nghiên cứu thử nghiệm hệ thống kiểm soát khoảng cách bằng cảm biến siêu âm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Lý do chọn đề tàiTrong bối cảnh ngày càng tăng cường về nhu cầu di chuyển, không chỉ yêu cầu về việcđáp ứng nhu cầu về sự tiện lợi mà còn là việc tạo ra môi trường

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

Trong bối cảnh ngày càng tăng cường về nhu cầu di chuyển, không chỉ yêu cầu về việc đáp ứng nhu cầu về sự tiện lợi mà còn là việc tạo ra môi trường lái xe an toàn và hiệu quả. Một trong những ưu điểm quan trọng của hệ thống kiểm soát khoảng cách là khả năng cung cấp thông tin chính xác về khoảng cách và vị trí của các vật cản xung quanh, điều này không chỉ quan trọng trong việc cung cấp sự an toàn và tiện nghi cho người lái mà còn là yếu tố chính để hỗ trợ phát triển công nghệ xe tự đỗ, việc thông tin được cung cấp chính xác từ cảm biến siêu âm là yếu tố chủ chốt để đảm bảo cho quá trình quyết định và thực hiện các chức năng tự động Hơn nữa, hệ thống kiểm soát khoảng cách bằng biến siêu âm không chỉ hoạt động độc lập mà còn có khả năng tích hợp tốt với các công nghệ khác như camera và lidar, sự kết hợp này tạo ra một hệ thống đa cảm biến Với sự tiện ích và tính ứng dụng rộng rãi, hệ thống này không chỉ là một giải pháp độc lập mà còn là một phần quan trọng trong sự phát triển của nhiều hệ thống xe tự lái và ô tô thông minh Do đó, quyết định chọn " Nghiên cứu, thử nghiệm hệ thống kiểm soát khoảng cách bằng cảm biến siêu âm " cho đề tài đồ án tốt nghiệp của chúng em không chỉ là một sự lựa chọn hợp lý mà còn là sự cam kết đóng góp vào sự tiến bộ của ngành công nghiệp ô tô và công nghệ xe tự lái.

Mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài

1.2.1 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu về hệ thống kiểm soát khoảng cách bằng cảm biến siêu âm Nghiên cứu tài liệu về cấu tạo chi tiết, nguyên lí hoạt động của hệ thống từ đó viết ra thuật toán tính toán khoảng cách, phát hiện vị trí vật cản.

Tiếp cận thực tế trên xe Ford Focus 2019 và xây dựng hệ thống dựa trên cơ sở lí thuyết, từ đó cảnh báo điểm mù, hỗ trợ đỗ xe dựa trên giá trị khoảng cách mà cảm biến thu được.

1.2.2 Nhiệm vụ của đề tài

Chế tạo được mô hình gồm Arduino Uno, cảm biến siêu âm JSN-SR04T và drive của Ứng dụng khoảng cách đo được, từ đó tính toán để tạo ra hệ thống cảnh báo điểm mù và hệ thống hỗ trợ đỗ xe mô phỏng trên phần mềm Processing.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Theo hướng tài liệu có sẵn và thông tin trên internet, đồ án nghiên cứu chủ yếu về cảm biến siêu âm và ứng dụng của nó.

Trong phạm vi về hệ thống kiểm soát khoảng cách trên xe Ford Focus 2019.

Dữ liệu của đồ án chủ yếu tham khảo từ tài liệu của hãng Ford và các nguồn trên internet.

Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đồ án nhóm chúng em có sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:

- Tra cứu trong các tài liệu hãng, giáo trình kỹ thuật, sách vở,…

- Tìm kiếm thông tin trên mạng internet, các website trong và ngoài nước So sánh và chắt lọc để sử dụng những thông tin cần thiết và đáng tin cậy.

- Tham khảo ý kiến của các giảng viên trong khoa cơ khí động lực và thầy Vũ – thầy hướng dẫn đồ án tốt nghiệp của nhóm.

- Tổng hợp và phân tích các nguồn dữ liệu thu thập được, từ đó đưa ra những đánh giá và nhận xét của riêng mình.

- Trong quá trình thực tập bên máy chẩn đoán thì cũng có hỏi ý kiến của các anh chuyên về mạng Can trong công ty.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hệ thống kiểm soát khoảng cách sử dụng cảm biến siêu âm được sử dụng trên ô tô

Hiện nay, hệ thống các cảm biến siêu âm trong hệ thống ô tô là một phần quan trọng của việc phát triển công nghệ lái xe an toàn và tự động hóa Mặc dù có những hạn chế nhất định, nhưng ưu điểm mà công nghệ này mang lại về an toàn và tiện ích khi lái xe là không thể phủ nhận Sự tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này sẽ giúp cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt của hệ thống cảm biến siêu âm, từ đó nâng cao trải nghiệm lái xe và an toàn cho mọi người trên đường Trên các dòng xe ô tô hiện nay, một số hệ thống sử dụng các cảm biến siêu âm để vận hành hệ thống như: hệ thống hỗ trợ đỗ xe, hệ thống cảnh báo điểm mù như, hệ thống kiểm soát hành trình,…

Các hệ thống trên sử dụng dữ liệu chủ yếu từ giá trị khoảng cách đo được từ các cảm biến siêu âm được đặt xung quanh xe để tính toán, đo đạt, từ đó liên kết với một số thành phần khác để hỗ trợ người lái ở những khu vực cần thiết, cảnh báo hoặc có thể được ứng dụng trên hệ thống tự hành thông minh trên ô tô Các hệ thống trên chủ yếu sự dụng giá trị khoảng cách đo được để điều khiển các thành phần khác như vô lăng người lái, vị trí bướm ga, tốc độ xe, đèn cảnh báo, …

Hình 2.1:Mô phỏng hệ thống hỗ trợ đỗ xe trên ô tô

Hệ thống hỗ trợ đỗ xe là một tiện ích quan trọng trong việc giúp người lái xe đỗ xe một cách an toàn và thuận tiện hơn Cảm biến siêu âm có thể được sử dụng để phát hiện các vật cản xung quanh xe và cung cấp thông tin về khoảng cách đến chúng Điều này giúp người lái xe nhận biết vị trí của các vật cản và tránh va chạm khi đỗ xe.

Hình 2.2:Hệ thống cảnh báo điểm mù sử dụng cảm biến siêu âm

Tương tự với hệ thống hỗ trợ đỗ xe, hệ thống cảnh báo điểm mù cũng là một trong các ứng dụng quan trọng tích hợp các cảm biến siêu âm.

2.1.1 Hệ thống cảnh báo điểm mù

Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ ô tô đã đưa ra nhiều giải pháp nhằm nâng cao an toàn giao thông Một trong những hệ thống quan trọng đó là hệ thống cảnh báo điểm mù (Blind Spot Detection System) Đây là công nghệ được thiết kế để cảnh báo tài xế về các phương tiện hoặc vật thể nằm trong vùng điểm mù của xe, nơi mà gương chiếu hậu hay là những vật thể nằm ở phía sau xe không thể quan sát được Mục tiêu của hệ thống này là giảm thiểu nguy cơ va chạm khi chuyển làn đường, quay đầu xe hay đỗ xe.

Hệ thống cảnh báo điểm mù sử dụng các cảm biến siêu âm gắn ở hai bên xe và phía sau xe, thường là gần gương chiếu hậu hoặc cản sau Các cảm biến này liên tục quét khu vực bên cạnh và phía sau xe để phát hiện sự hiện diện của các phương tiện khác Khi một phương tiện di chuyển vào vùng điểm mù, hệ thống sẽ kích hoạt cảnh báo bằng phần mềm hiển thị để thông báo cho tài xế.

