Nghiên cứu công nghệ cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường trên ô tô thiết kế mô hình điều khiển bằng arduino

Trong quá trình học tập tại trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh, em đã được quý thầy, cô giảng dạy tận tình cũng như truyền lại những kiến thức rất bổ ích, quan trọng giúp ích cho em trong quá trình đi làm sau này. Vì còn thiếu kinh nghiệm thực tế nên em vẫn còn những hạn chế về năng lực và những thiếu sót trong quá trình nghiên cứu. Em xin lắng nghe và tiếp thu những ý kiến của giảng viên phản biện để hoàn thiện, bổ sung kiến thức. Em xin chân thành cảm ơn

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Trong đời sống hiện nay tại nạn giao thông do ô tô gây ra rất nhiều Theo thống kê thì tai nạn giao thông đường bộ chiếm 97,7% trong đó 55-60% là do con người, 10-20% là do máy móc trục trặc về kỹ thuật, do đường xá chiếm 15-18% [1] Trong đó nguyên nhân do con người là chiếm tỷ lệ cao nhất vì con người không thể phát hiện và xử lý kịp thời trước một vụ va chạm xảy ra Va chạm luôn có thể xảy ra bất cứ khi nào tài xế không tập trung hay không kịp xử lý tình huống bất ngờ nên người lái xe bày tỏ nhu cầu nhiều hơn về các tính năng an toàn tự động và hệ thống đánh giá va chạm tốt hơn trên xe của mình Các hãng ô tô đã bắt đầu trang bị những công nghệ vào những sản phẩm của họ hy vọng sẽ giảm thiểu số vụ tại nạn gây ra Hệ thống cảnh báo va chạm sẽ kịp thời giúp tài xế nhận biết và ngăn chặn nguy cơ tai nạn Hệ thống cảnh báo lệch làn đường sẽ giúp tài xế nhận biết xe đang đi ra khỏi làn đường một cách bất thường có thể gây ra tai nạn nguy hiểm Hệ thống này sẽ giúp điều chỉnh lại hướng mà xe chạy giúp tài xế phát hiện điểm mù trong lái xe khi cần thiết

Hầu hết các xe ô tô đều được trang bị hệ thống này để giúp lái xe an toàn và giảm thiểu tai nạn nhưng mọi người đều chưa hiểu rõ và biết đến nhiều nên em chọn đề tài

“Nghiên cứu công nghệ cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường trên ô tô Thiết kế mô hình điều khiển bằng Arduino” để làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình giúp hiểu thêm về tính năng này.

Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Mục tiêu của đề tài bao gồm:

- Nghiên cứu hệ thống cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường dựa trên các thông tin tài liệu thu thập được

- Phân tích điểm mạnh của hệ thống cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường, hạn chế mà hệ thống này chưa đáp ứng được

- Tìm hiểu về các loại cảm biến cần dùng thiết kế hệ thống và mô phỏng bằng mô hình Arduino cho phù hợp

- Hoàn thiện mô hình và đánh giá kết quả so với hệ thống thực tế trên ô tô

- Đưa ra giải pháp, tuyên truyền, giáo dục để nâng tầm sự hiểu biết của tài xế về các công nghệ cảnh báo an toàn qua đó mong muốn được ứng dụng rộng rãi trên các hãng xe, dòng xe.

Phạm vi nghiên cứu

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

- Nghiên cứu về cách thức nhận tín hiệu và hoạt động của cảm biến dò line

- Khảo sát người lái về sự hiểu biết đến công nghệ cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường Hỏi mọi người xung quanh dùng ô tô trên xe của họ có được trang bị tính năng này không, tính năng này có hỗ trợ cho người lái nhiều không

- Lập trình cho hệ thống cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường

- Sử dụng phần mềm Arduino để điều khiển lập trình xử lý tín hiệu để điều khiển các cơ cấu chấp hành

- Thiết kế mô hình dựa vào chíp điều khiển Arduino R3 bằng ngôn ngữ C/C++

- Tìm hiểu về tính ứng dụng của hệ thống trên các hãng xe hiện nay.

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tìm hiểu, thu thập tài liệu của hãng, tài liệu giảng dạy trên các website uy tín, sách liên quan

- Phương pháp thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống

- Phương pháp chạy thí nghiệm, khảo sát thực tế mô hình

- Phương pháp phân tích, đánh giá kết quả nghiên cứu

- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản báo cáo nghiên cứu đề nghị hướng phát triển đề tài.

Bố cục

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung phương pháp nghiên cứu đề tài.

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CẢNH BÁO VA CHẠM VÀ CHỐNG LỆCH LÀN ĐƯỜNG TRÊN Ô TÔ

Giới thiệu về hệ thống cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường trên ô tô

Với thực trạng giao thông phức tạp như ở Việt Nam, trước kia các hệ thông an toàn một chiếc xe chưa được coi trọng nhưng đến ngày nay là một trong những ưu tiên hàng đầu của người dùng khi lựa chọn một chiếc xe Độ an toàn trên ô tô là mong muốn đòi hỏi xứng đáng của người chọn ô tô, bắt buộc các nhà sản xuất phải tập trung đầu tư vào hệ thống an toàn hiện đại để nâng cao giá trị và ưu thế cạnh tranh của sản phẩm Vì vậy các hãng xe hiện nay đều trang bị đầy đủ những tính năng an toàn để di chuyển trên đường, đảm bảo cho người ngồi trong xe cũng như người đi bên ngoài một cách an toàn nhất mang lại lợi ích cho người tiêu dùng Ngày nay hầu hết các dòng xe từ hạng trung cấp cho đến cao cấp đều được hãng sản xuất trang bị các công nghệ cảnh báo an toàn hỗ trợ người lái như: hệ thống ổn định thân xe (ESB), kiểm soát lực kéo (TCS), hỗ trợ đỗ xe (PAS), hệ thống cảnh báo điểm mù Ngoài ra còn có một công nghệ đang được nhiều người quan tâm, hệ thống cảnh báo va chạm sớm và lệch làn đường Công nghệ cảnh báo an toàn này sẽ đóng góp một phần nhỏ vào giúp công nghệ ô tô phát triển hơn khi chúng ta đang nghiên cứu phát triển xe tự lái

Hệ thống cảnh báo va chạm và lệch làn đường là một tính năng an toàn chủ động cảnh báo cho người lái biết xe mình đang trong trường hợp sắp va chạm hoặc đang đi lệch sang làn đường khác mà không có tín hiệu từ tài xế Khi phương tiện được trang bị hệ thống thì tài xế sẽ được cảnh báo bằng hình ảnh, âm thanh, rung vô lăng hoặc có thể tác động vào phanh, lái khi xe đang trong tình huống nguy hiểm nhưng tài xế không làm chủ được chiếc xe của mình Nhờ các tính năng an toàn được trang bị trên xe đã góp phần giảm thiểu số vụ va chạm xảy ra Theo nghiên cứu của Quỹ an toàn giao thông Mỹ nếu được sử dụng đúng cách thì các công hệ hỗ trợ lái xe ngày nay có khả năng ngăn chặn 40% các vụ va chạm phương tiện và gần 30% các ca tử vong.

