Luận án Nghiên cứu điều khiển hệ thống lái điện trên ô tô con

1 
Chƣơng I. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 
1.1. Hệ thống cơ điện tử trên ô tô 
Trong những năm gần đây, các hệ thống cơ điện tử được phổ biến trên tất cả các 
dòng xe nhờ vào sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin, công nghệ điện điện 
tử, công nghệ chế tạo cảm biến và cơ cấu chấp hành. Xu hướng ứng dụng các hệ thống cơ 
điện tử trên ô tô giúp đảm bảo an toàn chuyển động, tiện nghi, thân thiện với môi trường 
đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe và thị hiếu của người sử dụng ngày càng phổ biến. Việc 
nghiên cứu phát triển các hệ thống cơ điện tử ứng dụng trên ô tô thường được tiến hành 
tại các phòng thí nghiệm của các hãng lớn phối hợp với các trường đại học lớn trên thế 
giới. Các nghiên cứu ứng dụng giúp các hãng ô tô tạo ra các sản phẩm chất lượng, chiếm 
lĩnh thị trường thế giới. Những ứng dụng cơ điện tử ban đầu tập trung cho các loại ô tô 
cao cấp với số lượng ít, giá thành cao sau đó dần phổ biến trên nhiều loại khác nhau. 
Các nghiên cứu về hệ thống cơ điện tử hình thành nên các bước phát triển công 
nghệ trong ngành công nghiệp ô tô một cách rõ nét. Có thể thấy sự thay đổi của công 
nghệ ô tô qua các phiên bản xe xuất hiện trên thị trường. Theo quá trình phát triển có thể 
chia ra thành các giai đoạn như sau [11]: 
 Thuần cơ khí (từ trước đến năm 1920): công nghệ chính của các phiên bản 
xe ban đầu tập trung vào các kết cấu cơ khí. Công nghệ chế tạo các hệ thống cơ khí và 
đặc tính làm việc của các hệ thống này trở thành nền tảng ngành công nghiệp ô tô. 
 Cơ điện (1920-1960): Trong giai đoạn này công nghệ chế tạo các hệ thống 
cơ khí tiếp tục được phát triển. Bên cạnh đó các phát minh về điện dần được áp dụng và 
phổ biến dẫn đến các hệ thống cơ khí được bổ sung các bộ phận điện làm cải thiện các 
đặc tính làm việc của hệ thống thuần cơ khí trước đây. Những ứng dụng này hình thành 
nên bước nhảy công nghệ quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô. 
 Cơ điện tử dạng độc lập (1960-1985): Trong giai đoạn này công nghệ bán 
dẫn được nghiên cứu áp dụng bổ sung cho hệ thống cơ điện giúp cải thiện các đặc tính 
làm việc của hệ thống cơ điện lên một bước mới. Mặc dù công nghệ bán dẫn được nghiên 
cứu phát triển từ trước những năm 1950, tuy nhiên giai đoạn này mới được nghiên cứu 
2 
ứng dụng trên ô tô. Đặc biệt trong giai đoạn này việc ứng dụng các nghiên cứu về vi điều 
khiển và điều khiển tự động hình thành nên các tính năng tự động hóa các hệ thống cơ 
điện tử trên ô tô. 
 Cơ điện tử dạng phối hợp (1985-1995): Đặc điểm chính của công nghệ 
trong giai đoạn này là sự phối hợp của các hệ thống cơ điện tử cùng tham gia điều khiển 
trạng thái chuyển động ô tô. Nhờ vào việc phối hợp điều khiển này quỹ đạo chuyển động 
ô tô được kiểm soát. 
 Cơ điện tử dạng tích hợp (1995 đến nay): Quan điểm thiết kế đối với các ô 
tô trong giai đoạn này là tất cả các hệ thống trên ô tô được kiểm soát một cách thống 
nhất. Nhờ các công nghệ truyền dẫn tín hiệu sử dụng mạng CAN cho phép tất cả các hệ 
thống kết nối với nhau cùng tham gia quá trình điều khiển ô tô. Cho đến nay, các xe trang 
bị công nghệ này có giá thành tương đối cao, chủ yếu tập trung ở các dòng xe cao cấp 
[35]. 
 Giai đoạn tương lai gần: Hiện nay, các nghiên cứu ứng dụng đang tập trung 
vào dạng cơ điện tử tích hợp tự động hóa từng phần và cơ điện tử dạng tích hợp tự động 
hoàn toàn. Các công nghệ này tập trung vào nghiên cứu việc kiểm soát hoàn toàn các hệ 
thống trên xe, phối hợp với hệ thống giao thông thông minh và cảm nhận môi trường lái 
xe. 
Một hệ thống cơ điện tử trên ô tô bao gồm kết cấu cơ khí, mạch điện điều khiển, cơ 
cấu chấp hành, các cảm biến và chương trình điều khiển (Hình 1.1). Trong năm thành 
phần của hệ thống cơ điện tử thì chương trình điều khiển đóng vai trò quan trọng nhất. 