Hệ thống cảnh báo điểm mù mang lại nhiều lợi ích thiết thực trong đó đáng chú ý là:

Tăng cường an toàn: Giảm thiểu nguy cơ va chạm khi chuyển làn đường, đặc biệt là trên cao tốc hoặc đường có mật độ giao thông cao.

Giảm nguy cơ va chạm: khi đỗ xe tài xế sẽ dễ dàng nằm bắt được vị trí các vật nằm trong vùng điểm mù của xe.

Tăng cường nhận thức: Giúp tài xế nhận biết rõ hơn về môi trường xung quanh xe, từ đó đưa ra các quyết định lái xe an toàn hơn.

Giảm mệt mỏi: Giảm căng thẳng và mệt mỏi cho tài xế khi phải liên tục kiểm tra điểm mù bằng gương chiếu hậu.

Hệ thống cảnh báo điểm mù hiện đã trở thành một trang bị tiêu chuẩn hoặc tùy chọn trên nhiều dòng xe hơi hiện đại, từ xe gia đình đến xe hạng sang Các nhà sản xuất ô tô cũng không ngừng cải tiến công nghệ này, kết hợp với các hệ thống an toàn khác như cảnh báo va chạm trước, hỗ trợ giữ làn đường và phanh khẩn cấp tự động Sự tích hợp này tạo nên một hệ thống an toàn toàn diện, giúp giảm thiểu tối đa các rủi ro giao thông.

2.1.2 Hệ thống hỗ trợ đỗ xe

2.1.2.1 Bán kính xoay vòng ô tô

Bán kính quay của một xe ô tô là khoảng cách từ trung tâm của bánh xe bên trái (hoặc phải) khi quay sang một hướng cụ thể đến điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường Khi quay hết góc có thể, góc quay sẽ nhỏ nhất, dẫn đến việc tạo ra một đường tròn có bán kính nhỏ nhất, được gọi là bán kính quay xe tối thiểu.

Hình 2.3:Bán kính quay xe của ô tô (Nguồn: [1])

Bán kính quay xe ô tô tối thiểu là một trong những chỉ số quan trọng nhất nhằm đánh giá khả năng vận hành của ô tô Chỉ số này càng nhỏ thì xe càng quay đầu tốt trong điều kiện chật hẹp Ngược lại, bán kính quay đầu xe tối thiểu càng lớn, xe sẽ càng cần không gian rộng rãi mới có thể vào cua thuận lợi.

Bán kính quay xe ô tô tối thiểu là một yếu tố quan trọng đánh giá khả năng vận hành của xe Khi bán kính này nhỏ, xe có khả năng quay đầu tốt trong không gian hẹp Ngược lại, nếu bán kính quay đầu lớn, xe sẽ cần không gian rộng hơn để có thể vào cua thuận lợi.

Bán kính quay xe tối thiểu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng chủ yếu được ảnh hưởng bởi kích thước của xe (đặc biệt là chiều dài cơ sở và bề rộng), đường kính bánh xe và độ bám của lốp Khi bánh xe lớn và lốp có độ bám cao hơn, bán kính quay xe sẽ lớn hơn Các xe ô tô có trợ lực lái điện thường có bán kính quay nhỏ hơn so với xe không có trợ lực lái.

Mỗi dòng xe sẽ đặt ra một tiêu chuẩn bán kính quay xe riêng phù hợp với đặc tính của từng loại xe Ví dụ, trên các dòng xe nhỏ, bán kính quay thường từ 4,6 đến 5 mét, trong khi các mẫu sedan có bán kính trung bình là 5,5 mét và các dòng xe bán tải thì có bán kính lớn nhất từ 6 đến 6,5 mét.

2.1.2.2 Động học quay vòng của ô tô

Khi xoay vòng ô tô, chúng ta có thể sử dụng các biện pháp sau đây:

 Xoay vòng các bánh xe dẫn hướng phía trước hoặc xoay vòng tất cả các bánh xe dẫn hướng.

 Truyền những momen xoay có giá trị khác nhau đến các bánh xe dẫn hướng chuyển động bên phải và trái, đồng thời sử dụng thêm phanh để hãm các bánh xe phía trong so với tâm xoay vòng.

Trước hết, chúng ta xét động học xoay vòng của xe mà bỏ qua sự biến dạng ngang của lốp Nếu không tính đến độ biến dạng ngang của lốp, khi xoay vòng, véc-tơ tốc độ chuyển động của các bánh xe sẽ trùng với mặt phẳng xoay (mặt phẳng đối xứng) của bánh xe.

Hình 2.4:Động học xoay vòng của ô tô

Trên hình 2.4 mô tả động học xoay vòng của ô tô có hai bánh dẫn hướng ở cầu trước khi bỏ qua biến dạng ngang của lốp Ở trên số đo: A, B là vị trí của hai trụ đứng E là điểm giữa của AB ��; �� là góc xoay vòng của bánh xe dẫn hướng bên trong và bên ngoài so với tâm xoay vòng O Bởi vậy góc�� sẽ là đại diện cho góc xoay vòng của các bánh xe dẫn hướng ở cầu trước Mặt khác AC và BD song song với trục dọc của ô tô.

Các thành phần của mô hình nghiên cứu hệ thống kiểm soát khoảng cách

2.2.1 Cảm biến siêu âm JSN-SR04T

Hình 2.8:Cảm biến siêu âm JSN-SR04T

Nhìn tổng quan, cảm biến có ba bộ phận chính đó là: mạch điều khiển, dây kết nối và đầu dò siêu âm Nó là một cảm biến áp điện được thực hiện bằng cách sử dụng hiện tượng điện động.

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của cảm biến Đầu ra chiều rộng xung Đầu ra nối tiếp Điện áp làm việc DC: 3,0 - 5,5V

Dòng tĩnh Ít hơn 8mA

Tần suất phát xạ âm 40kHz Phạm vi tối thiểu 20 cm Phạm vi tối đa 600 cm Độ phân giải 2 mm

Nhiệt độ làm việc  20  đến  70  Tín hiệu đầu vào Mức cao của chân Trigger (trên10 )s

Tín hiệu đầu ra Độ rộng xung của chân Echo

Hình 2.9:Sơ đồ các chân của mạch điều khiển

Mạch điều khiển bao gồm 4 chân để điều khiển cảm biến., các chân bao gồm:

Các chế độ làm việc của cảm biến:

Cấu hình trên chân R27 chia cảm biến thành 3 chế độ hoạt động:

 Khi R27 = 0, chân hở được gọi là chế độ cơ bản:

Muốn đo được khoảng cách, đầu tiên ta kích hoạt cảm biến phát ra 1 xung ngắn từ chânTRIG Khi chân TRIG được đặt ở mức cao, cảm biến sẽ phóng ra một sóng siêu âm và chânECHO sẽ lên mức cao Thời gian của chân ECHO ở mức cao tương ứng với thời gian của sóng siêu âm được phát ra và nhận về Khoảng thời gian của độ rộng xung ở mức cao, ta có thể tính ra được các giá trị khoảng cách.

