Công nghệ Xe tự động

Xe tự động hay còn gọi là xe tự hành ( autonomous vehicle) Hãng google là hãng có sự phát triển mạnh mẽ nhất trong lĩnh vực này Chiếc xe Toyota Prius là chiếc xe đầu tiên mà Google lắp đặt hệ thống tự động vào

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XE TỰ ĐỘNG 3

1 Mô tả xe tự động 3

2 Lịch sử xe tự động 4

3 Phân loại xe tự động 6

II CẤU TRÚC CỦA XE TỰ ĐỘNG 7

1 Radar 8

2 Optics 9

3 Lidar 9

4 GPS 10

5 Processors 10

6 Wheel Speed Sensors 10

III NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA XE TỰ ĐỘNG 11

IV VẤN ĐỀ TÍCH CỰC VÀ TRỞ NGẠI CỦA XE TỰ ĐỘNG.15 1 So sánh với con người 15

2 Tích cực 16

3 Trở ngại 18

V MỘT SỐ LOẠI XE TỰ ĐỘNG HIỆN NAY 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

Hầu hết những người đam mê xe hơi rất ghét ý tưởng về một chiếc xe có thể lái

tự động Tuy nhiên, dù chậm mà chắc, mức độ phổ biến của loại xe này được dự đoán sẽ tăng nhanh trước khi mọi người kịp nhận ra Tất cả chỉ là vấn đề thời gian

để xe tự hành củng cố vị thế trong công nghiệp ô tô thế giới trong tương lai không xa

Xe tự hành mới chỉ chập chững những bước ban đầu trong quá trình tự khẳng định vị thế Giống như một cuộc phiêu lưu công nghệ mới mẻ, không thể hi vọng doanh số bán ra là hàng triệu chiếc mỗi năm như những chiếc xe truyền thống Tuy nhiên, tiềm năng giảm thiểu tai nạn cũng như mức độ phổ biến tới mọi phân khúc xã hội sẽ là điều kiện để công chúng chấp nhận các phương tiện tự động Ngay cả

người điều khiển lão luyện nhất cũng sẽ dần nhận ra vai trò của xe tự hành trong thế giới ô tô

Dù tiêu cực hay tích cực, xe tự hành là xu thế phát triển tất yếu của guồng quay

kỹ thuật tiên tiến Công chúng sẽ không mong đợi sự xuất hiện trong vài năm tới, thậm chỉ cả thập kỷ tiếp theo nhưng sẽ từng bước tiếp cận với hình thức lái xe tự động để chuẩn bị cho sự bùng nổ công nghệ trong tương lai

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XE TỰ ĐỘNG

1 Mô tả xe tự động

- Xe tự động (AUTONOMOUS VEHICLES) là chiếc xe có khả năng cảm nhận được môi trường xung quanh của nó và tự điều hướng, mà không cần những tác động đầu vào của con người trong suốt lộ trình di chuyển của nó

AUDI

- Với sự phát triển của khoa học

những tiện lợi cho con người như :

những vụ tai nạn giao thông do lỗi điều khiển của con người

• Giảm chi phí lao động cho người điều khiển xe ô tô, người điều khiển giao thông (cảnh sát ), tránh ùn tắc giao thông , tiết kiệm không gian đỗ

xe trong trung tâm những thành phố lớn

• Tạo điều kiện thuận lợi và rễ ràng cho người tham gia giao thông khi ở trên xe ô tô họ sẽ không bị giới hạn tuổi tác, giấy phép lái xe, hay gặp các rắc rối khác về vấn đề sức khỏe …, đồng thời giúp con người tiết kiệm thời gian trong quá trình di chuyển từ nơi này đến nơi khác họ có thể làm những công việc mình yêu thích mà không phải lo lắng đến vấn

đề điều khiển xe trên đường

• Đồng thời tạo không gian rộng rãi tiện lợi bên trong xe ô tô vì đã loại

bỏ được vô lăng , bảng điều khiển …

- Trên xe tự động có trang bị các hệ thống như : RADAR, LIDAR, GPRS , CẢM BIẾN , CAMERA… các hệ thống này sẽ thu thập thông tin để gửi về bộ điều khiển trung tâm, bộ điều khiển này có khả năng phân tích dữ liệu gửi về từ các hệ thống để phân biệt với những xe khác và xác định khoảng cách an toàn, tốc độ

xe đang chạy, xác định vị trí của xe, xác định làn đường và các bảng chỉ dẫn giao thông, những thông tin này rất quan trọng trong việc hoạch định kế hoạch di chuyển của xe trong lộ trình đến nơi mong muốn

