Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống hỗ trợ đậu xe trên ô tô

Đồ án tốt nghiệp công nghệ ô tô, nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống hỗ trợ đậu xe. Bao gồm cấu tạo, nguyên lý hoạt động và lập trình điều khiển.

• Tác giả: Đinh Quang Thanh Trà
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Phúc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế mô hình hệ thống hỗ trợ đậu xe trên ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống hỗ trợ đậu xe trên ô tô

Hệ thống hỗ trợ đậu xe là một công nghệ tiên tiến được tích hợp trên các dòng xe hiện đại nhằm hỗ trợ người lái xe trong quá trình đậu xe. Công nghệ này sử dụng các cảm biến siêu âm và hệ thống điều khiển tự động để giúp tài xế xác định vị trí không gian đậu xe an toàn và thực hiện đậu xe một cách chính xác hơn. Hệ thống hỗ trợ đậu xe tự động đã trở thành một tính năng quan trọng trên các xe cao cấp, đặc biệt là các dòng xe Mercedes Benz, Ford Focus và nhiều hãng xe khác. Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên việc phát hiện các vật cản xung quanh xe thông qua cảm biến siêu âm HC-SR04 và xử lý dữ liệu bằng bộ điều khiển ECU. Điều này giúp giảm áp lực cho tài xế, tăng cường an toàn lái xe và tối ưu hóa không gian sử dụng trong các khu vực đậu xe chật hẹp.

1.1. Lịch sử phát triển công nghệ hỗ trợ đậu xe

Hệ thống hỗ trợ đậu xe bắt đầu xuất hiện từ những năm 2000 trên các dòng xe hạng sang. Ban đầu, công nghệ này chỉ cảnh báo khoảng cách giữa xe và vật cản. Sau đó, các hãng xe như Mercedes Benz đã phát triển hệ thống đậu xe tự động hoàn toàn, có khả năng tự động đánh lái và điều chỉnh tốc độ xe. Đến nay, công nghệ hỗ trợ đậu xe đã được cải tiến liên tục với độ chính xác cao hơn, tốc độ xử lý nhanh hơn và khả năng nhận diện nhiều loại không gian đậu xe khác nhau như đậu xe song song, đậu xe vuông góc và đậu xe trên lề.

1.2. Ứng dụng thực tế trên các dòng xe Việt Nam

Trên thị trường Việt Nam, công nghệ hỗ trợ đậu xe đã được tích hợp trên nhiều dòng xe cao cấp. Các hãng xe như Ford, Mercedes Benz, BMW và Audi đều trang bị hệ thống hỗ trợ đậu xe cho các mẫu xe của mình. Tính năng này đặc biệt hữu ích trong các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh nơi không gian đậu xe hạn chế. Hệ thống hỗ trợ đậu xe giúp tài xế tiết kiệm thời gian, giảm rủi ro va chạm và hỗ trợ các lái xe mới hoặc không có kỹ năng đậu xe tốt.

II. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hệ thống hỗ trợ đậu xe bao gồm nhiều thành phần quan trọng hoạt động phối hợp với nhau. Thành phần chính là cảm biến siêu âm HC-SR04 được lắp đặt ở phía trước và phía sau xe để phát hiện vật cản. Cảm biến tốc độ bánh xe giúp xác định vị trí chính xác của xe. Hệ thống lái trợ lực điện và bộ điều khiển ECU được sử dụng để điều khiển đánh lái tự động và tốc độ xe. Các động cơ điện nhận lệnh từ ECU để điều khiển vô lăng. Toàn bộ hệ thống được lập trình bằng Arduino để xử lý tín hiệu từ các cảm biến và đưa ra quyết định điều khiển. Ngôn ngữ lập trình Arduino cho phép viết các thuật toán phức tạp để điều khiển chuyển động của xe trong quá trình đậu xe tự động.

2.1. Cảm biến siêu âm và cảm biến tốc độ

Cảm biến siêu âm HC-SR04 hoạt động bằng cách phát ra sóng siêu âm và đo thời gian sóng quay trở lại. Từ đó, hệ thống có thể tính toán khoảng cách tới vật cản. Cảm biến tốc độ bánh xe sử dụng nguyên lý từ tính để đo vận tốc của xe. Hai loại cảm biến này cung cấp dữ liệu thiết yếu cho bộ điều khiển ECU để xác định không gian đậu xe phù hợp và điều khiển chuyển động của xe.

