CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Theo “Insurance Institute for Highway Safety” [1], Mỹ có đến 30% số ca tử vong do tai nạn giao thông liên quan đến xe chở khách trong năm 2014, các vụ tai nạn xảy ra trong bóng tối và điều kiện không có ánh sáng; trong khi khảo sát của “National Household Travel Survey” chỉ ra rằng có đến 10% số chuyến xe chở khách đi du lịch được thúc đẩy di chuyển từ 21:00 – 6:00. Khả năng quan sát của người lái kém là nguyên nhân dẫn đến những vụ va chạm vào ban đêm, mặc dù các yếu tố khác như mệt mỏi, suy giảm khả năng và lái xe quá nhanh so với điều kiện cũng liên quan đến những vụ va chạm này. Từ thực trạng trên mà công nghệ chiếu sáng trên ô tô gắn liền với lịch sử phát triển kéo dài hơn 150 năm của ngành công nghiệp ô tô.
Với vai trò như là “đôi mắt” của người lái xe vào ban đêm, công nghệ chiếu sáng trên ô tô luôn nhận được sự quan tâm; đặc biệt, những chức năng tự động và điều khiển thông mình được nghiên cứu phát triển ngày càng mạnh mẽ trên hệ thống chiếu sáng của ô tô [2]. Trong những năm gần đây, cuộc chạy đua về công nghệ đèn chiếu sáng giữa các nhà sản xuất ô tô trên thế giới đang mang đến cho người tiêu dùng rất nhiều lựa chọn khi muốn nâng cấp đèn pha ô tô chính hãng khi mua xe. Trong đó, phổ biến nhất là công nghệ đèn Halogen, đèn Xenon, đèn LED và đèn pha Laser. Không chỉ phát triển về khả năng chiếu sáng cho ô tô mà kèm theo đó các công nghệ tân tiến, thông minh giúp cho người lái có những trải nghiệm lái xe an toàn và tuyệt vời nhất.
Một số công nghệ chiếu sáng thông minh có thể kể đến như: Adaptive Front - lighting System (AFS) của Mazda, Multibeam Headlamps của Mercedes – Benz, Matrix LED Headlights của Audi, Intelligent Headlights của BMW, … Hệ thống đèn chiếu sáng thông minh ngày càng phổ biến trên thế giới, tuy vậy ở Việt Nam thì hệ thống này còn khá mới mẻ và chủ yếu được trang bị trên các xe có giá trị cao vì vậy việc tìm hiểu và tiếp cận của sinh viên, học viên trong ngành còn hạn chế, chủ yếu thông qua các tạp chí ô tô và mạng Internet. 1 Do vậy, tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống đèn chiếu sáng thông minh ứng dụng trên ô tô” ngoài mục đích tìm hiểu, nghiên cứu nhằm tích luỹ kiến thức, thực hành cho bản thân, tôi cũng mong muốn hoàn thành tốt nhất có thể việc mô phỏng hoạt động của hệ thống này để có cái nhìn thực tế hơn, phục vụ cho việc giảng dạy và học tập của sinh viên, học viên trong ngành. Tình hình nghiên cứu 1. Trong nước Trong những năm gần đây, tại Việt Nam, nâng cấp hệ thống đèn pha chiếu sáng đang trở thành một trào lưu mới của những người sử dụng ô tô.
Ngoài chức năng chiếu sáng, hỗ trợ tầm quan sát thì các tính năng thông minh ứng dụng lên hệ thống chiếu sáng cũng được quan tâm và nghiên cứu. Nguyễn Thành Bắc cùng cộng sự [3] đã nghiên cứu mô phỏng bộ điều khiển tự động bật tắt đèn pha và tự động chuyển chế độ chiếu sáng của đèn pha trên ô tô bằng phần mềm Proteus và CodevisionAVR. Nghiên cứu đã sử dụng cảm biến ánh sáng quang điện trở để điều khiển hệ thống đèn. Lê Ngọc Viện đã nghiên cứu thiết kế hệ thống đèn pha tích cực cho xe máy [4] sử dụng động cơ để điều khiển đèn xoay theo hướng thích hợp với tay lái của người lái xe.
Nguyễn Văn Huỳnh cùng các cộng sự [5] đã nghiên cứu mô phỏng mạch thiết kế điều khiển đèn pha ô tô sử dụng mạng CAN dùng phần mềm Protues 8.1 để mô phỏng mạch thiết kế điều khiển theo chế độ hoạt động của đèn pha ô tô theo cường độ sáng của mô trường như đèn pha tự động bật sáng khi trời tối hay đèn pha tự động chuyển từ chiếu xa (pha) sáng chiếu gần (cốt) khi gặp xe đi ngược chiều. Tuy nhiên, đa số các đề tài dùng một số cảm biến cơ bản hoặc điều khiển các loại đèn không thông dụng ở những dòng xe đời mới như đèn Halogen, đèn Xenon, … Ở nước ta hiện nay, các bài công bố khoa học về hệ thống chiếu sáng cũng còn khá ít, các dự án liên quan đến việc điều khiển hệ thống chiếu sáng dùng đèn với ma trận LED vẫn còn trong quá trình nghiên cứu. Ngoài nước Trong những năm gần đây, cuộc chạy đua về công nghệ đèn chiếu sáng giữa các nhà sản xuất ô tô trên thế giới đang mang đến cho người tiêu dùng rất nhiều lựa chọn khi muốn nâng cấp đèn pha ô tô chính hãng khi mua xe. Trong đó, phổ biến nhất là công nghệ đèn Halogen, đèn Xenon, đèn LED và đèn pha Laser.
Không chỉ phát triển về khả năng chiếu sáng cho ô tô mà kèm theo đó các công nghệ tân tiến, thông minh giúp cho người lái có những trải nghiệm lái xe an toàn và tuyệt vời nhất. Công nghệ LED được nghiên cứu và ứng dụng trên ô tô: Từ năm 2002, một số công ty đèn chiếu sáng quan trọng như OSRAM, Philips và Nichia [6], đã phát triển đèn LED ánh sáng trắng, công suất cao. Những phát triển này đang thúc đẩy hơn nữa việc tích hợp đèn LED vào đèn pha ô tô. Mục tiêu của việc nghiên cứu và phát triển đèn luôn là sản xuất các loại đèn xe hiệu quả cao, có hình dáng hợp lý đồng thời đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn.
Với sự hỗ trợ của đèn pha được thiết kế phù hợp, người lái xe có thể đánh giá chính xác tình trạng đường xá. Các nhà sản xuất ô tô trên toàn cầu đang sử dụng LED cho các ứng dụng chiếu sáng khác nhau, đặc biệt là cho đèn pha vì nhiệt độ màu ánh sáng của LED gần giống với nhiệt độ màu ánh sáng ban ngày, khi so sánh với các nguồn sáng truyền thống (đèn Halogen và HID) thì đèn LED mang lại một số lợi thế tiềm năng như hiểu suất chiếu sáng cao hơn khoảng 5 lần, tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ cao [7 -8]. Những nghiên cứu về độ chói của hệ thống chiếu sáng: Van den Berg cùng các cộng sự [9] đã nghiên cứu được hiện tượng chói ở mắt là hiệu ứng hình ảnh của ánh sáng tán xạ bên trong hoặc phía trước mắt gây ra bởi một nguồn sáng tương đối sáng trong tầm nhìn của mắt. Sự tán xạ ánh sáng làm giảm độ tương phản của võng mạc và do đó nó làm giảm khả năng hiển thị tổng thể, ngoài ra nó còn gây mất tập trung và khó chịu do độ chói khó chịu.
Nếu ánh sáng chói quá mạnh, nó có thể gây ra hiện tượng nhiễu loạn tầm nhìn. Do đó, ánh sáng chói của đèn pha có thể là một yếu tố rủi ro đáng kể. Ekrias và các cộng sự [10] đã nghiên cứu phương pháp mới để đo và phân tích độ chói từ đường. Kết quả, họ đã mô tả một số kiểu ánh sáng đèn pha, phương pháp này dựa trên cảnh thực giúp tránh được một số quá trình phúc tạp như 3 hấp thụ, phản xạ, tán xạ, … Bullough cùng cộng sự [11-12] đã có các nghiên cứu chứng minh sử dụng đèn pha chiếu sáng cao có thể tạo ra ánh sáng chói cho người điều khiển phương tiện đang đi tới và đi trước, các đèn pha khác nhau sẽ phát ra một lượng ánh sáng nhìn thấy đối với mắt người và lượng như vậy được đo bằng lumen trên mét vuông (lux).
Bên cạnh đó nhóm của ông cũng phát hiện hiệu suất thị giác của người điều khiển xe có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng do độ chói và mức quang thông (độ chiếu sáng – illumination). Prasetijo cùng các cộng sự [13] đã nhận thấy việc sử dụng đèn pha với độ sáng cao gây chói mắt cho người điều khiển phương tiện đi tới và đi cùng chiều, do đó, các tác giả đã nghiên cứu hiệu suất trực quan cho phép đánh giá lợi ích tiềm năng của việc tăng cường độ sáng bằng cách xem xét đánh giá độ chói liên quan đến an toàn. Nghiên cứu này đã đề xuất một số giải pháp để cải thiện độ an toàn của chùm sáng cao khi lái xe vào ban đêm và cho thấy cường độ chiếu sáng và độ chói phù hợp với mức bình thường và tiêu chuẩn an toàn dưới 20 lux (lux: đơn vị ánh sáng). Nghiên cứu góc lái ảnh hưởng đến hệ thống chiếu sáng: Strambersky cùng các cộng sự [14] đã sử dụng nguyên lý hình học lái Ackerman để tính toán góc lệch của đèn pha trong phạm vi quy định cho phép.
Thuật toán, dựa trên các quy định, cần được cải thiện để có độ chính xác và dự đoán quỹ đạo. Sina và các cộng sự [15] đã sử dụng các mẫu góc quay đầu thông thường vào ban ngày và ban đêm để hướng dẫn thiết kế hệ thống chiếu sáng phía trước, nhưng bài báo không đề cập đến thuật toán cụ thể của hệ thống chiếu sáng phía trước và không thể đảm bảo độ chính xác vì hạn chế của các thiết bị đo. Những nghiên cứu về các chức năng thông minh của hệ thống chiếu sáng trên ô tô: Ishiguro và Yamada [16], những người làm việc cho Denso và Toyota tại Nhật Bản, đã nghiên cứu mối quan hệ giữa tốc độ của một chiếc xe và khoảng cách cố định của người lái xe khi lái xe vào một khúc cua vào ban ngày. Họ kết luận rằng khoảng cách cố định càng lớn khi tốc độ càng tăng.
Bằng cách nghiên cứu thời gian phản ứng của người lái xe trong những trường hợp nguy hiểm như va chạm, họ coi t = 3 s là thời điểm thích hợp, họ đã sử dụng trong thuật toán hệ thống chiếu sáng đèn 4 liếc tĩnh (AFS) của mình. Chen và các cộng sự [17] đã đề xuất một phương pháp AFS mới, được gọi là "ước tính độ cong khi xoay" trong bài báo của họ. Bằng cách sử dụng các thiết bị hiện có như hệ thống cảnh báo chệch làn đường thay thế cho hệ thống định vị toàn cầu để dự đoán độ cong của đường, góc lệch của đèn pha đã được tính toán. AFS dự đoán đã giải quyết vấn đề lỗi với AFS không dự đoán ở một mức độ nào đó khi độ cong của đường thay đổi đáng kể nhưng nó không xem xét đến đặc điểm hình ảnh của người lái xe.