Chương trình điều khiển có thể thay đổi một cách linh hoạt theo các thuật toán khác 
nhau. Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của các hệ thống trên ô tô, các nhà thiết kế sẽ lựa 
chọn xây dựng chương trình điều khiển dựa trên các thuật toán. Thuật toán điều khiển 
được phát triển dựa trên lý thuyết điều khiển. Lý thuyết điều khiển hiện đại được áp dụng 
cho các hệ thống cơ điện tử ô tô làm cho các hệ thống này ngày càng trở nên thông minh. 
Việc áp dụng này làm cho ngành công nghiệp ô tô luôn có các bước nhảy công nghệ. Các 
hệ thống cơ điện tử được áp dụng để cải tiến các hệ thống nhằm mục đích chính đáp ứng 
các trạng thái mong muốn theo yêu cầu điều khiển chuyển động, tối ưu hóa các trạng thái 
chuyển động và điều khiển cho người lái. Đối với người ngồi trên xe, các hệ thống cơ 
3 
điện tử được phát triển theo hướng tạo cảm giác thoải mái và đảm bảo an toàn chủ động 
cũng như bị động [36]. 
Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống cơ điện tử ô tô 
Các hệ thống cơ điện tử ô tô được phát triển gồm ba hệ thống điều khiển chính: hệ 
thống cơ điện tử ô tô điều khiển độc lập, hệ thống cơ điện tử ô tô điều khiển kết hợp, hệ 
thống cơ điện tử ô tô điều khiển tích hợp. 
1.1.1. Hệ thống điều khiển độc lập 
Hệ thống điều khiển độc lập là hệ thống được thiết kế dựa trên đặc tính bản thân hệ 
thống chưa xét đến mối liên hệ với các hệ thống điều khiển khác. Hệ thống điều khiển 
này được áp dụng trên các hệ thống cơ điện tử thế hệ đầu. Hệ thống điều khiển độc lập 
này có thể sử dụng hệ thống điều khiển kín hoặc hở. Trên ô tô đa phần các hệ thống cơ 
điện tử đều dùng hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín (Hình 1.2). 
Hình 1.2: Hệ thống điều khiển hệ thống lái phản hồi kiểu vòng kín 
Hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín áp dụng trên các hệ thống điều khiển trên ô 
tô có khuynh hướng duy trì một mối quan hệ được định trước giữa các giá trị biến thiên 
của hệ thống. Phương thức điều khiển thông qua phép so sánh giữa các giá trị đáp ứng 
mong muốn và giá trị thực tế đạt được. Hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín này ứng 
dụng trên ô tô cũng được chia thành nhiều dạng khác nhau như: điều khiển đơn biến, điều 
4 
khiển đa biến, điều khiển phản hồi trạng thái, điều khiển bền vữngNghiên cứu ứng 
dụng cho hệ thống cơ điện tử độc lập hoàn thiện về mặt kết cấu công nghệ làm tiền đề 
cho việc phát triển các hệ thống cơ điện tử ô tô dạng phối hợp [25]. Các hệ thống phát 
triển dạng này có thể thấy như: điều khiển tiết chế loại bán dẫn, phun xăng đơn điểm, hệ 
thống phanh sử dụng ABSChúng hoạt động độc lập, song song nhau, nhận các tín hiệu 
đầu vào một cách độc lập hoặc tín hiệu chung. Tuy nhiên, các hệ thống không có sự liên 
kết. 
1.1.2. Hệ thống điều khiển kết hợp 
Hệ thống điều khiển kết hợp được phát triển dựa trên hai hay nhiều hệ thống điều 
khiển phối hợp với nhau cùng điều khiển chuyển động của xe. Đặc điểm chính của hệ 
thống này là các chương trình điều khiển có tính toán đến sự ảnh hưởng của các hệ thống 
khác, kết quả của quá trình điều khiển là sự phối hợp của hai hay nhiều chương trình điều 
khiển khác nhau. 
Đặc tính động học của xe luôn được điều khiển bởi các tín hiệu được thực hiện qua 
thao tác điều khiển bướm ga khi tăng tốc, điều khiển vành tay lái khi đổi hướng và điều 
khiển phanh khi gặp chướng ngại vật. Đây là ba tín hiệu chính trong quá trình điều khiển 
ô tô. Sự thay đổi ba tín hiệu điều khiển này ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính động lực học 
của xe. Mối liên hệ giữa chúng có thể là tương hỗ hoặc xung đột. Có thể thấy rõ quan hệ 
giữa hệ thống phanh và hệ thống treo: 
 Khi tác dụng lực lên bàn đạp phanh, lực phanh tại các bánh xe giúp giảm 
vận tốc chuyển động của ô tô hay đảm bảo ổn định động lực học theo phương dọc, nhưng 
khi phanh tải trọng có xu hướng dồn về cầu trước ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống treo. 