Tầm quan trọng của công nghệ cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường trong ô tô

Nhiều công nghệ cảnh báo mới phòng tránh và giảm thiểu rủi ro va chạm cũng đang trở nên ngày càng phổ biến trên ô tô Chúng đã bắt đầu từ các mẫu xe sang trọng và hiện đang được áp dụng trên đa dạng các dòng xe khác nhau Các hệ thống này có chức năng liên tục theo dõi cách người lái điều khiển xe cũng như các điều kiện xung quanh xe như chướng ngại vật, xe đi trước, người đi bộ, vạch kẻ đường… Mục tiêu của hệ thống là để phát hiện sớm nguy cơ tai nạn vài giây trước va chạm nhờ đó đưa ra những biện pháp cảnh báo, can thiệp nhằm ngăn chặn hoặc giảm thiểu những thiệt hại có thể xảy ra Những hệ thống hệ thống an toàn cảnh báo này có thể sử dụng cách thức như phát ra tín hiệu cảnh báo bằng âm thanh hoặc hình ảnh trên màn hình điều khiển để nhắc tài xế có hành động xử lý kịp thời tình huống nguy hiểm Ngoài ra một số hệ thống còn có khả năng can thiệp vào phanh hoặc làm thay đổi hướng đi để đảm bảo xe di chuyển đúng hướng và an toàn Hệ thống xác định vật cản trên ô tô là một trong những hệ thống an toàn mang lại được nhiều lợi ích cho người lái được sử dụng rộng rãi hiện nay Theo báo cáo của Viện bảo hiểm an toàn đường bộ Mỹ(IIHS) thì hệ thống cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường trên ô tô rất hữu ích vì hằng năm có đến 40% tai nạn liên quan đến việc lái xe thiếu tập trung[2]

Hệ thống cảnh báo va chạm trên ô tô sử dụng radar để phát hiện các vật cản sắp va vào và đưa ra cảnh báo cho người lái Thông qua việc sử dụng sóng radio, radar có khả năng đo khoảng cách và phát hiện nguy cơ va chạm Khi hệ thống phát hiện sẽ thông báo cho người lái qua âm thành hoặc đèn chớp, hình ảnh hiện trên màn hình Ngoài ra trong lúc nguy cấp hệ thống có thể tác động vào phanh để giảm tốc độ của xe Hệ thống cảnh báo này giúp tài xế phát hiện tình huống trước khi va chạm để kịp thời xử lý ngăn ngừa giảm thiểu tối đa va chạm xảy ra và ngay cả khi xảy ra va chạm xảy ra nó giúp giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản

Hệ thống chống lệch làn đường sử dụng các camera gắn trên xe để phát hiện thời điểm lốp xe bắt đầu chệch khỏi làn đường đang chạy rẻ bất thường mà không có tín hiệu xi nhan khiến các xe lưu thông trên đường phản ứng không kịp có thể gây ra tai nạn va chạm không đáng có Máy tính sẽ kiểm tra hệ thống lái và tốc độ xe để xác định xem việc chạy chệch làn đường là cố ý hay vô tình Nếu hệ thống xác định được đó là vô tình, hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo bằng cách làm rung nhẹ vô-lăng, có thể kèm theo cảnh báo bằng âm thanh để cảnh báo cho tài xế biết mình đang chạy lệch làn đường nhanh chóng điều chỉnh lại

Hệ thống cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường được xếp vào các hệ thống an toàn cần được ứng dụng trang bị rộng rãi hầu hết các mẫu xe ô tô ở phân khúc trung và cao cấp hiện nay Giúp người lái xử lý tình huống kịp thời để tránh hoặc giảm thiểu các va chạm trong quá trình tham gia giao thông Bên cạnh đó người cầm tay lái cũng cần hiểu rõ chức năng và cách sử dụng của từng hệ thống cảnh báo trên ô tô để đảm bảo thao tác chính xác chuẩn chỉnh trong mọi tình huống khẩn cấp để không có thiệt hại nào xảy ra.

Các bộ phận chính của công nghệ cảnh báo va chạm

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống cảnh báo va chạm 1.Cảm biến va chạm 4.Bộ phận cảnh báo và hiển thị

2.Bộ phận xử lý ECU 5.Bộ phận giảm tốc can thiệp vào động cơ 3.Bộ phận can thiệp phanh 6.Cảm biến tốc độ

Hệ thống cảnh báo va chạm gồm cảm biến radar phía trước, camera được gắn trên thiết bị kính chắn gió phía trước, bộ phận thông báo tín hiệu còi báo đèn hiển thị trên bảng tablo, bộ xử lý trung tâm ECU và hệ thống hỗ trợ phanh (dựa vào hình 2.1) Cảm biến radar thường được đặt bên trong lưới tản nhiệt chúng sẽ liên tục phát đi những đợt sóng radar ở tần số cao Khi gặp vật cản hay phát hiện có xe phía trước chúng sẽ phản hồi lại cảm biến

Bộ xử lý trung tâm ECU tiếp nhận thông tin sẽ tính toán ra được khoảng cách và thời gian từ xe đến vật cản phía trước dựa trên tốc độ hiện tại của xe trong quá trình điều khiển Sau khi bộ xử lý trung tâm xử lý xong sẽ truyền thông tin đến tín hiệu đèn trên tablo và coi để cảnh báo người lái nhận biết được tình hình mà kịp xử lý Khi xe càng tiến lại mỗi lúc một gần vật cản thì còi báo sẽ phát ra tiếng kêu khẩn cấp hơn to hơn Bên cạnh đó thì bộ xử lý trung tâm ECU khi tiếp nhận xe đang trong tình trang nguy cấp sắp xảy ra va chạm nhưng người lái vẫn chưa có tác động vào phanh hoặc lực tác động vào phanh chưa đủ để xe được dừng lại thì ECU sẽ truyền thông tin đến hệ thống hộ trợ tác động vào phanh giúp xe chúng ta sẽ dừng lại nhanh hợp và kịp thời để tránh xảy ra va chạm

Cảm biến radar ô tô là một thiết bị nhỏ được lắp đặt phía sau lưới tản nhiệt sử dụng để phát hiện tốc độ và phạm vi di chuyển của các đối tượng trong vùng phía trước của ô tô Radar ô tô có cấu tạo gồm một máy thu và một máy phát Máy phát có nhiệm vụ phát ra các sóng vô tuyến truyền tới va vào một vật thể sau đó sẽ phản xạ trở lại máy thu, nhờ đó xác định được khoảng cách, tốc độ và hướng của vật thể để cảnh báo cho người lái nhận biết được Cảm biến radar rất nhạy có thể phát hiện và định vị các phương tiện phía trước trong khi xe đang di chuyển với tốc độ cao như trên đường giúp người lái kịp phát hiện Radar ô tô đã trở thành một trong những công nghệ cảm biến hàng đầu hiện nay, nó giúp tăng cao độ an toàn khi lái xe trong mọi điều kiện môi trường Đến thời điểm hiện tại, cảm biến radar ô tô đang được ứng dụng rộng rãi trên nhiều mẫu xe hơi cao cấp để kích hoạt các tính năng an toàn và tiện nghi trên xe, giúp điều chỉnh tốc độ di chuyển tự động mà không cần sự tham gia của người lái góp phần định hướng phát triển xe tự lái

Hệ thống cảnh báo khoảng cách sử dụng cảm biến radar ở đầu xe để hoạt động đo khoảng cách với xe phía trước giúp cho hệ thống cảnh báo khoảng cách đưa ra cảnh báo trực quan cho người lái xe khi họ đang theo dõi xe phía trước quá gần có thể dẫn đến va chạm Người lái sẽ được cảnh báo bằng cách hiển thị thông tin trên màn hình tương ứng để có thể chủ động điều khiển chiếc xe của mình Cảnh báo này có thể được bật hoặc tắt tuỳ vào mục đích sử dụng của người lái

Trong tương lai không xa, cảm biến radar trên ô tô sẽ trở thành trợ thủ đắc lực, một bộ phận cực kì quan trọng không thể thiếu của người điều khiển khi tham gia giao thông tránh được các va chạm xảy ra giảm thiểu tối số vụ tai nạn Đồng thời, đây cũng là công nghệ quan trọng để hướng đến ô tô không người lái Radar như một “trợ lý hành trình” đảm bảo cho người lái xe yên tâm hơn trong quá trình di chuyển, đặc biệt là trong điều kiện thời tiết xấu sương mù, mưa to hay vào ban đêm Lúc này, người lái xe không cần quá lo lắng về việc phải quan sát đường, không bị lo lắng và mất tập trung khi lái xe

Với những điểm mạnh vượt trội, cảm biến radar ô tô được sử dụng vào nhiều tính năng an toàn trên ô tô nhằm đảm bảo cho người lái xe được an toàn một cách tối đa, đồng thời mang đến sự trải nghiệm thú vị cho người lái

Nếu cảm biến radar được xem như là con mắt thứ nhất thì camera sẽ là con mắt thứ 2 của hệ thống Camera trước sẽ quan sát ghi lại những hình ảnh, thông tin phía trước xe trong quá trình di chuyển Camera trong mô-đun cảnh báo nhận biết làn đường là một bộ phận quan trọng của hệ thống Đây là Camera để hệ thống có thể nhận biết làn đường, quan sát phía trước và từ đó tính toán ra được làn đường ảo hiển thị khoảng cách và đưa ra cảnh báo va chạm cho xe

