Hình 2.42 Phạm vi và hình ảnh quan sát phía sau của xe khi đỗ xe tự động
2.10. Hệ thống bản đồ kỹ thuật số
Bản đồ kỹ thuật số chính xác cao là một thành phần quan trọng cho hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS) và xe tự lái. Bản đồ HD Live Map dựa trên dữ liệu đám mây, các cảm biến của xe để cập nhật thường xuyên cho phép đưa ra những thông tin về mạng lưới đường bộ một cách hiệu quả và chính xác nhất cho người lái. Ví dụ: “Khi lái xe muốn chuyển làn đường, dựa vào bản đồ HD Live Map sẽ cung cấp những thông tin về tình hình giao thông, giới hạn tốc độ cũng như thời hạn trong trường hợp làn đường sắp đóng cửa.”
Bản đồ kỹ thuật số HD Live Map có khả năng tự động cập nhật thông số các cung đường như các đoạn đường đang thi công, vị trí hay xảy ra kẹt xe, giới hạn tốc độ trong thời gian thực.
CHƯƠNG 3
CẢM BIẾN XE TỰ LÁI 3.1. Chỉ số cảm biến
3.1.1. Phạm vi phát hiện
Hình 3.1 Chiều dài và góc của quét của cảm biến
Chiều dài và góc quét là hai yếu tố cấu thành phạm vi bao phủ của cảm biến. Trong đó góc quét bao gồm thành phần nằm ngang (phương vị) và thành phần dọc (độ cao). Trong trường đồ án này chúng ta đang tiếp cận việc lái xe như một bài toán hai chiều, do đó góc quét được xem xét theo phương ngang bởi vì góc quét theo phương đứng ít liên quan hơn và chủ yếu quan trọng khi xử lí có sự khác biệt về chênh lệch độ cao.
3.1.1.1. Chiều dài tầm quét
Chiều dài tầm quét cảm biến thể hiện khoảng cách có thể phát hiện ra các phương tiện tham gia giao thông khác, đặc biệt trong tình huống khẩn cấp, khoảng cách phát hiện của cảm biến đóng vai trò cấp thiết nhằm bảo đảm an toàn cho người và phương tiện.
Giả sử, nếu chúng ta lái xe với gia tốc a không đổi thì khoảng thời gian t dừng chuyển động từ tốc độ ban đầu v0đến tốc độ v1 có thể được tính bằng cách sử dụng công thức như sau:
0 1 v v t a (3.1)
Khoảng cách dừng sau đó có thể được tính bằng cách sử dụng công thức: 2
0,5
Trong một số trường hợp khác, chiều dài tầm quét có thể được tính bằng cách sử dụng thước đo được gọi là thời gian va chạm, thường được viết tắt là TTC. TTC mô tả thời gian để hai xe va chạm, giả sử cả hai xe tiếp tục lái với vận tốc không đổi. Gọi dAB là khoảng cách giữa hai xe, thì TTC () được tính bằng công thức:
AB A B d v v (3.3)
Thời gian va chạm TTC thường được sử dụng trong các thao tác chuyển làn trên đường cao tốc hoặc đối với phương tiện giao thông đang đến gần tại giao lộ. Từ công thức 3.3 ta có thể xác định chiều dài tầm quét r cần thiết trong trường hợp này, bằng cách sử giả sử cả hai xe đều lái với vận tốc không đổi.
( )
AB A B
r d v v (3.4)
3.1.1.2. Góc quét
Góc quét của cảm biến rất đa dạng bởi vì nếu một cảm biến không đủ đáp ứng yêu cầu quan sát, chúng ta có thể thêm cảm biến để tăng phạm vi phủ sóng.
3.1.2. Độ phân giải góc
Hình 3.2 Một số tình huống mà việc phân tách đối tượng là cần thiết
Để đánh giá đúng các phương tiện khác được phát hiện và mối đe dọa mà chúng gây ra cho phương tiện, các cảm biến phải có khả năng tách các đối tượng một cách chính xác. Độ phân giải góc thấp thì hai phương tiện lái cạnh nhau có thể được coi là một phương tiện duy nhất, do đó có thể dẫn đến ước tính rủi ro sai và cuối cùng là đưa ra quyết định sai. Một ví dụ được thể hiện ở Hình 3.2 phương tiện
màu xám và màu đỏ ở khoảng cách gần nhau, điều này có thể khiến chúng bị phát hiện là một phương tiện nếu độ phân giải của cảm biến không đủ.
