hoạt hộng ô tô điện tự động hoàn toàn 1.2.4. Những hệ thống hỗ trợ tích hợp trên xe ô tô điện tự động 1.2.4.1. Autonomous Cruise Control (ACC) Autonomous Cruise Control ( Kiểm Soát Hành Trình Tự Động), sử dụng bộ điều tốc ly tâm để điều khiển vị trí của bướm ga. Hệ thống kiểm soát tốc độ của xe trong mọi tình huống khi vận hành, đặc biệt như khi lên dốc và xuống dốc. [9] 1.2.4.2. Global Positioning System Control Global Positioning System (GPS), sử dụng cảm biến vô tuyến thu phát tín hiệu đến vệ tinh. Là hệ thống dẫn đường, cung cấp thông tin vị trí, thời gian và điều kiện thời tiết ở bất cứ nơi nào trên trái đất. [5] 1.2.4.3. Attention Warning System Attention Warning System ( Hệ Thống Cảnh Báo Tạo Sự Chú Ý ), sử dụng cảm biến hồng ngoại đặt trong cabin để theo dõi người lái, hệ thống sẽ cảnh báo khi người lái dấu hiệu buồn ngủ bằng hay mất tập trung (sử dụng điện 12 thoại, hoặc không nhìn thẳng khi lái xe) bằng cách phát ra âm thanh để gây sự chú ý và cảnh báo cho tài xế khi có sự cố xảy ra phía trước. [10] 1.2.4.4. Collision Avoidance System: Collision Avoidace System ( Hệ Thống Tránh Va Chạm), sử dụng hệ thống cảm biến Radar - Laser - Camera để quan sát. Hệ thống được thiết kế cho xe ô tô tự động giúp xe chuyển động an toàn, tránh va chạm. [11] 1.2.4.5. Automatic Parking Assist System Automatic Parking Assist System là hệ thống hỗ trợ đậu xe tự động cho những dòng xe tự hành. Hệ thống có thể điều khiển xe tự tìm chỗ đậu xe và đưa xe từ làn đường giao thông vào chỗ đậu xe theo hướng song song, vuông góc hoặc theo góc cho trước của bãi giữ xe. [12] 1.3. Những phương pháp điều khiển xe điện đã được nghiên cứu 1.3.1. Phương pháp điều khiển mờ ( Fuzzy Control) Hệ thống điều khiển được nghiên cứu bởi Tingjian Zhong và Meilian Qiu [14]. Thiết kế phần cứng của hệ thống điều khiển không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của chiếc xe thông minh, mà còn liên quan đến chi phí sản xuất. Hệ thống gồm những mô-đun sau, bộ xử lý MC9S12DG128, mô-đun điều khiển servo, mô-đun thu nhận hình ảnh, mô-đun thu nhận vận tốc. Thuật toán điều khiển xe thông minh là cốt lõi của toàn bộ hệ thống, bao gồm: thuật toán điều khiển tốc độ bánh xe sau và thuật toán điều khiển cho góc lái bánh trước. Sơ đồ thuật toán điều khiển xe thông minh được thể hiện ở hình dưới (Hình 1.3).