Camera phát hiện vật cản hoặc các phương tiện giao thông phía trước xe và truyền thông tin đến hệ thông ECU xử lý và đưa tín hiệu âm thanh cảnh báo Ngày nay với công nghệ phát triển hiện đại thì các nhà sản xuất linh kiện đã phát minh ra nhiều loại camera hành trình ô tô với vị trí và mục đích sử dụng khác nhau

Bên cạnh các loại camera truyền thống, camera lùi ô tô, camera trên gương chiếu hậu thì camera phía trước xe ô tô như hình 2.3 là loại được trang bị hỗ trợ hành trình vô cùng cần thiết cho xe giúp phát hiện các rủi ro va chạm phía trước xe bằng công nghệ xử lý hình ảnh chất lượng cao để đưa ra những cảnh báo cần thiết khi nguy cơ va chạm xảy ra Ngoài ra khi có camera quan sát phía trước sẽ giúp chủ xe lưu trữ hình ảnh ở mọi thời điểm để phục vụ cho việc kiểm chứng và tìm kiếm lại hình ảnh thông tin của hành trình Ví dụ trong trường hợp không may có tai nạn xảy ra xe của bạn bị bắt nhầm và phạt nhầm thì camera sẽ giúp kiểm chứng lại sự việc xem bạn có vi phạm hay không để tránh được án phạt

Hình 2.3 Camera lắp trên kính chắn gió

Cảm biến tốc độ ô tô được xem là một bộ phận nhỏ nằm trong hệ thống phanh điện tử, có chức năng chuẩn đoán và đưa ra giá trị vận tốc di chuyển của phương tiện Theo đó, khi tốc độ của ô tô bất ngờ đột ngột thay đổi, người điều khiển phương tiện vẫn sẽ kiểm soát được hướng lái và biết được tốc độ của xe, hạn chế sự văng trượt của bánh xe

Cảm biến đo tốc độ là một trong những loại của dòng cảm biến Hall Điểm nổi bật của loại cảm biến này là có thể phát hiện được tốc độ ở giá trị bằng không[3] Cấu tạo của đặt của cảm biến có thể khác nhau tuỳ thuộc vào từng kiểu xe của các hãng Hầu hết trên xe, cảm biến đo tốc độ được đặt ở hốc bốn bánh xe khi bốn bánh xe đều sử dụng loại phanh đĩa Ngoài ra, trong trường hợp khác, bộ phận này sẽ được lắp đặt ở hộp vi sai khi bánh sau xe được trang bị phanh tang trống Do đó cấu tạo này là cấu tạo cơ bản của cảm biến đo tốc độ ô tô ở hầu hết các xe hiện nay

Hình 2.4 Cảm biến tốc độ ô tô

Hình 2 5 Cấu tạo cảm biến tốc độ

Hệ thống cảm biến tốc độ trên xe hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng từ Bộ phận này có cấu tạo đơn giản gồm nam châm từ trường sẽ được đặt vuông góc với bánh răng kim loại như (hình 2.4) Mà bánh răng kim loại đồng trục với bánh xe khi bánh xe quay thì phần bánh răng này sẽ đồng thời chuyển động theo Khi các răng trượt qua nam châm sẽ tạo ra một dòng điện xoay chiều, được xem là tín hiệu điện Tiếp đó, các tín hiệu sẽ được nhận biết thông qua số lượng xung truyền đến bộ mạch xử lý trung tâm cảm biến tốc độ và tính toán ra được vận tốc hiện tại của xe Đây chính là nguyên lý hoạt động của cảm biến tốc độ ô tô

Hiện nay có hai loại cảm biến được trang bị nhiều trên thị trường để đo tốc độ ô tô gồm: cảm biến kín và cảm biến hở.Cảm biến hở có cấu tạo đơn giản gồm bộ phận vòng kim loại và đầu đọc tách rời nhau do đó dẫn đến cảm biến này là dễ bị bám cát, bụi bẩn hoặc các mảnh kim loại nhỏ Điều này gây nên những tác động tiêu cực cản trở quá trình hoạt động của hệ thống, cụ thể là làm biến đổi dòng cảm ứng thu được dẫn đến cảm biến đo tốc độ bị sai lệch Cảm biến kín có thiết kế cải tiến hơn cảm biến hở gồm bánh răng kim loại và nam châm khít lại với nhau tránh được tình trạng bụi bẩn bám vào làm giảm năng suất làm việc của hệ thống Nhờ vậy khi sử dụng loại cảm biến này sẽ ít phải bảo dưỡng, sửa chữa lau chùi và hệ thống sẽ hoạt động tốt hơn, giúp phương tiện di chuyển ổn định và hiệu quả

2.3.4 Bộ xử lý trung tâm ECU

Bộ xử lý trung tâm ECU được xem như bộ não của chiếc xe nó xử lý điều khiển mọi hoạt động của ô tô.ECU có tên viết tắt của từ Electronic Control Unit là một hệ thống điều khiển điện tử của xe ôtô Nói cách khác ECU chính là phần hộp đen có thể tiếp nhận thông tin, ghi lại và chi phối các hoạt động của xe ô tô Bên dưới là hình ảnh về bộ xử lý trung tâm ECU

Hình 2 6 Bộ xử lý trung tâm ECU

ECU được tạo nên từ 3 bộ phận chính, trong 3 bộ phận này còn gồm nhiều bộ phận khác nhỏ hơn tạo nên Cụ thể tìm hiểu về cấu tạo của ECU như sau:

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động hệ thống cảnh báo lệch làn đường

Hình 2.9 Hệ thống cảnh báo lệch làn đường

Hệ thống cảnh báo lệch làn đường là công nghệ cảnh báo an toàn bảo vệ người lái khỏi tai nạn trong quá trình di chuyển khi xe có dấu hiệu chuyển hướng mà không phát tín hiểu cảnh báo xinhan hoặc có dấu hiệu chuyển hướng có chủ đích như điều khiển đánh lái vô lăng Khi hệ thống xác định tình trạng khi xe sắp băng qua vạch kẻ đường sẽ phát tín hiệu cảnh báo và điều hướng xe chạy về đúng làn đường ban đầu

Hệ thống này cũng tương tự như hệ thống cảnh báo va chạm gồm cảm biến laser lắp phía trước, camera, bộ phận cảnh báo và hệ thống tác động vào lái Hệ thống hoạt động bằng cách thông tin thu từ camera theo dõi quá trình di chuyển phía trước của xe Khi phát hiện bánh xe chạy sát chạm vạch kẻ đường mà không có bất kì thông báo chuyển hướng bằng tín hiệu đèn Cảm biến laser phát hiện được lốp xe chạy lệch hướng so vs hướng di chuyển của xe sẽ báo về trung tâm điều khiển và đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng tín hiệu còi hoặc rung vô lăng để tài xế nhận biết và điều chỉnh lại đúng làn đường xe di chuyển Trong trường hợp đã cảnh báo nhưng chưa thấy người lái chủ động vào tay lái để chuyển hướng của xe thì hệ thống sẽ tác động vào điều chỉnh cho xe di chuyển lại đúng làn đường để tránh xảy ra va chạm

Hệ thống cảnh báo lệch làn đường hoạt động khi thoả mãn các điều kiện sau:

• Vạch kẻ ranh giới làn đường phải rõ ràng và dễ nhìn thấy: Hệ thống sử dụng camera và các cảm biến để nhận dạng vạch kẻ ranh giới của làn đường Nếu vạch kẻ ranh giới không rõ ràng hoặc không dễ nhìn thấy, hệ thống có thể không hoạt động chính xác

• Mô men do người lái tạo ra nhưng không cho biết tín hiệu sắp chuyển làn đường:

Hệ thống cảnh báo lệch làn đường nhận dạng mô men tạo ra bởi người lái thông qua cảm biến trên vô lăng Nếu người lái không cho biết tín hiệu sắp chuyển làn đường (như không bấm còi hoặc không bật xi nhan), hệ thống có thể phát hiện sự lệch làn đường và cảnh báo

