Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống xác định khoảng cách giữa ô tô với chướng ngại vật

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐINH HẢI LÂM NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH GIỮA Ô TÔ VỚI CHƯỚNG NGẠI VẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT Ô TÔ – MÁY KÉO LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2009 HVTH: Đinh Hải Lâm GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ trường Đại Học Bách KHoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ bao gồm: Chủ tịch hội đồng đánh giá LV HVTH: Đinh Hải Lâm Bộ mơn quản lí chun ngành GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc đến: Thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Phó Hiệu Trưởng trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, TP Hồ Chí Minh tận tình hướng dẫn động viên tơi suốt q trình thực luận văn Ban giám hiệu, phòng đào tạo Sau đại học, ban chủ nhiệm khoa Kỹ Thuật Giao Thơng trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh cho phép tạo điều kiện thuận lợi cho thực luận văn Tập thể giảng viên khoa Kỹ Thuật Giao Thông trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức quý báu cho suốt q trình tơi học Cao Học Ban Chủ nghiệm đồng nghiệp Khoa Cơ Điện, Đại học Lạc Hồng tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Tập thể học viên lớp cao học Kỹ Thuật Ơ tơ máy kéo Khóa 2007 giúp đỡ tơi q trình học tập thực đề tài HVTH: Đinh Hải Lâm GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng MỞ ĐẦU Hệ thống xác định chướng ngại vật hệ thống nhằm cải thiện thêm tính an toàn xe hơi, bên cạnh hệ thống túi khí (air bag), hệ thống thắng ABS v v… hệ thống xác định khoảng cách từ ô tô đến chướng ngại vật lắp số loại ô tơ đắt tiền Vì chi phí chế tạo hệ thống đắt nên Việt Nam nay, hệ thống xác định chướng ngại vật (Pre- Crash Safety System) trang bị cho xe Lesus LS460, dòng xe siêu sang TOYOTA Hệ thống có ưu điểm lớn điều khiển xe tốc độ cao, qua đường lùi xe Với ưu điểm vượt trội vấn đề đặt thiết kế hệ thống với giá hợp lí chất lượng khơng thua hệ thống trang bị xe ô tô đắt tiền Đây vấn đề cần quan tâm để trang bị hệ thống cho nhiều dòng xe khác, không xe đắt tiền MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN A MỤC TIÊU • Xác định loại tìm loại cảm biến đo khoảng cách phù hợp Loại cảm biến có khả phát chướng ngại vật khoảng cách mà lái xe xử lí an tồn • Thiết kế, chế tạo hệ thống xác định chướng ngại vật xe cho phù hợp • Bố trí, chế tạo hệ thống hiển thị khoảng cách lên hình điều khiển cảm biến xác B Luận văn Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống xác định khoảng cách từ ô tô đến chướng ngại vật" có nội dung chủ yếu: - Tổng quan hệ thống phát chướng ngại vật - Xây dựng phương trình giải thuật để tính tốn khoảng cách cho cảm biến tín hiệu đưa - Dùng phần mềm để lập trình điều khiển cho hệ thống hiển thị khoảng cách điều khiển cảm biến - Thiết kế thi công mô hình HVTH: Đinh Hải Lâm GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng PHẠM VI NGHIÊN CỨU ™ Nghiên cứu phương pháp thu phát cảm biến siêu âm ™ Nghiên cứu phương pháp tính tốn hệ thống xe di chuyển đường đến chướng ngại vật ™ Nghiên cứu tính tốn thơng số từ xe đến chướng ngại vật ™ Lập trình cho hệ thống cảnh báo ™ Đưa mơ hình tốn học mơ xe gặp chướng ngại