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 CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA ĐIỆN TỬ Đề tài: Hệ thống xác định khoảng cách ô tô chướng ngại vật Môn học: Chuyên đề xử lý tín hiệu truyền thơng Giảng viên : Vũ Hữu Tiến MỞ ĐẦU Hệ thống xác định chướng ngại vật hệ thống nhằm cải thiện thêm tính an tồn xehơi, bên cạnh hệ thống túi khí (air bag), hệ thống thắng ABS v v… hệthống xác định khoảngcách từ tơ đến chướng ngại vật lắp số loại ô tôđắt tiền Vì chi phí chế t ạo hệ thống đắt nên Việt Nam nay, hệ thống xácđịnh chướng ngại vật (Pre- Crash Safety System) trang bị cho xe LesusLS460, dòng xe siêu sang TOYOTA Hệ thống có ưu điểm lớn khiđiều khiển xe tốc độ cao, qua đường lùi xe Với ưu điểm vượt trộinhư vấn đề đặt thiết kế hệ thống với giá hợp lí chấtlượng không thua hệ thống trang bị ô tô đắt tiền.Đây vấn đề cần quan tâmđể trang bị hệ thống cho nhiều dịng xe khác, khơng dịng 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 có khả phát chướng ngại vật khoảng cách mà lái xe xử lí an tồn - Thiết kế, chế tạo hệ thống xác định chướng ngại vật cho phù hợp - Bố trí, chế tạo hệ thống có hiển thị khoảng cách lên hình điều khiển cảm biến xác B.Đề tài nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống xác định khoảng cách ô tô đến chướng ngại vật có nội dung chủ yếu : - Tổng quan hệ thống xác định chướng ngại vật - Xây dựng phương trình giải thuật để tính tốn khoảng cách cho cảm biến tín hiệu đưa - Dùng phần mềm để lập trình điều khiển cho hệ thống hiển thị khoảng cách điều khiển cảm biến - Thiết kế thi cơng mơ 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 Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu Nghiên cứu hệ thống xác đ- Nghiên cứu thu phát cảm biến siêu âm - Nghiên cứu phương pháp tính tốn hệ thống xe di chuyển đường đến chướng ngại vật - Nghiên cứu tính tốn thơng số từ xe đến chướng ngại vật - Lập trình cho hệ thống cảnh báo - Đưa mơ hình tốn học mơ xe gặp chướng ngại vật cách yêu cầu khác - Áp dụng tính tốn thiết kế mơ hình ịnh chướng ngại vật hãng xe giới Phương pháp thiết kế mạch cho hệ thống Phương pháp thực nghiệm tính tốn kết đo Sử dụng đồ thị để đánh giá kết mơ hình Đánh giá tồn báo cáo Đề nghị hướng phát triển đề tài ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI - Tính tốn thông số cảm biến tránh va chạm - Đưa cách tính tốn xây dựng mơ hình 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 cảm biến có khả phát chướng ngại vật xa GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Từ nhu cầu an toàn người lái xe trang bị hệ thống phát tín hiệu có vật cản đường , giúp cho lái xe di chuyển an tâm q trình đỗ xe an tồn góp phần khơng nhỏ trình di chuyển 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 :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH CHƯỚNG NGẠI VẬT TRÊN Ơ TƠ Những cơng nghệ phòng tránh va chạm dẫn xuất nhiều ô tô , mẫu xe sang Một số hệ thống an toàn phát tín hiệu cảnh báo âm hình ảnh để nhắc tài xế có hành động sử lý , số khác sẵn sàng can thiệp vào phanh hệ thống lái xe để chỉnh sửa hướng Hệ thống xác định chướng ngại vật ô tô hệ thống sử dụng nhiều Theo báo cáo Viện bảo hiểm an toàn đường Mỹ hệ thống xác định chướng ngại vật hữu ích năm có đến 40% tai nạn liên quan đến việc lái xe thiếu tập trung 1.1 Khảo sát hệ thống cahr báo an toàn xe 1.1.1 