Cảm biến góc xoay bánh xe, cảm biến tốc độ xe

4.5 Ý tưởng thiết kế hệ thống đèn liếc động

4.5.2 Cảm biến góc xoay bánh xe, cảm biến tốc độ xe

4.5.2.1 Cảm biến góc lái

Hệ thống đèn chiếu sáng góc cua ở thực tế sử dụng cảm biến lực ly tâm để có thể xác định được các góc quay của xe. Lúc xe vào cua thì sẽ xuất hiện lực ly tâm, góc cua vịng lớn thì lực ly tâm được sinh ra cũng càng lớn nên có thể biết được bán kính cong trên con đường người lái đang lưu thơng.

Do mơ hình chỉ có góc xoay vơ lăng để thể hiện góc đánh lái, do đó khơng thể sử dụng cảm biến lực ly tâm được. Vì vậy nhóm đã trang bị vào đó một biến trở cơng nghiệp (loại 10K, có thể xoay được 10 vịng) để có thể thay đổi điện trở của biến trở theo góc xoay tương ứng của vơ lăng.

53

Ở vị trí góc đánh lái vơ lăng là 0 thì giá trị điện trở là 5K, khi đánh lái hết cỡ về bên phải thì giá trị điện trở là 10K, khi đánh lái hết cỡ về bên trái thì giá trị điện trở là 0.

Hình 4.17: Cảm biến góc lái (biến trở 10K)

Hình 4.18: Cấu tạo biến trở

Khi sử dụng biến trở để xác định góc quay của vơ lăng, giá trị điện trở của biến trở thay đổi theo góc đánh lái làm cho giá trị điện áp rơi trên nó cũng thay đổi, tín hiệu điện áp này được đưa về chân số 22 trên Arduino. Tín hiệu điện áp này sau đó được Arduino chuyển về dạng xung. Do đó Arduino có khả năng nhớ được các giá trị điện áp ứng với vị trí vơ lăng ở chính giữa và các vị trí vơ lăng cho phép điều khiển xoay chố đèn thơng qua cụm servo.

4.5.2.2 Cảm biến tốc độ xe

Để mơ phỏng tốc độ của xe mơ hình sử dụng motor 12VDC để có thể tạo điều kiện cho hệ thống đèn liếc động và kết hợp với mạch Motor Speed Controller 10A để có thể điều chỉnh tốc độ với công suất lớn lên đến 400W.

54

Mạch thay đổi tốc độ sử dụng nguồn 12V, chân Motor+ và Motor- được nối với hai chân của motor, xoay núm vặn màu đen trên mạch điều tốc để có thể thay đổi tốc độ của motor theo ý muốn của mình và kết hợp với cảm biến encoder 100 xung hai kênh A, B gồm có encoder quang hai kênh A, B kèm đĩa encoder 100 xung được gắn cố định với trục quay của mơ tơ 12VDC để có thể xác định được tốc độ quay của motor.

Thông số kỹ thuật của encoder quang hai kênh A, B: • Khoảng cách giữa hai mắt phát và thu: 5mm; • Dịng sử dụng: 15mA;

• Mức tín hiệu xuất ra: Digital TTL; • Điện áp sử dụng: 3.3~5V DC. Sơ đồ chân:

• Hai chân cịn lại là chân tín hiệu kênh A và kênh B; • VCC: Cấp nguồn 3.35V DC;

• GND: Cấp nguồn mass 0VDC.

55

Đĩa encoder quay khi motor quay. Để đọc được tốc độ motor cần phải sử dụng mắt đọc encoder gồm có một mắt thu và một mắt phát đặt cố định và vng góc với nhau để sóng hồng ngoại có thể xuyên qua được rãnh của đĩa encoder để đọc được tốc độ.

Nguyên lý hoạt động của mắt encoder khi ánh sáng hồng ngoại được mắt phát chiếu xuyên qua các khe rãnh của đĩa encoder và đi tới mắt thu thì lúc này tín hiệu ở mức cao là 5V và khi bị che thì lúc này tín hiệu ở mức thấp 0V.

Hình 4.20: Cảm biến encoder đo tốc độ mơ tơ

Hình 4.21: Nguyên tác hoạt động của mắt đo encoder[8]

Loại cảm biến encoder hai kênh A, B này phá ra tín hiệu bằng hai kênh riêng biệt là kênh A và kênh B. A, B là 2 bit dữ liệu, tín hiệu có dạng on/off và 2 bit dữ liệu lệch nhau 900.

