Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe toyota yaris e 2015

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG AN TỒN
TRÊN XE TOYOTA YARIS E-2015

Sinh viên thực hiện: TRẦN MINH HẢI
NGUYỄN VĂN HIỆU

Đà Nẵng - Năm 2018

i


TÓM TẮT
Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015.
Sinh viên thực hiện: TRẦN MINH HẢI

Số thẻ SV: 103130025

Lớp: 13C4A

Ngày nay, nhu cầu sử dụng ôtô ngày càng lớn, dẫn đến mật độ phương tiện tham
gia giao thông ngày càng đông đúc, dẫn đến nguy cơ va chạm và tai nạn giao thông chết
người đáng tiếc xảy ra thường xuyên. Từ những vấn đề đó, chúng em quyết định thực
hiện đề tài “nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015” giúp
cho tài xế nhận biết được các phương tiện xung quanh khi điều khiển xe lưu thông trên
đường hay lùi xe vào bãi đỗ, góp phần giảm thiểu những vụ va chạm đáng tiếc xảy ra.
Hệ thống thiết kế gồm 2 phần chính đó là:
- Thiết kế hệ thống điều khiển tự động gương chiếu hậu trên xe ô tô: Với mong

muốn tạo ra một sản phẩm giúp cho người lái quan sát được những vật cản nằm
trong vùng điểm mù của gương cơ khí mà người lái khơng thể quan sát được, góp
phần nâng cao tính an toàn và giảm thiểu được những va chạm đáng tiếc xảy ra.
Hệ thống thiết kế có thể điều khiển từ xa bằng Remote và điều khiển lòng gương
-

lên – xuống, sang trái – sang phải rất dễ dàng và thuận tiện.
Thiết kế hệ thống cảnh báo nguy cơ va chạm sớm trên xe ô tô: Hệ thống gồm
nhiều cảm biến siêu âm được lắp đặt phía trước và sau của xe. Khi phát hiện vật
cản khi đang lùi xe hoặc di chuyển trên đường thì hệ thống cảm biến sẽ thu nhận
tín hiệu và đưa về bộ xử lý trung tâm để xử lý. Khi xe ở số lùi, khoảng cách của
xe đến vật cản sẽ được hiển thị lên màn hình LCD, kèm theo là các vạch màu
cảnh báo khoảng cách từ an toàn đến nguy hiểm trong khi lùi xe. Khi càng đến
gần vạch cản tiếng bíp sẽ càng dồn dập hơn, giúp cho người lái có thể ước lượng
khoảng cách từ xe đến chướng ngại vật bằng tiếng âm báo và khoảng cách đo
được trên màn hình LCD. Nếu khoảng cách xuống dưới 40-50 [cm] thì tín hiệu
sẽ kêu liên tục. Tính năng này có thế được bật/tắt qua chìa khóa.
Hệ thống cảnh báo nguy cơ va chạm sớm kết hợp với hệ thống điểu khiển gương

chiếu hậu tự động có thể giúp cho người lái nhận biết được các phương tiện xung quanh
khi di chuyển trên đường hay khi vào bãi đỗ. Hai hệ thống này hoạt động và hỗ trợ lẫn
nhau nhằm nâng cao tính năng an toàn và giải quyết được những điểm mù trên xe ô tô.

ii


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT

Họ tên sinh viên

Số thẻ SV

Lớp

Ngành

1

Trần Minh Hải

103130025

13C4A

Kỹ thuật cơ khí (động lực)

2

Nguyễn Văn Hiệu

103130123

13C4B

Kỹ thuật cơ khí (động lực)

1. Tên đề tài đồ án:
Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015.
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
TT

Nội dung

Kích thước

Đơn vị

1

Cơng suất cực đại

79/6000

kW/rpm

2

Mơ men cực đại

140/4200

Nm/rpm

3

Kích thước tống thể (DxRxC)

