Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống xác định khoảng cách giữa ô tô với chướng ngại vật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH GIỮA Ô TÔ
VỚI CHƯỚNG NGẠI VẬT

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

TP. BIÊN HỊA, tháng 6 năm 2010

Đinh Hải Lâm
Đồn Dương Quý


MỞ ĐẦU
Hệ thống xác định chướng ngại vật là một hệ thống nhằm cải thiện thêm tính an tồn
trên xe hơi, bên cạnh hệ thống túi khí (air bag), hệ thống thắng ABS v..v… thì hệ
thống xác định khoảng cách từ ô tô đến chướng ngại vật được lắp trên một số loại ơ tơ
đắt tiền. Vì chi phí chế tạo hệ thống khá đắt nên ở Việt Nam hiện nay, hệ thống xác
định chướng ngại vật (Pre- Crash Safety System) chỉ được trang bị cho xe Lesus
LS460, một dòng xe siêu sang của TOYOTA. Hệ thống này có ưu điểm khá lớn khi
điều khiển xe ở tốc độ cao, khi qua đường hoặc khi lùi xe. Với những ưu điểm vượt trội
như vậy vấn đề đặt ra làm sao có thể thiết kế hệ thống này với một giá cả hợp lí và chất
lượng khơng thua kém hệ thống trang bị trên các xe ô tô đắt tiền. Đây là vấn đề cần
quan tâm để có thể trang bị hệ thống này cho nhiều dịng xe khác, khơng chỉ trên các xe
đắt tiền.
MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
A. MỤC TIÊU
• Xác định loại tìm loại cảm biến đo khoảng cách phù hợp. Loại cảm biến này có khả
năng phát hiện ra chướng ngại vật trong một khoảng cách mà lái xe có thể xử lí an

tồn.
• Thiết kế, chế tạo hệ thống xác định chướng ngại vật trên xe sao cho phù hợp.
• Bố trí, chế tạo hệ thống có thể hiển thị khoảng cách lên màn hình và điều khiển
được cảm biến chính xác.
B. Đề tài Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống xác định khoảng cách từ ơ tơ
đến chướng ngại vật" có nội dung chủ yếu:
- Tổng quan về các hệ thống phát hiện chướng ngại vật.
- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính tốn khoảng cách cho cảm biến khi tín
hiệu đưa về.
- Dùng phần mềm để lập trình và điều khiển cho hệ thống hiển thị khoảng cách và điều
khiển cảm biến.
- Thiết kế và thi công mô hình.

Đinh Hải Lâm
Đồn Dương Q


PHẠM VI NGHIÊN CỨU
™ Nghiên cứu về phương pháp thu và phát của cảm biến siêu âm.
™ Nghiên cứu phương pháp tính tốn hệ thống khi xe di chuyển trên đường đến
chướng ngại vật.
™ Nghiên cứu tính tốn các thơng số từ xe đến chướng ngại vật.
™ Lập trình cho hệ thống cảnh báo
™ Đưa ra mơ hình tốn học và mô phỏng khi xe gặp chướng ngại vật và cách u cầu
khác.
™ Áp dụng tính tốn thiết kế mơ hình.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
2. Nghiên cứu các hệ thống xác định chướng ngại vật của các hãng xe trên thế giới.
3. Phương pháp thiết kế mạch cho hệ thống

4. Phương pháp thực nghiệm và tính tốn các kết quả đo.
5. Sử dụng đồ thị để đánh giá kết quả của mơ hình
6. Đánh giá tổng qt tồn bộ bản báo cáo nghiên cứu khoa học. Đề nghị hướng phát
triển của đề tài.
ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI
- Tính tốn các thông số trong cảm biến tránh va chạm.
- Đưa ra cách tính tốn và xây dựng mơ hình về hệ thống cảnh báo va chạm.
- Thiết kế, chế tạo hệ thống xác định khoảng cách từ ô tô đến chướng ngại vật.
- Điều khiển được cảm biến có khả năng phát hiện chướng ngại vật xa hơn.
GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Từ nhu cầu và sự an toàn của người lái khi được trang bị hệ thống có thể phát ra tín
hiệu khi có vật cản trên đường, giúp cho lái xe có thể an tâm khi di chuyển trong đơ thị,
cũng như trong q trình đỗ xe được an tồn góp phần khơng nhỏ trong q trình di
chuyển và giảm tai nạn giao thơng.

