Đồ án: Thiết kế mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh và gạt mưa tự động trên Toyota Vios

Tham khảo đồ án tốt nghiệp chi tiết về thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh và gạt mưa tự động trên xe Toyota Vios.

• Tác giả: Trần Chí Cường
• Người hướng dẫn: Huỳnh Quang Thảo
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Thiết Kế Chế Tạo Mô Hình Hệ Thống Chiếu Sáng Thông Minh Và Gạt Mưa Tự Động Trên Toyota Vios
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về đề tài Đèn thông minh và Gạt mưa tự động trên Toyota Vios

Đèn thông minh và gạt mưa tự động là hai hệ thống công nghệ hiện đại được thiết kế nhằm nâng cao tính an toàn và tiện nghi khi lái xe. Đồ án này tập trung vào thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh kết hợp với gạt mưa tự động trên Toyota Vios - một trong những dòng xe phổ biến nhất tại Việt Nam. Tính cấp thiết của đề tài nằm ở việc nội địa hóa công nghệ ô tô, giảm chi phí sản xuất và cải thiện trải nghiệm người dùng. Qua nghiên cứu tài liệu và thực tiễn, nhóm sinh viên đã xây dựng giải pháp toàn diện cho hai hệ thống này, góp phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam.

1.1. Tính cấp thiết và ý nghĩa của đề tài

Với nhu cầu sử dụng ô tô ngày càng tăng tại Việt Nam, việc nâng cấp các hệ thống an toàn trở nên vô cùng quan trọng. Hệ thống đèn thông minh giúp tài xế nhìn rõ hơn trong điều kiện thiếu sáng, sương mù, hoặc khi rẽ đường. Gạt mưa tự động đảm bảo tầm nhìn tốt trong thời tiết xấu. Đây là những công nghệ thiết yếu góp phần bảo vệ an toàn giao thông và nâng cao chất lượng cuộc sống cho người lái.

1.2. Mục tiêu và nội dung chính của đồ án

Mục tiêu của đề tài là thiết kế và thi công mô hình hệ thống chiếu sáng góc cua động và hệ thống gạt mưa tự động trên Toyota Vios. Nội dung chính bao gồm: nghiên cứu cảm biến mưa thông minh, thiết kế bộ điều khiển tự động, xây dựng cơ cấu chấp hành và chạy thử nghiệm mô hình để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

II. Hệ thống Đèn chiếu sáng thông minh AFS Adaptive Front Lighting System

Hệ thống chiếu sáng thông minh (AFS) là công nghệ tiên tiến cho phép đèn ô tô tự động điều chỉnh hướng sáng theo hướng rẽ của xe. Khác với đèn chiếu sáng truyền thống chỉ có chế độ cố định, hệ thống này sử dụng cảm biến góc vô lăng và GPS để xác định hướng di chuyển. Khi tài xế rẽ trái hoặc phải, đèn sẽ tự động xoay theo góc cua, giúp tầm nhìn rõ ràng hơn trên những đoạn đường cong, giao lộ hoặc khi rẽ vào đỗ xe. Công nghệ này đặc biệt hữu ích vào ban đêm hoặc điều kiện thiếu sáng, giúp giảm tai nạn giao thông và tăng cảm giác an toàn cho người lái xe.

2.1. Đèn chiếu sáng góc cua tĩnh Static Corner Light

Đèn góc cua tĩnh kích hoạt khi xe đang rẽ và đèn sáng với cường độ cố định. Hệ thống này sử dụng cảm biến góc vô lăng để phát hiện hướng rẽ của xe. Khi tài xế xoay vô lăng vượt quá một ngưỡng góc nhất định, đèn sẽ bật lên. Mặc dù đơn giản hơn, nhưng đèn góc cua tĩnh vẫn cải thiện đáng kể tầm nhìn trên những đoạn đường cong.

2.2. Đèn chiếu sáng góc cua động Dynamic Corner Light

Đèn góc cua động là phiên bản nâng cao, cho phép tự động điều chỉnh góc và cường độ sáng dựa trên tốc độ xe và góc rẽ. Khi xe chạy nhanh, đèn sẽ chiếu sáng với góc lớn hơn; khi chạy chậm, góc chiếu sáng thu hẹp lại phù hợp. Công nghệ này sử dụng ECU (bộ điều khiển điện tử) để xử lý dữ liệu từ nhiều cảm biến, đảm bảo hiệu suất chiếu sáng tối ưu trong mọi tình huống lái xe.