2.2. Hệ thống lái trợ lực điện và bộ điều khiển

Hệ thống lái trợ lực điện sử dụng động cơ điện một chiều để hỗ trợ quay vô lăng. Cảm biến moment quay trục lái phát hiện ý định của tài xế. Bộ điều khiển ECU là "bộ não" của hệ thống hỗ trợ đậu xe, nhận tín hiệu từ các cảm biến và gửi lệnh điều khiển tới các động cơ và hệ thống lái. Lập trình Arduino cho phép ECU thực hiện các tính toán phức tạp và điều khiển đậu xe tự động.

III. Quy trình thiết kế mô hình hệ thống

Quá trình thiết kế mô hình hệ thống hỗ trợ đậu xe bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, các kỹ sư cần mô hình hóa hệ thống thông qua việc xác định các chi tiết cần thiết như cảm biến siêu âm, động cơ encoder, vi điều khiển Arduino và các linh kiện khác. Sau đó, các chi tiết được lắp ráp thành một mô hình có kích thước nhỏ hơn so với xe thật nhưng đủ để minh họa nguyên lý hoạt động. Lập trình điều khiển được thực hiện bằng ngôn ngữ lập trình Arduino để điều khiển chuyển động của mô hình. Các chi tiết trong mô hình cần được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo chất lượng. Cuối cùng, mô hình được kiểm thử lặp lại nhiều lần để đánh giá hiệu suất và độ chính xác.

3.1. Cấu tạo các chi tiết và lắp ráp mô hình

Cảm biến siêu âm HC-SR04 được lắp đặt phía trước mô hình để phát hiện vật cản. Động cơ encoder GA25 cung cấp chuyển động cho mô hình. Khung mô hình được chế tạo từ vật liệu nhẹ nhưng bền. Các chi tiết được lắp ráp theo thứ tự hợp lý để mô hình có thể hoạt động trơn tru. Vi điều khiển Arduino được gắn vào mô hình để xử lý tín hiệu và điều khiển động cơ.

3.2. Lập trình và kiểm thử mô hình

Lập trình Arduino cho mô hình hỗ trợ đậu xe được viết bằng ngôn ngữ lập trình Arduino cơ bản. Chương trình đọc dữ liệu từ cảm biến siêu âm và cảm biến tốc độ, sau đó xử lý để xác định không gian đậu xe. Nếu tìm thấy vị trí thích hợp, chương trình sẽ gửi lệnh điều khiển tới động cơ. Mô hình được kiểm thử bằng cách cho nó đậu xe vào các không gian khác nhau. Đánh giá mô hình dựa trên độ chính xác và thời gian đậu xe.

IV. Kết quả đánh giá và ứng dụng trong thực tế

Mô hình hệ thống hỗ trợ đậu xe đã được hoàn thiện sau quá trình nghiên cứu và phát triển kỹ lưỡng. Đánh giá mô hình cho thấy hệ thống có khả năng xác định chính xác không gian đậu xe với độ chính xác cao. Thời gian đậu xe của mô hình tương đương với thời gian đậu xe tự động trên các xe thực tế. Hệ thống này đã chứng minh được tính khả thi của công nghệ hỗ trợ đậu xe tự động. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để cải tiến công nghệ trên các dòng xe trong tương lai. Hệ thống hỗ trợ đậu xe sẽ tiếp tục phát triển với các tính năng nâng cao hơn, giúp tăng cường an toàn lái xe và cải thiện trải nghiệm người dùng.

4.1. Kết quả đạt được từ mô hình

Mô hình hệ thống hỗ trợ đậu xe đã thành công trong việc đậu xe tự động vào các vị trí khác nhau. Độ chính xác của hệ thống đạt được là rất cao, sai số vị trí không quá 5cm. Thời gian đậu xe trung bình là 15-20 giây, phù hợp với tiêu chuẩn thực tế. Mô hình không gặp vấn đề gì trong quá trình hoạt động, chứng tỏ thiết kế rất hợp lý.

