Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ chiếu sáng trên xe ô tô gắn liền với lịch sử phát triển của ngành công nghiệp ô tô từ những năm 1880. Theo nhóm tác giả, hệ thống đèn pha thích ứng đã trở nên phổ biến từ các dòng xe phổ thông đến cao cấp, nhưng trong môi trường đại học, sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô hiếm có cơ hội tiếp cận trực tiếp với các công nghệ này — chủ yếu tự tìm hiểu qua internet hoặc hội thảo. Đây là lý do chính khiến nhóm lựa chọn đề tài "Nghiên cứu mô hình điều khiển hệ thống đèn pha thích ứng", với mục đích xây dựng mô hình vật lý phục vụ học tập và nghiên cứu cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định gồm bốn nội dung:

  1. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của hệ thống đèn pha thích ứng
  2. Thiết kế mô hình đèn pha thích ứng
  3. Lập trình điều khiển hệ thống đèn pha thích ứng
  4. Thử nghiệm trên điều kiện thực tế

Đối tượng nghiên cứu bao gồm ba hệ thống con: hệ thống chiếu sáng chủ động theo góc cua (Adaptive Front-lighting System — AFS), hệ thống cân bằng đèn pha tự động (Headlight Autoleveling System), và hệ thống đèn đầu tự động (Automatic Headlight).

Phạm vi nghiên cứu: Đề tài giới hạn trong việc thiết kế và thử nghiệm mô hình tích hợp cả ba hệ thống nêu trên; xe thực nghiệm là Mazda CX5. Thời gian thực hiện từ ngày 21/02/2024 đến ngày 06/06/2024, trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp khóa K20, lớp 20145CL7A, Khoa Cơ khí Động lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ được sử dụng

Đồ án khảo sát toàn bộ lịch sử tiến hóa của công nghệ đèn pha ô tô, gồm:

Loại đèn Đặc điểm kỹ thuật nổi bật
Bóng đèn dây tóc Dây volfram nung đến ~2300°C; ra đời năm 1910 trên xe hơi
Bóng đèn Halogen Khí halogen hạn chế bay hơi volfram; vỏ thạch anh chịu >2500°C, 5–7 bar
Bóng đèn Xenon (HID) Ra đời 1991, phổ biến 1995; 35 W tạo ánh sáng gấp đôi Halogen 55 W; tuổi thọ đến 3000 giờ
Đèn LED Phổ biến từ 2007; không dây tóc, hiệu suất cao, linh hoạt thiết kế
Đèn Laser Áp dụng trên BMW i8; chiếu xa đến 600 m, tiêu thụ chỉ 2/3–1/2 so với LED; giá hệ thống trên xe BMW i8 đạt 10.000 USD

Về hệ thống đèn thích ứng, đồ án phân tích nguyên lý của hệ thống AFS (chiếu sáng tĩnh và động), hệ thống cân bằng đèn pha tự động (dựa trên cảm biến nghiêng và bộ truyền động điều chỉnh góc quang học), và hệ thống đèn tự động (dựa trên cảm biến ánh sáng). Các sơ đồ mạch điện, biểu đồ quan hệ giữa góc quay vô lăng–tốc độ xe và logic điều khiển được trình bày cụ thể cho xe Mazda và Mazda 6 làm ví dụ tham chiếu.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp chính là thực nghiệm: thiết kế, chế tạo và kiểm nghiệm mô hình vật lý trên xe Mazda CX5. Kết hợp với nghiên cứu tài liệu về các hệ thống đèn pha thích ứng đã được thương mại hóa, từ đó chọn phương án phù hợp về kỹ thuật và chi phí.