 Khi R27 = 47K Cảm biến sẽ truyền dữ liệu bằng UART sau mỗi 100ms được gọi là chế độ tự động đo:

Cứ sau 100ms, cảm biến sẽ thực hiện đo lường và truyền thông số về thông qua giao tiếp UART (9600, n, 8 data bit, 1 bit) với định dạng chuỗi như sau:

0xFF + H_Data + L_Data + SUM Trong đó:

“H_ Data” : 8 bit cao; “L_ Data” : 8 bit thấp

“SUM”: Chuỗi kiểm tra dữ liệu: 0xFF + H_ Data + L_ Data (8 bit thấp)

Ví dụ: Dữ liệu cảm biến trả về có dạng FF 07 A1 A7

Khi đó: SUM = A7 = (0x07 + 0xA1 + 0xFF) & 0xFF

0x07: 8 bit cao; 0xA1: 8 bit thấp

Khoảng cách tính được có giá trị là 0x07A1(HEX) tương đương 1953 (DEC)

 Khi R27 = 120K Cảm biến sẽ chuyển sang chế độ đo và truyền dữ liệu sau khi nhận lệnh 0x55:

Sau khi nhận giá trị “0x55” thì cảm biến sẽ đo và trả về kết quả thông qua giao tiếp UART(9600,n,8,1) với định dạng chuỗi như sau:

0xFF + H_Data + L_Data + SUM Trong đó:

0xFF : Bắt đầu một chuỗi

H_ Data: 8 bit cao; L_ Data: 8 bit thấp

SUM: Chuỗi kiểm tra dữ liệu: 0xFF + H_ Data + L_ Data (8 bit thấp)

Ví dụ: Khi chuỗi “FF 07 A1 A7” được cảm biến trả về, ta có:

Khoảng cách đo được có giá trị là 0x07A1 (HEX) tương đương với 1953(DEC) đơn vị mm.

Hình 2.10:Khoảng cách mà cảm biến siêu âm đo được

Khoảng cách = (thời gian mức cao chân ECHO x tốc độ âm thanh) / 2

Với : tốc độ âm thanh = 350m/s

Với tốc độ đo này thì hoàn toàn đáp ứng được cho việc hỗ trợ hệ thống cảnh báo vật cản.

Hình 2.11:Mạch Arduino UNO và cáp có cổng USB Thông số kỹ thuật:

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của Arduino UNO

Vi điều khiển ATmega328 họ 8 bit Điện áp hoạt động 5V DC

Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ 30 mA Điện áp đầu vào 7 - 12V

Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10 bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Dòng ra tối đa (5V) 500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Hình 2.12:Sơ đồ tổng quan các chân của Arduino UNO

Một số thành phần trên mạch Arduino UNO bao gồm:

- Đèn LED: Được kết nối với chân 13 Đèn LED sẽ sáng khi chân này ở mức Logic HIGH và tắt khi ở mức Logic LOW.

- VIN: Đây là chân đầu vào điện áp cho board mạch Arduino, khác với 5V được cấp qua cổng USB Chân này được sử dụng để cấp điện áp toàn bộ mạch thông qua giắc nguồn, thường là từ 7-12V.

- Chân 5V: Chân này cung cấp điện áp đầu ra 5V.

- Nguồn cung cấp: Arduino có thể nhận nguồn cung cấp từ ba cách sau: qua cổng USB, chân VIN của board mạch hoặc giắc nguồn DC.

- USB: Cung cấp điện áp khoảng 5V.

- GND: Chân âm chung cho cả 33 mạch Arduino.

- IOREF: Cung cấp điện áp tham chiếu cho Arduino.

- PWM: được cung cấp bởi các chân 3, 5, 6, 9, 10, 11 với đầu ra 8 bit.

- SPI: Giao diện ngoại vi nối tiếp gồm các chân 10, 11, 12, 13 với các tên chức năng lần lượt là SS, MOSI, MISO, SCK Với sự trợ giúp của thư viện SPI, các chân này cung cấp liên lạc cho phép để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.

- AREF: cung cấp mức điện áp tham chiếu cho đầu vào Analog.

- TWI: Chân giao tiếp được sử dụng thông qua thư viện Wire bởi các chân A4 và A5.

- External Interrupt: Chân 2 và 3 có thể được sử dụng cho các ngắt ngoài

- Serial Communication: Hai chân 0 (Rx) và 1 (Tx) được sử dụng với chức năng giao tiếp nối tiếp Chân Rx để nhận dữ liệu và Tx để truyền dữ liệu.

CAN Bus Shield là một bộ phận phụ kiện cho các bo mạch phát triển như Arduino, được thiết kế để kết nối với mạng CAN trên ô tô thông qua giao thức SPI, ngoài ra còn được hỗ trợ các giao thức truyền thông CAN như CAN 2.0A và CAN 2.0B.

Với khả năng đọc dữ liệu từ cảm biến, hệ thống điều khiển và gửi lệnh điều khiển đến các hộp ECU trên ô tô thông qua mạng CAN, vì vậy CAN Bus Shield được sử dụng để đọc giá trị góc lái trong phạm vi đồ án này.

Hình 2.13:Bộ CAN Bus Shield tương thích với chuẩn chân cắm trên Arduino

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của mạch CAN Bus Shield

IC thu phát CAN MCP2551 Điện áp hoạt động 5 - 12 (V)

Dòng điện tiêu thụ 5 mA

Chuẩn truyền CAN, tốc độ 1 Mb/s

Dữ liệu Chuẩn (11 bit) và Mở rộng (29 bit)

Giao tiếp Chuyển đổi từ CAN sang SPI

Giao tiếp tích hợp I2C và UART

Hình 2.14:Các thành phần tích hợp trên mạch CAN Bus Shield

Cấu trúc phần cứng của mạch bao gồm:

- (1) Cổng giao tiếp DB9 : Dùng để kết nối với cổng OBD II thông qua cáp chuyển đổi DB9-OBD.

- (2) V-OBD: Lấy nguồn từ cồng OBD II (từ DB9)

- (3) LED chỉ báo: PWR: Đèn báo nguồn

Tx: Nhấp nháy khi dữ liệu đang được gửi

Rx: Nhấp nháy khi đang nhận dữ liệu; INT: Đèn báo ngắt

- (5) Các chân đầu ra của Arduini UNO

- (6) Giắc kết nối Serial Grove

- (9) IC-MCP2551: Bộ thu phát CAN tốc độ cao

- (10) IC-MCP2515: Bộ điều khiển CAN độc lập với giao thức SPI

Hình 2.15:Cáp chuyển đổi DB9 - OBD II

Cáp chuyển đổi DB9-OBD: chuyển đổi các chân từ mạch CAN Bus Shield sang OBD II, giúp dễ dàng kết nối giữa cổng DB9 và giắc cắm OBD II trên xe.

Hình 2.16:Sơ đồ các chân của mạch CAN Bus Shield Giao thức SPI:

Giao tiếp ngoại vi SPI là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song công toàn phần Master (thiết bị chủ) – Slave (thiết bị tớ), tức là trong cùng một thời điểm có thể xảy ra đồng thời quá trình truyền và nhận dữ liệu Các thiết bị giao tiếp qua SPI có quan hệ Master – Slave Trong đó, Master là thiết bị điều khiển (thường là vi điều khiển), cònSlave (thường là cảm biến) nhận lệnh từ Master Cấu hình đơn giản nhất của SPI là hệ thống một Slave, một Master duy nhất, nhưng một Master có thể điều khiển nhiều hơn một Slave. Lợi ích của SPI là dữ liệu có thể được truyền mà không bị gián đoạn Bất kì số lượng bit nào cũng có thể được gửi hoặc nhận trong một luồng liên tục Với I2C và UART, dữ liệu được gửi dưới dạng gói, giới hạn một số bit cụ thể Điều kiện bắt đầu và dừng xác định điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi gói, do đó dữ liệu bị gián đoạn trong quá trình truyền.

Hình 2.17:Chuẩn giao tiếp SPI đơn giản nhất 1 Master – 1 Slave

Giao tiếp SPI sử dụng 4 dây để truyền dữ liệu giữa các thiết bị:

- MOSI (Master Out/ Slave In): Đường dữ liệu truyền từ Master (thiết bị chủ) đến Slave (thiết bị tớ).

