Cơ điện tử là một giai đoạn tự nhiên trong quá trình phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật thiết kế hiện đại. Sự phát triển của máy tính, tiếp theo là máy vi tính, máy tính nhúng, cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và công nghệ phần mềm đã khiến cho cơ điện tử trở thành một yêu cầu cấp thiết trong nửa thế kỷ 20. Sang thế kỷ 21, với những tiến bộ đã được dự báo trong các hệ cơ - điện - sinh học, máy tính lượng tử, hệ pico và nano cùng với sự phát triển khác, tương lai của cơ điện tử sẽ đầy tiềm năng và triển vọng.
Sự phát triển của cơ điện tử hiện đại có thể được minh hoạ bằng sự phát triển của ôtô. Đến tận thập niên 60, chỉ có radio là thiết bị điện tử đáng kể duy nhất trong ôtô. Tất cả các chức năng khác thuần tuý mang tính cơ khí hoặc điện, ví dụ như động cơ khởi động và hệ thống nạp ắc quy. Trong ôtô không hề có một "hệ thống an toàn thông minh" nào, ngoại trừ việc tăng kích cỡ đệm giảm chấn và các phần tử kết cấu để bảo vệ hành khách trong trường hợp xảy
ra tai nạn. Vào đầu thập niên 60, dây an toàn ra đời nhằm tăng độ an toàn cho người sử dụng và được vận hành hoàn toàn cơ khí. Tất cả hệ thống động cơ được điều khiển bởi người lái hoặc các hệ điều khiển cơ khí. Chẳng hạn, trước khi có sự xuất hiện các cảm biến và vi điều khiển, bộ phân phối cơ khí được dùng để chọn buji đánh lửa khi hỗn hợp nhiên liệu và không khí được nén lại. Thời gian ấn định cho việc đốt cháy nhiên liệu chính là biến điều khiển. Quá trình đốt cháy được điều khiển cơ khí không phải là tối ưu nếu xét trên vấn đề là tiết kiệm nhiên liệu. Việc mô hình hoá quá trình đốt cháy nhiên liệu chỉ ra rằng, để tăng hiệu quả nhiên liệu, tồn tại một thời điểm tối ưu để đốt cháy nhiên liệu. Thời điểm này phụ thuộc vào tải, tốc độ và các đại lượng có thể đo khác. Hệ thống đánh lửa điện tử là một trong những hệ cơ điện tử đầu tiên được ứng dụng trong ngành công nghiệp ôtô vào cuối thập niên 70. Hệ thống đánh lửa điện tử bao gồm bộ cảm biến vị trí trục khuỷu, bộ cảm biến vị trí trục cam, tốc độ lưu lượng không khí nạp, vị trí van tiết lưu, tốc độ thay đổi vị trí van tiết lưu của bộ cảm biến, bộ vi điều khiển quyết định thời điểm buji đánh lửa. Những ứng dụng ban đầu chỉ gồm một cảm biến hiệu ứng Hall nhằm xác định một cách chính xác vị trí của rôto trong bộ chia điện (Delco) những ứng dụng sau này đã loại bỏ hoàn toàn bộ chia điện và dùng hệ thống vi xử lý để điều khiển trực tiếp quá trình đất cháy nhiên liệu.
