IV. Phương pháp nghiên cứu
3.1.1. tưởng thiết kế mơ hình hệ thống chiếu sáng thơng minh
3.1.1.1. Ý tưởng thiết kế mơ hình hệ thống chiếu sáng gĩc cua tĩnh.
Ý tưởng ban đầu là hệ thống gĩc cua tĩnh của mơ hình sẽ được thiết kế với đầy đủ các chế độ hoạt động của một hệ thống chiếu sáng gĩc cua tĩnh đang được sản xuất và sử dụng trên thị trường, tiêu biểu là bộ đèn liếc tĩnh Hella Dyna View EVO2 của hãng Hella.
Trên mơ hình bên cạnh 2 đèn cốt sẽ được bố trí thêm 2 đèn phụ bên dưới để chiếu sáng bổ sung cho đèn cốt khi xe vào cua. Hai đèn chiếu này được điều khiển bởi bộ điều khiển trung tâm, dựa theo các tín hiệu cảm biến tốc độ, cảm biến gĩc lái, và các tín hiệu bật đèn xi nhan đưa về. Và cĩ các chế độ hoạt động theo các tiêu chuẩn của các bộ đèn liếc tĩnh đang được sử dụng trong thực tế:
Các chế độ đĩ được minh hoạ dưới hình vẽ sau:
a b c d
Hình 3.1. Các chế độ hoạt động của đèn chiếu sáng gĩc cua tĩnh
Hình 3.1a. đèn chiếu sáng gĩc cua tắt khi xe đi thẳng.
Hình 3.1b. đèn chiếu sáng gĩc cua bật lên cùng đèn xi nhan.
Hình 3.1c. đèn chiếu sáng gĩc cua bật lên khi đi trên cung đường cong.
Hình 3.1d. đèn chiếu sáng gĩc cua bật lên khi xe đi lùi hoặc trong điều kiện sương mù.
Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống đèn liếc tĩnh: + Ưu điểm:
- Thiết kế đơn giản hơn so với chĩa đèn chuyển động, đèn gĩc cua sẽ được đặt chéo sang bên so với chĩa đèn cốt. Điều này sẽ bổ sung nguồn sáng hướng vào gĩc cua khi cần thiết. Đặc biệt là xe thường xuyên di chuyển trên miền núi và cao nguyên, cũng như các con phố nhỏ hẹp và đơng đúc trong thành phố.
- Do khơng liên quan đến chĩa đèn nguyên bản nên loại đèn này cĩ thể lắp trên mọi loại xe.
- Chi phí sản xuất, lắp đặt và bảo dưỡng thấp hơn.
- Gĩc chiếu sáng rất rộng với chĩa đèn thiết kế lệch tâm. Thích hợp với những cung đường cĩ bán kính cong nhỏ, gĩc cua gấp, các ngã rẽ. Hiệu quả của nĩ được thể hiện trên hình:
Hình 3.2. Đèn chiếu sáng gĩc cua tĩnh khi rẽ phải
Vệc bổ sung thêm nguồn sáng bên cạnh đèn cốt tạo ra hiệu quả rất lớn đặc biệt là các khúc cua gấp, các ngã rẽ, mở rộng thêm dải sáng cho phép người lái xử lý nhanh hơn khi gặp các chướng ngại vật nâng cao tính an tồn của xe khi vận hành khi trời tối.
Nhược điểm:
- Tiêu hao thêm nguồn điện cho bĩng đèn chiếu sáng gĩc cua.
Với những ưu điểm nổi trội như trên việc trang bị hệ thống đèn liếc tĩnh là rất cần thiết. Mơ hình thiết kế đèn liếc tĩnh cũng phải đảm bảo các chức năng và các chế độ hoặt động của nĩ. Do bộ đèn liếc tĩnh được bán theo bộ điều khiển nên trên mơ hình sẽ thay bộ đèn liếc tĩnh bằng đèn phụ và được bố trí lệch một gĩc 100 theo gĩc cua lái.
