Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2. Cấu tạo các bộ phận chính và nguyên lý hoạt động của ghế chỉnh điện
2.2.6. Hệ thống túi khí
2.2.6.1. Sơ lược về túi khí
Hình 2.25. Hình ảnh túi khí bung khi gặp tai nạn
Khi quyết định mua một chiếc xe mới, một trong những điều cần quan tâm là các tính năng an tồn được tích hợp sẵn, từ tựa đầu có thể điều chỉnh, chống bó cứng phanh, kiểm sốt lực kéo và thắt dây an tồn. Một tính năng an tồn khác trong hầu hết các xe hơi giúp giảm thiểu tác động vật lý khi va chạm là túi khí.
Mục đích của túi khí là để đệm đầu và cổ khỏi bị chấn thương trong q trình chuyển động về phía trước do lực qn tính lúc xảy ra va chạm. Nó ngăn khơng cho đầu đập vào vô lăng, bảng điều khiển dẫn đến những chấn thương nghiêm trọng hoặc tử vong. Nhưng “Làm thế nào để túi khí hoạt động?”, “Mức độ an toàn của chúng như thế nào?” và “Làm thế nào mà ý tưởng hình thành?”
2.2.6.2. Túi khí là gì?
Trước khi trả lời cho câu hỏi “Túi khí là gì?”, chúng ta hãy quay ngược về quá khứ để xem chúng được hình thành từ ai và như thế nào.
Những ghi nhận trong quá khứ về một người nào đã nghĩ ra ý tưởng này khá nhiều và khác nhau. Nhưng, ai là người đầu tiên nghĩ ra việc chế tạo túi khí? Đó là John W. Hetrick ở Newport, Pennsylvania, sau khi anh ta đâm xe vào một vũng nước, suýt chút nữa đã
22 phóng con gái qua kính chắn gió trong khi cố gắng tránh một tảng đá. Vào ngày 5 tháng 8 năm 1952, ông đã nộp bằng sáng chế với tên gọi là “Bộ lắp ráp đệm an tồn cho xe ơ tơ”, được cấp vào ngày 18 tháng 8 năm 1953, vào “Bằng sáng chế Hoa Kỳ” số 2.649.311.
Vài tháng trước khi có bằng sáng chế của Hetrick, một người Đức tên là Walter Linderer đã nộp bằng sáng chế cho một túi khí. Từ những thơng tin có được, có vẻ như cả hai nhà phát minh đã đưa ra ý tưởng một cách độc lập. Các nhà phát minh và kỹ sư khác đã cố gắng hồn thiện ý tưởng kể từ đó, chẳng hạn như Allen K. Breed (1927-2000) đã nghĩ ra nhiều cách thử nghiệm khác nhau về tai nạn để thử nghiệm túi khí.
Túi khí là loại vải có thể co giãn hoặc các vật liệu khác được đặt kín ở các vị trí khác nhau trên xe của chúng ta. Hầu hết các xe đều có các túi khí ở ngay phía trên vơ lăng, dọc bên hơng xe, dọc theo kính dọc bên hơng xe và ngày nay túi khí có cả trên ghế lái và ghế hành khách. Những túi này được nén và giữ trong một khu vực nhỏ. Khi có tai nạn, túi khí bung ra rất nhanh nhờ nạp khí để tạo ra hệ thống đệm cho người ngồi trong xe để họ không bị văng ra trong trường hợp va chạm.
23
2.2.6.3. Túi khí hoạt động như thế nào?
Hình 2.27. Cách túi khí hoạt động khi xảy ra tai nạn
Trong trường hợp va chạm đủ mạnh, cảm biến va chạm (cảm biến gia tốc) sẽ gửi tín hiệu đến bộ phận điều khiển túi khí. Bộ phận điều khiển này kích hoạt thiết bị bơm, tạo ra khí nitơ bằng cách đốt cháy hỗn hợp natri azit (NaN3) và kali nitrat (KNO3). Thời gian từ khi phát hiện va chạm đến khi hồn thành việc lấp đầy khí nitơ vào túi khí là khoảng 0,05 giây. Tốc độ túi khí khoảng 200 dặm/giờ, do đó nó có thể gây hại trong một số trường hợp nhất định. Điều đó đã dẫn tới sự ra đời của các hệ thống túi khí thích ứng sử dụng nhiều bộ bơm để bung túi khí ở cấp độ thấp hoặc cao. Các hệ thống này có thể điều chỉnh áp suất túi khí tùy thuộc vào các yếu tố như vị trí ghế, trọng lượng của hành khách, mức độ nghiêm trọng của vụ va chạm và việc sử dụng dây an tồn. Túi khí được thiết kế với những lỗ nhỏ li ti giúp xẹp xuống ngay khi đầu tiếp xúc với nó. Nếu khơng có thiết kế này, thì đầu sẽ dội ngược về phía tựa đầu và sẽ khơng giúp ích cho việc giảm chấn thương.
