Để hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này, em xin gửi lời cảm ơn đến các Quý Thầy cô trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh đã truyền đạt những kiến thức quý báu và bổ ích trong suốt quá trình em học tại trường để em có thể thực hiện luận văn này.
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu về hệ thống cảnh báo tiền va chạm PCS (Pre-Collision System)
Hệ thống cảnh báo tiền va chạm là một tính năng an toàn chủ động trên ô tô hiện đại, giúp phán đoán va chạm trực diện và cảnh báo tài xế kịp thời Dựa vào thông tin về tốc độ và khoảng cách với phương tiện phía trước, bộ xử lý sẽ tính toán khả năng va chạm Nếu xác định có nguy cơ cao, hệ thống sẽ phát ra cảnh báo âm thanh và hình ảnh, nhắc nhở tài xế đạp phanh kịp thời.
Ngày nay, nhiều xe ô tô hiện đại được trang bị hệ thống cảnh báo tiền va chạm, giúp tài xế nhận biết khi sắp xảy ra va chạm Hệ thống này không chỉ cảnh báo mà còn hỗ trợ phanh tự động, giúp giảm thiểu thiệt hại nếu tài xế không kịp phản ứng Nhờ vậy, người lái có thể chủ động tránh va chạm hoặc giảm nhẹ hậu quả khi va chạm xảy ra.
Hiện nay, có nhiều công nghệ cảnh báo va chạm với những tên gọi khác nhau như hệ thống tránh va chạm, hệ thống cảnh báo va chạm phía trước và hệ thống giảm nhẹ va chạm Mặc dù chức năng và cấu tạo của các hệ thống này có thể khác nhau, nhưng chúng đều hướng tới mục tiêu chung là ngăn chặn và giảm thiểu các va chạm xảy ra ở đầu xe.
Lý do chọn đề tài
1.2.1 Bắt kịp xu hướng của nền công nghiệp ô tô
Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ô tô đã chứng kiến sự chuyển biến lớn, đặc biệt là xu hướng giảm khí thải và chuyển sang ô tô điện Một xu hướng quan trọng khác là việc trang bị các công nghệ hỗ trợ lái tiên tiến (ADAS) nhằm nâng cao trải nghiệm lái xe và cải thiện an toàn giao thông Các hệ thống giúp tránh va chạm đang nhận được sự quan tâm mạnh mẽ từ cả người tiêu dùng và nhà sản xuất.
Hệ thống tránh va chạm (Collision avoidance system) đã trở thành một chủ đề được chú ý từ năm 2012 đến nay, với sự gia tăng đáng kể về quan tâm đối với các công nghệ giảm thiểu va chạm giao thông Hiện nay, hầu hết các nhà sản xuất ô tô hàng đầu thế giới đều đã phát triển những hệ thống riêng biệt, như Pre-Collision System của Toyota, PRE-SAFE của Mercedes-Benz, Pre Sense của Audi, EyeSight của Subaru, và Smart City Brake Support của Mazda.
Trong bối cảnh xu hướng toàn cầu về cải tiến hệ thống an toàn giao thông, bài viết này sẽ tập trung vào hệ thống cảnh báo tiền va chạm, một trong những công nghệ tiên tiến nhất nhằm giảm thiểu nguy cơ va chạm Dựa trên thống kê từ Google Trends trong 10 năm qua, sự quan tâm đến từ khóa “Collision avoidance system” ngày càng gia tăng Luận văn này không chỉ cung cấp kiến thức sâu sắc về hệ thống cảnh báo tiền va chạm mà còn đề xuất các phương hướng cải thiện, đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô hiện đại và an toàn hơn.
1.2.2 Giảm thiểu tai nạn giao thông
Việt Nam có tỷ lệ tai nạn giao thông cao, đứng thứ hai trong khu vực Đông Nam Á theo thống kê của WHO năm 2018.
Hình 1.2 Tỷ lệ tai nạn giao thông các nước Đông Nam Á năm 2018
Tai nạn giao thông đường bộ tại Việt Nam chiếm phần lớn tổng số vụ tai nạn, với 7390 vụ xảy ra trong 8 tháng đầu năm 2022, dẫn đến 4178 người chết và 4937 người bị thương, tăng 8,67% so với cùng kỳ năm trước Va chạm kiểu húc đuôi, khi một xe đâm vào đuôi xe khác, là tình huống phổ biến nhất, thường do không giữ khoảng cách an toàn giữa các phương tiện Dưới đây là một số vụ tai nạn húc đuôi đã xảy ra trong năm nay.
Tai nạn liên hoàn trên cao tốc TP.HCM – Long Thành – Dầu Giây tối 2/8/2022, 7 người bị thương, 9 xe ô tô hư hỏng nặng
Hình 1.4 Tai nạn giao thông ngày 2/8/2022
Tai nạn liên hoàn giữa 3 xe ô tô tại Bình Dương, chiều ngày 31/8/2022, 2 tài xế và những hành khách ngồi trên ô tô xây xác nhẹ
Hình 1.5 Tai nạn giao thông ngày 31/8/2022
Hệ thống cảnh báo tiền va chạm phát huy hiệu quả tối đa trong tình huống sắp xảy ra va chạm kiểu húc đuôi Khi nhận thấy nguy cơ, người lái xe thường mất khoảng 0.68 giây để phản ứng, nhưng thời gian này có thể kéo dài đến 2 giây nếu họ không tập trung Tuy nhiên, ô tô trang bị hệ thống này có khả năng phát hiện va chạm sớm hơn và đưa ra cảnh báo kịp thời, giúp tài xế phản ứng nhanh chóng Ngay cả khi tài xế chậm chạp, hệ thống sẽ tự động phanh để tránh hoặc giảm thiểu thiệt hại trong vụ va chạm.
Một vài số liệu thống kê về hiệu quả của hệ thống cảnh báo tiền va chạm trong việc phòng tránh va chạm kiểu húc đuôi:
Nghiên cứu năm 2015 dựa trên dữ liệu từ châu Âu và Úc cho thấy rằng công nghệ phanh tự động kết hợp với hệ thống cảnh báo tiền va chạm có khả năng giảm thiểu số vụ va chạm kiểu húc đuôi lên đến 38%.
Một nghiên cứu năm 2015 của Viện Bảo hiểm An toàn Đường cao tốc chỉ ra rằng hệ thống cảnh báo tiền va chạm kết hợp với phanh tự động có khả năng giảm thiểu các vụ va chạm kiểu húc đuôi.
Một nghiên cứu từ Viện Bảo hiểm An toàn Đường cao tốc và Viện Dữ liệu Mất mát Đường cao tốc, công bố vào tháng 12 năm 2020, cho thấy rằng hệ thống cảnh báo tiền va chạm kết hợp với phanh tự động có khả năng giảm 50% số vụ va chạm kiểu húc đuôi.