3.1.3. Độ phân giải theo chiều dài tầm quét
Độ phân giải theo chiều dài tầm quét của cảm biến thể hiện sự khác biệt nhỏ nhất về khoảng cách có thể đo được và giống như độ phân giải góc, nó xác định phương tiện phía trước là một hay nhiều phương tiện khác. Hình 3.3 minh họa cách độ phân giải phạm vi nâng cao có thể cho phép khả năng tách hai đối tượng. Trong hình bên trái, cả hai xe màu xám nằm trong một ô phân giải và do đó sẽ được coi là một đối tượng, đối với hình bên phải cho phép phân tách chúng thành hai đối tượng riêng lẻ.
Hình 3.3 Khả năng nhận diện tách phương tiện ứng với các độ phân giải theo chiều dài tầm quét của cảm biến
3.2. Cảm biến radar
3.2.1. Giới thiệu chung
RADAR là viết tắt của từ “Radio Detection And Ranging”. Chúng có nghĩa là dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến. Có thể hiểu cơ bản: Đây là một hệ thống dùng để phát hiện vị trí và khoảng cách từ Radar tới vật cần xác định. Nó hoạt động dựa trên phát một sóng năng lượng vào không gian và theo dõi tín hiệu phản xạ lại từ các vật thể.
Radar ô tô là một thiết bị nhỏ được sử dụng để phát hiện tốc độ và phạm vi di chuyển của các đối tượng trong vùng lân cận của ô tô. Radar ô tô bao gồm một máy phát và một máy thu. Máy phát có nhiệm vụ phát ra các sóng vô tuyến đập vào một
thể để cảnh báo cho người dùng. Cảm biến radar ô tô rất nhạy khi phát hiện và định vị các phương tiện khác, đặc biệt khi đang đi với tốc độ như trên đường cao tốc.
Hình 3.4 Cảm biến radar ô tô phát hiện, định vị người và phương tiện xung quanh ô tô
Radar ô tô là công nghệ cảm biến hàng đầu hiện nay giúp tăng độ an toàn khi lái xe trong mọi điều kiện môi trường. Đến nay, radar ô tô đang được ứng dụng trên nhiều mẫu xe hơi cao cấp để kích hoạt các tính năng an toàn và tiện nghi trên xe, nhằm điều chỉnh tốc độ di chuyển tự động mà không cần sự tham gia của người lái. Trong tương lai không xa, cảm biến radar trên ô tô sẽ trở thành trợ thủ đắc lực của người điều khiển khi tham gia giao thông để giảm thiểu tối đa va chạm. Đồng thời, đây cũng là công nghệ quan trọng để hướng đến ngành công nghiệp ô tô không người lái.
3.2.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến radar ô tô
Cảm biến radar ô tô được sử dụng để xác định khoảng cách và tốc độ của các đối tượng đứng hoặc di chuyển xung quanh ô tô. Thiết bị radar phát ra sóng vô tuyến, chạy với tốc độ cực nhanh và phản xạ trở lại radar khi có vật thể trên đường đi của nó. Các radar ô tô cho tầm xa điển hình có thể đo các vật thể cách xa 300m đến 500m.
Các thiết bị radar khi hoạt động sẽ phát ra những đợt sóng radar. Khi gặp chướng ngại vật, sóng radar sẽ lập tức dội ngược lại cảm biến. Dựa vào thời gian sóng di chuyển rồi phản ứng lại, vi xử lý trung tâm của xe ô tô sẽ tính toán ra khoảng cách từ xe tới chướng ngại vật phù hợp với tốc độ và hướng đi của người điều khiển hiện thời.
Nếu khoảng cách giữa hai xe không đảm bảo an toàn, các hệ thống cảnh báo trên ô tô sẽ đưa ra những cảnh báo cho lái xe thông qua bảng điều khiển, đèn báo, thậm chí bằng âm thanh. Khi khoảng cách quá gần mà lái xe không phản ứng, hệ thống sẽ tự động can thiệp qua các hệ thống khác như phanh tự động, căng dây an toàn hay túi khí... để bảo vệ hành khách, hạn chế tối đa va chạm xảy ra.
3.2.3. Phân loại cảm biến radar ô tô
Cảm biến radar ô tô được phân thành hai loại: radar tầm ngắn (SRR) và radar tầm dài (LRR).
Hình 3.6 Các cảm biến radar trên xe
3.2.3.1. Cảm biến radar tầm ngắn (SRR)
Radar tầm ngắn (SRR) sử dụng tần số 24 GHz và được sử dụng cho các ứng dụng quan sát có phạm vi gần như phát hiện điểm mù, hỗ trợ đỗ xe hay phát hiện
các chướng ngại vật ở cự ly gần. Các radar này cần một ăng-ten để có thể quan sát được với góc quét lớn, tạo ra tầm nhìn quan sát rộng để đảm bảo độ chính xác tối đa.