Đinh Hải Lâm
Đồn Dương Q


PHẦN 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ, CHẾ
TẠO HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH TỪ Ô TÔ ĐẾN CHƯỚNG
NGẠI VẬT

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH CHƯỚNG NGẠI VẬT
TRÊN Ơ TƠ
Những cơng nghệ phòng tránh va chạm mới đang dần xuất hiện nhiều hơn trên ô tô,
bắt đầu từ những mẫu xe sang. Một số hệ thống an tồn phát ra tín hiệu cảnh báo bằng
âm thanh hoặc hình ảnh để nhắc tài xế có hành động xử lý, trong khi một số khác sẵn
sàng can thiệp vào phanh hoặc hệ thống lái để chỉnh lại xe đi đúng hướng. Hệ thống
xác định chướng ngại vật trên ô tô là một trong những hệ thống được sử dụng khá

nhiều hiện nay. Theo báo cáo của Viện bảo hiểm an toàn đường bộ Mỹ (IIHS) thì hệ
thống xác định chướng ngại vật này rất hữu ích vì hằng năm có đến 40% tai nạn liên
quan đến việc lái xe thiếu tập trung.
1.1.

Khảo sát một số hệ thống cảnh báo an toàn trên xe

1.1.1. Hệ thống cảnh báo va chạm trước:
Hệ thống này sử dụng radar để phát hiện trường hợp người lái sắp đâm vào thứ gì đó
phía trước. Hầu hết các hệ thống đều phát cảnh báo bằng âm thanh bằng âm thành hoặc
đèn chớp, hình ảnh. Một số thậm chí có thể tự động rà phanh để giảm tốc độ của xe.
1.1.2. Hỗ trợ phanh khẩn cấp:
Hệ thống này dành cho các trường hợp tài xế nhìn thấy nguy cơ va chạm phía trước
và nhấn phanh nhưng có thể khơng phanh kịp. Nghiên cứu của các nhà sản xuất chỉ ra
rằng nhiều tài xế không đạp được lực phanh tối đa trong trường hợp khẩn cấp, do ảnh
hưởng tâm lý, nên vẫn để xảy ra va chạm dù đã biết trước và hồn tồn có thể tránh. Hệ
thống hỗ trợ phanh khẩn cấp có khả năng phát hiện các trường hợp tài xế mất bình tĩnh,
như dấu hiệu nhấc chân ga đột ngột. Khi đó, hệ thống sẽ lập tức tự động rà phanh trước
và giúp người lái đạt lực phanh tối đa.
1.1.3. Hệ thống báo chệch làn đường:
Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 1


Hệ thống này sử dụng các camera gắn trên xe để phát hiện thời điểm lốp xe bắt đầu
chệch khỏi làn đường đang chạy. Máy tính sẽ kiểm tra hệ thống lái và tốc độ xe để xác
định xem việc chạy chệch làn đường là cố ý hay vơ tình. Nếu máy tính kết luận rằng đó
là vơ tình, hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo bằng cách làm rung nhẹ vơ-lăng, có thể

kèm theo cảnh báo bằng âm thanh.
1.1.4. Hệ thống xóa điểm mù:
Hệ thống này cho phép người lái biết có xe ở trong điểm mù - khoảng nằm ngoài tầm
quan sát của gương chiếu hậu, và chớp đèn cảnh báo ở ngay bên gương. Với một số hệ
thống, đèn cảnh báo sẽ sáng hơn hoặc chớp nhanh hơn nếu tài xế bật xi-nhan vào đúng
thời điểm hệ thống phát hiện có xe trong điểm mù. Một số hệ thống cịn có cả chng
cảnh báo.
1.1.5. Đèn pha chiếu sang chủ động:
Phần mềm điều khiển dải chiếu sáng của cụm đèn pha được kết nối với thông tin
truyền từ vô-lăng, để khi xe chuyển hướng, dải chiếu sáng cũng chuyển hướng theo,
giúp tài xế quan sát tốt phía trước ở những góc cua vào buổi tối.
1.2.

Giới thiệu các hãng xe chế tạo hệ thống báo khoảng cách

Hầu hết các hãng xe lớn hiện nay như Toyota, Ford, Nissan, Mecredes – Benz,
Honda, Volvo… đều có các hệ thống cảnh báo va chạm riêng của mình. Hệ thống được
trang bị hết sức hiện đại, nó khơng những phát hiện được khoảng cách của đối tượng
phát hiện mà cịn có thể can thiệp vào hệ thống thắng (Collision Mitigation Brake System
(CMBS)) và hệ thống dây an toàn (Seat-beat Safety) giúp lái xe n tâm hơn phía sau

tay lái của mình. Sau đây xin giới thiệu hệ thống báo khoảng cách của một số hãng xe
trên thế giới.

1.2.1. Hệ thống xác định khoảng cách trên xe Lexus LS460 của TOYOTA
Lexus LS460 mới là mẫu xe đầu tiên trang bị hệ thống phát hiện và phản ứng khi gặp
chướng ngại vật cũng như người đi bộ. Nếu tài xế khơng quan sát tình huống và khơng

Đinh Hải Lâm
Đồn Dương Q

Trang 2


kịp phản ứng sau lúc có cịi báo động, máy tính sẽ tự tính tốn để kích hoạt phanh, hỗ
trợ lái và siết chặt dây an tồn.

