Bộ điều khiển bên của xe tự hành dựa trên bộ điều khiển trượt kết hợp với luật tiệm cận tiếp cận theo cấp số nhân

Bài viết Bộ điều khiển bên của xe tự hành dựa trên bộ điều khiển trượt kết hợp với luật tiệm cận tiếp cận theo cấp số nhân trình bày về điều khiển bên cho ô tô tự hành bằng cách sử dụng bộ điều khiển trượt dựa trên luật tiệm cận để đảm bảo tín hiệu điều khiển không bị dao động như bộ điều khiển trượt truyền thống.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bộ điều khiển bên của xe tự hành dựa trên bộ điều khiển trượt kết hợp với luật tiệm cận tiếp cận theo cấp số nhân Nghiên cứu khoa học công nghệ Bộ điều khiển bên của xe tự hành dựa trên bộ điều khiển trượt kết hợp với luật tiệm cận tiếp cận theo cấp số nhân Nguyễn Văn Trung, Trần Ngọc Châu, Nguyễn Như Toàn, Lê Đức Thịnh, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Tùng Lâm, Hoàng Đức Chính* Trường Điện-Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội. *Email: chinh.hoangduc@hust.edu.vn Nhận bài: 30/8/2022; Hoàn thiện: 10/11/2022; Chấp nhận đăng: 28/11/2022; Xuất bản: 23/12/2022. DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.FEE.2022.65-72 TÓM TẮT Bài báo này sẽ trình bày về điều khiển bên cho ô tô tự hành bằng cách sử dụng bộ điều khiển trượt dựa trên luật tiệm cận để đảm bảo tín hiệu điều khiển không bị dao động như bộ điều khiển trượt truyền thống. Theo phương pháp giảm bậc mô hình, ô tô sẽ được chia thành động lực học chậm và động lực học nhanh và được điều khiển riêng biệt bởi kỹ thuật điều khiển trên. Sự ổn định của hệ thống sẽ được chứng minh bằng cách định nghĩa hàm Lyapunov và dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov. Hiệu quả của bộ điều khiển mới là tốt hơn bộ điều khiển cũ khi tín hiệu góc lái không bị thay đổi quá nhiều, đảm bảo cơ cấu chấp hành của xe sẽ đáp ứng được và giúp xe bám quỹ đạo mong muốn trong thực tế. Kết quả mô phỏng của tín hiệu góc lái, độ bám quỹ đạo và góc xoay thân xe của hai bộ điều khiển sẽ được minh họa và so sánh bằng phần mềm Matlab/Simulink. Từ khoá: Điều khiển bên của xe; Xe tự hành; Bộ điều khiển trượt; Luật tiệm cận; Ổn định Lyapunov; Tự động chuyển làn, động lực học bên. 1. MỞ ĐẦU Hiện nay, xe tự hành là lĩnh vực đã và đang được nghiên cứu phát triển rất nhiều [1], nó có nhiều ưu điểm như giảm thiểu tai nạn giao thông, giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, giảm ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, để được đưa vào sử dụng thì xe tự hành cũng phải đáp ứng rất nhiều yêu cầu, trong đó quan trọng nhất là đảm bảo an toàn cho hành khách. Một trong những nhiệm vụ đặt ra là xe cần bám quỹ đạo mong muốn để có thể vượt hoặc tránh chướng ngại vật trên đường đi bằng cách điều chỉnh động lực học dọc và động lực học bên của xe. Động lực học dọc được xem xét khi xe khởi động, tăng tốc hoặc phanh, trong khi đó, động lực học bên được quan tâm khi xe chuyển làn hay di chuyển trên đoạn đường cong [2, 3]. Bài báo này sẽ trình bày về một kỹ thuật mới để điều khiển động lực học bên cho xe khi chuyển làn. Điều khiển bên cho xe tự hành là lĩnh vực phức tạp và đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề này như: Điều khiển PID [4], LQR [5], Backstepping [6], Fuzzy Logic[7], điều khiển trượt [8], điều khiển trượt kết hợp với Backstepping [9]. Với bộ điều khiển trượt truyền thống khi mô phỏng thì quỹ đạo chuyển động và góc xoay thân xe đã bám so với giá trị mong muốn với sai lệch nhỏ. Tuy nhiên, tín hiệu điều khiển, chính là góc lái lại dao động quá nhiều, điều này dẫn đến việc bộ điều khiển này chưa thể sử dụng trong thực tế vì các cơ cấu chấp hành của xe là không thể đáp ứng được việc thay đổi góc lái quá nhanh như vậy. Với bộ điều khiển trượt dựa trên luật tiệm cận, bằng cách thay đổi cách chọn mặt trượt, tín hiệu góc lái sẽ thay đổi chậm để đáp ứng được trong thực tế và qua đó việc bám quỹ đạo cũng như bám góc xoay thân xe có sai lệch so với giá trị đặt là nhỏ hơn bộ điều khiển thông thường [10]. Nhìn chung, một xe tự hành có thể được mô phỏng bằng mô hình xe 3 bậc tự do, tuy nhiên, khi nghiên cứu về điều khiển bên cho xe, ta giả thiết vận tốc trục dọc của xe là hằng số và bỏ qua động lực học dọc của xe nên mô hình giảm xuống 2 bậc tự do là vị trí bên và góc xoay thân xe. Hệ trở thành hệ SIMO với đầu vào là tín hiệu góc lái, 2 đầu ra là 2 bậc tự do của xe. Đã có các nghiên cứu về điều khiển hệ SIMO như là: bộ điều khiển PID-Fuzzy [11], bộ điều khiển phân Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 65 Điều khiển – Tự động hóa cấp [12], Energy-Based Controllers [13]. Bài báo này sẽ áp dụng phương pháp giảm bậc mô hình, coi vị trí bên của xe là động lực học chậm, góc xoay thân xe là động lực học nhanh và sẽ tạo tín hiệu điều khiển ảo để điều khiển hệ động lực học chậm, tín hiệu điều khiển thực sẽ dựa theo tín hiệu ảo này để điều khiển hệ nhanh. So sánh kết quả mô phỏng của hai bộ điều khiển sẽ cho thấy hiệu quả của kỹ thuật điều khiển mới là tốt hơn và có thể ứng dụng được trong thực tế. Một số đóng góp chính của bài báo này có thể kể đến như sau: • Bộ điều khiển được đề xuất cho kết quả bám các giá trị đặt với sai số nhỏ hơn bộ điều khiển trượt thông thường. • Cung cấp một cấu trúc điều khiển mới cho hệ SIMO, giúp đơn giản hóa bộ điều khiển cho đối tượng này. Cấu trúc của bài báo gồm 4 phần: Phần 1 là phần mở đầu. Phần 2 là mô hình xe tự hành và thiết kế bộ điều khiển trượt. Phần 3 là kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink của hai bộ điều khiển. Cuối cùng là phần 4, kết luận của bài báo. 2. MÔ HÌNH XE TỰ HÀNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.1. Mô hình động lực học bên của xe Khi xe di chuyển ở tốc độ cao, giả thiết vector vận tốc ở mỗi bánh xe trùng với hướng của bánh xe không còn chính xác, vì vậy, thay vì sử dụng mô hình động học bên, ta sử dụng mô hình động lực học cho chuyển động ngang của xe. Mô hình xe hai bậc tự do được sử dụng, trong đó, hai bậc tự do được biểu thị bằng vị trí bên của xe y và góc xoay thân xe  . Vị trí bên của xe được đo dọc theo trục bên của xe đến điểm O là tâm xoay tức thời của xe. Góc xoay thân xe  được xét theo trục X. Vận tốc dọc của xe tại trọng tâm xe được kí hiệu là Vx . Hình 1. Động lực học bên của xe [3]. Áp dụng định luật II Newton cho chuyển động dọc theo trục y : ...