Nguyên lý, chức năng, và hoạt động của hệ thống đèn liếc tĩnh trong thực tế được trình bày kỹ hơn ở chương 3 của đề tài phần “Hệ thống đèn liếc tĩnh”.
- Dựa trên những tiêu chuẩn đĩ nhĩm làm đề tài đưa ra các ý tưởng thiết kế hệ thống chiếu sáng gĩc cua tĩnh trên mơ hình, đĩ là:
+ Hệ thống chiếu sáng gĩc cua tĩnh được thiết kế chỉ được kích hoặt khi vào cua gấp, rẽ phải hay rẽ trái. Điều này được dựa trên 3 yếu tố đĩ là:
- khi cĩ tín hiệu đèn cốt được bật.
- Đèn chiếu sáng gĩc cua chỉ được bật khi cảm biến tốc độ đưa về bộ điều khiển trung tâm cho thấy xe đang chạy với tốc độ dưới 40km/h.
- Gĩc đánh tay lái: cảm biến gĩc lái cho thấy xe đang vào cua với gĩc cua của xe lớn hơn 120 điều này đảm bảo cho thấy xe đang chạy tốc độ chậm để chuẩn bị vào cua, tuy nhiên đèn liếc tĩnh cũng được bật ngay lập tức nếu cĩ tín hiệu bật xi nhan, đèn chiếu phụ khi xe vào cua bên trái sẽ sáng khi xe vào cua bên trái và ngược lại đèn bên phải sẽ sáng khi xe vào cua bên phải.
+ Mặt khác trên mơ hình cịn bố trí nút kích hoạt cả 2 đèn liếc tĩnh ở chế độ sương mù hoặc chạy lùi.
+ Để tránh nguồn sáng đột ngột bật và tắt gây giật mình cho người đi đường. Mơ hình cũng sẽ thiết kế để việc bật hoặc tắt đèn liếc được thực hiện từ từ, ánh sáng tăng dần và giảm dần trong ít giây thời gian. Vì chưa nắm được nguyên lý của hệ thống đệm dimmer nên nhĩm đề tài đã chọn giải pháp điều xung tăng dần trong khoảng thời nhất định.
- Để thực hiện được các ý tưởng này, một board mạch điều khiển trung tâm được thiết kế, trong đĩ sử dụng vi điều khiển AVR để lập trình, xử lý các thơng tin tín hiệu gĩc lái, tốc độ, tín hiệu đèn cốt, đèn xi nhan và điều khiển đĩng ngắt các relay điều khiển đèn chiếu sáng gĩc cua tĩnh.
3.1.1.2. Ý tưởng thiết kế hệ thống gĩc cua động:
Hệ thống chiếu sáng gĩc cua động ra đời cĩ vẻ như đồng thời việc đưa vào sử dụng đại trà hệ thống đèn chiếu sáng thấu kính ( Projector ) trên ơ tơ. Phương thức hoạt động của loại đèn liếc này là cơ cấu lắc ngang và lên xuống của ống đèn chiếu, nhờ cách này khi vào cua gấp, nguồn ánh sáng chính chuyển hướng kịp thời và nâng cao tầm xa tới 150% so với phương thức cũ.
Với cách này, người ta chỉ sử dụng một nguồn sáng, mức độ liếc uyển chuyển hơn phương thức cũ, và cĩ thể kích hoạt ở những cung đường hơi cong, cũng như chuyển làn.
Với những tính tốn phù hợp dựa trên giá trị tốc độ tức thời, Đèn liếc động cĩ tốc độ liếc nhanh hay chậm hồn tồn thích ứng với tốc độ xe chạy, khi ơm cua nhanh đèn liếc nhanh, khi ơm cua chậm thì đèn liếc chậm.
Với mục đích phổ thơng hĩa các phát kiến mới, cĩ nhiều cơ cấu đèn liếc động được thiết kế đơn giản, độc lập với nguồn sáng được sử dụng, bất luận Xenon, Bi -
Xenon hay Halogien, các cơ cấu đèn liếc ngày nay được cung cấp rời với vài hệ tiêu chuẩn cụ thể cho từng dịng xe, nhờ vậy đa phần cĩ thể tự trang bị thêm Hệ thống đèn liếc mà khơng cần chiếc xe phải cĩ những thay đổi nghiêm trọng
Hình 3.3. cơ cấu đèn liếc động dùng tấm chắn
Phần dẫn động của cơ cấu đảo trịng hoạt động nhờ một động cơ Serve, cái khĩ khăn của hệ thống này chính là mức độ và tốc độ đảo trịng ( Được chỉnh qua ECU đèn ) sao cho phù hợp với tốc độ của xe.
Khơng khác gì các loại thiết bị chiếu sáng ở sân khấu về nguyên lý, biến đổi chế độ chiếu sáng nhờ vào một ống hình trụ cĩ gắn các loại màng chắn sáng khác nhau, vị trí của các màng chắn này cũng nằm giữa nguồn sáng và thấu kính, được điều khiển bởi một động cơ điện thay vì một nam châm điện như ở cơ cấu Bi Xenon thơng thường, nhờ vậy nguồn sáng cĩ thể thay đổi tới 5 mức khác nhau ứng với 5 màng chắn riêng biệt, hiệu quả cĩ thể hình dung như việc ta cĩ 5 bộ bĩng Xenon với độ Kenvel khác nhau để tùy cơ ứng biến theo hồn cảnh. Cần phải nĩi thêm là việc điều khiển này thực hiện theo cơ chế tự động hồn tồn, cảm biến ánh sáng, cảm biến tốc độ và độ ẩm cùng với cảm biến mưa, tuyết, sương mù ...sẽ quyết định xem đèn Xenon chuyển sang mức sáng nào. Bản thân một chiếc đèn như vậy cĩ thể sản xuất được ở rất nhiều nơi, nhưng một hệ thống cảm biến và điều khiển nĩ thì đến nay ngồi Hella chưa cĩ ai làm được.
Nếu hệ thống chiếu sáng gĩc cua động của mơ hình được thiết kế theo phương án này, thì phải trang bị một bộ đèn liếc động chuyên dụng được mua về với giá thị trường hiện nay khoảng 1000 $ vì khĩ cĩ thể tự thết kế được bộ đèn cĩ bố trí các tấm chắn ánh sáng bên trong chố, các cảm biến cũng như động cơ servo xoay chố đèn và
các cơ cấu dẫn động khác. Vì vậy mơ hình chọn hướng thiết kế hệ thống chiếu sáng gĩc cua động sao cho đạt được mục đích: “thay đổi vùng chiếu sáng của đèn cốt theo gĩc đánh lái vơlăng”.
Với mục đích thay đổi được vùng chiếu sáng của đèn cốt theo tốc độ của xe, gĩc và tốc độ xoay của vơ lăng nhĩm đề tài thống nhất chọn phương án xoay chĩa đèn theo gĩc cua.
Để thay đổi được vùng chiếu sáng của đèn cốt theo gĩc chiếu sáng của vơ lăng, đề tài chọn giải pháp thiết kế board mạch điều khiển động cơ servo xoay chố đèn cốt dựa trên các tín hiệu:
- Bật đèn cốt. - gĩc xoay vơ lăng.
Ưu, nhược điểm của phương án này đĩ là: + Ưu điểm:
- Chỉ dùng ánh sáng của đèn cốt để chiếu sáng gĩc cua khơng tiêu hao thêm năng lượng.
- Gĩc xoay cĩ thể điều chỉnh được theo gĩc cua và tốc độ. Thích hợp với những cung đường cong. Làm tăng tầm nhìn cho người lái.
