TỔNG QUAN
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Xã hội phát triển nhanh chóng đã làm gia tăng nhu cầu di chuyển của con người, dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng số lượng phương tiện giao thông Tuy nhiên, cơ sở hạ tầng và đường xá chưa đáp ứng đủ nhu cầu này, trong khi diện tích bãi đỗ ô tô còn hạn chế, gây khó khăn cho người lái xe trong việc tìm kiếm chỗ đỗ xe.
Để tối ưu hóa khả năng của các bãi đỗ xe hạn chế, cần tạo ra không gian đỗ xe thoải mái, an toàn và nhanh chóng cho người lái Việc thiết kế bãi đỗ hợp lý, sử dụng công nghệ thông minh và cung cấp thông tin rõ ràng sẽ giúp chủ xe cảm thấy yên tâm hơn khi đỗ xe.
Trong những năm gần đây, sự phát triển của khoa học và công nghệ hiện đại đã dẫn đến sự ra đời và phát triển của các hệ thống thông minh trên ô tô, với mục tiêu chính là nâng cao sự an toàn và tiện nghi cho người lái.
Hệ thống hỗ trợ đậu xe trên ô tô giúp giảm căng thẳng và mệt mỏi cho người lái khi tìm kiếm vị trí đậu xe và thực hiện các thao tác phức tạp Chỉ cần nhấn nút, xe sẽ tự động xử lý các công việc còn lại, trong khi người lái chỉ cần điều khiển chân ga và phanh theo hướng dẫn của hệ thống.
Nhóm chúng em đã chọn hệ thống hỗ trợ đậu xe làm đề tài nghiên cứu để nắm vững kiến thức cơ bản về hệ thống này.
MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
Nhóm chúng em nghiên cứu hệ thống hỗ trợ đậu xe trên ô tô nhằm nắm vững kiến thức cơ bản để phát triển và áp dụng vào thực tế Ngoài ra, chúng em cũng mong muốn xây dựng nền tảng lập trình, một xu hướng phát triển mới trong ngành ô tô hiện nay.
Thu thập các tài liệu liên quan đến hệ thống hỗ trợ đậu xe trên các dòng xe trong nước và ngoài nước.
Nghiên cứu, chọn lọc các tài liệu sử dụng trong quá trình làm mô hình của hệ thống hỗ trợ đậu xe.
Tìm hiểu về Arduino và ngôn ngữ lập trình Arduino.
Lên ý tưởng, thiết kế mô hình và lập trình điều khiển mô hình mô tả được sự hoạt động của hệ thống hỗ trợ đậu xe.
Cho mô hình chạy thực nghiệm và hoàn thiện mô hình.
Viết báo cáo, thuyết minh về mô hình.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tham khảo, thu thập các tài liệu liên quan.
Học hỏi kinh nghiệm từ thầy cô, bạn bè.
KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU
Đề tài được thực thực hiện trong vòng 15 tuần và được chia làm 2 giai đoạn:
- Thu thập tài liệu, xác định nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu, phân tích tài liệu có liên quan.
- Lắp mô hình và lập trình cho mô hình hoàn thiện
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG HỖ TRỢ ĐẬU
One of the earliest prototypes of an automated parking assistance system was developed on the Ligier electric vehicle by INRIA (French Institute for Research in Computer Science and Automation) in the mid-1990s.
Trong năm 1992 Volkswagen đã đề xuất ý tưởng về hệ thống tự đỗ xe trong đề án IRVW nhưng không có một phiên bản thương mại nào được thực hiện.
Vào năm 2003, TOYOTA đã giới thiệu phiên bản thương mại đầu tiên của hệ thống hỗ trợ đỗ xe (parking assist system) trên chiếc Toyota Prius, nhưng chỉ được bán tại thị trường Nhật Bản Do phiên bản này còn nhiều lỗi và gặp khó khăn trong việc phát hiện các vật thể như người đi bộ và vật nuôi, nên đến năm 2006, TOYOTA đã hoàn thiện hệ thống và chính thức ra mắt trên thị trường toàn cầu thông qua chiếc Lexus LS sản xuất tại Mỹ.
Sau Toyota các hãng khác cũng lần lượt ra mắt các phiên bản khác nhau của hệ thống parking assist system với các tên gọi khác nhau: Ford (2009), BMW (2010)…
Sơ đồ tống quát hệ thống hỗ trợ đậu xe
+ Hệ thống trợ lực lái điện( EPS) + Còi cảnh báo đỗ xe + Màn hình hiển thị
+Camera trước và sau xe
+ Công tắc xi-nhan và nút bấm
+Cảm biến tốc độ bánh xe
Các loại hình đậu xe Đậu xe song song
Đậu xe song song là hình thức đậu xe mà xe được đậu song song với lề đường, thường chỉ khả thi khi có không gian giữa hai xe đã đậu trước hoặc sau một xe khác Hệ thống hiện tại không hỗ trợ việc đậu trước một xe khác.