 Khi điều khiển quay vòng, trọng lượng phân bố lại lên các bánh xe bên trái 
và bên phải. 
Hệ thống phanh và hệ thống lái cũng có mối quan hệ quan trọng. Quỹ đạo chuyển 
động của xe khi quay vòng có thể can thiệp bằng hệ thống phanh thông qua việc điều 
khiển lực phanh điều khiển các bánh xe để đảm bảo quỹ đạo mong muốn. Có thể hiểu rõ 
điều này thông qua ví dụ về hoạt động kết hợp giữa hệ thống lái chủ động AFS và hệ 
thống ổn định động lực học DSC (Hình 1.3). Trạng thái ô tô khi quay vòng có thể được 
5 
đáp ứng một cách tối ưu thông qua việc kết hợp quá trình điều khiển hệ thống lái tích cực 
và điều khiển tạo lực phanh phụ trên cầu xe. Hệ thống điều khiển kết hợp là tiền thân của 
hệ thống điều khiển tích hợp được bố trí trên các xe hiện đại [49]. 
Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển kết hợp AFS và DSC 
Hệ thống cơ điện tử phối hợp giúp việc điều khiển trở nên chính xác và hiệu quả 
hơn, không những thế nó còn tạo sự liên kết, phối hợp điều khiển giữa các hệ thống. Có 
thể chia xu hướng ứng dụng các hệ thống cơ điện tử cũng như phối hợp điều khiển trên 
những ô tô hiện đại thành ba vùng chính [29]: 
 Động cơ, hệ thống truyền lực: Công nghệ mới được áp dụng nhằm nâng 
cao hiệu quả sử dụng động cơ như hệ thống phun nhiên liệu điện tử, hệ thống phối khí 
điện tử, hệ thống kiểm soát lực kéo, hệ thống kiểm soát khí xả. Các hệ thống này không 
những phát triển tối ưu mà còn phối hợp với nhau giúp kiểm soát hoạt động động cơ một 
cách hiệu quả. 
 Điều khiển động lực học xe: Hệ thống điều khiển động lực học xe là sự 
phối hợp của nhiều hệ thống. Các hệ thống này không những phát triển tối ưu mà còn 
phối hợp với nhau giúp kiểm soát động lực học toàn xe một cách hiệu quả. Các hệ thống 
như truyền lực phanh, treo, lái ngày càng được hoàn thiện đáp ứng các yêu cầu sử dụng 
xe cũng như điều khiển xe. 
6 
 Thông tin, tiện nghi, giải trí: Các hệ thống thông tin trên xe ngày càng hoàn 
thiện đồng thời điều khiển kết hợp giữa thông tin tín hiệu giao thông trên đường làm cho 
xe trở nên thông minh hơn. 
Trong ba vùng trên, điều khiển động lực học xe được các nhà nghiên cứu quan tâm 
nhiều nhất. Các nghiên cứu về kiểm soát động lực học chú trọng tới nhiều khía cạch khác 
nhau, tuy nhiên, có thể liệt kê thành ba hướng chính: Điều khiển kiểm soát theo phương 
dọc, điều khiển kiểm soát theo phương ngang và điều khiển kiểm soát theo phương thẳng 
đứng. Ba hướng trên có quan hệ mật thiết với nhau. Việc phối hợp này có thể thấy chất 
lượng điều khiển kiểm soát quỹ đạo, tình trạng động lực học theo mong muốn của người 
lái trong quá trình điều khiển xe được nâng cao so với các công nghệ trước. 
1.1.3. Hệ thống điều khiển tích hợp 
Đối với thiết kế trên ô tô hiện đại, tính an toàn và tiện nghi được đặt lên hàng đầu, 
chính vì vậy quỹ đạo chuyển động của ô tô được khảo sát một cách chặt chẽ trong nhiều 
tình huống khẩn cấp và tình trạng đường thay đổi [42]. Quỹ đạo chuyển động của ô tô là 
tổng hợp kết quả tương tác giữa hệ thống lái, động cơ, hệ thống truyền lực, hệ thống treo, 
phanh, lốp xe và tình trạng mặt đường. Quỹ đạo chuyển động của ô tô được tổng hợp từ 
các trạng thái: 
 Trạng thái chuyển động thẳng: Được khảo sát thông qua khả năng ô tô 
chuyển động với vận tốc trung bình lớn nhất trong điều kiện đường cụ thể, được đánh giá 
thông qua gia tốc của xe, góc dốc lớn nhất có thể vượt, thời gian và quãng đường tăng 
tốc, vận tốc lớn nhất. 
 Trạng thái chuyển động quay vòng: Được thể hiện chính trong việc ổn 
định trạng thái cân bằng xe trước những tác động bên ngoài ngẫu nhiên. 
 Dao động theo phương thẳng đứng: Tình trạng thay đổi về không gian 
trạng thái của hành khách hay người sử dụng theo những ảnh hưởng ngẫu nhiên từ mặt 
đường. 