Hệ thống cảnh báo tiền va chạm hiện nay không chỉ phát hiện va chạm với phương tiện mà còn có khả năng nhận diện người đi bộ, điều này đặc biệt hữu ích cho các dòng xe tại Việt Nam Do đa số người đi bộ chưa tuân thủ nghiêm túc các quy định giao thông, như việc không đi đúng phần đường hay không qua đường tại các vị trí quy định, tình huống nguy hiểm có thể xảy ra Nhiều người còn có thói quen trèo qua dải phân cách để băng qua đường ở những nơi có nhiều làn xe, tạo ra nguy cơ va chạm trực diện rất cao.
Hình 1.6 Ô tô xảy ra va chạm với người băng qua đường đột ngột tại đường cao tốc Hà
Nội – Bắc Giang ngày 25/2/2020 (Nguồn: báo VN Express)
Hệ thống cảnh báo tiền va chạm đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu tai nạn giao thông và thiệt hại do tai nạn gây ra Nghiên cứu về hệ thống này giúp sinh viên ngành cơ khí ô tô hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động, từ đó phát hiện những khuyết điểm và cải tiến tính năng an toàn Mục tiêu là nâng cao hiệu quả của hệ thống, bảo vệ sức khỏe và tính mạng của người tham gia giao thông.
1.3.3 Nguồn nhân lực tương lai của ngành công nghiệp ô tô
Các hệ thống ô tô đang ngày càng phức tạp và chuyển dần sang tự động hóa, yêu cầu nhiều bộ phận được điều khiển bằng điện và tăng cường số lượng ECU Điều này dẫn đến nhu cầu cao về kỹ sư có khả năng lập trình Đề tài mô hình mô phỏng hệ thống trên nền tảng Arduino giúp người học nắm vững cách kết hợp phần cứng và phần mềm, đồng thời trang bị kiến thức về ngôn ngữ lập trình Arduino, dễ học và đơn giản Những kỹ năng này sẽ là nền tảng để học các ngôn ngữ lập trình nâng cao như C, C++ và Python, vốn được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp ô tô Để đáp ứng sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô và các hệ thống hiện đại, cần nhiều kỹ sư có khả năng ứng dụng các ngôn ngữ lập trình vào thực tiễn.
Mục tiêu nghiên cứu đề tài
Củng cố kiến thức về tự động hóa ô tô, đặc biệt là công nghệ cảnh báo tiền va chạm trên xe Toyota Camry Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống để đề xuất cải tiến và tối ưu hóa Từ đó, thiết kế mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống cảnh báo tiền va chạm bằng Arduino, kèm sơ đồ mạch điện để dễ dàng chỉnh sửa và sửa chữa khi cần.
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ PHẬN
Thành phần cấu tạo của hệ thống cảnh báo tiền va chạm PCS
Hệ thống cảnh báo tiền va chạm bao gồm các thành phần sau:
- Cảm biến tốc độ ô tô
- Cảm biến đo khoảng cách với vật thể phía trước
Trên các dòng xe của Toyota, công nghệ cảm biến đo khoảng cách bằng sóng vô tuyến (radar) được sử dụng phổ biến Tuy nhiên, hiện nay trên thị trường cũng xuất hiện nhiều hãng xe khác áp dụng công nghệ cảm biến đo khoảng cách bằng lidar (laser).
- Camera nhận diện vật thể phía trước
- Các thành phần cảnh báo (màn hình hiển thị cảnh báo và còi cảnh báo)
Hình 2.1 Vị trí bố trí radar và camera xác định vật thể
Millimeter-wave radar: radar sóng vô tuyến có bước sóng ngắn (bước sóng từ 1 đến 10mm, hay còn được gọi là tần số cực kỳ cao)
Monocular camera: máy ảnh một ống kính
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng bộ phận trong hệ thống
2.2.1 Cảm biến tốc độ ô tô
Cảm biến tốc độ ô tô có nhiệm vụ xác định tốc độ di chuyển tức thời của xe, từ đó truyền tín hiệu đến đồng hồ tap-lô để thông báo cho tài xế về vận tốc và quãng đường đã đi Bên cạnh đó, cảm biến này còn cung cấp dữ liệu cho các hệ thống khác như hệ thống phanh chống bó cứng ABS, ECU điều khiển động cơ để điều chỉnh lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa, cũng như hỗ trợ trong việc điều khiển chuyển số trên hộp số tự động.
Các loại thường gặp trên các dòng xe đời cũ:
- Loại công tắc lưỡi gà
- Loại cảm biến quang điện
Các loại thường gặp trên các dòng xe đời mới:
- Loại MRE ( phần tử từ trở)
2.2.1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- Loại công tắc lưỡi gà:
Loại cảm biến này sử dụng dây cáp truyền động từ hộp số lên đồng hồ tap-lô, với cảm biến được lắp trong bảng đồng hồ loại kim Nó bao gồm một nam châm quay được kết nối với cáp đồng hồ tốc độ, và chuyển động quay này làm cho công tắc đóng và mở Công tắc lưỡi gà sẽ đóng 4 lần mỗi khi cáp quay 1 vòng Nam châm được phân cực, tạo ra lực từ trường như mô tả trong hình vẽ bên dưới.
4 vùng chuyển tiếp cực N và S của nam châm sẽ đóng và mở tiếp điểm của công tắc lưỡi gà khi nam châm quay [6]
Hình 2.2 Cấu tạo cảm biến tốc độ xe loại công tắc lưỡi gà
Cảm biến quang học được lắp đặt trong bảng đồng hồ, bao gồm một đèn LED chiếu sáng vào một transistor quang học Giữa đèn LED và transistor quang học có một bánh xe xẻ rãnh, được dẫn động bằng cáp đồng hồ tốc độ.
Khi bánh xe quay, các rãnh trên bề mặt tạo ra xung ánh sáng, với ánh sáng từ đèn LED được chia thành 20 xung trong mỗi vòng quay của cáp Những xung này sẽ được chuyển đổi thành 4 xung nhờ bộ đếm số và sau đó được gửi đến ECU.
Hình 2.3 Cấu tạo cảm biến tốc độ xe loại quang điện
- Loại MRE ( phần tử từ trở)
Cảm biến được lắp đặt trên hộp số hoặc hộp số phụ, hoạt động nhờ vào bánh răng trục thứ cấp Thiết bị này bao gồm một mạch tích hợp (HIC) kết hợp với một phần tử từ trở (MRE) và một vành từ.
Hình 2.4 Vị trí đặt cảm biến tốc độ xe loại MRE
Hình 2.5 Cấu tạo cảm biến tốc độ xe loại MRE
Giá trị điện trở của MRE thay đổi theo hướng của đường sức từ tác động lên nó Khi hướng đường sức từ thay đổi do chuyển động quay của nam châm trên vành từ, điện áp ra của MRE sẽ có dạng sóng xoay chiều Bộ so sánh trong cảm biến tốc độ xe sẽ chuyển đổi sóng xoay chiều này thành tín hiệu số, và tín hiệu sau đó được biến đổi qua transistor trước khi được gửi đến bảng đồng hồ.
Tần số sóng phụ thuộc vào số lượng cực từ trên vành từ, với hai loại vành từ phổ biến: loại 12 cực và loại 4 cực Vành từ 12 cực tạo ra 20 xung sóng trong một vòng quay, trong khi vành từ 4 cực chỉ tạo ra 4 xung.