Đậu xe vuông góc là hình thức đậu xe mà xe được đặt vuông góc so với lề đường Tương tự như đậu xe song song, việc này chỉ có thể thực hiện khi có hai xe đã đậu sẵn hoặc khi đậu cạnh xe khác; hệ thống không hỗ trợ việc đậu trước một xe khác.
Hình 2.1 Đậu xe song song
Hình 2.2 Đậu xe vuông góc
Ngoài 2 hình thức đậu xe ở trên thì còn có các trường hợp đậu xe khác như:
Hình 2.3 Đậu xe giữa những trở ngại khác
Hình 2.4 Đậu xe trên lề
Hình 2.5 Đậu xe ở các khúc cua Điều kiện kích hoạt và hủy bỏ chế độ hộ trợ đậu xe:
- Hệ thống sẽ không hoạt động khi xảy ra các trường hợp sau:
+ ESP( Chương trình cân bằng xe điện tử) không được kích hoạt với nút bấm ESP. + Xe có gắn rơ móc.
- Việc hỗ trợ đậu xe sẽ bị hủy bỏ khi xảy ra các trường hợp sau:
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ ĐẬU XE TRÊN CÁC DÒNG XE TẠI VIỆT NAM
+ Tốc độ đậu xe quá 7 km/h
+ Chức năng hỗ trợ đậu xe bị tắt bằng nút điều khiển trê xe.
+ Thời gian đỗ xe quá lâu( khoảng 6 phút).
2.2 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ ĐẬU XE TRÊN CÁC DÒNG XE
Mặc dù là mẫu xe hạng trung của Ford, nhưng xe được trang bị hệ thống hỗ trợ đậu xe tự động, một tính năng thường chỉ có trên các dòng xe cao cấp.
Hình 2.6 Vị trí của nút kích hoạt chức năng hỗ trợ đậu xe trên Ford Focus
Hệ thống hỗ trợ lái xe tìm chỗ đỗ xe và tự động đánh lái để đưa xe vào vị trí, tuy nhiên, người lái vẫn cần thực hiện các thao tác chuyển số (tiến/lùi) và điều khiển chân ga/phanh.
Các bước lùi xe vào chỗ đỗ với sự trợ giúp của hệ thống hỗ trợ đỗ xe tự động trên Ford Focus:
Để sử dụng hệ thống hỗ trợ đậu xe, bật công tắc xi-nhan bên cần đậu, sau đó ấn nút khởi động hệ thống Di chuyển với tốc độ dưới 20 km/h và giữ khoảng cách tối đa 80 cm với các xe đang đỗ Hệ thống sẽ đo khoảng trống giữa các xe và xác định không gian đỗ cần thiết (tối thiểu 1,4 thân xe) Khi đã vượt qua khoảng trống, nếu khoảng cách đỗ xe an toàn được xác định, bảng điều khiển sẽ thông báo bằng âm thanh (tiếng bíp) cho người lái biết đã tìm thấy chỗ đậu Tiếp tục lái xe tiến về phía trước cho đến khi hệ thống thông báo STOP, lúc này chức năng đỗ xe tự động đã sẵn sàng.
Chọn số lùi và buông tay lái, hệ thống tự động sẽ đưa xe vào vị trí đỗ đã được xác định trước Người lái chỉ cần theo dõi kính chiếu hậu và giữ chân ga dưới 10 km/h Khi cảm biến lùi và bảng điều khiển thông báo xe đã gần phía sau, người lái chỉ cần đạp phanh và chuyển sang số tiến Hệ thống sẽ tiếp tục điều khiển lái xe về phía trước.
Khi xe đã vào vị trí, hệ thống sẽ thông báo trên bảng điều khiển rằng việc hỗ trợ đậu xe đã hoàn tất Nếu người lái muốn di chuyển tiến hoặc lùi, có thể dễ dàng lặp lại các bước đã thực hiện trước đó.
Các bước lấy xe ra khi đậu xe song song:
- Ấn nút khởi động hệ thống hệ thống hỗ trợ đậu xe tự động, gạt xi- nhan qua phía muốn đưa xe ra.
Hệ thống tự động điều khiển đánh lái cho phép người lái buông hoàn toàn vô-lăng, chỉ cần chú ý đến bàn đạp phanh, ga và thực hiện việc chuyển số lùi hoặc tiến theo hướng dẫn hiển thị trên bảng điều khiển.
- Khi xe đã được đưa ra khỏi vị trí đỗ xe, người lái tiếp tục giữ vô- lăng để đưa xe di chuyển theo hướng mong muốn.
Một số lưu ý khi sử dụng chức năng hỗ trợ đậu xe tự động:
- Hệ thống sẽ hủy thao tác hỗ trợ đậu xe bất cứ khi nào người lái giữ tay lái.
- Không sử dụng tính năng này khi có các vật thò ra từ thùng xe, nóc xe.
- Tính năng này không tự động phanh, do đó, người lái cần chú ý quan sát, phối hợp vào số và sử dụng phanh.
