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.