Báo cáo môn học hệ thống nhúng hệ thống cảm biến Áp suất lốp tpms

Trong đó, vai trò của hệ thống cảnh báo cảm biến áp suất lốp là rất quan trọng trong việc báo động nhiệt độ trong lốp xe, theo dõi, kiểm tra áp suất của lốp xe hay sự rò rỉ của lốp, đồng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

BÁO CÁO MÔN HỌC HỆ THỐNG NHÚNG

HỆ THỐNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT LỐP-TPMS

GVHD: THS Thái Thị Ngọc Hằng Nhóm: 20.17

Tên: Trần Tấn Linh

Hoàng Anh Tuấn Lương Quang Thạch Nguyễn Chí Cường Lớp: 20C4A

ĐÀ NẴNG, 2024

Mục lục

I Tổng quan về hệ thống cảm biến áp suất lốp-TPMS 3

1 Đặt vấn đề: Chuyện gì xảy ra nếu như xe không có hệ thống cảnh báo áp suất lốp - TPMS? 3

2 Hệ thống cảnh báo áp suất lốp xe TPMS là gì? 3

3 Hệ thống cảnh báo áp suất lốp có vai trò như thế nào? 4

II Vị trí của các chi tiết trong hệ thống cảnh báo áp suất lốp-TPMS 4

III Sơ đồ hệ thống và sơ đồ mô hình hoá Simulink 5

1 Kết cấu các chi tiết chính: 5

2 Sơ đồ hệ thống: 6

3 Sơ đồ mô hình hoá: 7

a Tổng quan về mô hình: 8

b Giải thích các khối trong mô hình simulink: 8

4 Các đơn vị trong mô hình 10

5 Kết quả mô phỏng: 13

IV Kiểm thử hệ thống: 14

1 Kiểm thử đơn vị, mô hình và hệ thống con: 14

2 Kiểm thử tích hợp 15

3 Kiểm thử hệ thống: 17

4 Kiểm thử chấp nhận: 20

I Tổng quan về hệ thống cảm biến áp suất lốp-TPMS

1 Đặt vấn đề: Chuyện gì xảy ra nếu như xe không có hệ thống cảnh báo áp suất lốp - TPMS?

- Lốp xe có áp suất lốp thấp có thể do bị thủng hoặc do một số vấn đề khách quan khác làm cho áp suất sẽ giảm nhanh và khiến cho bánh xe mất độ bám đường, bạn sẽ thấy khó kiểm soát xe

- Nếu không có hệ thống TPMS thì có thể bạn sẽ gặp một vài vấn đề nghiêm trọng như kiểu bạn bị mất lái hay nặng hơn là tai nạn giao thông

2 Hệ thống cảnh báo áp suất lốp xe TPMS là gì?

➢ Hệ thống cảnh báp áp suất lốp - TPMS (viết tắt của cụm từ Tire Pressure Monitoring System trong tiếng Anh) là một hệ thống điện giúp theo dõi áp suất không khí bên trong lốp xe ô tô, đồng thời đưa ra cảnh báo bằng đèn khi áp suất của lốp dưới 25% áp suất tiêu chuẩn

➢ Hiện nay, hầu hết các ký hiệu cảnh báo đều có màu vàng, hình dạng tương tự như hình móng ngựa và có kèm dấu chấm than lồng vào chính giữa Khi áp suất 1 trong 4 bánh xe không đạt chuẩn thì ký hiệu này hiển thị trên bảng đồng hồ nhằm cảnh báo đến người dùng

Hình 1: Hệ thống cảnh báo áp suất lốp-TPMS

3 Hệ thống cảnh báo áp suất lốp có vai trò như thế nào?

➢ Áp suất và nhiệt độ tại lốp xe là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến độ bền cũng như độ an toàn của xe Trong đó, vai trò của hệ thống cảnh báo cảm biến áp suất lốp là rất quan trọng trong việc báo động nhiệt độ trong lốp xe, theo dõi, kiểm tra áp suất của lốp xe hay sự rò rỉ của lốp, đồng thời hạn chế tối

