Đồ án thiết kế hệ thống phát hiện vật cản khi lùi xe

Hệ thống xác định chướng ngại vật là một hệ thống nhằm cải thiện thêm tính an toàn trên xe hơi, bên cạnh hệ thống túi khí (air bag), hệ thống thắng ABS v..v… thì hệ thống xác định khoảng cách từô tô đến chướng ngại vật được lắp trên một sốloại ô tô đắt tiền. Vì chi phí chế tạo hệ thống khá đắt nên ở Việt Nam hiện nay, hệ thống xác định chướng ngại vật (Pre Crash Safety System) chỉ được trang bị cho xe Camry 2.0, một dòng xe siêu sang của TOYOTA. Hệ thống này có ưu điểm khá lớn khi điều khiển xe ở tốc độ cao, khi qua đường hoặc khi lùi xe. Với những ưu điểm vượt trội như vậy vấn đề đặt ra làm sao có thể thiết kế hệ thống này với một giá cả hợp lí và chất lượng không thua kém hệ thống trang bị trên các xe ô tô đắt tiền. Đây là vấn đề cần quan tâm để có thể trang bị hệ thống này cho nhiều dòng xe khác, không chỉ trên các xe đắt tiền.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng yên, ngày tháng năm 2015 Giáo viên hướng dẫn

ThS Phạm Văn Kiêm

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1

LỜI MỞ ĐẦU 4

MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 5

MỤC TIÊU 5

NỘI DUNG 5

PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 6

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH CHƯỚNG NGẠI VẬT TRÊN Ô TÔ 7

1.1 Khảo sát một số hệ thống cảnh báo an toàn trên xe 7

1.1.1 Hệ thống cảnh báo va chạm trước 7

1.1.2 Hỗ trợ phanh khẩn cấp 7

1.1.3 Hệ thống báo chệch làn đường 7

1.1.4 Hệ thống xóa điểm mù 7

1.1.5 Đèn pha chiếu sang chủ động 8

1.1.6 Hệ thống cảnh báo lùi 8

1.1.6.1 Camera lùi trên xe ô tô 8

1.1.6.2 Cảm biến lùi trên xe ô tô 10

1.2 Giới thiệu các hãng xe chế tạo hệ thống báo khoảng cách 11

1.2.1 Hệ thống xác định khoảng cách trên xe KIA 11

1.2.2 Hệ thống cảnh báo va chạm của Volvo 13

1.2.3 Hệ thống quan sát điểm mù của Ford 14

1.3.Giới thiệu về cảm biến đo khoảng cách 15

1.3.1 Giới thiệu 15

1.3.2.Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc 16

1.3.3.Đo khoảng cách bằng phương pháp thời gian truyền 17

1.3.3.1 Tốc độ truyền 18

1.3.3.2 Độ bất định 18

1.3.3.3 Định thời 18

1.3.3.4 Tương tác bề mặt 19

1.3.3.5 Hệ thống TOF siêu âm 19

1.3.3.6 Hệthống TOF sử dụng laze 21

1.3.4.Cảm biến khoảng cách vi sóng 22

CHƯƠNG II.TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 24

2.1.Cơ sở lựa chọn linh kiện 24

2.2.Tính toán linh kiện 24

2.2.1.Vi điều khiển 8051 24

2.2.1.1 Sơ đồ khối và sơ đồ chân của AT89C51 25

2.2.1.2 Chức năng các chân của AT89C51 25

2.2.2 IC ổn áp 28

2.2.3.Diode cầu 29

2.2.4.Transistor C828 30

2.2.5.Điện trở 32

2.2.5.1 Khái niệm điện trở 32

2.2.5.2 Điện trở trong thiết bị điện tử 33

2.2.5.3 Cách đọc trị số điện trở 34

2.2.6.Tụ điện 35

2.2.6.1 Định nghĩa 35

2.2.6.2 Cách chọn tụ điện 36

2.2.7.Cảm biến vật cản hồng ngoại 37

CHƯƠNG III THIẾT KẾ MẠCH VÀ SƠ ĐỒ KHỐI 39

3.1 Sơ đồ khối 39

3.2 Mạch proteus 39

3.3 Sơ đồ nguyên lý 40

3.4.Sơ đồ mạch board 40

KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

LỜI MỞ ĐẦU

Hệ thống xác định chướng ngại vật là một hệ thống nhằm cải thiện thêm tính antoàn trên xe hơi, bên cạnh hệ thống túi khí (air bag), hệ thống thắng ABS v v… thì hệthống xác định khoảng cách từô tô đến chướng ngại vật được lắp trên một sốloại ô tôđắt tiền Vì chi phí chế tạo hệ thống khá đắt nên ở Việt Nam hiện nay, hệ thống xácđịnh chướng ngại vật (Pre- Crash Safety System) chỉ được trang bị cho xe Camry 2.0,một dòng xe siêu sang của TOYOTA Hệ thống này có ưu điểm khá lớn khi điềukhiển 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 với một giá cả hợp lí vàchất lượng không thua kém hệ thống trang bị trên các xe ô tô đắt tiền Đây là vấn đềcần quan tâm để có thể trang bị hệ thống này cho nhiều dòng xe khác, không chỉ trêncác xe đắt tiền

MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

- Xác định loại tìm loại cảm biến đo khoảng cách phù hợp Loại cảm biến này

có khả năng phát hiện ra chướng ngại vật trong một khoảng cách mà lái xe có thể xử lí

an toàn

- Thiết kế, chếtạo hệ thống xác định chướng ngại vật trên xe sao cho phù hợp

- Bố trí, chế tạo hệ thống có thể hiển thị khoảng cách lên màn hình và điềukhiển được cảm biến chính xác

- Tổng quan về các hệ thống phát hiện chướng ngại vật

- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán khoảng cách cho cảm biếnkhi 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

- Nghiên cứu về phương pháp thu và phát của cảm biến siêu âm

- Nghiên cứu phương pháp tính toán hệ thống khi xe di chuyển trên đường đến chướng 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

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

- Nghiên cứu các hệ thống xác định chướng ngại vật của các hãng xe trên thếgiới

- Phương pháp thiết kế mạch cho hệ thống

- Phương pháp thực nghiệm và tính toán các kết quả đo

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

- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản báo cáo nghiên cứu khoa học Đề nghị hướngphát triển của đề tài

 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Từ nhu cầu và sự an toàn của người lái khi được trang bị hệ thống có thể phát ratín hiệu khi có vật cản trên đường, giúp cho lái xe có thể an tâm trong quá trình đỗ xeđược an toàn góp phần không nhỏ trong quá trình di chuyển và giảm va trạm

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH

CHƯỚNG NGẠI VẬT TRÊN Ô TÔ

Những công nghệ phòng tránh va chạm mới đang dần xuất hiện nhiều hơn trên

ô tô, bắt đầu từ những mẫu xe sang Một số hệ thống an toàn phát ra tín hiệu cảnh báobằng âm thanh hoặc hình ảnh để nhắc tài xế có hành động xử lý, trong khi một sốkhác sẵn sàng can thiệp vào phanh hoặc hệ thống lái để chỉnh lại xe đi đúng hướng Hệthống xác định chướng ngại vật trên ô tô là một trong những hệ thống được sử dụngkhá nhiều hiện nay Theo báo cáo của Viện bảo hiểm an toàn đường bộ Mỹ(IIHS) thì

hệ thống xác định chướng ngại vật này rất hữu ích vì hằng năm có đến 40% tai nạnliên quan đến việc lái xe thiếu tập trung

1.1 Khảo sát một số hệ thống cảnh 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 vào thứ

gì đó phía trước Hầu hết các hệ thống đều phát cảnh báo bằng âm thanh bằng âmthành hoặc đèn chớp, hình ảnh Một số thậm chí có thể tự động rà phanh để giảm 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 sản xuấtchỉ ra rằng nhiều tài xế không đạp được lực phanh tối đa trong trường hợp khẩn cấp,

do ảnh hưởng tâm lý, nên vẫn để xảy ra va chạm dù đã biết trước và hoàn toàn có thểtránh Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp có khả năng phát hiện các trường hợp tài xếmất bình tĩnh, như dấu hiệu nhấc chân ga đột ngột Khi đó, hệ thống sẽ lập tức tự động

rà phanh trước và giúp người lái đạt lực phanh tối đa

1.1.3 Hệ thống báo chệch làn đường

Hệ thống này sử dụng các camera gắn trên xe để phát hiện thời điểm lốp xe bắtđầu chệch khỏi làn đường đang chạy Máy tính sẽ kiểm tra hệ thống lái và tốc độ xe đểxác định xem việc chạy chệch làn đường là cố ý hay vô tình Nếu máy tính kết luậnrằng đó là vô tình, hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo bằng cách làm rung nhẹ vô-lăng,

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-nhanvào đúng thời điểm hệ thống phát hiện có xe trong điểm mù Một số hệt hống còn có

cả chuông cảnh báo

1.1.5 Đèn pha chiếu sang chủ động

Phần mềm điều khiển dải chiếu sáng của cụm đèn pha được kết nối với thôngtin truyền từ vô-lăng, để khi xe chuyển hướng, dải chiếu sáng cũng chuyển hướngtheo, giúp tài xế quan sát tốt phía trước ở những góc cua vào buổi tối

1.1.6 Hệ thống cảnh báo lùi

1.1.6.1 Camera lùi trên xe ô tô

Lùi xe thường chịu nhiều rủi ro hơn tiến Tuy nhiên, nỗi lo ngại sẽ được hoágiải nhờ cảm biến và camera hỗ trợ lùi Thiết bị này có thể lắp đặt đơn giản trên mọidòng ôtô và đặc biệt hữu ích với những xe thân dài

Hình 1.1 Camera lùi trên xe ô tô

Để hạn chế xây xước khi lùi xe vào điểm đỗ hay sự lo lắng của các bậc cha mẹtrong tình huống này, các hãng chế tạo linh kiện ôtô áp dụng những giải pháp côngnghệ cao Đó là hệ thống cảnh báo sóng siêu âm (cảm biến lùi), phát ra âm thanh ngàycàng khẩn thiết khi ôtô lùi đến gần vật cản phía sau Thiết bị này đã có mặt trên thịtrường từ nhiều năm Tuy nhiên, với những xe không tích hợp sẵn thì việc lắp đặt một

hệ thống như vậy khá bất tiện vì phải động chạm tới vỏ xe, hơn nữa chúng có thể hoạtđộng không hiệu quả trong điều kiện trời mưa hoặc tuyết rơi Thêm vào đó, những tiếpbíp bíp liên tục có thể làm cho người điều khiển khó chịu Do đó, các nhà sản xuất đã

sử dụng một giải pháp công nghệ hiện đại hơn là camera hỗ trợ quan sát phía sau, tiếngAnh gọi là rearview, backup hay eversing camera, cho phép lái xe quan sát toàn bộ bốicảnh sau đuôi xe Camera quan sát phía sau là một dạng máy ghi hình gắn vào đuôi xe

để hỗ trợ tài xế mỗi khi lùi Thiết kế của nó khác hẳn so với các loạt camera khác vìảnh hiển thị phải được xoay ngược theo chiều ngang tạo ra hình ảnh giống như lái xe

đang nhìn vào gương chiếu hậu Điều này là cần thiết vì máy quay và mặt lái xe hướng

về hai chiều ngược nhau Nếu không đảo hình, phía bên phải của camera sẽ là phía bêntrái của lái xe và ngược lại

Hệ thống có thể lắp đặt theo kiểu biệt lập, khi đó màn hình hiển thị được bố trítrên hoặc xung quanh gương chiếu hậu trong xe Cách lắp thứ hai là tích hợp tín hiệucủa backup camera để hiển thị hình ảnh trên màn hình LCD của hệ thống multimediahoặc định vị vệ tinh Các màn hình này sẽ giúp lái xe quan sát để có thể lùi xe an toàn,đấu nối xe với rơ-moóc hoặc tránh các va chạm, rủi ro tiềm ẩn phía đuôi xe Hệ thốngnày chỉ được kích hoạt và ưu tiên hiển thị (nếu dùng chung với màn hình có chức năngkhác) khi lái xe cài số lùi (R) Trong mọi trường hợp, tất nhiên, hệ thống này chỉ pháthuy hiệu quả khi chính lái xe hiểu rõ nguyên lý hoạt động và hiển thị của nó đồng thời

có kỹ năng điều khiển xe lùi phù hợp với tín hiệu trên màn hình Hầu hết các backupcamera được tích hợp cùng cảm biến lùi để cung cấp cho lái xe thông tin và các cảnhbáo về khoảng cách, điều mà một camera thu hình đơn thuần không làm được

Một số camera hỗ trợ lùi có khả năng thu phát âm thanh hỗ trợ trao đổi bằnggiọng nói giữa cabin và phía đuôi xe Loại này đặc biệt hữu dụng khi có người đứngphía sau giúp tài xế lùi xe vào điểm đỗ Tuy nhiên, chúng lại phải có một lỗmicrophone nằm trên thân camera Và mặc dù các nhà sản xuất đã cố đặt lỗ này ở phíadưới thân của camera, chúng vẫn làm giảm hoặc thậm chí phá hỏng khả năng chốngthấm nước của camera Một số máy ghi hình còn gắn thêm đi-ốt phát sáng (LED) hồngngoại để hỗ trợ cho camera trong bối cảnh thiếu sáng Tuy nhiên, hiệu quả của nó cũngkhông có nhiều khác biệt, tầm ảnh hưởng của chúng thông thường chỉ vào khoảng từ1,5-3m

Hình 1.2 Thấu kính mắt cá

Camera hỗ trợ lùi thường lắp một thấu kính mắt cá có góc quan sát lớn Thấukính loại này sẽ hạn chế tầm quét xa của camera, tuy nhiên, nó lại cho phép quan sátliên tục ở một khoảng rộng quan sát đuôi xe Các camera cũng thường được lắp chúc

xuống đất, giúp lái xe có thể quan sát được tất cả vật cản nằm dưới cũng như xác địnhđược vị trí giữa tường và nền Hầu hết các backup camera có thể lắp vào xe theo haikiểu Một loại có thể gắn vào lỗ khoá mở nắp khoang hành lý của xe Còn loại kia,được gọi là camera bề mặt, có thể gắn trực tiếp vào thân xe Do đặc điểm về vị trí lắpđặt, backup camera cần chịu được mọi điều kiện thời tiết Khi rửa xe dưới áp suất lớncủa vòi nước hoặc bị ngâm nước trong một thời gian dài, máy ghi hình có thể bị ẩm

Hiện nay, hệ thống camera hỗ trợ lùi đã có mặt trên nhiều mẫu xe hạng trung,cao cấp thuộc tất cả các nhãn hiệu phổ thông

1.1.6.2 Cảm biến lùi trên xe ô tô

Hình 1.3 Cảm biến lùi

Cảm biến lùi được thiết kế để trợ giúp lái xe trong quá trình lùi và đỗ xe Nógiúp lái xe đảm bảo độ an toàn, tính chính xác và dễ dàng lùi và đỗ xe trong mọi tìnhhuống

a Đặc điểm nổi bật

- Tùy chọn 2 hoặc 4 cảm biến sóng siêu âm được lắp đặt ở cản sau của xe

- Cảm biến có thể sơn và hoạt động bền bỉ trong mọi tình huống

- Ứng dụng công nghệ sóng siêu âm mới giúp phát hiện chính xác mọichướng ngại vật sau xe

- Hệ thống chỉ được kích hoạt khi xe vào số lùi

- Màn hình LED hiển thị cùng âm thanh cảnh báo sẽ báo hiệu khi có chướngngại vật phía sau và khoảng cách giữa xe với chướng ngại vật

- Có 4 vùng kích hoạt cảnh báo là 5.5 feet, 3 feet; 2 feet; 1 feet; với mức độcảnh báo khác nhau

b Lợi ích của sản phẩm

- Giúp hạn chế các điểm mù của xe.

- Giúp lái xe phát hiện những chướng ngại vật ở phía sau trong mọi trườnghợp thời tiết cũng như ngày và đêm

- Giảm thiểu tai nạn, va đụng xảy ra khi lùi xe

- Giúp cho việc lùi xe và đỗ xe trở nên dễ dàng, an toàn và nhanh chóng

Đỗ xe song song hoặc lùi xe ở bất kì nơi đâu sẽ dễ dàng hơn nếu có người đứngngoài ra hiệu Nhưng đâu phải lúc nào cũng được như vậy Cảm biến lùi và, trongmột vài dòng xe, camera quan sát sau xe, là những trợ thủ đắc lực

 Cảm biến gắn trên cản sau xe quét tín hiệu để nhận dạng vật cản.

 Ngay khi bạn cài số lùi, cảm biến sẽ hoạt động, phát ra tiếng “bíp” nếu có vật

cản trong khoảng cách 1.8m ở phía sau xe của bạn

 Càng lùi lại gần vật cản, tiếng bíp sẽ càng to và nhanh Tiếng bíp không ngừng

kêu nghĩa là bạn nên dừng lại

 Cảm biến phát hiện ra những vật bạn không thể nhìn thấy vì chúng ở ngoài tầm

nhìn, như hàng rào thấp hoặc cột trụ

 Nếu xe của bạn chỉ có Hệ thống cảm biến lùi, màn hình sẽ hiển thị vị trí của vật

cản phía sau bạn

 Nếu xe của bạn có camera quan sát phía sau, bạn có thể thấy rõ vật cản phía sau

và cùng với tiếng bíp, bạn sẽ nắm rõ tình hình đang xảy ra

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

Hầu hết các hãng xe lớn hiện nay như Toyota, Ford, Nissan, Mecredes – Benz, Honda, Volvo… đều có các hệ thống cảnh báo va chạm riêng của mình Hệ thốngđược trang bị hết sức hiện đại, nó không những phát hiện được khoảng cách của đốitượng phát hiện mà còn có thể can thiệp vào hệ thống thắng (Collision MitigationBrake System(CMBS)) và hệ thống dây an toàn (Seat-beat Safety) giúp lái xe yên tâmhơn phía sau tay lái của mình Sau đây xin giới thiệu hệ thống báo khoảng cách củamột số hãng xe trên thế giới

1.2.1 Hệ thống xác định khoảng cách trên xe KIA

KIA mới là mẫu xe đầu tiên trang bị hệ thống phát hiện và phản ứng khi gặpchướng ngại vật cũng như người đi bộ Nếu tài xế không quan sát tình huống và khôngkịp phản ứng sau lúc có còi báo động, máy tính sẽ tự tính toán để kích hoạt phanh, hỗtrợ lái và siết chặt dây an toàn

Hình 1.1 Hệ thống xác định chướng ngại vật của KIA

Công nghệ phát hiện chướng ngại vật hoạt động cả ngày lẫn đêm, dựa trên cáctín hiệu thu từ radar gắn trước mũi xe và từ camera hồng ngoại ống kính kép phía trênkính chắn gió Để cung cấp sóng hồng ngoại, các kỹ sư gắn đèn phát ở cạnh đèn pha.Tia hồng ngoại từ nguồn phát đập vào chướng ngại vật, phản xạ và camera chịu tráchnhiệm thu lại dưới dạng tín hiệu số Đến lượt các tín hiệu số được gửi tới máy tínhtrung tâm để xử lý Khoảng cách hiệu dụng tối đa của hệ thống này là 25 m và hoạtđộng phụ thuộc vào điều kiện thời tiết

Ngoài hệ thống phát hiện chướng ngại vật, KIA còn trang bị công nghệ trợ giúplái khẩn cấp ESA (Emergency Steering Assist), có tác dụng chọn tỷ số lái tối ưu khichiếc xe gặp tình huống nguy hiểm ở tốc độcao ESA giúp lái xe giữ ổn định hướnglái, giảm nguy cơ va chạm Hoạt động đồng thời với ESA, hệ thống treo sẽ tăng cường

độ cứng để xe không bị lật còn bộ kiểm soát động lực chọn phương pháp phanh tối ưunhằm tránh hiện tượng trượt

Bên cạnh đó, để hệ thống phát hiện chướng ngại vật hoạt động hiệu quả, KIAcòn trang bị công nghệ cảnh báo lái xe DMS (Driver Monitoring System), có khả năngphát tín hiệu nguy hiểm nếu tài xế không tập trung 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 Vớithiết bị này, nếu xe “nhìn” thấy chướng ngại vật trước người lái, DMS sẽ bật đèn báođộng, 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 Pre-crash Safety sẽ hoạt động Pre-crashSafety tính toán xác suất va chạm có thể xảy ra trong tình huống cụ thể, dựa trên vậntốc xe, hướng quan sát của người lái và đặc điểm của chướng ngại vật phía trước Nếucác yếu tố trên 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 suấtphanh cao nhất, trước khi tài xế đặt chân lên bàn đạp phanh, còn hệ thống treo bắt đầugia tăng độ cứng Nếu nhận thấy va chạm là không thể tránh khỏi, Pre-safety sẽ thắtdây đai an toàn, siết chặt người ngồi vào ghế, đồng thời tự động phanh.

Hình 1.2 Ghế ngồi an toàn trang bị trên KIA

Ngoài các công nghệ trên, KIA còn trang bị radar, gắn trên chắn bùn sau, liêntục quét bề mặt xung quanh khi xe đỗ hoặc di chuyển Nếu thấy va chạm chắc chắn sẽxảy ra, nó tự động năng gối đỡ đầu lên tối đa 35 mm và đưa về phía trước tối đa 60

mm để giảm nguy cơ chấn thương cột sống cổ Trên thực tế, các cảm biến gắn trên ghế

đo khoảng cách và điều khiển sao cho gối không va vào đầu hành khách trước khi vachạm xảy ra Bên cạnh đó, các cảm biến có thể nhận dạng người ngồi và máy tính sẽngắt chức năng trên nếu ghế trống

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 tại Mỹ liên quan đến cáctrường hợp va đâm sau, trong đó, hơn 50% trường hợp tài xế 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 cảradar và camera nên hoạt động hiệu quả

hơn hẳn Tầm quét của radar là 15 m phía trước xe, còn tầm quan sát của camera là5,5m Một trong những ưu điểm lớn nhất của việc sử dụng camera là có thể phát hiệnđược các xe đang đứng yên.

Hình 1.4 Hệ thống xác định chướng ngại vật gần của Volvo

Hệ thống cảnh báo mới của Volvo - Auto Brake- trước tiên sẽ“nhắc nhở” tài xế

về nguy cơ va chạm và chuẩn bị sẵn sàng phanh Lúc này, đèn cảnh báo màu đỏ sẽchớp sáng trên màn hình chiếu thẳng lên kính chắn gió trước, đồng thời sẽ có còi cảnhbáo Nếu tài xế không phanh, trong khi bộ cảm biến phát hiện nguy cơ va chạm tứcthời, hệ thống sẽ tự động kích hoạt phanh Auto Brake được thiết kế nhằm hạn chế tốc

độ xe nếu va chạm, từ đó giảm nguy cơ chấn thương cho người ngồi trên cả hai xe.Tuy nhiên, có một hạn chế là độ nhạy của hệ thống sẽ bị ảnh hưởng bởi điều kiện thờitiết và ánh sáng trên đường

1.2.3 Hệ thống quan sát 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 sát điểm

mù (Blind-Spot Monitoring System) Với những tiện ích của các công nghệ mới nàyFord dự định sẽ cho tích hợp ngay trên những model của năm 2009 này

Hình 1.5 Gương quan sát điểm mù của Ford

Gương quan sát điểm mù (Blind Spot Mirror): Thực ra đây là một giải pháp rấtđơn giản và ít tốn kém nhất để giúp lái xe quan sát phía sau, trên gương chiếu hậu bênngoài xe gắn thêm một gương cầu lồi nhỏ ở góc trên của gương thông thường, gươngcầu lồi nhỏ này sẽ giúp cho lái xe quan sát được những chiếc xe hoặc vật thể đang nằm

ở vị trí được coi là “điểm mù” (mà gương thông thường không quan sát được) để giúplái xe có những xử lý thích hợp

Mặc dù đây là một giải pháp rất đơn giản để hỗ trợ lái xe nhưng theo nhữngnghiên cứu về thị trường của Ford, hơn 70% khách cho biết họ cảm thấy tự tin hơn khilái những chiếc xe lắp loại gương này Bên cạnh gương quan sát điểm mù thì Ford còntrang bịthêm hệthống "Cross Traffic Alert", hệ thống này sử dụng rada được gắn ở haibên thân xe và phía sau xe để hỗ trợ lái xe khi đi vào bãi đỗ xe

Nhờ sự kết hợp của các hệ thống giúp lái xe có thể nhận biết được các vật thểtrong một phạm vi rất rộng Những rada này có tầm hoạt động rất rộng, nó có thểpháthiện 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 racảnh báo tới lái xe bằng cách: làm sáng đèn nhỏ ởtrên 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 trungnhưng vẫn có thể nhận ra được

Hình 1.6 Hệ thống an toàn thông minh của FORD

Ford cho biết những công nghệ này sẽ được tích hợp đồng thời trên các modelcủa Ford, Lincoln và Mercury giống như một thiết bị tiêu chuẩn và những thiết bị này

sẽ kết hợp cùng với những hệ thống an toàn khác trên xe của Ford như Ford"s PersonalSafety Systemvà Space Architecture để giúp nâng cao tính tiện nghi và an toàn chongười lái

1.3.Giới thiệu về cảm biến đo khoảng cách

1.3.1 Giới thiệu

Các cảm biến này được sử dụng để đo khoảng cách từ một điểm tham chiếu tớimột đối tượng Rất nhiều công nghệ khác nhau đã được ứng dụng để phát triển các loại

cảm biến này, tiêu biểu là ánh sáng quang học, hình ảnh, vi sóng, và siêu âm.Cảm biến

đo khoảng cách có thể phân thành 2 loại: Tiếp xúc và không tiếp xúc

1.3.2.Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc

Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc là loại cảm biến đo khoảng cách thực

từ điểm tham chiếu tới một đối tượng không thông qua tiếp xúc vật lý Có ít nhất bảy

kỹ thuật đo khác nhau đươc áp dụng trên các cảm biến này:

 Đo tam giác

 Thời gian truyền

Với các loại cảm biến tích cực (phản xạ), khoảng cách đo hiệu quả phụ thuộckhông chỉ vào mức năng lượng phát ra mà còn phụ thuộc vào các đặc tính sau của đốitượng:

 Diện tích tiết diện ngang - xác định lượng năng lượng phát ra tác động vào đốitượng

 Hệ số phản xạ- xác định lượng năng lượng truyền tới được phản xạ so vớilượng năng lượng bị hấp thụ hoặcxuyên qua

 Độ tập trung - xác định khả năng phân bố lại của năng lượng phản xạ

Rất nhiều cảm biến không tiếp xúc hoạt động dựa trên vật lý học truyền sóng.Sóng được phát ra tại một điểm tham chiếu,khoảng cách được xác định bằng cách đothời gian truyền từ điểm tham chiếu tới vật hoặc độ suy giảm của cường độ khisóngtruyền tới vật và quay trở lại điểm tham chiếu Thời gian truyền sóng được đo bằngphương pháp thời gian truyền hoặcđiều biến tần số

1.3.3.Đo khoảng cách bằng phương pháp thời gian truyền

Phương pháp thời gian truyền được minh họa trong hình 1 và 2 Một sóng cửa(chỉ phát ra vài chu kỳ) được phát ra và phản xạ từ vật về bộ thu có vị trí gần bộ phát

Bộ phát và bộ thu có thể được tích hợp trên cùng một cảm biến Bộ thu cũng có thểđược gắn trên vật TOF là thời gian từ khi bắt đầu phát đến khi có tín hiệu trả về.Khoảng cách được xác định bằng công thức: d = c.TOF/2 khi bộ phát và bộ thu ở cùngmột vị trí, hoặc d = c.TOF khi bộ thu được gắn trên vật Độ chính xác thường là 1/4của bước sóng khi phát hiện tín hiệu trả về, tại thời điểm biên độ của nó tiến tớingưỡng giới hạn Hệ số khuếch đại được tự động tăng lên tương ứng với khoảng cách

để đảm bảo độ chính xác Độ chính xác có thể được cải thiện bằng phương pháp dòbiên độ cực đại (hình 3) Điều này làm cho việc xác định thời gian đến của sóng ít phụthuộc vào biên độ tín hiệu Siêu âm, sóng rađiô, hoặc các nguồn năng lượng quang họcthường được sử dụng; vì vậy các thông số liên quan đến việc tính toán khoảng cách làtốc độ của âm thanh trong không khí (gần 0.305 m/ms), và tốc độ của ánh sáng(0.305m/ns)

Hình 1.9 TOF tính theo biên độ lớn nhất của tín hiệu phản xạ để tăng độ chính xác

Sai số của phương pháp thời gian truyền có thể do các nguyên nhân sau:

 Sự thay đổi tốc độ truyền sóng, đặc biệt là với các hệ thống âm thanh

 Không xác định chính xác được thời gian đến của xung phản xạ (Figueroa &Lamancusa, 1992)

 Sai số của mạch định thời sử dụng để đo thời gian truyền

 Sự tương tác của sóng tới với bề mặt của đối tượng cần đo khoảng cách

1.3.3.1 Tốc độ truyền

Trong hầu hết các ứng dụng, sự thay đổi tốc độ truyền của năng lượng điện từ

là không quan trọng và có thể bỏ qua, ngoại trừ các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh.Tuy nhiên, nhận định trên là không đúng đối với các hệ thống sử dụng âm thanh,nguyên nhân là do tốc độ của âm thanh chịu ảnh hưởng rõ rệt của sự thay đổi nhiệt độ

và độ ẩm (Tốc độ của âm thanh tỉ lệ với căn bậc hai của nhiệt độ Rankine; nếu nhiệt

độ của môi trường thay đổi 300 thì sai số đo sẽ là 1ft ứng vớikhoảng cách đo là 35 ft.)

các cảm biếnTOF dựa trên tốc độ của ánh sáng cần mạch định thời ở mức nano giây để

đo khoảng cách với độ phân giải khoảng một foot(Koenigsburg, 1982) Đặc biệt hơn,

để có được độ phân giải 1mm thì độ chính xác của mạch định thời phải là 3ps(Vuylsteke,1990) Giải pháp này có giá thành cao hơn một chút và có thể không đạthiệu quả kinh tế với một số ứng dụng, ngoại trừtrong các ứng dụng có phạm vi nhỏnhưng yêu cầu độ chính xác cao

bộ nhận Tín hiệu rời rạc có thể phản xạ từ những đối tượng thứ cấp (không phải là đốitượng quan tâm), quay trở lại bộ dò tại những thời điểm khác nhau gây ra những tínhiệu sai hay còn gọi là dữ liệu nhiễu Để bù sai số, người ta thường lấy giá trị trungbình của nhiều phép đo lặp lại sao cho chất lượng tín hiệu (tỉ lệ tín hiệu so với nhiễu) ởmức chấp nhận được Tuy nhiên, để xác định khoảng giá trị này sẽ mất nhiều thời gianhơn

1.3.3.5 Hệ thống TOF siêu âm

Phương pháp đo khoảng cách TOF siêu âm hiện nay là kĩ thuật đo không tiếpxúc phổ biến nhất, chủ yếu là do các hệ thống giá thành thấp sẵn có và dễ dàng ghépnối Trong một vài thập kỉ trước, nhiều nghiên cứu đã áp dụng cho robot di động đểtránh va chạm, tính toán vị trí và phát hiện chuyển động Một vài nhà nghiên cứu đãđánh giá sự hiệu quả của cảm biếnsiêu âm khi hoạt động trong các môi trường bênngoài(Pletta,1992;Langer & Thorpe,1992; Pin &Watanabe, 1993;Hammond, 1994)

Trong công nghiệp ô tô, BMW kết hợp bốn bộ chuyển đổi áp điện (gắn trên mộtmàng để bảo vệ môi trường) trên cả tấm bảo vệ mặt trước và mặt sau trong hệ thốngđiều khiển khoảng cách (Siuru, 1994)

Mô đun đo khoảng cách Polaroi là một thiết bị TOF loại tích cực, được thiết kếcho bộ phận tự hội tụ của camera và xác định khoảng cách tới đối tượng bằng cách đothời gian từ thời điểm truyền đi một sóng siêu âm cho đến khi nhận được tín hiệu phảnhồi (Biber, 1980) Có thể nói rằng sự phát triển đáng kể của loại cảm biến này là donhững tác động của nó đến cộng đồng nghiên cứu robot và các ứng dụng công nghiệp

Hệ thống này được được giới thiệu nhiều nhất ở các tài liệu sau(Koenigsburg,1982; Moravec & Elfes, 1985; Everett, 1985; Kim, 1986; Arkin,1989; Borenstein &

Koren, 1990) Với nhữngđặc tính đặc trưng cho các thiết bị đo khoảng cách, Polaroidtrở nên phổ biến nhờ giá thành thấp (cả bộ chuyển đổi và mạchđo khoảng cáchPolaroid có giá thấp hơn 50$), và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng truyềnthống như cảm biến hộitụ tự động của camera (camera auto-focus sensor).