Vào cuối thập niên 70, hệ thống phanh chống bó cứng ABS (Anti - block Brake System) được ứng dụng trong ôtô. Hệ thống ABS hoạt động thông qua việc phát hiện ra hiện tượng bó cứng của bất kỳ bánh xe nào, sau đó điều chỉnh áp suất thuỷ lực cần thiết để giảm thiểu hoặc loại bỏ sự trượt. Hệ thống điều khiển khả năng bám đường TCS (Traction Control System) được ứng dụng trong ôtô vào cuối thập niên 90. Hệ thống TCS hoạt động thông qua việc phát hiện ra sự trượt trong quá trình tăng tốc và sau đó điều chỉnh công suất truyền cho bánh xe đang trượt. Quá trình này đảm bảo cho xe có thể tăng
tốc với gia tốc lớn nhất có thể với điều kiện về đường và xe cho trước. Hệ thống điều khiển động lực ôtô VDC (Vehicle Dynamic Control) được ứng dụng trong ôtô vào những năm cuối của thập niên 90. VDC hoạt động tương tự TCS với việc thêm một cảm biến tốc độ lệch và cảm biến gia tốc ngang. Vị trí bánh xe phát động được xác định bởi các vị trí bánh lái và tiếp theo được so sánh với hướng thực của chuyển động. Sau đó, hệ thống TCS được kích hoạt để điều khiển công suất truyền cho các bánh xe và điều khiển vận tốc ôtô, cũng như giảm thiểu sự khác nhau giữa hướng lái và hướng chuyển động của ôtô. Trong một số trường hợp, ABS được dùng để giảm tốc độ của ôtô để thực hiện việc điều khiển như mong muốn. Trong các ôtô hiện nay, các CPU (Central Processing Unit) có cấu hình 8, 16 hay 32 bít được dùng để vận hành các hệ điều khiển khác nhau. Bộ vi điều khiển này có bộ nhớ (EEPROM/EPROM), các đầu ra số và tương tự, các bộ biến đổi A/D (Analog Digital), bộ điều khiển chế độ xung (PWM), các chức năng thời gian, ví dụ dùng để đếm sự kiện và đo độ rộng xung, các đầu ra ưu tiên và trong một số trường hợp xử lý tín hiệu số. Bộ xử lý 32 bit được dùng để quản lý động cơ, điều khiển truyền động và các túi khí (Air bag). Bộ xử lý 16 bit dùng cho ABS, TCS, VDC, cụm thiết bị và các hệ thống điều hoà không khí. Bộ xử lý 8 bit dùng cho điều khiển ghế, gương và các hệ thống nâng hạ cửa. Ngày nay, có khoảng 30 - 60 bộ vi điều khiển trong một chiếc xe ôtô. Điều này sẽ càng tăng lên nhờ việc mô đun hoá các hệ cơ điện tử trong tương lai.
Cơ điện tử đã trở thành yếu tố để phân biệt giữa các ôtô. Kể từ khi khái niệm cơ bản về động cơ đốt trong được đưa ra cách đây gần một thế kỷ, các điểm khác nhau trong thiết kế động cơ cho xe hơi không còn là dấu hiệu để phân biệt các loại ôtô khác nhau. Trong những năm 1970, các nhà chế tạo Nhật Bản đã thành công trong việc tạo dựng một chỗ đứng vững chắc trên thị trường xe hơi Mỹ bằng việc chào bán các xe hơi nhỏ tiết kiệm năng lượng với
chất lượng không thua kém các loại xe khác. Trong suốt thập niên 1980, chất lượng của xe là dấu hiệu phân biệt các sản phẩm. Trong những năm 1990, chất lượng và độ tin cậy của ôtô là những gì mà người tiêu dùng mong đợi từ phía các nhà sản xuất. Ngày nay, các đặc tính cơ điện tử trở thành dấu hiệu phân biệt sản phẩm trong những hệ cơ khí truyền thống này. Điều này được thúc đẩy hơn nữa bởi tỷ lệ giá trị thực hiện cao hơn của các thiết bị, nhu cầu của thị trường về các sản phẩm sáng tạo với những đặc tính thông minh và bởi những cố gắng giảm chi phí sản xuất các sản phẩm của họ với sản phẩm của các hãng khác. Những ứng dụng mới của các hệ cơ điện tử trong ngành công nghiệp ôtô bao gồm các ôtô bán tự động đến tự động hoàn toàn, hệ thống nâng cao độ an toàn, giảm thiểu tiêu hao và các đặc tính khác như hệ thống dẫn đường thông minh, các hệ thống phanh điện không dùng thuỷ lực. Một lĩnh vực tăng trưởng có ý nghĩa khác do tiếp cận thiết kế cơ điện tử mang lại là, hệ thống mạng không dây liên lạc với các trạm mặt đất và giữ các xe hơi khác nhau. Công nghệ viễn thông là sự kết hợp của hệ thống âm thanh, điện thoại di động, hệ thống điều hướng, khả năng kết nối intermet, e - mail và nhận dạng tiếng nói, có thể được coi là lĩnh vực có tiềm năng lớn nhất trong ngành công nghiệp ôtô. Trên thực tế, việc ứng dụng điện tử trong sản xuất ôtô dự kiến sẽ tăng trung bình mỗi năm khoảng 6% trong vòng năm năm tới và cũng trong khoảng thời gian đó, các tính năng điện tử trong ôtô cũng sẽ tăng gấp đôi.
