Nghiên cứu và phát triển chế tạo xe điện hai bánh phần hệ thống cảnh báo va chạm và tính năng xe tự cân bằng

Nghiên cứu và phát triển xe điện hai bánh với hệ thống cảnh báo va chạm và tính năng tự cân bằng, nâng cao an toàn và trải nghiệm lái.

• Tác giả: Tạ Gia Hiển
• Người hướng dẫn: ThS. Đỗ Nhật Trường
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Nghiên Cứu và Thiết Kế Hệ Thống Cảnh Báo Va Chạm và Tự Cân Bằng cho Xe Điện Hai Bánh
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM VÀ XE TỰ CÂN BẰNG
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Tình hình nghiên cứu
• 1.3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP VỀ HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN
• 2.1. Tổng quan về hệ thống cảnh báo va chạm trên ô tô hiện nay
• 2.2. Các dạng tín hiệu trong hệ thống cảnh báo va chạm
• 2.2.1. Hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng sóng siêu âm
• 2.2.2. Hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng sóng vô tuyến
• 2.2.3. Hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng tia laser
• 2.3. Tổng quan về con quay hồi chuyển
• 2.3.1. Lực của con quay hồi chuyển
• 2.3.2. Mô hình hệ thống con quay hồi chuyển trên xe 2 bánh
• 2.4. Các thiết kế sử dụng con quay hồi chuyển
• 2.4.1. Phương tiện hai bánh và con quay hồi chuyển dạng lỏng
• 2.4.2. Phương tiện một bánh và một con quay hồi chuyển
• 2.4.3. Phương tiện hai bánh sử dụng con quay hồi chuyển
• 2.4.4. Sản phẩm xe điện sử dụng con quay hồi chuyển trên thị trường
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT ĐỀ TÀI HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN
• 3.1. Tổng quan các giải pháp
• 3.1.1. Đánh giá các dạng cảm biến sử dụng trong hệ thống cảnh báo va chạm
• 3.1.2. Ưu điểm cảm biến siêu âm trong cảm biến va chạm
• 3.2. Giải pháp về con quay hồi chuyển trong thiết kế hệ thống tự cân bằng
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG XE ĐIỆN HAI BÁNH SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ CON QUAY HỒI CHUYỂN
• 4.1. Giải pháp hệ thống
• 4.2. Giải pháp hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng sóng siêu âm
• 4.2.1. Cảm biến siêu âm JSN-SR04T
• 4.2.2. Mạch điều khiển Arduino UNO
• 4.3. Giải pháp hệ thống cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển
• 4.3.1. Các thành phần của hệ thống cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển
• 4.4. Thiết kế cơ khí hệ thống cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển
• 4.5. Sơ đồ giải thuật phần cảnh báo va chạm
• 4.6. Sơ đồ giải thuật cài đặt vị trí bắt đầu con quay hồi chuyển
• 5. CHƯƠNG 5: THI CÔNG LẮP RÁP HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN
• 5.1. Lắp ghép phần mạch điện cảnh báo va chạm
• 5.2. Lắp ghép phần cơ khí hệ thống con quay hồi chuyển
• 5.3. Lắp ghép phần mạch điện hệ thống con quay hồi chuyển
• 5.4. Thực nghiệm mô hình hệ thống cảnh báo va chạm
• 5.5. Thực nghiệm hệ thống con quay hồi chuyển
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 6.1. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC PHẦN MỀM
• PHỤ LỤC BẢN VẼ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Cảnh Báo Va Chạm Xe Điện 2 Bánh

Việc điện khí hóa ngành công nghiệp ô tô là xu hướng tất yếu, đặc biệt với sự khắt khe về tiêu chuẩn khí thải. Các phương tiện xe điện hai bánh ngày càng phổ biến tại Việt Nam, nhưng tiềm ẩn nhiều nguy cơ va chạm. Do đó, việc trang bị hệ thống an toàn xe điện là vô cùng cần thiết. Đồ án này tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe điện hai bánh tích hợp hệ thống cảnh báo va chạm và tính năng tự cân bằng, nhằm nâng cao an toàn cho người sử dụng. Nghiên cứu này kế thừa và phát triển từ các công nghệ hiện đại, hướng đến ứng dụng thực tiễn trong đời sống. Theo số liệu từ Cục Cảnh sát giao thông, xe máy chiếm 93% số phương tiện giao thông và 70,18% số vụ tai nạn liên quan đến loại phương tiện này.

1.1. Tính Cấp Thiết Của Hệ Thống Cảnh Báo Va Chạm

Quá trình điện khí hóa ngành công nghiệp là một xu thế quan trọng và cần thiết đối với các ngành công nghiệp sản xuất và kỹ thuật. Nó giúp tối ưu hoá về các nguồn lực kinh tế và quá trình sản xuất các sản phẩm, đặc biệt đối với ngành công nghiệp kỹ thuật ô tô quá trình này đang chở nên cấp thiết và cần được đẩy mạnh hơn bao giờ hết. Các quy định tiêu chuẩn về khí thải ngày càng khắt khe đòi hỏi các phương tiện di chuyển lai điện hay dẫn động hoàn toàn bằng điện cần được nghiên cứu và phát triển. Chúng ta có thể thấy điều đó rõ ràng qua sự chuyển đổi của các dòng sản phẩm xe sử dụng động cơ đốt trong sang xe điện của các hãng xe lớn như: Mercedes, BMW, Toyota, Hyundai…; hay sự nổi lên chiếm lĩnh thị trường ô tô của các hãng xe mới thuần về sản xuất các dòng xe ô tô điện như Tesla, Rivian, Vinfast…Do đó, các đề tài nghiên cứu về các dòng xe điện nên được triển khai nhiều hơn và rộng rãi hơn.

1.2. Tình Hình Nghiên Cứu và Ứng Dụng Hiện Nay

Nhờ sự tiến bộ của khoa học công nghệ, vấn đề an toàn khi di chuyển và bảo vệ tính mạng con người đã và luôn là ưu tiên hàng đầu khi sản xuất ô tô ngoài vấn đề về công suất và trải nghiệm khách hàng. Khi bất kì một mẫu xe nào muốn được lưu thông trên từng khu vực lãnh thổ nhất định cần vượt qua các bài đánh giá an toàn như: Chương Trình Đánh Giá Xe Mới Của Châu Âu (European New Car Assessment Programme - EURO NCAP) hay các bài kiểm tra của Cục Quản Lý Giao Thông Đường Cao Tốc Quốc Gia Mỹ (National Highway Traffic Safety Administration - NHTSA) .Điều này giúp mang lại sự tin tưởng và trải nghiệm lái an toàn cho hành khách.

