Nghiên cứu, thiết kế thiết bị chống ngủ gật cho lái xe ô tô

Các nghiên cứu có thể tập trung vào việc xác định đặc điểm của các tai nạn giao thông liên quan đến ngủ gật, phân loại đối tượng có thể gặp các tai nạn loại này, các phương pháp có thể h

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nông Quang Huy

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHỐNG NGỦ GẬT CHO LÁI XE Ô TÔ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Truyền Thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Vũ Thắng

Viện Điện Tử - Viễn Thông, Đại học BKHN

Hà Nội – Năm 2013

2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nông Quang Huy Sinh ngày 10 tháng 1 năm 1977

Mã số: CB110875

Ngành Kỹ thuật truyền thông Khóa 2011B

Đề tài luận văn:

“Nghiên cứu, thiết kế thiết bị chống ngủ gật cho lái xe ô tô”

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Vũ Thắng, Viện Điện Tử - Viễn

Thông

Tôi xin cam đoan luận văn này do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Vũ Thắng Trong luận văn, tôi có trích dẫn một số nội dung từ các tài liệu tham khảo Các nội dung trích dẫn tuân thủ các quy định về sở hữu trí tuệ, và được sự đồng ý của một số tác giả Các số liệu, hình vẽ được nêu trong luận văn được trích dẫn và xây dựng trên cơ sở khoa học, đảm bảo tính chân thực và chính xác của thông tin

Tôi xin chịu trách nhiệm với toàn bộ nội dung được trình bày trong luận văn này

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2013

Người viết

Nông Quang Huy

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 7

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 – ĐẶT VẤN ĐỀ 10

1.1 Thực trạng tai nạn giao thông do mệt mỏi khi lái xe 10

1.2 Nguyên nhân dẫn đến tai nạn khi lái xe mệt mỏi 14

1.3 Các biện pháp giải quyết vấn đề hiện nay 17

1.3.1 Tự nhận thức của lái xe 17

1.3.2 Giáo dục nhận thức cho lái xe 19

1.3.3 Sử dụng các thiết bị hỗ trợ 19

1.4 Đề xuất yêu cầu đối với thiết bị chống ngủ gật 22

CHƯƠNG 2 – PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP THIẾT KẾ 26

2.1 Cách thức xác định biểu hiện mệt mỏi của lái xe khi bắt đầu lái xe 26

2.1.1 Một số vấn đền cần giải quyết 26

2.1.2 Sử dụng trắc nghiệm nhanh xác định trạng thái tỉnh táo của lái xe 28

2.2 Cách thức phát hiện điều kiện và mức độ làm việc của lái xe 29

2.2.1 Một số vấn đề cần giải quyết 29

2.2.2 Công nghệ GPS 33

2.3 Cách thức tạo tín hiệu cảnh báo 41

2.3.1 Một số vấn đề cần giải quyết 41

2.3.2 Các loại kích thích có thể sử dụng để cảnh báo trong thiết bị 43

CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ 48

4

3.1 Phân tích thiết kế 48

3.1.1 Yêu cầu thiết kế 48

3.1.2 Sơ đồ khối tổng quan 49

3.1.3 Mô tả cấu hình và nguyên lý hoạt động của thiết bị 51

3.2 Thiết kế và chế tạo phần cứng 55

3.2.1 Thiết kế mạch điện tử 56

3.2.2 Giao diện điều khiển và hình ảnh sản phẩm 64

3.3 Thiết kế và xây dựng phần mềm điều khiển 65

3.3.1 Giao tiếp với các khối ngoại vi 67

3.3.2 Xử lý các thông tin và ra quyết định cảnh báo 69

3.3.3 Xử lý các thông tin trong chế độ cảnh báo 70

3.4 Thử nghiệm và đánh giá 71

3.4.1 Thử nghiệm việc thu nhận tín hiệu GPS và phân tách bản tin GPS 71

3.4.2 Thử nghiệm các mức độ kích thích 73

3.4.3 Thử nghiệm khả năng đánh thức của thiết bị 75

KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

5

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ

Hình 1.1: Ngủ gật khi đang lái xe và hậu quả 11

Hình 1.2: Mẫu phiếu thu thập thông tin của các lái xe 13

Hình 1.3: Biểu đồ đối tượng thông kê và tỷ lệ trả lời có buồn ngủ khi lái xe 13

Hình 1.4: Thiết bị chống ngủ gật đeo ở tai 20

Hình 1.5: Các thành phần trong hệ thống chống ngủ gật của Ford 21

Hình 1.6: Sơ đồ khối cơ bản của thiết bị: 24

Hình 2.1: Hình ảnh của sản phẩm ASP 29

Hình 2.2: Lắp hộp đen trên xe Bus tại Việt Nam 32

Hình 2.3: Mô hình tương quan giữa máy thu và các vệ tinh 34

Bảng 2.1: Các thành phần của tín hiệu và tần số tương ứng 36

Bảng 2.2: Diễn giải của bản tin: 39

Hình 2.4: Kết nối VĐK để đọc bản tin từ môđun thu GPS 40

Hình 2.5: Các loại tín hiệu dùng để cảnh báo cho lái xe 42

Hình 2.6: Các loại dòng TENS 46

Hình 2.7: Các loại dòng Diadynamic 47

Hình 3.1: Sơ đồ khối của thiết bị chống ngủ gật BK-ASP.01 49

Hình 3.2 Cấu hình của thiết bị chống ngủ gật BK_ASP V0.1 52

Hình 3.3: Sơ đồ mạch nguyên lý của môđun ghép nối với GPS 56

Hình 3.4: Môđun GPS SKM53S và các thông số hoạt động 56

Hình 3.5: Sơ đồ kết nối MCU 58

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động của mạch 59

Bảng 3.1: Danh sách lựa chọn cụm điện trở 60

Hình 3.7 Mạch nguyên lý khuếch đại công suất t/h kích thích 61

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý của mạch nguồn của toàn bộ thiết bị 62

6

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối thiết bị ngoại vi khác 63

Hình 3.10: Sơ đồ mạch in của thiết bị chống ngủ gật 63

Hình 3.11: Giao diện điều khiển 64

Hình 3.12: Hình ảnh mạch chế tạo của BK_ASP v1.0 64

Hình 3.13: Hình ảnh sản phẩm và điện cực kèm theo 64

Hình 3.14: Lưu đồ chương trình giai đoạn xác định đ/k cảnh báo 65

Hình 3.15: Lưu đồ chương trình của giai đoạn cảnh báo 66

Hình 3.16: Thử nghiệm sai số vận tốc của thiết bị BK_ASP 72

Hình 3.17: Dòng kích thích đo được trên cơ thể 74

(Hệ thống Định vị Toàn cầu vi sai)

(Bộ truyền/nhận không đồng bộ)

(Hiệp hội điện tử hàng hải quốc gia)

RMC Recommended Minimum Data for GPS

MCU Microcontroller

(Vi điều khiển – VĐK)

8

LỜI NÓI ĐẦU

Ngủ gật trong khi đang lái xe là một nguyên nhân dẫn đến nhiều tai nạn giao thông nghiêm trọng Các tai nạn loại này không chỉ gây hậu quả nghiêm trọng cho phương tiện và người điều khiển, mà còn gây các ảnh hưởng đến tính mạng của một số người khác