Hình 1.1: Hệ thống xác định chướng ngại vật của Toyota Lexus LS460
Công nghệ phát hiện chướng ngại vật hoạt động cả ngày lẫn đêm, dựa trên các tín
hiệu thu từ radar gắn trước mũi xe và từ camera hồng ngoại ống kính kép phía trên kính
chắn gió. Để cung cấp sóng hồng ngoại, các kỹ sư gắn đèn phát ở cạnh đèn pha. Tia
hồng ngoại từ nguồn phát đập vào chướng ngại vật, phản xạ và camera chịu trách
nhiệm thu lại dưới dạng tín hiệu số. Đến lượt các tín hiệu số được gửi tới máy tính
trung tâm để xử lý. Khoảng cách hiệu dụng tối đa của hệ thống này là 25 m và hoạt
động phụ thuộc vào điều kiện thời tiết.
Ngoài hệ thống phát hiện chướng ngại vật, LS460 còn trang bị công nghệ trợ giúp lái
khẩn cấp ESA (Emergency Steering Assist), có tác dụng chọn tỷ số lái tối ưu khi chiếc
xe gặp tình huống nguy hiểm ở tốc độ cao. ESA giúp lái xe giữ ổn định hướng lái, giảm
nguy cơ va chạm. Hoạt động đồng thời với ESA, hệ thống treo sẽ tăng cường độ cứng
để xe không bị lật cịn bộ kiểm sốt động lực chọn phương pháp phanh tối ưu nhằm
tránh hiện tượng trượt.
Bên cạnh đó, để hệ thống phát hiện chướng ngại vật hoạt động hiệu quả, LS460 cịn
trang bị cơng nghệ cảnh báo lái xe DMS (Driver Monitoring System), có khả năng phát
tín hiệu nguy hiểm nếu tài xế không tập trung lái. Một camera gắn trên trục vô-lăng tự
động xác định khoảng chuyển động đầu người lái. Khi tài xế quay đầu ra khỏi khoảng
cho phép trong thời gian quá lâu, hệ thống sẽ kích hoạt thiết bị báo động. Với thiết bị

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 3


này, nếu xe “nhìn” thấy chướng ngại vật trước người lái, DMS sẽ bật đèn báo động,
nhấn còi. Sau khi báo động mà tài xế khơng có bất cứ phản ứng nào, máy tính sẽ tự
động phanh để thu hút sự chú ý của anh ta.
Trong trường hợp người lái vẫn khơng có hành động ứng phó, hệ thống tiền an tồn
Pre-crash Safety sẽ hoạt động. Pre-crash Safety tính tốn xác suất va chạm có thể xảy
ra trong tình huống cụ thể, dựa trên vận tốc xe, hướng quan sát của người lái và đặc
điểm của chướng ngại vật phía trước. Nếu các yếu tố trên nằm trong vùng nguy hiểm,
nó sẽ kích hoạt cịi báo động, báo đèn phanh đỏ trên màn hình đa dụng. Cùng lúc, bộ
hỗ trợ phanh sẽ kích hoạt ở mức áp suất phanh cao nhất, trước khi tài xế đặt chân lên
bàn đạp phanh, còn hệ thống treo bắt đầu gia tăng độ cứng. Nếu nhận thấy va chạm là
không thể tránh khỏi, Pre-safety sẽ thắt dây đai an toàn, siết chặt người ngồi vào ghế,
đồng thời tự động phanh.

Hình 1.2: Ghế ngồi an tồn trang bị trên LS 460
Ngồi các cơng nghệ trên, LS460 còn trang bị radar, gắn trên chắn bùn sau, liên tục
quét bề mặt xung quanh khi xe đỗ hoặc di chuyển. Nếu thấy va chạm chắc chắn sẽ xảy
ra, nó tự động năng gối đỡ đầu lên tối đa 35 mm và đưa về phía trước tối đa 60 mm để
giảm nguy cơ chấn thương cột sống cổ. Trên thực tế, các cảm biến gắn trên ghế đo
khoảng cách và điều khiển sao cho gối không va vào đầu hành khách trước khi va chạm

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 4


Ket-noi.com kho tai lieu mien phi

xảy ra. Bên cạnh đó, các cảm biến có thể nhận dạng người ngồi và máy tính sẽ ngắt
chức năng trên nếu ghế trống.