4115x1700x1475

mm

4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
a. Phần chung:
TT

Họ tên sinh viên

1

Trần Minh Hải

2

Nguyễn Văn Hiệu

Nội dung
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan về xe Toyota Yaris E-2015
Chương 2. Cơ sở lý thuyết

b. Phần riêng:
TT

1

2

Họ tên sinh viên

Trần Minh Hải

Nguyễn Văn Hiệu

Nội dung
Chương 3. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động gương
chiếu hậu trên xe Toyota Yaris E-2015.
Chương 4. Kết quả và hướng phát triển của hệ thống
điều khiển tự động gương chiếu hậu.
Chương 3. Thiết kế hệ thống cảnh báo va chạm sớm
trên xe Toyota Yaris E-2015.
Chương 4. Kết quả và hướng phát triển của hệ thống
cảnh báo va chạm sớm.

iii


5. Các bản vẽ, đồ thị:
a. Phần chung:
TT

Họ tên sinh viên

1

Trần Minh Hải

2

Nguyễn Văn Hiệu

Nội dung
-Bản vẽ bố trí hệ thống thiết kế (1A3)

b. Phần riêng:
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung
-Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động gương chiếu hậu
(1A3).

1

Trần Minh Hải

-Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển gương chiếu hậu
(1A3).
-Cơ cấu gập mở gương chiếu hậu (1A3).

-Cơ cấu điều chỉnh mặt gương (1A3).

2

Nguyễn Văn Hiệu

-Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hệ thống cảnh báo
va chạm (1A3).
-Sơ đồ vi điều khiển kết nối với hệ thống (1A3).
-Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống cảnh báo va
chạm (1A3).
-Sơ đồ mạch in hệ thống cảnh báo va chạm (1A3).

6.

Họ tên người hướng dẫn:

TS. Phạm Quốc Thái

7.
8.

Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
Ngày hoàn thành đồ án:

29/01/2018
27/05/2018

Đà Nẵng, ngày 28 tháng 05 năm 2018
Người hướng dẫn

Trưởng Bộ môn KT ôtô & Máy ĐL

PGS.TS. Dương Việt Dũng

TS. Phạm Quốc Thái

iv


LỜI NÓI ĐẦU VÀ CẢM ƠN
Trong suốt khoảng thời gian làm đề tài tốt nghiệp, chúng em đã gặt hái được rất
nhiều kiến thức chuyên ngành cũng như sự kết hợp làm việc nhóm.
Lời đầu tiên chúng em xin cảm ơn đến Thầy TS. Phạm Quốc Thái, thầy đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp và chúng em xin gửi lời
cảm ơn gửi đến các Thầy, Cơ trong Khoa Cơ khí Giao thơng. Cảm ơn sự động viên và
giúp đỡ tận tình từ gia đình và bạn bè.
Chúng em đã phấn đấu và nỗ lực hết mình để hồn thành đồ án tốt nghiệp này,
song thời gian và kiến thức còn hạn chế nên cịn nhiều thiếu sót mong q thầy cơ và
bạn đọc đóng góp để đồ án này được hồn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 28 tháng 05 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Trần Minh Hải

v

CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu, thiết kế của nhóm nghiên cứu và được
sự hướng dẫn của TS. Phạm Quốc Thái. Các nội dung trong đề tài này là trung thực,
các thông số và tài liệu tham khảo có nguồn gốc rõ ràng.

Sinh viên thực hiện

Trần Minh Hải

vi


MỤC LỤC

Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án

iii
iv

Lời nói đầu và cảm ơn
Lời cam đoan liêm chính học thuật

vi
vii

Mục lục

viii

Danh sách các bảng, hình vẽ
Danh sách các ký hiệu, chữ viết tắt

x
xiii
Trang

MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ XE TOYOTA YARIS E-2015 ...................................... 3
1.1. Thông số kỹ thuật của xe Toyota Yaris E-2015 ................................................. 3
1.2. Giới thiệu một số hệ thống an toàn cơ bản trên xe Toyota Yaris-E .................... 4
1.2.1. Hệ thống dây đai an toàn 3 điểm và túi khí (Airbag) ................................... 5
1.2.2. Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS - Anti-Lock Braking System) .......... 9
1.2.3. Hệ thống phân phối lực phanh điện từ (EBD - Electronic Brakeforce
Distribution)....................................................................................................... 13
1.2.4. Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp (BA – Brake Assist) ............................... 17
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................... 20
2.1. Giới thiệu về vi điều khiển .............................................................................. 20
2.1.1. Lý thuyết về Arduino ............................................................................... 20
2.1.2. Phần cứng ................................................................................................ 21
2.1.3. Phần mềm ................................................................................................ 22
2.2. Cơ sở lý thuyết về linh kiện thiết kế ................................................................ 23
2.2.1. Lý thuyết về cảm biến siêu âm ................................................................. 23
2.2.2. Cảm biến siêu âm HC-SR04 ..................................................................... 27
2.2.3. Màn hình LCD 16x2................................................................................. 28
2.2.4. Mạch IC điều khiển động cơ L298N ......................................................... 30
2.2.5. Mạch thu tín hiệu từ remote bằng sóng RF dùng IC PT2272 .................... 31
2.2.6. Mạch phát tín hiệu điều khiển dùng IC PT2262 ........................................ 32
2.2.7. Relay ........................................................................................................ 33
2.2.8. Diot Zenner ............................................................................................. 34