đa các sự cố không may xảy ra khi lưu thông trên đường

➢ Khi lốp không đủ hơi, diện tích chạm vào mặt đường sẽ lớn hơn, làm cho lực ma sát cao hơn Điều này làm cho lốp và nhiệt độ tăng lên Lốp mềm quá có thể gây nguy hiểm vì có thể bị nổ bất ngờ Hơn nữa, phần nối giữa lốp và cao su dễ bị hỏng và làm giảm thời gian sử dụng của lốp

➢ Ngoài ra, lốp không đủ hơi còn làm giảm độ bền của các sợi chịu lực với mặt đường Do đó, khi xe đi qua những đoạn đường gồ ghề cũng có thể bị nổ lốp

II Vị trí của các chi tiết trong hệ thống cảnh báo áp suất

lốp-TPMS

Hình 2: Vị trí của các chi tiết

A- Xe sử dụng tay lái bên phải (RHD)

1- ECU và các bộ phận tín hiệu nhận cảnh báo áp suất lốp

3- Cụm chấp hành phanh-ECU điều khiển trượt

5- Van và bộ truyền tín hiệu cảnh báo áp suất áp suất lốp trước RH

7- Van và bộ truyền tín hiệu cảnh báo áp suất áp suất lốp trước LH

9- Cảm biến tốc độ sau LH

11- Van và bộ truyền tín hiệu cảnh báo áp suất áp suất lốp (lốp dự phòng)

B- Xe sử dụng tay lái bên trái (LHD)

2- Cảm biến tốc độ sau RH

4- Cảm biến tốc độ trước RH

6- Cảm biến tốc độ trước LH

8- Van và bộ truyền tín hiệu cảnh báo áp suất áp suất lốp sau RH

10- Van và bộ truyền tín hiệu cảnh báo áp suất áp suất lốp sau RH

III Sơ đồ hệ thống và sơ đồ mô hình hoá Simulink

1 Kết cấu các chi tiết chính:

Hình 3: Kết cấu các ci tiết chính 1- Van cảnh báo áp suất lốp và bộ truyền

➢ Mỗi bánh xe (kể cả lốp dự phòng) được trang bị một cảm biến

➢ Cảm biến đo liên tục áp suất không khí bên trong lốp và truyền tín hiệu về ECU

➢ Tín hiệu này sau đó được truyền đi qua mạng CAN (Controller Area Network) đến ECU

b Van và bộ truyền tín hiệu:

➢ Tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến và truyền đi tín hiệu cảnh báo áp suất lốp khi cần thiết

c ECU (Electronic Control Unit) chính thân xe:

➢ Bộ não của hệ thống, nhận và xử lý tất cả các tín hiệu từ các cảm biến và van

➢ So sánh dữ liệu áp suất thực tế với giá trị cài đặt tiêu chuẩn

➢ Ra lệnh kích hoạt các cảnh báo khi phát hiện bất thường

d ECU và bộ nhận tín hiệu cảnh báo áp suất lốp:

➢ Nhận tín hiệu từ ECU chính và xử lý để hiển thị thông tin lên các thiết bị khác

e Cụm đồng hồ táp lô:

➢ Hiển thị đèn cảnh báo áp suất lốp khi có sự cố

➢ Có thể hiển thị thông tin chi tiết về áp suất từng lốp trên màn hình đa thông tin

f Cụm công tắc trên vô lăng:

➢ Cho phép người lái truy cập và điều chỉnh các cài đặt liên quan đến hệ thống cảnh báo áp suất lốp

g Cảm biến tốc độ:

➢ Đo tốc độ xe và cung cấp thông tin này cho ECU để tính toán các thông số liên quan

h ECU cộng kết nối, ECU điều khiển trượt:

➢ Các ECU này có thể tương tác với hệ thống cảnh báo áp suất lốp để thực hiện các chức năng khác như kiểm soát độ ổn định, chống bó cứng phanh, v.v

i Mạng CAN (Controller Area Network):

➢ Hệ thống truyền thông cho phép các ECU khác nhau trao đổi dữ liệu với nhau

3 Sơ đồ mô hình hoá:

- Mô hình hệ thống cảnh báo áp suất lốp ô tô với các cảm biến áp suất giống hệt nhau ở mỗi bánh xe giao tiếp không dây với bộ điều khiển trong xe bằng ID thiết

bị duy nhất mà bộ điều khiển biết Bộ điều khiển kiểm tra các chỉ số áp suất so với phạm vi chấp nhận được Nếu chỉ số áp suất nằm ngoài phạm vi hoặc nếu bộ

điều khiển mất kết nối với một trong các cảm biến, bộ điều khiển sẽ kích hoạt

đèn cảnh báo và ghi lại lỗi trong nhật ký

Hình 4: sơ đồ simulink hệ thống cảnh báo áp suất lốp

a Tổng quan về mô hình:

- Mô hình chứa bốn cảm biến áp suất lốp giống hệt nhau được mô phỏng theo

các khối Model đa phiên bản biểu diễn các cảm biến trên bốn lốp xe của một

chiếc xe Các cảm biến định kỳ gửi tin nhắn đến bộ điều khiển Mỗi tin nhắn bao

gồm một giá trị đọc áp suất lốp và ID thiết bị của cảm biến Tất cả các tin nhắn

được định tuyến đến bộ điều khiển thông qua một khối Message Merge và được

đệm bởi một khối Queue

- Bộ điều khiển cũng có thể nhận thông tin liên lạc từ các cảm biến trên các xe

khác gần đó Bộ điều khiển có danh sách ID thiết bị của các cảm biến có liên

quan để có thể xác định thông tin liên lạc nào cần kiểm tra và thông tin nào cần

từ chối

- Để mô hình hóa môi trường bên ngoài mà hệ thống hoạt động, mô hình chứa

phiên bản thứ năm của mô hình cảm biến, đại diện cho cảm biến áp suất lốp trên

một phương tiện gần đó và truyền các thông điệp được bộ điều khiển nhận được

b Giải thích các khối trong mô hình simulink:

- Khối cảm biến áp suất lốp (Tire Pressure Sensors)

• Các khối ở phần bên trái đại diện cho các cảm biến áp suất lốp Mỗi lốp sẽ

có một cảm biến riêng biệt, và các cảm biến này sẽ liên tục đo áp suất của từng lốp

• Các giá trị áp suất từ cảm biến sẽ được truyền đến bộ điều khiển trung tâm

để phân tích và xử lý

• Output: từ cảm biến sẽ là các tín hiệu đại diện cho giá trị áp suất thực tế tại mỗi lốp

- Khối điều khiển trung tâm (Central Controller)

• Phần trung tâm của sơ đồ có thể đại diện cho bộ điều khiển chính, nơi các tín hiệu từ các cảm biến được thu thập và xử lý

• Bộ điều khiển sẽ so sánh các giá trị áp suất lốp với ngưỡng áp suất an toàn được thiết lập trước Nếu giá trị áp suất thấp hơn ngưỡng này, hệ thống sẽ phát hiện ra sự bất thường và chuẩn bị kích hoạt cảnh báo

• Khối này cũng có thể thực hiện các phép tính hoặc bộ lọc tín hiệu để đảm bảo rằng các tín hiệu cảm biến không bị nhiễu

- Khối xử lý và cảnh báo (Warning System)

• Phần bên phải của sơ đồ, có vẻ như là khối xử lý cảnh báo, có thể hiển thị đèn báo hoặc âm thanh nếu một trong các lốp xe có áp suất thấp hơn mức cho phép

• Nếu một cảnh báo được kích hoạt, đèn trên bảng điều khiển hoặc một thông báo cảnh báo sẽ được hiển thị cho người lái xe

• Khối này có thể bao gồm logic điều kiện (ví dụ như khối If/Else) để xác định khi nào cảnh báo sẽ được kích hoạt dựa trên dữ liệu từ các cảm biến

- Khối giao tiếp dữ liệu (Data Communication Block)

• Có thể có các khối liên quan đến giao tiếp dữ liệu, có vai trò truyền dữ liệu

từ các cảm biến tới bộ điều khiển, hoặc từ bộ điều khiển đến hệ thống cảnh báo

• Trong một số hệ thống hiện đại, các dữ liệu này được truyền thông qua hệ thống CAN bus (mạng nội bộ của xe), giúp các bộ phận trên xe trao đổi dữ liệu với nhau

- Khối xử lý khởi động và tắt (Initialization and Termination)

• Trong các hệ thống như TPMS, có thể có các khối chuyên để xử lý khi hệ thống khởi động và tắt máy, đảm bảo rằng các giá trị hiện tại từ cảm biến được lưu trữ hoặc xử lý đúng cách khi hệ thống bắt đầu hoặc dừng