Hình 3.7 Cảm biến radar tầm ngắn (SRR)
Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật của cảm biến radar tầm ngắn (SRR)
Tham số Nhỏ nhất Lớn nhất Đơn vị
Phạm vi 0.15 50 m
Năng lượng truyền tải 0 6 dBm
Phạm vị độ phân giải 0 3 m
Tuy nhiên, radar ô tô băng tần hẹp 24 GHz truyền thống có khả năng hạn chế trong việc phân biệt các vật thể, tách biệt con người với động vật, chủng loại xe khác nhau hoặc thậm chí là các hòm thư.
Bảng 3.2 Các ứng dụng của radar ô tô tầm ngắn
Ứng dụng Vị trí cảm biến
Hệ thống kiểm soát hành trình thích ứng (ACC) Trước
Hệ thống cảnh báo va chạm (CWS) Trước/ Bên
Hệ thống giảm thiểu va chạm (CMS) Trước/ Bên
Hệ thống phát hiện vật cản phía trước (VUD) Trước
Hệ thống cảnh báo điểm mù (BSM) Sau
Hệ thống hỗ trợ thay đổi làn đường (LCA) Sau
Hình 3.8 Vị trí của một số cảm biến radar trên xe
Cảm biến radar phía trước có công dụng hỗ trợ hệ thống phanh khẩn cấp AEB, hệ thống kiểm soát hành trình thích ứng.
Cảm biến radar bên có công dụng hỗ trợ cảnh báo điểm mù BSM.
Cảm biến radar phía sau có công dụng hỗ trợ các hệ thống thay đổi làn đường.
3.2.3.2. Cảm biến radar tầm dài
Radar tầm dài (LRR) sử dụng tần số 77 GHz (thông thường dao động từ 76- 81GHz) cung cấp độ chính xác và độ phân giải tốt hơn so với radar tầm ngắn. Chúng được sử dụng để đo khoảng cách và tốc độ của các phương tiện khác khi đang di chuyển ngược hướng xe ô tô, đồng thời radar tầm dài còn giúp phát hiện các đối tượng trong phạm vi quan sát rộng hơn. Hệ thống radar tầm xa (LRR) cung cấp phạm vi quan sát từ 80m đến 200m hoặc lớn hơn.
Bảng 3.3 Thông số kĩ thuật của cảm biến radar tầm dài (LRR)
Tham số Nhỏ nhất Lớn nhất Đơn vị
Phạm vi 10 250 m
Năng lượng truyền tải 4 6 dBm
Phạm vị độ phân giải 5 10 m
Với tần số cao hơn, radar tầm dài có thể giảm kích thước và trọng lượng toàn hệ thống. Với kích thước bước sóng của tín hiệu 79 GHz bằng 1/3 so với hệ thống 24 GHz, tổng diện tích của ăng-ten 79 GHz sẽ chỉ bằng 1/9 của ăng-ten 24 GHz tương tự. Các nhà sản xuất có thể sử dụng các cảm biến nhỏ hơn, nhẹ hơn và ẩn chúng dễ dàng hơn để thiết kế xe hơi tốt hơn.
Ngoài việc giảm kích thước ăng ten, thì cũng tăng băng thông một cách đáng kể (gấp 3-4 lần khi chuyển từ 24 GHz lên 76 GHz). Với băng thông cao thì lượng dữ liệu truyền trong 1 phần tỉ giây đã rất lớn. Nhờ đó việc tính toán vị trí sẽ nhanh và chính xác hơn, các phép đo vận tốc có thể được cải thiện theo hệ số 3x. Chỉ với tần số 1 GHz, đã có tới 1 tỉ sóng mỗi giây. Khi xác định được thời gian phản hồi của sóng từ vật thể tới nhiều cảm biến khác nhau, bộ vi xử lý trung tâm sẽ tính được vị trí của vật thể nhờ phương pháp hình học.
Ngoài ra đối với radar tầm ngắn việc xác định nhiều đối tượng không thể phân biệt nếu chúng xuất hiện trong cùng một phạm vi và được hợp nhất thành một đối tượng ảo. Với băng thông lớn 4 GHz, có sẵn ở tốc độ 79 GHz, cho phép khả năng phân biệt mục tiêu tốt hơn. Cụ thể radar tầm dài 79 GHz sẽ mang lại hiệu suất tốt hơn gấp 20 lần về khả năng phân giải và độ chính xác so với radar tầm ngắn 24 GHz giúp phát hiện tốt hơn các đối tượng gần nhau.