• Xe hoạt động ở nơi có ánh sáng đủ: Hệ thống cảnh báo lệch làn đường sử dụng camera để nhận dạng vạch kẻ ranh giới của làn đường Để hoạt động chính xác, hệ thống cần đủ ánh sáng để camera có thể nhìn thấy vạch kẻ đường Trong điều kiện thiếu ánh sáng, hệ thống có thể không hoạt động hiệu quả

• Xe đạt tốc độ trên 70km/h và người lái vẫn phải giữ tác động vào vô lăng: Hệ thống cảnh báo lệch làn đường thường hoạt động ở tốc độ cao, thường là trên 70km/h Người lái vẫn phải giữ tác động vào vô lăng để duy trì kiểm soát xe Nếu người lái không giữ tác động vào vô lăng, hệ thống có thể không phát hiện được lệch làn đường hoặc không cảnh báo kịp thời

• Xe không được chủ động tăng tốc độ hoặc đạp phanh: Hệ thống cảnh báo lệch làn đường dựa trên dữ liệu từ camera và các cảm biến Nếu người lái chủ động tăng tốc độ hoặc đạp phanh, dữ liệu này có thể bị ảnh hưởng và làm hệ thống không hoạt động chính xác

Hình 2.10 Các cấp độ cảnh báo lệch làn đường

Khi phát hiện xe lệch làn hệ thống có 3 cấp độ cảnh báo Cấp độ thứ nhất cảnh báo bằng cách tác động rung vô lăng, rung ghế lái và có thông báo còi tiếng nhỏ Nhưng xe vẫn chưa điều chỉnh lại đúng làn thì cấp độ 2 là hiện thị trên màn hình cho thấy xe đã lệch làn và còi báo lớn hơn Xe vẫn tiếp tục lệch làn mà chưa có tín hiệu đánh lái từ tài xế thì hệ thống sẽ điều khiển cấp độ cảnh báo cuối cùng là tác động vào hệ thống lái điều khiển lại cho đúng với làn đường di chuyển

Hình 2.11 Sơ đồ bố trí chung hệ thống cảnh báo lệch làn đường

Hệ thống cảnh báo lệch làn đường có 7 thành phần chính:

• Hệ thống phanh: Hệ thống này giúp điều chỉnh và kiểm soát phanh xe trong trường hợp cần can thiệp để tránh việc lệch làn đường

• Hệ thống cảnh báo sai lệch làn đường: Đây là thành phần chính của hệ thống, được tích hợp với camera và các cảm biến để nhận dạng và cảnh báo khi xe lệch khỏi làn đường một cách không an toàn

• Kiểm soát động cơ: Hệ thống này giúp điều chỉnh công suất và tốc độ động cơ để duy trì tốc độ và điều khiển xe trong trường hợp lệch làn đường

• Hệ thống trợ lực lái điện: Thành phần này cung cấp lực trợ lực lái điện để hỗ trợ người lái điều khiển xe trong quá trình điều chỉnh và tránh lệch làn đường

• Màn hình và cần gạt điều khiển: Đây là phần giao diện với người lái, nơi hiển thị thông tin cảnh báo và các tùy chọn điều khiển liên quan đến hệ thống cảnh báo lệch làn đường

• Kiểm soát hành trình: Hệ thống này đánh giá và điều chỉnh khoảng cách giữa xe và các phương tiện khác trên đường, đảm bảo an toàn trong quá trình duy trì làn đường

• Các thành phần khác: Bao gồm các cảm biến, hộp điều khiển khác trên xe và các công tắc điều khiển để liên kết và điều chỉnh hoạt động của hệ thống cảnh báo lệch làn đường

Hệ thống phanh Bảng hiển thị và cần gạt điều khiển

F Cảm biến đèn báo hiệu phanh

J104 Bộ điều khiển hệ thống ABS E617 Nút nhấn bật/tắt của hệ thống b Cảm biến tốc độ trên bánh xe H3 Còi cảnh báo c Hệ thống kiểm soát lực kéo

J119 Màn hình đa chức năng

Hệ thống cảnh báo lệch làn đường J285 Bộ điều khiển chèn trong bảng điều khiển J759 Bộ điều khiển cảnh báo lệch làn đường

J527 Bộ điều khiểncần gạt mưa

K240 Đèn báo hệ thống sai lệch làn đường

Hệ thống lái trợ lực điện

Z67 Kính nhiệt cho hệ thống lệch làn đường

G269 Bộ cảm biến mô men a Camera J500 Bộ điều khiển hệ thống trợ lực lái Điều khiển động cơ V187 Motor trợ lực lái điện G28 Cảm biến tốc độ động cơ Các thành phần khác

G79 Cảm biến vị trí bàn đạp ga G17 Cảm biến nhiệt độ môi trường

Điểm hạn chế của công nghệ cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường

- Hiệu suất trong thời tiết bất lợi: Hiệu suất của các hệ thống cảnh báo va chạm dựa trên cảmera có thể bị ảnh hưởng trong điều kiện thu được hình ảnh rõ ràng của con đường phía trước, ví dụ như trong mưa lớn, sương mù dày đặc, điều kiện rất sáng hoặc cài đặt ánh sáng yếu nên giảm hiệu suất của cảnh báo

- Hệ thống không thể hoạt động tốt ở những nơi bị nhiễu sóng điện từ mạnh

- Hệ thống không phát hiện được những vật thể cản có kích thước nhỏ

- Đặc điểm địa hình : Các trường hợp khác mà cảnh báo va chạm có thể không phát ra âm thanh hoặc không phát ra sớm là xung quanh các đường cong sắc nét trên đường hoặc leo lên những ngọn đồi dốc (nơi cảm biến có khả năng không thể phát hiện ra phương tiện)

- Vạch kẻ đường không rõ, đoạn đường đang thi công và thời tiết xấu làm cho hệ thống nhận diện không chính xác dẫn đến cảnh báo nhầm

- Tốc độ kích hoạt: các hệ thống khác nhau về ngưỡng tốc độ kích hoạt Nhiều hệ thống cảnh báo va chạm trước được thiết kế chỉ hoạt động ở tốc độ dưới 30 km/h

- Giá thành đắt: hệ thống này có giá thành cao hơn so với các tính năng khác trên ô tô tuy nhiên đây là một chi phí xứng đáng với sự an toàn mà nó mang lại cho hàng khách

- Ngoài ra có một số khách hàng không quen cới âm thanh của thiết bị đưa ra cảnh báo nên có thể gây ra giật mình hoặc khó chịu đối với người điều khiển xe

Thực tế là dù công nghệ có hiện đại và các tính năng an toàn của xe càng phát triển thì vai trò của con người vẫn là yếu tố quyết định quan trọng nhất trong việc đảm bảo an toàn giao thông Lái xe không được chủ quan ngay cả khi điều khiển những chiếc xe đắt tiền với rất nhiều tính năng an toàn Công nghệ hệ thống an toàn nói chung và cảnh báo va chạm, cảnh báo lệch làn đường nói riêng chỉ là các công cụ hỗ trợ tài xế, giúp ích cho tài xế, song các tài xế không nên quá phụ thuộc vào chúng Khi lái xe luôn tập trung chủ động điều khiển, không được lơ là bất cứ phút giây nào vì tai nạn có thể ập đến bất kì luôn quan sát phía trước sẽ giúp bạn đảm bảo an toàn cho bản thân cũng như hành khách trên xe.