2.2.7. Hệ thống nhận biết phân loại người ngồi 2.2.7.1. Sơ lược về hệ thống 2.2.7.1. Sơ lược về hệ thống
Khi túi khí trở thành thiết bị bắt buộc trên tất cả ô tô của Hoa Kỳ vào những năm 1990, chúng thể hiện một bước tiến lớn về an tồn cho xe. Nhưng bên cạnh đó, dữ liệu từ Cơ quan quản lý an tồn giao thơng đường cao tốc Hoa Kỳ cho biết gần 300 người đã chết do tác động của túi khí kể từ năm 1990. Phần lớn trong số đó là những chiếc xe được trang bị hệ thống túi khí quá nhạy cảm, và hầu hết những trường hợp tử vong là trẻ em và trẻ sơ sinh.
Đối với trẻ em và những người có tầm vóc nhỏ, tác động của túi khí bung ra với vận tốc hơn 200 dặm/giờ có thể gây ra chấn thương đầu và cột sống vĩnh viễn hoặc tử vong. Đây là lý do mà các tài xế được cho là để đưa những hành khách nhỏ hơn vào ghế sau. Đó là
24 luật ở một số tiểu bang. Nhưng nếu chúng ta đang chở một số hành khách ở hàng ghế sau và phải đưa đứa trẻ lên phía trước? Nếu chúng ta lái một chiếc ơ tơ hai chỗ ngồi thì sao?
Vì lý do đó, hệ thống phân loại hành khách (OCS) - một hệ thống cảm biến phát hiện ai đang ngồi trên ghế hành khách đã ra đời. Thay vì dùng cơng tắc bật/tắt túi khí như trước thì OCS sử dụng cơng nghệ máy tính để xác định xem người lớn hay trẻ em đang ngồi trên ghế.
2.2.7.2. Hệ thống hoạt động như thế nào?
Chúng ta hãy xem OCS do Nissan sản xuất. OCS hoạt động kết hợp với các cảm biến ở ghế hành khách phía trước. Các cảm biến nhằm mục đích phát hiện sự hiện diện và phân loại của người ngồi trên xe một cách chính xác và xác định xem túi khí của hành khách phía trước nên được kích hoạt (bung túi khí) hay khơng.
Hình 2.28. Sơ đồ khối hoạt động của bộ OCS
Hệ thống phân loại hành khách (OCS) xác định những người ngồi có kích thước khác nhau, những người ngồi lệch vị trí và phát hiện xem có ghế trẻ em ở ghế hành khách phía trước hay khơng. Bộ điều khiển OCS (hình 2.25) nhận đầu vào từ các cảm biến trọng lượng phân loại hành khách (hình 2.25). Tùy thuộc vào phân loại hành khách, OCS sẽ gửi tín hiệu đến bộ cảm biến chẩn đốn túi khí. Bộ cảm biến chẩn đốn túi khí sử dụng tín hiệu này và tín hiệu cơng tắc khóa dây an toàn (ghế hành khách) để xác định việc triển khai hoặc khơng triển khai túi khí phía trước của hành khách trong trường hợp va chạm. Tùy thuộc vào các tín hiệu nhận được, bộ phận cảm biến chẩn đốn túi khí có thể vơ hiệu hóa hồn tồn túi khí phía trước của hành khách.
25
Hình 2.29. Vị trí Bộ OCS và cảm biến trên ghế
2.2.8. Hệ thống dây đai an toàn. 2.2.8.1. Sơ lược về dây đai an toàn
Ngày nay, dây đai an tồn là trang bị khơng thể thiếu trên những chiếc ơ tơ, nó trở thành một điều bắt buộc từ các tổ chức an tồn giao thơng trên thế giới với các nhà sản xuất ơ tơ. Thắt dây an tồn và đeo đúng cách là điều cơ bản cho sự an toàn của chúng ta và hành khách. Trong khi va chạm hoặc dừng khẩn cấp, dây an toàn có thể giúp chúng ta khơng bị bay về phía trước và đập vào kính chắn gió của xe, vào những người ngồi khác hoặc ra khỏi xe. Tất nhiên, dây an tồn khơng thể bảo vệ chúng ta hồn toàn trong mọi va chạm. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, thắt dây an toàn làm giảm nguy cơ chấn thương nghiêm trọng và thậm chí có thể cứu sống chúng ta.