Cảm biến tốc độ xe điện từ là một trong hai loại cảm biến tốc độ phổ biến hiện nay, thường được lắp đặt ở trục đầu ra của hộp số Loại cảm biến này không chỉ đo tốc độ xe mà còn được sử dụng để đo các tín hiệu tốc độ khác, như cảm biến tốc độ bánh xe (cảm biến ABS) và tốc độ trục cam.
Hình 2.6 Cấu tạo cảm biến tốc độ xe loại điện từ
Giữa vành răng kích từ và vấu cực có một khe hở nhỏ, khi bánh xe quay, khe hở này thay đổi liên tục, tạo ra từ thông biến thiên và sinh ra sức điện động trên cuộn dây cảm ứng Tại thời điểm cựa răng đối diện với vấu cực, từ thông đạt giá trị cực đại nhưng điện áp ở hai đầu cuộn dây bằng không Khi cựa răng di chuyển ra xa, khe hở tăng dần, làm từ thông giảm và sinh ra sức điện động theo chiều ngược lại, từ đó tạo ra dòng điện xoay chiều với dạng xung tín hiệu hình sin Cảm biến sẽ gửi tín hiệu này về ECU, giúp ECU tính toán tốc độ di chuyển của xe dựa vào biên độ và tần số của xung tín hiệu.
Gần giống với loại cảm biến điện từ, loại cảm biến Hall là một trong hai loại cảm biến tốc độ xe phổ biến ngày nay
Loại Hall có cấu tạo như hình vẽ:
Hình 2.7 Cấu tạo cảm biến tốc độ xe loại Hall
Cảm biến loại Hall hoạt động cần nguồn điện (thường là 5V hoặc 12V) để tạo ra điện áp thông qua sự tương tác giữa từ trường và phần tử Hall Khi bánh răng quay, khoảng cách giữa phần tử Hall và bánh răng thay đổi, dẫn đến sự biến đổi từ trường Nếu từ trường không vuông góc với phần tử Hall, sẽ không có điện áp được tạo ra Ngược lại, khi từ trường vuông góc, điện áp đạt mức tối đa IC trong cảm biến sẽ liên tục điều khiển việc đóng ngắt dựa trên điện áp thay đổi, gửi tín hiệu đến ECU dưới dạng xung tín hiệu vuông ECU sử dụng độ rộng của xung tín hiệu này để tính toán tốc độ di chuyển của xe.
2.2.2 Cảm biến đo khoảng cách
2.2.2.1 Cảm biến đo khoảng cách loại radar
Radar, viết tắt của radio detection and ranging, là phương pháp sử dụng sóng vô tuyến để dò tìm và định vị các đối tượng Công nghệ này cho phép xác định khoảng cách của một hoặc nhiều đối tượng một cách chính xác.
Cảm biến đo khoảng cách radar được lắp đặt trước xe hoạt động bằng cách phát liên tục sóng vô tuyến siêu ngắn Những sóng này di chuyển về phía trước, va chạm với các vật thể và phản xạ trở lại bộ cảm biến Bên trong cảm biến có bộ phận tiếp nhận sóng vô tuyến, cho phép ECU xác định khoảng cách từ xe đến vật thể dựa trên thời gian sóng đi và trở lại.
Cảm biến đo khoảng cách loại radar là loại được trang bị trên các dòng xe của hãng Toyota hiện nay
Vận tốc âm thanh trong không khí được xác định là c S = 340 m/s Khoảng cách từ radar đến vật thể có thể được tính toán bằng công thức phù hợp.
Với: c S : Hằng số vận tốc âm thanh di chuyển trong không khí
D: Khoảng cách từ vật tới bộ radar (m) t: Thời gian sóng vô tuyến di chuyển từ bộ radar đến vật và quay lại (s)
Hình 2.8 Vị trí lắp đặt cụm radar trên Toyota Camry
- Radar tầm ngắn (short range radar – SSR):
Radar tầm ngắn hoạt động ở tần số 24GHz, được ứng dụng trong các hệ thống như cảnh báo điểm mù, hỗ trợ đỗ xe và phát hiện chướng ngại vật khi lùi.
Radar tầm ngắn được có ưu điểm là giá thành rẻ
- Radar tầm xa (long range radar – LRR) :
Radar tầm xa sử dụng tần số 77GHz, mang lại độ chính xác cao và khả năng xử lý tốt hơn so với radar tầm ngắn Loại radar này có tầm hoạt động rộng, lên đến 80m đến 200m hoặc hơn, giúp xác định khoảng cách và vận tốc của các phương tiện và vật thể xung quanh Kích thước hệ thống cũng nhỏ gọn hơn, phù hợp cho các ứng dụng hiện đại.
Radar tầm xa là loại thường được sử dụng trên hệ thống cảnh báo tiền va chạm
2.2.2.1.3 Ưu và nhược điểm của cảm biến xác định khoảng cách loại radar Ưu điểm:
- Giá thành rẻ hơn các loại khác (VD: rẻ hơn loại lidar)
- Cấu tạo tương đối đơn giản, nhỏ gọn
- Độ chính xác ít bị ảnh hưởng khi gặp thời tiết xấu
- Độ chính xác kém hơn các loại khác
- Xác định khoảng cách đến vật thể, kích thước vật thể tương đối tốt nhưng xác định chính xác hình dạng vật thể còn nhiều hạn chế
2.2.2.2 Cảm biến đo khoảng cách loại lidar
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CÁC MỨC ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CẢNH BÁO TIỀN VA CHẠM TRÊN XE TOYOTA CAMRY
Nguyên lý hoạt động
Hệ thống cảnh báo tiền va chạm PCS hoạt động liên tục khi xe di chuyển, sử dụng radar và camera để xác định khoảng cách và vận tốc giữa xe bạn và xe phía trước Khi phát hiện khả năng va chạm cao, hệ thống sẽ cảnh báo tài xế bằng hình ảnh và âm thanh để kịp thời đạp phanh Nếu tài xế không phản ứng, hệ thống sẽ tự động thực hiện phanh để đảm bảo an toàn.
Dữ liệu từ radar và camera nhận diện vật thể phía trước sẽ giao tiếp với các ECU như ECU túi khí, ECU phanh (ABS), ECU động cơ và ECU trợ lực lái qua mạng CAN thông qua ECU trung tâm Nhờ đó, ô tô có khả năng thực hiện các chức năng như phanh tự động, ngắt lượng hòa khí phun vào động cơ khi cần, căng dây an toàn, kích hoạt túi khí khi xảy ra tai nạn, và điều khiển tự động đánh lái để tránh va chạm trên các dòng xe mới nhất.