4 Các đơn vị trong mô hình

➢ Đơn vị điều khiển:

Hình 5: đơn vị điều khiển

- Bộ điều khiển nhận các thông tin liên lạc riêng biệt từ mỗi cảm biến khi chúng được gửi qua giao tiếp không dây, phần mềm trung gian hoặc kết hợp cả hai Mỗi thông tin liên lạc bao gồm một phép đọc áp suất lốp từ phần cứng vật lý cùng với ID thiết bị duy nhất của đơn vị cảm biến Sự kết hợp của dữ liệu áp suất và ID thiết bị tạo thành tín hiệu tổng hợp của các kiểu dữ liệu khác nhau (vector đôi và vector ký tự) Kiểu tín hiệu này được sử dụng lại trong toàn bộ

mô hình Do đó, việc xác định một Simulink.Buskiểu cho sự kết hợp này là hợp

lý Các thông tin liên lạc có thể được nhận hoặc không được nhận theo định kỳ,

do đó chúng được coi là không đồng bộ Các thông tin liên lạc không đồng bộ được mô hình hóa dưới dạng tin nhắn trong Simulink, với bus là tải trọng tin nhắn

- Bộ điều khiển cũng có thể nhận thông tin liên lạc từ các cảm biến trên các xe khác gần đó Những thông tin liên lạc này cũng được mô hình hóa dưới dạng tin

nhắn có cùng loại bus Mô hình bộ điều khiển controllerCoreAlgorithm.slxnhận danh sách ID thiết bị của các cảm biến có liên quan làm đối số mô hình để có thể xác định thông tin liên lạc nào cần kiểm tra và thông tin nào cần từ chối

- Các thông tin liên lạc đến từ các cảm biến được nhận và lưu vào bộ đệm trong biểu đồ Stateflow® và sau đó được chuyển đến khối chức năng MATLAB Khối chức năng MATLAB kiểm tra từng ID thiết bị trong mỗi thông báo so với danh sách ID thiết bị hợp lệ, từ chối các thông báo không khớp và đưa ra các vectơ này tại mỗi bước thời gian:

• Một vectơ logic bốn phần tử cho biết liệu có nhận được số liệu cảm biến dòng điện từ mỗi lốp xe hay không

• Một vector dữ liệu bốn phần tử chứa các số liệu đọc cảm biến

- Các vectơ này được truyền đến một hệ thống con for-each, áp dụng cùng một thuật toán cho mỗi cảm biến Cả hai đầu vào này cho hệ thống con for-each đều được phân vùng, cùng với danh sách ID thiết bị hợp lệ

Hình 6: Các đối số của mô hình điều khiển

- Các đối số của mô hình bộ điều khiển bao gồm:

• Phạm vi chấp nhận được cho dữ liệu áp suất lốp được đo bằng cảm biến

• Tần suất các cảm biến dự kiến truyền dữ liệu để không bị coi là đã hết thời gian chờ

- Trong hệ thống con for-each, biểu đồ Stateflow được sử dụng để mô hình hóa logic thời gian của việc kiểm tra thời gian chờ cũng như để kiểm tra xem giá trị

áp suất có nằm trong phạm vi hợp lệ hay không

- Khi bộ điều khiển phát hiện lỗi, lỗi sẽ được ghi lại trong nhật ký lỗi, được mô hình hóa bằng khối Bộ nhớ lưu trữ dữ liệu, biểu diễn một vùng RAM trong bộ điều khiển Mỗi mục nhật ký bao gồm ID thiết bị và loại lỗi: áp suất quá cao, áp suất quá thấp, mất tiếp xúc với cảm biến Loại lỗi là một kiểu dữ liệu được liệt

kê được xác định cho mục đích này Sự kết hợp của ID thiết bị và loại lỗi được

sử dụng trong các mục nhật ký lỗi tạo thành một kiểu tín hiệu tổng hợp, được xác định bằng cách sử dụng một Simulink.buskiểu có hai trường này Hàm Simulink logFaultthực hiện ghi nhật ký lỗi bằng cách thêm thông tin lỗi mới vào nhật ký lỗi Biểu đồ Stateflow gọi hàm này mỗi khi phát hiện lỗi

