L ỜI CAM ĐOAN
3.2.3.1 Mô hình LED chiếu sáng đèn đƣờng
Phân b ố chiếu sáng là m t hàm c a c a chi u cao c a mô hình phát x máy ộ ủ ủ ề ủ ạ phát hay góc của máy phát, trƣờng nhìn FOV (field of view), m t n a góc công suộ ử ất (half power angle) c a máy thủ u, độ nghiêng gi a máy phát và máy thu, kho ng cách ữ ả gi a máy phát và máy thu. ữ
Mô hình phát x ạ LED đƣợ ấc l y gần đúng nhƣ mô hình Lambertian. Ở đây, chúng ta xem xét m t bên cộ ủa đƣờng hai chi u và khoề ảng cách đề xu t gi a mấ ữ ỗi LED là 30 mét (hình 3.1). Phân b SNR dố ọc đƣờng cho các góc máy thu và FOV khác nhau cần đƣợc quan tâm và quan sát tốc độ ữ d u xung quanh 100 kbps là liệ hoàn toàn có th khi s d ng k thuể ử ụ ỹ ật chiếu sáng này.
Hình 3.1 Mô hình LED chi u sáng ế đèn đƣờng
Chiếu sáng đƣờng và truyền thông s d ng LED ánh sáng tr ng có th ử ụ ắ ể đƣợc thực hiện và đề xuất. Tuy nhiên, các đèn giao thông sử ụ d ng các thấu kính màu để t o ra các tín hiạ ệu đỏ, xanh lá cây và vàng. Do đó, báo hiệu giao thông yêu c u các ầ LED màu. Gần đây, nhiều thành ph trên th giố ế ới đã thay thế đèn tín hi u giao ệ thông thông thƣờng bằng đèn tín hiệu giao thông dựa trên LED. Trong tƣơng lai, nhi u thành ph khác s p t c th c hiề ố ẽ tiế ụ ự ện điều đó vì các đặc tính riêng bi t cệ ủa LED. Đó là: giá thành bả dƣỡo ng th p, kh ấ ả năng nhìn tốt hơn, tuổi th cao và tiêu ọ thụ ít năng lƣợng. Bên cạnh đó, LED còn cung cấp truy n d ề ữ liệu mà không b gián ị đoạn v i chớ ức năng báo hiệu, chúng cũng đƣa ra tầm nhìn xa tốt hơn và tiệ ợi hơn n l cho con ngƣời theo các chuẩn đèn tín hi u giao thông. Phệ ần dƣới đây, chúng ta sẽ xem xét ng n g n t m nhìn xa cắ ọ ầ ủa con ngƣời và các chu n cho t m nhìn cẩ ầ ủa đèn tín hi u giao thông. ệ
3.2.3.2 Tầm nhìn xa (visibility) của con ngƣời.
T m nhìn xa cầ ủa đèn tín hiệu giao thông là quan trọng cho điều khi n phể ƣơng tiện an toàn. Nó ph ụ thuộc vào nhi u y u t : màu sề ế ố ắc, cƣờng độ chi u sáng ế (luminous intensity) và phân b ố cƣờng độ chi u sáng. ế
Có hai tình huống:
- S ự khó khăn trong việc tách các tín hi u giao thông ệ - Khẳ năng phân biệt giữa các tín hiệu
Ngƣỡng khác bi t chói (LDT) là m t y u t mà quyệ độ ộ ế ố ết định t m nhìn th y c a ầ ấ ủ các v t th nói chung. Vậ ể ới con ngƣời để p nh n và nh n bi t m t v t thtiế ậ ậ ế ộ ậ ể, độ ọ r i (illuminance) c a v t th ủ ậ ể đó cần khác bi t so vệ ới độ ọ r i n n (background ề illuminance) và s khác bi t cự ệ ủa các độ ọ ầ r i c n ph i lả ớn hơn LDT để ắt ngƣờ m i có thể phân biệt đƣợc. LDT này b ị ảnh hƣởng b i các y u t ớ ế ố nhƣ khả năng nhìn của chủ thể, điều ki n tinh thệ ần, đặc tính c a v t thủ ậ ể, điều ki n chi u sáng trong t m ệ ế ầ nhìn c a mủ ắt…Có nghĩa là, điều ki n t m nhìn th y c a ệ ầ ấ ủ ngƣời lái có th b nh ể ị ả hƣởng r t l n b i th i ti t và th i gian. Các khía c nh này s ấ ớ ở ờ ế ờ ạ ẽ đƣợc xem xét ng n ắ g n b ng viọ ằ ệc xem xét cƣờng độchiếu sáng và phân b cho m t vài tiêu chu n. ố ộ ẩ
3.2.3.3 Cƣờng độ chiếu sáng, sự đồng nhất và phân bố
Có hai y u t ế ố chính xác định các yêu cầu cƣờng độ chiếu sáng (illuninance intensity) của tín hiệu ánh sáng:
- Độchói nền(background luminance) LB
- Khoảng cách d t ừ đó tín hiệu ánh sáng có th ể đƣợc nhìn thấy.