2 Lịch sử phát triển của xe tự động

- Từ những năm 1920 những thí nghiệm đầu tiên về xe điều khiển tự động được thực hiện, và ý tưởng cho việc điều khiển này dựa vào sóng radio phát ra từ bộ điều khiển dưới dạng xung và trên xe được gắn angten thu sóng, nhưng do những hạn chế của sóng radio là bước sóng ngắn và điều kiện di chuyển của xe, nên ý tưởng này chỉ thực hiện trong phòng thí nghiệm rất khó áp dụng vào thực tế

- Những năm 1930, ý tưởng chiếc xe dẫn đường được điều khiển bằng sóng radio

đã được đẩy qua trường điện được cung cấp bởi các mạch nhúng vào trong các đường này Đã được Bel Geddes đưa ra tại hội chợ thế giới năm 1939, và ông cũng dự đoán về sự phát triển của những con đường cao tốc trong tương lai tại các thành phố lớn đồng thời gây tranh cãi rằng đến lúc nào đó việc lái xe không phụ thuộc vào con người nữa

- Những năm 1950 :

• Năm 1953, RCA Labs xây dựng thành công một chiếc xe nhỏ mà đã được hướng dẫn và điều khiển bằng dây dẫn được đặt trong một mẫu trên sàn phòng thí nghiệm Hệ thống này làm dấy lên sự tưởng tượng của một số kĩ sư về sự ra đời của xe điều khiển tự động sau này Quyết định này được thực hiện để thử nghiệm với các hệ thống trong cài đặt đường cao tốc thực tế

- Những năm 1960, Đại học Ohio State đã phát triển hệ thống xe tự lái bởi các thiết bị điện tử gắn trên đường bộ , tuy nhiên hạn chế của hệ thống này là rất khó

áp dụng vào thực tế vì xe chỉ hoạt động được trên những tuyến đường gắn hệ thống điện tử tại vương quốc anh họ phát triển xe tự động bằng việc chôn các sợi cáp truyền tín hiệu dưới lòng đường , đến những năm 70 thì hệ thống này vẫn được nghiên cứu và phát triển ở anh Họ đã cho xe chạy thử và đạt 80km/h, xe chuyển động đúng quỹ đạo và vận tốc yêu cầu mà không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện thời tiết

- Những năm 1980, những hãng sản suất xe lớn có liên kết với các trường đại học

đã nghiên cứu chế tạo được những xe chạy ở những tốc độ thấp và quãng đường ngắn và tránh được những chướng ngại vật phía trước và chuyển động đúng hướng yêu cầu

- Những năm 1990, những chiếc xe bán tự động đã được chế tạo thành công và đưa vào chạy thử ở châu Âu Năm 1995, Đại học Carnegie Mellon đã phát triển thành công xe chạy bán tự động với hệ thống lái điều khiển tự động còn phanh và

ga do con người điều khiển Trong năm 1996, Giáo sư Alberto Broggi của Đại học Parma đưa ra các dự án Argo, mà làm việc trên cho phép một đội Lancia Thema đi theo (sơn) đánh dấu làn đường bình thường trong một đường cao tốc chưa sửa đổi Các kết quả của dự án là một cuộc hành trình 1.200 dặm (1.900 km) trong sáu ngày trên đường cao tốc ở miền bắc Ý gọi là Mille Miglia trong

Automatico ( "một nghìn dặm tự động"), với tốc độ trung bình 56 dặm một giờ (90 km / h) Chiếc xe vận hành ở chế độ hoàn toàn tự động cho 94% của cuộc hành trình của mình,

- Những năm 2000 đến nay: Trong những năm 2000 những hãng sản suất xe lớn cũng như các trung tâm nghiên cứu lớn đã tập trung nghiên cứu và phát triển xe

tự động dựa trên nguyên lý thu thập thông tin môi trường xung quanh chiếc xe bằng các cảm biến và radar , lidar , gps … đưa về bộ điều khiển thông minh phân tích xử lý thông tin để đưa ra tín hiệu điều khiển chính xác Đã có những kết quả khả quan và đưa ra được các mô hình xe hoạt động có hiệu quả trong thực tế