Hình 1.3: Gối đỡ trên ghế ngồi trước và sau khi va chạm
1.2.2. Hệ thống cảnh báo va chạm của Volvo
Trước thực tế là khoảng 1/3 số vụ tai nạn giao thông tại Mỹ liên quan đến các trường
hợp va đâm sau, trong đó, hơn 50% trường hợp tài xế khơng kịp phanh, Volvo đã tập
trung nghiên cứu cải tiến công nghệ cảnh báo đâm sau.
Trong khi hệ thống Brake Support chỉ sử dụng radar để phát hiện nguy cơ va chạm,
thì hệ thống Auto Brake mới dùng cả radar và camera nên hoạt động hiệu quả hơn hẳn.
Tầm quét của radar là 15 m phía trước xe, cịn tầm quan sát của camera là 5,5 m. Một
trong những ưu điểm lớn nhất của việc sử dụng camera là có thể phát hiện được các xe
đang đứng yên.

Hình 1.4: Hệ thống xác định chướng ngại vật gần của Volvo

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 5


Hệ thống cảnh báo mới của Volvo - Auto Brake - trước tiên sẽ “nhắc nhở” tài xế về
nguy cơ va chạm và chuẩn bị sẵn sàng phanh. Lúc này, đèn cảnh báo màu đỏ sẽ chớp
sáng trên màn hình chiếu thẳng lên kính chắn gió trước, đồng thời sẽ có cịi cảnh báo.
Nếu tài xế khơng phanh, trong khi bộ cảm biến phát hiện nguy cơ va chạm tức thời, hệ
thống sẽ tự động kích hoạt phanh. Auto Brake được thiết kế nhằm hạn chế tốc độ xe
nếu va chạm, từ đó giảm nguy cơ chấn thương cho người ngồi trên cả hai xe. Tuy
nhiên, có một hạn chế là độ nhạy của hệ thống sẽ bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết
và ánh sáng trên đường.

1.2.3. Hệ thống quan sát điểm mù của Ford
Ford đã giới thiệu hai công nghệ mới nhất để hỗ trợ cho lái xe quan sát các điểm mù
là “Gương quan sát điểm mù” (Blind Spot Mirror) và hệ thống giám sát điểm mù
(Blind-Spot Monitoring System). Với những tiện ích của các cơng nghệ mới này Ford
dự định sẽ cho tích hợp ngay trên những model của năm 2009 này.

Hình 1.5: Gương quan sát điểm mù của Ford
Gương quan sát điểm mù (Blind Spot Mirror ): Thực ra đây là một giải pháp rất đơn
giản và ít tốn kém nhất để giúp lái xe quan sát phía sau, trên gương chiếu hậu bên
ngồi xe gắn thêm một gương cầu lồi nhỏ ở góc trên của gương thông thường, gương
cầu lồi nhỏ này sẽ giúp cho lái xe quan sát được những chiếc xe hoặc vật thể đang nằm
ở vị trí được coi là “điểm mù” (mà gương thông thường không quan sát được) để giúp
lái xe có những xử lý thích hợp.
Mặc dù đây là một giải pháp rất đơn giản để hỗ trợ lái xe nhưng theo những nghiên
cứu về thị trường của Ford, hơn 70% khách cho biết họ cảm thấy tự tin hơn khi lái
Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 6


Ket-noi.com kho tai lieu mien phi
những chiếc xe lắp loại gương này. Bên cạnh gương quan sát điểm mù thì Ford còn
trang bị thêm hệ thống "Cross Traffic Alert", hệ thống này sử dụng rada được gắn ở hai
bên thân xe và phía sau xe để hỗ trợ lái xe khi đi vào bãi đỗ xe.
Nhờ sự kết hợp của các hệ thống giúp lái xe có thể nhận biết được các vật thể trong
một phạm vi rất rộng. Những rada này có tầm hoạt động rất rộng, nó có thể phát hiện ra
những vật thể nằm cách chiếc xe ở khoảng cách lên tới 19,8 m. Khi phát hiện ra có vật
thể hoặc một chiếc xe khác đang áp sát trong phạm vi này hệ thống sẽ đưa ra cảnh báo
tới lái xe bằng cách: làm sáng đèn nhỏ ở trên gương chiếu hậu đồng thời đưa ra cả âm

thanh để cảnh báo, chính điều này làm cho lái xe dù khơng thật sự tập trung nhưng vẫn
có thể nhận ra được.

Hình 1.6: Hệ thống an tồn thơng minh của FORD
Ford cho biết những công nghệ này sẽ được tích hợp đồng thời trên các model của
Ford, Lincoln và Mercury giống như một thiết bị tiêu chuẩn và những thiết bị này sẽ
kết hợp cùng với những hệ thống an toàn khác trên xe của Ford như Ford"s Personal
Safety System và Space Architecture để giúp nâng cao tính tiện nghi và an toàn cho
người lái.
1.3.