vii


2.2.9. Transitor C2383 ....................................................................................... 34
2.2.10. Điện trở .................................................................................................. 35
2.2.11. Giới thiệu về LED .................................................................................. 35
2.3. Ngơn ngữ lập trình trong vi điều khiển ............................................................ 37
2.4. Sự cần thiết của hệ thống an toàn trên xe......................................................... 37
2.4.1. Hệ thống điều khiển tự động gương chiếu hậu .......................................... 37
2.4.2. Hệ thống cảnh báo va chạm sớm .............................................................. 37
Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GƯƠNG CHIẾU HẬU
VÀ CẢNH BÁO VA CHẠM SỚM TRÊN XE TOYOTA YARIS E-2015 ................ 39
3.1. Phân tích và chọn phương án thiết kế .............................................................. 39
3.1.1. Phân tích cơ cấu quay của cụm gương chiếu hậu ...................................... 39
3.1.2. Phương án thiết kế.................................................................................... 42
3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động gương chiếu hậu.................................... 42
3.2.1. Thiết kế kết cấu của hệ thống gương chiếu hậu......................................... 42
3.2.2. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động gương chiếu hậu ............................. 47
3.3. Thiết kế hệ thống cảnh báo va chạm sớm trên xe Toyota Yaris ....................... 53
3.3.1. Phân tích và chọn phương án thiết kế ....................................................... 53
3.3.2. Thiết kế mạch hệ thống cảnh báo va chạm sớm ........................................ 56
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................... 67
4.1. Kết quả đạt được ............................................................................................. 67
4.2. Kết luận và hướng phát triển ........................................................................... 70
4.2.1. Kết luận.................................................................................................... 70
4.2.2. Hướng phát triển ...................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................ 1

viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 1.1. Thơng số kích thước chính của xe ................................................................ 3
Bảng 2.1. Chức năng của các chân cảm biến HC-SR04.............................................. 27
Bảng 2.2. Chức năng các chân LCD. ......................................................................... 29
Bảng 2.3. Thông số kỹ thuật của Module thu RF 315Mhz PT 2272 ........................... 32
Bảng 2.4. Thông số kĩ thuật Module phát RF 315 Mhz PT 2262 ................................ 33
Bảng 2.5. Thứ tự chân Module phát RF 315 Mhz PT 2262 ........................................ 33
Bảng 2.6. Thông số kỹ thuật của Relay 5 chân ........................................................... 34
Bảng 3.1 Thông số động cơ điện ................................................................................ 43
Bảng 3.2 Thông số của bộ truyền trục vít ................................................................... 45
Bảng 3.3 Thơng số của bộ truyền ............................................................................... 46
Bảng 3.4 Thông số của bộ truyền ............................................................................... 46
Bảng 3.5 Thơng số của bộ truyền ............................................................................... 47
Hình 1.1 Thơng số kích thước chính của xe ................................................................. 3
Hình 1.2 Hệ thống dây đai an tồn 3 điểm ................................................................... 5
Hình 1.3 Cấu tạo và nguyên lý hệ thống dây đai an tồn 3 điểm .................................. 5
Hình 1.4 Sơ đồ ngun lý hoạt động của hệ thống túi khí ............................................ 6
Hình 1.5 Cấu tạo bộ phận thổi khí cho người lái .......................................................... 7
Hình 1.6 Cấu tạo cảm biến va chạm ............................................................................. 8
Hình 1.7 Cấu tạo của cáp xoắn ..................................................................................... 8
Hình 1.8 Bộ điều khiển túi khí ..................................................................................... 9
Hình 1.9 Sự thay đổi hệ số bám dọc φx và ngang φy theo độ trượt tương đối λ của bánh
xe khi phanh .............................................................................................................. 10
Hình 1.10 Q trình phanh có và khơng có ABS trên đoạn đường cong ..................... 10
Hình 1.11 Sơ đồ tổng quát của một hệ thống ABS ..................................................... 11
Hình 1.12 Các lực và mômen tác dụng lên bánh xe khi phanh ................................... 12
Hình 1.13 Sự thay đổi Mp, Mφ và ℇb theo λ khi phanh có ABS................................... 12
Hình 1.14 Sự thay đổi áp suất trong dẫn động ............................................................ 13