Hình 3.1 Sơ đồ mạch điện hệ thống PCS (1) Forward recognition camera: Camera nhận diện vật thể phía trước
Hình 3.2 Sơ đồ mạch điện hệ thống PCS (2) Milimeter wave radar sensor assembly: Cụm cảm biến radar
Junction connector: Jack dây điện
Hình 3.3 Sơ đồ mạch điện hệ thống PCS (3) Network Gateway ECU: ECU trung tâm (ECU mạng CAN)
Hình 3.4 Sơ đồ mạch điện hệ thống PCS (4) Radio & Display Receiver Assembly: Bộ nhận tín hiệu của radio và màn hình trung tâm
VSC off Switch: Công tắc hệ thống cân bằng điện tử
Hình 3.5 Sơ đồ mạch điện hệ thống PCS (5) Power Steering ECU: ECU trợ lực lái
Airbag Sensor Assembly: Cụm cảm biến túi khí
Yaw Rate Sensor: Cảm biến góc xoay thân xe
Brake Actuator Assembly: Cụm bộ chấp hành hệ thống phanh (Bộ chấp hành ABS)
Hình 3.6 Sơ đồ mạch điện hệ thống PCS (6)
Hình 3.7 Sơ đồ mạch điện hệ thống PCS (7) ECM: ECU điều khiển động cơ
Stop Light Switch Assembly: Cụm công tắc đèn phanh
Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện hệ thống PCS (8) Combinatiton meter: Cụm đồng hồ táp-lô
Hình 3.9 Sơ đồ mạch điện hệ thống PCS (9) Spiral Cable Sub-Assembly: Cụm cáp xoắn (cáp còi)
Steering Pad Switch Assembly: Cụm nút điều khiển trên vô lăng
Các mức hoạt động
Hệ thống cảnh báo tiền va chạm được chia thành 4 mức độ hoạt động khác nhau Mức độ 1 luôn hoạt động khi xe di chuyển trên đường, trong khi 3 mức độ còn lại phản ánh khả năng va chạm cao và điều chỉnh mức độ cảnh báo tương ứng.
Mức độ 1: Phát hiện vật thể phía trước, tính toán tỉ lệ va chạm
Hệ thống PCS hoạt động ở mức độ 2, cung cấp cảnh báo bằng hình ảnh và âm thanh cho tài xế để nhắc nhở họ cần đạp phanh Cảnh báo này được kích hoạt khi hệ thống nhận định có khả năng xảy ra va chạm với xe phía trước.
Mức độ 3 của hệ thống PCS cung cấp cảnh báo bằng hình ảnh và âm thanh, đồng thời kích hoạt hệ thống hỗ trợ lực phanh khẩn cấp BA Hệ thống này tăng cường lực phanh vượt mức bình thường khi tài xế đạp phanh, nhằm giảm thiểu nguy cơ va chạm với xe phía trước khi nhận thấy khả năng xảy ra va chạm là rất cao.
Mức độ 4 của hệ thống PCS cung cấp cảnh báo bằng hình ảnh và âm thanh, kết hợp với chức năng tự động phanh gấp và giảm lượng hòa khí nạp vào động cơ, ngay cả khi tài xế vẫn giữ chân trên bàn đạp ga Hệ thống còn có khả năng tự động đánh lái để tránh va chạm nếu phát hiện phía trước có nhiều khoảng trống, tính năng này chỉ có trên các phiên bản PCS đời mới nhất Hệ thống hoạt động ở mức độ này khi nhận định rằng va chạm với xe phía trước là không thể tránh khỏi nếu không thực hiện phanh gấp.
Hình 3.10 Minh họa các mức độ hoạt động động của hệ thống PCS
Diagram of system activation: Biểu đồ các mức độ kích hoạt của hệ thống
Elapsed time: Thời gian trôi qua
Detection of vehicle ahead: Phát hiện phương tiện phía trước
Possibility of collision: Có khả năng va chạm
High possibility of collision: Khả năng va chạm cao
Collision is unavoidable: Va chạm không tránh khỏi
Danger warning with alarm and visual display: Cảnh báo nguy hiểm với âm báo và hiển thị bằng hình ảnh
Brake Assist: Hỗ trợ phanh
Automatic Braking: Phanh tự động
3.3 Lưu đồ tóm tắt hoạt động của hệ thống
Các tùy chỉnh của hệ thống cảnh báo tiền va chạm PCS
(Các hình ảnh được lấy từ kênh Youtube của Toyota Global)
Các hình minh họa dưới đây áp dụng cho mẫu xe Toyota Camry sản xuất năm
2018 Các dòng xe khác hoặc dòng xe Camry sản xuất vào năm khác có thể sẽ có những khác biệt nhỏ
Bước 1: Bấm phím lên hoặc xuống ở cụm nút điều hướng trên vô lăng để chọn chức năng điều chỉnh có biểu tượng hình bánh răng
Hình 3.12 Bước 1 điều chỉnh bật/tắt hệ thống PCS
Sau đó bấm phím trái hoặc phải của cụm nút điều hướng để chọn tùy chỉnh hệ thống PCS ( biểu tượng thứ 2, hình 2 chiếc ô tô sắp va chạm nhau)
Hình 3.13 Bước 1 điều chỉnh bật/tắt hệ thống PCS
Bước 2: Bấm giữ nút OK 1.5 giây để tùy chỉnh hệ thống PCS, màn hình sẽ chuyển qua các tùy chỉnh như hình dưới đây
Hình 3.14 Bước 2 điều chỉnh bật/tắt hệ thống PCS
Bước 3: Khi lựa chọn nằm ở vị trí có chữ “PCS”, bấm nút OK để bật (on) hoặc tắt (off) hệ thống PCS
Hình 3.15 Bước 3 điều chỉnh bật/ tắt hệ thống PCS
Hình 3.16 Hệ thống PCS đã được tắt
Lưu ý: Hệ thống PCS sẽ mặc định tự động bật mỗi khi chúng ta khởi động xe
3.4.2 Điều chỉnh độ nhạy cảnh báo của hệ thống PCS Để điều chỉnh độ nhạy của hệ thống PCS, ta thực hiện tương tự từ Bước 1 đến hết
Bước 2 để tới được màn hình như Hình 3.14
Bước 3: bấm phím lên hoặc xuống để chọn vào tùy chỉnh độ nhạy “Sensitivity”
Sau đó bấm nút OK để đổi giữa các mức độ nhạy cảnh báo của hệ thống
Hình 3.17 Bước 3 điều chỉnh độ nhạy hệ thống PCS
Các ký hiệu mức độ của độ nhạy cảnh báo như sau:
Hình 3.18 Ký hiệu các mức độ nhạy của hệ thống PCS
Mức 1 - Far ( khoảng cách xa): Cảnh báo sớm hơn so với thời điểm mặc định
Mức 2 – Middle ( khoảng cách trung bình): Đây là mức độ mặc định của hệ thống Mức 3 – Near ( khoảng cách gần): Cảnh báo trễ hơn so với thời điểm mặc định
Điều kiện hoạt động cho mỗi chức năng của hệ thống PCS
Các điều kiện và thông số sau đây được lấy từ tài liệu “Toyota Camry Manual” cho phiên bản năm 2022
Hệ thống sẽ có thể không hoạt động trong các trường hợp sau:
- Nếu các cọc bình accu bị tháo rồi gắn lại và sau đó xe chưa chạy đủ lâu
- Nếu vị trí tay số đang nằm ở số lùi (Reverse)
- Khi đèn báo tắt hệ thống cân bằng điện tử sáng ( VSC OFF), lúc này hệ thống PCS chỉ hoạt động ở chức năng cảnh báo va chạm
Thông số vận tốc hoạt động của từng chức năng thuộc hệ thống PCS:
Chức năng cảnh báo tiền va chạm [4]:
Bảng 3 1 Vận tốc hoạt động của chức năng cảnh báo tiền va chạm
Vật thể phát hiện được Tốc độ xe Tốc độ tương đối giữa xe và vật thể Phương tiện di chuyển cùng chiều và phương tiện đang dừng đỗ
Xấp xỉ từ 10 đến 180 km/h Xấp xỉ từ 10 đến 180 km/h
Phương tiện di chuyển ngược chiều
Xấp xỉ từ 10 đến 180 km/h Xấp xỉ từ 20 đến 180 km/h
Người đạp xe và người đi bộ
Xấp xỉ từ 10 đến 80 km/h Xấp xỉ từ 10 đến 80 km/h
Khi chức năng cảnh báo tiền va chạm đang hoạt động, việc đánh lái vô lăng với lực mạnh hoặc đột ngột có thể dẫn đến việc chức năng này bị hủy bỏ.
