Đồ án: Thiết kế thi công mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh AFS cho ô tô

Khám phá đồ án thiết kế, thi công mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh AFS. Tài liệu gồm sơ đồ mạch, tính toán và quy trình thực hiện chi tiết.

• Tác giả: Lê Văn Lộc
• Người hướng dẫn: Thạc Sĩ Huỳnh Quang Thảo
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Mô Hình Hệ Thống Chiếu Sáng Thông Minh Adaptive Front-Light System
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Chiếu sáng Thông minh AFS

Hệ thống chiếu sáng thông minh Adaptive Front-Light System (AFS) là công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực automotive, được thiết kế để nâng cao an toàn và hiệu quả chiếu sáng cho phương tiện. Mô hình chiếu sáng thông minh này tự động điều chỉnh góc chiếu sáng theo điều kiện đường xá, tốc độ xe và góc cua, giúp tài xế có tầm nhìn rõ hơn trong các tình huống khác nhau. Công nghệ AFS đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc trên nhiều mẫu xe cao cấp hiện đại. Việc thiết kế và thi công mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh không chỉ giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động mà còn ứng dụng trong nghiên cứu và phát triển công nghệ ô tô. Đây là một chủ đề quan trọng trong ngành công nghệ kỹ thuật ô tô, đòi hỏi sự kết hợp giữa cơ học, điện tử và điều khiển tự động.

1.1. Khái niệm về Chiếu sáng Thông minh

Chiếu sáng thông minh là hệ thống tự động điều chỉnh vùng sáng của đèn pha dựa trên các tín hiệu đầu vào từ cảm biến. Hệ thống này bao gồm đèn chiếu sáng góc cua tĩnh và đèn chiếu sáng góc cua động. Đèn chiếu sáng góc cua tĩnh sẽ bật lên khi xe ôm cua với tốc độ thấp, giúp chiếu sáng góc cua. Còn đèn chiếu sáng góc cua động sẽ tự động điều chỉnh góc chiếu sáng khi xe thay đổi hướng, đảm bảo tầm nhìn tối ưu.

1.2. Tầm quan trọng của AFS trong An toàn Giao thông

Hệ thống AFS giảm đáng kể tai nạn giao thông do tầm nhìn kém vào ban đêm. Bằng cách tự động điều chỉnh góc chiếu sáng, hệ thống này cung cấp tầm nhìn rõ ràng hơn trên các đoạn đường cong. Nghiên cứu cho thấy, chiếu sáng thông minh có thể giảm tai nạn từ 10-20% trong điều kiện tối. Điều này làm cho thiết kế mô hình chiếu sáng AFS trở thành một phần quan trọng trong phát triển công nghệ ô tô an toàn.

II. Thiết kế Mô hình Hệ thống Chiếu sáng Thông minh AFS

Quá trình thiết kế mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh đòi hỏi hiểu rõ về các thành phần chính và cách chúng tương tác với nhau. Mô hình AFS bao gồm các phần chính như khung mô hình, hệ thống đèn đầu, hệ thống đèn hậu, cụm vô lăng, và bộ điều khiển. Mỗi thành phần được thiết kế chính xác để mô phỏng hành vi của hệ thống chiếu sáng thực tế trên ô tô. Việc tính toán góc điều chỉnh vùng sáng dựa trên bán kính cong đường và góc cua là khía cạnh kỹ thuật quan trọng. Khi xe chạy trên cung đường có bán kính cong R, góc chiếu sáng sẽ được điều chỉnh tương ứng để đảm bảo vùng sáng luôn hướng đúng phía xe sắp tới. Điều này yêu cầu thiết kế mạch điện phức tạp với bộ điều khiển thông minh.

2.1. Các Thành phần Chính của Mô hình

Khung mô hình được xây dựng để mô phỏng thân xe, cung cấp nền tảng cơ học. Hệ thống đèn đầu bao gồm đèn chiếu xa, chiếu gần, và đèn góc cua. Hệ thống đèn hậu gồm đèn tail, đèn xi nhan, và đèn phanh. Cụm vô lăng kết nối với cảm biến góc cua để cung cấp tín hiệu điều khiển. Bộ điều khiển xử lý tín hiệu và điều khiển động cơ servo để điều chỉnh góc đèn.