Hiện tượng ngủ gật khi đang lái xe là hiện tượng phổ biến thường gặp ở người lái xe, không phân biệt chủng tộc, độ tuổi, giới tính, nghề nghiệp, lái xe tác giả hay làm nghề lái xe,… Ở các nước tiên tiến, hàng năm có rất nhiều nghiên cứu, thăm dò về tình trạng này được thực hiện Các kết quả thu được

là cơ sở đánh giá hiện trạng, và là cơ sở để đề ra các giải pháp nhằm hạn chế các tai nạn liên quan đến tình trạng ngủ gật khi đang lái xe Các nghiên cứu có thể tập trung vào việc xác định đặc điểm của các tai nạn giao thông liên quan đến ngủ gật, phân loại đối tượng có thể gặp các tai nạn loại này, các phương pháp có thể hạn chế các tại nạn, đề ra luật và các quy định để giáo dục và cảnh báo người điều khiển phương tiện, nghiên cứu các thiết bị giúp xác định trạng thái của người điều khiển và cảnh báo khả năng có thể xảy ra tai nạn,… Hiện nay, một số hãng sản xuất ô tô và một số nhà cung cấp sản phẩm dịch

vụ đã tích hợp và cung cấp một số thiết bị cảnh báo ngủ gật khi lái xe Các thiết bị này cho phép xác định trạng thái của người đang điều khiển xe, và sau

đó đưa ra các cảnh báo đối với người điều khiển phương tiện, để lái xe có thể đưa ra quyết định nhằm tránh các tai nạn đáng tiếc xảy ra với phương tiện, bản thân và những người xung quanh

Tuy nhiên, đó là ở các nước phát triển như Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản,… còn

ở Việt Nam thì chưa có nhiều các nghiên cứu hay thiết bị như vậy được áp dụng vào thực tế để giảm thiểu các tai nạn liên quan đến ngủ gật khi đang lái

10

CHƯƠNG 1 – ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong chương này bao gồm các nội dung chính sau đây:

 Thứ nhất là xác định thực trạng của tình trạng tai nạn giao thông liên quan đến sự mệt mỏi khi lái xe, và sự cần thiết của nghiên cứu

 Thứ hai là xác định nguyên nhân dẫn đến tai nạn khi lái xe mệt mỏi và buồn ngủ, đặc điểm của các tai nạn loại này Chúng sẽ là cơ sở khi đề xuất giải pháp phát hiện khả năng buồn ngủ của lái xe để đưa ra tín hiệu cảnh báo một cách hiệu quả

 Thứ ba là giới thiệu các giải pháp hiện có để hạn chế hậu quả của các tai nạn do lái xe mệt mỏi và buồn ngủ

 Cuối cùng là dựa trên các thông tin về thực trạng, nguyên nhân và các giải pháp hiện có, tác giả đề xuất cấu hình cần có của thiết bị chống ngủ gật cho lái xe

Để phù hợp với điều kiện hiện tại của Việt Nam, thiết bị được đề xuất trong nghiên cứu này được phát triển dựa trên việc áp dụng các công nghệ mới, kế thừa các ưu điểm của các giải pháp chống buồn ngủ cho lái xe hiện có, và hạn chế các nhược điểm của các thiết bị đã thương mại

1.1 Thực trạng tai nạn giao thông do mệt mỏi khi lái xe

Hiện tượng ngủ gật khi đang lái xe là hiện tượng phổ biến thường gặp ở người lái xe, không phân biệt chủng tộc, độ tuổi, giới tính, nghề nghiệp, lái xe tác giả hay làm nghề lái xe,… Do mức độ nghiên trọng và thường xuyên của các tại nạn loại này, nên các thông tin về các tai nạn liên quan đến ngủ gật rất nhiều Điều này có thể thấy khi chúng ta chỉ cần gõ từ khóa tìm kiếm “Lái xe ngủ gật gây tai nạn nghiêm trọng” chúng ta có được rất nhiều kết quả trả về

11

(329.000 kết quả có liên quan trong 0,33 giây), trong đó có những thông tin số liệu rất mới

Hình 1.1: Ngủ gật khi đang lái xe và hậu quả

Ở các nước tiên tiến, hàng năm có rất nhiều nghiên cứu, thăm dò về tình trạng này được thực hiện Các kết quả thu được là cơ sở đánh giá hiện trạng,

và là cơ sở để đề ra các giải pháp nhằm hạn chế các tai nạn liên quan đến tình trạng ngủ gật khi đang lái xe Các nghiên cứu đã được tiến hành ở Mỹ cho biết rằng [1]:

 32% trưởng thành ngủ 6 giờ hoặc ít hơn mỗi đêm, trong khi 64% ngủ ít hơn 8 giờ đồng hồ

 Hai phần ba người lớn nói rằng họ có vấn đề và một với giấc ngủ, trong

đó một số người cho biết họ được chẩn đoán rối loạn giấc ngủ

 38% người nói rằng họ rơi vào tình trạng thiếu ngủ,

12

 57% những người được phỏng vấn cho nói rằng họ đã lái xe trong khi buồn ngủ trong năm qua, trong khi 23% nói rằng họ đã thực sự đã ngủ khi lái

 Kết quả khảo sát tương tự đã được đưa ra trong các nghiên cứu khác nhau, ở cả Mỹ và các nước khác Trong một cuộc khảo sát gửi chính quyền Thành phố New York đã cho thấy rằng:

 55% thừa nhận rằng họ đã điều khiển xe trong khi buồn ngủ trong năm qua và trước đó,

 23% báo cáo rằng họ đã có ngủ gục khi đang lái xe nhưng không bị tai nạn, 3% cho biết họ đã ngủ khi đang lái xe và bị tai nạn

 Ở Anh, 29% số người trả lời một cuộc điều tra thư điện tử thông báo rằng họ đã cảm thấy mơ màng trong khi lái xe

Các nghiên cứu đã ước tính rằng buồn ngủ là nguyên nhân chính trong 100,000 vụ tai nạn thống kê được mỗi mỗi năm, dẫn đến 76.000 người bị thương và 1.500 ca tử vong Những con số này chiếm 1- 3% của tất cả các ca tai nạn có thể thống kê được [2]

Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả cùng các cộng tác viên đã thực hiện một số khảo sát nhanh đối với hơn 100 người thường xuyên lái xe, và gần như toàn bộ những người được hỏi nói rằng họ đã từng cảm thấy buồn ngủ khi đang lái xe Trong số này thì những người làm nghề lái xe thường gặp vấn đề này nhiều hơn so với những người lái xe tác giả Nguyên nhân, như được các lái xe cung cấp, là do thời gian làm việc dài, thời gian lái xe thường diễn ra vào ban đêm, số giờ lái xe trong một tuần làm việc nhiều (có trường hợp chiếm trên 60% thời gian) Họ cũng cho biết nhiều lái xe chở hàng trẻ tuổi có thể phải sử dụng các chất kích thích gây nghiện như ma túy để tạo ra

13

trạng thái tỉnh táo khi lái xe vào ban đêm Tuy nhiên, do quy mô của nghiên cứu này hạn chế nên tác giả và nhóm nghiên cứu đa phần tham khảo các kết quả nghiên cứu của nước ngoài Do vậy, các thông tin khảo sát chỉ mang tính chất kiểm chứng các ý kiến chủ quan của tác giả và nhóm nghiên cứu

Hình 1.2: Mẫu phiếu thu thập thông tin của các lái xe

Các số liệu thu nhận được:

Hình 1.3: Biểu đồ đối tượng thông kê và tỷ lệ trả lời có buồn ngủ

khi lái xe

14

1.2 Nguyên nhân dẫn đến tai nạn khi lái xe mệt mỏi

Mệt mỏi đẫn đến buồn ngủ là một phản xạ tự nhiên của cơ thể, và sẽ không có bất cứ vấn đề gì nghiêm trọng có thể xảy ra, trừ trường hợp chúng ta buồn ngủ khi đang làm việc, đặc biệt là đang lái xe

Buồn ngủ khi đang lái xe sẽ dẫn đến ngủ gật Ngủ gật thường có biểu hiện dẫn đến mất tập trung, cơ thể rơi vào trạng thái vô thức Mắt lim dim trong giây lát, rồi bất chợt tỉnh lại Cơ cổ thả lỏng, đầu gục xuống giống như tư thế cúi gằm mặt Cơ thể rơi vào trạng thái vô thức, tài xế mất đi khả năng điều khiển xe, chạy không ổn định, lấn làn Lái xe không kịp phản xạ để tránh tình huống nguy hiểm khi tới gần chướng ngại vật hoặc phương tiện giao thông khác Chính bởi thế ngủ gật là một trong những nguyên nhân gây ra những tai nạn nghiêm trọng

Những nguyên nhân gây ra buồn ngủ khi lái xe bao gồm:

 Thiếu ngủ do ngủ quá ít hoặc bị thức giấc nhiều lần trong thời gian ngủ;

 Các yếu tố sinh học do có công việc đột xuất, không được điều trị rối loạn giấc ngủ, và uống rượu bia gây mệt mỏi;

 Mệt mỏi do mức độ và điều kiện lái xe (thời gian lái xe, thời điểm lái xe, môi trường xung quanh,…) Lái xe là công việc nặng nhọc, dù cơ bắp không vận động nhiều nhưng mắt và một số giác quan luôn trong trạng thái tập trung cao độ Theo thời gian, năng lượng cung cấp cho não dần

bị cạn Cơ thể đòi hỏi nghỉ ngơi và hiện tượng ngủ gật xuất hiện Bên cạnh đó, cơ thể ở tư thế ngồi cố định, rung, ồn, xóc trên xe cũng dễ làm lái xe mệt mỏi, vì thế cũng phát sinh cảm giác thèm ngủ

Buồn ngủ giống như đói, khát, là một trạng thái sinh lý cơ bản, bắt nguồn

từ tình trạng thiếu ngủ hay mệt mỏi Buồn ngủ cũng có thể bắt nguồn từ

15

những thay đổi tự nhiên của cơ thể, độ tỉnh táo của cơ thể theo chu kì thức – ngủ 24 giờ mỗi ngày Theo đồng hồ sinh học của cơ thể thì chúng ta buồn ngủ mỗi ngày hai lần: lần đầu là khoảng thời gian ngủ ban đêm, từ 1h – 6h sáng,

và lần thứ hai là 12 giờ sau đó, 13h00 -15h00 chiều

Theo một số nghiên cứu, độ tỉnh táo của một người thức trong 18 giờ chỉ bằng độ tỉnh táo của người uống rượu với nồng độ rượu trong máu là 0,08% (nồng độ bị coi là say rượu), do đó, nếu người điều khiển xe ngủ dưới 6 tiếng

mỗi ngày sẽ buồn ngủ khi lái xe (Prepared by Jessica Schmidt PCH 201-02

Wellness, Spring, 2012) Chúng ta bị thiếu ngủ vì nhiều lý do, nhưng có thể

kể ra các trường hợp như sau:

 Gần một phần ba người trưởng thành báo cáo họ chỉ ngủ 6 giờ vào ban đêm hoặc ít hơn, và gần hai phần ba ngủ ít hơn 8 giờ mỗi ngày William Dement, một chuyên gia về giấc ngủ nổi tiếng, cho rằng tác động của mất ngủ tích lũy qua thời gian và không tiêu tan (Dement, 1997; Dement

và Vaughan, 1999) Thậm chí mỗi ngày bình thường trong tuần làm việc

bị thiếu ngủ khoảng 30 hoặc 40 phút có thể dẫn đến cần từ 3 đến 4 giờ ngủ bù vào cuối tuần Điều này có thể làm tăng khả năng dẫn đến buồn ngủ vào ban ngày

 Người trẻ là những người thường rơi vào trạng thái thiếu ngủ Trạng thái này gây ra bởi lối sống và cũng có thể do hiệu ứng sinh học rất khó ngủ của người trẻ ở khoảng thời gian từ 22 giờ đêm đến 2 giờ sáng

 Công nhân làm ca cũng thường có giấc ngủ kém chất lượng, ngủ không

đủ thời gian Ước tính 26% nam giới và 18% phụ nữ trong độ tuổi lao động của Mỹ làm các công việc liên quan đến thương mại và điều khiền

phương tiện giao thông rơi vào trạng thái này (Richardson et al, 1990)

16

Mệt mỏi là trạng thái cơ thể không muốn tiếp tục thực hiện một việc gì đó khi đang thực hiện Trạng thái mệt mỏi gây ra bởi quá trình lao động vật lý, cũng như việc thực hiện các hoạt động lặp đi lặp lại một cách nhàm chán (như: theo dõi một màn hình hiển thị, hoặc lái xe trên một đoạn đường trường vắng,…)

Một số người có thể rơi vào trạng thái mệt mỏi mà không bị buồn ngủ, nhưng mệt mỏi cũng là một điều kiện cơ bản dẫn đến buồn ngủ Qua quan sát của các nhà nghiên cứu, được công bố trong một số tài liệu, thấy rằng: bữa ăn

no, phòng ấm, bài giảng nhàm chán và công việc đơn điệu của việc lái xe ô tô đường trường có thể làm cho chúng ta có cảm giác buồn ngủ

Các tài liệu nghiên cứu đã cho thấy sự liên quan giữa buồn ngủ và mệt mỏi dẫn đến giảm mức độ cảnh giác, giảm thời gian phản ứng, giảm khả năng nhớ, giảm khả năng xử lý thông tin, và khả năng quyết định Đối với lái xe, buồn ngủ và mệt mỏi có ảnh hưởng lớn đến sự chú ý tới đường đi và các yêu cầu giao thông, điều này dẫn đến suy giảm chất lượng hoạt động, mất an toàn khi lái xe

Các nhà nghiên cứu sau khi quan sát và tổng hợp các kết quả nghiên cứu

đã kết luận rằng, các lái xe không làm chủ được bản thân khi rơi vào trạng thái buồn ngủ, hay họ không biết chính xác đâu là giới hạn chịu đựng của họ khi cơn buồn ngủ kéo đến

Trong trường hợp lái xe buồn ngủ, thì việc lái xe càng làm họ buồn ngủ hơn, nhưng các lái xe thường không tự ý thức phải dừng lái xe khi đã ở trong trạng thái này Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với phát triển các biện pháp can thiệp bên ngoài để ngăn chặn ngủ gật liên quan đến tai nạn Các tai nạn liên quan đến mệt mỏi và buồn ngủ khi lái xe có đặc điểm chung là:

17

 Thường xảy ra vào ban đêm hoặc vào buổi chiều 13h00 – 15h30 là khoảng thời gian khi cơ thể có xu hướng ngủ tự nhiên, có khoảng thời gian lái xe liên tục không nghỉ ngơi dài (từ 2 giờ đến 4 giờ liên tục)

 Thường liên quan đến việc lái xe trên các quãng đường vắng, lái xe với tốc độ cao, và có khả năng dẫn đến chấn thương nghiêm trọng,