2.2.2 Các dòng xe của Mercedes Benz
Hệ thống Active Parking Assist của Mercedes-Benz hiện nay rất phổ biến, được trang bị trên hầu hết các dòng xe Hệ thống này hỗ trợ người lái đậu xe chỉ trong 5 bước mà không cần chạm tay vào vô-lăng, đồng thời cũng giúp lấy xe ra khỏi chỗ đậu một cách dễ dàng.
Bước đầu tiên để đậu xe là tìm vị trí phù hợp, yêu cầu xe di chuyển chậm với tốc độ dưới 36 km/h Hệ thống Parktronic sẽ sử dụng các cảm biến siêu âm để xác định khoảng trống đậu xe thích hợp, tính toán chiều dài xe cộng với 0.5m phía trước và 0.5m phía sau Trên màn hình sẽ hiển thị chữ P, cho biết hệ thống đang tìm kiếm chỗ đậu.
Khi chiếc xe tìm được chỗ đậu thì xuất hiện mũi tên nhỏ bên cạnh chữ P như hình, lúc này ta cần dừng xe lại.
Bước 2: Bật tính năng Active Parking Assist
Khi dừng xe, hãy bật xi nhan bên muốn đậu và chuyển cần số về chế độ lùi “R” Lúc này, bảng đồng hồ sẽ hiển thị thông báo: “Start Park Assist?” để xác nhận bạn có muốn kích hoạt chức năng đỗ xe song song tự động hay không.
Hình 2.7 Thông báo tìm thấy vị trí đậu xe
Nhấn OK trên vô lăng để thực hiện việc đậu xe.
Bước 3: Hoàn thành việc đậu xe
Tính năng Active Parking Assist sẽ kích hoạt với thông báo "Park Assist Active Tăng tốc và phanh Quan sát xung quanh." Khi đó, xe sẽ tự động điều khiển tay lái và phối hợp chân ga để hỗ trợ người lái trong quá trình đỗ xe.
Hình 2.8 Hệ thống đậu xe tự động đánh lái và điều phối chân ga
Tốc độ tối đa của xe hiện tại là 10km/h Để đảm bảo an toàn, chúng ta nên giữ chân trên bàn đạp phanh và quan sát màn hình camera lùi nhằm ứng phó kịp thời với các tình huống bất ngờ.
Khi hệ thống báo vật cản cảnh báo rằng khoảng cách với xe phía sau không còn an toàn, chúng ta cần đạp phanh để dừng xe Sau đó, chuyển về số "D" để tiến về phía trước, lúc này xe sẽ tự động đánh lái và điều phối chân ga Khi xe đã vào vị trí đậu mong muốn, hệ thống sẽ thông báo bằng âm thanh và hiển thị dòng chữ "Park assist switched off" trên màn hình.
Hình 2.9 Việc đậu xe đã hoàn tất
Sử dụng Ative Park Assist để lấy xe ra khỏi chỗ đỗ
Khi sử dụng hệ thống hỗ trợ đậu xe, xe sẽ ghi nhớ vị trí đậu Khi khởi động lại và bật xi-nhan, hệ thống sẽ hỏi bạn có muốn lấy xe ra khỏi chỗ đậu hay không.
Trên bảng thông báo, sẽ có câu hỏi "Start Park Assist?" với mũi tên chỉ ra ngoài Để lấy xe ra, bạn chỉ cần nhấn OK trên vô lăng Sau đó, hãy chú ý quan sát và kiểm soát chân phanh, trong khi hệ thống sẽ tự động điều khiển vô lăng và ga.
Hình 2.10 Hệ thống hỗ trợ đậu xe hỏi người lái có muốn kích hoạt chức năng lấy xe ra khỏi vị trí đỗ hay không?
Tính năng Active Parking Assist hỗ trợ người dùng đậu xe tự động chỉ trong tối đa 5 thao tác Trong một số trường hợp, người lái có thể cần thực hiện nhiều lần thao tác tiến và lùi cho đến khi hệ thống thông báo rằng quá trình đậu xe đã hoàn tất.
CẤU TẠO, HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG HỖ TRỢ ĐẬU XE
Cấu tạo của hệ thống hỗ trợ đậu xe, gồm 3 phần chính:
- Cảm biến: cảm biến siêu âm, cảm biến góc lái, cảm biến tốc độ bánh xe.
- Bộ chấp hành: EPS( trợ lực lái điện), ESC( bộ điều khiển cân bằng điện tử).
Và hệ thống truyền dữ liệu: mạng LIN( Local Interconnect Network) và mạng
Cảm biến siêu âm là thiết bị đo khoảng cách từ cảm biến đến vật cản như tường hay cọc tiêu Thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực chuyên dụng, bao gồm đo độ sâu, quét địa hình đáy biển, đo độ dày bê tông trong xây dựng và các ứng dụng quân sự.
Cảm biến siêu âm có cấu tạo gồm 3 phần chính:
Phần phát tín hiệu của hệ thống sử dụng các đầu phát và đầu thu siêu âm, được chế tạo từ loa gốm đặc biệt Những thiết bị này hoạt động hiệu quả nhất ở tần số 40kHz, thường được áp dụng trong các ứng dụng đo khoảng cách với cường độ siêu âm cao.