Ứng dụng của hệ thống cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường trên các hãng xe hiện nay

Hệ thống an trên ô tô đã trở thành một phần quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô bao gồm nhiều tính năng giúp bảo vệ người lái và hành khách, tăng độ an toàn và giảm thiểu rủi ro va chạm trong quá trình xe di chuyển Trước đây các công nghệ cảnh báo an toàn trên ô tô được xem như một thứ gì đó rất xa xỉ chỉ xuất hiện trên các dòng xe hạng sang Nhưng hiện nay các công nghệ này ngày càng phổ biến hơn thậm chí các hãng xe còn đang tranh đua nhau về công nghệ để mang đến nhiều lợi ích cho người dùng

Bảng 2.1 Thông tin cấp độ an toàn tự động lái trên các dòng xe

STT Tên xe Tên hệ thống sử dụng

Hệ thống cảnh báo va chạm

Hệ thống cảnh báo lệch làn

Collision sensors Có Có Cấp độ 2

Honda sensing Có Có Cấp 1

9 Ford Focus Active City Stop Có Có Cấp 1

Các quốc gia và châu lục có thể có tiêu chí và phương pháp đánh giá mức độ an toàn ô tô khác nhau Tuy nhiên IIHS, NHTSA và Euro NCAP được coi là ba tổ chức đánh giá độ an toàn uy tín nhất trên thế giới Những tổ chức này thực hiện các thử nghiệm và kiểm tra đa dạng để đánh giá mức độ an toàn của các loại xe Các yếu tố được đánh giá bao gồm sự bảo vệ trong va chạm, hệ thống hỗ trợ lái, hệ thống phanh, hệ thống kiểm soát ổn định, an toàn trẻ em và người lớn, và nhiều yếu tố khác Kết quả đánh giá được công bố thông qua hệ thống xếp hạng, thường được đánh giá bằng số điểm hoặc số sao để chỉ mức độ an toàn của từng loại xe Thông thường, hệ thống xếp hạng sử dụng 5 sao để đại diện cho mức độ an toàn cao nhất mà một chiếc xe có thể đạt được[7]

- Cục quản lý đường cao tốc và an toàn giao thông quốc gia Mỹ (NHTSA) là tổ chức được chính phủ Hoa Kỳ thành lập vào năm 1970 với mục tiêu giảm thiểu thương vong và thiệt hại kinh tế từ các vụ tai nạn giao thông Một trong những nhiệm vụ chính của NHTSA là thực hiện các kiểm tra va chạm và đưa ra đánh giá về mức độ an toàn dựa trên hệ thống xếp hạng 5 sao Hệ thống xếp hạng 5 sao của NHTSA cung cấp một chỉ số dựa trên các kết quả kiểm tra va chạm và đánh giá an toàn của một chiếc xe trong các tình huống va chạm khác nhau Tuy nhiên, việc đạt được xếp hạng 5 sao không có nghĩa là một chiếc xe là hoàn toàn an toàn và không thể gặp sự cố Chỉ đơn giản là nó đã vượt qua các bài kiểm tra nghiêm ngặt tốt hơn so với những xe khác

Các bài kiểm tra an toàn ô tô của NHTSA bao gồm:

• Thử nghiệm va chạm trực diện phía trước: Xe được điều khiển với tốc độ 56 km/h, có hai manekin ngồi ở ghế lái và ghế phụ, và được thắt dây an toàn Xe sau đó va chạm vào một vật chắn cố định, và kết quả này dựa trên tỷ lệ tổn thương của hai manekin

• Thử nghiệm va chạm bên hông: Hai manekin ngồi ở vị trí khác nhau (một ở ghế lái và một ở ghế phía sau), được thắt dây an toàn đầy đủ Xe sẽ bị va chạm từ bên hông, phía ghế lái, bởi một vật chắn nặng 1.368 kg di chuyển với tốc độ 62 km/h Thử nghiệm này đo lực tác động và tỷ lệ tổn thương đối với đầu, cổ, ngực và xương chậu của hai manekin

• Thử nghiệm lật xe: Xe được mô phỏng với năm hành khách trong xe và bình nhiên liệu đầy Xe di chuyển trên địa hình phức tạp, thay đổi liên tục Bằng cách đo các thông số của lốp, nếu hai bánh cùng một bên nâng lên ít nhất 5,1 cm so với mặt đường, xe được đánh giá có nguy cơ lật

- Viện nghiên cứu an toàn giao thông quốc gia Mỹ (IIHS) được viết tắt của cụm từ Insurance Institute for Highway Safety là một tổ chức quan trọng trong việc đánh giá an toàn ô tô tại Mỹ và được thành lập bởi ba hiệp hội bảo hiểm lớn vào năm 1959 IIHS có một chương trình đánh giá an toàn xe ô tô rất uy tín và danh sách xếp hạng cao nhất của họ là "Top Safety Pick+", gồm những chiếc xe xuất sắc vượt qua toàn bộ các bài kiểm tra và đạt số điểm ấn tượng

Tiêu chuẩn an toàn trên ô tô của IIHS được đánh giá thông qua 5 thử nghiệm chính:

• Thử nghiệm va chạm trực diện phía trước: Tương tự như thử nghiệm của NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration), IIHS tập trung vào chấn thương của người ngồi trên xe và cũng xem xét cấu trúc và hiệu quả của các thiết bị an toàn trên xe

• Thử nghiệm va chạm phần hông xe: Khá tương đồng với NHTSA, nhưng IIHS sử dụng hình nộm đại diện phụ nữ và trẻ em trong bài kiểm tra Rào cản có trọng lượng nặng và di chuyển với vận tốc cố định

• Thử nghiệm va chạm phía sau: IIHS sử dụng hình nộm đại diện người trung bình và đặt ở ghế lái nghiêng Xe sẽ bị đâm từ phía sau bởi một phương tiện khác với vận tốc 32 km/h Kết quả thử nghiệm đánh giá sự tác động và tổn thương đến đầu, cổ, xương sống và thân người của người ngồi trong xe

• Thử nghiệm va chạm cản xe: Xe di chuyển ở tốc độ 8 km/h đâm trực diện vào một vật cản phía trước và đồng thời bị đâm ở phía sau Kết quả đánh giá tập trung vào mức độ thiệt hại của cản trước và cản sau dựa trên tiêu chí chi phí sửa chữa

• Thử nghiệm đánh giá tác động trần xe: Sử dụng máy ép thủy lực tác động lên trần xe với lực tương đương một va chạm hay lật xe Để đạt xếp hạng cao nhất, trần xe phải chịu được lực ép tối thiểu gấp 4 lần trọng lượng không tải của xe

- Chương trình đánh giá xe mới của châu Âu – Euro NCAP được viết tắt của cụm từ New Car Assessment Programme một tổ chức đánh giá an toàn ô tô độc lập, được thành lập năm 1997 bởi Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Giao thông của Bộ Giao thông Anh Quốc Các tiêu chí đánh giá của Euro NCAP bao gồm thử nghiệm va chạm trực diện phía trước và va chạm bên hông, tương tự như NHTSA và IIHS

Tiêu chí đánh giá của Euro NCAP bao gồm nhiều yếu tố, các thử nghiệm chính gồm:

• Thử nghiệm va chạm trực diện phía trước: Tương tự như các tổ chức đánh giá an toàn khác, Euro NCAP thực hiện các thử nghiệm va chạm trực diện phía trước để đánh giá mức độ an toàn cho hành khách trên xe Hình nộm đại diện người ngồi trên ghế lái và ghế hành khách trong xe được sử dụng để đo lường mức độ chấn thương và bảo vệ

• Thử nghiệm va chạm bên hông: Euro NCAP đánh giá khả năng bảo vệ của xe khi xảy ra va chạm bên hông Thử nghiệm này sử dụng một vật cản di chuyển với tốc độ và lực tác động đáng kể vào bên hông của xe

ỨNG DỤNG ARDUINO TRÊN HỆ THỐNG Ô TÔ VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN DÙNG ARDUINO

Giới thiệu về Arduino

Hiện nay Arduino đã trở thành một công cụ phổ biến và được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam Không chỉ học sinh trung học, sinh viên mà ngay cả những người đi làm cũng nhận thức được giá trị của arduino trong việc thực hiện các dự án nhỏ đến lớn được thực hiện một cách nhanh chóng và hiệu quả, các mã nguồn mở được chia sẻ nhiều trên diễn dàn cộng đồng Arduino trong nước và nước ngoài Giúp ích rất nhiều cho những bạn theo đam mê nghiên cứu chế tạo những sản phẩm có ích cho xã hội Trên thị trường có rất nhiều phiên bản Arduino như Arduino Uno R3, Arduino Uno R3 CH340, Arduino Mega2560, Arduino Nano, Arduino Pro Mino, Arduino Lenadro, Arduino Industrial Mỗi phiên bản arduino có đặc điểm và tính năng riêng, phù hợp với các dự án và ứng dụng khác nhau