2.2.8.2. Dây đai an toàn hoạt động như thế nào?
Công việc của dây an tồn là phân phối lực qn tính của cơ thể khi chuyển động ở vận tốc cao và dừng đột ngột vào phần chắc chắn của cơ thể đó là xương lồng ngực và phần hông để giảm tối thiểu nguy hiểm.
26 Kiểu dây an toàn truyền thống là lapbelt (thường kéo qua hông của bạn) hoặc shoulder belt (kéo qua vai). Hai loại dây an toàn này được buộc chặt với thân xe để giữ thân người cột chặt vào ghế của họ.
Hình 2.30. Kiểu đai an tồn Lap belt/Shoulder belt
Khi dây an tồn được thắt chính xác, chúng sẽ cung cấp tồn bộ lực dừng vào lồng ngực hoặc vùng xương chậu, là những vùng chịu lực khoẻ nhất của cơ thể. Bởi vì dây an toàn tác dụng lên một dải rộng ngang theo cơ thể người nên lực dừng không tập trung vào một vùng nhỏ mà được phân tán, vì vậy khơng gây nguy hiểm lớn. Hơn nữa, dây an toàn được chế tạo bằng vật liệu mềm dẻo nên chúng có thể kéo căng được một một chút, nghĩa là sự dừng sẽ khơng q đột ngột. Vì vậy nếu xảy ra va chạm bạn chỉ có thể dịch chuyển được một chút, và đương nhiên là vẫn không rời chiếc ghế của chúng ta. Các dây an tồn của xe có khả năng co giãn rất tốt. Bạn có thể ngả người về trước trong khi sợi dây vẫn đang ở trạng thái căng. Nhưng nếu có va chạm, dây an tồn sẽ đột ngột giữ bạn chặt hơn vào ghế. Giãn và co: hai yếu tố tiên quyết trong hệ thống dây an tồn bình thường, một dải vải được nối với một cơ cấu căng dây. Yếu tố trung tâm của cơ cấu căng dây là một ống xoay gắn với đầu cuối của sợi dây. Bên trong của bộ căng dây là một lò xo cung cấp một lực để xoay ống xoay. Nhờ vậy, ống xoay lập tức cuộn cho sợi dây căng lại bất cứ khi nào dây trùng đi.
27
Hình 2.31. Ống xoay kèm lò xo
Khi chúng ta kéo dây ra để thắt vào người, ống xoay sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ và nó sẽ làm quay lò xo hồi vị xoay đi cùng chiều. Thực tế, ống xoay làm việc để giải phóng sức căng của lò xo. Lò xo thì ln muốn giữ lại hình dạng lúc đầu của nó, vì vậy nó chống lại chuyển động xoắn vào. Nếu chúng ta giải phóng sợi dây vải, lò xo sẽ kéo chặt lại, xoay ống xoay cùng chiều kim đồng hồ đến khi dây an tồn đạt đến một độ căng nào đó. Bộ căng dây có một cơ cấu khố để khơng cho ống xoay bị xoay đi khi chiếc xe va chạm. Hiện nay, có hai hệ thống khố thơng thường:
• Hệ thống được kích hoạt bằng chuyển động của chiếc xe. • Hệ thống được kích hoạt bằng chuyển động của dây an toàn.
28 Hệ thống thứ nhất sẽ khoá ống xoay khi chiếc xe giảm tốc đột ngột (khi đâm phải chướng ngại vật chẳng hạn). Sơ đồ trên (hình 2.32) cho biết kiểu đơn giản nhất của thiết kế này. Nhân tố làm việc trung tâm của cơ cấu này là một quả nặng. Khi chiếc xe dừng lại đột ngột, quán tính của vật nặng làm nó lắc về trước. Một vấu nằm ở đầu kia của vật nặng lập tức chèn vào các răng của bánh răng kết nối với ống xoay. Vì bị vấu cam giữ lại nên bánh răng không thể xoay theo ngược chiều kim đồng hồ nên không thể làm cho ống xoay xoay theo được. Khi dây an toàn bị lỏng ra sau va chạm, bánh răng lại xoay cùng chiều kim đồng hồ và vấu cam được giải phóng ra khỏi bánh răng.