- MISO (Master In / Slave Out): Đường dữ liệu truyền từ Slave (thiết bị tớ) đến Master (thiết bị chủ).

- SCLK (Serial Clock) hoặc SCK: Đường truyền tín hiệu đồng bộ hóa.

- CS/SS (Chip Select/Slave Select): Đường truyền mà Master sử dụng để chọn thiết bị Slave cần giao tiếp.

Bảng 2.4: Thông số của giao tiếp SPI

Tốc độ truyền dữ liệu tối đa 10 Mbps

Phương pháp truyền Đồng bộ

Kiểu giao tiếp Nối tiếp

Số lượng Master tối đa 1

Số lượng Slave tối đa Không giới hạn

Tín hiệu SCLK đảm bảo đầu ra được đồng bộ hóa của các bit dữ liệu giữa Master với các Slave Mỗi chu kỳ đồng hồ truyền một bit dữ liệu, do đó tốc độ truyền dữ liệu phụ thuộc vào tần số của tín hiệu.

Bất kỳ giao thức truyền thông nào mà các thiết bị chia sẻ tín hiệu được gọi là đồng bộ.

Vì vậy, SPI là một giao thức truyền thông đồng bộ.

Ngoài ra, có các phương thức không đồng bộ không sử dụng tín hiệu đồng hồ Ví dụ, trong giao tiếp UART, cả hai thiết bị đều được đặt cùng tốc độ truyền được cấu hình trước để chỉ ra tốc độ và thời gian truyền dữ liệu chính xác.

Bằng cách đặt các chân CS/SS của Slave ở mức thấp (mức logic 0) thì Master có thể chọn ra Slave để giao tiếp Khi không giao tiếp, chân CS/SS của Slave được giữ ở mức cao (mức logic 1) Có hai cách để cấu hình nhiều Slave với một Master, phụ thuộc vào số chân CS/SS có sẵn trên Master:

Nhiều chân CS/SS trên Master: Nếu Master có nhiều chân CS/SS, mỗi chân có thể được kết nối song song với nhiều Slave khác nhau.

Hình 2.18:Một Master với nhiều Slave trong giao tiếp SPI – Nhiều chân CS/SS

Một chân CS/SS trên Master, bằng cách nối chuỗi thì nhiều Slave có thể được kết nối với Master.

Hình 2.19:Một Master với nhiều Slave trong giao tiếp SPI – một chân CS/SS

Trong giao tiếp SPI, Master truyền dữ liệu tới Slave theo từng bit một, truyền nối tiếp thông qua đường MOSI Slave nhận dữ liệu từ chân MOSI được gửi từ Master Dữ liệu nào được bắt đầu với bit quan trọng thì sẽ được gửi trước và được truyền từ Master đến Slave.

Ngược lại, Slave cũng có thể gửi dữ liệu ngược trở lại Master thông qua đường MISO nối tiếp Dữ liệu từ Slave gửi về Master thường bắt đầu với bit ít quan trọng nhất trước.

Cách truyền dữ liệu của chuẩn giao tiếp SPI Đầu ra chính của tín hiệu đồng bộ:

Hình 2.20:Tín hiệu đồng bộ trong chuẩn giao tiếp SPI

Xung nhịp cho toàn bộ hệ thống sẽ được cấp bởi tín hiệu đồng bộ từ Master, đảm bảo sự đồng bộ về xung nhịp giữa Master và các Slave thông qua chân SCLK.

Master sẽ đặt chân SS/CS về trạng thái mức điện áp thấp (mức logic 0), điều này sẽ cho phép Slave được chọn.

Hình 2.21:Master chọn Slave sắp giao tiếp

Khi đó, chỉ những Slave có chân SS/CS được kết nối với chân SS/CS ở mức thấp nhận dữ liệu truyền đi từ Master Còn các Slave còn lại có SS/CS ở mức cao sẽ không thực hiện quá trình giao tiếp.

Master gửi dữ liệu đến Slave theo từng bit một thông qua đường MOSI Slave nhận và đọc các bit dữ liệu này khi chúng được truyền đến.

Hình 2.22:Master gửi dữ liệu qua chân MOSI

Thông tin về OBDII, cấu trúc và cách thức hoạt động của giao thức mạng CAN

OBD là viết tắt của cụm từ tiếng Anh On-Board Diagnostics, là một hệ thống chẩn đoán chúng ta sẽ dùng một thiết bị chuyên dụng để có thể đọc mã lỗi Những mã lỗi này là kết quả làm việc của hệ thống OBD.

Một hệ thống OBD cơ bản bao gồm ECU – bộ điều khiển điện tử Bộ ECU sẽ nhận các thông tin từ cảm biến đầu chẳng hạn như cảm biến lưu lượng khí nạp, cảm biến trục cam, trục khuỷu,… để điều khiển các bộ truyền động, hoặc một số cơ cấu chấp hành khác nhằm giúp xe đạt được hiệu suất tối ưu.

Hình 2.24:Cấu tạo cơ bản của một hệ thống OBD

Các đèn cảnh báo trên bảng điều khiển được tích hợp trong hệ thống OBD nhằm cung cấp các chỉ báo sớm, giúp tài xế có phản ứng và đưa ra phương pháp khắc phục sự cố trước khi nó trở nên nghiêm trọng hơn Hệ thống OBD là một công cụ chuẩn đoán lỗi, tuân thủ theo các tiêu chuẩn khác nhau tùy thuộc vào quy định của từng quốc gia sử dụng chúng Mỗi một vùng lãnh thổ lại có một yêu cầu riêng, ví dụ như tiêu chuẩn OBD Nhật Bản, Châu Âu, Châu Mỹ… Có 2 tiêu chuẩn OBD phổ biến nhất đó là OBD I và OBD II.

OBD I được triển khai lần đầu vào thập kỷ 1980 nhằm mục đích chẩn đoán lỗi cho nhiều dòng xe khác nhau Tuy nhiên, OBD I gặp nhiều hạn chế do chưa có sự đồng nhất Mỗi hãng xe lại phát triển tiêu chuẩn khí thải cho riêng dẫn đến sự không nhất quán trong hệ thống.Mặc dù còn nhiều bất cập, OBD I vẫn mang lại những đóng góp quan trọng trong việc sữa chữa xe giúp cho việc chẩn đoán của các kỹ thuật viên có độ chính xác cao hơn và tiết kiệm được khá nhiều thời gian trong việc sửa chữa và chuẩn đoán Hệ thống OBD I đặt nền tảng cho sự phát triển của OBD II với sự cải tiến hơn so với OBDI, khắc phục các vấn đề liên quan đến giắc kết nối, chuẩn giao tiếp cũng như quy định bảng mã lỗi.

Hình 2.25:Cấu trúc các chân trên giắc chuẩn đoán OBD II

OBD II là một hệ thống chuẩn đoán lỗi động cơ, tất cả các xe ô tô từ năm 1996 (Mỹ) và

2001 (Châu Âu và Nhật Bản) đều được trang bị hệ thống này.

Tương tự như OBD I, hệ thống OBD II sử dụng hộp ECU nhận tính hiệu từ các cảm biến đầu vào, từ đó xử lý thông tin và đưa ra các chỉ báo trên bảng điều khiển ô tô thông qua đèn cảnh báo Hệ thống OBD II giám sát các bộ phận quan trọng của động cơ và kiểm soát lượng khí thải độc hại Hệ thống OBD II cũng có ECU, cổng chẩn đoán DLC, đèn chất đoán MIL, và hệ thống dây dẫn Các thiết bị chẩn đoán mã lỗi sẽ được kết nối với ECU thông qua cổng DLC.