56

Hình 4.22: Sơ đồ xung và bảng thay đổi trạng thái kếnh A và B theo chiều thuận

[10]

Do đó ta chỉ cần theo dõi sự thay đổi trạng thái lên cao hay xuống thấp của một kênh (A/B) thì ta có thể xác định tốc độ của motor và qua đó ta cịn có thể xác định được chiều quay của motor nhưng mơ hình chỉ có thể cài đặt và sử dụng một chiều duy nhất nên việc xác định chiều quay của motor là khơng cần thiết. Nhóm chọn tín hiệu kênh B để có thể xác định được tốc độ motor quay khi hoạt động.

Mơ hình được trang bị đĩa encoder loại có 100 rãnh, nếu motor quay được một vịng thì cảm biến sẽ phát ra 100 xung sau đó sẽ gửi về bộ điều khiển. Mơ hình cũng quy ước cứ động cơ quay một vịng thì tương ứng với bánh xe ô tô thực tế quay một vịng. Ta giả định bánh xe ơ tơ dùng là bánh xe Toyota Vios 2016 với kích thước 185/60 R15. Suy ra:

Chu vi bánh xe: 603π = 1894(mm) ≈ 1,9(m); Độ cao thành lốp = 185 × 60% = 111(mm); Đường kính bánh xe = 111 × 2 + 381 = 603(mm); Đường kính mâm bánh xe = 15inch = 381(mm).

57

4.5.3 Bộ điều khiển Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 có trách nhiệm nhận tín hiệu và phát ra các tín hiệu điều khiển đèn liếc động dựa vào điều kiện cho trước. Để arduino có thể điều khiển xoay cụm chóa đèn thì phải cần có các điều kiện như sau:

• Tốc độ xe;

• Vị trí Cơng tắc đèn; • Góc đánh xoay bánh xe.

Nếu chọn tốc độ xe phải lớn hơn 20 (km/h) tức tốc độ lăn của bánh xe phải lớn hơn 5,56 (m/s). Để xe di chuyển với tốc độ này thì bánh xe giả định phải quay với tốc độ 2,9 (vòng/giây) tức số xung mà Arduino nhận được từ cảm biến gửi đến là 290 (xung/giây).

Nếu chọn góc xoay bánh xe lớn hơn 50. Vơ lăng trên mơ hình được thiết kế đánh lái hết cỡ về phía bên trái hoặc phía bên phải 2,5 vịng. Với các dòng xe Vios của hãng xe Toyota, các thông số kỹ thuật của các phiên bản E hay G theo các năm thường giống nhau.

Chiều dài cơ sở: L = 2550mm; • Chiều rộng cơ sở: q = 1460mm;

• Bán kính quay vịng tối thiểu: R0 = 5100mm.

Từ các thơng số trên, ta có thể tính tốn với từng góc quay của vơ lăng tương ứng với mỗi góc quay vịng của bánh xe.

Trên thực tế, việc tính tốn bán kính quay vịng cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Để dễ dàng cho việc mô phỏng, ta bỏ qua biến dạng ngang.

58

Hình 4.23: Động lực học quay ngang

Góc xoay bánh xe tối đa của bánh xe bên trong là α2: Ta có: tan α2 = L

R0− q2 = 2550

5100− 14602 = 255 437

 α2 ≈ 30 0.

Như vậy khi vô lăng đánh lái hết cỡ vể bên phải hoặc trái thì góc xoay bánh xe tương ứng là tối đa 300.

Ta có: Nếu quay vơ văng 2,5 vịng thì bánh xe quay một góc là 300.

Vậy nếu bánh xe quay một góc 50 thì vơ lăng phải quay 0.42 vòng tương ứng với việc quay vơ lăng một góc khoảng 1500.

Vậy để đáp ứng điều kiện góc xoay bánh xe lớn hơn 500 thì ta phải đánh lái vơ lăng từ vị trí giữa sang hai bên trái hoặc phải lớn hơn 1500.

Bộ điều khiển Arduino sau khi xử lý tín hiệu từ các cảm biến, Arduino sẽ gửi tín hiệu xung điện áp với độ rộng xung khác nhau để điều khiển cụm servo xoay theo hướng đánh lái.

59

4.5.4 Bộ chấp hành

Hiện nay việc đảm bảo an toàn khi di chuyển vào cua ban đêm là một việc hết sức cần thiết. Để đáp ứng được việc mở rộng nguồn sáng qua hai bên để tăng tầm nhìn cho người lái thì các hãng xe đã trang bị cho xe cụm đèn liếc bằng servo như cụm Bi liếc xenon và hay cơ cấu liếc hiện đại hơn là điều khiển các tấm gương phản chiếu như trong hệ thống đèn Lazer. Nhưng những sản phẩm này được sản xuất với giá thành cao nên không phù hợp với kinh tế của nhóm. Do đó nhóm chọn sử dụng cụm đèn đầu bình thường nhưng được thay đổi và tinh chỉnh lại, bổ sung cơ cấu liếc được điều khiển bằng servo.