2.2. Nguyên lý Hoạt động của Hệ thống

Hệ thống AFS hoạt động theo quy trình: cảm biến góc cua gửi tín hiệu đến bộ điều khiển, bộ điều khiển xử lý dữ liệu và tính toán góc điều chỉnh cần thiết, sau đó gửi lệnh đến động cơ servo để điều chỉnh vị trí đèn. Cơ cấu chấp hành (servo motor) thực hiện việc di chuyển đèn theo góc tính toán. Quá trình này lặp lại liên tục, đảm bảo chiếu sáng thông minh luôn tối ưu.

III. Quá trình Thi công và Lắp ráp Mô hình

Thi công mô hình chiếu sáng thông minh AFS là giai đoạn quan trọng để chuyển đổi thiết kế lý thuyết thành sản phẩm thực tế. Quá trình này bao gồm chuẩn bị vật tư, lắp ráp cơ khí, và kết nối hệ thống điện. Việc thiết kế sơ đồ mạch điện phức tạp yêu cầu sử dụng các linh kiện như relay, IC tích hợp, và cảm biến. Mạch điều khiển đèn chiếu sáng góc cua tĩnh khác với mạch điều khiển góc cua động ở chỗ mạch động có bộ điều khiển xử lý tín hiệu phức tạp hơn. Lắp ráp phần điện đòi hỏi kỹ năng焊接, lắp ráp relay, và kết nối các cảm biến. Sau khi hoàn thành lắp ráp, cần tiến hành chạy thử nghiệm mô hình để kiểm tra từng chức năng hoạt động.

3.1. Chuẩn bị Vật tư và Trang thiết bị

Vật tư cần chuẩn bị bao gồm đèn LED, relay, IC tích hợp (555 Timer, comparator), cảm biến góc cua, động cơ servo, dây điện, cầu chì, công tắc, và các linh kiện điện tử khác. Trang thiết bị gồm máy hàn, máy test điện, dao điện, kìm, screwdriver, và bảng test mạch Proteus. Việc lựa chọn các thành phần chất lượng cao đảm bảo mô hình chiếu sáng hoạt động ổn định.

3.2. Các Bước Lắp ráp và Kết nối

Bước 1: Lắp ráp khung mô hình và cố định các đèn đầu, đèn hậu. Bước 2: Kết nối cảm biến góc cua với bộ điều khiển. Bước 3: Lắp ráp hệ thống điện theo sơ đồ mạch được thiết kế. Bước 4: Kết nối động cơ servo và cơ cấu chấp hành để điều chỉnh góc đèn. Bước 5: Kiểm tra kết nối và thử nghiệm các tín hiệu.

IV. Thử nghiệm Đánh giá và Hướng phát triển

Chạy thử nghiệm mô hình là bước cuối cùng để xác định mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh hoạt động đúng theo thiết kế. Các chức năng cần thử nghiệm bao gồm đèn tail, đèn chiếu gần, đèn chiếu xa, đèn hazard, đèn chiếu sáng góc cua tĩnh, và đèn chiếu sáng góc cua động. Mỗi chức năng được kiểm tra riêng biệt để đảm bảo hoạt động chính xác. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu thiết kế. Tuy nhiên, mô hình AFS vẫn có thể được cải tiến bằng cách sử dụng cảm biến tiên tiến hơn, bộ điều khiển với thuật toán tối ưu hơn, hoặc tích hợp công nghệ AI. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm tối ưu hóa năng lượng, giảm độ trễ phản ứng, và tích hợp với các hệ thống khác như ABS, ESP.

4.1. Kết quả Thử nghiệm Chức năng

Thử nghiệm đèn tail kiểm tra sáng độ và ổn định. Thử nghiệm đèn chiếu gần và xa đánh giá hiệu quả chiếu sáng trong các chế độ khác nhau. Thử nghiệm đèn hazard xác minh hoạt động cảnh báo. Thử nghiệm góc cua tĩnh kiểm tra tự động bật sáng khi ôm cua. Thử nghiệm góc cua động xác nhận điều chỉnh góc chiếu sáng chính xác theo góc cua. Tất cả các thử nghiệm đều cho kết quả tích cực.