Những thành tựu đã đạt được của hệ thống báo khoảng cách

Vào năm 2002, hãng Toyota đã cho giới thiệu hệ thống quan sát ban đêm (Nigh
view) trên xe Land Cruiser Cynus, hệ thống này được trang bị một camera hồng ngoại
có thể quan sát các chướng ngại vật khi đi trong đêm tối, khi hoạt động tầm xa của hê
thống lên đến 30 m, góc nhìn của camera là 300, năm 2003 hệ thống này được trang bị
trên Lexus LX470. Cùng trong năm 2003, hệ thống xác định chướng ngại vật cũng

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 7


được trang bị trên các xe của Honda, Mecredes- Benz, trong đó nổi bật hơn cả là hệ
thống Pre-safe của Mecredes- Benz, hệ thống sử dụng một cảm biến quang, được hiển
thị lên LCD phía trước tay lái. Nó có khả năng nhận biết các chướng ngại vật trong tầm
30 m, khi phát hiện đối tượng hệ thống thông báo âm thanh cho người lái đồng thời can
thiệp vào hệ thống thắng, trên ghế ngồi dây đai an toàn được siết chặt lại. Hệ thống này

làm tiền đề cho các hãng xe khác nghiên cứu phát triển thêm cho hệ thống sau này.
Theo thời gian hệ thống xác định khoảng cách được phát triển ngày càng mạnh mẽ.
Năm 2004, Honda giới thiệu hệ thống quan sát thông minh ban đêm (Intelligent Night
Vision System) có khả năng có khả năng nhận biết làn đường dành cho người đi bộ vào
ban đêm.
Năm 2005, Mecredes- Benz đã phát triển hệ thống an toàn thêm camera tùy chỉnh rất
thơng minh, có khả năng phát hiện được hình dạng của chướng ngại vật, đồng thời cải
tiến hệ thống giúp tăng khả năng thắng lên 40%, nhờ khả năng tăng hệ thống thắng này
mà người lái sẽ dễ dàng điều khiển được chiếc xe của mình.
Năm 2007 là một năm mà Toyota đã phát triển hệ thống này một cách hoàn thiện. Hệ
thống Driver Monitoring System được ứng dụng vào xe Lexus LS, sử dụng một camera
CCD thơng minh phát tín hiệu về màn hình LCD trước tay lái, đồng thời gắn thêm hệ
thống báo động khi chướng ngại vật đến gần.
Năm 2009, Toyota đã cải tiến hệ thống với tên gọi đơn giản Pre-crash Safety (cảnh
báo an toàn trước va chạm), phiên bản mới nhất đã được tích hợp một hệ thống ra-đa
có thể phát hiện những vụ va chạm từ hai bên cũng như hệ thống an toàn ghế sau trong
trường hợp xảy ra tai nạn. Hệ thống mới này sử dụng một ra-đa có độ chính xác tới
từng mi-li-mét nhằm sớm phát hiện xe khác hay vật thể di chuyển tới đường đi của
chiếc xe (đặc biệt tại những giao lộ). Nếu hệ thống phát hiện nguy cơ va chạm lớn, các
chức năng an tồn bên trong xe sẽ được kích hoạt để thông báo cho lái xe, giảm mức độ
va chạm và chấn thương cho người sử dụng. Bên cạnh đó, hệ thống này cịn bao gồm
đai an tồn tự động siết chặt và chức năng hỗ trợ phanh trước va chạm, cũng như
những tính năng mới hơn như hệ thống túi khí và chức năng cảnh báo bằng âm thanh
trong ca-bin.

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 8

Ket-noi.com kho tai lieu mien phi
CHƯƠNG 2: CÁC HỆ CẢM BIẾN SỬ DỤNG ĐO KHOẢNG CÁCH
Các hệ thống cảm biến đều là những bộ biến đổi năng lượng, nó biến năng lượng từ
dạng này sang dạng khác, thông thường là biến đổi tín hiệu từ các đại lượng hơng điện
thành các tín hiệu đại lượng có điện. Tín hiệu này được phản hồi về bộ điều khiển,
thông qua bộ điều khiển có các quyết định thích hợp.
2.1. Phân loại cảm biến
Ngày nay, cùng với sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật, có rất nhiều loại cảm
biến được sử dụng để đo khoảng cách của vật thể. Các cảm biến này hoạt động tùy theo
nhiệm vụ và chức năng hoạt động. Các loại cảm biến sử dụng để đo vị trí và khoảng
cách được phân loại như sau:
2.1.1. Cảm biến tiệm cận siêu âm:
Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện hầu hết các loại đối tượng: kim loại hoặc
không phải là kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục (những vật có
hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn).

Hình 2.1. Một vài loại cảm biến tiệm cận siêu âm do Siemens sản xuất
2.1.1.1. Cấu trúc cảm biến tiệm cận siêu âm:
Cảm biến tiệm cận siêu âm có 4 phần chính:
• Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm (Transducer / Receiver).