Phần xử lý và điều khiển của hệ thống thường sử dụng một vi điều khiển để phát xung và tính toán thời gian từ khi phát đến khi nhận được sóng siêu âm phản hồi Vi điều khiển này đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý tín hiệu và đảm bảo hiệu suất của hệ thống.
Phân loại cảm biến siêu âm:
Trong quá trình thu phát tín hiệu, cảm biến sử dụng hai loại cảm biến: một để phát sóng siêu âm và một để nhận sóng dội lại từ các vật cản Khoảng cách được tính toán dựa trên công thức cụ thể.
Khoảng cách L được xác định từ cảm biến đến vật cản, trong khi v đại diện cho vận tốc âm thanh trong không khí, khoảng 343 m/s Thời gian t là khoảng thời gian từ khi sóng siêu âm được phát ra cho đến khi nhận được tại đầu thu sau khi phản hồi từ vật cản Cuối cùng, α là góc giữa hai cảm biến thu phát sóng siêu âm.
Hình 2.11 Cảm biến siêu âm
Trong công thức trên, do quãng đường sóng truyền và nhận gấp 2 lần khoảng cách từ cảm biến đến vật nên ta chia cho 2.
Hình 2.12 Hình ảnh minh họa cho thời gian trong quá trình thu phát sóng siêu âm
Cảm biến siêu âm loại này có ưu điểm nổi bật là giá thành rẻ và cấu tạo đơn giản Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của nó là khả năng đo không chính xác do sai số và bị nhiễu, vì hoạt động dựa trên phương pháp đo thời gian truyền.
Loại 2 có một đầu thực hiện hai chức năng thu phát sóng siêu âm Khoảng cách từ cảm biến đến vật cản được tính theo công thức cụ thể.
Cảm biến loại 2 có ưu điểm vượt trội so với loại 1, khắc phục được những nhược điểm của loại trước đó, mặc dù giá thành cao hơn Chính vì vậy, hiện nay, cảm biến loại 2 được ưa chuộng và lắp đặt nhiều hơn trên ô tô.
Cảm biến siêu âm trong hệ thống hỗ trợ đậu xe chủ yếu được sử dụng để cảnh báo chướng ngại vật phía trước và phía sau, đồng thời xác định các vật cản và khoảng trống đỗ xe giữa các xe Để nâng cao độ chính xác trong việc nhận diện các góc cong trên thân xe, có hai phương pháp giảm thiểu sai số: điều chỉnh đầu dò của cảm biến để thu hẹp độ rộng chùm tia siêu âm và áp dụng phương pháp xử lý nhiều tín hiệu vọng lại Trong phương pháp đầu tiên, độ rộng chùm tia được điều chỉnh dựa trên tần số kích thích và bán kính của đầu dò theo một công thức cụ thể.
Trong đó: + 0 : một nửa chiều rộng chùm tia siêu âm
Hình 2.13 Cảm biến siêu âm loại 2
+ : bước sóng kích thích của cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm với tần số kích thích cao sẽ tạo ra chùm tia hẹp hơn, nhưng điều này làm cho mạch điện trở nên phức tạp Độ rộng chùm tia siêu âm theo chiều dọc cũng giảm, dẫn đến khả năng phát hiện các vật cản như lan can thấp và dải phân cách bị hạn chế Hơn nữa, việc điều chỉnh tần số kích thích có thể làm giảm độ nhạy và chính xác của đầu dò trong quá trình phát hiện vật cản.
Cách thứ hai sử dụng nhiều tín hiệu sóng siêu âm phản xạ, với tần số đầu dò cảm biến là 50kHz, tạo ra 16 xung để truyền tín hiệu Các xung này bị phản xạ bởi các vật cản và quay trở lại đầu dò dưới dạng tín hiệu dội lại Những tín hiệu phản xạ này được điều chỉnh để tính toán mức độ mất mát trong quá trình lan truyền sóng siêu âm qua không khí Tiếp theo, tạp âm trong quá trình thu tín hiệu phản xạ sẽ được loại bỏ Do cấu trúc phức tạp của thân xe, chức năng thời gian cho phép được áp dụng để xử lý nhiều tín hiệu vang lại, nhằm đảm bảo hiệu suất ổn định và đáng tin cậy khi sóng phản xạ đi theo nhiều hướng khác nhau, với ngưỡng khoảng cách là 1m.
Hình 2.14 Mô tả cách nhận biết góc bo của xe bằng sóng siêu âm
Hình ảnh minh họa cho thấy các hình dạng góc bo của xe có thể được phân biệt thông qua nhiều sóng phản xạ chức năng Cảm biến siêu âm trong trường hợp này được thiết kế với tần số 50kHz, bán kính 1.5cm và chiều rộng chùm tia khoảng 16 độ.