Hệ cơ điện tử micro MEMS (Micro Electro Mechatronic System), cũng được gọi là hệ vi cơ điện tử, là một công nghệ cho phép phát triển các bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành có hiệu quả kinh tế cho các ứng dụng cơ điện tử. Thực tế đã có một vài thiết bị MEMS được ứng dụng trong ôtô, ví dụ như cảm biến và cơ cấu chấp hành của túi khí, cảm biến áp suất dùng cho việc đo áp suất trong ống phân phối. Việc tích hợp các thiết bị MEMS với các mạch
trạng thái tín hiệu CMOS trên cùng một chíp bán dẫn là một ví dụ khác về sự phát triển của các công nghệ cho phép cải tiến các sản phẩm cơ điện tử, chẳng hạn như ôtô.
Công nghệ ra đa với sóng milimét gần đây cũng được ứng dụng trong ôtô Ra đa với sóng milimét cho phép phát hiện vị trí của các đối tượng (các ôtô khác) và xác định khoảng cách tới chướng ngại vật cũng như tốc độ theo thời gian thực. Một mô tả khá chi tiết về cách thức vận hành của một hệ thống như thế đã được Suzuki và các cộng sự đưa ra. Hãng ôtô GM đã phát triển thành công công nghệ V2V (vehicle to vehicle). Một tình huống xảy ra là xe trước dừng lại bất ngờ khiến V2V phải phanh gấp và chuyển làn đột ngột. Lúc đó V2V sẽ phát tín hiệu tới tất cả các xe sau, cảnh báo đi chậm lại, đồng thời nhấp nháy đèn hậu liên tục để báo nguy hiểm đang xảy ra ở phía trước. Giao tiếp với con người là khả năng của các thiết bị có thể phát hiện ra các tình huống nguy hiểm, hoặc các trạng thái của người lái có thể gây ra nguy hiểm như buồn ngủ. . . để cảnh báo với chính người điều khiển phương tiện. Chẳng hạn Nissan đang phát loại chân ga mới gọi là "magic bumper - tấm chắn ma lực". Trong trường hợp có nguy cơ xảy ra va chạm, chân ga sẽ tự tác động vào chân người lái xe để cảnh báo họ chuyển sang chân phanh. Toyota cũng đang nghiên cứu loại ghế có thể phát hiện ra tình trạng buồn ngủ của lái xe thông qua nhịp tim, áp suất mạch đập, nhịp thở để cảnh báo cho người lái. (Hình 2.1) minh hoạ khả năng nhận biết của ôtô nhờ sự trợ giúp của ra đa sóng milimét.
Khoảng cách thực
Khoảng cách + Sai lệch giữa các xe lý tưởng giữa các xe _ Vận tốc tương đối
Khoảng cách đo được
Điều khiển
bằng máy tính Điều khiển tiết kiệm và hệ thống phanh ôtô
chống bó ABS
Phép đo bằng
Hình 2.1. Sử dụng Rada đo khoảng cách và vận tốc để tự động điều chỉnh khoảng cách giữa các xe ôtô
Công nghệ này cho phép điều chỉnh khoảng cách giữa ôtô và chướng ngại vật (hoặc ôtô khác) bằng việc kết hợp cảm biến với hệ thống dẫn hướng. Người lái có thể đặt vận tốc và khoảng cách mong muốn tới những chiếc xe ở ngay phía trước. Hệ thống ABS và hệ thống dẫn hướng được ghép với nhau để đảm bảo thực hiện được những chức năng nói trên một cách an toàn. Khả năng tránh chướng ngại vật còn được mở bổ xung thêm một chức năng khá hợp lý nữa là, lái bán tự động ở tốc độ chậm nhằm duy trì khoảng cách với xe ở phía trước khi xảy ra tắc đường. Trong điều kiện phát triển của cơ điện tử như ngày nay, những chiếc xe hơi hoàn toàn tự động chắc chắn sẽ ra đời trong vòng 20 năm tới. Các nghiên cứu về ôtô bán tự động dùng mô hình giao thông liên tục dựa trên hệ thống GPS và quá trình tự động hoá việc dừng và đi nhằm xác lập các hướng đi đang diễn ra ở khắp các trung tâm nghiên cứu. Hệ thống nhận biết và điều khiển được đề xuất cho loại xe như vậy (Hình 2.2), có sự tham gia của hệ thống định vị toàn cầu sai phân DGPS (Differential Global Possitioning Systems), xử lý ảnh theo thời gian thực và xác lập hướng đi linh hoạt.