 Trong các tai nạn thường không thấy nhiều dấu hiệu có phanh hoặc các

nỗ lực khác để tránh sự va chạm,

 Thường xảy ra với những lái xe không có khả năng làm chủ bản thân khi bắt đầu lái xe Các lái xe có biểu hiện mệt mỏi, buồn ngủ, không tỉnh táo, nôn nóng muốn hoàn thành sớm công việc để nghỉ ngơi Lái xe có tuổi đời trẻ khoảng từ 16 đến 29 tuổi

Việc biết đặc điểm của tai nạn liên quan đến giấc ngủ có thể giúp đỡ trong việc phát triển và nhắm mục tiêu đưa ra các biện pháp đối phó hiệu quả Đặc biệt, những thông tin như vậy cung cấp cơ sở trực tiếp để xác định các khả năng có nguy cơ xảy ra tai nạn cao

1.3 Các biện pháp giải quyết vấn đề hiện nay

1.3.1 Tự nhận thức của lái xe

Quỹ AAA và đại học Iowa đã đúc kết và đưa ra 10 cách để giúp tài xế thoát khỏi tình trạng ngủ gật và lái xe an toàn [3]:

 Nên dừng xe khi cảm thấy buồn ngủ và uống cà phê hoặc chè để lấy lại

sự tỉnh táo Sau khi uống cà phê hoặc chè khoảng 30 phút mới được tiếp tục lên đường bởi cần có thời gian để nghỉ ngơi và để chất caffein ngấm vào máu

18

 Trước khi lái xe đường trường nên ngủ đủ giấc, ít nhất là 6 tiếng hoặc hơn Không nên làm việc cả ngày rồi lái xe cả đêm Nên lái xe những lúc bạn tỉnh táo và nghỉ đêm thay vì lái xe thông cả ngày lẫn đêm

 Nên tránh lái xe vào những thời điểm dễ gây buồn ngủ như giữa trưa và

từ giữa đêm đến sáng Nếu không thể ngủ vào những thời điểm đó thì hãy tạm dừng vài phút và nghỉ ngơi

 Nên tránh ăn các thức ăn nhiều chất carbohydrate, nên ăn các thức ăn giàu protein Nên tránh sử dụng các loại thuốc gây buồn ngủ như thuốc chống dị ứng, thuốc cảm cúm khi định lái xe

 Khi lái xe đường trường một mình nên vặn to đài, thỉnh thoảng thay đổi chương trình để chống lại cơn buồn ngủ

 Bên cạnh đó nên nghỉ 2h mỗi khi đi được từ 100 đến 120 dặm Những lúc nghỉ nên ra khỏi xe, làm vài động tác thể dục nhất là với cổ và vai Hãy lên lịch trình đi và không nên đi quá 300 đến 400 dặm/ngày

Khi nào thì nên nghỉ ngơi:

 Khi bạn không thể nhớ được những km cuối cùng bạn vừa đi qua

 Khi bạn lái lệch ra khỏi làn đường của mình

 Khi bạn cảm thấy suy nghĩ không còn thật sự tập trung

 Khi bạn ngáp liên tục

 Khi bạn cảm thấy khó tập trung hoặc mở mắt một cách tỉnh táo

 Và khi bạn suýt đâm vào cái gì đó

19

1.3.2 Giáo dục nhận thức cho lái xe

Các biện pháp để giải quyết vấn đề mất an toàn liên quan đến tính trạng mất tập trung và buồn ngủ khi lái xe bao gồm:

 Nâng cao nhận thức về vấn đề này cảnh báo về sự nguy hiểm đối với lái

xe và những người xung quanh khi lái buồn ngủ và mất tấp trung với hy vọng giảm số lượng người vi phạm Trong một số trường hợp, cần phải giải thích cho người lái xe biết lý do vì sao họ thường có nhu cầu lái xe khi mệt mỏi, buồn ngủ và khi đó họ cần suy nghĩ để lựa chọn phương pháp di chuyển khác thay thế trong trường hợp đó

 Tăng tính răn đe của hệ thống luật pháp và quá trình thực thi luật pháp đối với hành vi mất tập trung hay buồn ngủ khi đang lái xe

 Tạo ra các phương tiện và phương pháp giúp hạn chế và cảnh báo tình trạng ngủ gật khi lái xe cho lái xe

1.3.3 Sử dụng các thiết bị hỗ trợ

Để hạn chế các tai nạn gây ra do ngủ gật khi lái xe, một số hãng sản xuất ô

tô và các công ty chế tạo thiết bị đã đưa ra một số thiết bị kỹ thuật, nhằm cảnh báo lái xe khi lái xe có hiện tượng ngủ gật Chúng ta có thể thấy các thiết bị

có cấu hình từ phức tạp đến đơn giản, dưới đây là một số ví dụ về các thiết bị như vậy

1.3.3.1 Dòng thiết bị đơn giản

Một số lái xe cho biết họ có thể chống buồn ngủ hiệu quả với thiết bị chống ngủ gật có cấu trúc cơ bản như hình 1.4 Khi người sử dụng sản phẩm gật đầu về phía trước khoảng 15 - 30 độ, thiết bị sẽ rung động và phát ra âm thanh thật to để đánh thức người dùng Dưới đây là hình ảnh mô tả hình dạng

và cách sử dụng thiết bị loại này

20

Hình 1.4: Thiết bị chống ngủ gật đeo ở tai

Ở Việt Nam hiện nay có thể dễ dàng tìm kiếm các sản phẩm như thế này Các sản phẩm này có ưu điểm là gọn nhẹ và giá thành rất rẻ (khoảng hơn 10

đô la/sản phẩm) Tuy nhiên, một số bác sỹ cho biết sử dụng thiết bị này có thể gây hại cho sức khỏe

1.3.3.2 Dòng thiết bị cao cấp

Việc không tập trung hay tập trung quá mức khi lái xe cũng đều có thể gây mất an toàn cho xe, vì vậy Ford đã nghiên cứu hệ thống để giúp lái xe luôn duy trì trạng thái tập trung ở mức độ thích hợp bằng cách đưa ra các cảnh báo khi lái xe mất tập trung Hệ thống sẽ tổng hợp các thông tin thu thập được từ các cảm biến được gắn sẵn trên xe như của hệ thống phát hiện điểm đen, hỗ trợ lấn đường để đánh giá tình hình giao thông trên đường Các cảm biến khác như cảm biến vị trí bướm ga, góc lái được sử dụng để xác định phản ứng của lái xe và cảnh báo về những điều kiện mà các cảm biến này phát hiện được Thêm vào đó, để cảnh báo về những tiếm năng nguy hiểm mà các cảm biến này không xác định được, hệ thống có thể thực hiện ngắt kết nối điện thoại

da được đặt tại vô lăng, trụ lái và dây an toàn

Hình 1.5: Các thành phần trong hệ thống chống ngủ gật của Ford

Giống như các thiết bị được trang bị cho phòng tập thể dục, các cảm biến được đặt tại vô lăng để theo dõi sự thay đổi nhịp tim còn các cảm biến hồng ngoại được sử dụng để theo dõi nhiệt độ trên khuôn mặt và lòng bàn tay của lái xe Các cảm biến hồng ngoại đặt tại trụ lái được dùng để đo nhiệt độ bên trong khoang lái để so sánh với nhiệt độ lòng bàn tay và mặt lái xe, bên cạnh một cảm biến để đo nhịp thở của người lái, được đặt tại vị trí dây đai an toàn Tất cả các thông tin từ các cảm biến này sẽ được đưa vào máy tính xử lý để