Hình 3.4. Khoảng chiếu sáng của xe cĩ trang bị đèn liếc động
Dải sáng màu trắng thể hiện xe khơng trang bị đèn liếc động, dải sáng màu vang thể hiện xe được trang bị đèn liếc động. Như vậy đối với những xe được trang bị hệ thống đèn liếc động thì dải sáng sẽ tăng lên thêm 25m so với xe khơng cĩ đèn liếc động. Điều này cĩ tầm quan trọng rất lớn là giúp người lái quan sát và xử lý các chướng ngại vật nhanh hơn tăng tính an toan cho xe khi đi trên đường cĩ nhiều khúc cua.
+ Nhược điểm:
- Gĩc xoay bị hạn chế khiến khả năng chiếu sáng những gĩc cua gấp ít hiệu quả.
- Bố trí thiết kế khơng chính xác cĩ thể làm phân tán luồng sáng chiếu thẳng, giảm tầm quan sát phía trước ở các giao cắt.
Lựa chọn phương án thiết kế:
Phương án thiết kế xoay tấm chắn rất phức tạp, địi hỏi phải cĩ sự hiểu biết về chiếu sáng. Do vậy chúng em đã lựa chọn phương án thiết kế sử dụng động cơ servo để xoay chĩa đèn.
Tính tốn thiết kế cơ cấu xoay chĩa đèn.
Hình 3.5. sơ đồ thiết kế cơ cấu quay chĩa đèn
Với mục đích thiết kế là tạo ra gĩc quay của tim đèn bằng với gĩc quay của động cơ servo tức là khi động cơ servo quay bao nhiêu độ thì đèn cũng sẽ quay bấy nhiêu độ. Do đĩ cơ cấu xoay chĩa đèn được thiết kế theo cơ cấu hình bình hành.
Như vậy ta phải thiết kế hai bán kính quay cĩ độ dài bằng nhau b. Điểm O1 tâm quay của chĩa đèn.
Điểm O2 chính là tâm trục động cơ servo.
Trên hình vẽ ta thấy khi bán kính giữa tâm quay chĩa đèn và tâm quay trục động cơ servo bằng nhau và song song thì dễ dàng nhận thấy rằng khi động cơ servo quay bao nhiêu độ thì tim đèn cũng quay bấy nhiêu độ. Điều này cĩ ý nghĩa rất quan trọng trong việc xử lý gĩc quay của tim đèn.
Hình 3.6. Cơ cấu đèn liếc động
3.1.1.3. Ý tưởng thiết kế hệ thống tự động bật đèn đầu và hệ thống tự động chuyển Pha – Cốt: chuyển Pha – Cốt:
Trên mơ hình ngồi việc thiết kế các hệ thống chiếu sáng chủ động đáp ứng theo gĩc cua cịn được trang bị thêm hệ thống bật đèn tự động và hệ thống tự động chuyển Pha – Cốt.
a. Ý tưởng thiết kế hệ thống bật đèn tự động.
Hệ thống tự động bật đèn ra đời nhằm mục đích tăng tính tiện ích và giảm các thao tác cho người lái xe khi điều khiển xe.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống khá đơn giản, với các xe cĩ trang bị hệ thống này, cảm biến ánh sáng được đặt ngay trên nắp ca pơ và đưa tín hiệu về một mạch điều khiển.
Hình 3.7. Bố trí cảm biến ánh sáng trên xe
Khi nhận tín hiệu từ cảm biến ánh sáng và cơng tắt đèn ở vị trí Auto đưa tới mạch điều khiển cho thấy ánh sáng mơi trường chung quanh yếu đi cường độ chiếu sáng thay đổi trong một khoảng thời gian, khơng đảm bảo đủ điều kiện ánh sáng cho phép
Hệ thống tự động mở đèn trên mơ hình cũng được trang bị một cảm biến ánh sáng và thiết kế một board mạch, điều khiển relay tự động mở đèn tự động như trong thực tế. Khi bật cơng tắc ở vị trí Auto khi cường độ chiếu sáng khơng đủ cho người lái thì hệ thống sẽ tự động bật đèn đầu.