Chức năng hỗ trợ lực phanh tiền va chạm [4]:
Bảng 3 2 Vận tốc hoạt động của chức năng hỗ trợ lực phanh tiền va chạm
Vật thể phát hiện được Tốc độ xe Tốc độ tương đối giữa xe và vật thể Phương tiện di chuyển cùng chiều và phương tiện đang dừng đỗ
Xấp xỉ từ 30 đến 180 km/h Xấp xỉ từ 30 đến 180 km/h
Người đạp xe và người đi bộ
Xấp xỉ từ 30 đến 80 km/h Xấp xỉ từ 30 đến 80 km/h
Chức năng tự động phanh tiền va chạm [4]:
Bảng 3 3 Vận tốc hoạt động của chức năng tự động phanh tiền va chạm
Vật thể phát hiện được Tốc độ xe Tốc độ tương đối giữa xe và vật thể Phương tiện di chuyển cùng chiều và phương tiện đang dừng đỗ
Xấp xỉ từ 10 đến 180 km/h Xấp xỉ từ 10 đến 180 km/h
Phương tiện di chuyển ngược chiều
Xấp xỉ từ 10 đến 180 km/h Xấp xỉ từ 20 đến 180 km/h
Người đạp xe và người đi bộ
Xấp xỉ từ 10 đến 80 km/h Xấp xỉ từ 10 đến 80 km/h
Nếu trong quá trình chức năng tự động phanh tiền va chạm đang hoạt động mà xảy ra một trong các hành động sau, chức năng này sẽ bị hủy bỏ.
- Đạp mạnh bàn đạp ga
- Vô lăng bị đánh lái một góc lớn và đột ngột [4]
TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO TIỀN VA CHẠM SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO
Giới thiệu về Arduino
Arduino là nền tảng điện tử mã nguồn mở, bao gồm cả phần cứng và phần mềm, cho phép điều khiển các linh kiện điện tử như LED, motor và cảm biến Mạch Arduino sử dụng ngôn ngữ lập trình riêng để điều khiển hoạt động của các linh kiện thông qua việc kết nối chúng với các chân pin trên mạch Hiện nay, nhiều linh kiện điện tử được thiết kế đặc biệt cho mô hình Arduino, đảm bảo tính tương thích và có giá thành phải chăng, dễ dàng tìm thấy trên thị trường.
Ngôn ngữ lập trình Arduino dễ sử dụng, phù hợp cho nhiều mô hình từ cơ bản đến nâng cao Cộng đồng người dùng đang ngày càng lớn mạnh với nhiều diễn đàn, website và kênh YouTube, giúp người mới dễ dàng tự học Arduino miễn phí trên internet.
Arduino cung cấp nhiều loại mạch với kích thước, số chân pin và tốc độ xử lý khác nhau, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn linh kiện phù hợp với mô hình mà họ muốn thực hiện.
Ý tưởng thiết kế mô hình
Xu hướng an toàn trên xe ô tô đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của người dùng tại Việt Nam và quốc tế Do đó, các nhà sản xuất ô tô đang mạnh tay đầu tư vào việc phát triển các tính năng an toàn Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp ô tô và xu hướng người tiêu dùng, tôi đã nảy ra ý tưởng thiết kế mô hình hệ thống cảnh báo tiền va chạm.
Mô hình được xây dựng trên nền tảng Arduino, một hệ thống phát triển nhanh chóng với linh kiện dễ dàng mua và giá cả phải chăng Việc tự học ngôn ngữ lập trình và sử dụng linh kiện Arduino cũng đơn giản nhờ vào sự phong phú của tài liệu và video hướng dẫn trên internet Do đó, Arduino là sự lựa chọn lý tưởng cho việc phát triển mô hình.
Trong quá trình xây dựng hệ thống cảnh báo tiền va chạm bằng mạch Arduino, tôi đã chọn cảm biến siêu âm HC-SR04 để xác định khoảng cách giữa mô hình xe và vật cản phía trước Cảm biến này sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách an toàn Khi khoảng cách an toàn giảm xuống mức nguy hiểm, mạch Arduino sẽ kích hoạt còi và đèn LED để cảnh báo Nếu khoảng cách tiếp tục giảm, mạch Arduino sẽ tự động dừng xe lại để đảm bảo an toàn.
Mục tiêu khi thiết kế mô hình
- Mô hình hoạt động ổn định
- Cảm biến xác định được chính xác khoảng cách từ cảm biến đến vật cản
- Hệ thống sẽ cảnh báo bằng còi và led khi khoảng cách an toàn không đủ
- Mô hình sẽ tự dừng khi khoảng cách an toàn quá nhỏ, sắp va chạm
- Có sơ đồ mạch điện chi tiết của mô hình
Giải pháp thiết kế
Mô hình được thiết kế với khung mica khoan lỗ để lắp ráp các bộ phận, trong đó hai motor tượng trưng cho bánh xe ô tô Mạch Arduino hoạt động như ECU, điều khiển tất cả linh kiện LED đỏ cảnh báo nguy hiểm va chạm, LED vàng cảnh báo khoảng cách an toàn không đủ, và màn hình OLED hiển thị các thông điệp cảnh báo Còi báo động mô phỏng còi cảnh báo của hệ thống PCS Cảm biến siêu âm phía trước xác định khoảng cách với vật cản, tương tự như radar trên ô tô Tất cả các bộ phận kết nối qua dây điện, với mạch Arduino sử dụng pin 9V và các linh kiện khác kết nối nguồn 5V Hai motor sử dụng nguồn riêng để đảm bảo hoạt động ổn định, tất cả hoạt động dựa trên code lập trình bằng phần mềm Arduino IDE.
Lựa chọn linh kiện
Lựa chọn linh kiện phù hợp là một bước quan trọng trong quá trình thực hiện mô hình, giúp đảm bảo mô hình hoạt động hiệu quả, dễ dàng triển khai và tiết kiệm chi phí.
Mạch điều khiển lý tưởng cho mô hình này là Arduino Uno, vì nó có đủ số chân pin cần thiết để kết nối các linh kiện mà không quá cồng kềnh như Arduino Mega Việc chọn Arduino Uno không chỉ đảm bảo tính khả thi mà còn tiết kiệm chi phí, vì nó có giá cả hợp lý và dễ dàng tìm mua hơn so với các loại mạch Arduino khác.
Thông số kĩ thuật của Arduino Uno (nguồn hshop.vn):
- Chip điều khiển chính: ATmega328P
- Chip nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2
- Nguồn nuôi mạch: 5V DC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ jack tròn DC
- Số chân Digital I/O: 14 (trong đó có 6 chân có khả năng xuất xung PWM)
- Dòng điện DC trên mỗi chân I/O: 20mA
- Dòng điện DC chân 3.3V: 50mA
- Flash Memoroy: 32 KB , 0.5 KB dùng cho bootloader
4.8.2 Cảm biến đo khoảng cách
Trong các dự án Arduino, cảm biến siêu âm HC-SR04 là lựa chọn phổ biến để xác định khoảng cách giữa mô hình và vật cản phía trước Với giá thành hợp lý và độ chính xác cao, cảm biến này đảm bảo mô hình hoạt động ổn định và hiệu quả.
Hình 4.3 Mặt trước và sau của cảm biến siêu âm HC-SR04
Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên môđun truyền – nhận, được điều khiển qua hai chân pin “trigger” và “echo” Khi lập trình, môđun phát ra các xung sóng siêu âm và ngắt cực nhanh, sau đó đo thời gian mà các xung sóng này di chuyển đến vật thể và phản xạ trở lại môđun nhận Từ thời gian di chuyển của sóng âm, ta có thể tính khoảng cách giữa cảm biến và vật thể bằng một công thức đơn giản.
D : Khoảng cách từ cảm biến đến vật thể
C S = 340 m/s : Hằng số vận tốc âm thanh trong không khí t : Thời gian sóng siêu âm di chuyển
Hoạt động của cảm biến có thể minh họa bằng hình vẽ sau:
Hình 4.4 Minh họa hoạt động của cảm biến siêu âm
Original wave: sóng ban đầu
Reflected wave (echo): sóng phản xạ
Chú thích công dụng các chân của cảm biến:
VCC : Chân cấp nguồn cho cảm biến (5V DC)
Trig: Chân điều khiển môđun phát sóng siêu âm
Echo: Chân điều khiển môđun nhận sóng siêu âm
Thông số kỹ thuật của cảm biến siêu âm HC-SR04 (nguồn hshop.vn):
- Điện áp hoạt động: 5V DC
- Tín hiệu giao tiếp: TTL
- Chân tín hiệu: Echo, Trig
- Tần số phát sóng: 40 Khz
- Khoảng cách đo được: 2 ~ 450 cm
- Sai số: 0.3 cm (khoảng cách càng gần, bề mặt vật thể càng phẳng thì sai số càng nhỏ)
- Kích thước: 43mm x 20mm x 17mm
4.8.3 Động cơ điện một chiều (DC motor)
Mô hình này sử dụng hai động cơ điện một chiều có bộ bánh răng giảm tốc bên trong, là loại động cơ phổ biến nhất cho các mô hình Arduino hiện nay Với giá thành thấp, chất lượng tương đối cao và dễ lắp ráp, động cơ này là sự lựa chọn lý tưởng cho nhiều dự án.
Hình 4.5 Động cơ điện một chiều chuyên dụng cho mô hình Arduino
Hình 4.6 Cấu tạo bên trong động cơ điện (Nguồn: MRMS Workshop Youtube)
Thông số kỹ thuật của động cơ điện (nguồn hshop.vn):
- Điện áp hoạt động: 3 ~ 9V DC
- Dòng điện tiêu thụ: 110 ~ 140 mA
- Tốc độ: 125 vòng/phút tại 3V DC; 208 vòng/phút tại 5V DC
- Bánh xe đi kèm sử dụng cho động cơ có đường kính 65mm
Bản vẽ kỹ thuật của động cơ điện (nguồn hshop.vn):
Hình 4.7 Bản vẽ chi tiết kích thước của động cơ điện
4.8.4 Mạch điều khiển motor (motor driver) Để điều khiển motor tăng hoặc giảm tốc, dừng lại và đảo chiều quay, ta cần dùng một mạch điều khiển motor Mạch điều khiển motor được chọn cho mô hình đó là mạch điều khiển motor L298N Mạch điều khiển motor có các cổng để kết nối với motor và các cổng để kết nối với nguồn điện cung cấp cho mạch cũng như động cơ Bên trong mạch L298N có một mạch cầu H (H bridge circuit) để điều khiển chiều quay của motor điện
Hình 4.8 Mạch điều khiển motor L298N
Sơ đồ các chân kết nối của mạch điều khiển motor L298N:
Hình 4.9 Sơ đồ chân kết nối của mạch điều khiển motor L298N
Chú thích công dụng các chân:
1 VCC: Chân cấp nguồn cho mạch điều khiển motor và motor
Có thể sử dụng nguồn điện từ 5 đến 35 V để cấp vào chân này
2 GND: Chân mass của mạch
Nguồn 5V cung cấp cho mạch logic bên trong mạch điều khiển motor, mặc dù không bắt buộc Ngoài ra, nguồn 5V cũng có thể được sử dụng để cấp điện cho các linh kiện khác.
4 ENA: Chân kích hoạt điều khiển hoạt động và điều khiển tốc độ motor A
5 IN1 và IN2: Các chân điều khiển hướng quay của motor A
6 IN3 và IN4: Các chân điều khiển hướng quay của motor B
7 ENB: Chân kích hoạt điều khiển hoạt động và điều khiển tốc độ motor B
8 OUT1 và OUT 2: Các chân kết nối mạch điều khiển với motor A
9 OUT3 và OUT4: Các chân kết nối mạch điều khiển với motor B
4.8.5 Đèn LED Để mô phỏng cảnh báo tiền va chạm, dùng một LED màu đỏ và một LED màu vàng có đường kính 5mm
4.8.6 Màn hình OLED Để mô phỏng dòng chữ cảnh báo hiện thị trên màn hình táp lô, dùng một màn hình OLED nhỏ có kích thước 0.96 inches
Chú thích công dụng các chân của màn hình:
VCC: Chân cấp nguồn cho màn hình
SDA: Chân dữ liệu vào
Thông số kỹ thuật của màn hình OLED (nguồn hshop.vn):
- Điện áp sử dụng: 2.2 đến 5.5V DC
- Góc hiển thị: lớn hơn 160 độ
- Số điểm ảnh hiển thị: 128x64 điểm
- Độ rộng màn hình: 0.96 inches
- Màu hiển thị: trắng/ xanh dương
4.8.7 Còi cảnh báo Để mô phỏng cảnh báo tiền va chạm dưới dạng âm thanh, dùng một còi cảnh báo 5V
Thông số kỹ thuật (nguồn hshop.vn):
- Dòng điện tiêu thụ: 80 dB
- Nhiệt độ hoạt động: -20˚C đến +70˚C
4.8.8 Nguồn điện của mô hình
Nguồn điện cho Arduino và các linh kiện như cảm biến siêu âm HC-SR04, đèn LED, màn hình OLED và còi báo động nên được cung cấp từ một nguồn điện một chiều có điện áp từ 7 đến 12 Volts Các linh kiện này sử dụng nguồn 5V và không tiêu hao quá nhiều năng lượng, do đó có thể sử dụng chung nguồn điện với Arduino Nếu điện áp thấp hơn 7V, các chân pin trên Arduino sẽ cung cấp điện áp đầu ra không ổn định, ảnh hưởng đến hoạt động của linh kiện Ngược lại, nếu sử dụng điện áp cao hơn 12V, bộ tiết chế trong Arduino sẽ hoạt động liên tục, gây ra nhiệt và giảm tuổi thọ của mạch Do đó, việc chọn một viên pin 9V là giải pháp lý tưởng để cấp nguồn cho Arduino và các linh kiện đi kèm.
