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.