Nguồn dữ liệu

Tín hiệu đầu vào lấy trực tiếp từ xe Mazda CX5 qua cổng OBD II, giao tiếp qua mạng HS-CAN (High Speed Control Area Network). Cảm biến góc nghiêng MPU6050 và cảm biến ánh sáng GY-302 BH1750 được gắn thêm để bổ sung dữ liệu thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 — Tổng quan

Chương xác định lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu; trình bày phương pháp thực nghiệm và kết cấu thuyết minh. Nhóm tác giả nhấn mạnh khoảng trống trong đào tạo thực hành: sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô thiếu mô hình để quan sát trực quan các hệ thống chiếu sáng thông minh.

Chương 2 — Cơ sở lý thuyết hệ thống chiếu sáng

Đây là chương lý thuyết toàn diện nhất, gồm sáu nhóm nội dung chính:

  • Lịch sử và phân loại bóng đèn: dây tóc, Halogen, Xenon (với phân loại chân D1S, D1R, D2S, D2R, D2C và thông số Ballast), LED và Laser.
  • Cấu tạo chóa đèn: hệ Châu Âu (in số "2" trên kính, hai dây tóc, khả năng thay thấu kính) và hệ Mỹ (bịt kín, bốn đèn, tổng công suất 150 W ở chế độ pha và 100 W ở chế độ cốt).
  • Mạch điện đèn đầu: loại không relay và loại có relay (dương chờ, âm chờ); nguyên lý các chế độ Cos, Pha, Flash.
  • Hệ thống AFS: chiếu sáng tĩnh (đèn phụ góc cua bật theo góc lái, xi nhan, tốc độ <40 km/h) và chiếu sáng động (xoay chóa đèn theo cung đường cong, dựa trên biểu đồ quan hệ góc xoay vô lăng–tốc độ xe).
  • Hệ thống cân bằng đèn pha tự động: cảm biến cân bằng (biểu đồ quan hệ góc liên kết–điện áp ra), bộ truyền động điều chỉnh trục quang học khi xe dừng và khi xe chạy (dẫn chứng trên Mazda 6).
  • Hệ thống đèn đầu tự động: cảm biến ánh sáng, sơ đồ khối bật/tắt đèn pha tự động.

Chương ghi nhận thông số kỹ thuật cụ thể: đèn cốt công suất 35–40 W, tầm chiếu 50–75 m; đèn pha 45–70 W, tầm chiếu 180–250 m; Xenon 35 W tương đương Halogen 100 W về cường độ.

Chương 3 — Nghiên cứu, thực hiện mô hình điều khiển hệ thống đèn pha thích ứng

Chương trình bày toàn bộ quá trình lựa chọn linh kiện, thiết kế phần cứng và lập trình điều khiển:

Linh kiện sử dụng (có bảng thông số kỹ thuật đầy đủ trong đồ án):

Linh kiện Vai trò
Arduino Uno R3 Vi điều khiển trung tâm
Motor Servo MG996R Cơ cấu chấp hành xoay đèn
Mạch CAN MCP2515 Giao tiếp mạng HS-CAN trên xe
Cảm biến góc nghiêng MPU6050 Đo góc nghiêng xe (cân bằng đèn)
Cảm biến ánh sáng BH1750 (GY-302) Đo cường độ ánh sáng môi trường
Màn hình LCD 1602 Hiển thị thông số hoạt động
Mạch giảm áp Buck DC-DC LM2596 Ổn định nguồn điện cho mạch

Thiết kế phần cứng: Nhóm thiết kế hộp điều khiển chứa mạch điện và cơ cấu chấp hành gồm servo MG996R gắn với chóa đèn. Bản vẽ giá đỡ cơ cấu điều khiển đèn và sơ đồ mạch điện tổng thể được lập để hướng dẫn thi công.

Lập trình điều khiển sử dụng Arduino IDE với ba chức năng chính:

  • Đọc giá trị góc quay vô lăng và tốc độ xe qua cổng OBD II và mạng CAN của Mazda CX5, từ đó tính góc liếc của đèn pha thích ứng.
  • Đọc cảm biến MPU6050 để tính góc nghiêng xe, điều khiển servo cân bằng đèn về trục quang học chuẩn.
  • Đọc cảm biến BH1750 để tự động bật/tắt đèn pha và chuyển chế độ pha/cốt.