4.2. Ứng dụng thực tế và phát triển tương lai

Công nghệ hỗ trợ đậu xe từ mô hình này có thể được ứng dụng trực tiếp trên các dòng xe thực tế. Các hãng xe có thể sử dụng mô hình này làm nền tảng để phát triển hệ thống hỗ trợ đậu xe tiên tiến hơn. Trong tương lai, hệ thống có thể được tích hợp thêm các tính năng như nhận diện đèn giao thông, tránh người đi bộ và điều khiển hoàn toàn tự động. Công nghệ này sẽ đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của xe tự hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu đi lại của con người ngày một tăng, dẫn đến số lượng phương tiện tham gia giao thông cũng tăng lên một cách nhanh chóng. Tuy nhiên cơ sở hạ tầng, đường xá vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng. Các bãi đỗ ô tô vẫn còn hạn hẹp về diện tích, gây nên sự bất tiện cho người lái xe mỗi khi phải tìm vị trí đỗ xe. Vậy làm thế nào để tận dụng tối đa khả năng của các bãi đỗ xe ít ỏi và mang lại cho chủ xe cảm giác thoải mái, an toàn, nhanh chóng khi đỗ xe? Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nền khoa học, công nghệ hiện đại, là sự ra đời và phát triển của các hệ thống thông minh trên ô tô, với mục đích chính nhằm mang lại sự an toàn và tiện nghi cho người lái.

Hệ thống hỗ trợ đậu xe trên ô tô giúp con người giảm bớt những căng thẳng, mệt mỏi trong việc tìm kiếm vị trí đậu xe, cũng như phải thực hiện các thao tác rườm rà khi tiến hành đậu xe vào những nơi có không gian nhỏ hẹp. Với hệ thống hỗ trợ đậu xe, người lái chỉ cần nhấn nút và xe sẽ tự động làm các công việc còn lại, người lái chỉ cần điều khiển chân ga và phanh theo yêu cầu của hệ thống. Với những lí do đó, nhóm chúng em chọn hệ thống hỗ trợ đậu xe làm đề tài để nghiên cứu, học tập nhằm có những kiến thức cơ bản về hệ thống.2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 1.1 Mục tiêu Thông qua việc nghiên cứu đề tài, nhóm chúng em muốn có được kiến thức cơ bản về hệ thống hỗ trợ đậu xe trên ô tô, từ đó có thể phát triển, áp dụng vào thực tế. Bên cạnh đó, chúng em còn mong muốn có được nền tảng cơ bản về lập trình- một hướng phát triển mới trên ô tô ngày nay.2 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Thu thập các tài liệu liên quan đến hệ thống hỗ trợ đậu xe trên các dòng xe trong nước và ngoài nước.

Nghiên cứu, chọn lọc các tài liệu sử dụng trong quá trình làm mô hình của hệ thống hỗ trợ đậu xe. 1 Tìm hiểu về Arduino và ngôn ngữ lập trình Arduino. Lên ý tưởng, thiết kế mô hình và lập trình điều khiển mô hình mô tả được sự hoạt động của hệ thống hỗ trợ đậu xe. Cho mô hình chạy thực nghiệm và hoàn thiện mô hình.

Viết báo cáo, thuyết minh về mô hình.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tham khảo, thu thập các tài liệu liên quan. Học hỏi kinh nghiệm từ thầy cô, bạn bè.4 KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU Đề tài được thực thực hiện trong vòng 15 tuần và được chia làm 2 giai đoạn:  Giai đoạn 1: - Thu thập tài liệu, xác định nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu, phân tích tài liệu có liên quan. - Lắp mô hình và lập trình cho mô hình hoàn thiện  Giai đoạn 2: - Viết báo cáo. - Hoàn thiện đề tài 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG HỖ TRỢ ĐẬU XE Một trong những nguyên mẫu đầu tiên của hệ thống hỗ trợ đậu xe tự đông được phát triển trên chiếc xe điện Ligier do INRIA (French institute for research in computer science and automation) phát triển vào giữa năm 1991.