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 9


• Bộ phận so sánh (Comparator).
• Mạch phát hiện (Detector Circuit): Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi, bộ phân

so sánh tính tốn khoảng cách bằng cách so sánh thời gian phát, nhận và vận tốc âm
thanh.
• Mạch điện ngõ ra (Output): Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc analog. Tín hiệu
từ cảm biến digital báo có hay không sự xuất hiện đối tượng trong vùng cảm nhận của
cảm biến. Tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thơng tin khoảng cách của đối tượng
đến cảm biến.

Hình 2.2 . Các thành phần của cảm biến tiệm cận siêu âm
2.1.1.2. Nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận siêu âm

Hình 2.3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm
Kĩ thuật cảm biến siêu âm dựa trên đặc điểm vận tốc âm thanh là hằng số. Thời gian
sóng âm thanh đi từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại liên hệ trực tiếp đến độ dài
quãng đường. Vì vậy cảm biến siêu âm thường được dùng trong các ứng dụng đo
khoảng cách.
Tần số hoạt động: Nhìn chung, các cảm biến công nghiệp hoạt động với tần số 25
kHz đến 500 kHz. Các cảm biến trong lãnh vực y khoa thì hoạt động với khoảng tần số
từ 5MHz trở lên. Tần số hoạt động của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện
Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 10


Ket-noi.com kho tai lieu mien phi
cảm biến. Với tần số 50 kHz, phạm vi hoạt động của cảm biến có thể lên tới 10 m hoặc
hơn, với tần số 200 kHz thì phạm vi hoạt động cảm biến bị giới hạn ở mức 1 m.
Vùng hoạt động: Là khu vực giữa giới hạn khoảng cách phát hiện lớn nhất và nhỏ
nhất. Cảm biến tiệm cận siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng gần bề mặt cảm
biến gọi là “khu vực mù” (blind zone).

Hình 2.4. Vùng hoạt động của cảm biến tiệm cận siêu âm
Kích thước và vật liệu của đối tượng cần phát hiện quyết định khoảng cách phát hiện
lớn nhất (xem hình 2.5).

Hình 2.5. Khoảng cách hoạt động lớn nhất của cảm biến tiệm cận siêu âm với các đối
tượng khác nhau
Cảm biến tiệm cận siêu âm loại có thể điều chỉnh khoảng cách phát hiện
(Background Suppression). Một số dạng cảm biến ngõ ra analog cho phép điều chỉnh
khoảng cách phát hiện, chúng có thể từ chối việc phát hiện các đối tượng sau một

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 11


khoảng cách xác định. Khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh bởi người sử dụng.
Ngoài ra để cảm biến không phát hiện đối tượng dù chúng di chuyển vào vùng hoạt
động của cảm biến, người ta có thể tạo 1 lớp vỏ bằng chất liệu có khả năng khơng phản
xạ lại sóng âm thanh.
2.1.1.3. Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm
• Ưu điểm
- Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện vật thể lên tới 15 m.
- Sóng phản hồi của cảm biến khơng phụ thuộc màu sắc của bề mặc đối tượng hay
tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng ví dụ bề mặt kính trong suốt, bề mặt gốm màu
nâu, bề mặt plastic màu trắng, hay bề mặt chất liệu nhôm sáng, trắng... là như nhau.
- Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận siêu âm analog là tỉ lệ tuyến tính với
khoảng cách. Điều này đặc biệt lý tưởng cho các ứng dụng như theo dõi các mức của
vật chất, mức độ chuyển động của đối tượng.

• Nhược điểm
- Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối thiểu
(giá trị này tùy thuộc vào từng loại cảm biến).
- Sóng phản hồi cảm biến nhận được có thể chịu ảnh hưởng của các sóng âm thanh
tạp âm.
- Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát
đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi. Kết quả thời gian đáp ứng của cảm biến tiệm cận
siêu âm nhìn chung chậm hơn các cảm biến khác khoảng 0,1 s.
- Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp như bọt hay vải (quần áo) rất khó để
phát hiện với khoảng cách lớn.
- Cảm biến tiệm cận siêu âm bị giới hạn khoảng cách phát hiện nhỏ nhất.
- Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ (vận tốc âm thanh phụ thuộc vào nhiệt
độ), áp suất, sự chuyển khơng đồng đều của khơng khí, bụi bẩn bay trong khơng khí
gây ảnh hưởng đến kết quả đo.

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 12


Ket-noi.com kho tai lieu mien phi
- Nhiệt độ bề mặt của đối tượng ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của cảm biến.
Hơi nóng tỏa ra từ đối tượng có nhiệt độ cao làm méo dạng sóng, làm cho khoảng cách
phát hiện của đối tương ngắn lại và giá trị khoảng cách khơng chính xác.