Hình 1.15 Các bộ phận chính của hệ thống phân phối lực phanh điện từ .................... 14
Hình 1.16 Đồ thị so sánh lực phanh khi có và khơng có trợ lực phanh khẩn cấp ........ 15
Hình 1.17 Xe có sự hỗ trợ ABS và khơng có ABS ..................................................... 16
Hình 1.18 Sơ đồ dẫn động hệ thống phanh khẩn cấp BA............................................ 17
Hình 1.19 Sơ đồ hệ thống phanh khẩn cấp BA ........................................................... 18
ix


Hình 1.20 So sánh qng đưỡng phanh khi có và khơng có hỗ trợ BA ....................... 18
Hình 1.21 Đồ thị lực phanh khi có và khơng có hỗ trợ BA ......................................... 19
Hình 2.1 Một số bo mạch Arduino thơng dụng .......................................................... 20
Hình 2.2 Giao diện phần mềm IDE ............................................................................ 22
Hình 2.3 Cấu tạo của cảm biến siêu âm...................................................................... 23
Hình 2.4 Phương pháp phản xạ .................................................................................. 24
Hình 2.5 Tín hiệu phản xạ .......................................................................................... 24
Hình 2.6 Phản xạ khuếch tán...................................................................................... 24
Hình 2.7 Cách thức đo khoảng cách ........................................................................... 25
Hình 2.8 Tầm quét của cảm biến siêu âm ................................................................... 26
Hình 2.9 Ứng dụng của cảm biến siêu âm .................................................................. 27
Hình 2.10 Cảm biến siêu âm HC-SR05 ...................................................................... 27
Hình 2.11 Sơ đồ mạch cảm biến siêu âm HC-SR04 ................................................... 28
Hình 2.12 Màn hình LCD 16x2 ................................................................................. 29
Hình 2.13 Sơ đồ khối màn hình LCD ......................................................................... 29
Hình 2.14 Module L298N .......................................................................................... 30
Hình 2.15 Module thu RF 315Mhz PT 2272 .............................................................. 31
Hình 2.16 Module phát RF 315 Mhz PT 2262 ........................................................... 32
Hình 2.17 Relay 5 chân.............................................................................................. 33
Hình 2.18 Diode Zener .............................................................................................. 34
Hình 2.19 Transitor C2383 ........................................................................................ 35
Hình 2.20 Điện trở ..................................................................................................... 35

Hình 2.21 Cấu tạo của đèn LED................................................................................. 35
Hình 2.22 Nguyên lý hoạt động của LED .................................................................. 36
Hình 3.1 Cơ cấu gập gương bằng tay ......................................................................... 39
Hình 3.2 Cơ cấu gập gương bằng điện ....................................................................... 40
Hình 3.3 Ngun lí điều chỉnh góc mặt gương ........................................................... 41
Hình 3.4 Sơ đồ bố trí cơ cấu gập gương bằng điện ..................................................... 42
Hình 3.5 Cơ cấu điều chỉnh góc mặt gương ............................................................... 43
Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ................................................................... 48
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển .................................................................... 49
Hình 3.8 Lưu đồ thuật tốn bộ điều khiển ................................................................. 50
Hình 3.9 Mạch in sau khi thiết kế xong ...................................................................... 52
Hình 3.10 Mạch thiết kế............................................................................................. 52
Hình 3.11 Những vùng điểm mù trên xe ơtơ .............................................................. 54
Hình 3.12 Gương chiếu hậu tích hợp hệ thống cảnh báo điểm mù .............................. 55
x