Vị trí lắp đặt các cảm biến siêu âm trên xe
Hình 2.15 Vị trí cảm biến siêu âm trên xe
Cảm biến siêu âm phía trước bên hông xe, bao gồm hai cảm biến bên phải và trái, được lắp đặt ở đầu xe để hỗ trợ tìm kiếm không gian đỗ xe phù hợp Với kích thước lớn hơn các loại cảm biến khác, chúng cung cấp thông tin chính xác hơn về góc và phạm vi quét, giúp người lái dễ dàng nhận diện không gian xung quanh (như thể hiện trong phần sóng màu đỏ ở hình trên).
Thông tin từ 2 cảm biến này được dùng để:
Đo không gian đậu xe trong quá trình đậu xe.
Tính toán các góc đánh lái phục vụ cho việc đậu xe.
- Các cảm biến siêu âm phía trước đầu và sau đuôi xe
Chức năng chính của các cảm biến này nhằm phát hiện các vật cản trước và sau xe trong quá trình tìm vị trí đỗ xe và đỗ xe.
Các cảm biến siêu âm nhỏ gọn có góc quét hạn chế hơn so với hai cảm biến bên hông xe, nhưng chúng được lắp đặt một cách tối ưu.
Hình 2.16 Vị trí cảm biến siêu âm trên xe gần nhau nên sóng quét được sẽ chồng lên nhau, hạn chế được các khu vực
Khu vực "chết" là nơi mà các vật cản không thể được phát hiện Như hình minh họa bên dưới, khu vực sóng màu trắng thể hiện phạm vi quét của các cảm biến siêu âm, bao gồm 4 cảm biến ở phía trước và 4 cảm biến ở phía sau của xe.
Hình 2.17 Vị trí cảm biến siêu âm trên xe
2.3.1.2 Cảm biến tốc độ bánh xe
SƠ LƯỢC VỀ ARDUINO VÀ LẬP TRÌNH ARDUINO
2.4 SƠ LƯỢC VỀ ARDUINO VÀ LẬP TRÌNH ARDUINO
Arduino là một board mạch vi xử lý giúp xây dựng các ứng dụng tương tác hiệu quả với môi trường Phần cứng của nó bao gồm một board mạch nguồn mở dựa trên vi xử lý AVR Atmel 8bit hoặc ARM Atmel 32-bit Hiện tại, các model Arduino được trang bị 1 cổng USB, 6 chân đầu vào analog và 14 chân I/O kỹ thuật số, tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.
Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea, nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin.
Được giới thiệu chính thức vào năm 2005, công cụ này đã được phát triển bởi giáo sư Massimo Banzi, một trong những người sáng lập Arduino tại trường Interaction Design Institute Ivrea (IDII), nhằm hỗ trợ sinh viên trong quá trình học tập.
Dòng mạch Arduino UNO, một trong những lựa chọn phổ biến nhất cho lập trình, đã tiến xa tới thế hệ thứ 3 (R3).
Hình 2.32 Một vài hình ảnh thực tế của Arduino
Board mạch Arduino Uno là lựa chọn lý tưởng cho người mới bắt đầu, với 14 chân dữ liệu số có thể cấu hình để nhận hoặc xuất tín hiệu Nó cũng có 6 chân tương tự đầu vào 5V với độ phân giải 1024 mức, hoạt động ở tốc độ 16MHz và điện áp đầu vào từ 7 đến 12V.
Arduino UNO R3 có khả năng cung cấp điện áp 5V và dòng điện tối đa 1A qua các chân số Nếu tiêu thụ quá 1A, board sẽ bị hỏng Kích thước của board là khoảng 5,5x7cm.
Board Arduino Pro/Pro Micro có thiết kế nhỏ gọn, phù hợp cho các không gian lắp đặt hạn chế với kích thước khoảng 5x2cm Board này tương tự như Arduino Uno, bao gồm 20 chân số, trong đó có 7 chân hỗ trợ phát xung PWM và 12 chân tương tự.
Arduino Uno có thiết kế linh hoạt với hai loại điện áp là 3.3V và 5V Chân kết nối không được thiết kế sẵn, cho phép người dùng hàn trực tiếp để tiết kiệm không gian Arduino Nano là một lựa chọn khác trong dòng sản phẩm này.
Board này là loại nhỏ nhất với kích thước khoảng 2x4cm, bao gồm 14 chân số (trong đó có 6 chân PWM) và 8 chân tương tự Với thiết kế nhỏ gọn, board dễ dàng lắp đặt ở bất kỳ đâu, rất tiện lợi cho các dự án điện tử.
Arduino có nhiều loại board khác nhau với thiết kế và tính năng đa dạng Board Arduino Mega có 54 chân số (14 chân PWM), 16 chân tương tự và 4 cổng RS232, kích thước 5x10cm, cho phép giao tiếp dễ dàng với các thiết bị khác Arduino Leonardo, tương tự như Arduino Micro, không có cổng USB để lập trình, mà sử dụng chip điều khiển để giao tiếp qua cổng COM ảo, cho phép tương tác với chuột và bàn phím mà không bị reset khi cổng nối tiếp mở Arduino Due là board lớn nhất với điện áp hoạt động 3.3V, có 54 chân số và 12 chân tương tự, chạy bộ xử lý 32bit với tốc độ 84MHz, nhanh gấp 5 lần so với các board khác, giúp đọc và phản hồi tín hiệu đầu vào nhanh hơn.