Động cơ RC Servo MG996R, nó giúp cung cấp lực kéo lên đến 11kg cho khả năng xoay cụm đèn một cách dễ dàng. Có tốc độ xoay nhanh khoảng 0.14 giây/600

giúp cụm đèn liếc linh hoạt đáp ứng kịp thời sự thay đổi góc chiếu sáng của cụm đèn đầu hai bên. Nguồn cung cấp cho servo là nguồn 5VDC được lấy từ mạch hạ áp 12V5V.

60

Cấu tạo của một động cơ RC servo bao gồm 10 phần cơ bản: 1. Động cơ chính;

2. Volt kế;

3. Dây nguồn (red); 4. Dây mass (black);

5. Dây tín hiệu vào (Yellow or White); 6. Board điều khiển tín hiệu hồi tiếp; 7. Vỏ servo;

8. Horn/Wheel/Arm gắn kèm; 9. Trục/ bánh răng output; 10. Chíp điều khiển chính.

Trong đó động cơ và vơn kế được nối với mạch điều khiển tạo thành mạch hồi tiếp vịng kín. Cả mạch và động cơ đều được cấp nguồn DC. Để quay động cơ, tín hiệu số được gửi tới mạch điều khiển. Tín hiệu này sẽ khởi động động cơ thông qua chuỗi bánh răng nối với vôn kế. Vị trí của trục vơn kế cho biết vị trí trục ra của servo. Khi vơn kế đạt được vị trí u cầu thì mạch điều khiển sẽ tự động ngắt động cơ.

Thay vì quay liên tục như DC servo, động cơ RC servo được thiết kế quay với giới hạn trong khoảng 900, 1800 và 2700.

Về nguyên lý điều khiển, động cơ RC servo xác định vị trí cần quay tới nhờ độ rộng xung mà ta đưa tới dây điều khiển của động cơ.

Mạch điều khiển của RC servo có chức năng so sánh độ rộng xung điều khiển với tín hiệu điện áp mà biến trở đưa về, nếu có sự khác biệt (có sai số), nó sẽ tự động

61

điều chỉnh vị trí của động cơ lại cho đúng, q trình tự động điều chỉnh này được diễn ra khép kín đến khi vị trí của động cơ được xác định chính xác (khi sai số giữa độ rộng xung mà vi điều khiển đưa tới với tín hiệu điện áp của biến trở đưa về bằng 0). Vì vậy được gọi là điều khiển hồi tiếp khép kín.

Độ rộng của các xung sẽ quyết định đến vị trí góc trục của động cơ:

• Độ rộng của xung 1.5ms thì cho trục động cơ quay đến vị trí góc 900; • Độ rộng xung nhỏ hơn 1.5ms thì cho trục động cơ quay ở vị trí góc 00; • Độ rộng xung lớn hơn 1.5ms thì trục động cơ sẽ quay đến vị trí góc 1800; • Các servo khác nhau ở góc quay được cùng với tín hiệu 12ms thì các servo chuẩn được thiết kế để quay tới và lui từ 9001800. Hầu hết các loại servo đều có thể quay được 1800.

Servo được trang bị với nguồn của mạch hạ áp 12V5V, chân số 31, 32 của Arduino được nói với chân tín hiệu của servo.

4.5.5 Liếc lên và liếc xuống

62

Theo tiêu chuẩn chung, khoảng cách của đèn chiếu xa phải đạt 180250m, đèn chiếu gần phải đạt 5075m so với mặt đường, khi lên dốc hoặc xuống dốc thì góc chiếu của đèn đầu xe xuống mặt đường sẽ thay đổi tùy theo độ nghiêng của xe, từ đó sẽ xảy ra hai trường hợp:

Trường hợp 1: Khi xe xuống dốc hoặc điều kiện đường có xu hướng dốc xuống, đường đồi núi, góc chiếu của đèn đầu xe bị chỉa xuống, quãng đường chiếu sáng của đèn đầu sẽ thu ngắn lại, từ đó giảm hiệu quả chiếu sáng của đèn, gây mất tầm nhìn phía trước, hệ quả sẽ gây nguy hiểm cho người lái và các phương tiện xung quanh khi có các tình huống bất ngờ xảy ra.

Hình 4.26: Mơ phỏng ánh sáng đèn chiếu gần trên ô tô [25]

Như trên hình, chỉ cần góc chiếu sáng của đèn chiếu gần thay đổi liếc lên 0,5% hoặc liếc xuống 2,5% là đã có thể gây ảnh hưởng xấu đến tầm nhìn.

Khi liếc lên 0,5% sẽ gây tình trạng ánh sáng chiếu vào các phương tiện đi đối diện.

Khi liếc xuống 2,5% sẽ gây tình trạng thiếu tầm nhìn cho người lái.