Để đáp ứng các tiêu chuẩn thiết kế theo quan điểm trên các hệ thống độc lập được 
thay thế dần bởi các hệ thống phối hợp. Khi số lượng các hệ thống cơ điện tử trên xe 
càng phát triển thì số lượng cảm biến và bộ chấp hành cũng tăng dần. Hệ thống cơ điện tử 
7 
tích hợp ra đời đáp ứng nhu cầu quản lý một cách thống nhất các thông số đầu vào và 
kiểm soát tổng thể các hệ thống phối hợp. Ở các hệ thống này, hệ thống cơ điện tử có 
nhiệm vụ kiểm soát động lực học chính của khung xe thông qua các tác động của bốn hệ 
thống chính phanh, treo, lái, truyền lực. Ngoài ra các hệ thống phụ trợ khác như chiếu 
sáng, hệ thống thông tin tín hiệu, cảnh báocũng làm việc dưới sự kiểm soát của hệ 
thống tích hợp (Hình 1.4) [17]. 
Hình 1.4: Hệ thống điều khiển tích hợp trên xe 
1.2. Các loại hệ thống lái 
Từ khi ô tô ra đời cho đến nay, hệ thống lái được cải tiến không ngừng để đáp ứng 
các tiêu chí về an toàn và tiện nghi, tính an toàn chủ động trong điều kiện chuyển động 
với vận tốc cao trong tình trạng mật độ các phương tiện tham gia giao thông lớn. Yêu cầu 
đối với thiết kế hệ thống lái cũng có sự phát triển. Trong các thiết kế đầu tiên, các yêu 
cầu chủ yếu tập trung đáp ứng các tiêu chuẩn về ổn định, đảm bảo động lực học, đảm bảo 
an toàn ở phù hợp với tiêu chuẩn về đường bộ, do đó các nghiên cứu tập trung vào mối 
quan hệ giữa vô lăng và góc quay bánh xe dẫn hướng. Bước phát triển tiếp theo, các thiết 
kế hệ thống lái tập trung chủ yếu đảm bảo an toàn chuyển động thông qua việc cải tiến ổn 
định quỹ đạo chuyển động ở nhiều dải vận tốc khác nhau thích nghi với tình trạng đường. 
Đối với thiết kế trên ô tô hiện đại, tính an toàn và tiện nghi được đặt lên hàng đầu, chính 
vì vậy, quỹ đạo chuyển động của ô tô được khảo sát một cách chặt chẽ trong nhiều tình 
huống khẩn cấp và tình trạng mặt đường thay đổi. 
Góc quay vô 
lăng 
Điều khiển 
chân ga, và số 
Điều khiển 
phanh 
Ngƣời điều 
khiển xe 
8 
Tổng hợp quá trình phát triển các hệ thống lái trên xe ô tô có thể liệt kê thành các hệ 
thống lái sau: hệ thống lái thuần cơ khí, hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực 
thủy lực điều khiển điện, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống lái tích cực, hệ thống lái điện, 
hệ thống lái tự động. Mặc dù mặt kết cấu các hệ thống lái khác biệt, tuy nhiên có thể tổng 
hợp các thành phần kết cấu hệ thống lái một cách chung nhất như Hình 1.5. 
Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái 
1.2.1. Hệ thống lái cơ khí 
Hệ thống lái thuần cơ khí được bố trí trên các xe thế hệ đầu tiên từ thập kỷ 50. Về 
cấu tạo chúng gồm hai thành phần dẫn động lái và cơ cấu lái. Các nghiên cứu phát triển 
hệ thống lái cơ khí chủ yếu tập trung vào khả năng quay vòng ô tô trong thời gian ngắn 
nhất trên một diện tích bé, giữ cho xe ổn định chuyển động thẳng, lực tác dụng lên vành tay 
lái nhỏ trong giới hạn số vòng quay đánh lái cho phép, đảm bảo động lực quay vòng đúng 
để các bánh xe không bị trượt, sự tương thích động học giữa dẫn động lái và bộ phận dẫn 
hướng của hệ thống treo, khả năng ngăn được các va đập của các bánh xe dẫn hướng lên 
vành tay lái thông qua hiệu suất truyền lực, quan hệ chuyển động giữa bánh xe bên phải và 
bên trái. 
Tỷ số truyền của hệ thống lái gồm tỷ số truyền góc và tỷ số truyền mô men. Về mặt 
trị số, chúng là tích của tỷ số truyền cơ cấu lái và tỷ số truyền dẫn động lái. Tùy thuộc vào 
ô tô, tỷ số truyền hệ thống lái có thể không đổi hoặc thay đổi theo các quy luật khác nhau 
theo góc quay vô lăng. 
Hiệu suất hệ thống lái gồm hiệu suất thuận và hiệu suất nghịch. Hiệu suất nghịch phải 
có trị số nhất định đảm bảo giảm va đập truyền từ các bánh xe dẫn hướng lên vô lăng, tuy ... ng nghệ lái tự động. 
Công nghệ lái xe tự động đã được ứng dụng cho các dòng xe điện, xe lai điện (xe phối 
hợp giữa động cơ xăng và điện) trong giao thông tại một số nước phát triển (Mỹ, Đức, 
Nhật, Trung Quốc). Công nghệ này được dự báo sẽ được sử dụng trên nhiều phương tiện 
vận tải trong tương lai tại các thành phố lớn. Công nghệ lái tự động ứng dụng trên xe 
nhiều cấp độ khác nhau. Công nghệ này có thể chia thành bốn cấp độ khác nhau tùy vào 
khả năng công nghệ và kết cấu cơ sở hạ tầng giao thông: 
Cấp độ 1: Hỗ trợ ngƣời lái: Công nghệ lái tự động hỗ trợ một phần điều khiển 
kiểm soát hành trình, hướng dẫn làn chạy xe, tự động đỗ xe. Người lái điều khiển trực 
tiếp tác động, kiểm soát quá trình chạy xe [12]. 
Cấp độ 2: Kết hợp chức năng tự động với ngƣời lái: Trong công nghệ lái 
này, người lái kết hợp giữa tín hiệu điều khiển người lái với chức năng điều khiển tự 
động kiểm soát hành trình, ổn định bám làn. Người điều khiển chịu trách nhiệm giám sát 
các đường và dự kiến tình trạng chạy xe, lựa chọn chế độ chạy hợp lý, trong điều kiện 
chạy ổn định có thể chuyển sang chế độ tự động lái xe [43]. 
Cấp độ 3: Tự động lái mức độ giới hạn: Trong công nghệ lái này, nhiệm vụ 
người lái quyết định lựa chọn chế độ, hành trình chạy xe dựa trên kinh nghiệm hoặc quan 
sát điều kiện thực tế. Chương trình điều khiển lái tự động xác định quỹ đạo chuyển động 
19 
ứng với các tình huống lái xe cụ thể và tự động điều khiển lái mà không cần sự can thiệp 
của người lái. Các công nghệ này đang được nghiên cứu và thử nghiệm trong những năm 
gần đây [37]. 
Cấp độ 4: Tự động lái hoàn toàn: Công nghệ lái tự động hoàn toàn cho phép 
phương tiện thực hiện tất cả các chức năng lái xe và giám sát điều kiện đường bộ khi lưu 
thông. Công nghệ này giúp giải phóng sức lao động và thời gian lái xe, người sử dụng chỉ 
cần lựa chọn điểm đi và đến công việc còn lại hoàn toàn tự động [14]. 
1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 
1.3.1. Các nghiên cứu nƣớc ngoài 
Trên thế giới đã có nhiều tổ chức, tác giả, nhiều đề tài và công trình nghiên cứu lý 
thuyết cũng như thực nghiệm về hệ thống lái điện. Các nghiên cứu được tiến hành trên 
nhiều khía cạnh khác nhau. Tuy nhiên, có thể thấy một vấn đề chính đó là việc truyền dẫn 
tín hiệu giữa vành tay lái phía trên và chuyển động của các bánh xe dẫn hướng. Vấn đề 
này có thể được chia thành hai nhóm chính: truyền tín hiệu và phản hồi tín hiệu. Tín hiệu 
được truyền đi dựa theo góc quay vành tay lái, tín hiệu phản hồi phản ánh tình trạng 
đường lên người lái. Khi nghiên cứu về hệ thống lái điện có thể chia thành năm phần: Bộ 
phận vô lăng, động lực học hệ thống lái, bộ phận xử lý tín hiệu đảm bảo an toàn, bộ điều 
khiển, động lực học xe. 
 Bộ phận vô lăng 
 Các nghiên cứu tập trung vào các phương pháp điều khiển tạo cảm giác trên vô 
lăng. Trong lĩnh vực này nhiều tác giả nghiên cứu hình thành nên ba nhóm chính bao 
gồm phương pháp tạo cảm giác sử dụng biểu đồ cảm giác, phương pháp sử dụng cảm 
biến mô men, phương pháp sử dụng cảm biến dòng. Các nghiên cứu của Andrew Liu và 
Stacey Chang [24] mô tả các kết quả thực nghiệm khi lái xe làm cơ sở phản hồi cảm giác 
lái khi cho thử nghiệm ở ba điều kiện thử nghiệm khác nhau. Sau khi thử nghiệm ở ba 
trạng thái quay vòng, tác giả so sánh với các kết quả đã công bố và đưa ra các thảo luận 
chung. Nguyen- Jee Hwan Ryu nghiên cứu tạo cảm giác xác thực nhất trên vành tay lái 
được tái tạo thông qua phương pháp đo dòng [13]. Đặc điểm chính của phương pháp này 
là sử dụng cảm biến đo dòng để đo cường độ dòng điện động cơ đặt tại cơ cấu lái làm tín 
20 
hiệu phản hồi lên vô lăng. Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phần mềm LabVIEW để 
mô phỏng đặc tính cảm giác thông qua phương trình. Tác giả so sánh với các phương 
pháp tạo cảm giác khác và cho rằng phương pháp này tái tạo cảm giác chính xác, đơn giản 
và tiết kiệm chi phí hơn so với các phương pháp khác. Phương pháp sử dụng cảm biến 
mô men phản hồi cảm giác lái được Sanket Amberkar nghiên cứu. Đây là phương pháp 
phản hồi cảm giác được phát triển từ các hệ thống lái trợ lực lái điện [34]. 
 Bộ phận chấp hành hệ thống lái điện 
 Động lực học bộ phận chấp hành hệ thống lái đóng vai trò then chốt cho phương 
pháp điều khiển hệ thống lái điện và tái tạo cảm giác lái trên vô lăng. Bộ chấp hành bao 
gồm động cơ điện lắp lên bánh răng cơ cấu lái điều khiển bánh xe dẫn hướng. Các nghiên 
cứu trên thế giới sử dụng mô hình hai bậc tự do [8, 30, 39,48], ba bậc tự do [20] và bốn 
bậc tự do [15] làm đối tượng để phân tích hệ thống lái điện. 
 Bộ phận xử lý tín hiệu và đảm bảo an toàn 
 Các nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế các mạch điện tử có khả năng điều khiển 
hệ thống một cách linh hoạt và có độ tin cậy cao. Cơ cấu liên kết cơ khí đảm bảo an toàn 
cũng được xét đến. M. Segawa nhóm nghiên cứu tái tạo cảm giác lái khi tình trạng hỏng 
đột ngột xảy ra [26]. Thông qua việc mô phỏng mômen phản ứng với hệ thống lái sử 
dụng cơ cấu an toàn. Nghiên cứu này đã chỉ ra thành phần mô men phản ứng được hạn 
chế bằng cách thay đổi động lực học hệ thống. 
 Bộ điều khiển 
 Bộ điều khiển quyết định chất lượng điều khiển hệ thống. Nhiều bộ điều khiển đã 
được thiết kế và thử nghiệm. Se-WooK-Oh và nhóm nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển 
cho hệ thống lái điện [41]. Tác giả đưa ra thuật toán điều khiển với mục đích ban đầu là 
tái tạo cảm giác cho mô tơ vô lăng một cách xác thực nhất. 
Nhóm nghiên cứu thuộc Trường đại học Swinburne, Melbourne, Úc, thiết kế bộ 
điều khiển trượt thử nghiệm trên mô hình hệ thống thử nghiệm. Nhóm tác giả công bố 
mô hình nghiên cứu và kết luận phương pháp điều khiển trượt áp dụng cho hệ thống lái 
điện sử dụng bộ điều khiển trượt có khả năng đáp ứng tốt trước các kính thích ngẫu nhiên 
[51]. 
21 
Nhóm nghiên cứu thuộc trung tâm nghiên cứu hãng Renault, Carlos Canudas-de-
Wit, Xavier Claeys, J. Coudon and Xavier Claeys công bố mô hình hệ thống lái điện và 
thử nghiệm hai bộ điều khiển PD và bộ điều khiển thích nghi LQ. Nhóm kết luận rằng 
khi sử dụng bộ điều khiển thích nghi LQ cho khả năng đáp ứng tốt hơn so với bộ điều 
khiển PD [50]. 
 Động lực học xe 
 Nhiều nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của chuyển động quay vòng tác động 
lên hệ thống cũng như những ảnh hưởng theo phương dọc và ngang. Paul Jih mô phỏng 
và thực nghiệm hệ thống lái điện một các toàn diện trên xe thực tế [34]. Trong nghiên 
cứu này cảm giác lái được khảo sát thông qua các tác động của động lực học của cả xe. 
Tác giả sử dụng mô hình động lực học lốp Pacejka để phân tích thành phần gây lên lực 
cản từ mặt đường làm cơ sở phản hồi lực tác dụng lên vô lăng [52]. Ngoài ra tác giả cũng 
xem xét ảnh hưởng của các tác động trợ lực lái thủy lực lên vô lăng. 
1.3.2. Các nghiên cứu trong nƣớc 
Trong nước, năm 2001, tác giả Nguyễn Thanh Quang nghiên cứu về hệ thống lái 
trợ lực thủy lực trên xe du lịch thông qua việc nghiên cứu động học, động lực học và độ 
bền các chi tiết trên hệ thống lái trên xe Mekông. Năm 2004, tác giả Mai Khoa tiến hành 
nghiên cứu tính điều kiển của ô tô tải với hệ thống lái có trợ lực thủy lực. Năm 2010, tác 
giả Nguyễn Tuấn Anh công bố công trình nghiên cứu về điều khiển tối ưu hệ thống lái 
tích cực trên ô tô. Năm 2015, tác giả Nguyễn Tuấn Anh công bố nghiên cứu thiết kế bộ 
điều khiển PID cho hệ thống lái trợ lực điện ESP. 
Ngoài các công trình trên, bản thân tác giả đã tiến hành nghiên cứu về hệ thống lái 
điện từ năm 2008 thông qua đề tài thạc sỹ. Trong đề tài này tác giả xây dựng mô hình hệ 
thống lái, đồng thời thiết kế các giao diện thực hiện điều khiển và quan sát hệ thống. Tác 
giả sử dụng phần mềm LabVIEW thiết kế giao diện điều khiển bộ phận chấp hành đồng 
thời quan sát tình trạng phản hồi trên vô lăng. Đây là nghiên cứu ban đầu về hệ thống nên 
các thông số hệ thống cũng như bộ điều khiển còn chưa được quan tâm nhiều. Trong 
nghiên cứu này bộ điều khiển PID được đưa vào thực nghiệm làm đồng bộ vô lăng và cơ 
cấu chấp hành. 
22 
Nghiên cứu trên được phát triển qua đề tài cấp trường năm 2011. Trong nghiên cứu 
tiếp theo này, tác giả quan tâm nhiều đến động lực học của hệ thống đồng thời hoàn thiện 
thông số kết cấu cũng như mô phỏng 3D hệ thống. Đồng thời qua nghiên cứu này sai số 
giữa vô lăng và cơ cấu chấp hành được xem xét một cách trực quan [4]. 
Trong đề tài nghiên cứu cấp thành phố “Nghiên cứu chế tạo bộ tạo cảm giác cho hệ 
thống lái gián tiếp”, tác giả tập trung nghiên cứu phương pháp tái tạo cảm giác lái trên vô 
lăng [5]. Nghiên cứu này được tiến hành thông qua giao tiếp giữa khối 3D mô phỏng hệ 
thống lái và vô lăng thực. Tác giả bước đầu cũng xây dựng được đặc tính tái tạo cảm giác 
lái trên vô lăng trong quá trình chuyển động xe. 
1.3.3. Nhận xét, đánh giá 
Các kết quả nghiên cứu của các tác giả nước ngoài đã tương đối hoàn thiện về động 
lực học, kết cấu cũng như điều khiển nhưng đây là những nghiên cứu bản quyền của các 
công ty, chưa được công bố rộng rãi và sâu sắc. Có thể sử dụng một số kết quả của các 
công trình này phục vụ cho quá trình nghiên cứu của tác giả: phương pháp tổng hợp để 
nghiên cứu động lực học hệ thống lái điện, bộ điều khiển PID, mô hình bán tự nhiên hệ 
thống lái điện ... 
Các nghiên cứu trong nước đã xây dựng cơ sở lý thuyết hệ thống lái cơ khí, hệ 
thống lái trợ lực thủy lực và hệ thống lái tích cực. Cơ sở lý thuyết trên là nền tảng phát 
triển hệ thống lái điện. Tuy nhiên, khả năng thí nghiệm của các hệ thống trên còn hạn 
chế, chưa có các sản phẩm để kiểm chứng và đánh giá. 
Các nghiên cứu của tác giả được tiến hành trên mô hình bánh xe không tiếp đất 
chưa được xây dựng một cách tổng thể cho nên kết quả thực nghiệm còn nhiều hạn chế, 
chưa xây dựng được mô hình động lực học hệ thống lái điện. Do vậy, cần có công trình 
nghiên cứu toàn diện hơn về hệ thống lái điện gồm nghiên cứu động lực học, xây dựng 
bộ điều khiển cho mô hình bánh xe tiếp đất. 
1.4. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 
1.4.1. Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu 
 Trên thế giới, các nghiên cứu về hệ thống lái điện chỉ mới bắt đầu từ hơn 10 năm 
trở lại đây và còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu và phát triển. Nghiên cứu về hệ thống lái 
23 
điện đóng vai trò quan trọng trong việc nắm bắt các công nghệ lái tiên tiến trong tương 
lai gần. 
Tại Việt Nam, chưa có nghiên cứu chuyên sâu nào về hệ thống lái điện. Vì vậy, đây 
là nghiên cứu cần thiết để làm rõ cơ sở lý luận và thực tiễn của hệ thống lái điện và hệ 
thống cơ điện tử trên xe. Đây là một trong những công nghệ lái hoàn toàn mới tại Việt 
Nam nên cần tiếp cận và làm chủ công nghệ. 
1.4.2. Ý nghĩa khoa học 
 Đầu tiên ở Việt Nam đã thiết kế, chế tạo mô hình bán tự nhiên hệ thống lái điện 
bánh xe tiếp đất gồm nhiều bộ phận - cơ khí, điện, điều khiển, phần mềm thỏa mãn cơ 
bản các tiêu chí đối với hệ thống lái ô tô truyền thống. Mô hình trên là kết quả của việc 
phân tích kỹ lưỡng các nghiên cứu của nước ngoài kết hợp với điều kiện nghiên cứu 
trong nước. Trong đó, các bộ phận cơ khí trên mô hình được lấy từ ô tô nguyên bản, bộ 
phận điện và điều khiển sử dụng các thiết bị linh kiện hiện đại, các phần mềm tính toán 
hiện đại đảm bảo tính chính xác. 
Việc nghiên cứu đưa ra sản phẩm hệ thống lái điện đã phối hợp nhiều nghiên cứu 
chuyên môn khác nhau bao gồm các nghiên cứu về bộ phận cơ khí, phần mềm, phần 
cứng hệ thống lái điện. Thông qua đề tài nghiên cứu, tác giả mong muốn đưa ra các thông 
tin, kết nối các nhà nghiên cứu chuyên môn nhằm ứng dụng thực tế trên xe thật. 
1.4.3. Ý nghĩa thực tiễn 
Trong các năm gần đây số lượng các hệ thống lái hiện đại sử dụng trên ô tô ngày 
càng phổ biến. Nghiên cứu hệ thống lái điện có ý nghĩa quan trọng trong việc tiếp cận và 
làm chủ công nghệ lái trên các xe ô tô hiện đại tại Việt Nam. Trên cơ sở nghiên cứu về hệ 
thống lái điện có thể tiến hành nghiên cứu các hệ thống điều khiển qua dây dẫn khác 
(Drive By Wire) trên ô tô. 
Các sản phẩm của quá trình nghiên cứu như phần cứng, phần mềm của hệ thống cơ 
điện tử có thể tiếp tục hoàn thiện để sử dụng trên hệ thống lái ô tô thực. Các sản phẩm 
trên có khả năng làm việc tốt và ổn định trên mô hình bán tự nhiên. Tuy nhiên, khi thử 
nghiệm trên các xe thực tế cần xác định thêm các yếu tố đảm bảo an toàn. Luận án có thể 
24 
sử dụng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công 
nghệ. 
1.5. Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài 
1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu 
 Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm động lực học hệ thống lái điện làm cơ sở khoa 
học thay thế hệ thống lái điện cho hệ thống lái cơ khí truyền thống trên mô hình bán tự 
nhiên. 
1.5.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu điều khiển bám và tái tạo cảm giác 
lái trên mô hình bán tự nhiên hệ thống lái điện tích hợp của ô tô con có công thức bánh xe 
4 2R , cầu trước dẫn hướng, hệ thống treo độc lập, không kể đến ảnh hưởng của biến dạng 
lốp. 
Điều khiển bám trong trường hợp này được hiểu là tối thiểu hóa sai lệch về thời 
điểm và trị số giữa góc quay vô lăng và góc quay trục lái hệ thống lái điện. 
1.5.3. Phƣơng pháp nghiên cứu 
Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực 
nghiệm. 
1.5.4. Nội dung nghiên cứu 
 Nội dung của luận án bao gồm những phần chính sau: 
1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu. 
2. Xây dựng mô hình nghiên cứu điều khiển hệ thống lái điện. 
3. Thiết kế, chế tạo, lắp đặt mô hình thí nghiệm hệ thống lái điện. 
4. Thí nghiệm động lực học lái trên mô hình thí nghiệm bán tự nhiên hệ thống lái điện. 
5. Kết luận. 
25 
KẾT LUẬN CHƢƠNG I 
Xu hướng tích hợp các hệ thống cơ điện tử trên xe giúp đảm bảo an toàn chuyển 
động, tiện nghi, thân thiện với môi trường đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe và thị hiếu 
của người sử dụng ngày càng phổ biến. Hệ thống lái điện là một trong các hệ thống được 
điện tử hóa và được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm trong thời gian gần đây. Các nghiên 
cứu về hệ thống lái điện là tiền đề phát triển công nghệ lái tự động. Công nghệ lái hiện 
đại này được dự báo là công nghệ sử dụng trên phương tiện vận tải trong tương lai tại các 
thành phố lớn. Do vậy, nghiên cứu hệ thống lái điện có ý nghĩa khoa học và thực tiễn 
giúp nắm bắt các công nghệ tiên tiến trên thế giới tiến đến làm chủ công nghệ. 
Định hướng nghiên cứu của luận án là thiết kế, chế tạo mô hình bán thực nghiệm hệ 
thống lái điện. Trên cơ sở mô hình này, tiến hành nghiên cứu lý thuyết về động lực học 
hệ thống lái điện và kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình. Các kết quả nghiên cứu luận 
án là cơ sở để thay thế hệ thống lái điện cho các hệ thống lái truyền thống trên ô tô. 
Trong Chương I, nghiên cứu đã tổng kết các bước phát triển công nghệ trên ô tô, 
công nghệ lái trên ô tô, các nghiên cứu trong và ngoài nước, nghiên cứu đã tiến hành xác 
định mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, các nội dung 
chính cần nghiên cứu.