Arduino Ethernet là một phiên bản tương tự như Arduino UNO, nhưng được tích hợp thêm Module Ethernet và thẻ SD Thiết bị này mở ra nhiều ứng dụng thú vị trong các dự án IoT và kết nối mạng.
Xoscillo: oscilloscope mã nguồn mở.
Các thiết bị khoa học.
OBDuino: một máy tính hành trình sử dụng giao diện chẩn đoán on- board được tìm thấy trong hầu hết các loại xe hơi hiện đại.
Thiết bị đọc sách điện tử giá rẻ với đầu ra TV có khả năng lưu trữ lên đến năm ngàn cuốn sách, chẳng hạn như các biên soạn offline của Wikipedia, trên một thẻ nhớ microSD.
Ardupilot: software/ hardware máy bay không người lái.
2.4.2 Ngôn ngữ lập trình Arduino Để lập trình cho Arduino, ta sử dụng Arduino IDE( Intergrated Development Enviroment) là phần mềm được viết bằng Java Nó được thiết kế để dành cho những người mới tập làm quen với lĩnh vực phát triển phần mềm Nó bao gồm một chương trình code editor với các chức năng như đánh dấu cú pháp, tự động canh lề, cũng như biên dịch và upload chương trình lên board.
2.4.2.1 Giao diện của Arduino IDE
Hình 2.33 Giao diện arduino IDE
- Vùng lệnh bao gồm các nút lệnh menu (File, Edit, Sketch, Tools, Help) và các icon cho phép sử dụng nhanh các chức năng thường dùng của IDE
- Vùng viết chương trình: là nơi mà ta viết các đoạn mã của mình.
- Vùng thông báo: Những thông báo từ IDE sẽ được hiển thị tại đây.
2.4.2.2 Cấu trúc chương trình Arduino
Một chương trình cơ bản của Arduino bao gồm 2 phần chính là setup() (cài đặt) và loop() (vòng lặp).
Hàm setup() là nơi khai báo các biến, thư viện và thiết lập thông số cho Arduino Nó chỉ chạy một lần duy nhất sau khi cấp nguồn cho thiết bị, cho đến khi hệ thống được reset lại.
Hàm loop() sẽ bắt đầu hoạt động ngay sau khi hàm setup() hoàn tất, đây là nơi mà các chương trình của bạn sẽ được thực hiện lặp đi lặp lại cho đến khi nguồn điện cho Arduino bị ngắt.
Dưới đây là ví dụ 1 đoạn code mẫu làm Led nhấp nháy
THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG HỖ TRỢ ĐẬU XE
MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG
Dựa trên cấu trúc của hệ thống hỗ trợ đậu xe đã được trình bày ở chương 2, nhóm đã phát triển ý tưởng và mô hình hóa các thành phần của hệ thống một cách chi tiết.
- ECU: sử dụng arduino mega 2560.
- Bộ chấp hành: sử dụng motor encoder GA25 V1.
- Cảm biến: sử dụng cảm biến siêu âm HC- SR04.
3.1.1 Cấu tạo các chi tiết
Hình 3.2 Arduino mega 2560 mặt sau Hình 3.1 Arduino mega 2560 mặt trước
Arduino Mega 2560 là mạch vi điều khiển 16bit dựa trên Atmega2560 Nó có
Bảng vi điều khiển này được trang bị 54 chân đầu vào/ra số, trong đó 14 chân có khả năng hoạt động với chức năng điều chế độ rộng xung (PWM) Ngoài ra, nó còn có 16 chân đầu vào analog, 4 cổng UART cho kết nối phần cứng, 1 thạch anh 16 MHz, 1 cổng USB và 1 cổng jack nguồn.
ICSP và 1 nút nhấn reset.
Bảng 3.1 Tóm tắt các thông số của arduino 2560
Nguồn cấp vào( đề nghị) 7- 12V
Nguồn cấp vào( giới hạn) 6- 20V
Chân I/O digital 54( 14 chân cho ra xung PWM)
Dòng DC trên mỗi chân I/O 40 mA
Dòng DC cho chân 3.3V 50 mA
Bộ nhớ Flash 256 KB( 8KB cho bootloader)
Tốc độ xung nhịp 16 MHz
Mỗi 54 chân digital của Mega có thể được dùng làm chân input hoặc output, sử dụng các chức năng như pinMode(), digitalWrite(), digitalRead().
Hoạt động ở mức 5V và dòng tối đa là 40mA.
Một số chân có chức năng đặc biệt như:
+ Ngắt ngoài: chân 2( ngắt 0), 3( ngắt 1), 18( ngắt 5), 19( ngắt 4), 20( ngắt
+ PWM: 0 – 13 cung cấp PWM 8 bit với chức năng analogWrite().
Nhóm đã chọn Arduino làm bộ điều khiển cho mô hình do kích thước nhỏ gọn và tốc độ xung nhịp tương đương với ECU parking assist Arduino có cấu tạo với nhiều chân input/output, giúp việc lắp đặt trở nên dễ dàng hơn.