Trường hợp 2: Khi xe lên dốc hoặc điều kiện đường có xu hướng dốc lên, đường đồi núi, góc chiếu của đèn đầu xe bị ngước lên, quãng đường chiếu sáng của đèn đầu xe sẽ khơng chiếu xuống mặt đường mà xảy ra tình trạng ánh sáng chiếu hướng lên, gây mất tầm nhìn phía trước, ánh sáng chiếu thẳng vào người đối diện, hệ

63

quả sẽ trở nên nghiêm trọng khi đi đường đồi núi mà bị mất tầm nhìn và đường có nhiều phương tiện ngược chiều.

Từ đó, để giảm thiểu rủi ro tai nạn khi đèn chiếu sáng không đạt hiệu quả như lý thuyết. Nhóm chúng em quyết định phát triển ý tưởng về hệ thống đèn chiếu sáng có thể thay đổi góc chiếu sáng lên xuống, phù hợp với điều kiện đường xá phức tạp nước ta.

Phương hướng giải quyết của nhóm chúng em tiến hành thực nghiệm thực tế hiệu quả chiếu sáng khi hệ thống đèn đầu xe bị thay đổi góc chiếu sáng lên và xuống, các số liệu khoảng cách đo được nhờ vào thước đo khoảng cách laser độ chính xác cao Bosch GLM40.

Hình 4.27: Máy đo khoảng cách bằng Laser Bosch GLM40

Thông số kĩ thuật của máy:

 Trọng lượng: 100g;

 Loại Pin: 2 pin AAA;

 Loại tia laser: Loại 2;

 Cấp bảo vệ: IP54;

 Đơn vị đo: m/ft;

 Sai số: ±2mm;

64

 Kích thước: Cao x Rộng x Sâu (105mm x 41mm x 24mm);

 Khoảng đo: 0,15m - 40m.

Thước laser này chỉ có thể đo khoảng cách tối đa 40m, do đó nhóm chúng em tiến hành thực nghiệm đo số liệu trên đèn chiếu gần. Khi khoảng cách chiếu hơn 40m, để có thể tiếp tục lấy số liệu, nhóm em phải đặt 1 vật làm mốc ở khoảng cách 35m so với đèn rồi tiếp tục từ vật mốc đo tiếp khoảng cách mà đèn đầu xe có thể chiếu tới.

Số liệu cho thấy:

Khi thay đổi góc chiếu sáng liếc xuống mỗi 10, khoảng cách chiếu sáng của đèn giảm 34m, đồng thời ánh sáng ở vùng chiếu xa nhất bị giảm cường độ sáng gây mờ dần.

Khi thay đổi góc chiếu sáng liếc lên mỗi 10, khoảng cách chiếu sáng của đèn tăng lên 34m, đồng thời ánh sáng vùng chiếu gần bị giảm rõ rệt gây hệ quả không thể nhận biết vật thể ở gần.

Khi tăng, giảm góc chiếu sáng đến 50, hiệu quả chiếu sáng của đèn chiếu gần sẽ mất đi mục đích chiếu sáng ban đầu như lý thuyết.

Khi tăng góc liếc lên đến 50, đèn chiếu gần sẽ cho tầm chiếu sáng gần giống đèn chiếu xa, tuy nhiên do công suất không mạnh bằng đèn chiếu xa nên cường độ ánh sáng giảm rõ rệt khiến các chi tiết được chiếu sáng trở nên mờ nhạt khó nhận biết. Hệ quả gây mất mục đích chiếu sáng như theo thiết kế của nhà sản xuất.

Khi giảm góc liếc xuống đến 50, đèn chiếu gần sẽ cho tầm chiếu sáng quá gần, gây tình trạng mất tầm nhìn ở khoảng 3050m, khiến cho người lái khơng phản ứng kịp nếu xảy ra các tình huống bất ngờ.

Ở góc liếc lên xuống 50, điều kiện đường sẽ khơng q dốc, do đó xe vẫn sẽ dễ dàng đạt được vận tốc 60km/h, ở vận tốc này để đảm bảo hiệu quả phanh và xử lí tình huống của người lái, khoảng cách tối thiểu phải giữ là 35m [25], do đó tầm nhìn ở khoảng cách này phải đủ để có thể xử lí tình huống. Nhưng góc chiếu sáng khi ở trạng thái liếc lên hoặc xuống 50 đã gây ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu quả chiếu sáng, điều này hồn tồn có thể gây nên những hậu quả không lường trước được.

65

Ngồi ra, ở mơ hình nhóm em đã sử dụng cụm chiếu sáng phía trước đời cũ, tương đối nặng, do đó khi gắn lên động cơ bước đã gây một áp lực không nhỏ. Nếu cho động cơ bước điều khiển đèn liếc lên xuống ở một góc độ q lớn sẽ sinh lực qn tính khiến góc độ điều khiển khơng cịn chính xác.