Bảng 2.5: Tên các chân và chức năng của từng chân trên giắc OBD II

Chân Chức năng Chân Chức năng

1 Thông số của nhà sản xuất 9 Thông số của nhà sản xuất

2 SAE J1850 Bus Ve + 10 SAE J1850 Bus Ve -

3 Thông số của nhà sản xuất 11 Thông số của nhà sản xuất

4 Mass sườn 12 Thông số của nhà sản xuất

5 Tín hiệu mass 13 Thông số của nhà sản xuất

8 Thông số của nhà sản xuất 16 Điện áp nguồn

Một số giao thức của OBD II qua các năm:

SAE J1850 (PWM):Được sử dụng hầu hết trên các xe Ford đời cũ.

SAE J1850 (VPW): Được sử dụng hầu hết trên xe GM đời cũ.

ISO 9141-2:Sử dụng cho các xe ở EU, Chrysler và châu Á từ 2000 đến 2004.

ISO 14230-4 (KWP200): Giao thức được sử dụng phổ biến từ năm 2003+.

ISO 15765 (CAN Bus): Bắt buộc sử dụng cho các xe ở Mỹ kể từ năm 2008 và ngay nay được sử dụng hầu hết trên tất cả các xe.

2.3.2 Cấu trúc mạng và cách thức hoạt động của CAN Bus

Thông tin về mạng CAN

CAN hoặc CAN Bus là giao thức truyền thông nối tiếp được thiết kế để hỗ trợ các hệ thống trên ô tô Đây là một bus truyền tải số đa chủ, cho phép kết nối tới 2032 thiết bị (mỗi nút có một mã ID riêng) trên một mạng duy nhất, dữ liệu được truyền với tốc độ cao, lên đến 1Mbit/s.

CAN được phát triền đầu tiên bởi Robert Bosch GmbH ở Đức vào năm 1986, theo yêu cầu của Mercedes nhằm tạo ra một hệ thống cho phép liên lạc giữa ba bộ điều khiển ECU (bộ điều khiển điện tử) trên xe Giao thức UART không đáp ứng được còn phù hợp trong tình huống này do nó chỉ được hỗ trợ trong giao tiếp giữa điểm và điểm Do đó, nhu cầu mong muốn có một hệ thống liên lạc đa chủ trở nên cấp thiết Mạng CAN đầu tiên đã được Intel chế tạo vào năm 1987 dựa trên thông số kỹ thuật của Bosch Phiên bản 2.0 của CAN được chia thành hai phần:

CAN tiêu chuẩn (phiên bản 2.0A): sử dụng ID 11 bit

CAN mở rộng (phiên bản 2.0B): sử dụng ID 29 bit

Chuẩn CAN bao gồm hai tầng: tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu Tầng liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm quản lí các thông điệp, các quy tắc phân xử cho truy cập bus cùng với các phương pháp dò lỗi và xử lý lỗi Mạng CAN được tạo thành bởi một nhóm các nút (Nodes) và mỗi nút (Node) có khả năng giao tiếp với bất kỳ nút nào khác trong mạng Giao tiếp này được thực hiện thông qua việc truyền và nhận các gói dữ liệu được gọi là thông điệp mức độ ưu tiên của thông điệp đó Công nghệ mạng CAN bao gồm hai đường dây bus xoắn lại với nhau giúp giảm thiểu nhiễu tín hiệu trong quá trình truyền dữ liệu Đường dây bus kết thúc ở hai đầu bằng điện trở có giá trị là 120 Ohm.

Mạng CAN thuộc loại hệ thống giao tiếp gói dữ liệu, khác với hệ thống giao tiếp địa chỉ. Trong hệ thống giao tiếp gói dữ liệu, mỗi gói dữ liệu được gán bởi một ID Trong khi đó, hệ thống địa chỉ thì mỗi nút được gán cho một ID riêng Hệ thống giao tiếp gói dữ liệu có tính mở rộng cao hơn vì khi thêm hoặc bớt một hay nhiều nút hoặc nhóm nút phức tạp hơn thì nó vẫn không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống Nhiều nút có thể nhận cùng một dữ liệu và cùng thực hiện một nhiệm vụ.

Cấu trúc mạng và cách thức hoạt động của CAN Bus

Hình 2.26: Sơ đồ cấu trúc của mạng CAN

Mỗi một nút (Node) trong mạng CAN cần phải có một vi điều khiển kết nối với một bộ điều khiển CAN (được gọi là CAN Controller) Bộ điều khiển CAN này cùng với một bộ chuyển đổi CAN (hoặc là bộ truyền nhận CAN-Transceiver) sẽ được kết nối với nhau thông qua một đường truyền dữ liệu nối tiếp (Tx) và một đường nhận dữ liệu nối tiếp (Rx) Đường

Vrefcung cấp một mức điện áp tham chiếu là 0.5xVcc tương đương với 2.5V.

Bộ điều khiển CAN Controller đảm nhiệm các quá trình xử lý về truyền nhận dữ liệu,báo lỗi, tính toán thời gian bit,… theo tiêu chuẩn CAN Nó xuất dữ liệu số (theo mức logic0/1) ra chân Tx và nhận dữ liện số qua chân Rx Bộ điều khiển CAN có thể là một vi mạch độc lập, ví dụ như MCP2515 của Microchip Bộ chuyển đổi CAN hoạt động như một bộ chuyển đổi tín hiệu, biến đổi tín hiệu số (mức logic 0/1) từ đường Tx thành tín hiệu tương tự trên bus CAN và ngược lại, chuyển đổi tín hiệu tương tự từ bus CAN (CAN_H và CAN_L)

Trong giao thức CAN, mức “dominant” (mức trội) là mức logic 0, còn mức

“recessive” (mức ẩn) là mức logic 1 Trên Bus CAN, mức điện áp phổ biến trên CAN bus là mức 0V trên CAN_L và +5V trên CAN_H khi ở tốc dộ cao 1Mbit/s Đường CAN_H có mức điện áp +5V khi ở trạng thái nghỉ và giảm xuống +3.5V khi đang hoạt động Mức +3.5V được xác định là mức trội và +2.5V là mức ẩn Mức điện áp 0V ứng với đường CAN_L ở trạng thái nghỉ và tăng lên +1.5V khi nó hoạt động Mức trội được quy định có giá trị là +1.5V và mức ẩn có giá trị là +2.5V.

Hình 2.27:Mức điện áp trên đường CAN_H và CAN_L khi truyền dữ liệu

Trạng thái bus CAN được xác định dựa trên sự chênh lệch áp giữa CAN_H và CAN_L.

Cụ thể, nếu chênh lệch điện áp thấp xuống dưới ngưỡng tối thiểu thì đó là mức ẩn (mức 1), thường dưới +0.5V Ngược lại, nếu sai lệch điện áp cao, trên mức điện áp ngưỡng tối thiểu thì đó là mức trội (mức 0), thường trên +0.9V Nếu chênh lệch điện áp nằm trong khoảng từ 0.5V đến 0.9V thì mức logic không thể phân biệt được rõ ràng và có thể dẫn đến lỗi dữ liệu.

Hình 2.28:Xác định mức logic thông qua sai lệch điện áp giữa CAN_H và CAN_L

Nguyên tắc truyền dữ liệu:

Dữ liệu được truyền trên bus CAN không bao gồm địa chỉ của nút truyền hoặc nút nhận nào Thay vào đó, mỗi một thông điệp được mang bởi một ID là duy nhất trên toàn mạng. Tất cả các nút trên mạng CAN đều có được thông điệp này và tiến hành kiểm tra ID nhận vào để xác định xem thông điệp này có tương ứng với nút đó hay không Nếu ID chứa thông điệp có liên quan đến nút thì dữ liệu sẽ được xử lý, ngược lại sẽ bỏ qua thông điệp đó.

