NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG KIỂM SOÁT KHOẢNG CÁCH AN TOÀN CHO ÔTÔ TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
12
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG KIỂM SOÁT
KHOẢNG CÁCH AN TOÀN CHO ÔTÔ TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC
RESEARCHING ABOUT A CONTROL SYSTEM OF SAFETY DISTANCE
FOR CAR ON THE HIGHWAY.

SVTH: Trần Quốc Đạt
1
, Đặng Quang Đông
2
Lớp
1
06C4A,
2
06C4B, Trường Đại học Bách khoa
GVHD: TS. Lê Văn Tụy; ThS. Phạm Quốc Thái
Khoa Cơ Khí Giao Thông, Trường Đại học Bách khoa

TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu hệ thống tự động kiểm soát tốc độ để giữ khoảng cách an toàn và tốc
độ tương đối của xe với phía trước để giảm tránh tai nạn xảy ra khi xe hoạt động trên đường cao
tốc. Hệ thống này sẽ tác động vào cơ cấu chấp hành: hệ thống phanh và bướm ga điều khiển điện
tử. Do đó, luôn tạo ra một phạm vi an toàn quanh xe khi chaỵ trên đường cao tốc.
ABSTRACT.
The report searches on adaptive cruise control system that automatically controls speed to
adjust the safety distance of the car from a vehicle in front and relative speed to preceding vehicles
on the highway by employing suitable actuator systems (Electronic throttle and braking systems) to
avoid the collision. This creates “the virtual safety belt ” around the car when running on the
highway.
1. Mở đầu

1.1.Đặt vấn đề
Đường cao tốc là công trình phản ánh trình độ phát triển giao thông cũng như sức
mạnh kinh tế của một đất nước hoặc một khu vực nào đó. Các phương tiện lưu thông trên
đường cao tốc với tốc độ rất cao nên yêu cầu cấp thiết là phải đảm bảo an toàn khi lưu
thông trên đường. Đây là cơ sở để chúng em nghiên cứu và thiết kế:” hệ thống kiểm soát
khoảng cách an toàn cho ôtô trên đường cao tốc”.
1.2.Nội dung đề tài
Để đạt được kết quả cuối cùng là nghiên cứu và thiết kế::” hệ thống kiểm soát
khoảng cách an toàn cho ôtô trên đường cao tốc” thì phải đảm bảo được các kết quả sau.
-Xây dựng được đặc tính khoảng cách an toàn theo tốc độ chuyển động của ôtô.
-Xây dựng phương pháp đo khoảng cách giữa hai xe chuyển động trên đường cao tốc.
-Xây dựng được hệ thống điều khiển mềm để tự động điều chỉnh lượng cung cấp
nhiên liệu nhằm điều chỉnh tốc độ ôtô để duy trì khoảng cách an toàn.
2. Nội dung
2.1. Xây dựng đường đặc tính khoảng cách an toàn:
Khoảng cách an toàn theo tốc độ chuyển động của ôtô trên đường cao tốc được xác
định theo khoảng cách phanh an toàn, tức xây dựng đặc tính S
min
= f(V
1
).
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
13
Pps PptPf1Pf2
Z2 Z1
Ga
Pj
P

V 1P


h

hg
b
a
L0

Hình 2.1: Sơ đồ các lực tác dụng lên ôtô khi phanh trên đường ngang.
Chú thích: Các thông số hình học của xe: a, b là khoảng cách từ trọng tâm của xe
đến trục bánh xe trước và sau; L là chiều dài cơ sở của xe; h
g
là chiều cao trọng tâm xe
theo chiều cao. Các lực tác dụng lên ôtô: G
a
là trọng lượng toàn bộ của ôtô; Z
1
: hợp lực các
phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên bánh xe trước; Z
2
:

hợp lực các phản lực thẳng
góc từ đường tác dụng lên bánh xe sau; P

:

lực cản không khí; P
f1
Lực cản lăn ở bánh xe

trước; P
f2
: lực cản lăn ở bánh xe sau; P
pt
, P
ps
tương ứng là lực phanh ở các bánh xe trước và
sau; P
j
:lực quán tính sinh ra do khi phanh ôtô có gia tốc chậm dần; P

lực tiêu hao do ma
sát cơ khí hệ thống truyền lực qui dẫn
về bánh xe.
Theo [1] ta có biểu thức xác
định quảng đường phanh tối thiểu:
S
g
Vk
..2
.
2
1
min



Trong đó: V
1
là tốc độ bắt đầu phanh;

 là hệ số bám giữa lốp với mặt
đường khi phanh; g gia tốc trọng
trường; k hệ số tăng thêm quảng
đường do tính chậm tác dụng của hệ
thống phanh.
Số liệu tính toán quảng đường
phanh theo tốc độ xe được minh họa trên
hình 2.2.
Xây dựng đường đặc tính: Độ
chênh lệch về vận tốc ôtô với góc xoay
motor bước, tức xây dựng đường (


=
0,6*
V
)
Đây là cơ sở để điều khiển mềm
động cơ bước cần thiết phải xoay một góc
bằng bao nhiêu để đảm bảo khoảng cách an
toàn.
Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ S
min
= f(V
1
,

).
Đường đặc tính về độ chênh lệch tốc độ
ôtô với góc xoay motor bước

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 2 4 6 8 10 12 1416 18
(Vtrước - Vsau)
(Góc xoay trước - Góc xoay sau)
Hình 2.3: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ


= 0,6*
V

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
14
 Đầu tiên ta giả định là có sự tuyến tính về hàm V = f(

).
 Xây dựng bảng đặc tính tốc độ của ôtô cho trước.
 Từ bảng ta có:






5,4
5,7

V




= 0,6*
V

 Lưu ý rằng để tránh hiện tượng bướm ga quay liên tục theo sự điều khiển thì ta cho
phép rằng
min
Sd 
= 5[m] thì bướm ga có góc xoay cần thiết bằng 0; lúc đó ta cần
phải cộng thêm một lượng 10[m] vào S
min
; tức S
ttmin
= S
min
+5.
Xây dựng phương pháp đo khoảng cách giữa hai xe:
Sau khi tìm
hiểu về những loại
cảm biến siêu âm
em chọn loại:

SRF05 để đo
khoảng cách giữa
hai ôtô. Sóng siêu
âm được truyền đi
trong không khí với
vận tốc khoảng V =
343[m/s]. Khi cảm
biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ, đồng thời đo được khoảng thời gian
từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì hệ thống có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di
chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ
cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm. Hay khoảng cách từ cảm
biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF (Time Of Light) như sau:
d =
2
*
t
V
.
Trong đó: d là khoảng cách hai ôtô; V là vận tốc truyền tín hiệu; t là thời gian bắt
đầu truyền tín hiệu đến khi thu về (cảm
biến tự động tính được).
Để SRF05 hoạt động thì cần
cấp 1 xung mức cao có độ rộng tối
thiểu 10us trên chân Tri.
Sau khi nhận được xung từ chân
Tri thì SRF05 sẽ tạo ra 8 xung để phát
siêu âm, sau khi hoàn thành việc phát 8
xung này thì SRF05 sẽ kéo chân
ECHO lên mức 1, độ rộng của mức 1
trên chân ECHO tương ứng với khoảng cách của vật cản với SRF05, nếu không có vật cản

thì nó sẽ được trả về mức 0 sau 30ms.

Cam bien
Thoi gian t/2
Tin hieu di
Tin hieu ve
Hình 2.5: Nguyên lý TOF(Time Of Flight)
Hình 2.4: Mô hình chuyển động của ôtô trên đường cao tốc
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
15
2.2. Xây dựng hệ thống điều khiển mềm để tự động điều chỉnh lượng cung cấp nhiên
liệu

Hình 2.6. Mô hình nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp tính toán lý thuyết
a. Tín hiệu nhận về để xử lý

Giả sử hai xe đang chuyển động với vận tốc V
A
, V
B
. Khoảng cách giữa 2 xe là
L(m). -Tại thời điểm t
1
: tín hiệu về S
1
, V
1
. Tại thời điểm t
2

: tín hiệu về S
2
, V
2
. Với S
1
, S
2
là
khoảng cách giữa 2 xe đo ở 2 thời điểm khác nhau và V
1
,V
2
là vận tốc của xe ta đang chạy
ứng với 2 thời điểm đo liên tiếp nhau. Và t
1
, t
2
: là thời điểm đo liên tiếp giữa 2 lần nhận tín
hiệu.
b. Xử lý số liệu
* Tính vận tốc tương đối giữa 2 ôtô:
Vận tốc tương đối giữa 2 xe:
12
1212
tt
SS
t
SS
V







(m/s)
t: là biến thiên thời gian giữa 2 lần nhận tín hiệu liên tiếp, phụ thuộc vào thời gian
đưa tín hiệu về của cảm biến khoảng cách.
* Xét điều kiện:
S
min
(m): là khoảng cách nhỏ nhất ứng với vận tốc chuyển động của ôtô V (m/s) mà
lúc đó cần phải điều khiển phanh để đảm bảo điều kiện chuyển động an toàn của ôtô.
(S
min
được xác định tại phần khảo sát quãng đường phanh).
+ Nếu V < 0 (tức là S
2
< S
1
) thì ta xét:
+Nếu S
2
< S
min
thì cần điều khiển bướm ga để giảm vận tốc của ôtô.
+Nếu S
2
> S

min
không cần phải điều khiển bướm ga.
+ Nếu V > 0 (tức là S
2
> S
1
) thì không cần điều khiển bướm ga.

Vi Điều Khiển
Môtơ bước điều khiển bướm ga

Cảm biến khoảng cách
Cảm biến tốc độ ôtô
Mở rộng(ĐK phanh)
Hình 2.7: Sơ đồ bố trí hai xe đang chạy trên đường.
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
16
2.2.2. Thuật toán của chương trình điều khiển

3. Kết luận
Nhờ gắn thiết bị cảm biến đo khoảng cách cùng các cảm biến đo tốc độ có sẵn trên
xe, thông qua chương trình tính toán và điều khiển cài đặt trước, cho phép ta có thể kiểm
soát một cách an toàn xe khi chạy trên đường cao tốc tránh có thể đâm vào nhau khi xe
trước có sự cố bất ngờ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng
(2003), Lý thuyết ôtô và máy kéo, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[2] J. MAREK, HANS PETER TRAH (2003), Sensor for Automotive Technology, Wiley

– VCH GmbH and Co. KgaA, UK.
[3] NGUYỄN THỊ THÚY, NGUYỄN QUANG THẮNG, ĐINH SƠN THẠCH,Báo cáo
đề tài: Đo khoảng cách và xác định vị trí vật thể và bằng sóng siêu âm, ĐH Bách
Khoa, ĐH QG TPHCM.
BEGIN
Nhận tín hiệu
V
1
, S
1
0V

S
2
< S
min
Tính:
g
Vk
S
..2
.
2
2
min



Tín hiệu đk bướm ga
Gán : V

1
 V
2

S
1
 S
2

Tính:
V .6,0


(Độ mở bướm ga điều khiển)
Tính:
t
SS
V



12

Nhận tín hiệu
V
2
, S
2
END