Hình 3.13 Nguyên lý cảm biến siêu âm ...................................................................... 56
Hình 3.14 Vùng hoạt động của cảm biến siêu âm HC-SR04 ...................................... 56
Hình 3.15 Sơ đồ khối kết nối hệ thống ....................................................................... 57
Hình 3.16 Module ốn áp LM2596 .............................................................................. 57
Hình 3.17 Sơ đồ mạch ổn áp LM2596 ....................................................................... 58
Hình 3.18 Khối hiển thị ............................................................................................. 58
Hình 3.19 Mạch cảm biến .......................................................................................... 59
Hình 3.20 Khối vi điều khiển thiết kế trên Proteus ..................................................... 60
Hình 3.21 Mạch in sau khi thiết kế xong .................................................................... 60
Hình 3.22 Lưu đồ thuật tốn tính tốn khoảng cách ................................................... 61
Hình 3.23 Lưu đồ thuật tốn chính điều khiển chương trính ....................................... 62
Hình 4.1 Mạch điều khiển trung tâm hệ thống điều khiển tự động gương chiếu hậu... 67
Hình 4.2 Bộ điều khiển trung tâm hệ thống cảnh báo va chạm sớm ........................... 68

sau khi thiết kế xong .................................................................................................. 68
Hình 4.3 Bố trí cảm biến siêu âm lên xe mơ hình ....................................................... 68
Hình 4.4 Hiển thị khoảng cách lên LCD kèm theo đèn báo và còi báo động .............. 69
Hình 4.5 Bố trí hệ thống gương chiếu hậu lên xe ...................................................... 69
Hình 4.6 Bố trí cơng tắc điều khiển và ổ khóa ............................................................ 70
Hình 4.7 Remote điều khiển từ xa .............................................................................. 70

xi


DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:
LCD

Ký hiệu của màng hình hiển thị thơng số

P
D

[kw]
[mm]

Cơng suất cực đại của động cơ xe Toyota yaris E
Chiều dài tổng thể xe

R

[mm]

Chiều rộng tổng thể xe

C

[mm]

Chiều cao tổng thể xe

V
f
I

[m/s]
[Hz]
[mA]

Vận tốc sóng âm
Tần số âm
Cường độ dịng điện

b

[m/s2]

Gia tốc chậm dần của bánh xe khi phanh

t

[s]

Thời gian nhận tín hiệu

c
Udd
Mgg

[m/s]
[-]
[N.m]

Vận tốc trong mơi trường truyền sóng âm
Tỷ số truyền dẫn động
Mơmen cần thiết để gập gương

U
T

[-]
[N.m]

Tỷ số truyền của cả bộ truyền
Mômen xoắn tại các trục

Mdc
Vs

[N.m]
[m/s]

Mômen trên trục động cơ

Vận tốc trượt trong bộ truyền

n
σH
q
aw
d

[v/ph]
[MPa]
[-]
[mm]
[mm]

Số vòng quay của trục
Ứng suất tiếp xúc cho phép
Hệ số đường kính trục vít
Khoảng cách trục trong bộ truyền
Đường kính vịng chia bộ truyền trục vít

da1
ba
b

[mm]
[mm]
[mm]

Đường kính đỉnh bộ truyền trục vít
Bề rộng bánh vít

Bề rộng bánh răng

CHỮ VIẾT TẮT:
GND
VCC
ECU

Điểm nối đất chung.
Nguồn dương.
(Electronic Control Unit) Bộ điều khiển trung tâm.

BA

(Brake Asisst) Hệ thống hỗ trợ lực phanh khẩn cấp.
xii


TOF

(Antilock Braking System) Hệ thống chống bó
cứng phanh.
(Time Of Light) Nguyên lý đo khoảng cách bằng

EBD

thời gian truyền sóng.
(Electronic Brakeforce Distribution) Hệ thống phân

VTT-I

phối lực phanh điện từ.
(Variable valve timing with intelligence) Hệ thống

ABS

điều khiển xu-páp với góc mở biến thiên thông
minh.
DOHC
PWM
IDE

(Double Overhead Camshaft) Động cơ sử dụng 2
trục cam bố trí trên nắp máy.
(Pulse Width Modulation) Phương pháp điện áp ra
tải.
(Intergrated Development Enviroment) Mơi trường
lập trình cho Arduino.

xiii


Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015

MỞ ĐẦU

I.