vật cách yêu cầu khác ™ Áp dụng tính tốn thiết kế mơ hình PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu Nghiên cứu hệ thống xác định chướng ngại vật hãng xe giới Phương pháp thiết kế mạch cho hệ thống Phương pháp thực nghiệm tính tốn kết đo Sử dụng đồ thị để đánh giá kết mơ hình Đánh giá tổng quát toàn luận văn Đề nghị hướng phát triển đề tài ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN - Tính tốn thơng số cảm biến tránh va chạm - Đưa cách tính tốn xây dựng mơ hình hệ thống cảnh báo va chạm - Thiết kế, chế tạo hệ thống xác định khoảng cách từ ô tô đến chướng ngại vật - Điều khiển cảm biến có khả phát chướng ngại vật xa GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Từ nhu cầu an toàn người lái trang bị hệ thống phát tín hiệu có vật cản đường, giúp cho lái xe an tâm di chuyển thị, q trình đỗ xe an tồn góp phần khơng nhỏ q trình di chuyển giảm tai nạn giao thông HVTH: Đinh Hải Lâm GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng PHẦN 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH TỪ Ô TÔ ĐẾN CHƯỚNG NGẠI VẬT CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH CHƯỚNG NGẠI VẬT TRÊN Ô TÔ Những cơng nghệ phịng tránh va chạm dần xuất nhiều ô tô, mẫu xe sang Một số hệ thống an toàn phát tín hiệu cảnh báo âm hình ảnh để nhắc tài xế có hành động xử lý, số khác sẵn sàng can thiệp vào phanh hệ thống lái để chỉnh lại xe hướng Hệ thống xác định chướng ngại vật ô tô hệ thống sử dụng nhiều Theo báo cáo Viện bảo hiểm an tồn đường Mỹ (IIHS) hệ thống xác định chướng ngại vật hữu ích năm có đến 40% tai nạn liên quan đến việc lái xe thiếu tập trung 1.1 Khảo sát số hệ thống cảnh báo an toàn xe 1.1.1 Hệ thống cảnh báo va chạm trước: Hệ thống sử dụng radar để phát trường hợp người lái đâm vào thứ phía trước Hầu hết hệ thống phát cảnh báo âm âm thành đèn chớp, hình ảnh Một số chí tự động rà phanh để giảm tốc độ xe 1.1.2 Hỗ trợ phanh khẩn cấp: Hệ thống dành cho trường hợp tài xế nhìn thấy nguy va chạm phía trước nhấn phanh khơng phanh kịp Nghiên cứu nhà sản xuất nhiều tài xế không đạp lực phanh tối đa trường hợp khẩn cấp, ảnh hưởng tâm lý, nên để xảy va chạm dù biết trước hồn tồn tránh Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp có khả phát trường HVTH: Đinh Hải Lâm Trang GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng hợp tài xế bình tĩnh, dấu hiệu nhấc chân ga đột ngột Khi đó, hệ thống tự động rà phanh trước giúp người lái đạt lực phanh tối đa 1.1.3 Hệ thống báo chệch đường: Hệ thống sử dụng camera gắn xe để phát thời điểm lốp xe bắt đầu chệch khỏi đường chạy Máy tính kiểm tra hệ thống lái tốc độ xe để xác định xem việc chạy chệch đường cố ý hay vơ tình Nếu máy tính kết luận vơ tình, hệ thống phát tín hiệu cảnh báo cách làm rung nhẹ vơ-lăng, kèm theo cảnh báo âm 1.1.4 Hệ thống xóa điểm mù: Hệ thống cho phép người lái biết có xe điểm mù - khoảng nằm tầm quan sát gương chiếu hậu, chớp đèn cảnh báo bên gương Với số hệ thống, đèn cảnh báo sáng chớp nhanh tài xế bật xinhan vào thời điểm hệ thống phát có xe điểm mù Một số hệ thống cịn có chng cảnh báo 1.1.5 Đèn pha chiếu sang chủ động: Phần mềm điều khiển dải chiếu sáng cụm đèn pha kết nối với thông tin truyền từ vô-lăng, để xe chuyển hướng, dải chiếu sáng chuyển hướng theo, giúp tài xế quan sát tốt phía trước góc cua vào buổi tối 1.2 Giới thiệu