Hình 1.2: Porsche Cayenne

- Chiếc xe này được thiết kế bởi Viện công nghệ Georgia cộng tác với tập đoàn khoa học ứng dụng quốc tế (SAIC) cho Cơ quan các dự án phòng thủ (DARPA – Hoa Kỳ) hallenge in 2007

3 Phân loại xe tự động

Hiệp hội kĩ sư ô tô hoa kì (SAE) đưa ra tiêu chuẩn phân loại dựa vào sự can thiệp điều khiển tự động hoàn toàn , hay hỗ trợ điều khiển tự động của một chiếc xe , và phân loại 5 cấp độ cho một chiếc xe tự động :

• Level 0 : đây là cấp độ không có tự động hóa , người lái xe chịu trách nhiệm điều khiển và vận hành tất cả các quá trình của một chiếc xe lưu thông trên đường

• Level 1 : chiếc xe được hỗ trợ điều khiển tự động một số chức năng tự động cụ thể như (Cruise Control, kiểm soát ổn định điện tử (ESC) , phanh khẩn cấp tự động (AEB) ) Ngoài ra người điều khiển xe phải chủ động kiểm soát xe bất cứ lúc nào

• Level 2 : trên xe được trang bị có ít nhất hai hệ thống điều kiển tự động cùng làm việc đồng thời ví dụ như (kiểm soát ổn định điện tử (ESC) , phanh khẩn cấp tự động (AEB) ) ở cấp độ này người tài xế vẫn phải chủ động điều khiển các chức năng còn lại của chiếc xe

• Level 3: trong những giai đoạn thuận lợi trong quá trình di chuyển của

xe ( ví dụ như đường cao tốc , hay xa lộ ) người điều khiển xe có thể nhường quyền kiểm soát và điều khiển xe lại hệ thống điều khiển tự động trong khoảng thời gian nhất định để nghỉ ngơi

• Level 4 : hệ thống điều khiển tự động sẽ thực hiện tất cả các chức năng

để chiếc xe di chuyển trong suốt lộ trình được an toàn và đúng quy định của luật pháp , đồng thời nó sẽ tự tìm bãi đỗ xe khi thực hiện đến

cuuois lộ trình mong muốn và không cần đến sự can thiệp của con người

II CẤU TRÚC XE TỰ ĐỘNG

Hình 2.1: Cấu trúc xe tự độngCấu trúc xe tự động bao gồm những thành phần quan trọng:

đồ các vật thể

- Radar hoạt động ở tần sô vô tuyến siêu cao tần, có bước sóng siêu cực ngắn, dưới dạng xung được phát theo một tần số lập xung nhất định Nhờ vào ănten, sóng radar tập trung thành một luồng hẹp phát vào trong không gian Trong quá trình lan truyền, sóng radar gặp bất kỵ mục tiêu nào thì nó bị phản xạ trở lại Tín hiệu phản xạ trở lại được chuyển sang tín hiệu điện Nhờ biết được vận tốc sóng, thời

gian sóng phản xạ trở lại nên có thể biết được khoảng cách từ máy phát đến mục tiêu

- Những cảm biến radar trên ô tô được sử dụng để phát hiện những chướng ngại vật nguy hiểm trong khoảng hơn 100 mét xung quanh xe

- Hệ thống ngăn chặn tai nạn sẽ gây ra cảnh báo khi nó phát hiện ra vật cản trong điểm mù của xe

- Các radar phát sóng điện từ trong khoảng 10 – 11 GHz, truyền tín hiệu từ 1 ten hình nón nằm trên xe

ăn Có 2 ănăn ten nhận, được đặt cách nhau khoảng 14 inches, để nhận tín hiệu radar phản hồi lại

2 Optics

- Một camera được đặt gần kính chắn gió trước để tạo nên những hình ảnh 3D của con đường phía trước xe, nhận ra mối nguy hiểm như là người đi bộ hay động vật

- Nó được đặt ở trên nóc của chiếc xe, là thiết bị quan trọng nhất của xe tự động

- LIDAR bao gồm thiết bị phát, gương quét và thiết bị nhận

- Thiết bị phát phát ra 1 chùm tia LASER được phản chiếu bởi gương quét được quay với vật hình trụ 10 vòng mỗi phút

- Sau khi phản chiếu từ vật thể, chùm tia LASER quay lại gương quét và nó được phản chiếu xuống thiết bị nhận, tại đây nó sẽ được phân tích thành dữ liệu.