3.1.1.2 Cảm biến siêu âm HC- SR04
Hình 3.3 Hình ảnh thực tế cảm biến siêu âm HC-
Cảm biến siêu âm HC-SR04 được chọn làm cảm biến chính cho mô hình nhờ vào những ưu điểm nổi bật như kích thước nhỏ gọn, cấu tạo đơn giản, chi phí thấp và độ chính xác tương đối cao.
Cấu tạo của cảm biến: gồm 2 đầu thu phát sóng siêu âm( 1 đầu phát và 1 đầu thu)
Cảm biến có 4 chân: 1 GND 2 Echo 3 Trig 4 Vcc
Chân GND và Vcc là 2 chân nguồn GND được nối với GND của arduino hoặc cực âm ( - ) của nguồn Vcc được nối với cực dương
Chân Trig và Echo là hai chân digital quan trọng trong cảm biến, với Trig đóng vai trò là chân xuất tín hiệu (digital OUTPUT) và Echo là chân nhận tín hiệu phản xạ (digital INPUT) từ vật cản.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo khoảng cách là phát một xung ngắn (5 microgiây) từ chân trig Sau đó, cảm biến tạo ra một xung HIGH ở chân echo cho đến khi nhận được sóng phản xạ Chiều rộng của xung này tương ứng với thời gian sóng siêu âm phát ra và quay trở lại.
Tốc độ âm thanh trong không khí là 340 m/s, tương đương với 29,412 microSeconds/cm Để tính khoảng cách, ta chỉ cần chia thời gian đã tính cho 29,412.
Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên phương pháp đo thời gian truyền, tuy nhiên có nhiều nguyên nhân có thể gây ra sai số trong phép đo, dẫn đến số liệu thu được không chính xác hoặc bị nhiễu Một số nguyên nhân chính bao gồm:
- Sự thay đổi của tốc độ truyền sóng âm trong không khí.
- Sự tương tác của sóng tới với bề mặt của đối tượng cần đo.
- Tầm quét của cảm biến siêu âm có góc mở lớn (khoảng 53 độ).
Để khắc phục sự thay đổi tốc độ truyền sóng âm trong không khí, cần lưu ý rằng vận tốc này phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Khi nhiệt độ thay đổi, vận tốc sóng âm cũng thay đổi, dẫn đến kết quả đo khoảng cách không chính xác ở các khu vực có nhiệt độ khác nhau Do đó, việc sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35DZ để đo nhiệt độ là rất cần thiết Bên cạnh đó, cần giải quyết vấn đề tương tác của sóng với bề mặt của đối tượng cần đo để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.
+ Khắc phục góc mở của cảm biến.
3.1.1.3 Động cơ DC giảm tốc encoder GA25V1
Hình 3.4 Động cơ encoder GA25 V1
Nhóm thiết kế hệ thống phanh và hệ thống lái thay bằng 2 motor encoder thông qua việc điều khiển tốc độ của 2 motor
Bảng 3.2 Các thông số của động cơ GA25 V1: Điện áp cấp cho động cơ hoạt động 3V -12V Điện áp cấp cho encoder hoạt động 3.3V
Tỷ số truyền khi qua hộp giảm tốc 1:34
Số xung khi qua hộp giảm tốc 374 xung Đường kính động cơ 25 mm Đường kính trục 4 mm
Tốc độ ko tải 320 rpm
Tốc độ có tải: 284 rpm
Dòng khi có tải 600 mA
Dòng khi động cơ bị giữ 2.29 A
Moment khi bị giữ 7.96 kgf.cm Đĩa encoder 11 xung, hai kênh A_B
Sơ đồ chân của motor:
Hình 3.5 Sơ đồ chân motor encoder GA25 V1
Do quá trình điều khiển 2 motor encoder cần tốc độ khác nhau nên nhóm sử dụng thêm module L298
IC L298 là một vi mạch tích hợp với hai mạch cầu H, cung cấp điện áp đầu ra từ 5V đến 47V và dòng điện tối đa lên đến 4A Với những đặc điểm này, L298 rất phù hợp cho các ứng dụng công suất nhỏ, đặc biệt là trong việc điều khiển động cơ DC loại vừa.
Hình 3.6 Mạch cầu H thực tế
Hình 3.7 Sơ đồ mạch điện module L298
Tóm tắt qua chức năng các chân của L298:
- 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10, 12 của L298 Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển.
- 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.
Hai chân ENA và ENB trên L298 được sử dụng để điều khiển các mạch cầu H Khi ở mức logic "1" (kết nối với nguồn 5V), mạch cầu H sẽ hoạt động, trong khi ở mức logic "0", mạch cầu H sẽ không hoạt động Điều này cho phép điều khiển chiều quay của động cơ một cách hiệu quả.
- Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào
+ INT1 = 1; INT2 = 0: động cơ quay thuận.
+ INT1 = 0; INT2 = 1: động cơ quay nghịch.