Hình 2.33. Cơ cấu khố ống xoay khi giật mạnh dây đai
Hệ thống thứ hai khố ống xoay khi có vật gì đó giật mạnh sợi dây. Yếu tố làm việc chính của thiết kế này là một ly hợp ly tâm – đòn bẩy (1) có chốt xoay được lắp đặt với ống xoay. Khi ống xoay quay chậm, đòn bẩy khơng quay quanh trục của nó. Một lò xo giữ nó ở ngun vị trí. Thế nhưng, nếu dây an tồn bị giật đột ngột, làm xoay mạnh ống xoay, lực ly tâm làm cho vật nặng cuối đòn bẩy bắn ra ngoài. Đòn bẩy văng ra đẩy một vấu cam (5) vào một không gian của cơ cấu căng. Cam này được nối với một chốt hãm bởi một chốt trượt trong rãnh nhỏ (4). Khi cam di chuyển sang trái, chiếc chốt di chuyển dọc theo đường rãnh của chốt hãm. Điều này đã kéo chốt hãm vào một bánh răng cóc (2) ăn khớp với ống
29 xoay. Chốt hãm lập tức khố các răng của bánh cóc khơng cho nó quay ngược chiều kim đồng hồ, giữ ống xoay không cho dây trùng đi.
Nhiều năm nay, dây an toàn đã chứng tỏ chắc chắn là một thiết bị an toàn quan trọng nhất trên các xe ô tơ. Tuy vậy cũng khơng có nghĩa là chúng bảo đảm được an tồn 100% cho chúng ta. Trong tương lai, những chiếc xe sẽ được cung cấp những dây an tồn, túi khí tốt hơn với những công nghệ an tồn hồn tồn mới. Tuy nhiên, chính phủ sẽ phải chú tâm tới vấn đề lớn hơn, đó là việc buộc mọi người phải sử dụng các thiết bị an toànkhi sử dụng.
2.2.9. Sơ đồ mạch điện ghế chỉnh điện
30
2.3. Arduino Mega 2560 và các linh kiện điện tử liên quan. 2.3.1. Arduino Mega 2560 2.3.1. Arduino Mega 2560
Hiện nay để lập trình một thuật tốn điều khiển tùy theo nhu cầu làm việc của mỗi người chúng ta có thể lựa chọn rất nhiều board Arduino trên thị trường như Arduino UNO, Arduino Nano, Arduino Due, Arduino Mega,… Với khối lượng công việc đòi hỏi rất nhiều chân tín hiệu được cung cấp từ Arduino, nhóm chúng em đã quyết định chọn board Arduino Mega 2560 với số lượng chân tín hiệu vơ cùng lớn (54 chân digital và16 chân analog).
2.3.1.1. Giới thiệu Arduino
Hình 2.35. Board Arduino Mega 2560
Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn.
Arduino giống như một máy tính nhỏ để người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà khơng cần phải có các cơng cụ chun biệt để phục vụ việc nạp code. Arduino Mega2560 là một vi điều khiển bằng cách sử dụng ATmega2560.
2.3.1.2. Một vài thông số của Arduino Mega 2560
Bảng 2.1. Thông số kĩ thuật Arduino Mega 2560
Vi điều khiển ATmega2560
Điện áp hoạt động 5V
31 Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC
Điện áp giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 54 (15 chân hardware PWM) Số chân Analog 16 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 20mA
Dòng tối đa (3.3V) 50mA
Bộ nhớ flash 256 KB với 8 KB dùng bởi bootloader
SRAM 8 KB (ATmega328) EEPROM 4 KB (ATmega328) LED_BUILTIN 13 Chiều dài 101.52 mm Chiều rộng 53.3 mm Trọng lượng 37 g 2.3.1.3. Năng lượng
Arduino Mega 2560 có thể được cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngồi với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vng 9V là hợp lí nhất nếu chúng ta khơng có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, Arduino Mega 2560 sẽ bị hỏng.
2.3.1.4. Các chân năng lượng
Các chân cấp nguồn và đo kiểm:
• GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Mega 2560. • 5V: cấp điện áp 5V đầu ra.
• 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra.
• Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngồi cho Arduino Mega 2560, chúng ta sẽ nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
• IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino Mega 2560 có thể được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó ln là 5V. Mặc dù vậy chúng ta không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng phải là cấp nguồn.
• RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
32
2.3.1.5. Bộ nhớ
Vi điều khiển Atmega2560 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
• 256KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh khi lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng