BTL Đo lường tự động (BKHN): (có code) Hệ thống đo lường và cảnh báo va chạm cho xe ô tô

Với phạm vi bài tập lớn của môn học, chúng em sẽ dựng một mô hình cùng các thông số được tính toán để mô phỏng hoạt động của một xe ô tô đơn giản, đi kèm với cảm biến để thực hiện nhiệm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

====o0o====

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

Đề tài: Hệ thống đo lường và cảnh báo va chạm

cho xe ô tô

Hà Nội, tháng 11/2019

Giáo viên hướng dẫn: TS Hán Trọng Thanh

Sinh viên thực hiện: Trần Hà Thành – 20158355

Đặng Anh Minh- 20158251 Ngô Thị Ngọc Huyền – 20158168

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Sơ đồ khối của hệ thống 7

Hình 1 2 Hình ảnh vi điều khiển AT Mega 328 9

Hình 1 3 Hình ảnh cảm biến đo khoảng cách 9

Hình 1 4 Hình ảnh module động cơ điều khiển L298 10

Hình 1 5 Hình ảnh pin 1,5V và 9V 11

Hình 1 6 Hình ảnh motor giảm tốc độ 3V-9V 12

Hình 2 1 Minh họa các mức độ khoảng cách 13

Hình 2 2 Hình ảnh minh họa cách làm việc của hệ thống 14

Hình 2 3 Lưu đồ thuật toán 15

Hình 2 4 Mô hình xe hoàn thiện 19

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

LỜI MỞ ĐẦU 4

PHÂN CHIA CÔNG VIỆC 6

NỘI DUNG 7

Chương 1 Phân Tích Tính Toán 7

1.1 Giải pháp thiết kế. 7

1.2 Lựa chọn linh kiện. 8

Chương 2 Thiết Kế và Thực Thi 13

2.1 Thiết kế phần mềm 13

2.2 Thiết kế phần cứng. 18

KẾT LUẬN 20

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

LỜI MỞ ĐẦU

Phương tiện giao thông đã và sẽ luôn là một phần quan trọng trong cuộc sống và

sự phát triển của thế giới Đường bộ, hàng không, đường thủy, hay bất kì một loại phương tiện nào cũng đều đem đến những lợi ích riêng không chỉ về di chuyển mà còn cả về vận chuyển những tải trọng lớn nhỏ khác nhau Ở trong bài báo cáo này, chúng em sẽ chọn nói về ô tô, một phương tiện phổ biến trên thế giới và tích hợp được cả các nhiệm vụ di chuyển hay vận chuyển

Ngành công nghiệp ô tô từ lâu đã trở thành một ngành mũi nhọn cho nhiều tập đoàn, thương hiệu mang tầm cỡ quốc gia trên thế giới Có thể nói, việc thiết kế và đưa ra một chiếc ô tô với kiểu dáng thu hút, những tính năng đem lại tiện ích cho người sử dụng đòi hỏi rất nhiều từ ý tưởng cho tới quy trình Cũng chính bởi vậy, ô tô hiện nay đang là phương tiện phổ biến nhất trên thế giới, nó không chỉ cung cấp cho người sử dụng một công cụ di chuyển mà còn đem tới sự an toàn, bảo vệ khỏi môi trường bên ngoài Tuy nhiên, với sự điều khiển phương tiện của con người thì vẫn còn đó những mối nguy hiểm tiềm tàng trong cách thức điều khiển, hay do chính khả năng điều khiển phương tiện của mỗi người Những mối nguy hiểm này có thể ảnh hưởng trực tiếp tới tính mạng, nên để khắc phục cho những mối nguy hiểm đó, một xu hướng của thời đại công nghiệp ô tô ngày nay nổi lên đó là ô tô thông minh, hay ô tô tự lái Thế nhưng vai trò của người điều khiển vẫn không thể bị thay thế

chống va chạm Với phạm vi bài tập lớn của môn học, chúng em sẽ dựng một mô hình cùng các thông số được tính toán để mô phỏng hoạt động của một xe ô tô đơn giản, đi kèm với cảm biến để thực hiện nhiệm vụ chống va chạm khi di chuyển của xe Việc lựa chọn đề tài là này là phù hợp với những kiến thức chúng em đã được học, them vào đó là những kiến thức chúng em sẽ tự thu thập được về các hệ thống đã có, cách chúng vận hành, để hoàn thiện hơn về sản phẩm cũng như hiểu biết của chúng em