Có quan h tuy n tính giệ ế ữa độ chói n n ề LB và độ chói c a tín hi u ánh sáng ủ ệ s L c a mủ ột kích thƣớc cố đị nh: 1 S L C (3.1) Trong đó: C1là hằng s . ố
x Cƣờng độ sáng I (cd) Độ rọi (Illuminance) E (lx) Diện tích mặt đƣờng chiếu sáng (A) d Hình 3.2 Cƣờng độ chi u sáng ế
Cƣờng độ chi u sáng t t nh t c a ánh sáng mế ố ấ ủ ở ột đèn tín hiệu giao thông không ph ụthuộc vào với kích thƣớc:
2
S C
L
(3.2)
Trong đó: C2là h ng s và là góc khằ ố ối đối di n b i tín hi u ánh sáng. Vì ệ ở ệ thế b ng di n tích (A) c a tín hiằ ệ ủ ệu chia cho bình phƣơng khoảng cách t i tín hi u ớ ệ và cƣờng chiđộ ếu sáng là độ chói nhân v i di n tích: ớ ệ
2 A d (3.3) s I L A (3.4) Do đó: 2 2 1 C d (3.5)
Cƣờng độ chi u sáng (hình 3.2) là c n thi t cho m t tín hiế ầ ế ộ ệu ánh sáng đƣợc nhìn thấy ở khoảng cách cho trƣớc:
2
d B
I Cd L cd (3.6)
Trong đó: C là hằng số, Cd là Candela, đơn vị ủ c a cƣờng độ chi u sáng. ế t chói m t tr i và kho ng cách t
Cƣờng độ ối ƣu phụ thuộc vào độ ặ ờ ả ừ phƣơng tiệ ớn t i tín hiệu. Độ chói c a m t tr i là 10000 ủ ặ ờ cd m/ 2 ở điều ki n chu n. ệ ẩ
M t tín hiộ ệu ánh sáng đỏ đƣợc đề xuất 200 cd, đƣợc nhìn dƣới các điều kiện chuẩn, s ẽ đƣợc phát hi n nhanh chóng và vệ ớ ội đ tin cậy. Phƣơng trình liên quan:
2
2 6
d B
I E d L cd (3.7)
Trong đó: 2E 6đƣợ ấc l y cho h ng s C, d là kho ng cách, ằ ố ả LBlà độ chói c a n n. ủ ề V i h u h t các tín hi u, d i nhìn th y ít nh t phớ ầ ế ệ ả ấ ấ ải là 100m để cho phép điều ki n dệ ừng đỗ an toàn cho s d ch chuy n các ô ự ị ể tô ở 60km/h và với độ chiếu sáng c a ánh sáng m t tr i là 10000 cd/mủ ặ ờ 2. Dƣới các điều kiện này, cƣờng độ ối ƣu củ t a tín hiệu ánh sáng đỏ là 200cd, theo phƣơng trình (3.6). Giá trị 200cd cho tín hiệu ánh sáng đỏ (kích thƣớ 200mm) đƣợc nhìn dƣới các điềc u ki n chu n, là c n thi t ệ ẩ ầ ế ở m t góc l ch chu n (offset angle) t LOS c a xe c là 3ộ ệ ẩ ừ ủ ộ o. Khi góc tăng lên từ 3o, yêu c u v ầ ề cƣờng độ chiếu sáng cũng tăng theo quan hệ sau:
1.33
3
I I (3.8)
Do đó, công th c Fisher cho các yêu cứ ầu cƣờng độ chi u sáng c n thi t (xem ế ầ ế xét ánh sáng đèn nóng sáng incandescent lights) đƣợc đƣa ra bở- i công th c: ứ
Tuy nhiên, v i các tín hi u ánh sáng xanh lá cây và vàng c n mớ ệ ầ ột cƣờng độ chiếu sáng l n ớ hơn so với gƣờng độ chiếu sáng c a tín hiủ ệu ánh sáng đỏ (theo hi u ệ ứng Helmoholtz-Kohlrausch). Hi u ng Helmoholtz-Kohlrausch ệ ứ ảnh hƣởng khi kích thích màu (chromatic stimulus) xu t hiấ ện để có một độ chói (brightness) lớn hơn ộ m t kích thích c a ánh sáng tr ng vủ ắ ới cƣờng độ sáng. T s cỷ ố ủa cƣờng độ sáng c a kích thích màu, b ng vủ ằ ới độ chói đƣợc bi u di n là ể ễ B L/ . Ảnh thƣởng thay đổi bởi bƣớc sóng và s bão hòa, vự ới các ánh sáng đỏ và ánh sáng xanh bão hòa cao hơn có giá trị B L/ cao hơn ánh sáng vàng và xanh lá cây. Tuy nhiên, đề xu t g n ấ ầ đây nhất cho cƣờng độ ủ c a ánh sáng đỏ, vàng, xanh lá cây (R:Y:G) là (1:2.5:1.3).
3.2.3.4 Yêu cầu về cƣờng độ chiếu sáng cho các đèn giao thông dựa trên
LED
Phƣơng trình Fisher đƣợc đánh giá lạ ởi b i T ch c K thu t Giao thông ITE ổ ứ ỹ ậ VTCSH cho yêu c u v quang tr c cầ ề ắ ủa đèn tín hiệu giao thông d a trên LED. Mự ột loạt các việc đo đạc đƣợc th c hiự ện và đánh giá đƣa ra các chuẩn k ỹ thuật. ITE VTCSH sau đó đua ra phƣơng trình cho yêu cầu cƣờng độ chi u sáng nh nh t cho ế ỏ ấ các ánh sáng đèn giao thông dựa trên LED nhƣ ở các công th c tứ ừ (3.10) đến (3.14):
or , ver , , or er 2.5,0 h iz t h iz v t I size colour f I f I I (3.10) Trong đó, với t t cấ ả các giá tr ị h izor or , ver , , or er 2.5,0 h iz t h iz v t I size colour f I f I I (3.11)
or 1 2 11 or 0.05 (0.95exp h iz h iz f I (3.12) 0 er 2,5 v t ; er 1 2 5.3 er 0.05 (0.9434exp ) v t v t f I (3.13) er 2 er 0.07 0.02( 2.5) er er 0.26 0.76 exp 143 v t v t v t v t f I (3.14) Trong đó:
I(-2,5,0)= Màu Đèn tín hiệu giao thông
(200mm) T.L(300mm)
Đỏ 165cd 365cd
Vàng 410cd 910cd
Xanh 215cd 475cd
B ng 3.1 ả Giá trị ủ c a I 2.5,0
3.2.4 LED cho đèn tín hiệu giao thông
Các đèn tín hiệu giao thông d a trên LED có nhiự ều đặc điểm riêng biệt nhƣ t m nhìn tầ ốt hơn, giá thành bảo dƣỡng th p, tuấ ổi đời dài và t kitiế ệm năng lƣợng. Có hai kích thƣớc chu n chính cẩ ủa các đèn tín hiệu giao thông: 200mm và 300mm đƣờng kính. H thệ ống đèn tín hiệu giao thông d a trên LED bao g m nhi u LED, ự ồ ề hàng trăm HB LED đƣợ- c phân b trong không gian. Kho ng cách c a t m nhìn ố ả ủ ầ cũng nhƣ truyền d n tín hi u s ẫ ệ ẽ tăng lên với cƣờng độ chi u sáng. ế
Khái niệm cƣờng độ chỉ áp dụng cho các điểm ngu n (point sources). S ồ ự phát x b t ngu n t m t ngu n mà các chi u c a nó b b qua so v i kho ng cách ạ ắ ồ ừ ộ ồ ề ủ ị ỏ ớ ả
b ph b c x ố ổ ứ ạ hay độ ọ r i là một hàm cosin đố ới v i góc nhìn (viewing angle). Thực t , s ph ế ự ụ thuộc này là m t lu t công su t mà ch yộ ậ ấ ủ ếu ph thu c vào hình d ng ụ ộ ạ vùng bán d n và ch t bao. ẫ ấ
