Đồ án: Nghiên cứu & Thực hiện mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh ô tô

Tổng quan hệ thống chiếu sáng thông minh ô tô. Đồ án phân tích lý thuyết, thiết kế và thi công mô hình thực tế các công nghệ AFS, Multibeam LED.

• Tác giả: Hồ Văn Quốc Long
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Thình
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu lý thuyết, thực hiện mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh trên ô tô đời mới
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Lịch Sử Phát Triển Hệ Thống Chiếu Sáng Thông Minh Trên Ô Tô

Hệ thống chiếu sáng thông minh trên ô tô đời mới đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những đèn Axetylen đơn sơ đến công nghệ LED hiện đại. Trong những năm đầu, các xe ô tô sử dụng đèn Axetylen với độ sáng yếu và không ổn định. Sau đó, công nghệ đèn sợi đốt ra đời, cải thiện đáng kể hiệu suất chiếu sáng. Đến thế kỷ 21, đèn HID và LED đã trở thành tiêu chuẩn trên các dòng xe cao cấp. Ngày nay, hệ thống đèn liếc động (Adaptive Front Lighting System - AFS) và công nghệ Multibeam LED cho phép tự động điều chỉnh hướng và cường độ sáng theo tình huống lái xe. Sự phát triển này không chỉ nâng cao an toàn giao thông mà còn cải thiện trải nghiệm người dùng đáng kể.

1.1. Từ Đèn Axetylen Đến Đèn LED

Công nghệ đèn Axetylen là bước đầu tiên trong lịch sử chiếu sáng ô tô, cung cấp độ sáng rất hạn chế. Sự ra đời của đèn sợi đốt đã cải thiện hiệu suất năng lượng và tuổi thọ. Đèn HID (High Intensity Discharge) tiếp theo mang lại độ sáng gấp 3 lần so với đèn sợi đốt. Hiện nay, công nghệ LED chiếm ưu thế nhờ hiệu suất năng lượng cao, tuổi thọ dài (lên đến 50.000 giờ) và khả năng điều khiển linh hoạt.

1.2. Công Nghệ Thông Minh Hiện Đại

Hệ thống chiếu sáng thông minh hiện nay tích hợp nhiều tính năng tiên tiến. Adaptive Front Lighting System (AFS) tự động điều chỉnh hướng đèn theo góc vô lăng. DRL (Daytime Running Light) cải thiện nhận diện xe. Intelligent Cornering Light chiếu sáng các góc đường. Công nghệ Digital Light từ BMW cho phép chiếu hình ảnh lên mặt đường. Những công nghệ này cùng nhau tạo nên hệ thống chiếu sáng toàn diện, tăng cường an toàn lái xe.

II. Các Chức Năng Chính Của Hệ Thống Đèn Ô Tô Đời Mới

Hệ thống đèn ô tô hiện đại cung cấp nhiều chức năng vượt xa mục đích chiếu sáng cơ bản. Đèn pha (Headlight) là thành phần chính, với khả năng chiếu xa và gần. Đèn cos (Low beam) chiếu ánh sáng phía trước mà không làm chói mắt xe đối diện. Đèn hậu (Taillight) giúp những xe phía sau nhận diện xe của bạn. Đèn xin báy (Turn signal) báo hiệu ý định rẽ. Đèn DRL (Daytime Running Light) cải thiện khả năng nhận diện ban ngày. Đèn liếc động tự động điều chỉnh theo tốc độ và góc vô lăng. Hệ thống báo lỗi cảnh báo khi đèn bị hỏng. Đèn trong xe tự động hoạt động theo cảm biến ánh sáng, cung cấp ánh sáng thoải mái cho hành khách.

2.1. Chức Năng Chiếu Sáng Cơ Bản

Đèn pha là thiết bị chiếu sáng quan trọng nhất, bao gồm chế độ chiếu xa và chiếu gần. Đèn cos (dipped beam) được sử dụng khi gặp xe đối diện. Đèn hậu phát sáng màu đỏ để cảnh báo cho các xe phía sau. Đèn xin báy có màu vàng hoặc trắng, báo hiệu rẽ trái/phải. Đèn phanh sáng đỏ khi bấm phanh, giúp cảnh báo tình huống khẩn cấp.

2.2. Các Tính Năng Thông Minh Tiên Tiến

Hệ thống DRL giảm tai nạn giao thông vào ban ngày. Đèn liếc động (AFS) tự động điều chỉnh hướng chiếu theo tốc độ và góc lái. Intelligent Cornering Light sáng sớm hơn khi vào cua. Coming Home tự động sáng đèn khi bạn đến nhà. Hệ thống báo lỗi đèn cảnh báo nếu đèn bị hỏng. Đèn trong xe tự động dựa trên cảm biến ánh sáng môi trường.