PHÂN CHIA CÔNG VIỆC

Bảng : Phân chia công việc

Dựa vào chức năng đã nêu trên ta thiết kế sơ đồ khối như sau:

Hình 1 1 Sơ đồ khối của hệ thống

Với khối vi điều khiển là trung tâm, tất cả các dữ liệu được trả về từ các khối chức năng khác sẽ được đưa qua đây để xử lý và tính toán trước, sau đó các dữ liệu phản hồi sẽ được gửi tới các khối chức năng khác

1.1.2 Phân tích chức năng và nhiệm vụ các khối

Ở phần 1.1.1, báo cáo đã đưa ra cái nhìn tổng quan về hệ thống, ở phần này, báo sẽ đi sâu vào phân tích chức năng, cách thức hoạt động và nhiệm vụ của từng khối trong hệ thống

• Nguồn

Phần nguồn của hệ thống cần cung cấp cho hệ thống một điện áp ổn định và “sạch” nhất

để toàn bộ hệ thống có thể hoạt động một cách an toàn và trơn chu nhất Vì vậy, cần phải chia phần nguồn thành 2 điện áp khác nhau, một là cho động cơ và vi xử lý, các khối này cần điện áp và dòng điện rộng và cao hơn các khối còn lại để có thể làm chuyển động xe

và hạn chế tốc độ của xe, hai là phần nguồn dành cho các khối còn lại vì các khối còn lại chi hoạt động ở một mức điện áp nhất định

• Động cơ

Động cơ được sử dụng trong bài không chỉ có chức năng tạo công để giúp cho xe

chuyển động mà còn cần phải tích hợp them cả chức năng đo tốc độ xe vì như vậy sẽ giúp đơn giản hóa xe và giúp ta có thể quan sát dễ hơn được hoạt động của xe ngay cả khi xe không di chuyển Điều này giúp ích rất nhiều trong qua trình thiết kế và hoàn thiện hệ thống

• Cảm biến khoảng cách

Cảm biến khoảng cách có chức năng và nhiệm vụ là đo khoảng cách và trả về tín hiệu cho vi điều khiển có thể dung các biến đổi toán học và thuật toán đã được lập trình để lấy ra được kết quả cuối cùng là khoảng cách giữa xe và vật cản đằng trước

Báo hiệu các mức an toàn và cảnh báo nguy hiểm của xe

1.2 Lựa chọn linh kiện

1.2.1 Bộ vi điều khiển

Đây là một vi điều khiển phổ biến với mức giá cả phải chăng mà vẫn đảm bảo được đầy đủ các chức năng có thể sử dụng trong hệ thống, vì vậy, ATMega 328 được lựa chọn làm trung tâm cho toàn bộ hệ thống

Hình 1 2 Hình ảnh vi điều khiển AT Mega 328

Hình 1 3 Hình ảnh cảm biến đo khoảng cách

Với 6 chân chức năng bao gồm Vcc, chân nguồn cung cấp điện áp cho toàn bộ cảm biến hoạt động, mức điện áp yêu cầu là 5V Để đo khoảng cách, chân Trig sẽ phát ra xung rất ngắn (5us), sau đó cảm biến sẽ tạo ra 1 xung với mức logic 1 ở chân Echo cho đến khi nhận được xung phản xạ ở chân này, chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian song siêu

âm được phát từ cảm biến quay trở lại, qua đó có thể biết được thời gian song siêu âm đi

và quay trở lại trong bao lâu và biến đổi toán học để ra được khoảng cách đo được Chân Out có thể thực hiện chức năng của cả 2 chân Trig và Echo Chân GND là chân đất của cảm biến

Như vậy với 6 chân chức năng nêu trên, cảm biến có 2 kiểu hoạt động, kiểu 1 là sử dụng 2 chân Trig và Echo và kiểu 2 là sử dụng chân Out Vì chỉ sử dụng 1 chân Out là chân chức năng chính nên cách đo cũng như lập trình để lấy ra được kết quả là phức tạp hơn nên hệ thống này chọn kiểu đo 1

1.2.3 Module động cơ điều khiển L298

Hình 1 4 Hình ảnh module động cơ điều khiển L298

• Module L298 có thể điều khiển 2 động cơ DC hoặc 1 động cơ bước, có 4 lỗ nằm ở

4 góc thuận tiện cho người sử dụng cố định vị trí của module.Có gắn tản nhiệt chống nóng cho IC, giúp IC có thể điều khiển với dòng đỉnh đạt 2A

IC L298N được gắn với các đi ốt trên board giúp bảo vệ vi xử lý chống lại các dòng điện cảm ứng từ việc khởi động/ tắt động cơ

• Tóm tắt qua chức năng các chân của L298:

12 của L298 Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển

o 4 chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân INPUT) được nối với các chân 2, 3, 13, 14 của L298 Các chân này sẽ được nối với động cơ

o Hai chân ENA và ENB dung để điều khiển các mạch cầu H trong L298 Nếu

ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) thì cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động

• Điều khiển chiều quay với L298:

o -Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào

o -Khi ENA = 1:

o + INT1 = 1; INT2 = 0: động cơ quay thuân

1.2.4 Nguồn

Hình 1 5 Hình ảnh pin 1,5V và 9V

Nguồn 6V được lấy ra 4 viên pin 1.5V Nguồn này giúp cho các khối trong mạch hoạt động ổn định mà không bị thiếu hụt nguồn trong thời gian dài qua đó giúp cho các khối hoạt động ăn khớp với nhau và cả hệ thống sẽ hoạt động một cách ổn định và trơn chu

Nguồn 9V được lấy ra bằng pin 9V để cấp nguồn cho vi điều khiển

1.2.5 Motor DC3v-6v

Hình 1 6 Hình ảnh motor giảm tốc độ 3V-9V

Với giá thành rẻ, dễ sử dụng nên lựa chọn motor để thiết kế mô hình nhỏ rất phù hơp

Thông số kỹ thuật :

• Điện áp hoạt động:3V~ 9V DC (Hoạt động tốt từ 6 - 8V)

• Mômen xoắn cực đại: 800gf cm min 1:48 (3V)

Chương 2 Thiết Kế và Thực Thi

Hình 2 1 Minh họa các mức độ khoảng cách

Mức khoảng cách ở đây sẽ được chia ra làm 4 mức, mức an toàn (safety distance), mức cảnh báo (warning distance) , mức giảm tốc độ (decelaration distance) và mức nguy hiểm (emergency distance) Tùy vào tốc độ tối đa, khả năng giảm tốc và dừng mà mỗi loại xe

có thể đạt được mà các mức khoảng cách này sẽ thay đổi khác nhau Tại mức an toàn, người lái xe vẫn sẽ điều khiển như bình thường, chưa có tác động hay cảnh báo nào về khoảng cách giữa xe phía trước hay vật cản Khi người lái xe tăng tốc, hoặc phương tiện

ở phía trước họ giảm tốc, xe đi vào khoảng mức giảm cảnh báo , khi đó đèn cảnh báo sẽ hiện (xe vẫn giữ mức tốc độ đó) lên yêu cầu xe giảm tốc độ để duy trì an toàn Khi người lái vẫn tiếp tục tăng tốc độ đồng nghĩa với việc xe đi vào khoảng mức giảm tốc độ, khi đó

tốc độ của xe sẽ bị đưa xuống mức thấp hơn để giữ một khoảng an toàn bằng cách sử dụng

áp chế tốc độ động cơ xe giảm xuống Ở mức giảm tốc độ này, người lái xe sẽ chỉ có thể duy trì tốc độ thấp hơn hoặc không vượt quá một tốc độ cho phép Khi gặp trường hợp người lái xe vẫn tiếp tục di chuyển mà chưa nhận thấy khoảng cách nguy hiểm, hoặc do phương tiện phía trước phanh đột ngột, lúc đó xe sẽ đi vào mức khoảng cách nguy hiểm

và ngay lập tức xe sẽ bị áp chế dừng lại, không cho phép người lái xe được di chuyển xe

2.1.2 Thuật toán

Dựa vào nguyên lý đã phân tích ở trên, ta có thể đưa ra cách để thu nhận dữ liệu từ cảm biến khoảng cách để xử lý, cùng với các mức ngưỡng, và điều chỉnh tốc độ động cơ

Car / Object

Distance

Distance sensor V

Distance Distance LevelsCompare to

Engine (velocity)

Velocity

Hình 2 2 Hình ảnh minh họa cách làm việc của hệ thống

Ở trong bài tập này, chúng em sẽ đưa ra 3 mức khoảng cách đó là:

• Khoảng cách an toàn (Safety distance) : distance > 75cm

• Khoảng cách cảnh bảo (Warning distance ) : 50 ≤ distance < 75cm

• Khoảng cách giảm tốc độ (Decelaration distance) : 25cm ≤ distance < 50cm

• Khoảng cách nguy hiểm (Emergency distance) : distance < 25cm

Lưu đồ thuật toán:

Hình 2 3 Lưu đồ thuật toán

2.1.3 Mã nguồn chương trình

• Thiết lập các thông số ban đâu:

#define trigpin 4 // digital pin 4

#define echopin 3 // digital pin 3

#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial Blue(12, 13);

int led1 = A0;

int led2 = A1;

int led3 = A2;

int led4 = A3;

Hình 2 4 Mô hình xe hoàn thiện

2.2.2 Kết quả thu được

• Về mặt thiết kế và sản phẩm:

Mạch thiết kế đơn giản, cho phép hiển thị những giá trì cần được đo và điều khiển,

cơ chế điều kiển phù hợp với kích thước của mô hình Chức năng đo, điều chỉnh tốc độ giữa các mức khoảng cách hoạt động tốt trong quá trình thử nghiệm Tuy vậy chức năng vẫn chỉ hạn chế ở việc tránh va chạm ở phía trước Cơ chế phanh hoạt động chưa được hiệu quả như mong muốn

• Hướng phát triển:

Sản phẩm vẫn dừng lại ở mức chức năng đơn giản nên hướng phát triển của sản phẩm là rất rộng Các chức năng có thể them vào có thể là mở rộng cảm biến khoảng cách ra xung quanh xe để đưa ra những cảnh báo tốt hơn Trên thực tế, việc áp dụng

cơ chế phanh cũng phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ của xe hiện tại, quán tính, ma sát mặc đường, tải trọng xe, thời gian để có thể dừng xe hiệu quả, ta có thể them các thông số để tính toán, đưa ra những cơ chế giảm tốc và phanh hiệu quả hơn

KẾT LUẬN

mình về các hệ thống điều khiển, tự động điều khiển trong các lĩnh vực khác nhau nói chung và của ngành công nghiệp ô tô nói riêng Quá trình thực hiện, đo đạc cũng như thử nghiệm mô hình cũng đã đem lại cho chúng em rất nhiều trải nghiệm và bài học thực tế Mặc dù sản phẩm đưa ra là chưa có thiết kế đẹp, chưa đem lại chức năng với độ chính xác cao, nhưng chúng em hy vọng rằng những gì đã nghiên cứu và làm được sẽ là bước đà cho sự phát triển thêm sau này của chúng em nói riêng, hay của các bạn sinh viên khác có cùng sự yêu thích nói chung Chúng em cũng xin cảm ơn Thầy vì đã tạo điều kiện cho sinh viên được thực hiện các đề tài vô cùng bổ ích đi kèm với những kiến thức căn bản cần thiết về môn học đo lường tự động điều khiển

Do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế nên khó tránh khỏi những thiếu xót trong quá trình thực hiện, chúng em rất mong sẽ nhận được sự đánh giá và chỉ bảo của Thầy để có thể hoàn thiện hơn

Chúng em xin cảm ơn Thầy!

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

1) http://arduino.vn/

2) Wikipedia