- Sau đó hệ thống có thể tạo nên 1 bản đồ của không gian xung quanh nó và sử dụng để tránh vật cản

Hình 2.3: LIDAR

4 GPS

- GPS (Global Positioning System) giữ chiếc xe trên đúng lộ trình đặt trước với độ chính xác khoẳng 30 centimeters

- GPS bao quát vị trí vĩ mô của xe, với camera nhỏ đặt trên xe có thể nhận ra

những chi tiết nhỏ như đèn tín hiệu, biển báo hoặc khu xây dựng

5 Processors

- 7 bộ xử lý dual-core tốc độ 2.14 GHz và 2Gb RAM yêu cầu để xử lý dữ liệu được thu thập bởi các bộ phận khác của xe

- Một vài xe chạy với nhiều hơn 17 bộ xử lý để xử lý hoạt động của máy tính

6 Wheel Speed Sensors

- Cảm biến tốc độ bánh xe đo tốc độ của bánh với mặt đường và hướng quay của bánh xe.

- Những cảm biến này còn cung cấp thông tin đầu vào cho một số hệ thống khác của xe như ABS, ESC

III NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA XE TỰ ĐỘNG

- Xe tự động ( hay còn gọi tự lái hoặc tự hành ) hoạt động được xây dựng

dựa trên người lái xe Các hoạt động của người lái được thay thế bằng máy tính ,

và bạn chỉ ngồi nghỉ ngơi trong khi chiếc xe đưa bạn đi đến nơi mà bạn muốn Đây là bước tiến trong ngành công nghệ ô tô

- Một chiếc ô tô muốn có khả năng tự lái phải đảm bảo được ba yêu cầu: hệ thống GPS xác định hành trình, các cảm biến để phát hiện những tình huống bất ngờ xảy ra trên đường, và một hệ thống có khả năng kết hợp GPS lần thông tin từ cảm biến thành hành động thực tế như lái xe, tăng tốc, bóp phanh

Hình 3.1: Hoạt động của xe trên đường

Các xe tự động lái có thể xác định vị trí của nhau tốt hơn với hệ thống GPS mới

- Được biết, các nhà nghiên cứu đã sử dụng 32 vệ tinh hiện đang có mặt trên quỹ đạo trái đất Tín hiệu từ các vệ tinh này sẽ liên tục truyền tín hiệu tới các bộ nhận GPS trên mặt đất, sử dụng các thuật toán đo đạc dữ liệu thời gian nhằm xác định khoảng cách giữa các thiết bị Chỉ với 4 vệ tinh cùng hoạt động sẽ giúp xác định

vị trí đo lường khoảng cách trên mặt đất

- Đặc biệt, các tịn hiệu trên được mã hóa dưới dạng tần số riêng biệt, các chu kỳ sóng có thể được tận dụng nhằm xác định vị trí vật thể với độ sai số cực nhỏ nếu

so sánh với các bộ thu phát tín hiệu GPS hiện nay

- Để một chiếc xe có thể tự hành thì đầu tiên nó phải hiểu được môi trường xung quanh để có thể đưa ra các phản ứng cần thiết Để làm được điều đó nó cần rất nhiều dữ liệu và thông tin từ hệ thống cảm biến Hiện tại Mercedes-Benz đang dùng các cảm biến siêu âm , radar và camera để thu thập dữ liệu về môi trường xung quanh chiếc xe ở tất cả mọi hướng Trong tương lai, các công nghệ cảm biến khác có thể được tích hợp để tăng lượng dữ liệu cung cấp cho chiếc xe.