22

phân tích và đưa ra cảnh báo cho lái xe ở mức độ thích hợp Hiện nay công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu, các chuyên gia của Ford đang làm việc trên các mẫu thử nghiệm và vẫn chưa xác định được thời gian đưa lên các xe thương mại

Các thiết bị chống ngủ gật cho lái xe ô tô từ đơn giản đến phức tạp có mặt hiện nay, đều đã ít nhiều chứng tỏ được các ưu điểm khi ứng dụng trong một phạm vi nào đó Tuy nhiên, ở Việt Nam các sản phẩm này cũng chưa được ứng dụng nhiều do còn nhiều hạn chế cần được khắc phục (tính năng, giá thành, khả năng bảo trì, mức độ tối ưu, ) Mặt khác, các nghiên cứu về chế tạo các thiết bị ngủ gật ở Việt Nam là rất cần thiết, nhưng còn rất ít Các Nghiên cứu cần đưa ra các giải pháp phù hợp với điều kiện Việt Nam hiện nay, nhằm nâng cao tính ứng dụng của nghiên cứu Đây là một yêu cầu đối với tác giả thực hiện nghiên cứu này

1.4 Đề xuất yêu cầu đối với thiết bị chống ngủ gật

Dựa trên việc nghiên cứu các hệ thống chống ngủ gật hiện đại và điều kiện thực tế của Việt Nam Thiết bị chống ngủ gật cho lái xe cần có các tính năng

cơ bản sau:

 Có khả năng phát hiện biểu hiện, điều kiện gây ngủ gật khi lái xe

 Có khả năng tạo tín hiệu kích thích cảnh báo chống ngủ gật phù hợp

Cụ thể là:

 Phát hiện biểu hiện không tỉnh táo, mệt mỏi của lái xe Biểu hiện mệt mỏi có thể xác định một cách gián tiếp thông qua việc đáng giá khả năng đáp ứng một yêu cầu bình thường Cơ sở của đề xuất này, xuất phát từ thực tế là, nếu chúng ta mệt mỏi thì khả năng phản xạ của chúng ta chậm hơn, do đó đo thời gian đáp ứng một yêu cầu thông

cơ thể có xu hướng nghỉ thì lái xe sớm mệt mỏi hơn

2 Quãng đường và thời gian lái xe liên tục Lái xe thường mệt mỏi dẫn đến buồn ngủ khi lái xe liên tục trong khoảng thời gian hơn 2 giờ, hoặc quãng đường 200 Km, cần có tín hiệu nhắc nhở họ dừng lại để nghỉ

 Tạo ra tín hiệu (ánh sáng chớp, âm thanh,…) thay đổi (cường độ, nhịp điệu) để báo hiệu và cảnh báo chống ngủ gật hiệu quả

Dưới đây là sơ đồ các khối chức năng cần thiết của thiết bị chống ngủ gật phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam do tác giả đề xuất:

24

Hình 1.6: Sơ đồ khối cơ bản của thiết bị:

Trong đó:

 Nguồn thường là Pin hoặc Ac-quy,

 Cảm biến có thể là cảm biến chuyển động, cảm biến đo thông số

sinh học, cảm biến đo thông số môi trường

 Giao diện điều khiển có thể là nút bấm, màn hình,…

 Bộ phận tạo tính hiệu cảnh báo: có khả năng phát ra âm thanh,

ánh sáng,… theo một số dạng và nhịp khác nhau, giúp gây chú ý

 Bộ phận xử lý và ra quyết định nhận thông tin từ khối giao diện,

và cảm biến, xử lý và đưa ra quyết định theo chương trình cài đặt

 Truyền thông: giúp gửi/nhận các thông tin với trung tâm điều hành

Để đảm bảo có thể ứng dụng được trong thực tế, thiết bị phải:

25

 Đảm bảo độ ổn định, tin cậy, an toàn khi sử dụng Thiết bị phải nhỏ gọn, dễ lắp đặt, sử dụng bảo hành bảo trì Không được biến đổi kết cấu của phương tiện khi lắp đặt thiết bị Tiêu thụ ít năng lượng, sử dụng nguồn có sẵn trên thiết bị hoặc ô tô Có khả năng cập nhật thông tin, tham số để phù hợp với từng lái xe, hay thiết bị có tính đáp ứng cao,

 Phương án để xây dựng lên thiết bị có thể nhúng vào thiết kế thiết bị hộp đen của các phương tiện tham gia giao thông Sử dụng các giải pháp kỹ thuật có thể làm chủ được, và có thể thiết kế, lắp đặt, bảo hành trong nước Giá thành sản phẩm hợp lý, để phù hợp với mọi dòng xe (thương mại và tác giả)

Kết luận: Qua nghiên cứu tài liệu và thực tế tác giả thấy rằng ngủ gật trong

khi lái xe là một vấn đề hết sức nghiêm trọng cần giải quyết Bên cạnh các giải pháp hiện có, cần có các nghiên cứu để tạo ra các thiết bị chống ngủ gật phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam Một trong các giải pháp là áp dụng các công nghệ mới để tạo ra thiết bị có khả năng ứng dụng ở Việt Nam Các chương tiếp theo sẽ tập trung vào việc trình bày chi tiết giải pháp này

26

CHƯƠNG 2 – PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP THIẾT KẾ

Về cơ bản, khi làm việc với sự tập trung thấp, lái xe mệt mỏi hoặc nhàm chán do quãng đường dài dễ dẫn đến những sai lầm trong điều khiển phương tiện, vì trong điều kiện bình thường không yêu cầu lái xe phải tập trung cao

độ nên khi có những sự cố bất ngờ trên đường thì lái xe không kịp phản ứng

Do vậy, cần phải có các thiết bị có thể xác định được các điều kiện buồn ngủ

và đưa ra các cảnh báo phù hợp với điều kiện xác định được, từ đó tạo ra hiệu quả cho các cảnh báo chống ngủ gật cho lái xe

Trong chương này, tác giả phân tích chi tiết giải pháp kỹ thuật chống buồn ngủ được sử dụng trong thiết bị đã được tác giả và nhóm nghiên cứu và phát triển Đây là giải pháp được đề xuất dựa trên việc nghiên cứu các hệ thống chống ngủ gật hiện đại và điều kiện thực tế của Việt Nam Biện pháp được

mô tả đơn giản như sau:

 Bước 1: Phát hiện biểu hiện mệt mỏi của lái xe khi bắt đầu làm việc,

 Bước 2: Phát hiện điều kiện và mức độ làm việc có thể gây mệt mỏi,

 Bước 3: Tạo tín hiệu kích thích và cảnh báo chống ngủ gật

Phần sau đây, luận văn sẽ đưa ra các mô tả cụ thể hơn về giải pháp cụ thể

do tác giả và nhóm nghiên cứu đề xuất và đã thử nghiệm

2.1 Cách thức xác định biểu hiện mệt mỏi của lái xe khi bắt đầu lái xe 2.1.1 Một số vấn đền cần giải quyết

Cách để xác định trạng thái tỉnh táo của lái xe khi đang lái xe thường dựa vào các biểu hiện của cơ thể khi rơi vào trạng thái buồn ngủ, các biểu hiện này khác biệt với trạng thái bình thường Đó là, khi chúng ta buồn ngủ thì:

- Nhịp hô hấp và tuần hoàn bắt đầu chậm lại,

- Nhiệt độ cơ thể bắt đầu giảm,

- Khả năng phối hợp của mắt khi lái xe, hay tốc độ chớp mắt,…

Để xác định được một số biểu hiện này chúng ta có thể phải sử dụng các cảm biến đo tham số cơ thể (đo nhịp tuần hoàn, nhiệt độ, trương lực cơ,…) hoặc phải dùng các công cụ phức tạp để nhận dạng trạng thái của cơ thể, ví dụ như dùng phần mềm nhận dạng ảnh để xác định vận tốc chớp mắt của lái xe,

từ đó suy ra người lái xe đó có buồn ngủ hay không Đây là giải pháp hiện đang được nghiên cứu triển khai trên một số dòng xe hạng sang của Toyota hay Mercedes, Tuy nhiên, các giải pháp này khi ứng dụng sẽ gặp rất nhiều hạn chế, do điều kiện đo các tham số không phải luôn lý tưởng Theo tìm hiểu cũng như theo đề xuất của tác giả và nhóm nghiên cứu là, có thể căn cứ vào yếu tố phản xạ của cơ thể sẽ chậm lại khi rơi vào trạng thái buồn ngủ

Như chúng ta biết, taychạm vào vật nóng thì rụt lại, đèn chiếu vào mắt thì đồng tử(con ngươi) co lại, thức ăn vào miệngthì tuyến nước bọt tiết nước bọt, Các phản ứng đó gọi là phản xạ Mọi hoạt động của cơ thể đều là phản

xạ Phản xạ là một phản ứng của cơ thể trả lời kích thích của môi trường ngoài hay môi trường trong thông qua hệ thần kinh; là cơ sở hoạt động của hệ thần kinh, làm cơ thể luôn thích nghi với những sự thay đổi của điều kiệnsống của môi trường xung quanh

28

Phản xạ có thể chia làm hai loại đó là phản xạ có điều kiện và phản xạ không có điều kiện Đối với phản xạ có điều kiện thì thường diễn ra nhanh và gần như chúng được thực hiện theo bản năng (không cần suy nghĩ) Còn trong các loại phản xạ có điều kiện ta thấy có phản xạ có điều kiện trùng hợp (loại phản xạ có tốc độ nhanh nhất) là phản ứng xuất hiện khi tác nhân củng cố có sau tín hiệu 0,5 - 1 giây, chúng ta phải nghĩ trước khi ra quyết định

( http://thuviensinhhoc.com/Baigiang/GPSLN/C12/Hoatdongphanxa.htm )

Như ở phần trên đã đề cập, khi chúng ta rơi vào trạng thái buồn ngủ thì có thể phản ứng chậm chạp, khả năng suy nghĩ giảm, khi đó khi có một kích thích cần phải suy nghĩ khi phản ứng lại (nhận và trả lời một câu hỏi) chúng ta sẽ phản ứng chậm hơn so với lúc tỉnh táo

Trắc nghiệm khách quan (tiếng Anh: Objective test) là một phương tiện kiểm tra, đánh giá về kiến thức, để thu thập thông tin, hoặc để đánh giá về mức độ phản ứng Theo nghĩa chữ Hán, "trắc" có nghĩa là "đo lường",

"nghiệm" là "suy xét", "chứng thực" Trắc nghiệm xuất hiện từ thế kỉ 19, do một nhà khoa học người Mỹ nghĩ ra nhằm mục đích đánh giá trí thông minh của con người Lợi ích của trắc nghiệm: Kết quả nhanh, kết quả đáng tin cậy,… Nhược điểm: là cần phải tạo ra nhiều câu hỏi và phương án trả lời khác nhau để trành tình trạng “quen” đáp án,…

2.1.2 Sử dụng trắc nghiệm nhanh xác định trạng thái tỉnh táo của lái xe

Phương pháp này có thể mô tả đơn giản như sau: Thiết bị sẽ đưa ra yêu cầu lái xe tương tác với chính thiết bị này trong khoảng thời gian ngẫu nhiên,

để chứng tỏ rằng lái xe vẫn đủ tỉnh táo lái xe Khi đó, lái xe sẽ phải chạm vào thiết bị chống ngủ gật khi có yêu cầu Phụ thuộc vào thời gian trả lời yêu cầu

và sau khi phân tích dữ liệu trước đó, hệ thống sẽ biết khi nào lái xe cần nghỉ ngơi là hợp lý nhất

29

Hiện nay trên thế giới có một sản phẩm đã sử dụng phương thức này, đó là thiết bị ASP (AntiSleepPilot) Thiết bị do một công ty ở Đan mạch

( http://www.antisleeppilot.com ) giới thiệu Đây có lẽ là hệ thống đơn giản và

dễ sử dụng nhất, ngoài vấn đề giá thành rẻ, chỉ khoảng 250USD, có thể sử dụng với bất kỳ loại xe nào, bao gồm cả những chiếc xe đời thấp và không hề cần thay đổi thiết bị trên xe Thiết bị này còn có ưu điểm không hề liên kết với chức năng nào của xe, vì vậy nó không tác động tới quá trình xe vận hành

Mà ASP chỉ cần sự tương tác lý tính với lái xe mỗi khi có thông điệp được truyền đi

Hình 2.1: Hình ảnh của sản phẩm ASP

Tác giả và nhóm nghiên cứu đã tham khảo giải pháp thiết kế của thiết bị ASP để áp dụng vào thiết bị do nhóm đề xuất chế tạo để có thể phù hợp hơn khi ứng dụng trong điều kiện giao thông của Việt Nam

2.2 Cách thức phát hiện điều kiện và mức độ làm việc của lái xe

2.2.1 Một số vấn đề cần giải quyết

Như đã nói ở trên, một trong ba bước là quan trọng của giải pháp đó là phát hiện điều kiện gây ra ngủ gật cho lái xe Như trong phần I của luận văn này đã đề cập về điều kiện gây buồn ngủ cho lái xe như:

 Thiếu ngủ do ngủ quá ít hoặc bị thức giấc nhiều lần trong thời gian ngủ,

30

 Các yếu tố sinh học do có một công việc đột xuất, không được điều trị rối loạn giấc ngủ, và tiêu thụ rượu khi đã mệt mỏi

 Mệt mỏi do điều kiện lái xe, gây ra bởi:

o Lái xe vào ban đêm (2h00 – 6h00) hoặc vào buổi chiều (13h00 – 15h30) là khoảng thời gian khi cơ thể có xu hướng ngủ tự nhiên

o Lái xe liên tục trong khoảng thời gian 2 giờ hoặc quãng đường lái xe đạt tới 200 – 250 km

o Lái xe trên các quãng đường vắng, thẳng, tốc độ lái xe ít thay đổi

o …

Như vậy, để xác định điều kiện buồn ngủ của lái xe chúng ta có thể xác định các tham số như: thể trạng của lái xe trước và trong khi lái xe, lịch trình làm việc trong tuần, thời điểm lái xe, thời gian lái xe, quãng đường lái xe, điều kiện con đường xe đang di chuyển,…

Có nhiều giải pháp khác nhau để xác định các tham số đó Như để xác định thể trạng của lái xe bằng cách sử dụng các thiết bị đo thông số cơ thể (nhiệt độ, nhịp tuần hoàn, nhịp thở, sóng điện não – EEG,…) để xác định cơ thể có mệt mỏi và buồn ngủ hay không Hoặc để xác định lịch trình thì dựa vào bảng thống kê thời gian làm việc của lái xe trong tuần, để từ đó xác định mức độ vất vả đã được tích tụ và tình trạng thiếu ngủ của lái xe… Tuy nhiên, cần phải lựa chọn các giải pháp phù hợp để ứng dụng trong sản phẩm, như phải căn cứ vào các yếu tố:

 Độ tin cậy của giải pháp xác định,

 Mức độ phức tạp của giải pháp khi ứng dụng,

 Độ bền của thiết bị khi ứng dụng trong điều kiện thực tế,

31

 Mức độ tương thích với xe và lái xe,

 Chi phí khi áp dụng giải pháp

Chình vì vậy, các giải pháp như xác định thể trạng của lái xe bằng cách sử dụng các thiết bị đo thông số cơ thể khó có thể ứng dụng trong điều kiện thực

tế hiện nay, giải pháp rất phức tạp khi ứng dụng, mức độ tương thích với xe

và tài xế kém, giải pháp này chỉ phù hợp với dòng xe hạng sang và lái xe tác giả,…

Việc xác định được tất cả các điều kiện có thể gây buồn ngủ khi lái xe là mục tiêu lý tưởng của các thiết bị loại này Tuy nhiên, việc tối ưu điều kiện thực tế với yêu cầu cho phép có thể chỉ cần xác định một số thông số để có thể làm căn cứ xác định điều kiện buồn ngủ khi lái xe, chẳng hạn như:

 Thời điểm lái xe,

 Quãng đường lái xe liên tục,

 Thời gian lái xe liên tục không nghỉ,

 Mức độ ổn định tốc độ lái xe,…

Hiện nay, có nhiều kỹ thuật khác nhau để xác định các thông số như vậy

Có thể sử dụng đồng hồ thời gian thực và vận tốc/gia tốc kế để xác định chính xác thời điểm lái xe, quãng đường/thời gian lái xe liên tục và mức độ ổn định tốc độ khi lái xe bằng cách xác định trạng thái chuyển động của xe theo thời gian, quãng đường và độ ổn định vận tốc Ví dụ như:

Khi xe chuyển động, vận tốc sẽ khác 0, thời điểm vận tốc của xe khác 0 được xác định là thời điểm lái xe, và đây chính là mốc để tính các khoảng an toàn khi lái xe, đó là: Thời điểm xe có vận tốc khác 0 chính là thời điểm lái

xe, nếu thời điểm này rơi vào khoảng thời gian mà lái xe có xu hướng ngủ tự

32

nhiên (nửa đêm hoặc giữa buổi chiều) thì được xác định là điều kiện có thể gây buổn ngủ Quãng đường/thời gian lái xe liên tục tính từ mốc xe bắt đầu chuyển động tới thời điểm hiện tại (xe đang chuyển động chưa nghỉ), nếu quãng đường/thời gian đạt tới giới hạn 200Km hoặc hơn 2 giờ thì thỏa mãn điều kiện gây buồn ngủ Hoặc vận tốc chuyển động của xe ổn định trong một khoảng thời gian liên tục (5Km) có thể thỏa mãn điều kiện gây buồn ngủ

Do có nhiều kỹ thuật khác nhau để xác định các thông số đó, nên cần lựa chọn một giải pháp phù hợp, đảm bảo độ tin cậy, giá thành hợp lý khi ứng dụng, và tránh can thiệp vào hệ thống của xe khi lắp đặt tới mức tối thiểu (tăng tính tương thích với mọi loại xe) Theo nghiên cứu của nhóm thực hiện

đề tài thấy rằng có thể sử dụng GPS cho thiết bị chống ngủ gật này Vì chúng

ta thấy công nghệ định vị toàn cầu (GPS) được sử dụng trong tất cả các xe chở hàng và chở khách hiện nay, các thành phần sử dụng công nghệ GPS

được nhúng trong thiết bị hộp đen trên ô tô (được quy định trong nghị định

91/2009/NĐ-CP).

Hình 2.2: Lắp hộp đen trên xe Bus tại Việt Nam

33

Dưới đây, luận văn sẽ mô tả sơ lược về các đặc tính kỹ thuật của công nghệ GPS và khả năng ứng dụng của công nghệ này trong nghiên cứu này

2.2.2 Công nghệ GPS

(Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu)

2.2.2.1 Giới thiệu công nghệ

GPS bao gồm một mạng lưới 24 (27) vệ tinh hoạt động Mạng lưới này chính thức hoàn thành vào ngày 8 - 12 - 1993 Để đảm bảo vùng phủ sóng liên tục trên toàn thế giới, các vệ tinh GPS được sắp xếp sao cho 4 vệ tinh sẽ nằm cùng nhau trên 1 trong 6 mặt phẳng quỹ đạo Với cách sắp xếp này sẽ có

4 đến 10 vệ tinh được nhìn thấy tại bất kỳ điểm nào trên trái đất với góc ngẩng là 100 nhưng thực tế chỉ cần 4 vệ tinh là có thể cung cấp đầy đủ các thông tin về vị trí

Nguyên lý xác định toạ độ của hệ thống GPS và Glonass dựa trên công thức: quãng đường = vận tốc x thời gian Vệ tinh phát ra các tín hiệu bao gồm

vị trí của chúng, thời điểm phát tín hiệu Máy thu tính toán được khoảng cách

từ các vệ tinh, giao điểm của các mặt cầu có tâm là các vệ tinh, bán kính là thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu x vận tốc sóng điện từ là toạ độ điểm cần định vị Công việc của một máy thu GPS là xác định vị trí của 4 vệ tinh hay hơn nữa, tính toán khoảng cách từ các vệ tinh và sử dụng các thông tin đó để xác định vị trí của chính nó Quá trình này dựa trên một nguyên lý toán học đơn giản:

Giả sử bạn đang ở một nơi nào đó ở Việt Nam, và bạn hoàn toàn không biết mình đang ở đâu, vì một lý do nào đó Bạn gặp một người dân địa phương và hỏi: “Làm ơn cho tôi biết tôi đang ở đâu ?” Anh ta trả lời: “Bạn đang cách Vũng tàu 45 km” Đây là một sự thật thú vị, nhưng chưa thật sự có

34

ích Bạn có thể ở bất kỳ đâu trên vòng tròn có tâm là Vũng tàu, bán kính 45

km Bạn hỏi một người khác và cô ta cho biết bạn đang cách Biên Hoà 40 km Bây giờ bạn đã khá hơn Nếu chúng ta tổng hợp hai thông tin, bạn sẽ có hai vòng tròn giao nhau Vị trí của bạn là một trong hai giao điểm của hai đường tròn Người thứ ba cho bạn biết vị trí của bạn cách Sài gòn 30 km Bây giờ thì bạn đã biết mình đang ở đâu

Hình 2.3: Mô hình tương quan giữa máy thu và các vệ tinh

Áp dụng nguyên lý này vào không gian 3 chiều, ta cũng có 3 mặt cầu thay

vì 3 đường tròn, giao nhau tại một điểm Về mặt nguyên lý thì không khác nhau nhiều lắm, nhưng khó tưởng tượng hoặc mô tả bằng hình vẽ hơn Thay

vì các đường tròn, bạn sẽ có các mặt cầu Nếu chúng ta biết rằng mình đang ở cách vệ tinh A 20 km, bạn có thể ở bất kỳ nơi nào trên một mặt cầu khổng lồ

có bán kính 20 km Nếu chúng ta biết thêm rằng bạn đang ở cách vệ tinh B 30

km, giao tuyến của hai mặt cầu này là một đường tròn V Và nếu chúng ta biết thêm một khoảng cách nữa đến vệ tinh C, bạn sẽ có thêm một mặt cầu, mặt cầu này giao với đường tròn V tại hai điểm Trái đất chính là mặt cầu thứ tư,