Hình 2.6. Vị trí lắp đặt cảm biến siêu âm

Hình 2.7: Đối tượng có bề mặt gồ ghề không yêu cầu cảm biến đặt ở vị trí chính xác
Bề mặt phẳng phản hồi năng lượng của sóng âm thanh tốt hơn bề mặt gồ ghề. Tuy

nhiên bề mặt trơn phẳng lại có địi hỏi khắc khe về vị trí góc tạo thành giữa cảm biến
và mặt phẳng đối tượng (xem hình 2.7 và hình 2.8).

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 13


Hình 2.8. Đối tượng có bề mặt phẳng u cầu cảm biến
đặt ở vị trí tạo thành góc phải bằng hoặc nhỏ hơn 30.
2.2.

Cảm biến quang

2.2.1. Cảm biến quang loại thu phát độc lập
a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
Cảm biến quang loại thu phát độc lập (through beam) bao gồm hai thành phần chính
đó là bộ phận phát và bộ phận thu (được trình bày như hình bên dưới).
Khi ánh sáng hồng ngoại phát ra từ bộ phận phát, nó sẽ được truyền đi thẳng. Ánh
sáng hồng ngoại này ln được mã hóa theo một tần số nhất định nào đó, và dĩ nhiên
bộ phận thu chỉ nhận biết được loại ánh sáng hồng ngoại đã được mã hóa theo tần số,
với mục đích tránh sự ảnh hưởng của các nguồn ánh sáng xung quang.
Nếu chúng ta đặt bộ phận thu nằm trên đường truyền thẳng của ánh sáng hồng ngoại
này thì bộ phận thu sẽ nhận được ánh sáng và tác động cho tín hiệu ở ngõ ra. Nếu có
một vật đi ngang qua làm ngắt đi ánh sáng truyền đến bộ phận thu, thì bộ phận thu sẽ
không thu được ánh sáng, như vậy bộ phận thu sẽ khơng tác động và khơng có tín hiệu
ở ngõ ra.

Đinh Hải Lâm

Đoàn Dương Quý

Trang 14


Ket-noi.com kho tai lieu mien phi

Hình 2.9.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến quang loại thu phát độc lập
b. Khoảng cách phát hiện:
Đối với cảm biến quang loại thu phát độc lập, khoảng cách cài đặt là khoảng cách
tính từ bộ phận phát đến bộ phận thu sao cho bộ phận thu có thể nhận được ánh sáng
hồng ngoại phát ra từ bộ phận phát. Do đó, có thể nói khoảng cách phát hiện cũng
chính là khoảng cách cài đặt. Một số cảm biến của hãng Omron có khoảng cách phát
hiện lên đến 30m.

Hình 2.10. Khoảng cách cài đặt của cảm biến quang loại thu phát độc lập
Trên thực tế bộ phận phát không phát ra tia một tia sáng truyền thẳng mà phát ra một
tia sáng có đường kính tăng dần.

Hình 2.11: Góc phát quang của cảm biến quang loại thu phát độc lập
c. Chế độ hoạt động (Dark on và Light on):
Chế độ hoạt động Dark on:

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 15


Hình 2.12: Chế độ hoạt động light- on của cảm biến quang loại thu phát độc lập

Chế độ hoạt động light on

Hình 2.13: Chế độ hoạt động Dark- on của cảm biến quang loại thu phát độc lập
d. Một số loại cảm biến quang loại thu phát độc lập tiêu biểu

Hình 2.14: Một số hình ảnh thực tế của cảm biến quang loại thu phát độc lập
e. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thu phát của cảm biến: Bụi bẩn nằm trong khu
vực phát thu. Bị ảnh hưởng của nước hoặc khơng khí ẩm.
2.2.2. Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 16


Ket-noi.com kho tai lieu mien phi
a. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán là loại cảm biến cũng sử dụng nguyên lý
phát thu, nhưng tia hồng ngoại phát ra có góc phát to dần khi ánh sáng đi ra xa.

Hình 2.15: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến quang loại phản xạ khuếch
tán

b. Khoảng cách phát hiện
Đối với cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán, khoảng cách cài đặt là khoảng cách
xa nhất tính từ bộ phận phát – thu đến vật cảm biến sao cho bộ phận thu có thể nhận
được ánh sáng hồng ngoại phát ra từ bộ phận phát. Do đó, có thể nói khoảng cách phát
hiện cũng chính là khoảng cách cài đặt. Một số cảm biến của hãng Omron có khoảng
cách phát hiện lên đến 700 mm.