II. Thách Thức và Giải Pháp Tự Cân Bằng Cho Xe Điện

Sự cân bằng và ổn định là yếu tố quan trọng đối với xe điện hai bánh. Các công nghệ hiện đại như hệ thống phanh, treo, lái và đặc biệt là công nghệ hồi chuyển đang được ứng dụng để giải quyết vấn đề này. Chiếc Lit Motors C-1 là minh chứng điển hình cho việc ứng dụng thành công công nghệ hồi chuyển, giúp xe giữ thăng bằng ngay cả khi đứng yên hoặc va chạm. Đề tài này tiếp cận theo hướng nghiên cứu và phát triển hệ thống tự cân bằng xe điện dựa trên nguyên lý con quay hồi chuyển, kết hợp với hệ thống cảnh báo va chạm để tạo ra một giải pháp an toàn toàn diện.

2.1. Tổng Quan Về Con Quay Hồi Chuyển và Ứng Dụng

Con quay hồi chuyển là một thiết bị cơ học sử dụng nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng để duy trì hướng ổn định. Khi một con quay quay với tốc độ cao, nó tạo ra một mô men quán tính lớn, giúp chống lại các tác động bên ngoài và giữ cho trục quay không bị thay đổi hướng. Ứng dụng của con quay hồi chuyển rất đa dạng, từ hệ thống định vị trên tàu vũ trụ đến hệ thống ổn định cho máy bay và xe cộ. Trong lĩnh vực xe điện, con quay hồi chuyển được sử dụng để tạo ra hệ thống tự cân bằng, giúp xe giữ thăng bằng khi đứng yên hoặc di chuyển chậm.

2.2. Các Thiết Kế Sử Dụng Con Quay Hồi Chuyển Hiện Nay

Hiện nay, có nhiều thiết kế khác nhau sử dụng con quay hồi chuyển để tạo ra hệ thống tự cân bằng cho xe hai bánh. Một số thiết kế sử dụng một con quay duy nhất, trong khi các thiết kế khác sử dụng hai hoặc nhiều con quay. Vị trí và hướng của con quay cũng có thể khác nhau tùy thuộc vào thiết kế. Ví dụ, chiếc Lit Motors C-1 sử dụng hai con quay hồi chuyển đặt ở vị trí thấp trên xe, giúp xe giữ thăng bằng ngay cả khi bị va chạm từ bên ngoài. Các thiết kế khác có thể sử dụng con quay hồi chuyển dạng lỏng hoặc con quay hồi chuyển điện tử để giảm kích thước và trọng lượng của hệ thống.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Hệ Thống Cảnh Báo Va Chạm Xe Điện

Đề tài sử dụng kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết tập trung vào việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến va chạm, đặc biệt là cảm biến siêu âm, và nguyên lý tự cân bằng của con quay hồi chuyển. Phương pháp thực nghiệm bao gồm việc chế tạo mô hình, thiết kế mạch điều khiển, viết chương trình điều khiển và tiến hành thử nghiệm để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Phần mềm Solidwork được sử dụng để mô phỏng chi tiết cơ khí, đảm bảo độ chính xác và tính khả thi của thiết kế.

3.1. Đánh Giá Các Dạng Cảm Biến Sử Dụng Trong Hệ Thống

Các hệ thống cảnh báo va chạm hiện đại sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau để phát hiện chướng ngại vật, bao gồm cảm biến siêu âm, radar và lidar. Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách phát ra sóng siêu âm và đo thời gian phản xạ của sóng để xác định khoảng cách đến vật cản. Radar sử dụng sóng vô tuyến để phát hiện vật cản ở khoảng cách xa hơn, trong khi lidar sử dụng tia laser để tạo ra bản đồ 3D của môi trường xung quanh. Mỗi loại cảm biến có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

3.2. Ưu Điểm Của Cảm Biến Siêu Âm Trong Cảnh Báo Va Chạm

Cảm biến siêu âm có một số ưu điểm so với các loại cảm biến khác trong ứng dụng cảnh báo va chạm. Thứ nhất, cảm biến siêu âm có giá thành rẻ hơn so với radar và lidar. Thứ hai, cảm biến siêu âm hoạt động tốt trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc sương mù, trong khi lidar có thể bị ảnh hưởng bởi thời tiết xấu. Tuy nhiên, cảm biến siêu âm có phạm vi hoạt động ngắn hơn so với radar và lidar, và có thể bị ảnh hưởng bởi các vật liệu mềm hoặc hấp thụ âm thanh. Do đó, cảm biến siêu âm thường được sử dụng trong các ứng dụng tầm ngắn, chẳng hạn như hệ thống hỗ trợ đỗ xe hoặc cảnh báo va chạm ở tốc độ thấp.

IV. Thiết Kế Hệ Thống Cảnh Báo Va Chạm và Tự Cân Bằng

Hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng cảm biến siêu âm JSN-SR04T kết hợp với mạch điều khiển Arduino UNO. Hệ thống tự cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển, động cơ điện một chiều, động cơ bước và cảm biến góc MPU6050. Thiết kế cơ khí được thực hiện tỉ mỉ để đảm bảo độ vững chắc và khả năng hoạt động ổn định của hệ thống. Sơ đồ giải thuật được xây dựng chi tiết cho cả phần cảnh báo va chạm và phần tự cân bằng, giúp hệ thống hoạt động chính xác và hiệu quả.

4.1. Giải Pháp Hệ Thống Cảnh Báo Va Chạm Sử Dụng Sóng Siêu Âm

Hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng sóng siêu âm hoạt động bằng cách phát ra sóng siêu âm từ cảm biến JSN-SR04T và đo thời gian phản xạ của sóng để xác định khoảng cách đến vật cản. Mạch điều khiển Arduino UNO xử lý tín hiệu từ cảm biến và đưa ra cảnh báo cho người lái khi phát hiện vật cản ở khoảng cách nguy hiểm. Hệ thống được thiết kế để hoạt động ở tốc độ thấp và trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc sương mù.

4.2. Giải Pháp Hệ Thống Cân Bằng Sử Dụng Con Quay Hồi Chuyển

Hệ thống cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển hoạt động bằng cách tạo ra một mô men xoắn để chống lại các tác động bên ngoài và giữ cho xe thăng bằng. Động cơ điện một chiều được sử dụng để quay con quay với tốc độ cao, trong khi động cơ bước được sử dụng để điều chỉnh hướng của con quay. Cảm biến góc MPU6050 đo góc nghiêng của xe và cung cấp thông tin phản hồi cho hệ thống điều khiển để điều chỉnh mô men xoắn của con quay một cách phù hợp.

4.3. Thiết Kế Cơ Khí Hệ Thống Cân Bằng Sử Dụng Con Quay

Thiết kế cơ khí của hệ thống cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển bao gồm các thành phần chính như đĩa quay, trục đĩa quay, thanh quay ngang và thanh quay dọc. Đĩa quay được làm bằng nhôm hợp kim A6061 để đảm bảo độ cứng vững và trọng lượng nhẹ. Trục đĩa quay được kết nối với động cơ điện một chiều để quay đĩa với tốc độ cao. Thanh quay ngang và thanh quay dọc được sử dụng để điều chỉnh hướng của con quay và tạo ra mô men xoắn cần thiết để giữ cho xe thăng bằng.