Cấu hình cơ bản nhất bao gồm hai thành phần chính: (1) bộ chuyển đổi siêu âm,

và (2) mô đun điện tử đo khoảng cách.Hiện nay có rất nhiều loại chuyển đổi để lựachọn Ở phiên bản đầu tiên của thiết bị tĩnh điện (hình 19.64), một màng kimloại rấtmỏng được gắn trên một tấm che phía sau tạo thành bộ chuyển đổi điện dung(Polaroid, 1981) Một bộ chuyển đổitĩnh điện có đường kính nhỏ hơn (7000-series)cũng được phát triển cho các camera Polaroid Spectra (Polaroid, 1987) Một bộchuyển đổi áp điện có thiết kế bền vững (sêri 9000), dùng cho các ứng dụng trong môitrường nóng, lạnh, dưới trời mưa,sương muối, và dao động Loại chuyển đổi này đượcdùng trong các xe tải hạng nặng Dải đo của hệ thống Polaroid là từ 0.3m (1ft) tới 10.5

m (35ft) Một chu kỳ hoạt động điển hình như sau:

 Mạch điều khiển kích hoạt bộ chuyển đổi và chờ dấu hiệu báo việc truyền đãbắt đầu

 Bộ nhận được để trống trong một chu kì ngắn để tránh lỗi dò sai do tín hiệutruyền còn dư trong bộ chuyển đổi

 Khuếch đại tín hiệu thu được với hệ số tăng dần theo thời gian để bù lại sự suygiảm mật độ âm theo khoảng cách

 Những tín hiệu phản hồi có giá trị lớn hơn một ngưỡng cho trước được ghi lại

và khoảng cách liên kết được tính từ khoảng thời gian đã trôi qua

Hình 1.10 Từ trái sang phải:(1)bộ

chuyển đổi tĩnh điện phiên bản đầu tiên,

(2) bộ chuyển đổi môi trường sêri 9000,

và (3) bộ chuyển đổi tĩnh điện sêri 7000

Hình 1.11 Giản đồ thời gian cho mô đun

đo khoảng cách siêu âm 6500-series thực hiện vòng lặp chế độ nhiều xung phảnhồi

với đầu vào blanking

Trong chế độ phản hồi đơn của mô đun 6500-series, đường blank (BLNK) vàblank-inhibit (BINH) được giữ ở mức thấp khi đường initiate (INIT) chuyển lên mứccao để kích dãy xung phát ra Tín hiệu internal blanking (BLANKING) tự độngchuyển lên mức cao trong 2.38 ms để ngăn ngừa bộ chuyển đổi rung do việc hiểu sai

nó là xung phản hồi Mỗi khi có tín hiệutrả về hợp lệ, đầu ra phản hồi (ECHO) sẽ giữ ởmức cao cho đến khi được xác lập lại nhờ việc chuyển đầu INIT từ mức cao xuốngmức thấp Đối với quá trình phải xử lý nhiều phản hồi, đầu vào blank (BLANK) phảiđược giữ ở mức cao trong ít nhất0.44 ms sau khi phát hiện tín hiệu trả về đầu tiên đểxác lập lại đầu ra phản hồi cho lần trả về tiếp theo như biểu diễn trong hình 19.65(Polaroid, 1990)

1.3.3.6 Hệthống TOF sử dụng laze

Hệ thống đo khoảng cách TOF sử dụng laze, còn được biết đến với rađa lazehay lidar, lần đầu tiên xuất hiện tại phòng thí nghiệm Jet Propulsion, Pasadena, CA,trong những năm 1970 (Lewis & Johnson, 1977) Năng lượng laze được phát ra dướidạng những xung ngắn tốc độ cao hướng tới đối tượng cần đo khoảng cách Thời giantruyền của một xung đã phản xạ từ đối tượng được sử dụng để tính khoảng cách tới đốitượng dựa trên tốc độ ánh sáng Độ chính xác của những cảm biến thế hệ đầu của loạinày có thể đạt tới vài centimet với khoảng cách đo từ 1 đến 5 m ( NASA, 1977,Depkovich & Wolfe, 1984)

Công ty Schwartz Electro-Optics (bang Orlando, Mỹ) đã sản xuất nhiều hệ thống

đo khoảng cáchTOF sử dụng laze, các hệ thống này sử dụng một kỹ thuật mới để biến đối

từ thời gian sang biên độ nhằm thỏa mãn mức thời gian cỡ nano giây yêu cầu bởi tốc độánh sáng Khi laze được phát ra, một tụ màng có độ chính xác cao bắt đầu phóng điện từmột giá trị cho trước với tốc độ cố định Lượng điện năng phóng ra tỉ lệ với thời gian tính

từ khi tín hiệu được phát ra, phản xạ tại vật và quay về bộ thu (Gustavson & Davis, 1992).Điện áp trên tụ được biến đổi từ dạng tương tự sang dạng số ngay tại thời điểm bộ thunhận được tín hiệu phản hồi Sau đó, giá trị điện áp được biến đổi thành khoảng cách vàbước thời gian, và được hiệu chỉnh bằng cách tra bảng

Hình 1.12 Thiết bị đo khoảng cách

LD90-3Loại-1