ID cũng xác định mức độ ưu tiên của thông điệp Giá trị số của mã ID càng thấp thì mức độ ưu tiên càng cao Điều này giúp phân xử khi có hai hoặc nhiều nút cùng muốn truy cập vào bus đồng thời Mức độ ưu tiên của thông điệp nào cao hơn thì nó sẽ có được quyền truy cập bus như thể nó là thông điệp duy nhất được truyền đi Trong khi, các thông điệp khác có mức ưu tiên thấp hơn sẽ tự động được truyền lại trong chu kỳ bus tiếp theo hoặc sau đó nếu vẫn còn các mức ưu tiên cao hơn của các thông điệp khác đang chờ gửi.

Phần mềm hiển thị Processing

Phần mềm Processing sử dụng ngôn ngữ Java để thực hiện việc mô phỏng và tính toán. Với dữ liệu khoảng cách, giá trị góc lái và hướng lái gửi từ phần cứng Arduino – CAN Bus Shield được nạp từ Arduino IDE thông qua cổng Serial, phần mềm Processing sử dụng những giá trị này để tính toán ra khoảng cách so sánh và mô phỏng Hình ảnh mô phỏng bao gồm hình của chiếc xe, ba cảm biến phía sau, hai cảm biến bên hông xe và hai cảm biến hai phía bên gương chiếu hậu Phần mềm hiển thị góc cảm biến quét được, hiển thị ra được vật cản tại vị trí cảm biến phát hiện cùng với giá trị khoảng cách từ vật cản đến xe, góc quay vòng của xe khi đánh lái Đồng thời, nếu vật cản nằm trong vùng giá trị nguy hiểm thì xe hiển thị ra những chấm vàng chớp tắt liên tục tại vị trí nguy hiểm để cảnh báo.

Phần mềm hiển thị tương đối giống với vị trí thực tế của xe và vật cản Tuy nhiên, do sử dụng chung một cổng Serial để nạp và truyền dữ liện nên sau khi nạp code từ phía Arduino IDE, muốn mô phỏng được bên phần mềm Processing, ta phải tắt Monitor Serial của Arduino IDE để ngắt đi đường truyền bên phía đó để sử dụng cổng Serial cho việc mô phỏng.

Hình 2.30: Phần mềm Processing hiển thị hệ thống nhận diện khoảng cách

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NHẬN DIỆN

Thiết kế mô hình

3.1.1 Sơ đồ đi dây của hệ thống

Tronghình 3.1, ta có thể thấy các chân kết nối của các cảm biến được liên kết với

Arduino-Canbus shield thông qua các dây dẫn Điều này cho phép Arduino-Canbus shield thu thập dữ liệu từ các cảm biến và truyền nó đến hệ thống điều khiển chính của xe thông qua giao thức Canbus. Để có thể hiển thị khoảng cách ta cần thêm một màn hình laptop để có thể hiển thị dữ liệu từ các cảm biến và từ Arduino-Canbus shield.

3.1.2 Lưu đồ giải thuật của hệ thống

Hình 3.2:Lưu đồ giải thuật toán của hệ thống

Khi bắt đầu, hệ thống sẽ có hai chế độ hoạt động là tính toán góc lái của bánh xe khi quay vòng và hỗ trợ tài xế tìm chỗ đỗ xe Với chế độ tính góc quay vòng, dữ liệu đo được từ cảm biến được đặt xung quanh xe và góc lái của bánh xe được đọc trực tiếp từ mạng CAN được kết hợp lại lưu vào phần cứng Với chế độ hỗ trợ tìm chỗ đỗ xe chỉ hoạt động khi tài xế nhấn nút chức năng tìm kím vị trí thì chế độ này mới hoạt động Nó hoạt động bằng cách kiểm tra xe khoảng cách hai bên xe có đủ độ rộng để thực hiện đỗ xe hay không, giá trị của độ rộng sẽ được tính từ khoảng thời gian cảm biến đo được và tốc độ xe Nếu độ rộng lớn hơn mức tối thiểu thì lưu dữ liệu vào phần cứng, nếu không đủ thì thực hiện lại việc đo độ rộng cho đến khi tài xế nhấn nút tắt chế độ này Với những giá trị lưu ở phần cứng thì sẽ được gửi qua cổng Serial rồi nạp vào phần mềm Processing để thực hiện việc mô phỏng vị trí và đưa ra cảnh báo với tài xế.

Tính toán hệ thống nhận diện khoảng cách

3.2.1 Đọc thông tin từ mạng CAN

3.2.1.1 Đọc góc lái từ xe thông qua mạng CAN

Góc lái được đo thông qua các cảm biến góc lái được kết nối với mạng CAN trong xe ô tô Cảm biến góc lái thường được đặt gần trục lái hoặc trên cột lái và theo dõi vị trí của bánh lái khi người lái xoay vô lăng Khi người lái xoay vô lăng, cảm biến góc lái sẽ gửi tín hiệu về hệ thống CAN, cung cấp thông tin về góc quay của bánh lái Tiếp tục, từ cổng OBDII sử dụng Arduino Uno để đọc thông tin đó, các dữ liệu đọc được chỉ là các dữ liệu thô cần có công thức chuyển đổi từ các hãng, tùy từng hãng mà có mỗi địa chỉ đọc góc lái khác nhau. Đối với xe Ford Focus 2019, thì góc đánh lái từ giữa hết sang trái (hoặc phải) là gần 1,5 vòng tương đương 480 o , sử dụng địa chỉ góc lái từ đó đọc được dữ liệu thô của góc lái trên xe.

Hình 3.3:Dữ liệu góc lái thô trên xe Để nhận được góc lái từ vô lăng hiển thị lên Arduino cần sử dụng ID hỏi và ID trả lời, chức năng của ID hỏi có địa chỉ là “797” là truyền tín hiệu từ Arduino Uno lên đường Can Bus thông qua cổng OBDII.

Hình 3.4:Thực hiện ID hỏi trên ô tô

Ngược lại, sau khi nhận ID hỏi thì hộp ECU có địa chỉ tương ứng là “79F’ sẽ phản hồi byte dữ liệu chứa thông tin góc lái ở dạng HEX.

Từ dữ liệu thô ở dạng HEX chuyển sang DEC, lấy giá trị DEC kết hợp công thức chuyển đổi là y = 1.5∗� 480 có sử dụng byte 3 và byte 4 để chuyển sang góc lái trong phạm vi từ

0 o đến 34 o Trong đó, x là giá trị của byte 3 và byte 4 ở dạng DEC, y là giá trị góc lái cần tìm có đơn vị là độ.

Hình 3.5:Thực hiện phương trình chuyển đổi từ dữ liệu góc lái thô

Với ID Request – Response là 0x797 và 0x79F, ta nhận được chuỗi các dữ liệu góc lái dưới dạng mở rộng, trong đó có 14 byte dữ liệu có nghĩa được hộp ECU trả về máy tính Giá trị của góc lái sẽ được tính dựa trên byte 3 và byte 4 của chuỗi dữ liệu và có vùng giá trị từ 0 độ đến 34 độ Trong đa số dòng xe, giá trị góc lái hướng bên trái sẽ mang giá trị âm còn hướng bên phải sẽ mang giá trị dương Nhưng trong trường hợp khảo sát xe Ford Focus, giá trị góc lái chỉ nằm trong một vùng, chính vì vậy nó được phân biệt bên trái – phải bởi byte số

11 của chuỗi dữ liệu (bên trái – 00, bên phải 01) Kết hợp hai dữ liệu này lại với nhau sẽ cho biết được là xe đang đánh lái bên nào và với góc lái lúc đó là bao nhiêu như hình 3.6 và hình 3.7 phía bên dưới Từ đó đưa ra cảnh báo và mô phỏng hiển thị lên màn hình giúp tài xế nhận ra khoảng cách vật cản và việc phát hiện ra vật cản sẽ trở nên đơn giản và an toàn hơn.