4.2. Hướng Phát triển và Ứng dụng Tương lai

Chiếu sáng thông minh AFS có tiềm năng phát triển sang công nghệ đèn LED matrix với khả năng điều khiển từng pixel đèn. Tích hợp cảm biến camera để nhận diện đèn xe phía trước và tránh chiếu sáng vào mắt lái xe khác. Sử dụng thuật toán machine learning để dự đoán và điều chỉnh chiếu sáng trước khi xe vào cua. Ứng dụng trong xe tự lái và các hệ thống an toàn cao cấp khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu về đề tài Chương 2: Tổng quan về giải pháp Chương 3: Phương pháp giải quyết đề tài Chương 4: Quy trình tính toán, thiết kế Chương 5: Thi công sản phẩm và chạy thử nghiệm mô hình Chương 6: Đánh giá kết quả, kết luận 1.6 Kết quả đạt được của đề tài: Sau khi thực hiện tính toán thiết kế và thi công thực nghiệm mô hình chúng em đạt được những kết quả sau: - Phân tích cụ thể hơn về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống chiếu sáng tín hiệu. - Thiết kế thi công mô hình chiếu sáng – tín hiệu cơ bản. - Thiết kế, thi công mô hình hệ thống chiếu sáng góc cua chủ động. 3 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP 2.1 Hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh: Giới thiệu hệ thống: Hình 2.1: Hiệu quả chiếu sáng đối với hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh [2,3 Hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh, thực chất của nó là bố trí nguồn sáng phụ bên cạnh đèn chiếu gần thông thường, nguồn sáng phụ này có nhiệm vụ chiếu sáng góc cua khi xe vào cua mà vùng sáng của đèn chiếu gần không chiếu tới, như trên hình vẽ bên trên, vùng sáng phụ của đèn chiếu sáng góc cua được bố trí bên cạnh đèn chiếu gần [2].

Việc bật tắt đèn chiếu sáng góc cua được dựa vào 3 yếu tố [2] để đảm bảo rằng, đèn này chỉ được kích hoạt khi vào cua gấp hoặc rẽ phải, rẽ trái. Bao gồm 3 yếu tố sau: - Góc đánh tay lái. - Tình trạng của đèn tín hiệu (bật hoặc tắt). - Tốc độ xe chạy.

Giới thiệu các chế độ hoạt động của đèn chiếu sáng góc cua tĩnh.2: Đèn chiếu sáng góc cua tắt/bật khi đi thẳng [2] Hình 2.3: Đèn chiếu sáng góc cua tự động bật lên khi ôm cua với tốc độ dưới 40 Km/h và cả hai đèn chiếu sáng góc cua sẽ bật lên khi gặp sương mù hay lùi xe So với hệ thống chiếu sáng góc cua động thì hệ thống chiếu sáng góc cua tĩnh có ưu điểm hơn ở chỗ vùng chiếu sáng của hệ thống chiếu sáng góc cua tĩnh có góc chiếu rộng hơn. Một ưu điểm khác làm cho hệ thống chiếu sáng góc cua tĩnh trở nên thông dụng hơn là giá thành thấp hơn và nó có thể lắp thêm cho những xe đời cũ hoặc những xe không trang bị hệ thống chiếu sáng góc cua một cách dễ dàng, chỉ cần thay thế đèn sương mù trên xe bằng hai đèn chiếu sáng góc cua và lắp đặt bộ điều khiển cùng các cảm biến, giắc cắm, … Nhưng nhược điểm của hệ thống này là chiếu sáng không linh hoạt bằng hệ thống chiếu sáng góc cua động. Hiện trên thị trường có nhiều loại xe cao cấp được trang bị bộ đèn chiếu sáng góc cua tĩnh, tiêu biểu là các hãng xe của 5 Đức như BMW, MERCEDES, … dưới đây là chiếc BMW thuộc 3 serie E 46 được trang bị đèn chiếu sáng góc cua tĩnh của Hella [3].4: Đèn chiếu sáng góc cua tĩnh bố trí trên xe và các chế độ hoạt động [2] Trên thị trường Việt Nam, sản phẩm đèn chiếu sáng góc cua tĩnh Hella Dyna View EVO 2 của nhà sản xuất Hella đang được phân phối rộng rãi với giá bán lẻ là 760 đô. Đây là bộ đèn chiếu sáng góc cua tĩnh được lắp thêm cho những xe không trang bị hệ thống đèn chiếu sáng góc cua [2,3].5: Hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh của Hella – Hella Dyna view EVO2 [2] Hệ thống DynaView Evo2 bao gồm hai bộ đèn chiếu sáng, bộ điều khiển trung tâm IntelliBeam, các cảm biến, hệ thống dây nối, phụ kiện lắp đặt.