hãng xe chế tạo hệ thống báo khoảng cách Hầu hết hãng xe lớn Toyota, Ford, Nissan, Mecredes – Benz, Honda, Volvo… có hệ thống cảnh báo va chạm riêng Hệ thống trang bị đại, khơng phát khoảng cách đối tượng phát mà cịn can thiệp vào hệ thống thắng (Collision Mitigation Brake System (CMBS)) hệ thống dây an toàn (Seat-beat Safety) giúp lái xe yên tâm phía sau tay lái Sau xin giới thiệu hệ thống báo khoảng cách số hãng xe giới HVTH: Đinh Hải Lâm Trang GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 1.2.1 Hệ thống xác định khoảng cách xe Lexus LS460 TOYOTA Lexus LS460 mẫu xe trang bị hệ thống phát phản ứng gặp chướng ngại vật người Nếu tài xế khơng quan sát tình khơng kịp phản ứng sau lúc có cịi báo động, máy tính tự tính tốn để kích hoạt phanh, hỗ trợ lái siết chặt dây an tồn Hình 1.1: Hệ thống xác định chướng ngại vật Toyota Lexus LS460 Công nghệ phát chướng ngại vật hoạt động ngày lẫn đêm, dựa tín hiệu thu từ radar gắn trước mũi xe từ camera hồng ngoại ống kính kép phía kính chắn gió Để cung cấp sóng hồng ngoại, kỹ sư gắn đèn phát cạnh đèn pha Tia hồng ngoại từ nguồn phát đập vào chướng ngại vật, phản xạ camera chịu trách nhiệm thu lại dạng tín hiệu số Đến lượt tín hiệu số gửi tới máy tính trung tâm để xử lý Khoảng cách hiệu dụng tối đa hệ thống 25 m hoạt động phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Ngoài hệ thống phát chướng ngại vật, LS460 cịn trang bị cơng nghệ trợ giúp lái khẩn cấp ESA (Emergency Steering Assist), có tác dụng chọn tỷ số lái tối ưu xe gặp tình nguy hiểm tốc độ cao ESA giúp lái xe giữ ổn định hướng lái, giảm nguy va chạm Hoạt động đồng thời với ESA, hệ thống treo tăng cường độ cứng để xe khơng bị lật cịn kiểm soát động lực chọn phương pháp phanh tối ưu nhằm tránh tượng trượt HVTH: Đinh Hải Lâm Trang GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng Bên cạnh đó, để hệ thống phát chướng ngại vật hoạt động hiệu quả, LS460 cịn trang bị cơng nghệ cảnh báo lái xe DMS (Driver Monitoring System), có khả phát tín hiệu nguy hiểm tài xế khơng tập trung lái Một camera gắn trục vô-lăng tự động xác định khoảng chuyển động đầu người lái Khi tài xế quay đầu khỏi khoảng cho phép thời gian lâu, hệ thống kích hoạt thiết bị báo động Với thiết bị này, xe “nhìn” thấy chướng ngại vật trước người lái, DMS bật đèn báo động, nhấn còi Sau báo động mà tài xế khơng có phản ứng nào, máy tính tự động phanh để thu hút ý Trong trường hợp người lái khơng có hành động ứng phó, hệ thống tiền an tồn Pre-crash Safety hoạt động Pre-crash Safety tính tốn xác suất va chạm xảy tình cụ thể, dựa vận tốc xe, hướng quan sát người lái đặc điểm chướng ngại vật phía trước Nếu yếu tố nằm vùng nguy hiểm, kích hoạt cịi báo động, báo đèn phanh đỏ hình đa dụng Cùng lúc, hỗ trợ phanh kích hoạt mức áp suất phanh cao nhất, trước tài xế đặt chân lên bàn đạp phanh, hệ thống treo bắt đầu gia tăng độ cứng Nếu nhận thấy va chạm tránh khỏi, Pre-safety thắt dây đai an toàn, siết chặt người ngồi vào ghế, đồng thời tự động phanh Hình 1.2: Ghế ngồi an tồn trang bị LS 460 HVTH: Đinh Hải Lâm Trang GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng Ngồi cơng nghệ trên, LS460 cịn trang bị radar, gắn chắn bùn sau, liên tục quét bề mặt xung quanh xe đỗ di chuyển Nếu thấy va chạm chắn xảy ra, tự động gối đỡ đầu lên tối đa 35 mm đưa phía trước tối