Trong năm 1992 Volkswagen đã đề xuất ý tưởng về hệ thống tự đỗ xe trong đề án IRVW nhưng không có một phiên bản thương mại nào được thực hiện. Cho đến năm 2003 thì phiên bản thương mại đầu tiên của hệ thống parking assist system mới được TOYOTA giới thiệu với thị trường trên chiếc Toyota Prius nhưng chỉ được bán ở trên thị trường Nhật chứ vẫn chưa được bán chính thức trên thế giới vì nhiều lý do khác nhau. Vì phiên bản năm 2003 còn nhiều lỗi và gặp khó khăn khi phát hiện các vật như người đi bộ, vật nuôi,… nên vào năm 2006 sau khi hoàn thiện hệ thống Toyota đã chính thức đưa ra thị trường thế giới thông qua chiếc Lexus LS được sản xuất ở Mỹ. Sau Toyota các hãng khác cũng lần lượt ra mắt các phiên bản khác nhau của hệ thống parking assist system với các tên gọi khác nhau: Ford (2009), BMW (2010)… Sơ đồ tống quát hệ thống hỗ trợ đậu xe Tín hiệu đầu vào Bộ chấp hành + Cảm biến siêu âm + Cảm biến góc lái E + Hệ thống trợ lực lái điện( +Camera trước và C EPS) sau xe + Còi cảnh báo + Công tắc xi-nhan U đỗ xe và nút bấm + Màn hình hiển +Cảm biến tốc độ thị bánh xe 3 Các loại hình đậu xe Đậu xe song song Là hình thức đậu xe mà xe của người lái được đậu song song với lề đường.

Hiện nay, việc đậu xe song song chỉ hỗ trợ khi không gian đậu xe nằm giữa 2 xe đã đậu trước đó hoặc đậu song song sau một xe khác, hệ thống không hỗ trợ đậu trước 1 xe khác.1 Đậu xe song song Đậu xe vuông góc Là hình thức đậu xe mà xe của người lái được đậu vuông góc so với lề đường. Cũng như đậu xe song song, việc đậu xe vuông góc chỉ được thực hiện khi đậu xe giữa 2 xe đậu sẵn hoặc đậu liền kề xe khác, hệ thống không hỗ trợ đậu trước 1 xe khác.2 Đậu xe vuông góc Ngoài 2 hình thức đậu xe ở trên thì còn có các trường hợp đậu xe khác như: Hình 2.3 Đậu xe giữa những trở ngại khác 5 Hình 2.4 Đậu xe trên lề Hình 2.5 Đậu xe ở các khúc cua Điều kiện kích hoạt và hủy bỏ chế độ hộ trợ đậu xe: - Hệ thống sẽ không hoạt động khi xảy ra các trường hợp sau: + ESP( Chương trình cân bằng xe điện tử) không được kích hoạt với nút bấm ESP. + Hệ thống bị lỗi. - Việc hỗ trợ đậu xe sẽ bị hủy bỏ khi xảy ra các trường hợp sau: 6 + Người lái can thiệp vào di chuyển của vô lăng.

+ Tốc độ đậu xe quá 7 km/h + Chức năng hỗ trợ đậu xe bị tắt bằng nút điều khiển trê xe. + Thời gian đỗ xe quá lâu( khoảng 6 phút).2 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ ĐẬU XE TRÊN CÁC DÒNG XE TẠI VIỆT NAM 2.1 Ford Focus Là mẫu xe hạng trung của Ford tuy vậy nhưng lại được trang bị hệ thống hỗ trợ đậu xe tự động, một trong những trang thiết bị chỉ xuất hiện trên các dòng xe cao cấp.6 Vị trí của nút kích hoạt chức năng hỗ trợ đậu xe trên Ford Focus Hệ thống giúp người lái tìm chỗ đỗ xe, đánh lái đưa xe vào vị trí, mặc dù người lái vẫn phải thao tác số( tiến/ lùi), chân ga/ phanh. Các bước lùi xe vào chỗ đỗ với sự trợ giúp của hệ thống hỗ trợ đỗ xe tự động trên Ford Focus: - Bật công tắc xi- nhan phía muốn đậu xe. Ấn nút khởi động hệ thống hỗ trợ đậu xe, di chuyển với vận tốc dưới 20 km/h và giữ khoảng cách với các xe đang đỗ tối đa là 80 cm.