M t phân b bộ ố ức xạ thực tế ần đúng đƣợ g c biểu diễn theo phƣơng trình sau:
0
( , ) ( )cosm
E d E d (3.15)
Trong đó: là góc nhìn; E0 d là độ ứ b c x (ạ W /m ) cũng đƣợc đƣa ra bở2 i dòng phát quang (luminous flux) (lm) ởtrục ở kho ng cách d t i LED. ả ớ
Hình 3.3 Nguồn phát Lambertian
Giá tr m ph ị ụ thuộc vào v ị trí tƣơng đố ủi c a vùng LED phát x v i tâm cong ạ ớ (curvature center) của đƣờng bao c u. N u v trí chip trùng v i v trí tâm cong, m ầ ế ị ớ ị
x p x 1 và ngu n gấ ỉ ồ ần nhƣ là Lambertian hoàn hảo. Các LEDs đặc biệt thƣờng có các giá trị m 30 và s suy gi m cự ả ủa cƣờng độ với góc nhìn đƣợc xem xét.
Giá tr ị m đƣợc đƣa ra bởi góc công su t (half power angle-hpa), ấ 1/2 đƣợc đƣa ra bởi nhà s n xuả ất, đƣợc định nghĩa nhƣ là góc nhìn (viewing angle) khi độ phát r i (irradiance) b ng m t n a giá tr 0ọ ằ ộ ử ị ở 0. Quan h gi a m và ệ ữ 1/2 đƣợc biểu di n: ễ 1/2 ln 2 ln cos m (3.16) Hay: ln 2 ln cos m hpa (3.17) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 -0.3 -0.2 -0.1 0.1 0.2 0.3 -0.4 Ф (radian) Hình 3.4 Mô hình b c x : Hàm c a m và ứ ạ ủ
1 , cos 2 m E t m R m P (3.18) với 2 2
Hình 3.4 biểu di n tễ ọa độ ự c c cho các s mode khác nhau c a búp sóng b c xố ủ ứ ạ. Rõ ràng, khi m tăng lên tính định hƣớng của mô hình cũng tăng lên.
3.2.4.2 Mô hình nguồn phát đèn tín hiệu giao thông dựa trên LED.
Để mô hình đèn tín hiệu giao thông nhƣ nguồn phát, chúng ta thƣờng ph i s ả ử d ng nhiụ ều LED cƣờng độ chiếu sáng cao giá thành th p. Tuy nhiên, có nhi u loấ ề ại LED khác nhau với các đặc tính khác nhau theo khía cạnh cƣờng độ ử, n a góc công suất-hpa, kích thƣớc và giá thành.
Thông thƣờng, các LED thông thƣờng và HB-LED có 3 đƣờng kính: 3mm, 5mm và 8mm. LED 5mm đƣợc xem xét vì tính l i ích r ng rãi. Di n tích c a m t ợ ộ ệ ủ ộ LED là g n 19.63mmầ 2, các LED thông thƣờng có các giá tr ị cƣờng độ sáng (lumen- brightness) r t nh v i bấ ỏ ớ ậc ít hơn 1, nói chung đƣa ra mili Candela (mcd). Do đó, chugns ta s c n mẽ ầ ột lƣợng lớn các LED nhƣ vậy để đạt đƣợc vài ch c lumnen ụ t ng. Ngoài ra, di n tích cổ ệ ủa các đèn giao thông có sẵn nó không đủ để chứa hàng nghìn LED th m chí không xậ em xét đến các ràng bu c v ộ ềchế ạo. Do đó, có hai sự t lựa chọn: s d ng HB-ử ụ LED để cung cấp cƣờng độ vài lumen nhƣng tính định hƣớng cao, và LED công su t (power LED) cung c p vài ch c lumen và các góc nhìn r ng. ấ ấ ụ ộ Hai loại LED v i các tiêu chu n k thuớ ẩ ỹ ật đƣợc đƣa ra ở ả b ng 3.2 [4].