Arduino là một board mạch vi xử lý sử dụng để lập trình và xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường một cách dễ dàng Arduino có nhiều ưu điểm bao gồm việc sử dụng 8 ngôn ngữ cực kì dễ học (giống C/C++), các ngoại vi trên bo mạch đều đã được chuẩn hóa, điều này giúp người mới dùng lập trình mà không cần biết về điện tử Phần cứng của arduino bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit

Arduino được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như điều khiển các thiết bị như đèn, quạt, cửa tự động, hệ thống an ninh, và các ứng dụng như các hệ thống giám sát môi trường, các thiết bị điều khiển từ xa, các thiết bị thu thập dữ liệu và các hệ thống thông minh Ngoài ra cũng được ứng dụng nhiều trên ô tô như hệ thống tự động chiếu sáng của xe, điều khiển nhiệt độ xe, điều khiển cửa tự động, hệ thống cảnh báo va chạm…Các ứng dụng này đều được xây dựng dựa trên việc sử dụng cảm biến và phần mềm được lập trình trên nền tảng Arduino

Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P Với

Arduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau thông qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ Để lập trình cho Arduino, chúng ta sẽ sử dụng môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Integrated Development Environment)

Hình 3.1 Giao diện lập trình của Arduino IDE

Chọn board arduino thích hợp để nạp code

Hình 3.2 Chọn board mạch arduino Để tải sketch lên board Arduino, bạn cần thực hiện các bước sau:

- Trước tiên, chọn bo mạch Arduino và cổng kết nối tương ứng Điều này có thể được thực hiện bằng cách nhấp vào "Tool" trên thanh menu và lựa chọn bo mạch Arduino bạn đang sử dụng Sau đó, chọn cổng kết nối phù hợp (ví dụ: COM1, COM2, COM4, COM5, COM7) cho board Arduino Nếu cần, bạn có thể tìm thiết bị serial USB trong phần "Device Manager" trên Windows

- Tiếp theo, kiểm tra mã nguồn của sketch để đảm bảo không có lỗi cú pháp Bạn có thể thực hiện điều này bằng cách nhấp vào nút "Verify" trong môi trường lập trình Arduino IDE

- Khi mã nguồn đã được kiểm tra, bạn có thể tải sketch lên board Arduino Đơn giản nhấp vào nút "Upload" hoặc "Upload Sketch" ở góc trên bên trái của môi trường Arduino IDE Quá trình này sẽ biên dịch mã nguồn thành mã máy và tải lên board Arduino

- Để xác nhận rằng quá trình tải sketch đã thành công, bạn có thể quan sát đèn LED

TX và RX trên board Arduino Nếu đèn TX (transmit) nhấp nháy, điều đó cho thấy dữ liệu đang được gửi từ máy tính đến board Arduino Còn nếu đèn RX (receive) nhấp nháy, điều đó cho thấy dữ liệu đang được nhận từ board Arduino về máy tính Điều này chỉ ra rằng quá trình tải sketch đã thành công và chương trình đang chạy trên board Arduino.

Vai trò của Arduino trong quá trình phát triển hệ thống cảnh váo va chạm và chống lệch làn đường

Mercedes không phát minh ra hệ thống cảnh báo va chạm nhưng đã phát triển một cách thực tế nhất Ý tưởng hệ thống cảnh báo tiền va chạm nổi lên từ những năm 1950 và rất nhiều nhà sản xuất ôtô đã bắt tay thực hiện Nhưng Mercedes đã tìm ra cách sử dụng trong gói hệ thống cảnh báo va chạm cho chiếc S-class 2003 Tuy Arduino không phải là một công nghệ được tích hợp sẵn trên các dòng xe hiện có Mà thay vào đó, Arduino thường được sử dụng trong các dự án tùy chỉnh và các ứng dụng thử nghiệm trên ô tô để nâng cao tính năng và hoàn thiện hiệu suất của hệ thống [6] Với các tính năng của mình như giao tiếp với các cảm biến, điều khiển động cơ và tương tác với các thiết bị khác, Arduino có thể được sử dụng để thực hiện các chức năng như cảnh báo va chạm, theo dõi khoảng cách và nhiều ứng dụng khác liên quan đến an toàn giao thông trên ô tô Tuy nhiên để tích hợp Arduino hoặc các nền tảng phần cứng tương tự vào các dòng xe cần có sự phối hợp chặt chẻ với các nhà sản xuất ô tô và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn, ổn định của hệ thống Arduino có thể được sử dụng để xây dựng các hệ thống cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường trên ô tô Các chức năng chính của Arduino trong các hệ thống này gồm:

- Cảm biến: Arduino có thể kết nối với các cảm biến như cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại, cảm biến áp suất và cảm biến gia tốc để phát hiện va chạm hoặc lệch làn đường

- Xử lý dữ liệu: Arduino có khả năng xử lý dữ liệu từ các cảm biến và tính toán các thông số như tốc độ, khoảng cách, góc nghiêng và vị trí của ô tô

- Giao tiếp: Arduino có thể kết nối với các thiết bị khác như màn hình hiển thị, còi cảnh báo, đèn nháy và động cơ để cảnh báo tài xế khi có nguy cơ va chạm hoặc lệch làn đường

- Lưu trữ: Arduino có thể lưu trữ các thông số và dữ liệu liên quan đến hệ thống để giúp tài xế hoặc kỹ thuật viên kiểm tra và chỉnh sửa các thông số khi cần thiết

- Điều khiển: Arduino có thể điều khiển các hệ thống khác trên ô tô như hệ thống phanh, điều hòa và động cơ để giúp tài xế tránh tai nạn

Tùy thuộc vào thiết kế và yêu cầu của hệ thống cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường, các chức năng và tính năng của Arduino có thể được tùy chỉnh để đáp ứng nhu cầu và yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể.

Lựa chọn linh kiện và cảm biến phù hợp

Board điều khiển có thể được xem là một bộ não của hệ thống có nhiệm vụ giao tiếp, nhận và gửi dữ liệu, cũng như tương tác giữa người dùng và các thiết bị kết nối Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại vi điều khiển như Arduino nano, Pic16F887, STM32F103C8T6, Trong đồ án này em quyết định sử dụng board Arduino Uno vì nó rất phù hợp với cấu hình của hệ thống và có nhiều ưu điểm nên vi điều khiển này thích hợp Arduino được lựa chọn bởi nó dễ sử dụng, rất phổ biến trong cộng đồng phát triển phần cứng và có ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, phần cứng được kết nối dễ dàng và giá thành tương đối rẻ Điều này giúp dễ tiếp cận đến người dùng

Bảng 3.1 Thông số Arduino Uno R3

Vi điều khiển Atmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC

Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12 DC Điện áp vào giới hạn 6-20 DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30mA

Dòng ra tối đa (5V) 500mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50mA

Bộ nhớ flash 32KB (Atmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader)

EEPROM 1KB (Atmega328) Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc từ nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn trong khoảng từ 6-20V Nếu không có nguồn cấp từ cổng USB, một lựa chọn phổ biến là sử dụng nguồn pin 9V để cấp nguồn cho arduino uno Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, sẽ làm hỏng mạch Arduino UNO Nếu không chắc chắn về nguồn cấp nên ưu tiên sử dụng nguồn từ cổng USB để đảm bảo an toàn cho arduino uno

• GND (Ground): là cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị khác có nguồn điện riêng thì chân GND này cần được kết nối với cực âm của nguồn đó để đảm bảo mạch hoạt động đúng

• 5V: Chân 5V cấp điện áp đầu ra là 5V Dòng tối đa cho phép thông qua chân này là 500mA

• 3.3V: Chân 3.3V cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép thông qua chân này là 50mA

• Vin (Voltage Input): Chân Vin được sử dụng để cấp nguồn bên ngoài cho Arduino UNO Nối cực dương của nguồn với chân Vin và cực âm của nguồn với chân GND để cấp nguồn cho board

• IOREF: Chân IOREF cho biết điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO và luôn có giá trị là 5V Tuy nhiên chân này không nên được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị khác vì nó không phải là chân cấp nguồn

• RESET: Chân RESET được sử dụng để thiết lập lại vi điều khiển trên arduino uno Khi nhấn nút Reset trên board nó sẽ tạo ra một tín hiệu kết nối chân RESET với chân GND thông qua một điện trở 10KΩ từ đó từ đó làm vi điều khiển bắt đầu lại quá trình thực thi chương trình từ đầu