III. Hệ thống Gạt mưa tự động Cảm biến mưa thông minh

Gạt mưa tự động là tính năng tiện nghi giúp tài xế không cần điều chỉnh tay mỗi khi trời mưa. Hệ thống này hoạt động dựa trên cảm biến mưa có khả năng phát hiện lượng nước mưa rơi trên kính chắn gió. Khi phát hiện mưa, hệ thống sẽ tự động khởi động gạt mưa với tốc độ phù hợp. Nếu lượng mưa tăng, tốc độ gạt mưa sẽ tăng tự động; khi mưa giảm, tốc độ sẽ giảm nhẹ nhàng. Công nghệ này giảm sự chú ý lái xe vào việc điều chỉnh gạt mưa, giúp tài xế tập trung vào đường xá và tăng cường an toàn giao thông. Đây là một đòi hỏi ngày càng phổ biến trên các dòng xe hiện đại.

3.1. Khối cảm biến mưa Rain Sensor Unit

Khối cảm biến mưa được lắp đặt trên mặt trong của kính chắn gió, thường ở gần gương chiếu hậu. Nó hoạt động bằng nguyên lý hồng ngoại - phát ra tia sáng hồng ngoại và đo lượng ánh sáng phản chiếu lại. Khi có nước mưa trên kính, lượng ánh sáng phản chiếu giảm đáng kể, cảm biến sẽ phát tín hiệu cho ECU để kích hoạt gạt mưa. Độ nhạy của cảm biến có thể điều chỉnh tùy theo sở thích của tài xế.

3.2. Nguyên lý hoạt động Cảm biến nước mưa

Cảm biến nước mưa sử dụng công nghệ quang học để xác định mức độ ẩm ướt trên kính. Tín hiệu được gửi tới bộ điều khiển hệ thống (BCM) để phân tích và xác định tốc độ gạt mưa phù hợp. Hệ thống có ba mức độ hoạt động: tốc độ chậm, trung bình và nhanh. Khi mưa dừng, cảm biến sẽ tự động tắt gạt mưa, tiết kiệm điện năng và kéo dài tuổi thọ của gạt mưa.

IV. Quy trình thiết kế thi công và thử nghiệm mô hình

Quá trình thiết kế và chế tạo mô hình tuân theo một quy trình khoa học nghiêm ngặt. Đầu tiên, nhóm thực hiện xây dựng ý tưởng thiết kế dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật và nhu cầu thực tế. Tiếp theo là tính toán các thông số kỹ thuật như góc chiếu sáng, cường độ LED, tốc độ gạt mưa. Sau đó, nhóm tiến hành mô phỏng trên máy tính để kiểm tra khả năng hoạt động trước khi thi công mô hình thực tế. Giai đoạn cuối là chạy thử nghiệm toàn bộ hệ thống trong các điều kiện khác nhau để đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất.

4.1. Thiết kế mô hình cơ bản và Tính toán thông số kỹ thuật

Trong giai đoạn thiết kế mô hình, nhóm sử dụng phần mềm CAD để vẽ chi tiết cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển và hệ thống cảm biến. Tính toán góc điều chỉnh hướng sáng dựa trên hình học chiếu sáng và yêu cầu tiêu chuẩn ISO. Các thông số như điện áp hoạt động (12V), cường độ dòng, và thời gian phản ứng của cảm biến đều được tính toán chi tiết để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

4.2. Thi công và Chạy thử nghiệm mô hình

Giai đoạn thi công bao gồm lắp ráp các linh kiện điện tử, lắp đặt cảm biến, và nối kết hệ thống điều khiển. Toàn bộ công việc tuân theo tiêu chuẩn an toàn điện và quy chuẩn kỹ thuật ô tô. Chạy thử nghiệm được thực hiện với các kịch bản khác nhau: kiểm tra đèn chiếu sáng theo góc cua, phản ứng cảm biến mưa, và độ tin cậy toàn hệ thống. Kết quả thử nghiệm được ghi chép chi tiết để đánh giá hiệu suất và đề xuất cải tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài Chương 2: Tổng quan về giải pháp Chương 3: Phương pháp giải quyết đề tài Chương 4: Quy trình tính toán, thiết kế, mô phỏng Chương 5: Thi công sản phẩm, chạy thử nghiệm mô hình Chương 6 : Đánh giá kết quả, kết luận 1.7 Kết quả đạt được của đề tài Nắm bắt rõ hơn về hệ thống chiếu sáng và hệ thống gạt mưa trên ô tô. Áp dụng và kết nối được các module điện tử vào các hệ thống trên xe. 8 Hệ thống lại kiến thức đã được học và đã vẽ ra được kế hoạch thiết kế mô hình hệ thống chiếu sáng chủ động theo góc cua, hệ thống gạt mưa tự động. Thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh và gạt mưa tự động.

9 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP 2.1 Hệ thống đèn chiếu sáng thông minh 2.1 Hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh Hệ thống đèn liếc tĩnh, thực chất của nó là bố trí nguồn sáng phụ bên cạnh đèn cốt thông thường, nguồn sáng phụ này có nhiệm vụ chiếu sáng góc cua khi xe vào cua mà vùng sáng của đèn cốt không chiếu tới.1: Hiệu quả chiếu sáng đối với hệ thống đèn liếc tĩnh [4]. 1 – Ánh sáng vào cua ; 2 – Ánh sáng thẳng Việc bật tắt đèn chiếu sáng góc cua được dựa vào 3 yếu tố để đảm bảo rằng, đèn này chỉ được kích hoạt khi vào cua gấp hoặc rẽ phải, rẽ trái, 3 yếu tố đó là: - Góc đánh tay lái. - Tình trạng của đèn tín hiệu (bật hoặc tắt). - Tốc độ xe chạy.

Giới thiệu các chế độ hoạt động của đèn chiếu sáng góc cua chủ động tĩnh: Khi xe chạy thẳng, đèn chiếu sáng tĩnh theo góc cua không hoạt động như hình bên dưới.2: Đèn chiếu sáng góc cua tắt khi xe đi thẳng [4]. Khi xe chuẩn bị rẽ vào đoạn cua, tín hiệu đèn xi nhan bật đồng thời đèn cốt theo góc cua bật.3: Đèn chiếu sáng góc cua bật khi xe xi nhan [4]. Khi xe chạy ở đường cong với tốc độ dưới 40km/h đèn góc cua tĩnh bật.4: Đèn góc cua tự động bật khi cua với tốc độ dưới 40 km/h [4]. Khi xe đi vào vùng có điều kiện thời tiết xấu, sương mù hoặc lùi xe.5: Đèn góc cua cả hai đều sáng khi gặp sương mù hoặc lùi xe [4].

12 So với hệ thống chiếu sáng góc cua động thì hệ thống chiếu sáng góc cua tĩnh có ưu điểm hơn ở chỗ vùng chiếu sáng của hệ thống chiếu sáng góc cua tĩnh có góc chiếu rộng hơn. Một ưu điểm khác làm cho hệ thống chiếu sáng góc cua tĩnh trở nên thông dụng hơn là giá thành thấp hơn và nó có thể lắp thêm cho những xe đời cũ hoặc những xe không trang bị hệ thống chiếu sáng góc cua một cách dễ dàng, chỉ cần thay thế đèn sương mù trên xe bằng hai đèn chiếu sáng góc cua và lắp đặt bộ điều khiển cùng các cảm biến, giắc cắm,… Nhưng nhược điểm của hệ thống này là chiếu sáng không linh hoạt bằng hệ thống chiếu sáng góc cua động.6: Hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh của Hella DynaView EVO2 [4]. Hệ thống DynaView Evo2 bao gồm hai bộ đèn chiếu sáng, bộ điều khiển trung tâm IntelliBeam, các cảm biến, hệ thống dây nối, phụ kiện lắp đặt. Nguyên lý hoạt động hệ thống đèn liếc tĩnh Hella DynaView EVO2: 13 Hình 2.7: Hệ thống đèn liếc tĩnh của Hella [4].

Hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh được điều khiển bởi bộ điều khiển trung tâm, bộ điều khiển trung tâm này lấy tín hiệu từ các cảm biến góc bẻ lái, cảm biến tốc độ, và tín hiệu đèn xi nhan, tự động nhận dạng các điều kiện vận hành của xe và sẽ bật đèn chiếu sáng góc cua để bổ sung cho đèn cốt. Cụ thể hơn, bộ điều khiển trung tâm sẽ ngay lập tức kích hoạt đèn chiếu sáng góc cua khi bật công tắc đèn xi nhan (công tắc xi nhan bên trái bật thì đèn kích hoạt đèn chiếu sáng góc cua bên trái và tương tự khi bật công tắc xi nhan bên phải) hoặc khi xe chạy dưới 40 km/h, bộ điều khiển trung tâm sẽ kích hoạt các đèn chiếu sáng góc cua khi vào cua với góc cua gấp (cua xe bên nào thì đèn chiếu sáng góc cua bên đó được kích hoạt). Bộ điều khiển trung tâm sẽ liên tục nhận các tín hiệu cảm biến đưa về và xử lý để điều khiển đáp ứng về điều kiện chiếu sáng, vùng chiếu sáng của xe sẽ luôn chủ động theo góc cua của điều kiện đường xá. 14 Khi sử dụng hệ thống đèn chiếu sáng góc cua, việc bật tắt đột ngột các đèn chiếu sáng góc cua có thể làm loá mắt người điều khiển xe đối diện khi các vùng sáng của đèn chiếu sáng góc cua bất ngờ xuất hiện, để tránh hiện tượng này, hệ thống chiếu sáng góc cua sử dụng hệ thống đệm dimme, điều khiển việc sáng - tắt của các đèn chiếu sáng góc cua một cách từ từ, ánh sáng của đèn chiếu sáng góc cua dần tăng và dần giảm trong ít giây thời gian.

Trong điều kiện thời tiết xấu, đèn chiếu sáng góc cua cả hai bên có thể được bật lên để trở thành đèn sương mù, tạo ra tầm quan sát tối ưu. Thêm vào đó, khi cài số lùi thì đèn cả hai bên sẽ được bật lên để chiếu sáng dọc theo thân xe.2 Hệ thống đèn chiếu sáng góc cua động Khác với hệ thống đèn liếc tĩnh, với hệ thống đèn liếc động, để thay đổi vùng chiếu sáng người ta chỉ cần sử dụng một nguồn sáng (không sử dụng thêm đèn chiếu phụ như hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh), nói rõ hơn là thay vì khi vào cua thì bật thêm đèn chiếu phụ bổ sung ánh sáng theo góc cua thì người ta sử dụng chính nguồn sáng của bóng đèn cốt để làm điều này. Đèn cốt thay đổi vùng chiếu sáng theo góc cua, như hình minh họa dưới đây.8: Sự khác biệt của xe có trang bị đèn liếc động, khi đi trên cung đường cong [4]. 1- Vùng sáng xe có đèn liếc động ; 2 – Vùng sáng xe không có đèn liếc động 15 Với hệ thống đèn liếc động sự thay đổi vùng chiếu sáng có mức độ liếc uyển chuyển hơn hệ thống đèn liếc tĩnh, và có thể kích hoạt ở những cung đường hơi cong, cũng như chuyển làn, làm cho việc sử dụng đèn liếc hoàn hảo hơn một cách rõ rệt.