đa 60 mm để giảm nguy chấn thương cột sống cổ Trên thực tế, cảm biến gắn ghế đo khoảng cách điều khiển cho gối không va vào đầu hành khách trước va chạm xảy Bên cạnh đó, cảm biến nhận dạng người ngồi máy tính ngắt chức ghế trống Hình 1.3: Gối đỡ ghế ngồi trước sau va chạm 1.2.2 Hệ thống cảnh báo va chạm Volvo Trước thực tế khoảng 1/3 số vụ tai nạn giao thông Mỹ liên quan đến trường hợp va đâm sau, đó, 50% trường hợp tài xế không kịp phanh, Volvo tập trung nghiên cứu cải tiến công nghệ cảnh báo đâm sau Trong hệ thống Brake Support sử dụng radar để phát nguy va chạm, hệ thống Auto Brake dùng radar camera nên hoạt động hiệu hẳn Tầm quét radar 15 m phía trước xe, cịn tầm quan sát camera 5,5 m Một ưu điểm lớn việc sử dụng camera phát xe đứng yên HVTH: Đinh Hải Lâm Trang GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng nhận khoảng cách ngắn (330cm) Khi xe chạy với tốc độ bình thường (từ 10 km/h đến 40 km/h) cảm biến nhận với khoảng cách tối đa CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 7.1 Kết luận Đã chế tạo thành công hệ thống xác định khoảng cách ô tô với chướng ngại vật Dựa kết thí nghiệm thực tế mơ hình, hệ thống xác định chướng ngại vật sử dụng cảm biến SRF 05 có khả phát chướng ngại vật tầm xa 530cm, so với khả nhận biết thông thường nhà thiết kế với chuẩn đo xa cảm biến 400 cm với độ sai lệch cm khả nhận biết hệ thống tốt Ở tốc độ 50 km/h, khả nhận biết hệ thống xác định khoảng cách tốt, với tốc độ 50 km/h đến 70km/h khả nhận hệ thống bị hạn chế cảm biến bị nhiễu so với môi trường xung quanh, tiếng ồn, khói bụi… Kết có ý nghĩa khoa học lẫn thực tiễn 7.2 Kiến nghị hướng phát triển đề tài Tiếp tục nghiên cứu hệ thống xác định khoảng cách loại cảm biến khác có khả xác định chướng ngại vật xa hơn, xử lý chướng ngại vật tốc độ cao cảm biến Laser Nghiên cứu khả để tăng tính an toàn người lái cách can thiệp vào hệ thống thắng, hệ thống dây an toàn, điều chỉnh ghế ngồi từ chế tạo hệ thống phát chướng ngại vật thông minh HVTH: Đinh Hải Lâm Trang 87 GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng TÀI LIỆU THAM KHẢO The 8051 – Microcontroller” – I.Scott Mackenzie “Họ vi điều khiển 8051” – Tống Văn On –Đại học Bách khoa TP.HCM DATA SHEET LCD HITACHI: http://www.hitachi-eu.com/hel/ecg Vi điều khiển với lập trình C – PGS.TS Ngô Diên Tập – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Where I am?Sensor and menthod for mobile robot positioning J.Borenstein, H.R Everett, and L.Feng 1996 Training Package “SENSORIC” – KOLLEG – Phương pháp thử loại cảm biến Robotic sensor and control, Final Report- Edward Cornish- University of Surrey Ultrasonic sensor - Đoàn Hiệp SRF05, Ultrasonic Sensor Ranger – Datasheet of DEVANTECH company 10 www.omron.com/sensor 11 http://www.safetytoyota.com/en-b/precrash_safety_system.html 12 Triangulation Based Fusion of Ultrasonic Sensor Data, O.Wijk, P Jensfelt, H.I Christensen- Belgume 1998 13 Ultrasonic Sensor Application Manual, Murata innorator in Electronic,2006 14 Cảm biến vị trí dịch chuyển – Đại học Bách Khoa Hà Nội HVTH: Đinh Hải Lâm Trang 88 GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng PHỤ LỤC 1: Code lập trình cho cảm biến siêu âm #include #include unsigned int a; void INT_1() interrupt { unsigned int time_return1=0,distance1=0; TR0=0; //TR0=0; time_return1=(TH0