Các loại LED Nhà sản xuất Màu sắc và bƣớc sóng (nm) Độ chiếu sáng (Luminous Flux) Bảng 3.2 So sánh các loại LED
Hai s ự khác nhau chính đƣợc tìm thấy ở ả giá thành và độ c tin c y. LED ậ công suất thƣờng có góc nhìn rộng và do đó thấu kính nên c n thitrở ầ ết để có đƣợc mô hình phát x thích h p. Các th u kính rạ ợ ấ ất đắt so v i LED. M t khác, HB-ớ ặ LED vơi các góc nhìn nhỏ hơn có thể đƣợc s d ng không có thử ụ ấu kính. Do đó sử ụ d ng LED công suất cho đèn giao thông sẽ đắt hơn HB-LED.
Hình 3.5 Mô hình k t nế ối của 370 HB-LED
S khác biự ệt chính khác là độ tin c y. V i ví d hình 3.5, m i nhánh có ậ ớ ụ ở ỗ 10LED. N u m i LED công su t hế ỗ ấ ỏng, đèn tín hiệu giao thông mất đi gần 350lm ảnh hƣởng kho ng bao ph . Tuy nhiên, n u m t trong nh ng HB-LED hả ủ ế ộ ữ ỏng, đèn tín hiệu giao thông s m t 64lm, s ẽ ấ ẽít ảnh hƣởng nghiêm trọng hơn so với LED công suất. Do đó, sử ụ d ng HB-LED nâng cao độ ề b n vững cho đền giao thông, ít suy
Hình 3.6 Mô hình k t nế ối của 69 Power LED
Thêm vào đó, phân bố độ chi u sáng c a HB-LED có th ế ủ ể đƣợc gia tăng với đèn tín hiệu giao thông báo hi u d a trên góc nhìn. hình 3.7 bi u di n phân b ệ ự Ở ể ễ ố độ sáng c a HB-ủ LED và Power LED. Do đó, khu vực d ch v cho truy n d n d u ị ụ ề ẫ ữ liệ có th ể tăng lên. Khu vực d ch v là khu v c bao ph dị ụ ự ủ ọc đƣờng mà ở đó dữ liệu mong mu n nhố ận đƣợc tin c y. ậ -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -0.5 -0.4 -0.3 0.1 0.2 0.3 0.4 -0.2 0.5 0 Hình 3.7 Phân b sángố độ
Vì th ế các mô hình cho các ánh sáng đèn giao thông dựa trên LED cho việc tói ƣu phân bố chi u sáng là m t vế ộ ấn đề quan tr ng. ọ
3.2.4.3 Phân loại ma trận LED cho nguồn phát VLC
Có nhiều quy ƣớc cho vi c các LED có th ệ ể đƣợc s p x p cho chi u sáng và ắ ế ế báo hi u ví d ệ ụ nhƣ ma trận vuông, ma tr n tam giác, ma trậ ận vòng đƣợc đƣa ra ở hình 3.8 a,b và c. Và 3.9 c,d,e Tuy nhiên, các s s p x p t o ra m t gi i h n thự ắ ế ạ ộ ớ ạ ấp hơn và cao hơn ở ố s lƣợng LED đƣợ ử ục s d ng. Ví d , v i mô hình vuông, ph i có ít ụ ớ ả nh t 4 LED và s ấ ố lƣợng LED l n nh t ph i biớ ấ ả ết trƣớc cho một kích thƣớc của đèn giao thông. Hơn nữa ma trận vuông thƣờng s d ng cho chi u sáng và s b c x ử ụ ế ự ứ ạ đồng nh t qua m t di n tích bao ph lấ ộ ệ ủ ớn hơn. Tuy nhiên, ở các ng d ng c a các ứ ụ ủ đèn giao thông, ma trận vòng tròn thƣờng đƣợc ƣa chuộng và s d ng. M c dù có ử ụ ặ nhi u s s p xề ự ắ ếp đƣợc nghiên c u và phân tích, mô hình vòng s d ng tứ ử ụ ốt hơn. Vì thế chúng ta s phân tích m t mô hình phù hẽ ộ ợp cho đèn tín hiệu giao thông bao gồm các ma tr n vòng c a các LED. ậ ủ