Sở dĩ sử dụng nguồn sáng của bóng đèn cốt để thay đổi vùng chiếu theo góc cua là vì với cung đường cong thường người ta chỉ sử dụng đèn cốt và ngược lại nếu sử dụng đèn pha mà sự thay đổi vùng chiếu sáng không kịp thời có thể làm ảnh hưởng đến tầm quan sát của người đi ngược chiều. Hiện nay người ta phối hợp cả hệ thống đèn liếc động và liếc tĩnh trên xe, hệ thống liếc động được kích hoạt trên những cung đường cong, còn hệ thống đèn liếc tĩnh chỉ được kích hoạt khi xe rẽ trái hoặc phải, hoặc trên những cung đường có bán kính cong nhỏ.9: Góc điều chỉnh của đèn liếc động cho các cung đường cong [4]. Hệ thống đèn liếc động còn chưa được phổ biến lắm trên trị trường, hiện tại nó được lắp trên các xe đời mới hạng sang, vì giá thành còn khá cao. Ở Việt Nam, hệ thống đèn liếc động chỉ được thấy trên các xe nhập khẩu nguyên chiếc hạng sang, các dòng xe lắp ráp tại Việt Nam đều chưa được trang bị hệ thống này.

Lý do một phần là ở Việt Nam vấn đề an toàn cho người sử dụng chưa được quan tâm đúng mức mà đặt trên hết là giảm giá thành để tiếp cận người tiêu dùng. Nguyên lý điều khiển hệ thống chiếu sáng góc của động: 16 Hệ thống đèn liếc động loại này gồm phần dẫn động của cơ cấu đảo tròng hoạt động nhờ một động cơ servo, động cơ servo này điều khiển vùng chiếu sáng của đèn cốt xoay 20° sang mỗi bên, tùy theo góc thay đổi vô lăng.10: Cấu tạo hệ thống đèn liếc động [4]. Bản chất là một cụm bi đèn được bố trí thêm các cơ cấu dẫn động gồm một động cơ servo và các cơ phận khác để dịch chuyển hướng của ống chiếu sáng, dẫn đến thay đổi góc chiếu sáng. Với mục đích phổ thông hóa hệ thống đèn liếc động, người ta thiết kế nhiều loại cơ cấu đèn liếc động đơn giản có tính lắp lẫn cao.

Các cơ cấu đèn liếc động này độc lập với nguồn sáng được sử dụng, đèn xenon, bi xenon hay bi halogen vì vậy ta có thể lắp thêm các cơ cấu đèn liếc động cho các hệ thống đèn đầu chưa trang bị hệ thống đèn liếc, các cơ cấu đèn liếc ngày nay được cung cấp rời với vài hệ tiêu chuẩn cụ thể cho từng dòng xe, nhờ vậy đa phần có thể tự trang bị thêm hệ thống đèn liếc mà không cần chiếc xe phải có những thay đổi nghiêm trọng. Cấu tạo cơ cấu chấp hành của hệ thống đèn liếc động tuy đa dạng nhưng đều sử dụng động cơ servo để dẫn động nên việc điều khiển cơ cấu chấp hành nhìn chung cũng là điều khiển động cơ servo dựa trên các tín hiệu cảm biến góc cua và cảm biến tốc độ. 17 Về hệ thống điều khiển của hệ thống đèn liếc động tương tự như hệ thống đèn liếc tĩnh, bộ điều khiển trung tâm nhận các tín hiệu từ cảm biến góc cua và cảm biến tốc độ, phân tích các giá trị góc cua và tốc độ lái xe để xác định góc điều chỉnh vùng chiếu sáng và tốc độ đáp ứng, đưa tín hiệu điều chỉnh motor servo theo các góc xác định về các bên trái hoặc phải tuỳ theo góc cua. Với những tính toán phù hợp dựa trên giá trị tốc độ tức thời, đèn liếc động có tốc độ liếc nhanh hay chậm hoàn toàn thích ứng với tốc độ xe chạy, khi ôm cua nhanh, đèn liếc nhanh, khi chạy chậm thì đèn liếc chậm, nhờ đó, đối với người lái, nguồn sáng luôn luôn như gắn chặt với chiếc xe, cố định và hài hòa.2 Hệ thống gạt mưa tự động 2.1 Khối cảm biến mưa Thu thập dữ liệu từ môi trường từ LED thu hồng ngoại, thu nhận tín hiệu điện áp về cho vi điều khiển xử lý.11: Nguyên tắc thu phát của cảm biến phản xạ hồng ngoại [5].

1 – Kính chắn gió ; 2 – Điot hồng ngoại ; 3 – Hạt mưa LED phát và LED thu được bố trí đối đầu nhau , lệch nhau một góc 45 độ.