Thử nghiệm so sánh giữa băng thông 1 GHz và 4 GHz cho thấy rõ rằng chỉ có giải pháp băng thông cao hơn mới có thể đo được hai đối tượng khác nhau, cách nhau gần 10 cm. Radar băng thông thấp hơn không thể phát hiện hai đối tượng khác nhau và cung cấp dữ liệu không chính xác cho người lái hoặc hệ thống lái tự động, dẫn đến quyết định sai. Nếu một người đàn ông và con chó của anh ta đang đi sát nhau và con chó đột nhiên nhảy lên đường, chỉ có radar băng thông rộng hơn (thử nghiệm bên phải) có thể phát hiện cả hai cách riêng biệt và cung cấp thông tin chính xác cho người lái xe hoặc hệ thống lái xe tự trị. Mặt khác, radar băng thông hẹp hơn (thử nghiệm bên trái) cung cấp thông tin sai hoặc gây nhầm lẫn, có thể dẫn đến một tai nạn thương tâm.
Hình 3.11 Độ phân giải của các băng thông
Tuy nhiên, tần số 24 GHz lại vẫn được sử dụng bởi tính “xuyên thấu” của nó. Băng tần 18–24 GHz (bước sóng 1.11–1.67 cm) nằm trong dải băng tần K-band. Dải tần này không bị hấp thu bởi nước, mưa, bông tuyết, nên được sử dụng để phát hiện những đám mây, khí tượng học. Đặc biệt, cảnh sát dùng để phát hiện người lái xe quá tốc độ. Súng radar K-band (súng bắn tốc độ) hoạt động ở 24,150 ± 0,100 GHz. Nhờ ưu thế này, tần số 24 GHz vẫn đang được sử dụng để chế tạo cảm biến Radar cho ô tô.
Hình 3.12 Tầm quét của các radar
Bảng 3.4 Phạm vi của các radar được sử dụng trên xe
Cảm biến Radar tầm ngắn Radar tầm trung Radar tầm dài
Khoảng cách 0 – 50 m 0 -100 m 0 – 250 m
Góc > 80 độ 60 độ 18 độ
3.3. Cảm biến Lidar
3.3.1. Giới thiệu chung
Lidar, đây là viết tắt của cụm từ “Light Detection and Ranging”, công nghệ sử dụng tia laser để phát hiện chướng ngại vật, người đi bộ và phương tiện. Bên cạnh đó cảm biến Lidar còn được dùng để đo khoảng cách xác định vị trí chính xác của phương tiện và xây dựng bản đồ 3D của vật thể, bằng cách phát ra và thu nhận tia laser phản hồi lại rồi phân tích các dữ liệu đó để cho ra kết quả mong muốn. Phạm vi được xác định bằng cách đo khoảng thời gian giữa phát xạ và kết quả phản hồi.
Hình 3.13 Cảm biến lidar
Một thiết bị lidar chủ yếu bao gồm một tia laser, một máy quét và một bộ thu GPS chuyên dụng. Máy bay và trực thăng là những nền tảng được sử dụng phổ biến nhất để thu thập dữ liệu lidar trên các khu vực rộng lớn. Hai loại lidar là địa hình và đo độ sâu. Máy đo địa hình thường sử dụng tia laser cận hồng ngoại để lập bản đồ
đất liền, trong khi máy đo độ sâu sử dụng ánh sáng xanh xuyên qua nước để đo độ cao đáy biển và đáy sông.
Hình 3.14 Cấu tạo của cảm biến lidar
3.3.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến Lidar
Ánh sáng được chiếu vào một mục tiêu và đo thời gian ánh sáng quay trở lại nguồn. Vì ánh sáng di chuyển với tốc độ không đổi và đã biết, nên một thiết bị Lidar có thể đo được “Thời gian bay” hoặc khoảng cách giữa chính nó và mục tiêu một cách chắc chắn. Khi các phép đo này được lặp lại, thiết bị sau đó có thể truyền thông tin đó đến máy tính sẽ xây dựng bản đồ khu vực thu thập dữ liệu. Những hình ảnh đại diện trực quan của các phép đo được gọi là bản đồ “Đám mây điểm”.
Cụ thể hơn, Lidar hoạt động bằng cách bắn ra cực nhanh các chùm tia laser (lên đến 900.000 lần / giây) vào một chủ thể, bề mặt và sau đó đo đạc thời gian để ánh sáng bật ra khỏi mục tiêu đó và quay ngược trở lại.