Hệ thống xác định khoảng cách giữa ô tô với chướng ngại vật

Tổng quan về hệ thống xác định chướng ngại vật. Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán khoảng cách cho cảm biến khi tín hiệu đưa về . Dùng phần mềm để lập trình và điều khiển cho hệ thống hiển thị khoảng cách và điều khiển cảm biến. Thiết kế và thi công mô hình. C. Các linh kiện cần thiết Arduino Uno R3 Cảm biến siêu âm ( SRF04) Breadboard

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA ĐIỆN TỬ 1

Đề tài: Hệ thống xác định khoảng cách giữa ô tô và chướng ngại vật

Môn học: Chuyên đề xử lý tín hiệu và truyền thông

Giảng viên : Vũ Hữu Tiến

MỞ ĐẦU

Hệ thống xác định chướng ngại vật là một hệ thống nhằm cải thiện thêm tính antoàn trên xehơi, bên cạnh hệ thống túi khí (air bag), hệ thống thắng ABS v v… thìhệthống xác định khoảngcách từ ô tô đến chướng ngại vật được lắp trên một sốloại ô tôđắt tiền Vì chi phí chế t ạo hệ thống khá đắt nên ở Việt Nam hiện nay, hệthống xácđịnh chướng ngại vật (Pre- Crash Safety System) chỉ được trang bị cho

xe LesusLS460, một dòng xe siêu sang của TOYOTA Hệ thống này có ưu điểmkhá lớn khiđiều khiển xe ở tốc độ cao, khi qua đường hoặc khi lùi xe Với những

ưu điểm vượt trộinhư vậy vấn đề đặt ra làm sao có thể thiết kế hệ thống này vớimột giá cả hợp lí và chấtlượng không thua kém hệ thống trang bị trên các ô tô đắttiền.Đây là vấn đề cần quan tâmđể có thể trang bị hệ thống này cho nhiều dòng xekhác, không chỉ trên các dòng xe đắt tiền

MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

A.MỤC TIÊU

- Xác định loại cảm biến đo khoảng cách phù hợp Loại cảm biến này có khả năngphát hiện ra chướng ngại vật trong một khoảng cách mà lái xe đó có thể xử lí antoàn

- Thiết kế, chế tạo hệ thống xác định chướng ngại vật sao cho phù hợp

- Bố trí, chế tạo hệ thống có hiển thị khoảng cách lên màn hình và điều khiển đượccảm biến chính xác

B.Đề tài nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống xác định khoảng cách ô tô đến chướng ngại vật có nội dung chủ yếu :

- Tổng quan về hệ thống xác định chướng ngại vật

- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán khoảng cách cho cảm biến khi tínhiệu đưa về

- Dùng phần mềm để lập trình và điều khiển cho hệ thống hiển thị khoảng cách vàđiều khiển cảm biến

- Thiết kế và thi công mô hình

C Các linh kiện cần thiết

- Arduino Uno R3

- Cảm biến siêu âm ( SRF-04)

- Breadboard

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

2 Nghiên cứu các hệ thống xác đ- Nghiên cứu về thu và phát của cảm biến siêu âm.

- Nghiên cứu phương pháp tính toán hệ thống khi xe di chuyển trên đường đếnchướng ngại vật

- Nghiên cứu tính toán các thông số từ xe đến chướng ngại vật

- Lập trình cho hệ thống cảnh báo

- Đưa ra mô hình toán học và mô phỏng khi xe gặp chướng ngại vật và cách yêucầu khác

- Áp dụng tính toán thiết kế mô hình

ịnh chướng ngại vật của các hãng xe trên thế giới

3 Phương pháp thiết kế mạch cho hệ thống

4 Phương pháp thực nghiệm và tính toán kết quả đo

5 Sử dụng đồ thị để đánh giá kết quả của mô hình

6 Đánh giá toàn bộ báo cáo Đề nghị hướng phát triển của đề tài

ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI

- Tính toán các thông số trong cảm biến tránh va chạm

- Đưa ra cách tính toán và xây dựng mô hình về hệ thống cảnh báo va chạm

- Thiết kế , chế tạo hệ thống xác định khoảng cách từ ô tô đến chướng ngại vật

- Điều khiển được cảm biến có khả năng phát hiện chướng ngại vật xa hơn

GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Từ nhu cầu và sự an toàn của người lái xe khi được trang bị hệ thống có thểphát ra tín hiệu khi có vật cản đường , giúp cho lái xe có thể di chuyển an tâm cũngnhư trong quá trình đỗ xe được an toàn góp phần không nhỏ trong quá trình dichuyển và giảm tai nạn giao thông

PHẦN 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ , CHẾ TẠO HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH TỪ Ô TÔ ĐẾN CHƯỚNG NGẠI VẬT

CHƯƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH CHƯỚNG NGẠI VẬT TRÊN Ô TÔ

Những công nghệ phòng tránh va chạm mới đang dẫn xuất hiện nhiều hơntrên ô tô , bắt đầu từ những mẫu xe sang Một số hệ thống an toàn phát ra tín hiệucảnh báo bằng âm thanh hoặc hình ảnh để nhắc tài xế có hành động sử lý , trong khimột số khác sẵn sàng can thiệp vào phanh hoặc hệ thống lái xe để chỉnh sửa đi đúnghướng Hệ thống xác định chướng ngại vật trên ô tô là một trong những hệ thốngđược sử dụng khá nhiều hiện nay Theo báo cáo của Viện bảo hiểm an toàn đường

bộ Mỹ thì hệ thống xác định chướng ngại vật này rất hữu ích vì hằng năm có đến40% tai nạn liên quan đến việc lái xe thiếu tập trung

1.1 Khảo sát hệ thống cahr báo an toàn trên xe

1.1.1 Hệ thống cảnh báo va chạm trước :

Hệ thống này sử dụng radar để phát hiện trường hợp người lái sắp đâm vàothứ gì đó phía trước Hầu hết các hệ thống đều phát cảnh báo bằng âm thanh hoặcđèn chớp , hình ảnh Một số thậm chí có thể tự động rà phanh để gảm tốc độ của xe

1.1.2 Hỗ trợ phanh khẩn cấp

Hệ thống này dành cho các trường hợp tài xế nhìn thấy nguy cơ va chạm phíatrước và nhấn phanh nhưng có thể không phanh kịp Nghiên cứu của các nhà sảnxuất chỉ ra rằng nhiều tài xế không đạp được lực phanh tối đa trong trường hợp khẩncấp , do ảnh hưởng tâm lí , nên vẫn để xảy ra va chạm dù đã biết trước và hoàn toàn

có thể tránh Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp có khả năng phát hiện các trường hợptài xế mất bình tĩnh , như dấu hiệu nhấc chân ga đột ngột Khi đó hệ thống hệ lậptức tự động rà phanh trước và giúp người lái đạt được lực phanh tối đa

1.1.3 Hệ thống báo chệch lan đường

Hệ thống này sử dụng các camera gắn trên xe để phát hiện thời điểm lốp xebắt đầu chệch khỏi làn đường đang chạy Máy tính sẽ kiểm tra hệ thống lái và tốc

độ để xác định xem việc chạy lệch làn đường là cố ý hay vô tình Nếu máy tính kếtluận đó là vô tình , hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo bằng cách làm rung nhẹ vôlăng , có thể kèm theo cảnh báo bằng âm thanh

1.1.4 Hệ thống xóa điểm mù

Hệ thống này cho phép người lái biết có xe ở trong điểm mù – khoảng nằmngoài tầm quan sát của gương chiếu hậu , và chớp đèn cảnh báo ở ngay bên gương Với một số hệ thống đèn cảnh báo sẽ sáng hơn hoặc chớp nhanh hơn nếu tài xế bật

xi – nhan vào đúng thời điểm hệ thống phát hiện có xe trong điểm mù Một số hệthống còn có cả chuông cảnh báo

1.1.5 Đèn pha chiếu sang chủ động

Phần mềm điều khiển tự động của dải chiếu sáng đèn pha được kết nối vớithông tin truyền từ vô – lăng , để khi xe chuyển hướng dải chiếu sáng cũng chuyểnhướng theo , giúp tài xế quan sát tốt những góc cua vào buổi tối

1.2 Giới thiệu các hãng xe chệ tạo hệ thống báo khoảng cách

Hầu hết các hãng xe lớn hiện nay như Toyota, Ford , Honda,… đầu có hệthống cảnh báo va chạm riêng của mình Hệ thống được trang bị hết sức hiện đại ,

nó không những phát hiện được khoảng cách của đối tượng phát hiện mà còn có thểcan thiệp vào hệ thống thắng và hệ thống dây an toàn giúp lái xe yên tâm hơn phíasau tay lái của mình Sau đây xin giới thiệu hệ thống cảnh báo khoảng cách của một

số hãng xe trên thế giới

1.2.1 Hệ thống xác định khoảng cách trên xe Lexus LS460 của TOYOTA

Lexus LS460 mới là mẫu xe đầu tiên trang bị hệ thống phát hiện và cảm ứngkhi gặp chướng ngại vật cũng như người đi bộ Nếu tài xế không quan sát tìnhhuống và không kịp phản ứng sau lúc có còi báo động , máy tính sẽ tự tính toán đểkích hoạt phanh hỗ trợ lái xe và siết chặt dây an toàn

Hình 1.1 : Hệ thống xác định chướng ngại vật của TOYOTA

Công nghệ phát hiện chướng ngại vật hoạt động cả ngày lẫn đêm , dựa trêncác tín hiệu thu từ radar gắn trước mũi xe và từ camera hồng ngoại ống kính képphía trên kính chắn gió Để cung cấp sóng hồng ngoại , các kỹ sư gắn đèn phát ởcạnh đèn pha Tia hồng ngoại từ nguồn phát đập vào chướng ngại vật , phản xạ vàcamera chịu trách nhiệm thu lại dưới dạng tín hiệu số Đến lượt các tín hiệu số

được gửi tới máy tính trung tâm để xử lý Khoảng cách hiệu dụng tối đa của hẹthống này là 25 m và hoạt động phụ thuộc vào điều kiện thời tiết

Ngoài hệ thống phát hiện chướng ngại vật , LS460 còn trang bị công nghệ trợgiúp lái khẩn cấp ESA có tác dụng chọn tỉ số lái tối ưu khi chiếc xe gặp tình huốngnguy hiểm ở tốc độ cao ESA giúp lái xe giữ ổn định hướng lái , giảm nguy cơ vachạm Hoạt động đồng thời với ESA , hệ thống treo sẽ tăng cường độ cứng để xekhông bị lật còn bộ kiểm soát động lực chọn phương pháp phanh tối ưu nhắm tránhhiện tượng trượt

Bên cạnh đó, để hệ thống phát hiện chướng ngại vật hoạt động hiệu quả ,LS460 còn trang bị công nghệ cảnh báo chống lái xe DMS , có khả năng phát tínhiệu nguy hiểm nếu tài xế không tập chung lái Một camera gắn trên trục vô- lăng

tự động xác định khoảng chuyển động đầu người lái Khi tài xế quay đầu ra khỏikhoảng cho phép trong thời gian quá lâu , hệ thống sẽ kích hoạt thiết bị báo động Với thiết bị này nếu xe nhìn thấy chướng ngại vật trước người lái , DMS sẽ bật đènbáo động , nhấn còi Sau khi báo động mà tài xế không có bất cứ phản ứng nào ,máy tính sẽ tự động phanh để thu hút sự chú ý của anh ta

Trong trường hợp người lái vẫn không có hành động ứng phó , hệ thống tiền

an toàn sẽ hoạt động Pre-crash Safety tính toán xác suất va chạm có thể x ảy ratrong tình huống cụ thể, dựa trên vận tốc xe , hướng quan sát của người lái và đặcđiểm của chướng ngại vật phía trước Nếu các yếu tố nằm trong vùng nguy hiểm ,

nó sẽ kích hoạt còi báo động , báo đèn phanh đỏ trên màn hình đa dụng Cùng lúc

bộ hỗ trợ phanh sẽ kích hoạt ở mức áp suất phanh cao nhất , trước khi tài xế đạpchân lên bàn đạp phanh , còn hệ thống treo bắt đầu gia tăng độ cứng Nếu nhậnthấy va chạm là không thể tránh khỏi , Pre-safety sẽ thắt dây an toàn , siết chặtngười ngồi vào ghế đồng thời tự động phanh

Ngoài các công nghệ trên , LS460 còn trang bị radar , gắn trên chắn bùn sau ,liên tục quét bề mặt xung quanh khi xe đỗ hoặc di chuyển Nếu thấy va chạm chắcchắn sẽ xảy ra nó tự động nâng đầu gối lên tối đa 35 mm và đưa về phía trước tối

đa 60 mm để giảm nguy cơ chấn thương cột sống cổ

Hình 1.3 : Gối đỡ trên ghế ngồi trước và sau khi va chạm 1.2.2 Hệ thống cảnh báo va chạm của Volvo

Trước thực tế là khoảng 1/3 số vụ tai nạn giao thông liên quan đến cáctrường hợp va đâm sau , trong đó hơn 50% trường hợp lái xe không kịp phanh ,Volvo đã tập trung nghiên cứu cải tiến công nghệ cảnh báo đâm sau

Trong khi hệ thống Brake Support chỉ sử dụng radar để phát hiện nguy cơ vachạm , thì hệ thống Auto Brake mới dùng cả radar và camera nên hoạt động hiệuquả hơn hẳn Tầm quét của radar là 15 m phía trước xe còn tầm quan sát củacamera là 5,5 m Một trong những ưu điểm lớn nhất của việc sử dụng camera là cóthể phát hiện được các xe đang đứng yên

1.2.3 Hệ thống phát hiện điểm mù của Ford

Ford đã giới thiệu hai công nghệ mới nhất để hỗ trợ cho lái xe quan sát cácđiểm mù là “Gương quan sát điểm mù” (Blind Spot Mirror) và hệ thống giám sátđiểm mù (BlindSpotMonitoring System) Với những tiện ích của các công nghệ

m ới này Ford dự định sẽ cho tích hợp ngay trên những model của năm 2009 này

Hình 1.4 : Gương quan sát điểm mù của Ford Gương quan sát điểm mù (Blind Spot Mirror ): Thực ra đây là một giải pháprất đơn giản và ít tốn kém nhất để giúp lái xe quan sát phía sau, trên gương chiếuhậu bên ngoài xe gắn thêm một gương cầu lồi nhỏ ở góc trên của gương thôngthường, gương cầu lồi nhỏ này sẽ giúp cho lái xe quan sát được những chiếc xehoặc vật thể đang nằm ở vị trí được coi là “điểm mù” (mà gương thông thườngkhông quan sát được) để giúp lái xe có những xử lý thích hợp.

Nhờ s ự kết hợp của các hệ thống giúp lái xe có thể nhận biết được các vật thể trong một phạm vi rất rộng Những rada này có tầm hoạt động rất rộng, nó có thể phát hiện ra những vật thể nằm cách chiếc xe ở khoảng cách lên tới 19,8 m Khi phát hiện ra có vật thể hoặc một chiếc xe khác đang áp sát trong phạm vi này

hệ thống sẽ đưa ra cảnh báo tới lái xe bằng cách: làm sáng đèn nhỏ ở trên gương chiếu hậu đồng thời đưa ra cả âm thanh để cảnh báo, chính điều này làm cho lái xe

dù không thật sự tập trung nhưng vẫn có thể nhận ra được

Hình 1.5 : Hệ thống an toàn thông minh của Ford

Ford cho biết những công nghệ này sẽ được tích hợp đồng thời trên cácmodel của Ford, Lincoln và Mercury giống như m ột thiết bị tiêu chuẩn và nhữngthiết bị này sẽ kết hợp cùng với những hệ thống an toàn khác trên xe của Ford nhưFord"s Personal Safety System và Space Architecture để giúp nâng cao tính tiệnnghi và an toàn cho người lái

1.3 Những thành tựu đã đạt được của hệ thống báo khoảng cách

Vào năm 2002, hãng Toyota đã cho giới thiệu hệ thống quan sát ban đêm hệthống này được trang bị m ột camera hồng ngoại có thể quan sát các chướng ngạivật khi đi trong đêm tối, khi hoạt động tầm xa của hê thống lên đến 30 m, góc nhìncủa camera là 30, năm 2003 hệ thống này được trang bị trên Lexus LX470 Cùngtrong năm 2003, hệ thống xác định chướng ngại vật cũng được trang bị trên các xecủa Honda, Mecredes- Benz, trong đó nổi bật hơn cả là hệ thống Pre-safe củaMecredes- Benz, hệ thống sử dụng một cảm biến quang, được hiển thị lên LCDphía trước tay lái Nó có khả năng nhận biết các chướng ngại vật trong tầm 30 m,khi phát hiện đối tượng hệ thống thông báo âm thanh cho người lái đồng thời canthiệp vào hệ thống thắng, trên ghế ngồi dây đai an toàn được siết chặt lại Hệ thốngnày làm tiền đề cho các hãng xe khác nghiên cứu phát triển thêm cho hệ thống saunày

Theo thời gian hệ thống xác định khoảng cách được phát triển ngày càngmạnh mẽ Năm 2004, Honda giới thiệu hệ thống quan sát thông minh ban đêm, cókhả năng có khả năng nhận biết làn đường dành cho người đi bộ vào ban đêm.

Năm 2007 là một năm mà Toyota đã phát triển hệ thống này một cách hoànthiện Hệ thống Driver Monitoring System được ứng dụng vào xe Lexus LS, sửdụng một camera CCD thông minh phát tín hiệu về màn hình LCD trước tay lái,đồng thời gắn thêm hệ thống báo động khi chướng ngại vật đến gần

CHƯƠNG 2: CÁC HỆ CẢM BIẾN SỬ DỤNG ĐO KHOẢNG CÁCH

Các hệ thống cảm biến đều là những bộ biến đổi năng lượng, nó biến nănglượng từ dạng này sang dạng khác, thông thường là biến đổi tín hiệu từ các đạilượng hông điện thành các tín hiệu đại lượng có điện Tín hiệu này được phản hồi

về bộ điều khiển, thông qua bộ điều khiển có các quyết định thích hợp

2.1 Phân loại cảm biến

Ngày nay, cùng với sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật, có rất nhiều loạicảm biến được sử dụng để đo khoảng cách của vật thể Các cảm biến này hoạt độngtùy theo nhiệm vụ và chức năng hoạt động Các loại cảm biến sử d ụng để đo vị trí

và khoảng cách được phân loại , chúng ta cùng đi tìm hiểu một số loại cảm biếnnhư sau :

2.1.1 Cảm biến tiệm cận siêu âm

Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện hầu hết các loại đối tượng: kimloại hoặc không phải là kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục(những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn)

Hình 2.1 : Một vài loại cảm biến tiệm cận siêu âm do Siemens sản xuất

2.1.1.1 Cấu trúc cảm biến tiệm cận siêu âm:

Cảm biến tiệm cận siêu âm có 4 phần chính:

- Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm (Transducer / Receiver)

- Bộ phận so sánh (Comparator)

- Mạch phát hiện (Detector Circuit): Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi, bộphân so sánh tính toán khoảng cách bằng cách so sánh thời gian phát, nhận và vậntốc âm thanh

- Mạch điện ngõ ra (Output): Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc analog Tín hiệu

từ cảm biến digital báo có hay không sự xuất hiện đối tượng trong vùng cảm nhậncủa cảm biến Tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách củađối tượng đến cảm biến

Hình 2.2 Các thành phần của cảm biến tiệm cận siêu âm 2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận siêu âm