Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo táp lô xe tự hành - HCMUTE

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo táp lô xe tự hành trong đồ án tại HCMUTE. Tìm hiểu quy trình, công nghệ và ứng dụng của hệ thống tự động hóa.

• Tác giả: Lê Nguyên Khang
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thành Tuyên
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo táp lô xe tự hành bằng Raspberry Pi
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án nghiên cứu thiết kế táp lô xe tự hành

Đồ án nghiên cứu thiết kế và chế tạo táp lô xe tự hành tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm mục đích nâng cao trải nghiệm người dùng thông qua hệ thống hiển thị thông tin thông minh. Táp lô xe tự hành tích hợp các cảm biến và giao diện người-máy (HMI) để hiển thị dữ liệu vận hành theo thời gian thực. Nhóm nghiên cứu sử dụng nền tảng phần cứng Raspberry Pi 4 và giao thức truyền thông CAN để thu thập dữ liệu từ các cảm biến trên xe. Thiết kế đồ họa được thực hiện bằng phần mềm QT Designer, đảm bảo tính thẩm mỹ và khả năng tương tác cao. Kết quả là mô hình táp lô có khả năng hiển thị tốc độ, nhiệt độ, độ ẩm, mức pin và cảnh báo lỗi, đáp ứng tiêu chuẩn an toàn và tiện nghi cho xe tự hành.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính là xây dựng hệ thống hiển thị thông tin tự động trên xe tự hành, thay thế hệ thống truyền thống bằng giải pháp công nghệ tiên tiến. Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa giao diện người dùng, đảm bảo khả năng đọc dữ liệu nhanh chóng và chính xác. Ngoài ra, đồ án nhằm mục đích tích hợp các cảm biến môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) và cảm biến vận hành (tốc độ, mức pin) vào một hệ thống thống nhất. Việc sử dụng giao thức CAN giúp giảm thiểu nhiễu tín hiệu và tăng cường độ tin cậy của dữ liệu truyền tải.

1.2. Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết về mạng CAN (Controller Area Network), giao thức truyền thông phổ biến trong ngành công nghiệp ô tô. Mạng CAN cho phép truyền tải dữ liệu đa điểm với tốc độ cao và độ trễ thấp, phù hợp cho ứng dụng xe tự hành. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu tham khảo các tài liệu về cảm biến môi trường (DHT11, cảm biến tốc độ) và nền tảng nhúng Raspberry Pi 4. Các khái niệm về giao diện người-máy (HMI) cũng được áp dụng để thiết kế giao diện hiển thị trực quan.

II. Phân tích vấn đề trong thiết kế táp lô xe tự hành

Thiết kế táp lô xe tự hành gặp nhiều thách thức do yêu cầu tích hợp nhiều chức năng vào một hệ thống nhỏ gọn. Vấn đề chính bao gồm việc lựa chọn cảm biến phù hợp, đảm bảo khả năng tương thích giữa các thành phần phần cứng và phần mềm. Hệ thống cần xử lý đồng thời nhiều dữ liệu đầu vào (tốc độ, nhiệt độ, độ ẩm) mà không gây ra độ trễ đáng kể. Ngoài ra, giao diện hiển thị phải trực quan và dễ sử dụng, đáp ứng tiêu chuẩn an toàn giao thông. Việc lựa chọn giao thức truyền thông (CAN) và nền tảng nhúng (Raspberry Pi 4) cũng đòi hỏi phân tích kỹ lưỡng về hiệu suất và chi phí.

2.1. Hạn chế của hệ thống truyền thống

Hệ thống táp lô truyền thống sử dụng đồng hồ cơ học hoặc màn hình LCD đơn giản, không đáp ứng được nhu cầu hiển thị đa dạng thông tin. Khả năng tùy chỉnh và cập nhật dữ liệu theo thời gian thực bị hạn chế, gây khó khăn cho người lái trong việc theo dõi tình trạng xe. Ngoài ra, hệ thống này không tích hợp các cảm biến môi trường, khiến người dùng không thể theo dõi điều kiện vận hành (nhiệt độ, độ ẩm). Việc thiếu kết nối mạng cũng hạn chế khả năng cảnh báo lỗi từ xa.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật

Hệ thống táp lô xe tự hành cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật như khả năng hoạt động ổn định trong môi trường rung lắc, chống nhiễu tín hiệu và tiêu thụ điện năng thấp. Giao diện hiển thị phải có độ phân giải cao, hỗ trợ đa ngôn ngữ và có thể tùy chỉnh theo sở thích người dùng. Ngoài ra, hệ thống cần tích hợp các tính năng an toàn như cảnh báo tốc độ vượt quá giới hạn, mức pin thấp hoặc lỗi cảm biến. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn (ISO 26262) cũng là yếu tố quan trọng trong thiết kế.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống táp lô xe tự hành

Giải pháp thiết kế tập trung vào việc tích hợp phần cứng và phần mềm để tạo ra hệ thống táp lô thông minh. Nhóm nghiên cứu sử dụng Raspberry Pi 4 làm bộ điều khiển trung tâm, kết nối với các cảm biến thông qua giao thức CAN. Giao diện hiển thị được thiết kế bằng phần mềm QT Designer, cung cấp các chức năng như hiển thị tốc độ, nhiệt độ, độ ẩm, mức pin và cảnh báo lỗi. Hệ thống sử dụng giao thức CAN để truyền tải dữ liệu giữa các cảm biến và bộ điều khiển, đảm bảo độ tin cậy và tốc độ xử lý cao. Thiết kế khung táp lô bằng Solidworks đảm bảo tính thẩm mỹ và khả năng lắp ráp dễ dàng.

3.1. Lựa chọn phần cứng

Phần cứng được lựa chọn dựa trên yêu cầu về hiệu suất, độ tin cậy và khả năng tương thích. Raspberry Pi 4 được sử dụng làm bộ điều khiển trung tâm nhờ vào khả năng xử lý mạnh mẽ và hỗ trợ đa giao thức. Cảm biến DHT11 được chọn để đo nhiệt độ và độ ẩm nhờ vào độ chính xác và chi phí thấp. Cảm biến tốc độ sử dụng nguyên lý đo xung từ bánh xe, cung cấp dữ liệu chính xác về vận tốc xe. Giao thức CAN được lựa chọn để truyền tải dữ liệu giữa các cảm biến và bộ điều khiển, đảm bảo độ trễ thấp và khả năng chống nhiễu cao.

3.2. Phát triển giao diện người máy

Giao diện hiển thị được thiết kế bằng phần mềm QT Designer, cung cấp các chức năng như hiển thị tốc độ, nhiệt độ, độ ẩm, mức pin và cảnh báo lỗi. Giao diện sử dụng các biểu tượng trực quan và màu sắc để phân biệt các trạng thái hoạt động. Người dùng có thể tùy chỉnh giao diện theo sở thích, chẳng hạn như thay đổi đơn vị đo (km/h hay mph) hoặc hiển thị thông tin theo chế độ ban ngày/đêm. Hệ thống cũng tích hợp các tính năng an toàn như cảnh báo tốc độ vượt quá giới hạn hoặc mức pin thấp.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của đồ án

Đồ án nghiên cứu thiết kế và chế tạo táp lô xe tự hành đã đạt được các mục tiêu đề ra, bao gồm tích hợp các cảm biến môi trường và vận hành vào hệ thống hiển thị thống nhất. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, hiển thị dữ liệu chính xác và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật. Mô hình táp lô được chế tạo thành công, chứng minh khả năng ứng dụng trong thực tế. Đồ án không chỉ đóng góp vào lĩnh vực nghiên cứu mà còn mang lại giá trị thực tiễn cho ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là trong phát triển xe tự hành.

4.1. Kết quả đạt được

Hệ thống táp lô xe tự hành đã được chế tạo thành công, tích hợp đầy đủ các chức năng như hiển thị tốc độ, nhiệt độ, độ ẩm, mức pin và cảnh báo lỗi. Dữ liệu được truyền tải thông qua giao thức CAN, đảm bảo độ tin cậy và tốc độ xử lý cao. Giao diện hiển thị được đánh giá trực quan và dễ sử dụng, đáp ứng nhu cầu của người lái. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định trong môi trường rung lắc và chống nhiễu tín hiệu.

4.2. Hướng phát triển

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu đề xuất nâng cấp hệ thống bằng cách tích hợp các tính năng thông minh hơn như kết nối Bluetooth/Wi-Fi để truyền tải dữ liệu về điện thoại di động. Ngoài ra, có thể bổ sung các cảm biến tiên tiến như camera 360 độ hoặc hệ thống định vị GPS. Việc tối ưu hóa giao diện hiển thị và nâng cao khả năng tùy chỉnh cũng là hướng phát triển quan trọng. Đồ án có thể mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu xe tự hành và công nghiệp 4.0.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết. - Chương 3: Sơ lược về phần cứng và phần mềm. - Chương 4: Thiết kế, thực nghiệm mô hình hệ thống hiển thị thông tin trên ô tô.

- Chương 5: Kết quả thực nghiệm và đánh giá mô hình Táp Lô xe tự hành. - Chương 6: Kết luận và kiến nghị. Hệ thống hiển thị thông tin trên ô tô 2. Tổng quát về hệ thống hiển thị thông tin trên ô tô Hệ thống thông tin hiển thị trên màn hình bao gồm các hiển thị cơ bản sau: - Các đồng hồ: • Đồng hồ tốc độ xe (speedometer).

• Đồng hồ đo quãng đường (odometer). • Đồng hồ tốc độ động cơ (tachometer). • Đồng hồ áp lực nhớt. • Đồng hồ nhiệt độ nước làm mát.

• Đồng hồ báo nhiên liệu. Đèn tín hiệu trên ô tô [1] Tùy vào mỗi hãng xe, mỗi chủng loại xe, một chiếc ô tô có thể phát hàng trăm các thông điệp khác nhau, thông thường các thông tin này được chia thành nhiều nhóm khác nhau. Cụ thể như sau: - Nhóm thông tin liên quan đến các hệ thống an toàn: Nhóm này bao gồm những dạng thông tin tín hiệu để nhắc nhở người dùng như bật khóa điện rồi mới có thể nhả phanh tay điện tử, nhắc đóng kín cửa, nhắc nhở cài dây an toàn … - Nhóm thông tin liên quan đến tình trạng kỹ thuật của động cơ: Các thông tin này bao gồm các thông tin về tình trạng kỹ thuật của động cơ, trạng thái làm việc của hệ thống bôi trơn, nhiệt độ nước làm mát các thông số hoạt động tức thời như tình trạng làm việc của hệ thống sạc … 3 i Hình 2. Nhóm thông tin tình trạng kỹ thuật động cơ [2] - Nhóm thông tin liên quan tới áp suất hơi lốp, hệ thống di chuyển: hệ thống sẽ phát ra thông điệp cảnh báo khi áp suất hơi lốp thấp hoặc cao hơn mức cho phép.

Nhóm thông tin liên quan tới áp suất hơi lốp, hệ thống di chuyển [2] - Nhóm thông tin nhắc nhở: Đây là một tính năng được trang bị trên xe, để nhắc nhở người dùng ngày đến hạn dưỡng định kỳ. Tùy theo quãng đường xe chạy 4 i và thời gian sử dụng xe, hệ thống sẽ gửi các thông điệp để nhắc nhở người dùng đưa xe đi bảo dưỡng.4 Nhóm thông tin nhắc nhở [2] 2. Tổng quan về mạng CAN 2. Lịch sử phát triển mạng CAN CAN là một giao thức giao tiếp được ra mắt lần đầu tiên bởi Robert Bosch GmbH, Đức vào năm 1986 và được công nhận bởi SAE hiệp hội các kĩ sư ô tô Mỹ, có trụ sở đặt tại Detroit Michigan khi mà Mercedes đưa ra yêu cầu cho họ là phát triển một hệ thống liên lạc giữa ba ECU (bộ điều khiển điện tử) trên xe.

Nhu cầu về một hệ thống liên lạc đa chủ trở nên rất cần thiết. Do vậy, mạng CAN đầu tiên đã ra đời vào năm 1987 bởi Intel chế tạo. Ngoài nền công nghiệp ô tô, CAN cũng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tự động hóa, đóng tàu, tàu ngầm, nông nghiệp, y khoa nhờ vào các ưu điểm và sự tối ưu. Từ lúc giới thiệu lần đầu tiên cho đến hiện tại, dựa trên các đặc điểm thông số kỹ thuật của Bosch mà họ đã cho ra mắt các phiên bản khác nhau cho CAN như sau: - CAN 1.0 của CAN được chia thành hai phần: • CAN tiêu chuẩn (Phiên bản 2.0A): sử dụng ID (Identifier) 11-bit.

• CAN mở rộng (Phiên bản 2.0B): sử dụng ID 29-bit. 5 i Hai phần được định nghĩa bởi các ID khác nhau của thông điệp, với sự khác biệt chính là độ dài mã ID. Vào năm 1993, hiệp hội ISO đã phát hành tài liệu tiêu chuẩn hóa cho CAN thông qua tiêu chuẩn ISO. Sự khác biệt là ở lớp vật lý.

ISO 11898 (Cần lưu ý rằng tiêu chuẩn của ISO không phải là toàn bộ các đặc tính của CAN mà Bosch qui định) xử lý các ứng dụng tốc độ cao lên đến 1Mbit / giây. ISO 11898-1: CAN lớp liên kết – dữ liệu_ CAN tốc độ cao. ISO 11898-2: CAN lớp vật lý_ CAN tốc độ cao. ISO 11898-3: CAN lớp vật lý_ CAN tốc độ thấp.

Theo sau ISO 11898, còn rất nhiều phiên bản khác nhằm tiêu chuẩn hóa CAN tính đến thời điểm hiện tại ví dụ như ISO 11519 có giới hạn trên là 125kbit / giây. Đặc điểm của mạng CAN 2. Một số khái niệm 2. Node Node là thành phần độc lập có thể xử lý truyền nhận dữ liệu trên bus CAN.

Một node là một module có hệ thống xử lý cơ bản, gồm có 3 thành phần là vi điều khiển MCU, chip điều khiển CAN (CAN controller) và chip thu-phát (CAN transceiver). Mạng CAN bao gồm nhiều node. Trong đó, mỗi node có thể giao tiếp với bất kì node nào khác nhờ việc truyền đi và nhận các gói dữ liệu gọi là message. Message Message là gói dữ liệu được truyền trong CAN.

Mỗi message sẽ được gán một ID. Tùy theo mức độ ưu tiên của message mà có một ID khác nhau. Một message có thể có nhiều node nhận. Dữ liệu trong message được gửi đi dưới dạng 4 loại khung khác nhau: - Khung dữ liệu (Data Frame).

- Khung yêu cầu hay điều khiển dữ liệu (Remote Frame). - Khung báo quá tải (Overflow Frame). Tốc độ truyền dữ liệu 2. Truyền tốc độ cao CAN tốc độ cao (CAN High Speed): được định nghĩa trong tiêu chuẩn ISO 118982 và hoạt động với tốc độ 125kbit/s đến 1Mbit/s và được sử dụng cho mạng lưới của các hệ thống sau: - Hệ thống kiểm soát động cơ (Motronic cho động cơ xăng và động cơ diesel điều khiển điện tử).

- Các hệ thống hỗ trợ (điều khiển hành trình lái - ACC). 6 i - Điều khiển hệ thống truyền lực bằng điện tử. - Các hệ thống cân bằng xe (ESP). Truyền tốc độ thấp CAN tốc độ thấp (CAN Low Speed): được định nghĩa trong tiêu chuẩn ISO 11898-2 và hoạt động với tốc độ 5 đến 125kbit/s và được ứng dụng các hệ thống sau: - Điều chỉnh gương.

- Hệ thống đèn. - Hệ thống hiển thị. - Điều khiển hệ thống máy điều hòa. - Điều chỉnh ghế ngồi.

Giá trị của Bus CAN Bus có thể có một trong hai giá trị logic: “trội” hoặc “lặn”. Trong quá trình truyền đồng thời các bit “trội” và “lặn”, giá trị bus kết quả sẽ là “trội”. Mức “trội” sẽ được biểu thị bằng “0” và mức “lặn” bằng “1”. • Mức dominant/mức trội/ ứng với mức logic 0.

• Mức recessive/mức lặn/ ứng với mức logic 1. Giá trị trội: là giá trị điện áp của bus được chủ động thay đổi bởi nút CAN muốn truyền tín hiệu. Có giá trị tương ứng là 0. Giá trị lặn: là giá trị điện áp của bus bị động trả về giá trị mặc định bởi điện trở cuối.

Giá trị lặn chỉ xảy ra khi không có bất kì nút CAN nào muốn truyền tín hiệu. Giá trị tương ứng là 1. Điện áp trên hai dây CAN High và Low tốc độ cao [3] 7 i Ở trạng thái lặn, cả hai dây CAN đều có cùng cài đặt mức tín hiệu điện áp 2. Ở trạng thái trội, điện áp của dây CAN H tăng lên theo một giá trị định trước (+1V).

Đồng thời, điện áp của dây CAN L cũng giảm theo (- 1V). Khi đó, điện áp của dây CAN H lên 3.5V) ở trạng thái trội. Điện áp trong dây CAN L giảm xuống cực đại 1,5V (2,5V - 1V = 1,5V) ở trạng thái trội. Do đó, sự khác biệt điện áp giữa CAN H và CAN L trong trạng thái lặn là 0V và trong trạng thái trội là 2V.6 Chuyển đổi tín hiệu CAN H và CAN L tốc độ cao [3] Bộ khuếch đại, có nhiệm vụ đánh giá các tín hiệu đầu vào từ hai dây CAN H và CAN L.

Sau đó, truyền các tín hiệu đã chuyển đổi (3.5V = 2V) đến vùng nhận CAN của thiết bị điều khiển. Tín hiệu này được gọi là điện áp đầu ra của bộ khuếch đại. Hai dây CAN được xoắn vào nhau, do đó khi bị nhiễu thì sẽ tác động như nhau đến cả hai dây. Điện áp trên hai dây High và Low của CAN tốc độ cao khi bị nhiễu [3] 8 i Hình 2.

Điện áp trên hai dây CAN H và CAN L của CAN tốc độ thấp [3] Ở trạng thái lặn, điện áp của dây CAN H được cài đặt ở mức 0V và điện áp của dây CAN L ở mức 5V. Điện áp của dây CAN H tăng lên theo một giá trị định trước (+3.6V) khi ở trạng thái trội. Đồng thời, điện áp của dây CAN L cũng giảm theo (- 3. Điều này dẫn đến sự gia tăng điện áp của dây CAN H lên 3.6V) ở trạng thái trội và điện áp trong dây CAN L giảm xuống cực đại 1,4V (5V – 3.

Do đó, sự khác biệt điện áp giữa CAN H và CAN L trong trạng thái lặn là 5V và trong trạng thái trội 2. Chuyển đổi tín hiệu CAN H và CAN L tốc độ thấp [3] CAN tốc độ thấp cũng có bộ nhận nằm trong bộ thu phát. Bộ nhận này là bộ khuếch đại, có nhiệm vụ đánh giá các tín hiệu đầu vào từ hai dây CAN H và CAN L. Sau đó, truyền các tín hiệu đã chuyển đổi (3.2V) đến vùng nhận CAN của thiết bị điều khiển.

Tín hiệu này gọi là điện áp đầu ra của bộ khuếch đại.1 Giá trị điện áp trên hai dây CAN H và CAN L CAN tốc độ cao CAN tốc độ thấp CAN H CAN L CAN H CAN L Tốc độ 125kb/s đến 1 Mb/s 125kb/s Trạng thái trội 0 3.4 V Trạng thái lặn 1 2. Cơ chế giao tiếp Đặc trưng của CAN là phương pháp định địa chỉ và giao tiếp hướng đối tượng. Trong mạng CAN, mỗi thông tin trao đổi được coi như một đối tượng và được gán một số mã ID. Thông tin được truyền đi trên bus theo kiểu truyền gửi thông báo với độ dài khác nhau.

Các thông báo không chỉ được gửi tới một địa chỉ nhất định mà bất cứ trạm nào cũng có thể nhận theo nhu cầu. Mã ID dùng để phân biệt nội dung mỗi thông báo. ID không nói lên địa chỉ đích của thông báo, mà chỉ biểu diễn ý nghĩa của dữ liệu trong tin nhắn. Vì thế, mỗi trạm trên mạng có thể tự quyết định tiếp nhận và xử lý tin nhắn hay không tiếp nhận tin nhắn qua phương thức lọc tin nhắn.

Do sử dụng phương thức lọc tin nhắn mà nhiều trạm có thể đồng thời cùng nhận một tin nhắn và có các phản ứng khác nhau. Một khung yêu cầu sẽ được gửi khi một trạm yêu cầu một trạm khác gửi dữ liệu.