Lưu ý các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board

Arduino UNO có 14 chân digital, mỗi chân có thể dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng hoạt động với 2 mức điện áp là 0V và 5V và dòng và tối đa cho phép trên mỗi chân là 40mA Mặc định, các điện trở pull-up trên mỗi chân digital được cài đặt trong vi điều khiển Atmega328, nhưng chúng không được kết nối Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

• 2 chân Serial: Chân 0 (RX) và chân 1 (TX) được sử dụng để truyền và nhận dữ liệu TTL Serial Chúng cho phép Arduino UNO giao tiếp với các thiết bị khác thông qua giao thức Serial Thông thường, kết nối Bluetooth cũng sử dụng các chân này để thiết lập kết nối không dây Nếu không cần sử dụng giao tiếp Serial, không cần thiết phải sử dụng hai chân này

• Chân PWM (~): Arduino UNO có các chân PWM là 3, 5, 6, 9, 10 và 11 Chúng cho phép tạo ra xung PWM với độ phân giải 8-bit (giá trị từ 0 đến 255 tương ứng với 0V đến 5V) bằng cách sử dụng hàm analogWrite() Điều này cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra trên các chân này trong khoảng từ 0V đến 5V, thay vì chỉ có thể đạt mức 0V hoặc 5V như các chân khác

• Chân giao tiếp SPI: Arduino UNO có các chân giao tiếp SPI là 10 (SS), 11 (MOSI),

12 (MISO) và 13 (SCK) Ngoài việc sử dụng chúng cho các chức năng thông thường, các chân này cũng được sử dụng để truyền và nhận dữ liệu thông qua giao thức SPI với các thiết bị khác

• LED 13: Arduino UNO có một đèn LED màu cam tích hợp sẵn trên board (được ký hiệu bằng chữ L) Đèn LED này được kết nối với chân số 13 Khi nhấn nút Reset, đèn LED này sẽ nhấp nháy để báo hiệu Khi chân số 13 được sử dụng bởi người dùng, đèn LED sẽ sáng

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0

→ 2 10 -1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V

→ 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

3.3.2 Module điều khiển động cơ L298N

Với yêu cầu của đề tài là điều khiển nhiều động cơ DC 12V thì ở đây có thể lựa chọn giải pháp là sử dụng các module mạch cầu H để điều khiển Trên thị trường hiện nay thì có rất nhiều các mạch điều khiển động cơ DC với nhiều mẫu mã như: Easydriver – điều khiển động cơ bước A3967, module điều khiển động cơ cầu H DC 30A VNH2SP30,… Tuy nhiên để có thể giao tiếp dễ dàng với board Arduino UNO R3 và điều khiển đồng thời 2 cặp động cơ DC theo yêu cầu ở đề tài này thì việc lựa chọn sử dụng mạch điều khiển động cơ L298N là một giải pháp thích hợp Module điều khiển động cơ L298N còn có độ thông dụng cao, dễ lắp đặt, dễ mua trên thị trường với giá thành rẻ

Module L298N là một thiết bị điều khiển động cơ rất phổ biến được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển động cơ DC và động cơ bước Nó bao gồm một IC điều khiển động cơ L298 và một bộ điều chỉnh điện áp 5V sử dụng linh kiện 78M05

Sơ đồ thuật toán hệ thống

Hệ thống này có mục đích giúp xe tự động di chuyển trên làn đường đã kẻ trước và tránh các tình huống va chạm Khi khởi động xe bằng công tắt thì xe sẽ bằng đầu di chuyển cảm biến dò line bắt đầu nhận tín hiệu để gửi về xử lý Cảm biến nhận tín hiệu ở 2 mức là

0 và 1 Khi tín hiệu ở mức 1 là xe đang trên đường vạch kẻ đen thì xe sẽ tiếp tục di chuyển về phía trước theo làn đường nhưng tín hiệu ở mức 0 sẽ có cảnh báo đèn đỏ là xe đã lệch làn đường xe sẽ dò và chạy vào line đường Trong quá trình di chuyển cảm biến siêu âm vẫn luôn hoạt động khi phát hiện có vật cản phía trước thì hệ thống còi sẽ được kích hoạt và xe dừng lại tránh va vào vật cản.

THI CÔNG HỆ THỐNG

Giới thiệu

Quá trình thi công mô hình hệ thống là một giai đoạn cực kỳ quan trọng, đóng vai trò quyết định đến tính thực thi của kết quả tính toán và thành phẩm để ứng dụng thực tế Sau khi đã hoàn tất công việc tính toán, thiết kế phần cứng cũng như phần mềm cho cả mô hình, thì ở phần này em sẽ trình bày về quá trình thi công của mô hình hệ thống gần giống với thực tế

Mô hình hệ thống bao gồm những chi tiết đã được thể hiện trong phần lựa chọn linh kiện như các cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại dò line, còi, board mạch arduino uno R3, động cơ giảm tốc V1, module L298N, tấm khung xe, cáp dây điện Mô hình được thiết kế và điều chỉnh nhiều lần thông qua thực tế để đúng yêu cầu mà đề tài đã đưa ra Quá trình thực hiện lắp ráp mô hình được tiến hành một cách gọn gàng và thẩm mỹ Các linh kiện và thiết bị trong mô hình hệ thống được kết nối với nhau qua các dây tín hiệu và được điều khiển bằng mã code lập trình Các kết nối đã được xem xét tính toán, điều chỉnh và tối ưu nhất nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động cho hệ thống.

Tiến hành lắp ráp phần cứng

Dựa vào sơ đồ nguyên lý hoạt động, chức năng và yêu cầu của hệ thống em đã liệt kê danh sách và số lượng linh kiện được sử dụng trog hệ thống để tiến hành lắp ráp, được mô tả chi tiết trong bảng sau

Bảng 4.1 Chi tiết các linh kiện sử dụng

STT TÊN LINH KIỆN SỐ LƯỢNG CHÚ THÍCH

1 Arduino Uno R3 1 Atmega328 họ 8bit

3 Module HC-SR04 1 Cảm biến siêu âm

4 Module TCRT5000 3 Cảm biến hồng ngoại dò line

5 Động cơ giảm tốc V1 4 Bánh xe

7 Còi báo động điện tử 1 Dùng 3-12V

Chuẩn bị thêm các vật dụng như keo nến, kiện hàn chì tua vít, đầu coss để kế nối các dây cáp điện và một số thiết bị có sẵn ở nhà để tiến hành lắp ráp các linh kiện với nhau

Trước tiên em sẽ lắp board arduino, module L298N và 4 bánh xe vào khung để cố định nhau khi cấp nguồn thì xe có thể di chuyển được

Khai báo motorA1 = 10; kết nối chân IN1 với chân 10 arduino

Khai báo motorA2 = 9; kết nối chân IN2 với chân 9 arduino

Khai báo motorA speed = 11; kết nối chân ENA với chân 11 arduino

Khai báo motorB1 = 7; kết nối chân IN3 với chân 7 arduino

Khai báo motorB2 = 8; kết nối chân IN4 với chân 8 arduino

Khai báo motorB speed = 6; kết nối chân ENB với chân 6 arduino

IN1, IN2 là 2 chân này dùng để kết nối với chân ra của arduino nhằm điều khiển chiều của động cơ bên trái

IN3, IN4 là 2 chân này dùng để kết nối với chân ra của arduino nhằm điều khiển chiều của động cơ bên phải

Chân ENA điều khiển tốc độ động cơ bên trái

Chân ENB điều khiển tốc độ động cơ bên phải

Cấp nguồn vào module L298N chân dương vào chân 12V và chân âm vào chân GND Sau đó nguồn sẽ được truyền từ module L298N qua arduino Nối chân 12V với chân 5v của arduino và chân GND nối với chân GND của arduino Sau đó nạp code qua cổng USB trên arduino

Hình 4.1 Lắp ráp các linh kiện với nhau

Kế đến lắp các cảm biến siêu âm, cảm biến dò line, còi và công tắc để hoàn thiện hệ thống