III. Nguyên Lý Hoạt Động Hệ Thống Chiếu Sáng Thông Minh

Hệ thống chiếu sáng thông minh hoạt động dựa trên các cảm biến và vi điều khiển (microcontroller). Vi điều khiển Arduino hoặc ECU (Electronic Control Unit) nhận thông tin từ nhiều cảm biến: cảm biến ánh sáng môi trường, cảm biến tốc độ, cảm biến góc vô lăng. Dựa trên dữ liệu này, hệ thống tự động bật/tắt các đèn hoặc điều chỉnh cường độ sáng. Công tắc điều khiển cho phép tài xế can thiệp thủ công khi cần. Motor điều khiển di chuyển cụm đèn để thay đổi hướng chiếu. Hệ thống báo lỗi liên tục giám sát tình trạng các bóng đèn, cảnh báo ngay khi phát hiện hỏng hóc. Toàn bộ hệ thống hoạt động nhịp nhàng, tự động, giảm bớt công việc của tài xế.

3.1. Vai Trò Của Cảm Biến Và Vi Điều Khiển

Cảm biến ánh sáng (Light sensor) phát hiện độ sáng môi trường, tự động bật đèn pha khi trời tối. Cảm biến tốc độ gửi dữ liệu vận tốc để hệ thống AFS điều chỉnh hướng đèn phù hợp. Cảm biến góc vô lăng xác định hướng rẽ, giúp đèn liếc động sáng trước. Vi điều khiển Arduino UNO R3 xử lý các tín hiệu, đưa ra lệnh điều khiển. IC OR 74HC32N kết hợp các tín hiệu từ nhiều cảm biến.

3.2. Quy Trình Hoạt Động Tự Động

Khi sáng, cảm biến ánh sáng phát hiện độ sáng cao, hệ thống tắt đèn pha nhưng bật DRL. Khi trời tối, cảm biến phát hiện ánh sáng yếu, vi điều khiển tự động bật đèn pha. Khi tài xế rẽ, cảm biến góc vô lăng kích hoạt đèn liếc động và đèn xin báy. Khi bấm phanh, cảm biến phanh bật đèn phanh và đèn cảnh báo. Motor điều khiển di chuyển cụm đèn tự động.

IV. Mô Hình Thực Hiện Và Ứng Dụng Trong Giảng Dạy

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và thi công thành công mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh đầy đủ các chức năng. Mô hình bao gồm: cụm đèn đầu với đèn pha, đèn cos, đèn DRL; cụm đèn sau với đèn hậu, đèn xin báy; hệ thống đèn trong xe tự động; hệ thống đèn liếc động với motor điều khiển; hệ thống báo lỗi đèn phanh; hệ thống Coming Home. Hộp điều khiển chứa vi điều khiển Arduino UNO R3, cảm biến ánh sáng, IC điều khiển. Mô hình hoạt động hoàn toàn tự động, có thể điều khiển thủ công qua công tắc điều khiển. Mô hình này là công cụ giảng dạy lý tưởng, giúp sinh viên quan sát trực tiếp cách hoạt động của hệ thống đèn ô tô, dễ hiểu hơn so với lý thuyết trừu tượng, nâng cao hiệu quả học tập và chuẩn bị kỹ năng cho công tác sửa chữa xe.

4.1. Cấu Trúc Chi Tiết Của Mô Hình

Cụm đèn đầu gồm đèn pha (chiếu xa/gần), đèn cos (low beam), đèn DRL (sáng ban ngày). Cụm đèn sau bao gồm đèn hậu, đèn xin báy, đèn phanh. Motor DC điều khiển cơ cấu rotomat để di chuyển cụm đèn cos - hệ thống AFS. Hộp điều khiển trung tâm chứa Arduino UNO R3, cảm biến ánh sáng LDR, IC OR 74HC32N, relay điều khiển, công tắc điều khiển thủ công. Toàn bộ mô hình được lắp ráp trên khung kim loại giống xe ô tô thật.