Với sự phát triển của 6 công nghệ bán dẫn, các nhà sản xuất cũng đang có xu hướng sử dụng đèn led siêu sáng như hình thức sử dụng đèn chiếu phụ bổ sung luồng sáng khi xe vào cua [2,3].6: Công nghệ đèn LED thông minh trên chiếc Volkswagen Golf V [3] Nguyên lý điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh: Hình 2.7: Hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh của hãng Hella [3] Cấu tạo chung của một hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh bao gồm: - 2 đèn chiếu sáng góc cua được bố trí cạnh đèn chiếu gần. - Bộ điều khiển trung tâm. - Góc đánh lái của vô lăng 7 Hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh được điều khiển bởi bộ điều khiển trung tâm, bộ điều khiển trung tâm này lấy tín hiệu từ các cảm biến góc bẻ lái và tín hiệu đèn xi nhan, tự động nhận dạng các điều kiện vận hành của xe và sẽ bật đèn chiếu sáng góc cua để bổ sung cho đèn chiếu gần. Cụ thể hơn, bộ điều khiển trung tâm sẽ ngay lập tức kích hoạt đèn chiếu sáng góc cua khi bật công tắc đèn xi nhan (công tắc xi nhan bên trái bật thì đèn kích hoạt đèn chiếu sáng góc cua bên trái và tương tự khi bật công tắc xi nhan bên phải) hoặc khi xe chạy dưới 40km/h, bộ điều khiển trung tâm sẽ kích hoạt các đèn chiếu sáng góc cua khi vào cua với góc cua gấp (cua xe bên nào thì đèn chiếu sáng góc cua bên đó được kích hoạt).

Bộ điều khiển trung tâm sẽ liên tục nhận các tín hiệu của đèn xi nhan về và xử lý để điều khiển đáp ứng về điều kiện chiếu sáng, vùng chiếu sáng của xe sẽ luôn chủ động theo góc cua của điều kiện đường sá [2,3]. Trong điều kiện thời tiết xấu, đèn chiếu sáng góc cua cả hai bên có thể được bật lên để trở thành đèn sương mù, tạo ra tầm quan sát tối ưu. Thêm vào đó, khi cài số lùi thì đèn cả hai bên sẽ được bật lên để chiếu sáng dọc theo thân xe [2,3].2 Hệ thống đèn chiếu sáng góc cua động: Giới thiệu hệ thống: Khác với hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh, với hệ thống đèn chiếu sáng góc cua động, để thay đổi vùng chiếu sáng người ta chỉ cần sử dụng một nguồn sáng (không sử dụng thêm đèn chiếu phụ như hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh) [4], nói rõ hơn là thay vì khi vào cua thì bật thêm đèn chiếu phụ bổ sung ánh sáng theo góc cua thì người ta sử dụng chính nguồn sáng của bóng đèn chiếu gần để làm điều này. Đèn chiếu gần thay đổi vùng chiếu sáng theo góc cua, như hình mình họa dưới đây: 8 Hình 2.8: Sự khác biệt của xe có trang bị đèn chiếu sáng góc cua động, khi đi trên cung đường cong [2] Với hệ thống đèn chiếu sáng góc cua động sự thay đổi vùng chiếu sáng có mức độ chiếu sáng góc cua uyển chuyển hơn hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh và có thể kích hoạt ở những cung đường hơi cong, cũng như chuyển làn, làm cho việc sử dụng đèn chiếu sáng góc cua hoàn hảo hơn một cách rõ rệt.