Nguồn điện thứ hai cung cấp cho mạch điều khiển motor L298N và hai motor điện, đảm bảo mô hình hoạt động liên tục và tiêu thụ năng lượng hiệu quả Việc sử dụng pin sạc 18650 của Samsung với điện áp trung bình 3.7 Volt DC và dung lượng 2100mAh giúp duy trì hoạt động lâu dài Hai viên pin được lắp vào đế pin theo kiểu nối tiếp, tạo ra nguồn điện khoảng 7.2 Volt, đảm bảo motor hoạt động ổn định Hơn nữa, pin sạc dễ dàng được nạp lại trong quá trình thử nghiệm và phát triển mô hình.
Hình 4.14 Pin sạc và đế pin
Mô hình sử dụng dây điện "jumper" với đầu kết nối phù hợp cho breadboard, bao gồm hai loại dây: đực - đực và đực - cái, tất cả đều có độ dài 10cm.
Hình 4.15 Dây điện jumper loại đực – cái
Hình 4.16 Dây điện jumper loại đực - đực
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH
Nguyên lý hoạt động
Mô hình sử dụng mạch Arduino Uno để điều khiển cảm biến siêu âm HC-SR04, phát xung sóng siêu âm nhằm đo khoảng cách từ mô hình đến vật cản Khi khoảng cách giảm dưới mức an toàn, đèn LED vàng sẽ sáng mỗi 2 giây, màn hình hiển thị hiệu lệnh giảm tốc độ, và còi phát âm thanh đều đặn Nếu khoảng cách tiếp tục giảm, màn hình sẽ hiển thị lệnh đạp phanh, đèn LED đỏ nhấp nháy, và còi phát âm thanh nhanh để cảnh báo nguy hiểm Nếu sau khi cảnh báo mà khoảng cách vẫn giảm, mạch Arduino sẽ điều khiển motor dừng lại để phanh xe, màn hình hiển thị tín hiệu phanh tự động, đèn LED đỏ sáng và còi phát âm thanh kéo dài.
Sơ đồ của mô hình
5.2.1 Sơ đồ khối mô hình
Hình 5.1 Sơ đồ khối của mô hình
Khối cảm biến: Cảm biến siêu âm HC-SR04
Khối xử lý: mạch Arduino Uno và mạch điều khiển motor L298N
Khối cảnh báo: đèn LED đỏ, đèn LED vàng, màn hình OLED và còi
Khối nguồn: 1 viên Pin 9V và 2 viên Pin 3.7V
Khối truyền động: 2 motor điện DC
5.2.2 Sơ đồ mạch điện của mô hình
Hình 5.2 Sơ đồ mạch điện của mô hình
Lắp ráp mô hình
Lắp ráp các bộ phận của mô hình theo sơ đồ mạch điện trong Hình 5.2 lên tấm mica đã được khoan sẵn lỗ để cố định các bộ phận bằng ốc.
Hình 5.3 Hình ảnh thật của mô hình sau khi được lắp ráp hoàn chỉnh
Lập trình cho mô hình
5.4.1 Thử nghiệm tốc độ của mô hình Để điều khiển tốc độ hoạt động của các motor trên mô hình Arduino, ta có thể thực hiện bằng cách điều chế độ rộng xung (Pulse-width modulation hay thường được viết tắt là PWM) Bằng cách kết nối 2 chân điều khiển tốc độ của 2 motor trên mạch điều khiển L298N ( chân enA và enB) vào chân Pin có hỗ trợ PWM trên mạch Arduino (chân có ký hiệu ~) Dùng lệnh analogWrite, ta có thể điều chỉnh độ rộng xung điều khiển motor
Hình 5.4 Các chân PWM trên mạch Arduino Uno
Mô hình ô tô chuyển động được thiết kế với vận tốc 70 km/h (khoảng 19,44 m/s), một tốc độ phổ biến trên các tuyến đường quốc lộ và đường lớn có từ 2 làn trở lên dành cho ô tô, như Phạm Văn Đồng và Nguyễn Văn Linh Do khả năng hoạt động của mô hình có giới hạn thấp hơn ô tô thực tế, nó sẽ được vận hành ở tỷ lệ 1:50.
Ta có vận tốc mà mô hình hoạt động ở tỷ lệ 1:50 là 19,44/50 = 0,3888 m/s ≈ 39 cm/s
Tiến hành khai báo các chân điều khiển motor và sử dụng lệnh analogWrite với giá trị xung thay đổi từ 0 đến 255 để điều chỉnh điện áp hoạt động của motor Lập trình cho motor chạy trong 1 giây rồi dừng lại, sau đó đo khoảng cách mà mô hình di chuyển được Sau khi thử nghiệm với các giá trị xung khác nhau và tiến hành đo kiểm tra, mô hình dừng lại tại giá trị xung cho phép di chuyển khoảng cách xấp xỉ 39 cm.
Sự khác biệt về giá trị xung giữa hai motor A và B được điều chỉnh để bù đắp cho sự không đồng đều điện áp do linh kiện hoạt động không chính xác và lốp xe không đồng đều Giá trị này có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện mặt đường mà mô hình hoạt động.
Hình 5.6 Đưa mô hình vào vị trí chuẩn bị chạy để đo khoảng cách di chuyển trong 1 giây
Hình 5.7 Đo kiểm tra khoảng cách mô hình di chuyển sau 1 giây
5.4.2 Lập trình code cho toàn bộ mô hình
Khai báo các chân sử dụng để điều khiển từng bộ phận của mô hình và khai báo các biến sử dụng cho mô hình:
Kế tiếp tiến hành lập trình cho cảm biến siêu âm xác định khoảng cách đến vật cản phía trước
Theo Điều 11 của Thông tư 31/2019/TT-BGTVT, khi tham gia giao thông với vận tốc từ 60 đến 80 km/h, các phương tiện cần duy trì khoảng cách an toàn giữa hai xe để đảm bảo an toàn cho người điều khiển và hành khách.
Theo tỉ lệ 1:50, khoảng cách an toàn tối thiểu của mô hình là 110 cm Để tuân thủ quy định giao thông, chúng tôi đã lập trình tính năng cảnh báo khoảng cách an toàn cho hệ thống Khi khoảng cách an toàn dưới 110 cm, đèn LED vàng sẽ sáng và màn hình hiển thị chữ “SLOW DOWN” để nhắc nhở người lái xe giảm tốc độ, nhằm tăng cường khoảng cách an toàn.