 Vị trí của ít nhất ba vệ tinh bên trên nó,

 Khoảng cách giữa máy thu GPS đến từng vệ tinh nói trên,

Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp từ các vệ tinh, máy thu GPS tính toán ra được hai thứ trên Máy thu loại tốt có thể thu nhận tín hiệu của nhiều vệ tinh đồng thời Sóng radio chuyển động với vận tốc ánh sáng, tức là 300 ngàn km/giây trong chân không Máy thu có thể tính toán được khoảng cách dựa vào thời gian cần thiết để tín hiệu đến được máy thu Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu máy thu và các vệ tinh đã hoạt động cùng nhau như thế nào để đo các khoảng cách này Đây là một quá trình khá phức tạp Vào một thời điểm nào đó, giả sử vào lúc 0 giờ, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi tín hiệu dài, được gọi là mã ngẫu nhiên giả Máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt vào cùng thời điểm Khi tín hiệu từ vệ tinh truyền đến máy thu, chuỗi tín hiệu đó sẽ bị trễ một chút so với chuỗi do máy thu tạo

ra

Chiều dài khoảng thời gian trễ này chính là thời gian truyền của tín hiệu từ vệ tinh Máy thu nhận thời gian này với tốc độ ánh sáng để xác định quãng đường truyền tín hiệu Giả sử rằng tín hiệu truyền trên đường thẳng, đây chính là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu Để thực hiện phép đo này, chúng ta phải chắc chắn là đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu phải đồng

36

bộ với nhau Một sai số 1 mili giây sẽ dẫn đến sai số là 300 ngàn mét, đây là một sai số lớn không thể chấp nhận Do đó, độ chính xác tối thiểu cho các máy thu phải là cỡ nano giây (10-9

) Để có độ chính xác như vậy, phải trang

bị đồng hồ nguyên tử cho không chỉ các vệ tinh mà còn máy thu GPS Nhưng đồng hồ nguyên tử thì lại đắt, khoảng 50 đến 100 ngàn đôla Mỹ Điều đó thì quá đắt cho các ứng dụng thương mại Để có thể đưa các ứng dụng GPS đến với các ứng dụng dân sự và thương mại, các nhà sáng chế đã có một giải pháp thông minh và hiệu quả Mỗi quả vệ tinh mang theo một cái đồng hồ nguyên

tử, nhưng mỗi máy thu thì chỉ trang bị đồng hồ quartz thông thường Các đồng hồ quartz này được điều chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu được truyền đi

từ các vệ tinh

Cụ thể hơn là, tín hiệu phát từ vệ tinh đến các máy thu, việc phát và thu tín hiệu là cơ sở cho việc đo đạc hệ thống GPS, vậy tín hiệu GPS có cấu trúc như thế nào?

Tín hiệu vệ tinh là sóng điện từ Sóng điện từ được dùng cho mục đích đo đạc có những thông số đặc trưng, được nghiên cứu, thử nghiệm đảm bảo các yêu cầu nghiêm ngặt về độ chính xác, tính ổn định và yêu cần kỹ thuật khác

Về mặt vật lý, tín hiệu vệ tinh có các thông số cơ bản đó là bước sóng, tần số

và các mã điều biến trên sóng tải

Bảng 2.1: Các thành phần của tín hiệu và tần số tương ứng

Tần số chuẩn f0

Sóng tải L1 154.f0 = 1575,42Mhz (λ= 19,0 cm)

Thông tin đạo hàm f0/204600 = 50.10-6

Việc sử dụng tín hiệu mã hóa cho phép các vệ tinh GPS cùng hoạt động

mà không bị nhiễu, mỗi vệ tinh phát đi một mã giả ngẫu nhiên riêng biệt Máy thu GPS nhận dạng đƣợc tín hiệu của từng vệ tinh trên nền nhiễu không xác định của không gian bao quanh trạm đó, điều đó cho phép tín hiệu GPS không đòi hỏi công suất lớn và máy thu GPS có thể sử dụng Anten nhỏ hơn, kinh tế hơn Có 3 loại mã điều biến trên sóng tải đó là: C/A.Code, P.Code và W.Code

 C/A Code (mã sơ bộ): Mã C/A Code là mã giả ngẫu nhiên (PRN) đƣợc phát đi với tần số 10,23 MHz (fo/10) Mã này là chuỗi chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật giả ngẫu nhiên lặp lại với tần suất 1/1000 giây mỗi vệ tinh đƣợc gán một mã C/A.Code riêng biệt Mã C/A.Code chỉ điều biến trên sóng tải L1

 P.Code (mã chính xác): P.Code là mã giả ngẫu nhiên (PNR) thứ hai, phát đi với tần số cơ bản fo = 1,023 MHz Mã này tạo bởi nhiều chữ số

0 và 1 sắp xếp theo quy luật giả ngẫu nhiên Tín hiệu lặp lại với tần suất

267 ngày Chu kỳ 267 ngày chia thành 38 đoạn 7 ngày, trong đó 6 đoạn dành riêng cho mục đích vận hành Mỗi một đoạn 7 ngày còn lại đƣợc

 Tín hiệu phục vụ cho việc đo đạc bằng hệ thống GPS được điều biến sóng tải có độ dài bước sóng khác nhau Đó là các thông tin về thời gian

và vị trí của vệ tinh Mỗi vệ tinh có mã phát trên 2 tần số tải

 Sóng tải có bước sóng L1 = 19cm với tần số 54.fo = 1575,42MHz

 Sóng tải có bước sóng L2=24,4cm với tần số 120.fo = 1227,60MHz

 Mã C/A.Code chỉ điều biến trên sóng tải L1, Mã P.Code điều biến cả 2 sóng tải L1 và L2

 Các máy thu GPS có thể chia làm 2 loại: Máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1 Các máy thu 2 tần số nhận được cả hai loại sóng mang L1 và L2 Phân loại theo chức năng sử dụng gồm:

 Dùng cho định vị, dẫn đường (độ chính xác thấp): Đơn kênh, mã C/A,

độ chính xác <100m

 Dùng cho vẽ bản đồ, dẫn đường độ chính xác cao: Đơn tần, đa kênh (từ

4 - 12 kênh), mã C/A, độ chính xác là <100m (không có hỗ trợ) hoặc 3 - 5m (DGPS)

 Đơn tần, đa kênh (4 - 12 kênh), mã C/A, độ chính xác <100m (không có

hỗ trợ) hoặc <1m (DGPS)

2.2.2.2 Giao tiếp với môđun GPS

Sử dụng modul GPS có nhiệm vụ nhận các tín hiệu từ vệ tinh, xử lý tín hiệu đưa ra kết quả bao gồm các thông tin sau:

 Tọa độ kinh tuyến, vĩ tuyến của xe và chiều cao so mặt nước biển

 Thời gian hiện tại theo giờ GMT

 Tốc độ và hướng chuyển động của xe

 Số vệ tinh nhận được tín hiệu

Các thông số trên được thể hiện dưới dạng các bản tin được định dạng bằng chuẩn NMEA -183 trên toàn thế giới với các khung bản tin theo vi xử lý chuẩn Modul GPS sẽ trả về bản tin như sau:

$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,12059 8,,*10

Bảng 2.2: Diễn giải của bản tin:

hợp lệ