4.2. Ứng Dụng Trong Giảng Dạy Thực Hành

Mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh là công cụ giảng dạy hiệu quả cho xưởng máy, giúp sinh viên hiểu rõ nguyên lý hoạt động. Sinh viên có thể bật/tắt các chức năng, quan sát phản ứng của hệ thống. Sơ đồ mạch điện chi tiết trên mô hình giúp học sinh tìm hiểu cách kết nối các thiết bị. Mô hình giúp rèn luyện kỹ năng thực hành, chuẩn bị cho công tác sửa chữa bảo dưỡng ô tô thực tế. Sinh viên cũng có thể sửa đổi code Arduino để thêm tính năng mới, phát triển tư duy sáng tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐÈN XE Ô TÔ 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÈN Ô TÔ. Hệ thống đèn xe là một trong những bộ phận cực kỳ quan trọng trên xe, là con mắt thứ 2 của người lái.

Đèn xe không những hỗ trợ tầm nhìn cho người lái và còn là dấu hiệu để các phương tiện lưu thông khác nhận dạng chiếc xe, từ đó có thể đảm bảo tính an toàn cho người lái. Hiện này trên ô tô gồm có các loại đèn sau: Đèn pha (đèn chiếu xa ): được gắn phía trước đầu xe. Cho phép người lái có tầm nhìn xa hơn, đèn có thể chiếu sáng ở tầm cao nhất định để nhìn biển báo giao thông giúp người lái chủ động xử lý các vấn đề trên đường. Vì ánh sáng phát ra từ đèn pha cao nên khi di chuyển trong trung tâm thành phố hay khu đô thị có đông phương tiện giao thông người lái cần sử dụng đèn cos để không lóa mắt đến phương tiện phía trước.

Đèn cos (đèn chiếu gần ): được gắn phía trước đầu xe. Ánh sáng chiếu ở tầm gần xe và rộng ra hai bên, ánh sáng rọi xuống mặt đường giúp lái xe quan sát mặt đường dễ dàng tránh những vật cản phía trước. Khi đi trên đường cao tốc do di chuyển với tốc độ cao nên cần tầm nhìn xa, chúng ta nên chuyển sang chế độ pha để di chuyển an toàn hơn. Đèn xi-nhan (đèn tín hiệu ): được gắn phía trước và sau xe.

Người lái sử dụng để báo hiệu hướng đi của xe cho các phương tiện xung quanh nhận biết. Ngoài ra đèn xi-nhan còn được dùng để cảnh báo va chạm nguy hiểm khi bật công tắc Hazard (Xe gặp sự cố và bắt buộc phải đỗ trên đường, xe đang di chuyển trong trường hợp khẩn cấp,…). Đèn sương mù (đèn gầm ): được gắn phía trước đầu xe (bên dưới cụm đèn đầu). Có nhiệm vụ tăng khả năng nhận biết cho các phương tiện giao thông ở phía trước trong điều kiện thời tiết xấu (sương mù, nhiều bụi, khói làm giảm khả năng quan sát của người lái xe).

Đèn hậu (đèn đuôi): được gắn phía sau xe. Có chức năng cảnh báo cho các phương tiện phía sau như báo vị trí khoảng cách của xe, xe phanh, xe rẽ hướng, xe đi lùi. Trên xe còn có một số đèn khác như đèn phản quang, đèn biển số, đèn nội thất,… 3 Hình 1.1: Vị trí hệ thống chiếu sáng ô tô 4 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐÈN PHA Ô TÔ.

1903 Petreleum Lampe Đèn Axetylen. Thiết bị cơ khí sử dụng khí axetylen tạo ra nguồn sáng. Ưu điểm: Ngọn lửa có khả năng chống chịu mưa và gió.2: Đèn Axetylen trên xe ô tô Hạn chế: Muội cacbon gây ô nhiễm không khí. Khoảng chiếu sáng nhỏ.

Khí dễ bay hơi. Thời gian sáng ngắn.3: Cấu tạo đèn Axetylen 5 1913 Electric Bosch Frontighting System Hệ thống đèn đầu sử dụng điện của hãng Bosch bao gồm ắc quy, máy phát điện, bộ điều chỉnh, công tắc, đèn pha sợi đốt Ưu điểm: Duy trì liên tục, không bị ngắt như đèn dầu.4: Đèn sợi đốt Hạn chế: Tuổi thọ thấp do dễ đứt dây tóc bóng đèn. Gây đen kính bóng đèn làm thiếu khoảng chiếu sáng. Hiệu suất thấp chỉ 5% điện năng chuyển thành quang năng phần còn lại tỏa thành nhiệt năng.5: Đèn sợi đốt trên xe Cadillac Tourer 6 1921 Exterior Lighting System Hệ thống chiếu sáng ngoại thất trên chiếc xe Mercedes Knight sử dụng hệ thống đèn sợi đốt của Bosch đã hoàn thành các chức năng của hệ thống chiếu sáng trên xe bao gồm đèn chiếu xa, đèn chiếu gần, đèn định vị, đèn xi- nhanh, đèn hậu.6: Mercedes Knight 1962 Halogen Auxiliary Light Đèn Halogen.

Đèn Halogen là bóng đèn sợi đốt bao gồm một dây tóc volfram được bọc kín trong một bóng đèn nhỏ gọn với một hỗn hợp khí trơ và lượng nhỏ chất Halogen (iot hoặc brom). Đèn Halogen chiếu ra các tia sáng màu vàng với nhiệt màu là 32000K.7: 1962 Mercedes-Benz 280 SE3.5 sử dụng đèn đầu Halogen 7 Ưu điểm: Khả năng chiếu sáng tốt đặc biệt ở cung đường điều kiện thời tiết xấu như mưa lớn, sương mù. Tạo ra nhiều ánh sáng hơn bóng đèn sợi đốt. Cấu tạo đơn giản, chi phí thay thế thấp, tuổi thọ cao khoảng 1000 giờ và công suất 55W.8: Cấu tạo bóng đèn Halogen Hạn chế: Lượng nhiệt phát ra từ bóng đèn rất lớn, làm hao tốn điện năng.

Đèn pha Halogen sử dụng dây tóc Volfram nên dễ bị bốc hơi ở nhiệt độ cao tạo lớp sương trên thủy tinh, vì thế dễ biến dạng hay cháy không sử dụng được. Đa số năng lượng này bị biến thành nhiệt năng vô ích thay vì quang năng. Cung cấp một vùng sáng nhỏ phía đầu xe. 8 1991 Xenon Light Đèn Xenon Bóng đèn Xenon không có dây tóc mà thay vào đó là hai điện cực đặt trong bóng thủy tinh chứa khí Xenon và muối kim loại, bộ tăng áp Balllast cung cấp điện áp cao lên đến 25000V giữa hai điện cực khi đó trong bầu khí sẽ xuất hiện một tia hồ quang.9: Đèn xenon trên chiếc 1991 BMW 7 Series 1998 đèn Bi-Xenon ra đời với mục đích có 2 chế độ pha, cos.

Đèn Bi-xenon hoạt động 2 chế độ nhờ tim đèn có thể dịch chuyển ở các tiêu cự khác nhau tạo ra hệ thống chiếu xa và chiếu gần. Đèn Xenon phát ra ánh sáng trắng với nhiệt màu 45000K.10: Đèn Bi-Xenon trên chiếc Lincoln Mark VIII 1996 Ưu điểm: Đèn Xenon với cường độ sáng gấp 3 lần bóng Halogen nhưng tiêu thụ điện năng thấp hơn (Xenon 35W cho độ sáng tương đường với bóng Halogen 100W). Tuổi thọ của đèn gấp 10 lần so với bóng Hình 1.11: Cụm đèn Xenon 9 đèn Halogen (do dây điện trở volfram và sợi đốt của đèn Halogen rất dễ dứt khi va đập và hao mòn trong quá trình sử dụng), đèn Xenon có thể sử dụng lên đến 3000 giờ. Góc chiếu sáng đèn Xenon rộng và tập trung giúp chiếu sáng biển báo, lề đường tốt hơn.

Hạn chế: Đèn Xenon cần nhiều thời gian hơn (3 đến 5 giấy) đèn Halogen để đạt cường độ sáng mạnh nhất. Có ánh sáng trắng với cường độ cao gây ra lóa mắt đối với các xe khác. Chi phí cao hơn so với đèn Halogen.12: So Sánh khoảng chiếu sáng đèn Xenon và đèn Halogen 10 2008 All LED Headlamp Hệ thống đèn đầu sử dụng LED. Công nghệ đèn LED (Light Emitting Diode) có nghĩa là diode phát quang.

Các diode này chứa trong chip bán dẫn, khi có nguồn điện chạy qua các điện tử trong chip sẽ lấp đầy chỗ trống từ đó sinh ra bức xạ ánh sáng. Với kích thước nhỏ và có ánh sáng định hướng cho nên đây là một trong những loại đèn pha có chất lượng tốt nhất hiện nay.13: Đèn LED trên chiếc Audi A8 2008 Đèn LED phát ra ánh sáng màu trắng với nhiệt màu 60000K. Ưu điểm: Độ sáng giống như ánh sáng ban ngày, tuổi thọ 15000 giờ. Không tốn quá nhiều năng lượng khi khởi động và đạt độ sáng tối đa cực nhanh.