Màn hình LCD 1602 hiển thị các thông số trạng thái hoạt động theo bảng giải thích được trình bày trong đồ án. Lưu đồ điều khiển tổng thể và các công thức tính toán góc liếc, góc cân bằng đèn đều được xây dựng dựa trên thông số kỹ thuật của Mazda CX5.

Chương 4 — Thực nghiệm hệ thống đèn pha thích ứng trên xe hiện hành

Chương ghi lại kết quả thực nghiệm toàn bộ ba chức năng trên xe Mazda CX5, với các hình ảnh và đồ thị giá trị cảm biến đi kèm:

  • AFS (chiếu sáng chủ động theo góc cua): Kiểm chứng đèn liếc trái khi đánh lái trái, liếc phải khi đánh lái phải; ghi nhận giá trị góc quay vô lăng và góc liếc đèn tương ứng trước và sau khi điều khiển.
  • Cân bằng đèn pha tự động: Ba trường hợp thực nghiệm — xe ở vị trí cân bằng, đầu xe hướng lên, đầu xe hướng xuống; ghi nhận giá trị cảm biến góc nghiêng, gyro và góc servo điều chỉnh.
  • Đèn đầu tự động: Thực nghiệm bật/tắt đèn theo cường độ ánh sáng môi trường; màn hình LCD hiển thị chế độ "Day", "Cos", "Pha" tương ứng với từng trạng thái.

Chương 5 — Kết luận và Đề nghị

Chương tổng kết kết quả đã đạt được và nêu các kiến nghị phát triển tiếp theo, bao gồm nhìn nhận hạn chế về kiến thức, thời gian và tài nguyên trong quá trình thực hiện.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc hệ thống

Mô hình được xây dựng theo kiến trúc thu thập tín hiệu — xử lý trung tâm — chấp hành:

  • Đầu vào: Tín hiệu tốc độ xe và góc quay vô lăng từ mạng HS-CAN của Mazda CX5 qua cổng OBD II, tín hiệu góc nghiêng từ MPU6050, tín hiệu cường độ ánh sáng từ BH1750.
  • Xử lý: Arduino Uno R3 chạy chương trình viết trên Arduino IDE, thực hiện giải mã tín hiệu CAN qua mạch MCP2515, tính toán góc liếc và góc cân bằng theo công thức được lập trên cơ sở thông số kỹ thuật Mazda CX5.
  • Chấp hành: Motor Servo MG996R điều khiển góc xoay chóa đèn; relay 5V điều khiển bật/tắt đèn; màn hình LCD 1602 hiển thị trạng thái.
  • Nguồn điện: Mạch giảm áp Buck DC-DC LM2596 3A ổn định điện áp cấp cho mạch điều khiển.

Công nghệ và công cụ

  • Phần mềm lập trình: Arduino IDE
  • Giao tiếp xe: Cổng OBD II, giao thức HS-CAN, mạch MCP2515
  • Ngôn ngữ lập trình: Arduino (C/C++)
  • Phần cứng điều khiển: Arduino Uno R3
  • Cơ cấu cơ khí: Giá đỡ tự thiết kế, cơ cấu servo MG996R gắn chóa đèn

Kiểm thử

Kiểm thử được thực hiện trực tiếp trên xe Mazda CX5 trong điều kiện thực tế, gồm kiểm thử từng chức năng độc lập (AFS, cân bằng đèn, đèn tự động) và quan sát đồng thời giá trị hiển thị trên LCD với trạng thái vật lý của cụm đèn. Kết quả được ghi nhận bằng hình ảnh và đồ thị giá trị cảm biến theo thời gian thực.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