Hình 2.16: Khoảng cách cài đặt của cảm biến
c. Hình dạng thực tế của cảm biến quang loại phản xạ khếch tán

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 17


Hình 2.17: Một số hình ảnh thực tế của cảm biến quang loại khuếch tán
2.3. Cảm biến siêu âm
2.3.1. Cấu tạo cảm biến siêu âm:
Loại cảm biến này phát ra xung siêu âm. Nếu tồn tại vật thể trong vùng làm việc của
cảm biến sẽ xuất hiện sóng phản xạ về đầu thu. Cấu trúc của một cảm biến siêu âm
thường được mơ tả như sau:

Hình 2.18: Các thành phần cấu tạo bên trong cảm biến siêu âm
Phần tử cơ bản của loại cảm biến này là bộ biến âm thường là gốm áp điện được bảo
vệ bằng một chất nhựa tổng hợp nhằm chống lại sự ẩm ướt, bụi bẩn và các nhân tố
khác của môi trường. Bộ thu âm thanh sẽ hứng âm đưa tới bộ biến đổi âm thanh thành
tín hiệu điện. Tất cả các thành phần này để trong một vỏ.
2.3.2. Cơ sở lý thuyết cảm biến siêu âm
a.

Cơ sở vật lí siêu âm :
Sóng âm là những sóng cơ truyền trong các mơi trường khí, lỏng, rắn.

Sóng âm thanh di chuyển với vận tốc thay đổi theo nhiệt độ và áp suất của môi trường.
Tại nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn v = 300 m /s.

Có 3 loại sóng :
f < 16Hz: hạ âm
f = 16 - 20.000 Hz: âm nghe được
f > 20.000 Hz: siêu âm
Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 18


Ket-noi.com kho tai lieu mien phi
Tần số, bước sóng và tốc độ truyền sóng λ=c/f. Tương tác của siêu âm bao gồm: phản
xạ, tán xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, giao thoa, sự hấp thụ, sự suy giảm.
Trong phần này chúng ta chủ yếu nghiên cứu phần phản xạ:
Sự phản xạ bao gồm:
- Trở kháng âm : Z= ρ.c
c=

1
β
=
kρ ρ

Nếu một trở kháng âm của một môi trường giống như trong môi trường khác, âm sẽ
được truyền từ môi trường này sang môi trường kia. Sự khác nhau của trở kháng âm
hai môi trường gây ra hiện tượng một phần âm thanh bị phảm xạ tại mặt phân cách.
- Hệ số phản xạ - ar
- Hệ số phản xạ và hệ số truyền qua :

Hình 2.19: Phương pháp phản xạ

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 19


(z − z )
=
a
(z + z )
(z − z )
%R =
(z + z )
2

2

1

2

1

2

r

2
2

a

=
r

(z + z )

%T =

(

2

100

2

100

1

4 z 2 z1
2

2

1

2

1

4 z 2 z1

)

z 2 + z1

Sự cấu thành mặt phân cách:
Phần trăm khi sóng âm đi từ mơi trường có kháng trở cao sang mơi trường có
kháng trở thấp và ngược lại là như nhau. Phần trăm phản xạ tỉ lệ với bình phương hiệu
trở kháng âm hai mơi trường .
Tín hiệu phản xạ: Sóng âm có bị phản xạ nhiều lần khi môi trường không đồng
nhất hoặc đi qua nhiều lớp mơi trường.

Hình 2.20: Tín hiệu phản xạ
- Phản xạ khếch tán:

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 20


Ket-noi.com kho tai lieu mien phi

Hình 2.21 : Phản xạ khếch tán
- Tán xạ
Sự tán xạ hay còn gọi là sự phản xạ khơng chính xác, sự tán xạ xảy ra khi bề mặt

phân cách nhỏ, nhỏ hơn vài bước sóng. Mỗi mặt phân cách hoạt động như một nguồn
âm mới, và âm được phản xạ theo tất cả các hướng. Sự tán xạ do các phần tử nhỏ có
kích thước thẳng nhỏ hơn bước sóng gọi là Raylegh, sự tán xạ phụ thuộc vào tần số
theo hàm mũ 2 đến 6.
- Tính tốn suy giảm
Sự hấp thụ phụ thuộc vào tính chất chùm tia và tính nhớt và thời gian phục hồi của môi
trường.
Tốc độ phân tử cực đại u (m/s):
u=

p
ρc

Sự chiếm chỗ phần tử cực đại s (mm2):
s=

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

p
2π fcρ

Trang 21


Hình 2.22: Đồ thị biễu diễn độ suy giảm của tín hiệu phản xạ
Độ suy giảm được tính như sau :
A = A0 exp(−(a S + α ) z )

Trong đó: as : hệ số tán xạ

α : hệ số hấp thụ
- Cường độ : bao gồm công thức cường độ và độ suy giảm cường độ
- Cường độ tức thời: i =

pi2
ρc

- Cường độ trung bình: I =

p2
2 ρc

- Độ suy giảm cường độ: I= I0exp(-μz)
Trong đó: μ= 2a
Suy giảm, tiêu hao và phản xạ :
Suy giảm = tiêu hao + phản xạ
Đo khoảng cách

Đinh Hải Lâm
Đoàn Dương Quý

Trang 22