Quy tắc 2 giây là một nguyên tắc quan trọng giúp lái xe an toàn hơn, khuyến cáo tài xế giữ khoảng cách tối thiểu 2 giây với xe phía trước Khoảng cách này cho phép tài xế kịp thời phanh khi xe phía trước đột ngột dừng lại Với tốc độ di chuyển 39 cm/s, sau 2 giây, xe sẽ di chuyển được 78 cm Nếu tài xế duy trì khoảng cách an toàn lớn hơn 78 cm nhưng xe phía trước phanh gấp, khoảng cách an toàn có thể giảm xuống dưới 78 cm, làm tăng nguy cơ va chạm do không đủ thời gian phản ứng.
Khi khoảng cách giữa vật cản và mô hình nhỏ hơn 78 cm, mô hình sẽ phát cảnh báo với còi kêu dồn dập, đèn LED đỏ nhấp nháy và hiển thị dòng chữ “BRAKE” để nhắc nhở tài xế đạp phanh Để giảm thiểu va chạm, mô hình cũng được lập trình để điều khiển motor giảm tốc độ, kéo dài thời gian trước khi va chạm Trên xe ô tô thực, điều này có thể thực hiện bằng cách tự động điều chỉnh bướm ga và giảm lượng hòa khí vào động cơ, giúp xe giảm tốc ngay cả khi tài xế vẫn đạp ga.
Khi hệ thống phát hiện nguy cơ va chạm và người tài xế chưa kịp phản ứng, nếu khoảng cách đến vật cản tiếp tục giảm xuống dưới 39cm (tương đương 1 giây trước va chạm), mô hình sẽ tự động kích hoạt phanh bằng cách dừng motor.
Sau khi hoàn tất code cho mô hình hoạt động, ta dùng lệnh Serial.print và
Sử dụng lệnh Serial.println để hiển thị giá trị khoảng cách đến vật cản phía trước mà cảm biến siêu âm đo được trên Serial monitor của phần mềm Arduino IDE Điều này cho phép chúng ta đo khoảng cách thực tế bằng thước và so sánh với giá trị mà cảm biến cung cấp, nhằm kiểm tra độ chính xác của cảm biến.
Kiểm tra độ chính xác của mô hình
5.5.1 Kiểm tra độ chính xác của cảm biến siêu âm Để kiểm tra độ chính xác trong việc xác định khoảng cách của cảm biến siêu âm HC-SR04, ta dùng công cụ Serial Monitor để kiểm tra giá trị khoảng cách cảm biến đo được theo thời gian thực Kết nối mô hình với máy tính thông qua cổng USB (Sử dụng dây 1 đầu USB type B cắm vào mạch Arduino, đầu còn lại là đầu USB Type A cắm vào máy tính), sau đó chọn vào công cụ Serial Monitor để theo dõi khoảng cách giữa mô hình và vật cản mà cảm biến đang đo được Vật cản được sử dụng trong thí nghiệm là một hộp giày có mặt đối diện với cảm biến là hình chữ nhật phẳng, kích thước 33 x 23 cm
Hình 5.13 Kiểm tra khoảng cách
Tiến hành kiểm tra tại các cột mốc khoảng cách đặc biệt đã được nhắc đến trong
Mô hình cách vật cản 110 cm được thiết lập theo quy định an toàn giao thông với tỷ lệ 1:50 Sau khi đặt mô hình, tiến hành kiểm tra kết quả bằng công cụ Serial Monitor để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của mô hình.
Hình 5.14 Kiểm tra khoảng cách
Khoảng cách cảm biến đo được:
Hình 5.15 Kiểm tra khoảng cách bằng Serial Monitor
Kết quả: Sai số khoảng cách xấp xỉ 5 cm
Mô hình cách vật cản 78 cm ( 2 giây):
Tương tự, đặt mô hình cách vật cản 78 cm rồi kiểm tra bằng công cụ Serial Monitor Khoảng cách mà cảm biến đo được:
Hình 5.16 Kiểm tra bằng Serial Monitor (2)
Kết quả: Sai số khoảng cách xấp xỉ 4cm
Mô hình cách vật cản 39 cm (1 giây):
Tương tự, đặt mô hình cách vật cản 39 cm
Khoảng cách mà cảm biến đo được:
Hình 5.19 Kiểm tra bằng Serial Monitor (3)
Kết quả: Sai số khoảng cách xấp xỉ 1 cm
Kết quả đo cho thấy rằng sai số của cảm biến tăng lên khi khoảng cách giữa mô hình và vật cản lớn hơn Ở các cột mốc khoảng cách quan trọng, sai số có thể đạt tới 5 cm.
5.5.2 Kiểm tra hoạt động của mô hình
Mô hình được khởi động để di chuyển từ khoảng cách 1.5 m đến vật thể, hoạt động ổn định và thực hiện đầy đủ các giai đoạn cảnh báo Sau khi mô hình dừng lại hoàn toàn, khoảng cách từ mô hình đến vật thể sẽ được đo chính xác.
Mô hình tự phanh khi tiếp cận vật cản, với khoảng cách an toàn sau khi phanh là 27 cm Thành công này cho thấy mô hình có khả năng tự động phanh, giúp tránh va chạm hiệu quả với vật thể.
5.6 Những hạn chế của mô hình
Cảm biến siêu âm có thể gặp phải vấn đề về độ chính xác trong việc xác định khoảng cách Độ sai lệch của khoảng cách tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa cảm biến và vật cản; nghĩa là, khi khoảng cách tăng lên, độ sai lệch cũng gia tăng Hơn nữa, nếu bề mặt vật cản gồ ghề, độ sai lệch sẽ càng lớn hơn.
Mô hình không tích hợp bộ phận nhận dạng vật thể, dẫn đến việc mọi vật thể đủ kích thước để cảm biến siêu âm phát hiện đều được xem là vật cản Điều này không phản ánh đúng thực tế giao thông, nơi có thể xuất hiện những tình huống bất ngờ với các vật thể nhỏ như quả bóng trẻ em hay chim bay ngang đầu xe.
Mô hình chỉ hoạt động ở một vận tốc cố định, với khoảng cách cảnh báo và phanh tự động cũng được xác định trước Để thay đổi các thông số này, người dùng cần điều chỉnh giá trị trong mã code và nạp lại phiên bản mới cho mô hình, vì hiện tại mô hình chưa hỗ trợ sử dụng giá trị biến thiên để mô phỏng.
Một số bộ phận của mô hình có chất lượng chưa đạt, ảnh hưởng đến khả năng di chuyển Lốp xe có độ bám kém và không đồng đều, dễ dẫn đến việc lệch hướng khi di chuyển thẳng Mạch điều khiển motor gặp tình trạng chênh lệch điện áp giữa motor A và motor B, khiến hai bánh xe quay với tốc độ không đồng nhất Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách điều chỉnh giá trị xung thông qua mã lập trình.