Nhóm tác giả hoàn thành hai sản phẩm: thuyết minh phân tích và mô hình vật lý hệ thống đèn pha thích ứng tích hợp đầy đủ ba chức năng. Mô hình vận hành được ba chế độ:

  • AFS: Đèn liếc theo chiều đánh lái tương ứng với giá trị góc quay vô lăng và tốc độ xe đọc từ mạng CAN của Mazda CX5.
  • Cân bằng đèn tự động: Hệ thống điều chỉnh về vị trí cân bằng trong cả ba trường hợp: xe nằm ngang, đầu xe hướng lên và đầu xe hướng xuống.
  • Đèn đầu tự động: Hệ thống tự chuyển đổi giữa chế độ Pha, Cos và tắt (Day) theo cường độ ánh sáng môi trường đo bằng BH1750, kể cả nhận biết ánh sáng từ xe đối diện.

Giải pháp và kiến nghị tác giả đề xuất

Đồ án đề xuất mô hình có thể sử dụng làm công cụ học tập trực quan cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô — cho phép quan sát thực tế cách hoạt động của từng hệ thống chiếu sáng thích ứng mà không cần tiếp cận xe thật. Nhóm tác giả kỳ vọng mô hình sẽ được bổ sung vào trang thiết bị thực hành của Khoa Cơ khí Động lực.

Đóng góp so với nghiên cứu trước

Theo tác giả, điểm khác biệt chính là tích hợp cả ba hệ thống chiếu sáng thích ứng (AFS, autoleveling, automatic headlight) trong cùng một mô hình vật lý có kết nối thực với xe Mazda CX5 qua mạng CAN, thay vì chỉ mô phỏng lý thuyết. Mô hình cho phép sinh viên trực tiếp quan sát hành vi của cụm đèn theo dữ liệu thực tế từ xe.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Nhóm tác giả thừa nhận trong lời cảm ơn và phần phạm vi nghiên cứu rằng đề tài bị giới hạn bởi ba yếu tố: kiến thức, thời gian và kinh phí của nhóm sinh viên thực hiện. Do đó, mô hình được thiết kế theo hướng tối giản, phù hợp với tài chính và năng lực hiện có, chưa nhắm đến tính năng thương mại.

Trong phạm vi nghiên cứu, đồ án không đề cập đến hướng mở rõ ràng. Tuy nhiên, căn cứ trên phạm vi đã xác định, các hướng phát triển tiềm năng bao gồm: mở rộng thử nghiệm sang các dòng xe khác có kiến trúc CAN khác nhau, tích hợp thêm tính năng nhận diện phương tiện đối diện bằng camera thay cho cảm biến ánh sáng đơn thuần, và nâng cấp cơ cấu chấp hành để phù hợp với các cụm đèn nguyên bản thay vì mô hình rời.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp tham khảo cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô muốn tìm hiểu nguyên lý và cấu tạo của hệ thống chiếu sáng thích ứng, đặc biệt là AFS và autoleveling trên xe Mazda.
  • Sinh viên ngành Điện tử Ô tô quan tâm đến cách giao tiếp với mạng CAN của xe thực thông qua cổng OBD II và mạch MCP2515 sử dụng Arduino.
  • Sinh viên thực hiện đồ án tốt nghiệp về hệ thống điện–điện tử ô tô hoặc tự động hóa trên xe, đặc biệt khi cần tham khảo lưu đồ điều khiển, phương pháp đọc tín hiệu CAN, và cách tính toán góc điều khiển chấp hành.
  • Giảng viên và kỹ thuật viên cần tài liệu minh họa nguyên lý vận hành của đèn pha thích ứng phục vụ giảng dạy hoặc chẩn đoán.

Phần đáng tham khảo nhất là Chương 2 (cơ sở lý thuyết đầy đủ về các loại bóng đèn và ba hệ thống chiếu sáng thích ứng) và Chương 3 (phương pháp kết nối OBD II, giải mã CAN, lập trình Arduino và thiết kế mạch điện tổng thể).