Sở dĩ sử dụng nguồn sáng của bóng đèn chiếu gần để thay đổi vùng chiếu theo góc cua là vì với cung đường cong thường người ta chỉ sử dụng đèn chiếu gần và ngược lại nếu sử dụng đèn chiếu xa mà sự thay đổi vùng chiếu sáng không kịp thời có thể làm ảnh hưởng đến tầm quan sát của người đi ngược chiều [3].9: Vùng chiếu sáng đèn chiếu gần thay đổi khi xe chạy trên cung đường cong [2] Hệ thống đèn chiếu sáng góc cua động chỉ có thể thay đổi góc của vùng chiếu sáng 15° qua mỗi bên, chính vì vậy hiệu quả lớn nhất của hệ thống này là khi xe chạy trên những cung đường cong (với góc thay đổi 15° qua mỗi bên là đã đáp ứng được cho các cung đường có độ cong lớn), còn khi xe rẽ trái hoặc rẽ phải thì vùng chiếu sáng của hệ thống đèn chiếu sáng góc cua động chưa đáp ứng được. Hiện nay người ta phối hợp cả hệ thống đèn chiếu sáng góc cua động và chiếu sáng góc cua tĩnh trên xe, hệ thống chiếu sáng góc cua động được kích hoạt trên những cung đường cong, còn hệ thống đèn chiếu sáng góc cua tĩnh chỉ được kích hoạt khi xe rẽ trái hoặc phải, hoặc trên những cung đường có bán kính cong nhỏ. Vấn đề này được nói rõ hơn ở mục sau.10: Góc điều chỉnh của đèn chiếu sáng góc cua động đủ cho các cung đường có độ cong gắt [2] 10 Hệ thống đèn chiếu sáng góc cua động còn chưa được phổ biến lắm trên trị trường, hiện tại nó được lắp trên các xe đời mới hạng sang, vì giá thành còn khá cao. Ở Việt Nam, hệ thống đèn chiếu sáng góc cua động chỉ được thấy trên các xe nhập khẩu nguyên chiếc hạng sang, các dòng xe lắp ráp tại Việt Nam đều chưa được trang bị hệ thống này.

Lý do một phần là ở Việt Nam vấn đề an toàn cho người sử dụng chưa được quan tâm đúng mức mà đặt trên hết là giảm giá thành để tiếp cận người tiêu dùng cũng như mục đích lợi nhuận của các hãng nên các hệ thống an toàn tiêu chuẩn cho người lái xe ở các nước phát triển như Air Bag, ABS thì được thấy hầu hết trên các dòng xe du du lịch hoặc xe tải, còn hệ thống AFS hiện nay chỉ xuất hiện trên một vài dòng xe [2,3]. Nguyên lý điều khiển đèn chiếu sáng góc cua động: Nhìn chung cấu tạo cơ cấu chấp hành của hệ thống đèn chiếu sáng góc cua động phức tạp và đa dạng, người ta đưa ra nhiều giải pháp để có thể thay đổi góc chiếu sáng của bóng đèn chiếu gần, nhưng tiêu biểu hiện nay là loại dựa trên hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Dưới đây trình bày cấu tạo về loại hệ thống chiếu sáng góc cua động tiêu biểu đó. Hệ thống đèn chiếu sáng góc cua động loại này gồm phần dẫn động của cơ cấu đảo tròng hoạt động nhờ một động cơ servo, động cơ servo này điều khiển vùng chiếu sáng của đèn chiếu gần dao động 15° chuyển góc sang mỗi bên, tùy theo góc thay đổi vô lăng [2,3].11: Cấu tạo hệ thống đèn chiếu sáng góc cua động [3] 11 Bản chất là một cụm Xenon được bố trí thêm các cơ cấu dẫn động gồm một động cơ servo và các cơ phận khác để dịch chuyển hướng của ống chiếu sáng, dẫn đến thay đổi góc chiếu sáng.

Với mục đích phổ thông hóa hệ thống đèn chiếu sáng góc cua động, người ta thiết kế nhiều loại cơ cấu đèn chiếu sáng góc cua động đơn giản có tính lắp dẫn cao [2,3].