Hình 3.6: Khi đánh lái arduino trả dữ liệu 01 (đánh lái Phải)

Hình 3.7: Khi đánh lái arduino trả dữ liệu 00 (đánh lái Trái)

3.2.1.2 Đọc tốc độ xe từ mạng CAN Ý nghĩa của việc đo tốc độ xe từ mạng Can là để phục vụ cho việc tính toán chiều dài của xe để tính độ rộng S được nhắc đến ở mục 3.2.2, để đọc được tốc độ xe từ mạng Can tương tự việc đọc góc lái cũng cần sử dụng ID hỏi và ID trả lời, ở đây ID hỏi: 7DF - 08 02

01 0D 00 00 00 00 , ID trả lời là ID: 7E8 - 08 03 41 03 00 00 00 00 và kết quả sẽ nhận được nhưhình 3.8.

Hình 3.8: Sử dụng mang Can đọc tốc độ động cơ

Khi nhận kết quả từ Arduino, nếu vận tốc xe được mã hóa trong byte thứ hai của dữ liệu, thì giá trị của byte đó trực tiếp tương ứng với vận tốc của xe Đơn giản là giá trị của byte thứ hai là vận tốc của xe, không cần chuyển đổi hoặc xử lý thêm Do đó, nếu byte thứ hai có giá trị là bao nhiêu, thì vận tốc của xe cũng sẽ là bấy nhiêu.

3.2.2 Tính toán để tìm vị trí đỗ xe

Hệ thống hỗ trợ đỗ xe hoạt động dựa trên các cảm biến, nút nhấn, góc lái và tốc độ xe đo được từ mạng Can (lấy trực tiếp từ xe) Dưới đây là nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống này:

Khi tài xế có nhu cầu đỗ xe, tài xế nhấn nút sau đó hai cảm biến bên hông xe sẽ tiến hành quét để tìm kiếm vị trí đỗ xe phù hợp, khi đã tìm được vị trí đỗ phù hợp rồi thì hệ thống sẽ báo cho tài xế và tài xế bắt đầu tiến hành đỗ xe, khi đỗ xe thì kết hợp được hệ thống cảnh báo điểm mù và góc lái để tài xế dễ dàng thực hiện các thao tác đỗ xe mà không gây ra va chậm đối với các vật thể xung quanh.

Nguyên lí để tìm được vị trí đỗ xe phù hợp sẽ như sau:

Khi tài xế nhấn nút – nhất nút phía cần đỗ (tức là khi muốn đỗ xe phía bên tay phải thì nhấn nút bên tay phải hoặc trái trong trường hợp đỗ bên lề đường, và có thể nhấn để dò tìm cả hai bên trong trường hợp trong khu vực đỗ xe) cảm biến phía bên hông xe sẽ tiến hành quét dò tìm, khi đó tài xế cần đi sát vào phía cần đỗ xe để cảm biến quét chính xác hơn.

Khi quét cảm biến siêu âm sẽ phát hiện ra các vật cản, lúc này bộ điều khiển của hệ thống sẽ tính quãng đường từ vật cản vừa quét được đến vật cản tiếp theo sau đó sẽ tính ra được quãng đường từ điểm bắt đầu quét cho đến điểm thứ hai, sau đó sẽ so sánh với chiều dài của xe, nếu quãng đường quét ra lớn hơn chiều dài xe thì tức là xe có thể đậu xe ở nơi đó và báo hiệu cho tài xế (và ngược lại).

Cách để tính quãng đường để so sánh với chiều dài xe là sử dụng mang Can để lấy tốc độ xe và thời gian đo được điểm thứ nhất tới điểm thứ hai, từ đó có thể tính được quãng đường để mà so sánh với chiều dài xe: � = � × �, và S là chiều dài đủ cho dòng xe sedan cụ thể là Ford Focus, căn cứ vào quy chuẩn thông số kích thước sa hình [6] là S (mm) là chiều dài tối thiểu nơi đỗ xe ghép ngang: S = 3∗� 2 �� , với Lxelà chiều dài toàn bộ của xe Vậy với trường hợp cụ thể thì S = 3∗� 2 �� = S = 3∗4538 2 h07 (mm).

Về bề rộng để xe có thể vào thì cũng sử dụng công thức theo tiêu chuẩn sa hình [6] là Rg

= 5 4 ×Rxe = 5 4 × 2010 = 2512.5 (��), vậy khi cảm biến bắt đầu tính thời gian thì sẽ quét ngang với bề rộng là xấp xỉ 2512 (mm) và kết hợp với chiều ngang quét được là 6807 (mm) khi thỏa 2 điều kiện này thì ô trống được xe là nơi có thể đỗ được xe và sẽ báo cho tài xế.

Hình 3.9:Đo chiều dài tối thiểu để xe có thể lọt vào nơi đỗ

Đối với vị trí đỗ xe là đỗ xe theo kiểu ghép dọc, Chiều dài xe và bề rộng cũng dựa trên tiêu chuẩn kích thước sa hình [6] , bề rộng để ghép dọc Rd = Rxe + 600 = 2010 + 600 = 2610 (mm), chiều dài để ghép dọc Ld = Lxe + 1000 = 5538 (mm) Nguyên lí để tìm ra nơi đỗ xe ghép dọc là khi ấn nút, hệ thống bắt đầu quét nhờ vào tốc độ xe đo được từ mạng CAN, khi đó hệ thống xe đo chiều dài điểm thứ nhất tới điểm thứ hai > 2610 (mm) và trong quá trình quét thì chiều dài cảm biến quét phải > 5538 (mm) khi thỏa 2 điều kiện này thì hệ thống sẽ

3.2.3 Tính toán bán kính quay vòng

Từ hình 3.11 ta tính được bán kính quay vòng � của xe bằng cách đo khoảng cách từ trung tâm quay vòng đến trục trước của xe:

Xét tam giác OBD, là tam giác vuông:

Có OB là cạnh huyền và OB = Rof– ( �−� 2 )có: L là cạnh góc vuông

=> cạnh góc vuông còn lại là OD:

OD = �� 2 − � 2 = [R of – ( �−� 2 )] 2 − � 2 => Vậy R = OF = OD - FD = OD - � 2 Trong đó:

R: Bán kính quay vòng của xe.

Rof: Bán kính quay vòng của bánh xe ngoài cùng phía trước so với tâm quay vòng (được tính ở biểu thức (2) bên dưới).

Trong thực tế, vì chỉ quan tâm vào hệ thống hỗ trợ đỗ xe, khi đỗ xe thì vận tốc thấp nên bỏ qua các yếu tố gia tốc và ở đây chỉ tập trung vào bán kính quay vòng với các trường hợp sau:

Bảng 3.1: Thông số xe Ford Focus 2019

Các thông số cần đo đạc Kí hiệu Số liệu Đơn vị

Góc quay của bánh xe dẫn hướng phía trong

� � Đo từ góc đánh lái vô lăng Độ

Góc quay của bánh xe dẫn hướng phía ngoài

�� Đo từ góc đánh lái vô lăng Độ

Chiều dài toàn bộ của xe Lxe 4538 mm

Bề rộng tối đa của ô tô khi gương mở Rxe 2010 mm

Chiều dài cơ sở của ô tô L 2648 mm

Khoảng cách giữa tâm hai trục đứng của cầu dẫn hướng

Khoảng cách giữa hai mép trong của hai bánh xe trước

Bán kính quay vòng của bánh xe ngoài cùng phía trước so với tâm quay vòng

Rof Đo trực tiếp từ góc lái của vô lăng mm

Bán kính quay vòng của bánh xe trong cùng phía sau so với tâm quay vòng

Rir Đo trực tiếp từ góc lái của vô lăng mm

- TH1: xe lùi và góc đánh lái nhỏ – đối với trường hợp này xem như góc đánh lái bằng 0 độ (xem như xe lùi thẳng lái):

THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG

Lắp đặt mô hình trên xe

4.1.1 Bố trí các cảm biến thực tế trên xe

Bố trí hai cảm biến ở hai bên gương với chiều rộng quét từ phía đường thẳng kéo dài của gương đi ra phía ngoài của xe, điều này giúp cho tài xe có thể quan sát được vật cản ở điểm mù khi lùi xe thẳng lái.