Kích thước nhỏ gọn dễ dàng bố trí và thiết kế theo nhiều hình dạng khác nhau phù hợp với tổng thể của xe.14: Các bộ phận hệ thống đèn LED 11 Hạn chế: Khi sử dụng bóng đèn pha LED luôn phải được thiết kế kèm với hệ thống tản nhiệt. Do lượng nhiệt phát ra từ bóng đèn pha này rất lớn gây ảnh hưởng đến các linh kiện xe gần đèn. Cho nên chi phí cho bóng đèn LED này khá lớn.15: Cấu tạo đèn LED 12 2014 Laser Light Công nghệ đèn Laser. Công nghệ chiếu sáng hiện đại nhất hiện nay chính là đèn Laser, Audi R8 LMX2014 là chiếc xe thương mại đầu tiên trên thế giới ra mắt vào 5/2014 trang bị đèn Laser.

Kể từ đó công nghệ chiếu sáng mới này lần lượt trang bị trên các mẫu xe của Range Rover.16: Đèn đầu Laser Cấu tạo của đèn Laser: Bao gồm một Modul nhỏ, ở phía trong là 3 hoặc 4 diode Laser, các diode Laser phát ra chùm tía Laser đơn sắc màu xanh với bước sóng 450 nm, sau đó các thấu kính Laser sẽ hướng chùm tia Laser về một bộ chuyển đổi photpho biến chúng thành ánh sáng trắng với nhiệt độ màn là 4500-50000K gần giống ánh sáng ban ngày. Ưu điểm: Công nghệ đèn Laser có thể tạo ra điểm chiếu xa lên tới hàng trăm mét với luồn ánh sáng dễ chịu và không gây hại cho mắt người.17: Cấu tạo đèn Laser 13 Ngoài ra các diode Laser cũng nhỏ hơn 100 lần với các diode LED với đường kính chỉ khoảng 300µm điều này giúp thu gọn diện tích của đèn pha và góp phần làm giảm khối lượng của xe. Một ưu điểm khác của đèn Laser đó chính là khả năng tiết kiệm năng lượng tới 30% so với đèn LED. Ưu điểm cuối cùng của Laser là tuổi thọ cao và khả năng hoạt động bền bỉ trong điều kiện khắc nghiệt.

Hạn chế: Đèn Laser tỏa ra rất nhiều nhiệt so với đèn LED, do đó đòi hỏi phải có các bộ tản nhiệt bổ sung dẫn đến chi phí rất cao. Công nghệ đèn Laser vẫn chưa thể đảm nhiệm đèn chiếu gần và chiếu xa mà phải đi kèm với đèn LED hoặc đèn Xenon Cuối cùng đó là tính thực dụng, mặc dù có cường độ chiếu sáng rất cao nhưng tầm chiếu xa của đèn vẫn bị giới hạn bởi luật pháp và các hệ thống đèn hiệu suất cao hiện nay hoàn toàn có thể chiếu xa lên tới 600m.18: Tia sáng Laser 14 Công nghệ đèn OLED Diode phát quan hữu cơ hay OLED là công nghệ đang ngày càng phổ biến khi nó được trang bị trên các màn hình điện thoại và tivi hiện nay. Bên cạnh đó các hãng xe hơi cũng đang dần áp dụng công nghệ OLED trên các sản phẩm của mình.19: Đèn OLED Sau màn trình diễn ấn tượng của đèn OLED trên chiếc concept BMW M4 ORGANIC LIGHT, BMW đã thương mại hóa đèn OLED vào năm 2015 với chiếc M4 GTS, kể từ đó thị trường cũng đón nhận thêm một số mẫu xe sử dụng đèn OLED như AUDI TT, AUDI A8 hay cặp đôi MERCEDES S class và coupe OLED Cấu tạo của đèn OLED:Bao gồm 2 điện cực Anot và Catot sẽ tạo ra một hiệu điện thế nhỏ khoảng từ 3 đến 4V, thông thường Anot sẽ nằm ở phía ngoài và được làm trong suốt, ở giữa là các vật liệu bán dẫn hữu cơ bao gồm lớp phát quang và lớp dẫn cho phép truyền dẫn lỗ trống và electron toàn bộ các lớp bán dẫn này cực mỏng chỉ dày khoảng 400 nm tức nhỏ hơn 150 lần đường kính 1 sợi tóc.20: Cấu tạo đèn OLED 15 Khi có dòng điện chạy qua các electron sẽ di chuyển từ Catot đến Anot lúc này tại lớp phát quang các electron sẽ gặp lỗ trống và phát ra năng lượng dưới dạng photon ánh sáng.