- Biểu đồ Stateflow receptionStatusChartđưa ra tín hiệu logic cho mỗi điều kiện lỗi có thể xảy ra và hệ thống con for-each nối các tín hiệu đầu ra này thành các vectơ logic Các tín hiệu này được kết hợp với các toán tử logic thành một đầu

ra logic đơn, vô hướng cho bộ điều khiển, cho biết sự có mặt hay không có mặt của điều kiện lỗi Tín hiệu này có thể được sử dụng để kích hoạt đèn cảnh báo hoặc báo động âm thanh khi có điều kiện lỗi

- Danh sách ID thiết bị cảm biến được chấp nhận là một tham số thể hiện của

mô hình bộ điều khiển, cũng như các giá trị tối thiểu và tối đa được chấp nhận cho áp suất lốp và khoảng thời gian chờ Thuật toán bộ điều khiển có thể được triển khai trong các ứng dụng khác nhau với các giá trị khác nhau của các tham

số này

➢ Đơn vị cảm biến:

Hình 8: đơn vị cảm biến

- Mỗi cảm biến đo dữ liệu từ môi trường vật lý, tức là áp suất lốp Trong mô hình cảm biến, đầu vào này được mô hình hóa bằng khối Inport gốc Đo áp suất được kết hợp với ID thiết bị duy nhất thành tín hiệu bus bằng cách sử dụng loại Simulink.busđược xác định cho mục đích này Tín hiệu bus là tải trọng của đầu

ra tin nhắn của cảm biến, được tạo bởi khối Message Send và được gửi đến Outport gốc Các cảm biến được thiết kế để truyền các số đọc theo định kỳ Tuy nhiên, các thông tin liên lạc được coi là không đồng bộ để tính đến sự không chắc chắn trong quá trình truyền và nhận Mỗi tin nhắn biểu thị một quá trình truyền rời rạc, không đồng bộ được gửi qua giao tiếp không dây, phần mềm trung gian hoặc kết hợp cả hai

- ID thiết bị duy nhất là một tham số thể hiện của mô hình cảm biến, được khởi tạo nhiều lần để biểu diễn nhiều lốp xe của xe Các mô hình cảm biến giống hệt nhau ngoại trừ tham số thể hiện này

5 Kết quả mô phỏng:

Hình 9: Kết quả mô phỏng Biểu đồ dưới cùng cho thấy khi tín hiệu điều khiển kích hoạt đèn cảnh báo được bật Đèn cảnh báo được bật khi áp suất lốp sau bên phải vượt quá giá trị tối đa cho phép là 4,5 và khi áp suất lốp trước bên trái thấp hơn giá trị tối thiểu cho phép là 1,25, nhưng cảm biến không liên quan không kích hoạt đèn cảnh báo

IV Kiểm thử hệ thống:

Giai đoạn kiểm thử là một phần không thể thiếu trong quá trình phát triển hệ thống cảnh báo áp suất lốp Nó giúp đảm bảo rằng hệ thống hoạt động ổn định, chính xác

và đáp ứng được các yêu cầu của người dùng

1 Kiểm thử đơn vị, mô hình và hệ thống con:

a Xác định các thành phần kiểm thử:

+ Cảm biến áp suất lốp: Thiết bị chính đo áp suất và gửi tín hiệu

+ Mạch điện điều khiển: Phần mềm hoặc phần cứng nhận tín hiệu từ cảm biến

b Thiết lập môi trường kiêm thử:

+ Máy đo áp suất: Đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy

+ Bảng mạch phát triển: Kết nối cảm biến và mạch điều khiển để kiểm tra tín hiệu

+ Phần mềm kiểm thử: Để ghi lại và phân tích kết quả

c Xây dựng các trường hợp kiểm thử

➢ Trường hợp 1: Áp suất bình thường

+ Thiết lập: Đảm bảo cảm biến kết nối với bảng mạch và máy đo

+ Hành động: Đo áp suất lốp và ghi lại giá trị

+ Quan sát: Ghi lại tín hiệu đầu ra từ cảm biến

+ So sánh: Đảm bảo giá trị từ cảm biến và máy đo khớp nhau

➢ Trường hợp 2: Áp suất thấp

+ Thiết lập: Giảm áp suất xuống 25 psi

+ Hành động: Quan sát xem đèn cảnh báo có sáng lên hay không