+ INT1 = INT2: động cơ dừng ngay tức thì.
(tương tự với các chân ENB, INT3, INT4).
+ INT3 = 1; INT4 = 0: động cơ quay thuân.
+ INT3 = 0; INT4 = 1: động cơ quay nghịch.
+ INT3 = INT4: động cơ dừng ngay tức thì.
3.1.2 Lắp ráp các chi tiết thành mô hình
Để nâng cao sự ổn định cho hệ thống và bảo vệ Arduino khỏi hư hỏng, nhóm đã sử dụng thêm các bộ giảm áp để cung cấp nguồn cho cảm biến và Arduino.
Trong đó: 1 bộ giảm áp 12V- 3.5V cấp nguồn cho encoder, giảm áp 12V – 5V cấp nguồn cho cảm biến siêu âm, giảm áp 12V- 9V cấp nguồn cho Arduino.
Ngõ vào của các giảm áp này lấy từ pin Lipo 2200 mAh, điện áp 12V DC. Cách mắc chân trong mô hình:
Các chân M1, M2 của motor 1 được mắc vào chân OUT1, OUT2 của mạch cầu H.
Các chân M1, M2 của motor 2 được mắc vào chân OUT3, OUT4 của mạch cầu H.
- 2 chân GND của 2 cảm biến encoder 2 motor được nối chung với nhau và cắm vào chân GND trên arduino.
- 2 chân 3.3V của 2 cảm biến 2 motor được nối với nhau và nối với ngõ ra (+) của bộ giảm áp từ 12V - 3.5V.
Các chân tín hiệu C1, C2 của motor 1 được nối với chân 2 và 4 của
Arduino; C1, C2 của motor 2 được nối với chân 3 và 5 của Arduino
Các chân ENA và INT1, INT2 của mạch cầu H lần lượt được nối với chân 8, 9, 10 trên arduino; các chân ENB, INT3, INT4 nối với chân
- Chân 12V của mạch cầu H nối với cực (+) của nguồn 12V
- Chân (-) của L298 nối với cực (-) của nguồn và chân GND của arduino.
Nguồn của cảm biến siêu âm
- Chân Vcc được nối chung với nhau và nối với cực OUT( +) của
- Chân GND của các cảm biến siêu âm được nối với nhau và được nối với cực OUT( - ) của LM2596 12V- 5V.
Các chân thu phát sóng siêu âm được mắc như bảng sau:
Vị trí cảm biến Chân thu phát sóng siêu âm Chân trên arduino
Hình 3.9 Sơ đồ mô phỏng mô hình hệ thống hỗ trợ đậu xe
Một số hình ảnh thực tế của mô hình sau khi hoàn thiện:
Hình 3.10 Mô hình nhìn từ trên xuống
Hình 3.11 Mô hình nhìn từ phía sau
3.12 Mô hình nhìn từ phía trước
3.2 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH Để xe đậu được vào đúng vị trí, ta cần xác định được vị trí đậu xe Với mô hình có kích thước 20x30 cm thì nhóm chọn không gian đậu xe rộng 40cm và sâu
25cm( đậu xe song song).
Để xác định vị trí đậu xe, nhóm chúng tôi đã nghiên cứu và phát triển hai phương pháp dựa trên lý thuyết và thực nghiệm.
Để đo tốc độ bánh xe, ta sử dụng encoder gắn với trục bánh xe, từ đó đếm số vòng quay trong một đơn vị thời gian Vận tốc đo được sẽ được nhân với thời gian xe di chuyển qua không gian đỗ xe, thời gian này được xác định dựa trên cảm biến siêu âm khi khoảng cách thay đổi từ 25 đến 30cm Kết quả sẽ cho ra chiều rộng của không gian đỗ xe Kết hợp với chiều sâu đã đo, ta sẽ xác định được không gian đỗ xe cần tìm.
KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH
Mô hình hiện tại chỉ có khả năng đậu xe trong một bước và khoảng cách giữa các xe song song không chênh lệch nhiều so với thiết kế Hệ thống đỗ xe hoàn toàn tự động, khi được kích hoạt, nó sẽ thực hiện tất cả các bước cần thiết để hoàn thành việc đậu xe.
Về tính thẩm mỹ, mô hình gọn gàng, hệ thống hoạt động tương đối ổn định đáp ứng được yêu cầu của đề tài
Tuy nhiên, vẫn còn tồn đọng một số lỗi như sau:
- Cảm biến dễ bị nhiễu khi quét dẫn đến thông tin thu thập bị sai lệch.
Motor có điện trở trong khác nhau, dẫn đến việc xe có xu hướng lệch sang một bên khi chạy thẳng, gây ra quỹ đạo đậu xe không chính xác.
- Bộ xử lí vẫn có độ trễ do đó trong quá trình đậu xe đôi lúc không chính xác.
- Sử dụng các cảm biến, linh kiện có chất lượng tốt hơn
- Tối ưu hóa phần lập trình từ đó giảm việc tính toán cho bộ xử lí làm giảm độ trễ cho hệ thống.