V. Thực Nghiệm và Đánh Giá Hệ Thống Cảnh Báo Va Chạm

Quá trình thi công và lắp ráp hệ thống được thực hiện cẩn thận, đảm bảo tính chính xác và độ bền của các thành phần. Các thử nghiệm được tiến hành để đánh giá hiệu quả của hệ thống cảnh báo va chạm và hệ thống tự cân bằng. Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, cung cấp thông tin khoảng cách chính xác và khả năng tự cân bằng hiệu quả trong điều kiện thử nghiệm. Tuy nhiên, vẫn cần cải tiến để hệ thống hoạt động tốt hơn trong các điều kiện thực tế phức tạp.

5.1. Lắp Ghép Mạch Điện Cảnh Báo Va Chạm và Cơ Khí

Việc lắp ghép mạch điện cảnh báo va chạm đòi hỏi sự cẩn thận và chính xác để đảm bảo các kết nối được thực hiện đúng cách và không gây ra sự cố. Các đầu phát và đầu thu của cảm biến siêu âm được lắp đặt ở vị trí phù hợp trên xe để đảm bảo phạm vi hoạt động và độ chính xác của hệ thống. Phần cơ khí của hệ thống con quay hồi chuyển được lắp ráp với độ chính xác cao để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.

5.2. Thực Nghiệm Mô Hình Hệ Thống Cảnh Báo Va Chạm

Các thử nghiệm được tiến hành để đánh giá khả năng phát hiện vật cản và cung cấp thông tin khoảng cách của hệ thống cảnh báo va chạm. Hệ thống được thử nghiệm với các vật thể tĩnh và động ở các khoảng cách khác nhau để xác định phạm vi hoạt động và độ chính xác của hệ thống. Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và cung cấp thông tin khoảng cách chính xác trong điều kiện thử nghiệm.

5.3. Thực Nghiệm Hệ Thống Con Quay Hồi Chuyển Tự Cân Bằng

Các thử nghiệm được tiến hành để đánh giá khả năng giữ thăng bằng của hệ thống con quay hồi chuyển. Xe được đặt ở vị trí nghiêng và hệ thống được kích hoạt để xem liệu nó có thể tự động điều chỉnh và đưa xe trở lại vị trí thăng bằng hay không. Các thử nghiệm được thực hiện trong các điều kiện khác nhau để đánh giá hiệu quả của hệ thống trong các tình huống thực tế.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Hệ Thống Xe Điện

Đề tài đã thành công trong việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe điện hai bánh tích hợp hệ thống cảnh báo va chạm và tính năng tự cân bằng. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào thực tế, góp phần nâng cao an toàn cho người sử dụng xe điện. Hướng phát triển tiếp theo tập trung vào việc tối ưu hóa hệ thống, tích hợp thêm các tính năng thông minh và thử nghiệm trong điều kiện giao thông thực tế.

6.1. Tổng Kết Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp

Đề tài đã đạt được những kết quả đáng khích lệ trong việc nghiên cứu và phát triển hệ thống cảnh báo va chạm và tính năng tự cân bằng cho xe điện hai bánh. Hệ thống hoạt động ổn định và cung cấp thông tin chính xác, góp phần nâng cao an toàn cho người sử dụng. Nghiên cứu này có thể được sử dụng làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực xe điện thông minh.

6.2. Hướng Phát Triển và Ứng Dụng Trong Tương Lai

Trong tương lai, hệ thống có thể được tích hợp thêm các tính năng thông minh như hệ thống phanh khẩn cấp tự động (AEB), hệ thống giám sát điểm mù (BSM) và hệ thống cảnh báo lệch làn đường (LDW). Ngoài ra, hệ thống cũng có thể được tối ưu hóa để hoạt động tốt hơn trong các điều kiện giao thông thực tế phức tạp. Việc ứng dụng hệ thống vào các dòng xe điện hai bánh thương mại sẽ góp phần nâng cao an toàn và tiện nghi cho người sử dụng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình điện khí hóa phương tiện giao thông đang diễn ra mạnh mẽ trên quy mô toàn cầu nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt. Sự chuyển dịch này thể hiện rõ qua chiến lược phát triển của các tập đoàn sản xuất ô tô truyền thống như Mercedes, BMW, Toyota, Hyundai cũng như sự xuất hiện của các thương hiệu xe thuần điện như Tesla, Rivian hay VinFast. Tại Việt Nam, phương tiện hai bánh vẫn là phương tiện di chuyển chủ lực của người dân. Theo thống kê từ Cục Cảnh sát giao thông được tác giả trích dẫn, cả nước hiện có khoảng 60 triệu xe máy, chiếm 93% tổng số phương tiện giao thông đường bộ; đồng thời, số vụ tai nạn liên quan đến xe hai bánh chiếm tới 70,18%. Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ các yếu tố chủ quan của người tham gia giao thông như thiếu tập trung, chạy quá tốc độ, không làm chủ khoảng cách, chuyển hướng thiếu quan sát hoặc bị che khuất tầm nhìn tại các điểm mù.

Nhằm giải quyết bài toán an toàn giao thông cho phương tiện hai bánh chạy điện, đề tài "Nghiên cứu và thiết kế chế tạo xe điện hai bánh – phần hệ thống cảnh báo va chạm và tính năng xe tự cân bằng" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô (Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh) dưới sự hướng dẫn của ThS. Đỗ Nhật Trường. Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm hai tính năng an toàn chủ động: cảnh báo va chạm trước sau và tự giữ thăng bằng bằng cơ cấu con quay hồi chuyển.

Mục tiêu cốt lõi của đồ án là nâng cao mức độ an toàn cho người điều khiển xe điện hai bánh thông qua việc phát tín hiệu cảnh báo trước nguy cơ va chạm và duy trì sự cân bằng của phương tiện khi đứng yên. Đề tài xác định 5 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Nghiên cứu vai trò và nguyên lý của hệ thống cảnh báo va chạm trên ô tô hiện nay.
2. Xây dựng sơ đồ giải thuật và sơ đồ hệ thống điều khiển cho toàn bộ mô hình.
3. Thiết kế và ứng dụng hệ thống cảnh báo va chạm trên xe điện hai bánh nhằm thông báo khoảng cách thực tế đối với vật thể tĩnh và di động.
4. Nghiên cứu nguyên lý và các giải pháp kỹ thuật của tính năng tự cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển.
5. Thiết kế, gia công, lắp đặt hệ thống cơ điện tử lên xe điện hai bánh; tiến hành thực nghiệm và đánh giá kết quả hoạt động.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng sóng siêu âm và hệ thống cân bằng sử dụng cơ cấu con quay hồi chuyển 2 đĩa quay. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc khống chế khoảng cách cảnh báo trong phạm vi tối thiểu an toàn 5 m (dải đo hoạt động từ 20 cm đến 600 cm) và duy trì sự cân bằng của xe điện hai bánh ở trạng thái đứng yên tại chỗ với góc nghiêng tuế sai khống chế dưới 75 độ; tải trọng kết cấu cơ khí bổ sung không vượt quá 10 kg trên khung xe cơ sở nặng 45 kg (tổng tải trọng tính toán toàn tải là 180 kg).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên các tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật ô tô và cơ học con quay hồi chuyển (gyroscope). Trong lĩnh vực an toàn ô tô, tác giả tham chiếu các quy chuẩn đánh giá an toàn phương tiện quốc tế như EURO NCAP (European New Car Assessment Programme) và NHTSA (Cục Quản lý Giao thông Đường cao tốc Quốc gia Mỹ), cùng các hệ thống an toàn chủ động như hệ thống ổn định thân xe (ESP), hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS), hỗ trợ đỗ xe (PAS), hệ thống cảnh báo tiền va chạm (PCS) và hệ thống Intelligent Clearance Sonar (ICS).