Hình 3.2: Stereo Camera

- Các stereo camera có thể xác địch chính xác các đối tượng phía trước, ví dụ là chướng ngại vật đứng yên, các xe đang di chuyển hay là người đi bộ trong vòng 50m Nó cũng có thể xác định làn đường để biết là khi nào thì xe phải vào cua và làm sao để giữ làn đường cho đúng

Hình 3.3: Long range radar systems

- Trên xe còn có gắn thêm 2 radar tầm xa ở mỗi bên để theo dõi tình hình giao thông ở bên phải và bên trái xe tại chỗ giao cắt hay ngã tư.

Hình 3.4: Short range radar systems

- Ngoài ra còn có thêm 4 radar tầm ngắn để theo dõi các tình huống bất ngờ, hữu dụng khi vào vòng xuyến hay khi 2 xe chạy song song

Hình 3.5: Hình ảnh từ camera

- Xe có 2 camera, một ở phía trước và một ở phía sau Cái phía trước sẽ theo dõi tình hình giao thông trước xe và cả tín hiệu đèn giao thông Còn cái phía sau sẽ theo dõi các xe sau đuôi Cùng với tín hiệu GPS, các camera này sẽ giúp xác định

vị trí chiếc xe chính xác hơn

- Xe được trang bị bản đồ số với độ chính xác cao hơn, chi tiết hơn so với các bản

đồ dẫn đường thông thường Bản đồ số sẽ có các thông tin chi tiết như vị trí nào thì có vạch dừng, đèn giao thông,… các thông tin sau đó sẽ được ghi nhận bởi hệ thống cảm biến gắn trên xe

- Hệ thống kiểm soát lái xe sẽ có thể phân tích và truy xuất các dữ liệu thời gian thực và đưa ra các quyết định xử lý phù hợp nhất cho mỗi tình huống Bộ phận đưa ra các quyết định xử lý sẽ không liên kế đến bất kỳ hệ thống nào bên ngoài chiếc xe, vì thế nó sẽ được bảo vệ an toàn khỏi các truy xuất không yêu cầu từ bên ngoài

- Sơ đồ hoạt động của một chiếc xe tự hành :

-IV VẤN ĐỀ TÍCH CỰC VÀ TRỞ NGẠI CỦA XE TỰ ĐỘNG

1 So sánh với con người

và chuyển tiếp

- Kiểm soát tay lái

- Kiểm soát phanh

- Điều khiển bướm ga

Bộ điều khiển điện tử

-Phần mền

- Quyết định -Chức năng kiểm tra -Giao diện người dùng

- Với con người ta mất 2s để phản ứng và nhấn phanh còn máy tính mất 3s nhưng ngược máy tính thể hiện sự ưu việt về quá trình giảm tốc của một chiếc xe Đây

là yếu tố quan trọng trong việc giảm thiểu tai nạn xe

- Một sự so sánh tiếp theo giữa người lái và máy tính lái một chiếc xe dựa trên việc thu thông tin qua đôi mắt Ta thấy rằng ở đây có một sự chênh lệch rất lớn Trong việc quan sát đường xá cũng như các chi tiết trên đường xá

- Con người nhìn thấy các chi tiết tương đương với 576 megapixel còn máy tính thông qua cảm biến máy ảnh kỹ thuật số tốt nhất hiện nay là 50 megapixels

2 Tích cực

- Chỉ cần xem xét khả năng kiểm soát mà máy tính có thể thực hiện dưới mui xe, không thể nghi ngờ gì về mức độ hiệu quả của xe tự hành Hệ thống chống bó phanh tự động luôn tốt hơn ngưỡng phanh mà người lái thực hiện trên thiết bị tiêu chuẩn, tương tự với việc kiểm soát lực bám và kiểm soát sự ổn định Công nghệ tiên tiến này đã giảm bớt gánh nặng đặt lên người điều khiển trên đường cao tốc hay khi tắc đường bởi tất cả đều được tự động hóa Từ phát hiện điểm

mù, cảnh báo làn đường khi khởi hành, quản lý gia nhập làn đường và thậm chí

tự đậu xe,

- Kết quả nghiên cứu cho thấy người điều khiển là nguyên nhân chính gây ra tai nạn giao thông Với xe tự hành, sự phân tâm khi mệt mỏi hay say rượu sẽ không ảnh hưởng tới khả năng làm chủ trên đường bởi nhiệm vụ này được máy tính đảm nhận Không thể kỳ vọng mức độ giảm thiểu tai nạn là 100% nhưng xe tự