Hệ thống cảnh báo va chạm trước : Hệ thống sử dụng radar để phát trường hợp người lái đâm vào thứ phía trước Hầu hết hệ thống phát cảnh báo âm đèn chớp , hình ảnh Một số chí tự động rà phanh để gảm tốc độ xe 1.1.2 Hỗ trợ phanh khẩn cấp Hệ thống dành cho trường hợp tài xế nhìn thấy nguy va chạm phía trước nhấn phanh khơng phanh kịp Nghiên cứu nhà sản xuất nhiều tài xế không đạp lực phanh tối đa trường hợp khẩn cấp , ảnh hưởng tâm lí , nên để xảy va chạm dù biết trước hồn tồn tránh Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp có khả phát trường hợp tài xế bình tĩnh , dấu hiệu nhấc chân ga đột ngột Khi hệ thống hệ tự động rà phanh trước giúp người lái đạt lực phanh tối đa 1.1.3 Hệ thống báo chệch lan đường Hệ thống sử dụng camera gắn xe để phát thời điểm lốp xe bắt đầu chệch khỏi đường chạy Máy tính kiểm tra hệ thống lái tốc độ để xác định xem việc chạy lệch đường cố ý hay vô tình Nếu máy tính kết luận vơ tình , hệ thống phát tín hiệu cảnh báo cách làm rung nhẹ vơ lăng , kèm theo cảnh báo âm 1.1.4 Hệ thống xóa điểm mù Hệ thống cho phép người lái biết có xe điểm mù – khoảng nằm tầm quan sát gương chiếu hậu , chớp đèn cảnh báo bên gương Với số hệ thống đèn cảnh báo sáng chớp nhanh tài xế bật xi – nhan vào thời điểm hệ thống phát có xe điểm mù Một số hệ thống cịn có chuông cảnh báo 1.1.5 Đèn pha chiếu sang chủ động Phần mềm điều khiển tự động dải chiếu sáng đèn pha kết nối với thông tin truyền từ vô – lăng , để xe chuyển hướng dải chiếu sáng chuyển hướng theo , giúp tài xế quan sát tốt góc cua vào buổi tối 1.2 Giới thiệu hãng xe chệ tạo hệ thống báo khoảng cách Hầu hết hãng xe lớn Toyota, Ford , Honda,… đầu có hệ thống cảnh báo va chạm riêng Hệ thống trang bị đại , khơng phát khoảng cách đối tượng phát mà cịn can thiệp vào hệ thống thắng hệ thống dây an toàn giúp lái xe n tâm phía sau tay lái Sau xin giới thiệu hệ thống cảnh báo khoảng cách số hãng xe giới 1.2.1 Hệ thống xác định khoảng cách xe Lexus LS460 TOYOTA Lexus LS460 mẫu xe trang bị hệ thống phát cảm ứng gặp chướng ngại vật người Nếu tài xế khơng quan sát tình khơng kịp phản ứng sau lúc có cịi báo động , máy tính tự tính tốn để kích hoạt phanh hỗ trợ lái xe siết chặt dây an toàn Hình 1.1 : Hệ thống xác định chướng ngại vật TOYOTA Công nghệ phát chướng ngại vật hoạt động ngày lẫn đêm , dựa tín hiệu thu từ radar gắn trước mũi xe từ camera hồng ngoại ống kính kép phía kính chắn gió Để cung cấp sóng hồng ngoại , kỹ sư gắn đèn phát cạnh đèn pha Tia hồng ngoại từ nguồn phát đập vào chướng ngại vật , phản xạ camera chịu trách nhiệm thu lại dạng tín hiệu số Đến lượt tín hiệu số gửi tới máy tính trung tâm để xử lý Khoảng cách hiệu dụng tối đa hẹ thống 25 m hoạt động phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Ngoài hệ thống phát chướng ngại vật , LS460 cịn trang bị cơng nghệ trợ giúp lái khẩn cấp ESA có tác dụng chọn tỉ số lái tối ưu xe gặp tình nguy hiểm tốc độ cao ESA giúp lái xe giữ ổn định hướng lái , giảm nguy va chạm Hoạt động đồng thời với ESA , hệ thống treo tăng cường độ cứng để xe khơng bị lật cịn kiểm sốt động lực chọn phương pháp phanh tối ưu nhắm tránh tượng trượt Bên cạnh đó, để hệ thống phát chướng ngại vật hoạt động hiệu , LS460 cịn trang bị cơng nghệ cảnh báo chống lái xe DMS , có khả phát tín hiệu nguy hiểm tài xế không tập chung lái Một camera gắn trục vô- lăng tự động xác định khoảng chuyển động đầu người lái Khi tài xế quay đầu khỏi khoảng cho phép thời gian lâu , hệ thống kích hoạt thiết bị báo động Với thiết bị xe nhìn thấy chướng ngại vật trước người lái , DMS bật đèn báo động , nhấn còi Sau báo động mà tài xế khơng có phản ứng , máy tính tự động phanh để thu hút ý Trong trường hợp người lái khơng có hành động ứng phó , hệ thống tiền an toàn hoạt động Pre-crash Safety tính tốn xác suất va chạm x ảy tình cụ thể, dựa vận tốc xe , hướng quan sát người lái đặc điểm chướng ngại vật phía trước Nếu yếu tố nằm vùng nguy hiểm , kích hoạt cịi báo động , báo đèn phanh đỏ hình đa dụng Cùng lúc hỗ trợ phanh kích hoạt mức áp suất phanh cao , trước tài xế đạp chân lên bàn đạp phanh , hệ thống treo bắt đầu gia tăng độ cứng Nếu nhận thấy va chạm tránh khỏi , Pre-safety thắt dây an toàn , siết chặt người ngồi vào ghế đồng thời tự động phanh Ngồi cơng nghệ , LS460 trang bị radar , gắn chắn bùn sau , liên tục quét bề mặt xung quanh xe đỗ di chuyển Nếu thấy va chạm chắn xảy tự động nâng đầu gối lên tối đa 35 mm đưa phía trước tối đa 60 mm để giảm nguy chấn thương cột sống cổ Hình 1.3 : Gối đỡ ghế ngồi trước sau va chạm 1.2.2 Hệ thống cảnh báo va chạm Volvo Trước thực tế khoảng 1/3 số vụ tai nạn giao thông liên quan đến trường hợp va đâm sau , 50% trường hợp lái xe không kịp phanh , Volvo tập trung nghiên cứu cải tiến công nghệ cảnh báo đâm sau Trong hệ thống Brake Support sử dụng radar để phát nguy va chạm , hệ thống Auto Brake dùng radar camera nên hoạt động hiệu hẳn Tầm quét radar 15 m phía trước xe tầm quan sát camera 5,5 m Một ưu điểm lớn việc sử dụng camera phát xe đứng yên 1.2.3 Hệ thống phát điểm mù Ford Ford giới thiệu hai công nghệ để hỗ trợ cho lái xe quan sát điểm mù “Gương quan sát điểm mù” (Blind Spot Mirror) hệ thống giám sát điểm mù (BlindSpotMonitoring System) Với tiện ích cơng nghệ m ới Ford dự định cho tích hợp model năm 2009 Hình 1.4 : Gương quan sát điểm mù Ford Gương quan sát điểm mù (Blind Spot Mirror ): Thực giải pháp đơn giản tốn để giúp lái xe quan sát phía sau, gương chiếu hậu bên xe gắn thêm gương cầu lồi nhỏ góc gương thơng thường, gương cầu lồi nhỏ giúp cho lái xe quan sát xe vật thể nằm v ị trí coi “điểm mù” (mà gương thông thường không quan sát được) để giúp lái xe có xử lý thích hợp Nhờ s ự k ết hợp hệ thống giúp lái xe nhận biết vật thể phạm vi rộng Những rada có tầm hoạt động rộng, phát vật thể nằm cách xe khoảng cách lên tới 19,8 m Khi phát có vật thể xe khác áp sát phạm vi hệ thống đưa cảnh báo tới lái xe cách: làm sáng đèn nhỏ gương chiếu hậu đồng thời đưa âm để cảnh báo, điều làm cho lái xe dù khơng thật tập trung nhận Hình 1.5 : Hệ thống an tồn thơng minh Ford Ford cho biết công nghệ tích hợp đồng thời model Ford, Lincoln Mercury giống m ột thiết bị tiêu chuẩn thiết bị kết hợp với hệ thống an toàn khác xe Ford Ford"s Personal Safety System Space Architecture để giúp nâng cao tính tiện nghi an tồn cho người lái 1.3 Những thành tựu đạt hệ thống báo khoảng cách Vào năm 2002, hãng Toyota cho giới thiệu hệ thống quan sát ban đêm hệ thống trang bị m ột camera hồng ngoại quan sát chướng ngại vật đêm tối, hoạt động tầm xa thống lên đến 30 m, góc nhìn camera 30, năm 2003 hệ thống trang bị Lexus LX470 Cùng năm 2003, hệ thống xác định chướng ngại vật trang bị xe Honda, Mecredes- Benz, bật hệ thống Pre-safe c Mecredes- Benz, hệ thống sử d ụng cảm biến quang, hiển thị lên LCD phía trước tay lái Nó có khả nhận biết chướng ngại vật tầm 30 m, phát đối tượng hệ thống thông báo âm cho người lái đồng thời can thiệp vào hệ thống thắng, ghế ngồi dây đai an toàn siết chặt lại Hệ thống làm tiền đề cho hãng xe khác nghiên cứu phát triển thêm cho hệ thống sau Theo thời gian hệ thống xác định khoảng cách phát triển ngày mạnh mẽ Năm 2004, Honda giới thiệu hệ thống quan sát thơng minh ban đêm, có khả có khả nhận biết đường dành cho người vào ban đêm Năm 2007 năm mà Toyota phát triển hệ thống cách hoàn thiện Hệ thống Driver Monitoring System ứng dụng vào xe Lexus LS, sử dụng camera CCD thông minh phát tín hiệu hình LCD trước tay lái, đồng thời gắn thêm hệ thống báo động chướng ngại vật đến gần CHƯƠNG 2: CÁC HỆ CẢM BIẾN SỬ DỤNG ĐO KHOẢNG CÁCH Các hệ thống cảm biến biến đổi lượng, biến lượng từ dạng sang dạng khác, thông thường biến đổi tín hiệu từ đại lượng hơng điện thành tín hiệu đại lượng có điện Tín hiệu phản hồi điều khiển, thông qua điều khiển có định thích hợp 2.1 Phân loại cảm biến Ngày nay, với phát triển khoa học kỹ thuật, có nhiều loại cảm biến sử dụng để đo khoảng cách vật thể Các cảm biến hoạt động tùy theo nhiệm vụ chức hoạt động Các loại cảm biến sử d ụng để đo vị trí khoảng cách phân loại , tìm hiểu số loại cảm biến sau : 2.1.1 Cảm biến tiệm cận siêu âm Cảm biến tiệm cận siêu âm phát hầu hết loại đối tượng: kim loại kim loại, chất lỏng chất rắn, vật mờ đục (những vật có hệ số phản xạ sóng âm đủ lớn) Hình 2.1 : Một vài loại cảm biến tiệm cận siêu âm Siemens sản xuất 2.1.1.1 Cấu trúc cảm biến tiệm cận siêu âm: Cảm biến tiệm cận siêu âm có phần chính: - Bộ phận phát nhận sóng siêu âm (Transducer / Receiver) - Bộ phận so sánh (Comparator) - Mạch phát (Detector Circuit): Khi cảm biến nhận sóng phản hồi, phân so sánh tính tốn khoảng cách cách so sánh thời gian phát, nhận vận tốc âm - Mạch điện ngõ (Output): Tín hiệu ngõ digital analog Tín hiệu từ c ảm biến digital báo có hay khơng xuất đối tượng vùng cảm nhận cảm biến Tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thơng tin khoảng cách đối tượng đến cảm biến Hình 2.2 Các thành phần cảm biến tiệm cận siêu âm 2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận siêu âm Hình 2.3 : Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm Kĩ thuật cảm biến siêu âm dựa đặc điểm vận tốc âm số Thời gian sóng âm từ cảm biến đến đối tượng quay trở lại liên hệ trực tiếp đến độ dài quãng đường Vì cảm biến siêu âm thường dùng ứng dụng đo khoảng cách Tần Số hoạt động: Nhìn chung, cảm biến công nghiệp hoạt động với tần số 25 kHz đến 500 kHz Các cảm biến lãnh vực y khoa hoạt động với khoảng tần số từ 5MHz trở lên Tần số hoạt động cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát cảm biến Với tần số 50 kHz, phạm vi hoạt động cảm biến lên tới 10 m hơn, với tần số 200 kHz phạm vi hoạt động cảm biến bị giới hạn mức m Vùng hoạt động: Là khu vực giới hạn khoảng cách phát lớn nhỏ Cảm biến tiệm cận siêu âm có vùng nhỏ khơng thể s d ụng gần bề m ặt cảm biến gọi “khu vực mù” (blind zone) Hình 2.4 : Vùng hoạt động cảm biến tiệm cận siêu âm Kích thước vật liệu đối tượng cần phát định khoảng cách phát lớn (xem hình 2.5) Hình 2.5 : Khoảng cách hoạt động lớn cảm biến tiệm cận siêu âm với đối tượng khác Cảm biến tiệm cận siêu âm loại điều chỉnh khoảng cách phát (Background Suppression) Một số d ạng cảm biến ngõ analog cho phép điều chỉnh khoảng cách phát hiện, chúng t chối việc phát đối tượng sau khoảng cách xác định Khoảng cách phát điều chỉnh người sử d ụng Ngoài để c ảm biến không phát đối tượng dù chúng di chuyển vào vùng hoạt động cảm biến, người ta tạo lớp vỏ chất liệu có khả khơng phản xạ lại sóng âm 2.1.1.3 Ưu nhược điểm cảm biến tiệm cận siêu âm - Ưu điểm : + Khoảng cách mà cảm biến phát vật thể lên tới 15 m + Sóng phản hồi cảm biến khơng phụ thuộc màu sắc bề m ặc đối tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng đối tượng ví dụ bề mặt kính suốt, bề mặt gốm màu nâu, bề mặt plastic màu trắng, hay bề mặt chất liệu nhơm sáng, trắng + Tín hiệu đáp ứng cảm biến tiệm cận siêu âm analog tỉ l ệ tuyến tính với khoảng cách Điều đặc biệt lý tưởng cho ứng dụng theo dõi mức vật chất, mức độ chuyển động đối tượng - Nhược điểm : + Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu đối tượng có diện tích bề m ặt tối thiểu (giá trị tùy thuộc vào loại cảm biến) + Sóng phản hồi cảm biến nhận chịu ảnh hưởng sóng âm + Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu khoảng thời gian sau lần sóng phát để s ẵn sàng nhận sóng phản hồi Kết thời gian đáp ứng cảm biến tiệm cận siêu âm nhìn chung chậm cảm biến khác khoảng 0,1 s + Nhiệt độ b ề m ặt đối tượng ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động cảm biến Hơi nóng tỏa từ đối tượng có nhiệt độ cao làm méo dạng sóng, làm cho khoảng cách phát đối tương ngắn lại giá trị khoảng cách không xác Hình 2.6 : Vị trí lắp đặt cảm biến siêu âm Bề m ặt phẳng phản hồi lượng sóng âm tốt bề m ặt gồ ghề Tuy nhiên bề m ặt trơn phẳng lại có địi hỏi khắc khe v ị trí góc tạo thành cảm biến mặt phẳng đối tượng Hình 2.7 : Đối tượng có bề mặt phẳng u cầm cảm biến đặt vị trí góc phải nhỏ 30 2.2 Cảm biến quang 2.2.1 Cảm biến quang loại thu phát độc lập a Cấu tạo nguyên lý hoạt động: Cảm biến quang loại thu phát độc lập (through beam) bao gồm hai thành phần phận phát phận thu (được trình bày hình bên dưới) Khi ánh sáng hồng ngoại phát từ b ộ phận phát, truyền thẳng Ánh sáng hồng ngoại ln mã hóa theo tần số định đó, dĩ nhiên phận thu nhận biết loại ánh sáng hồng ngoại mã hóa theo tần số, với mục đích tránh ảnh hưởng nguồn ánh sáng xung quang Nếu đặt phận thu nằm đường truyền thẳng ánh sáng hồng ngoại phận thu nhận ánh sáng tác động cho tín hiệu ngõ Nếu có vật ngang qua làm ngắt ánh sáng truyền đến phận thu, phận thu khơng thu ánh sáng, phận thu không tác động khơng có tín hiệu ngõ Hình 2.8 :Cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến quang loại thu phát độc lập ... Hệ thống xác định chướng ngại vật hệ thống nhằm cải thiện thêm tính an tồn xehơi, bên cạnh hệ thống túi khí (air bag), hệ thống thắng ABS v v… h? ?thống xác định khoảngcách từ ô tô đến chướng ngại. .. CHẾ TẠO HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH TỪ Ô TÔ ĐẾN CHƯỚNG NGẠI VẬT CHƯƠNG :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH CHƯỚNG NGẠI VẬT TRÊN Ơ TƠ Những cơng nghệ phịng tránh va chạm dẫn xuất nhiều ô tô , mẫu... chế tạo hệ thống xác định khoảng cách ô tô đến chướng ngại vật có nội dung chủ yếu : - Tổng quan hệ thống xác định chướng ngại vật - Xây dựng phương trình giải thuật để tính tốn khoảng cách cho