Nối còi cảnh báo 1 dây vào chân 3 của arduino và 1 dây vào dây mass chung

Cảm biến siêu âm có 4 chân: 1 chân vcc nối vào chân dương chung, 1 chân GND nối vào chân mass chung, chân trig nối với chân 12 của arduino và chân echo nối với chân 13 của arduino

Cảm biến dò line 3 con đặt ở phía trước 3 chân mass nối chung cắm vào chân GND của arduino, 3 chân dương nối chung cắm vào chân 5v của arduino và 3 chân phát tín hiệu của cảm biến sẽ nối lần lượt vào chân 2, 4, 5 của arduino

Hình 4.2 Mô hình thực tế của hệ thống

Thiết kế phần phần mềm

Sử dụng phần mềm arduino và ngôn ngữ lập trình C để viết code lập trình điều khiển hệ thống Phần code khá dài nên em để ở phần phụ lục

Hình 4.3 Code được xây dựng trên nền tảng arduino

Thuật toán chương trình

Hình 4.4 Sơ đồ thuật toán chương trình

Khởi chạy chương trình hệ thống xe sẽ di chuyển trên làn cảm biến siêu âm hoạt động nhận thông tin phía trước phát ra sóng siêu âm để định vị vật cản phía trước xe Khi phát hiện không có vật cản thì xe vẫn chạy bình thường nhưng khi cảm biến định vị được khoảng cách từ xe đến vật cản nhỏ hơn 12 thì xe sẽ phát tín hiệu cảnh bảo từ còi sau đó dừng lại sau đó rẻ phải tránh vật cản sau đó rẻ trái và rẻ trái lần nữa chạy thẳng để vào lại line đường chạy

Hoạt động của cảm biến dò line

- Khi xe di chuyển trên làn đường cảm biến dò line ở giữa nhận tín hiệu bằng 1 còn 2 cảm biến 2 bên nhận tín hiệu đều bằng 0 thì xe đang ở chính giữa làn nên sẽ chạy thẳng

- Cảm biến trái và cảm biến giữa nhận tín hiệu bằng 1 còn cảm biến phải nhận tín hiệu bằng 0 thì xe đang có thiên hướng lệch phải nên hệ thống sẽ điều khiển rẻ trái để cân bằng

- Cảm biến trái và cảm biến giữa nhận tín hiệu bằng 0 còn cảm biến phải nhận tín hiệu bằng 1 thì xe đang có thiên hướng lệch trái nên hệ thống sẽ điều khiển rẻ phải để cân bằng

- Khi 3 cảm biến đều nhận tín hiệu bằng 0 hoặc bằng 1 thì xe sẽ dừng lại.

Kết quả về mô hình

Mô hình hệ thống cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường điều khiển bằng arduino sau khi được hoàn thành với thiết kế gọn tối ưu nhất để kết nối các linh kiện với nhau có tính thẩm mĩ và hiệu quả cao Trong mô hình thì sử dụng tấm mica với giá thành rẻ nhưng chất lượng và có tính thẩm mĩ Tấm mica giúp phần khung xe trở nên cứng cáp để chịu được tải trọng của các linh kiện thiết bị Bên cạnh đó các thiết bị linh kiện được lựa chọn sử dụng có giá thành rẻ nên tối ưu được chi phí thực hiện mô hình Các thiết bị module hoạt động tốt ổn định phù hợp với yêu cầu hệ thống đề ra Ngoài ra vì số lượng chân điều khiển của arduino uno R3 có giới hạn nhất định nên trong mô hình của em bị thiếu chân để cảnh báo đèn led.

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH

Chạy thử nghiệm mô hình thực tế

- Chạy thử nghiệm lần 1: mô hình bám đường 60%

Do độ nhạy của con biến trở chưa được điều chỉnh tối ưu nên khả năng bám trên làn đường của xe còn hạn chế dẫn đến dễ bị lệch ra ngoài và mất kiểm soát hướng đi Thực hiện điều chỉnh lại biến trở để nâng cao độ nhạy cảm biến giúp xe tăng khả năng bám làn đường khi di chuyển

Sau quá trình điều chỉnh xe đã chạy ổn định hơn đạt được yêu cầu đề ra là cảm biến dò line hoạt động tốt để bám trên đường line Bên cạnh đó cảm biến siêu âm hoạt động rất ổn định đưa ra cảnh báo âm thanh khi xe di chuyển gần đến vật cản Board mạch arduino điều khiển các module trong hệ thống hoạt động ổn định giúp xe vận hành tốt đạt yêu cầu đề tài đưa ra

Hình 5.1 Xe di chuyển theo đường line

Xe khi gặp vật cản phát tín hiệu ra còi báo và dừng lại

Hình 5.2 Xe dừng lại khi có vật cản

Khi gặp vật cản xe sẽ dừng lại 1 lúc sau đó rẻ phải, rẻ trái và rẻ trái để tiếp tục di chuyển vào đường line

Nhận xét

5.2.1 Ưu điểm của mô hình

- Mô hình nhận dạng được làn đường và di chuyển ổn định

- Nhận biết được vật cản dưới 12cm thông qua cảm biến siêu âm đưa ra cảnh báo bằng còi buzzer và khoảng cách quá gần thì xe sẽ tự động dừng lại và né vật cản

- Động cơ chạy rất tốt và bộ vi xử lý điều khiển và xử lý tín hiệu khá ổn định

- Mô hình mô phỏng được hệ thống cảnh báo va chạm và chống lệch làn đường trên ô tô tương đối cụ thể mặc dù còn nhiều thiếu sót

5.2.2 Điểm còn hạn chế của mô hình

- Bị nhiễu ánh sáng mạnh từ bên ngoài dẫn đến nhiều sai số các cảm biến nhận thông tin bị sai lệch dẫn đến mô hình chạy sai

- Di chuyển với độ chính xác tương đối nên vẫn có thể xảy ra tình trạng không bám theo làn đường

- Các mối hàn nhỏ chưa được đẹp vẫn có khả năng đứt dẫn đến khả năng ổn định của hệ thống bị ảnh hưởng

- Mô hình chưa đạt được hiệu quả tối đa như mong muốn vì mặt hạn chế về thiết bị và giải thuật cho hệ thống đạt độ chính xác tối ưu nhất

- Nguồn sử dụng pin nên thời lượng sử dụng hệ thống còn hạn chế.

Kết luận

Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài “Nghiên cứu hệ thống va chạm và chống lệch làn đường trên ô tô Thiết kế mô hình điều khiển bằng arduino”, em đã hoàn thành hệ thống mô phỏng lại hệ thống điều khiển bằng arduino là xe chạy chạy theo đường line và tránh tránh vật cản Về phần cứng hệ thống sử dụng vi điều khiển chính Arduino Uno R3 giao tiếp với các module cảm biến siêu âm, cảm biến dò line, module điều khiển động cơ L298N Các module kết nối với nhau theo đúng sơ đồ nguyên lý đã thiết kế và hoạt động ổn định Về phần mềm em thực hiện thiết kế các lưu đồ giải thuật và lập trình cho vi điều khiển thực hiện các chức năng của hệ thống Biết được cách thức hoạt động của các loại động cơ, cảm biến siêu âm, cảm biến dò line, module điều khiển động cơ L298N và tự lập trình code để phục vụ ý tưởng xây dựng hệ thống điều khiển bằng arduino Tuy mô hình đã hoàn thành và hoạt động ổn định nhưng em nhận thấy vẫn còn nhiều điểm thiếu sót cần phát triển hơn nữa để hoàn thiện hơn.

Đề xuất hướng phát triển đề tài

Để mô hình phát triển hoàn thiệt nhất với mục tiêu đưa vào ứng dụng trên các xe hiện nay em đưa ra một số ý kiến để phát triển mô hình như sau:

- Nâng cấp vi điều khiển lên để có thể điều khiển được các bộ phận lớn Bởi vi điều khiển hiện tại chỉ thích hợp làm quá trình mô phỏng

- Phát triển ứng dụng cho hệ điều hành có thể điều khiển qua điện thoại hoặc có thể kết nối với mạng internet

- Về nguồn có thể cải tiến sử dụng nguồn cấp lâu dài và có khả năng trên thị trường

- Nâng cấp về các module cảm biến lên các thiết bị có khả năng xử lý lớn và tính ứng dụng cao hơn.

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	3,18 MB