b. Ý tưởng thiết kế hệ thống tự động chuyển pha - cốt:
Khi đang đi trên xa lộ hoặc đường vắng chúng ta thường bật đèn đầu ở chế độ đèn pha, nhưng sử dụng đèn chiếu xa sẽ gây khĩ chịu, làm lố mắt, hạn chế khả năng quan sát của tài xế xe đi ngược chiều và người ta thường phải chuyển chế độ đèn pha về chế độ đèn cốt khi cĩ xe ngược chiều để đảm bảo an tồn và cũng như thể hiện một thái độ lịch sự khi đi đường. Nhằm tăng khả năng quan sát cho người đi đối diện, tăng độ an tồn, giảm thao tác và tăng tính tiện ích cũng như giúp người điều khiển xe tập trung hơn vào việc lái xe, hệ thống chuyển đổi pha – cốt được ra đời.
Hình 3.8. Bật chế độ đèn pha cĩ thể gây chố mắt cho người đi ngược chiều
Việc nhận biết cĩ xe đi ngược chiều để thay đổi chế độ pha – cốt nhờ một cảm biến ánh sáng được đặt phía trước đầu xe, khi cĩ xe đi ngược chiều và rọi ánh sáng vào cảm biến ánh sáng, tín hiệu điện áp từ cảm biến ánh sáng sẽ đưa về mạch điều khiển, mạch điều khiển sẽ đĩng relay tự động chuyển pha – cốt.
Trên mơ hình được bố trí một cảm biến ánh sáng ở phía trước, và sử dụng một mạch điều khiển để đĩng ngắt relay tự động chuyển pha – cốt. Các bước thiết kế và hoạt động của hệ thống trên mơ hình sẽ được nĩi rõ hơn trong phần sau.
3.2. Các bước thiết kế.
3.2.1 Thiết kế bố trí mơ hình cơ bản.
Để mơ hình cĩ tính thực tế cao thì trên sa bàn các hệ thống đèn cũng sẽ được bố trí giống với trên xe ơ tơ.
Hình 3.9. Mơ hình cơ bản của hệ thống
- Mơ hình cơ bản của hệ thống bao gồm: + Khung mơ hình.
+ Hệ thống đèn đầu. + Hệ thống đèn đuơi.
+ Cụm vơ lăng và cơng tắc điều khiển đèn. + bàn đạp phanh.
3.2.1.1. Khung mơ hình.
Khung giá đỡ là bộ phận đầu tiên được thiết, được thiết kế đơn giản và gọn nhất cĩ thể.
Kết cấu khung được làm bằng sắt ống chữ nhật loại 4x4. Kích thước: + Chiều cao 700 mm.
+ Chiều rộng 800 mm. + Chiều dài 1200 mm.
Hình 3.10. khung mơ hình
3.2.1.2. Hệ thống đèn đầu.
Hệ thống đèn đầu của mơ hình bao gồm: - Cụm đèn pha.
- Cụm đèn cốt.
- Cụm đèn xi nhan phía trước. - Cụm đèn liếc tĩnh.
Hình 3.11. hệ thống đèn đầu
3.2.1.3. Hệ thống đèn đuơi.
Hệ thống đèn đuơi của mơ hình bao gồm: - Cụm đèn kích thước.
- Cụm đèn báo phanh. - Cụm đèn xinhan phía sau.
Hình 3.12. Hệ thống đèn đuơi
3.2.1.4. Cụm vơ lăng và cơng tắc điều khiển.
Hình 3.13. Cụm vơ lăng và cơng tắc điều khiển trên mơ hình
Ngồi ra trên mơ hình cịn được bố trí các bộ phận khác như cơng tắc phanh, cơng tắc đèn lùi, các relay, bộ nháy flash, …
3.2.2. Thiết kế hệ thống chiếu sáng tín hiệu trên mơ hình.
Hệ thống chiếu sáng - tín hiệu được thiết kế với đầy đủ chức năng:
- Chức năng đèn chiếu sáng với hệ thống đèn chiếu xa, hệ thống đèn chiếu