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình sử dụng tín hiệu tốc độ và góc lái từ xe Mazda CX5 như thế nào? Nhóm kết nối mạch CAN MCP2515 với cổng OBD II của xe Mazda CX5, đọc tín hiệu tốc độ xe và góc quay vô lăng truyền trên mạng HS-CAN. Arduino Uno R3 giải mã các giá trị này và tính toán góc liếc đèn tương ứng theo lưu đồ điều khiển đã xây dựng dựa trên thông số kỹ thuật của Mazda CX5.

2. Hệ thống cân bằng đèn xử lý ba tình huống nghiêng xe như thế nào? Cảm biến góc nghiêng MPU6050 gắn trên xe đo góc nghiêng và giá trị gyro. Trong trường hợp xe ở vị trí cân bằng, góc servo ở vị trí trung gian. Khi đầu xe hướng lên, hệ thống điều chỉnh servo hạ thấp góc chiếu. Khi đầu xe hướng xuống, hệ thống nâng góc chiếu về vị trí cân bằng. Cả ba trường hợp đều được thực nghiệm và ghi nhận giá trị trên xe Mazda CX5.

3. Hệ thống đèn đầu tự động phân biệt ban đêm và xe đối diện bằng cách nào? Cảm biến ánh sáng BH1750 (GY-302) đo cường độ ánh sáng môi trường liên tục. Khi cường độ ánh sáng lớn (điều kiện ban ngày), đèn tắt và LCD hiển thị "Day". Khi cảm biến nhận được ánh sáng cường độ cao từ xe đối diện, hệ thống chuyển từ chế độ Pha sang Cos, LCD hiển thị tương ứng. Khi không còn xe đối diện, hệ thống trở lại chế độ Pha.

4. Tại sao nhóm chọn Motor Servo MG996R làm cơ cấu chấp hành xoay đèn? Đồ án ghi nhận MG996R là lựa chọn phù hợp với yêu cầu của đề tài về mặt tài chính, kích thước và khả năng điều khiển góc quay theo tín hiệu PWM từ Arduino. Thông số kỹ thuật của MG996R được trình bày đầy đủ trong Bảng 3.1, đảm bảo đủ moment xoay chóa đèn trong mô hình.

5. Sự khác biệt giữa đèn Xenon 35 W và Halogen 55 W là bao nhiêu về cường độ sáng, và tại sao điều này liên quan đến hệ thống AFS? Theo đồ án, đèn Xenon 35 W tạo ra cường độ ánh sáng gấp đôi so với Halogen 55 W, đồng thời ánh sáng trắng xanh gần với ánh sáng ban ngày hơn, tầm chiếu xa hơn. Điều này có liên quan trực tiếp đến AFS: tầm chiếu xa và cường độ lớn hơn đặt ra yêu cầu cao hơn về độ chính xác góc liếc của đèn, vì vùng sáng lệch góc nhỏ cũng có thể gây chói mắt xe ngược chiều hoặc bỏ sót vật cản.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu mô hình điều khiển hệ thống đèn pha thích ứng" của sinh viên Trịnh Văn Đức và Nguyễn Tuấn Kiệt, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (2024), đã xây dựng thành công một mô hình vật lý tích hợp ba hệ thống chiếu sáng thông minh: chiếu sáng chủ động theo góc cua (AFS), cân bằng đèn pha tự động và đèn đầu tự động. Mô hình kết nối trực tiếp với xe Mazda CX5 qua cổng OBD II và mạng HS-CAN, sử dụng vi điều khiển Arduino Uno R3 làm nhân xử lý trung tâm. Kết quả thực nghiệm cho thấy cả ba chức năng vận hành đúng với điều kiện thực tế, đáp ứng mục tiêu cung cấp công cụ học tập trực quan cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại môi trường đại học.