Về cơ học con quay hồi chuyển, nghiên cứu kế thừa các nguyên lý chuyển động quay của Léon Foucault (1852), các ứng dụng phương tiện giao thông của Louis Brennan (1905), Shilovski Gyrocar (1912) và dòng xe điện tự cân bằng hai bánh Lit Motors C-1. Cơ sở toán học của con quay hồi chuyển dựa trên định luật II và định luật III Newton mở rộng cho vật thể quay. Mômen động lượng của đĩa quay được xác định bởi công thức:

$$L = I \cdot \dot{\phi}$$

Trong đó, $I$ là mômen quán tính và $\dot{\phi}$ là vận tốc góc của đĩa quay. Đối với đĩa tròn đồng chất có khối lượng $m$ và bán kính $R$, mômen quán tính qua trục tâm vuông góc với mặt phẳng đĩa là:

$$I = \frac{1}{2} m R^2$$

Khi góc tuế sai thay đổi với vận tốc góc $\dot{\alpha}$, mômen xoắn hồi chuyển $T$ sinh ra nhằm chống lại mômen ngoại lực làm thay đổi trục quay được biểu diễn qua phương trình:

$$T = L \cdot \dot{\alpha}$$

Khi thiết lập hệ quy chiếu $Oxyz$ trên xe hai bánh ($Ox$ dọc theo chiều dài xe, $Oy$ là trục ngang và $Oz$ là trục thẳng đứng pháp tuyến mặt đường), các thành phần mômen xoắn hồi chuyển được xác định:

$$T_x = -\dot{\alpha}_y \cdot \frac{1}{2} m R^2 \dot{\phi} \cos\alpha$$ $$T_z = -\dot{\alpha}_y \cdot \frac{1}{2} m R^2 \dot{\phi} \sin\alpha$$

Trong đó, $T_x$ là mômen xoắn ngang giúp triệt tiêu lực nghiêng thân xe sang hai bên, còn $T_z$ là mômen xoắn dọc trục thẳng đứng gây ảnh hưởng đến góc lái. Để triệt tiêu thành phần bất lợi $T_z$, giải pháp thiết kế sử dụng hai đĩa quay ngược chiều nhau với cùng vận tốc góc được áp dụng.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chế tạo:

• Phương pháp lý thuyết: Thu thập, phân tích tài liệu chuyên ngành; tính toán động lực học cơ cấu con quay; mô phỏng 3D kết cấu cơ khí bằng phần mềm SolidWorks.
• Phương pháp thực nghiệm: Gia công cơ khí chi tiết (đĩa quay, trục quay, khung giá đỡ); lắp ráp mạch điện tử điều khiển (vi điều khiển, cảm biến, driver điều khiển công suất); nạp chương trình điều khiển và tiến hành thử nghiệm đo đạc khoảng cách cũng như khả năng giữ thăng bằng trên xe thật.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án bao gồm: số liệu tai nạn giao thông từ Cục Cảnh sát giao thông; tài liệu thiết kế các dòng xe tự cân bằng quốc tế; thông số kỹ thuật của linh kiện điện tử, cơ khí được cung cấp bởi nhà sản xuất (datasheet của JSN-SR04T, Arduino Uno R3, MPU6050, DRV8825, DC 895, 17HS1538-1704A và nhôm hợp kim A6061).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật của đồ án bao gồm hai phân hệ chính: phân hệ cảnh báo va chạm bằng sóng siêu âm và phân hệ tự cân bằng bằng cơ cấu con quay hồi chuyển hai đĩa quay.

Thành phần / Thiết bị	Model / Tiêu chuẩn	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Cảm biến khoảng cách	JSN-SR04T-2.0	Điện áp 3–5.5 VDC; Công suất < 40 mW; Tần số 40 kHz; Dải đo 20–600 cm; Độ chính xác < 2 mm; Góc đo 75°; Chuẩn chống nước	Đo khoảng cách vật cản trước/sau xe
Bo mạch điều khiển	Arduino Uno R3	Vi điều khiển ATmega328P (8-bit, 16 MHz); 14 chân Digital I/O (6 PWM); 6 chân Analog; Flash 32 KB; SRAM 2 KB	Xử lý trung tâm, đọc cảm biến, xuất tín hiệu điều khiển
Cảm biến góc nghiêng	MPU6050	Tích hợp con quay hồi chuyển 3 trục và gia tốc kế 3 trục; Giao tiếp I2C	Xác định góc nghiêng và vận tốc góc nghiêng của thân xe
Động cơ quay đĩa	DC 895	Điện áp 12 VDC; Tốc độ không tải 6000 rpm; Công suất định mức 80 W; Dòng 0.8 A; Trọng lượng 501 g	Dẫn động quay đĩa quán tính tạo mômen động lượng
Động cơ góc tuế sai	17HS1538-1704A	Động cơ bước lai; Góc bước 1.8°; Mômen xoắn 0.45 Nm; Điện áp 12–24 VDC; Dòng 1.7 A; 4 dây	Điều khiển góc tuế sai của khung mang đĩa quay
Driver động cơ bước	DRV8825	Điện áp 8.2–45 V; Dòng cực đại 2.5 A; Hỗ trợ vi bước từ 1 đến 1/32 bước	Điều khiển bước và công suất cho động cơ bước
Điều tốc động cơ DC	Mạch PWM 40A	Điện áp 10–55 VDC; Dòng liên tục 40 A (max 60 A); Tần số 15 kHz; Điều chế PWM 0–100%	Điều khiển tốc độ quay và chiều quay của động cơ DC 895
Màn hình hiển thị	LCD 16x2 + Module I2C	Màn hình 16 ký tự x 2 dòng; Giao tiếp 2 dây I2C (SDA chân A4, SCL chân A5 trên Uno)	Hiển thị thông số khoảng cách đo được
Vật liệu kết cấu cơ khí	Nhôm hợp kim A6061	Độ cứng cao, tỷ trọng nhẹ, gia công cơ khí chính xác	Chế tạo đĩa quay, trục đĩa, thanh quay ngang/dọc, khung gá

Về mặt cơ khí, cụm cơ cấu con quay hồi chuyển được bố trí ngay tại trọng tâm của xe điện hai bánh. Thiết kế bao gồm 2 đĩa quay nhôm A6061 có trục quay ban đầu vuông góc với mặt đường, quay ngược chiều nhau để triệt tiêu mômen quay trên trục dọc $Oz$. Động cơ bước truyền động đến trục của khung con quay thông qua bộ truyền puly - dây đai nhằm thay đổi góc tuế sai $\alpha$ một cách chính xác.

Giải thuật điều khiển được chia thành hai nhánh độc lập:

• Thuật toán cảnh báo va chạm: Arduino phát xung kích hoạt đầu dò siêu âm JSN-SR04T và tính toán khoảng cách dựa trên thời gian thu sóng dội lại. Khoảng cách đo được xuất ra màn hình LCD 16x2. Khi khoảng cách tới vật cản nhỏ hơn 5 m, hệ thống bắt đầu cảnh báo; khi khoảng cách giảm xuống dưới 1 m, vi điều khiển kích hoạt Relay điều khiển còi xe phát âm thanh và đèn nháy báo động liên tục.
• Thuật toán cân bằng: Cảm biến MPU6050 liên tục đo góc nghiêng và vận tốc góc của thân xe, gửi dữ liệu về Arduino qua giao tiếp I2C. Vi điều khiển xử lý độ lệch cân bằng và điều khiển driver DRV8825 quay động cơ bước với góc bước và chiều quay thích hợp, làm nghiêng trục của hai đĩa quay đang quay ở tốc độ cao (do động cơ DC 895 dẫn động), sinh ra mômen xoắn hồi chuyển $T_x$ kháng lại lực làm nghiêng đổ xe. Góc tuế sai được khống chế trong giới hạn an toàn nhỏ hơn 75 độ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống cảnh báo va chạm và xe tự cân bằng

Chương này phân tích tính cấp thiết của việc phát triển các phương tiện giao thông chạy điện và sự cần thiết của các hệ thống an toàn chủ động trên xe máy điện tại Việt Nam. Tác giả dẫn chứng số liệu 60 triệu xe máy (93% tổng phương tiện) và tỷ lệ 70,18% số vụ tai nạn giao thông liên quan đến phương tiện này. Chương 1 xác định rõ mục đích, 5 nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp tiếp cận kết hợp lý thuyết - thực nghiệm và cấu trúc 6 chương của đồ án.

Chương 2: Tổng quan giải pháp về hệ thống cảnh báo va chạm và hệ thống cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển

Chương 2 tổng hợp cơ sở lý thuyết về các hệ thống an toàn trên ô tô hiện đại (ESP, TCS, PAS, PCS, ICS) và phân tích nguyên lý hoạt động của ba dạng cảm biến cảnh báo va chạm phổ biến: sóng siêu âm, sóng vô tuyến (Radar) và tia laser (Lidar). Đồng thời, chương này trình bày lịch sử phát triển của con quay hồi chuyển từ thí nghiệm Foucault (1852), xe Schilovski Gyrocar (1912) đến Lit Motors C-1; thiết lập các công thức toán học tính toán mômen động lượng $L$, mômen quán tính $I$ và mômen xoắn hồi chuyển $T_x, T_z$. Tác giả cũng phân tích 4 cấu hình cân bằng: con quay dạng lỏng, xe một bánh một con quay, xe hai bánh một con quay và xe hai bánh hai con quay.

Chương 3: Phương pháp giải quyết đề tài hệ thống cảnh báo va chạm và hệ thống cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển

Chương 3 tiến hành đánh giá so sánh chi tiết ưu nhược điểm giữa cảm biến siêu âm, Radar và Lidar. Tác giả lựa chọn cảm biến siêu âm làm giải pháp tối ưu cho đề tài nhờ kích thước nhỏ gọn, chi phí hợp lý, hoạt động ổn định trong thời tiết xấu và điều khiển đơn giản. Đối với hệ thống tự cân bằng, tác giả so sánh ba giải pháp bố trí con quay: trục quay song song mặt đường, một con quay trục vuông góc và hai con quay trục vuông góc. Giải pháp sử dụng hai con quay trục vuông góc quay ngược chiều được lựa chọn vì khả năng triệt tiêu mômen dọc bất lợi, đĩa quay nhỏ gọn và tính ổn định cao.

Tiêu chí so sánh	Cảm biến Siêu âm	Cảm biến Radar	Cảm biến Lidar
Ưu điểm chính	Nhỏ gọn, chi phí rẻ, hoạt động tốt trong sương mù, mưa, ánh sáng yếu	Đo chính xác trong môi trường khắc nghiệt, tốc độ lấy mẫu cực nhanh, tầm đo xa	Độ chính xác cao, dựng được mô hình 3D, hoạt động tốt trong ánh sáng yếu
Nhược điểm chính	Tầm đo ngắn, phụ thuộc bề mặt phản xạ, dễ nhiễu ở khoảng cách xa	Giá thành cao, kỹ thuật điều khiển phức tạp, góc nhìn hẹp	Giá thành rất cao, dữ liệu xử lý lớn, khó hoạt động trong sương mù dày
Phạm vi ứng dụng đề xuất	Phương tiện tầm trung, đo khoảng cách ngắn, cảnh báo lùi và va chạm gần	Hệ thống xe tự hành, quét chướng ngại vật tầm xa	Xe tự hành cao cấp, quét 3D môi trường xung quanh

Chương 4: Thiết kế hệ thống xe điện hai bánh sử dụng cảm biến siêu âm và con quay hồi chuyển

Chương 4 trình bày chi tiết các tính toán thiết kế phần cứng và phần mềm. Về phần cứng, tác giả trình bày bảng thông số kỹ thuật của cảm biến JSN-SR04T, vi điều khiển Arduino Uno R3, động cơ DC 895, động cơ bước 17HS1538-1704A, driver DRV8825, mạch PWM 40A, cảm biến góc MPU6050, màn hình LCD 16x2 I2C và vật liệu nhôm hợp kim A6061. Về cơ khí, các bản vẽ thiết kế 3D của đĩa quay, trục đĩa, thanh quay ngang, thanh quay dọc và khung giá đỡ được thiết kế chi tiết trên SolidWorks. Về phần mềm, chương này đưa ra sơ đồ giải thuật cảnh báo va chạm và sơ đồ giải thuật điều khiển cân bằng thân xe.

Chương 5: Thi công lắp ráp hệ thống cảnh báo va chạm và hệ thống cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển

Chương 5 mô tả toàn bộ quy trình gia công, lắp ghép thực tế:

1. Lắp ráp mạch điện cảnh báo va chạm và bố trí đầu phát - thu của cảm biến JSN-SR04T ở đầu/đuôi xe.
2. Gia công cơ khí và lắp ghép cụm con quay hồi chuyển: cố định gối đỡ vào khung, lắp puly, thanh quay dọc, động cơ DC, đĩa quay nhôm A6061 và cụm động cơ bước truyền động đai.
3. Đấu nối mạch điện điều khiển và đặt gọn trong hộp điều khiển trung tâm tại thân xe.
4. Tiến hành thực nghiệm: hệ thống cảnh báo va chạm hiển thị chính xác khoảng cách trên LCD tại các mốc khoảng cách thực tế (như 245 cm, 373 cm và dưới 1 m kích hoạt còi/đèn); hệ thống con quay hồi chuyển thử nghiệm thành công khả năng giữ thăng bằng thân xe trong khoảng 5 giây.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được về mặt thiết kế, chế tạo cơ điện tử và thử nghiệm mô hình thực tế. Tác giả thẳng thắn chỉ ra các điểm cần hoàn thiện và định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã hoàn thành việc chế tạo mô hình thực nghiệm xe điện hai bánh tích hợp đồng thời hai hệ thống an toàn với các kết quả cụ thể:

• Hệ thống cảnh báo va chạm: Ứng dụng thành công cảm biến siêu âm JSN-SR04T chống nước kết hợp vi điều khiển Arduino Uno R3. Hệ thống đo đạc chính xác khoảng cách vật cản tĩnh và động trong dải từ 20 cm đến 600 cm (sai số cảm biến < 2 mm), hiển thị trực quan thông số lên màn hình LCD 16x2. Hệ thống cảnh báo tự động kích hoạt còi báo động và đèn nhấp nháy liên tục khi vật cản tiếp cận dưới ngưỡng nguy hiểm 1 m.
• Hệ thống tự cân bằng: Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh cụm cơ khí con quay hồi chuyển hai đĩa quay ngược chiều bằng nhôm A6061, dẫn động bởi 2 động cơ DC 895 (6000 rpm) và điều khiển góc tuế sai bởi động cơ bước 17HS1538-1704A qua driver DRV8825. Mô hình thực nghiệm chứng minh xe điện hai bánh có khả năng tự duy trì trạng thái cân bằng thẳng đứng khi đứng yên tại chỗ trong khoảng thời gian 5 giây.

Đóng góp kỹ thuật của đồ án là đã nghiên cứu chuyển giao và thu nhỏ các giải pháp an toàn chủ động vốn chỉ có trên ô tô (như Pre-Collision System) và các mẫu xe ý tưởng cao cấp (Lit Motors C-1) để ứng dụng thực tế trên phương tiện xe máy điện hai bánh phổ thông. Đề tài cung cấp tài liệu tính toán động lực học, bản vẽ cơ khí 3D và sơ đồ mạch điều khiển vi điều khiển hoàn chỉnh cho mô hình xe điện hai bánh tự cân bằng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo đánh giá thực tế của nhóm tác giả trong văn bản:

• Về hệ thống cảnh báo va chạm: Cảm biến siêu âm tồn tại vùng mù dưới 20 cm và góc quét bị giới hạn (75 độ); tín hiệu có thể bị ảnh hưởng bởi hình dạng bề mặt vật cản hoặc bị nhiễu ở cự ly xa.
• Về hệ thống cân bằng: Thời gian tự giữ thăng bằng trong thực nghiệm mới đạt mức 5 giây, chưa đạt mục tiêu tính toán lý thuyết ban đầu (kỳ vọng đạt 45 giây). Nguyên nhân do công suất động cơ DC và động cơ bước chưa đủ lớn, quán tính của hệ thống cơ khí thực tế còn dao động và thuật toán điều khiển góc tuế sai cần được bù trễ tốt hơn. Hệ thống hiện chỉ hoạt động ở trạng thái xe đứng yên tại chỗ, chưa đáp ứng trạng thái xe đang di chuyển trên đường hoặc vào cua.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

1. Ứng dụng các thuật toán điều khiển nâng cao như bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ (PID) để tối ưu hóa độ nhạy và độ chính xác khi điều khiển động cơ bước.
2. Nâng cấp động cơ dẫn động đĩa quay có công suất và tốc độ lớn hơn, đồng thời tối ưu hóa khối lượng và bán kính đĩa quay nhằm gia tăng mômen xoắn hồi chuyển $T_x$.
3. Mở rộng nghiên cứu điều khiển cân bằng động khi xe đang lưu thông trên đường ở các dải vận tốc khác nhau và khi đổi hướng lái.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa và Robot.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao bao gồm:

• Phương pháp tính toán cơ học lý thuyết về mômen động lượng và mômen xoắn hồi chuyển trên hệ trục tọa độ không gian phương tiện hai bánh.
• Quy trình thiết kế 3D các cụm chi tiết cơ khí (đĩa quay, gá đỡ, trục truyền động) trên SolidWorks và lựa chọn vật liệu nhôm A6061.
• Sơ đồ nguyên lý đấu nối mạch điện tử kết hợp giữa vi điều khiển Arduino Uno R3 với cảm biến góc MPU6050, cảm biến siêu âm chống nước JSN-SR04T, driver DRV8825, mạch công suất PWM 40A và màn hình LCD giao tiếp I2C.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao đề tài lựa chọn cảm biến siêu âm JSN-SR04T thay vì cảm biến Radar hay Lidar? Cảm biến siêu âm JSN-SR04T được chọn do chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn, mạch điều khiển đơn giản, đầu dò có khả năng chống thấm nước phù hợp lắp đặt ngoài trời trên xe máy và hoạt động ổn định trong điều kiện sương mù, ánh sáng yếu; trong khi Radar và Lidar có giá thành rất cao và thuật toán xử lý dữ liệu phức tạp.

2. Tại sao hệ thống tự cân bằng lại sử dụng 2 con quay hồi chuyển có trục vuông góc mặt đường thay vì 1 con quay? Hệ thống sử dụng 2 con quay quay ngược chiều với cùng tốc độ nhằm triệt tiêu mômen xoắn hồi chuyển dọc ($T_z$), tránh làm mất kiểm soát tay lái của xe. Cấu hình trục quay vuông góc mặt đường giúp tận dụng trọng lực làm lực tạo mômen, kết cấu gọn gàng hơn và không đòi hỏi đảo chiều liên tục như cấu hình trục song song.

3. Động cơ DC 895 và động cơ bước 17HS1538-1704A đảm nhận vai trò gì trong hệ thống cân bằng? Động cơ DC 895 (12V, 80W, tốc độ không tải 6000 rpm) có nhiệm vụ quay đĩa quán tính ở tốc độ cao để tạo ra mômen động lượng $L$. Động cơ bước 17HS1538-1704A (góc bước 1.8°, mômen 0.45 Nm) kết hợp driver DRV8825 đảm nhận việc quay khung mang đĩa để thay đổi góc tuế sai $\alpha$, tạo ra mômen xoắn hồi chuyển $T_x$ kháng lại lực làm nghiêng đổ xe.

4. Giới hạn góc tuế sai của con quay hồi chuyển trên xe được khống chế ở mức nào và tại sao? Góc tuế sai $\alpha$ được khống chế trong khoảng nhỏ hơn 75 độ. Nguyên nhân là do độ lớn mômen xoắn ngang $T_x$ phụ thuộc vào $\cos\alpha$; khi $\alpha = \pm 90^\circ$ thì $\cos\alpha = 0$ (mômen xoắn cân bằng triệt tiêu hoàn toàn), do đó việc giới hạn $\alpha < 75^\circ$ đảm bảo hệ thống luôn tạo ra đủ mômen lực để ổn định thân xe.

5. Kết quả thực nghiệm của hệ thống cảnh báo va chạm và hệ thống cân bằng đạt được các số liệu cụ thể nào? Hệ thống cảnh báo va chạm đo và hiển thị chính xác khoảng cách lên LCD trong dải 20–600 cm (được thử nghiệm ở các mốc khoảng cách thực tế 245 cm, 373 cm và phát còi/đèn báo động khi dưới 1 m). Hệ thống con quay hồi chuyển thực nghiệm giữ thăng bằng thân xe ở trạng thái đứng yên trong khoảng thời gian 5 giây.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu và thiết kế chế tạo xe điện hai bánh – phần hệ thống cảnh báo va chạm và tính năng xe tự cân bằng" đã giải quyết thành công bài toán tích hợp các công nghệ an toàn chủ động lên phương tiện hai bánh chạy điện. Nhóm tác giả đã hoàn thiện từ khâu tính toán lý thuyết động lực học con quay, thiết kế 3D, lập trình giải thuật trên vi điều khiển Arduino đến gia công và lắp ráp mô hình thực tế. Kết quả thử nghiệm ghi nhận hệ thống cảnh báo khoảng cách chính xác bằng sóng siêu âm và duy trì khả năng tự cân bằng thân xe khi đứng yên trong 5 giây. Đây là nền tảng kỹ thuật quan trọng phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo về an toàn chủ động và ổn định động học cho xe điện hai bánh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM VÀ XE TỰ CÂN BẰNG Chương 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP VỀ HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN Chương 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT ĐỀ TÀI HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG XE ĐIỆN HAI BÁNH SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ CON QUAY HỒI CHUYỂN Chương 5: THI CÔNG LẮP RÁP HỆ THỐNG CẢNH BẢO VA CHẠM VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 4 Chương 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP VỀ HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN 2.1 Tổng quan về hệ thống cảnh báo va chạm trên ô tô hiện nay Hiện nay, một chiếc xe ô tô nhằm đáp ứng nhu cầu về an toàn của hành khách, đều được trang bị đầy những tính năng an toàn chủ động hay bị động khi đứng yên và khi di chuyển trên đường. Điều này giúp đảm bảo cho hành khách trong xe cũng như bên ngoài xe sự an toàn cao nhất. Ngày nay, hầu hết mẫu xe từ hạng trung cho đến cao cấp đều được các hãng sản xuất trang bị các công nghệ an toàn như: hệ thống ổn định thân xe (ESP), kiểm soát lực kéo (TCS), hỗ trợ đỗ xe (PAS), cảnh báo điểm mù, cảnh báo đi sai làn đường. Ngoài ra, còn có các hệ thống công nghệ chung về cảnh báo tiền va chạm (Pre-Collision System - PCS).1: Thử nghiệm cảnh báo va chạm trên Toyota [10] Hiện nay, với sự phát triển và phổ biến của công nghệ, những dòng xe hạng trung với mức giá rẻ hơn cũng dần được các nhà sản xuất tích hợp hệ thống cảnh báo tiền va chạm.

Tùy mỗi hãng xe mà PCS được giới thiệu dưới nhiều cái tên khác nhau như 5 Honda Sensing, Toyota Safety Sense… Hay ở những dòng xe cao cấp hơn Pre-Safe của Mercedes, Active Protection của BMW.2: Bộ điều khiển trung tâm và các cảm biến xung quanh xe [11] Từ những tín hiệu thu thập được của các cảm biến trên xe, hệ thống tiền va chạm còn kết hợp với hệ thống và cơ cấu bảo vệ va chạm như tự dựng thẳng tựa lưng, tựa đầu, căng đai an toàn tự động, đóng toàn bộ kính và cửa sổ trời, bung túi khí để đảm bảo an toàn tối đa cho hành khách bên trong xe. Hệ thống an toàn chủ động nói chung và hệ thống cảnh báo va chạm nói riêng đều hoạt động dựa trên cơ sở là những thông tin thu thập trong suốt quá trình vận hành của xe từ môi trường xung quanh. Từ đó, hệ thống phát hiện những điều kiện nguy hiểm tiềm tàng và đưa cảnh báo với người lái hay thậm chí là can thiệp trực tiếp đến quá trình vận hành của xe, hỗ trợ trong những tình huống khó khăn như đánh lái và phanh gấp.2 Các dạng tín hiệu trong hệ thống cảnh báo va chạm Khi mới được giới thiệu, những hệ thống cảnh báo va chạm đầu tiên thường sử dụng cảm biến hồng ngoại để phát hiện chướng ngại vật. Còn ngày nay, loại cảm biến hồng ngoại này được thay thế bằng cảm biến Lidar (Light detection and ranging) với độ chính xác cao và vận hành phức tạp hơn.

Ngoài ra những bộ PCS hiện đại còn vận hành nhờ thông tin từ cảm biến dựa trên hiện tượng sóng âm, ví dụ như sóng âm sẽ phản hồi lại khi gặp vật cản hay hệ thống Radar (Radio detection and ranging) sử dụng 6 sóng vô tuyến cũng được sử dụng rất nhiều trong thực tế. Sóng vô tuyến vô hình và truyền được quãng đường xa hơn nhiều so với sóng âm.1 Hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng sóng siêu âm Hình 2.3: Hệ thống cảm biến va chạm sử dụng sóng siêu âm [10] Ô tô hiện nay có thể sử dụng sóng siêu âm để tương tác với các vật thể giúp phát hiện khoảng cách từ cảm biến đến các vật thể nhờ sóng siêu âm. Sóng siêu âm có thể được sử dụng cách thụ động hoặc chủ động. Hệ thống cảm biến siêu âm thụ động thu thập thụ động các âm thanh do các vật thể ở gần tạo ra từ đó xác định vị trí vật thể.

Hệ thống cảm biến siêu âm chủ động phát ra tín hiệu âm thanh và thu thập tín hiệu âm thanh trả về từ các bề mặt vật chất từ đó tính toán được khoảng cách đến vật thể.4: Quá trình cho và nhận của sóng siêu âm [10] 7 Ô tô hiện nay có thể sử dụng sóng siêu âm để phát hiện các vật thể lớn làm bằng vật liệu rắn (ví dụ như kim loại, gốm sứ) ở khoảng cách ngắn. Cảm biến siêu âm không phụ thuộc vào ánh sáng nên rất phù hợp khi di chuyển trong thời tiết thiếu ánh sáng hay sương mù. Tuy nhiên, cảm biến siêu âm có những hạn chế bởi tốc độ âm thanh, tốc độ âm thanh chậm hơn tốc độ ánh sáng) và đôi khi phát hiện sai các vật thể không tồn tại. Vì thế loại cảm biến này thường được sử dụng với những tình huống khi xe di chuyển chậm như các cảm biến va chạm xung quanh xe, hay cảm biến lùi như những hệ thống: Intelligent Clearance Sonar - ICS của Toyota.2 Hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng sóng vô tuyến Hình 2.5: Cảm biến va chạm sử dụng sóng Radar [5] Radar (Radio detection and ranging) là một thiết bị sử dụng sóng vô tuyến để xác định các vật thể xung quanh.

Về cơ bản, nó là một hệ thống điện từ được sử dụng để phát hiện vị trí và khoảng cách của một vật thể từ điểm đặt Radar. Nó hoạt động bằng cách phát tín hiệu sóng vô tuyến vào không gian và theo dõi tín hiệu phản hồi hoặc phản xạ lại từ các vật thể. Radar được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành nghề khác nhau như dự báo thời tiết, thiên văn học, thông tin liên lạc, điều hướng đại dương, hoạt động quân sự và xe tự hành. [5] Nguyên lý radar hoạt động khá giống với nguyên tắc phản xạ sóng âm.

Một máy phát tạo ra tín hiệu điện từ được phát ra không gian bằng ăng ten. Khi tín hiệu này bị cản bởi bất kỳ đối tượng nào, nó sẽ bị phản xạ theo nhiều hướng. Tín hiệu phản xạ này được nhận bởi ăng ten thu của radar đưa nó đến máy thu, nơi nó được xử lý để xác định số liệu về vị trí của vật thể. Khoảng cách được xác định bằng cách tính thời gian của tín hiệu được truyền từ Radar đến vật thể và quay lại.

Vị trí của vật thể được đo 8 theo góc từ hướng tín hiệu phản hồi, tần số và biên độ cực đại của sóng vô tuyến. Radar thường hoạt động tốt trong khoảng cách xa và trong hầu hết các loại thời tiết. Tuy nhiên, nó không đặc biệt hữu ích cho việc nhận dạng đối tượng và có thể nhận dạng sai đối tượng. Hiện nay Radar được ứng dụng rất nhiều trên ô tô đặc biệt là các phương tiện xe tự hành.

Nhờ độ ổn định tính chính xác và khả năng phản xạ nhanh hơn sóng siêu âm, Radar trở thành thiết bị tiêu chuẩn trên các công nghệ an toàn hiện nay nhờ tính ưu việt của nó. Hệ thống radar có thể đo hướng, chiều cao, khoảng cách, tiến trình và tốc độ của các vật thể này từ đó xác định sự nguy hiểm trong quá trình di chuyển và giúp xe thực hiện các chức năng cảnh báo và giảm thiểu va chạm từ xa. Tần số của năng lượng điện từ được sử dụng cho radar không bị ảnh hưởng bởi bóng tối và cũng xuyên qua sương mù và mây. Điều này cho phép các hệ thống radar xác định vị trí của máy bay, tàu hoặc các chướng ngại vật khác mà mắt thường không nhìn thể thấy được do khoảng cách, bóng tối hoặc thời tiết.

Radar hiện đại có thể trích xuất nhiều thông tin hơn từ tín hiệu dội lại của mục tiêu so với khoảng cách của nó. Nhưng việc tính toán khoảng cách bằng cách đo thời gian trễ là một trong những chức năng quan trọng và cấu tạo phức tạp của nó là những trở ngại.3 Hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng tia laser Hình 2.6: Cảm biến va chạm sử dụng tia Lidar [9] 9 Lidar hay còn được gọi là quét laser 3D, là một công cụ hiện đại mà ô tô hiện nay đang hướng tới để quét môi trường của chúng bằng tia laser. Một cảm biến lidar điển hình phát xung hàng nghìn chùm tia sáng laser hồng ngoại vào môi trường xung quanh nó và đợi chùm tia phản xạ từ các đặc điểm môi trường. Nhiều xung tạo ra các đám mây điểm của ánh sáng (tập hợp các điểm biểu diễn chúng ta sẽ có được hình dạng 3D trong không gian).

Hệ thống Lidar đo khoảng thời gian cần thiết để phát ra một tín hiệu laser và nhận được cùng một chùm ánh sáng phản xạ từ một bề mặt vật chất lên các bộ tách sóng ánh sáng của nó. Lidar sử dụng tốc độ ánh sáng để tính toán khoảng cách tới các vật thể. Thời gian để bộ tách sóng quang Lidar nhận được tín hiệu ánh sáng trở lại càng lâu, thì vật thể càng ở xa. Hệ thống Lidar được ứng dụng nhiều trong những hệ thống xe tự hành và chúng đạt được nhiều về tính chính xác và ổn định trong vận hành.

Tuy nhiên, việc thiết kế và xử lý dữ liệu của hệ thống lidar lại là một vấn đề lớn và đang ngày càng được hoàn thiện trong tương lai. Kết luận: Trong các dạng tín hiệu được dùng trong các cảm biến va chạm thì tín hiệu Lidar được cho là có độ chính xác cao nhưng giá thành mà bộ điều khiển phức tạp nên được trang bị trên các dòng xe cao cấp, còn các dòng xe tầm trung thường được sử dụng cảm biến va chạm sử dụng sóng vô tuyến hoặc sóng siêu âm vì giá thành rẻ dễ lắp đặt và sửa chữa nhưng độ chính xác không cao do bị nhiễu sóng.3 Tổng quan về con quay hồi chuyển Hình 2.7: Con quay hồi chuyển [3] 10 Thuật ngữ gyroscope - con quay hồi chuyển được xuất hiện từ giữa thế kỉ XIX. Thuật ngữ gyroscope lần đầu tiên được đưa ra bởi nhà khoa học người Pháp - Leon Foucault, được ghép từ ngôn ngữ Hy Lạp, theo đó “Gyro” trong nghĩa là “quay tròn”, và “skopien” có nghĩa là “quan sát”. Khi đó, Foucault đã áp dụng định luật chuyển động quay của gyroscopes để giải thích chuyển động quay của trái đất vào năm 1852.

Vấn đề theo dõi hồi chuyển trên phương tiện đi lại không ổn định được quan tâm đầu tiên vào năm 1905 bởi Louis Brennan.