Các hệ cơ điện tử tương lai trong ôtô có thể bao gồm kính chắn gió không mờ dựa trên hệ thống nhận biết độ ẩm, nhiệt độ và điều hoà không khí, khả năng tự đỗ xe song song, thiết bị trợ giúp đỗ xe phía sau, hỗ trợ thay đổi làn xe, phanh điện tử và việc thay thế các hệ thống thuỷ lực bằng các hệ cơ servo. Khi lượng ôtô trên thế giới tăng lên, các tiêu chuẩn nghiêm ngặt hơn về khí thải sẽ ra đời. Các sản phẩm cơ điện tử sẽ có khả năng đáp ứng được những thách thức đặt ra đối với việc điều chỉnh lượng khí thải và hiệu suất động cơ bằng việc giảm đáng kể lượng khí thải CO, NOx, HC để tăng hiệu quả của xe. Rõ ràng là không thể coi một chiếc xe ôtô với 30 đến 60 bộ vi điều khiển, 100 động cơ điện, hệ thống không dây điện nặng 200 poud, vô số các cảm biến và hàng nghìn dòng mã lệnh là một hệ cơ khí thuần tuý. Ôtô đang được chuyển hoá thành một hệ cơ điện tử hoàn toàn.
BUS dữ liệu
Hình 2.2. Thiết kế hệ thống ôtô tự hành với cảm biến và cơ cấu chấp hành
Qua những đặc điểm phát triển của khoa học, những đòi hỏi ngày càng khắt khe về mức độ an toàn, cũng như để thoả mãn nhu cầu về sự tiện ích của
Bo mạch LADAR RADAR Sóng mm Camera CCD màu Bộ xử lý ảnh LADAR Bộ xử lý ảnh RADAR LADAR Bộ xử lý quan sát Maxtro Bộ xử lý GPRS LADAR DPRS với tính
toán dựa trên FOG
Dao diện
RF Bộ Đ.khiển từ xa Thu dữ liệu từ cảm biến
Ghép nối RF dải tần thấp
Điều khiển (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
xe bằng tay nguồn xeĐiện Bộ mã hóa vật cân bằng Tìm kiếm sóng siêu âm Giám sát Bộ xử lý đường đi và hướng đi Bộ xử lý đầu vào cảm biến Camera tương tự B&W
con người các hệ thống cơ điện tử đang được tích hợp rộng rãi trong các sản phẩm ôtô. Ta có thể mô tả tượng trưng các khu vực ứng dụng cơ - điện tử trong một chiếc ôtô như sau.
Biểu đồ dưới đây (Hình 2.4) cho thấy chi phí giành cho các trang bị cơ điện tử trong ôtô đang chiếm tỷ lệ lớn và nó sẽ còn tiếp tục tăng cao hơn nữa.
1970 1980 1990 2000 2005 2010
Hình 2.3: Các khu vực ứng dụng hệ thống cơ điện tử trong một chiếc xe ô tô
Các hệ thống trợ giúp, hệ thống điều khiển từ xa (Telematik)
Các hệ thống thông tin về giao thông Hệ thống trợ giúp lái xe Hệ thống an toàn tích cực Hệ thống khung xe Khử điện tích Điều chỉnh độ ổn định thân xe Đệm khí giảm chấn tích cực Bộ ổn định chủ động Điều khiển chủ động và tích cực toàn thân xe (ABC) Hệ thống vành, bánh xe Cắt rung Hệ thống phanh chống bó (ABS) Hệ thống chống trơn trượt (ASR) Hệ thống phân bố lực phanh điện tử
Bộ phận điện tử
Kết nối các hệ thống đường dẫn thông tin Hệ thống quản lý nhiệt độ thông minh Hệ thống van điều tiết điện từ, phun xăng điện tử
Hình 2.4. 6% đóng góp về giá thành của cơ điện tử trong ôtô
Hình 2.5. Sự phát triển của các hệ thống an toàn cơ điện tử trong ôtô và khuynh hướng của nó