Còn lại ba cảm biến sẽ được bố trí phía sau đuôi xe, kết hợp với thuật toán mà sẽ so sánh khoảng cách đụng vật cản hay không, và sẽ báo đến tài xế Sự bố trí các cảm biến này nằm trong điểm mù phía sau đuôi xe.

Hình 4.1:Thiết kế vị trí bố trí cảm biến trên xe Các hình ảnh thực tế:

Cảm biến 2 bên gương xe có tác dụng quét các vật thể 2 bên thân xe, nơi mà gương chiếu hậu khi tài xế quan sát không thấy được.

Hình 4.2:Cảm biến gắn hai bên gương xe

Bố trí ba cảm biến đằng sau xe để đảm bảo rằng ba cảm biến có thể bắt được toàn bộ vị trí vật cản ở phía sau xe để hệ thống có thể làm việc một cách chính xác nhất khi được các cảm biến cung cấp đầy đủ thông tin.

Hình 4.3:Các cảm biến gắn sau xe

Mục đích việc bố trí hai bên hông xe để hỗ trợ cung cấp thông tin cho hệ thống hỗ trợ đỗ xe – tìm kiếm vị trí đỗ xe, mục đích là để lấy khoảng cách giữa hai vật rồi so sánh với chiều dài xe sau đó tính toán xem việc đỗ xe vào nơi đó có phù hợp hay không.

Hình 4.4 : Cảm biến bố trí hai bên hông xe

4.1.2 Bố trí mô hình trên xe

Hình 4.4 là mô hình của hệ thống nhận diện khoảng cách các vị trí cảm biến được thiết kế giống như ở trên xe bao gồm vị trí hai gương, vị trí hai bên hông xe và ba vị trí sau đuôi xe tương tự hình 4.1.

Hình 4.4: Mô hình hệ thống nhận diện khoảng cách

Việc thiết kế một khoang chứa dây điện như hình 4.5 để giữ cho hệ thống sạch sẽ và gọn gàng là một phần quan trọng của quy trình lắp ráp Khi tất cả các dây điện được giữ chặt trong một không gian riêng biệt, nó không chỉ làm cho hệ thống trông gọn gàng hơn mà còn giảm nguy cơ bị rối dây, gây ra sự cố lỏng dây hoặc hỏng hóc.

Hình 4.5: Mặt sau của mô hình hệ thống nhận diện khoảng cách

Hệ thống khi lắp đặt trực tiếp trên xe sẽ cần thêm một cổng kết nối OBDII – mục đích là việc đọc trực tiếp tốc độ động cơ và góc lái từ mạng CAN sau đó hiển thị trên màn hình laptop, và cần thêm một chiếc laptop đóng vai trò như màn hình hiển thị - chạy phần mềm Processing giao tiếp với Arduino, được bố trí như hình 4.6

Hình 4.6: Mô hình khi được bố trí trực tiếp trên xe

Hệ thống cảnh báo điểm mù

Hệ thống cảnh báo điểm mù sẽ cảnh báo những vị trí mà gương không nhìn thấy được, ở đây vị trí bên gương phải của xe có vật cản là bức tường và vật cản được mô phỏng lên phần mềm Processing như hình 4.7 là 59cm, và bên gương trái xe không có vật cản nên khi lên phần mềm xuất hiện là No Signal.

Hình 4.8 mô tả khoảng cách đo được từ thực tế và chứng minh độ chính xác của cảm biến siêu âm gửi lên phần mềm Processing là khá cao.

Hình 4.8: Khoảng cách cảm biến siêu âm bắt được ngoài thực tế

Hệ thống hỗ trợ đỗ xe

Hình 4.9:Kết quả hiển thị trên phần mềm processing khi đánh lái qua trái

Hình 4.10: Kết quả hiển thị trên phần mềm processing khi đánh lái qua Phải

Hình 4.11: So sánh bán kính quay vòng với vật cản

Hệ thống tính toán được bán kính quay vòng và so sánh với khoảng cách đo được, khi vật cản nằm trong vùng bán kính ở cảm biến nào thì sẽ xuất hiện chấm vàng như hình 4.11.

Hình 4.12:Kết quả hiển thị trên phần mềm processing khi bật assist parking ở 2 phía trái và phải

Khi ấn button trái và phải thì hệ thống sẽ tiến hành tìm kiếm cả hai phía, ở đây xe chưa di chuyển nên vận tốc là 0 (Km/h) nên vẫn chưa tiến hành tìm kiếm vị trí để có thể đỗ xe.

Hình 4.13:Kết quả hiển thị trên phần mềm processing khi tiến hành bật assist parking ở phía bên trái

Khi tiến hành tìm kiếm chỗ đỗ xe thì nhấn nút, sau đó hệ thống sẽ đo tốc độ xe ở đây là

5 (Km/h) vẫn chưa tìm được vị trí đỗ xe nhưng hệ thống đã bắt đầu tính khoảng cách để so với chiều dài xe (ở đây đang tính được là 4166m) như hình 4.13.

Hình 4.14: Kết quả hiển thị trên phần mềm processing khi chỉ bật assist parking ở phía bên trái và đã tìm được vị trí đỗ xe

Khi đo được chiều dài là 6944 (mm) tức là đã hơn chiều dài cho phép để xe có thể di chuyển vào như đã tính toán trước đó, thì lúc này hệ thống báo “OK” tức là đã tím được một vị trí đỗ được xe.

Hình 4.15: Chỗ đậu xe có thể đỗ ở thực tế

Tính toán để tìm nơi đỗ xe đã trở nên khá chính xác, nhưng vẫn còn một số trường hợp không thể dự đoán trước được Ví dụ, mặc dù hệ thống có thể xác định được một vị trí phù hợp để đỗ xe, nhưng có thể xảy ra những sự cố bất ngờ tại chỗ đó, như ổ gà, sạt lở đất, hoặc những trở ngại khác Điều này có nghĩa là, dù hệ thống đã kích hoạt và đề xuất một nơi đỗ xe, tài xế vẫn cần phải tự quan sát và đánh giá lại tình hình trước khi quyết định đỗ xe.

Dù công nghệ có thể hỗ trợ trong việc tìm kiếm và đề xuất vị trí đỗ xe, nhưng vẫn cần sự can thiệp của con người để đảm bảo an toàn và thuận tiện Do đó, mặc dù hệ thống có thể cung cấp thông tin, tuy nhiên tài xế vẫn phải giữ vai trò quan trọng trong việc quyết định cuối cùng và thực hiện các biện pháp phòng tránh nếu cần Điều này chỉ ra rằng, mặc dù công nghệ tiên tiến có thể giúp cải thiện trải nghiệm đỗ xe, nhưng vẫn cần sự phối hợp giữa hệ thống tự động và khả năng quan sát của con người để đảm bảo an toàn và hiệu quả tối đa.