Hệ thống sẽ đo khoảng trống giữa 2 xe đang đỗ và không gian đỗ cần thiết( tối thiểu 1,4 thân xe). Tiến qua hết khoảng trống đó, nếu hệ thống đo vừa khoảng cách đỗ xe an toàn, bảng 7 điều khiển và âm thanh( tiếng bíp) thống báo cho người lái biết tìm thấy chỗ đậu xe, tiếp tục lái xe tiến về phía trước cho đến khi hệ thống thông báo STOP và chức năng đỗ xe tự động đã sẵn sàng. - Chọn số lùi, buông hết tay lái, hệ thống tự đánh lái đưa xe vài vị trí đỗ đã tìm được trước đó. Người lái chỉ cần quan sát kính chiếu hậu, khống chế chân ga không quá 10 km/h, khi cảm biến lùi và bảng điều khiển thông báo xe đã sát phía sau, người lái đạp phanh và cài số tiến.

Hệ thống tiếp tục đánh lái đưa xe về phía trước. - Khi xe đã vào vị trí, hệ thống thông báo lên bảng điều khiển đã hoàn thành việc hỗ trợ đậu xe. Nếu như người lái muốn tiến hoặc lùi theo ý muốn, có thể lặp lại các bước như trên. Các bước lấy xe ra khi đậu xe song song: - Ấn nút khởi động hệ thống hệ thống hỗ trợ đậu xe tự động, gạt xi- nhan qua phía muốn đưa xe ra.

- Buông hoàn toàn vô- lăng, hệ thống tự động điều khiền đánh lái, người lài chỉ việc để ý bàn đạp phanh, ga và chuyển số lùi hoặc tiến theo chỉ dẩn của hệ thống hiển thị trên bảng điều khiển. - Khi xe đã được đưa ra khỏi vị trí đỗ xe, người lái tiếp tục giữ vô- lăng để đưa xe di chuyển theo hướng mong muốn.  Một số lưu ý khi sử dụng chức năng hỗ trợ đậu xe tự động: - Hệ thống sẽ hủy thao tác hỗ trợ đậu xe bất cứ khi nào người lái giữ tay lái. - Không sử dụng tính năng này khi có các vật thò ra từ thùng xe, nóc xe.

- Tính năng này không tự động phanh, do đó, người lái cần chú ý quan sát, phối hợp vào số và sử dụng phanh.2 Các dòng xe của Mercedes Benz Hệ thống hỗ trợ đậu xe hiện nay khá phổ biến và được trang bị trên hầu hết các dòng xe của Mercedes-Benz. Với tên gọi Active Parking Assist, hệ thống này giúp đậu xe tối đa trong 5 bước mà người lái không phải chạm tay vào vô- lăng và giúp lấy xe ra khỏi chỗ đậu mà xe vừa đậu vào: 8 Bước 1: Tìm chỗ đậu Để xe tìm được chỗ đậu thì xe cần chạy chậm với vận tốc dưới 36 km/h. Lúc này, các cảm biến siêu âm của hệ thống Parktronic sẽ tính toán khoảng trống đậu xe phù hợp( chiều dài xe cộng với 0.5m phía trước và 0.5m phía sau xe). Trên màn hình hiển thị chữ P để báo hệ thống đang dò tìm chỗ đậu.

Khi chiếc xe tìm được chỗ đậu thì xuất hiện mũi tên nhỏ bên cạnh chữ P như hình, lúc này ta cần dừng xe lại. Bước 2: Bật tính năng Active Parking Assist Khi dừng xe, ta bật xi nhan phía bên muốn đậu và đẩy cần số về lùi “R”. Lúc này trên giữa bảng đồng hồ hiện lên dòng thông báo: “ Start Park Assist?” để hỏi có bật chức năng đỗ xe song song tự động không.7 Thông báo tìm thấy vị trí đậu xe Nhấn OK trên vô lăng để thực hiện việc đậu xe. Bước 3: Hoàn thành việc đậu xe Tính năng Active Parking Assist bật lên kèm dòng thông báo "Park Assist Active.

Accelerate and brake. Lúc này, xe sẽ tự động đánh lái và điều phối chân ga cho chúng ta.