Đặt vấn đề
Hiện nay, việc phát triển những tính năng cơng nghệ an tồn trên ơ tơ ngày càng

phát triển nhằm tăng cường tính an tồn và tiện nghi cho phương tiện. Hệ thống an tồn
trên ơ tơ là một trong những tính năng rất được quan tâm. Việc tăng cường cải thiện và
nâng cao hàng loạt các tính năng an tồn trên xe như hệ thống chống bó cứng phanh
ABS, hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD, hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp BA….
đang ngày được chú trọng hơn.
Một trong những vấn đề được đề cập là trong quá trình vận hành xe cùng với sự
tham gia ngày càng đông đúc của các phương tiện như hiện nay để giúp cho người lái
quan sát được hai bên, phía sau xe, khi xe quay vịng, lùi xe và cảnh báo sớm nếu có vật
cản là một điều rất cần thiết. Đây là vấn đề của hầu hết các hãng ơ tơ trong ngồi nước
điều quan tâm và hướng tới.
Để giải quyết về bài toán này thì hệ thống gương chiếu hậu và cảnh báo va chạm
sớm ngày càng được quan tâm. Tuy nhiên đáng lo ngại hơn là khi người lái ngồi trong
xe với hệ thống điều khiển gương chiếu hậu bằng cơ khí và cảnh báo va chạm còn khá
sơ sài nên việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển tự động gương hậu và cảnh
báo va chạm hoàn toàn bằng tự động hóa là cần thiết.
Ở thị trường nước ta, dịng xe Toyota yaris E chưa có hệ thống cảnh báo va chạm
sớm và hệ thống gương vẫn dùng kiểu cơ khí. Trong thời gian tới thị trường ơ tơ nước
ta sẽ bước vào giai đoạn bùng nổ mạnh về ngành ô tô. Việc nghiên cứu, chế tạo hệ thống
điều khiển tự động gương chiếu hậu và cảnh báo va chạm sớm có chức năng tối ưu khả
năng an tồn cho người lái xe, giải quyết được bài toán về an tồn cần thiết trên dịng xe
Toyota Yaris hiện tại. Ngồi ra thì hệ thống điều khiển gương chiếu hậu và cảnh báo va
chạm sớm ngày càng trở nên quan trọng hơn khi người lái ngồi điều khiển trong xe
muốn an tồn trong q trình lái xe thì phải có một góc quan sát tốt nhất, thuận tiện nhất
và biết được các vật cản quanh mình để đảm bảo vận hành xe một cách an tồn nhất.
Ngày nay cũng có nhiều xe có hệ thống điều khiển tự động gương hậu và cảnh báo
va chạm sớm nhưng lại có giá thành và chi phí tương đối lớn, mục tiêu của việc nghiên
cứu này là giải quyết bài toán về vấn đề an toàn và khả năng về kinh tế.
II. Mục đích và ý nghĩa của đề tài
Bên cạnh việc đầu tư thiết kế kết cấu khung xe, ngày nay các hãng xe đang tập
trung nhiều vào việc trang bị thêm nhiều tính năng an tồn, trong đó, từng thiết bị riêng

lẻ hoặc tổng hợp các thiết bị hoạt động cùng nhau sẽ tăng cường khả năng tránh tai nạn
Sinh viên thực hiện: Trần Minh Hải

Hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thái

1


Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015

hoặc bảo vệ hành khách ngồi trong xe. Chính vì vậy, việc mua một chiếc xe có nhiều
tính năng an toàn là rất quan trọng. Các hãng xe hiện nay đang chạy đua để cái tiến công
nghệ, đặc biệt là tính năng an tồn rất được quan tâm.
Với nhu cầu sử dụng ô tô của nước ta ngày một tăng lên thì việc địi hỏi các tính
năng an toàn cũng phải được cải thiện và nâng cao. Đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế hệ
thống an toàn trên xe Toyota Yaris E 2015” đặt nền tảng cho việc phát triển nghành
công nghiệp ô tô của nước ta phù hợp với điều kiện sử dụng trong nước và thế giới cả
về chất lượng và giá thành góp phần thực hiện nhiệm vụ cấp bách là đẩy nhanh quá trình
phát triển và hội nhập nghành công nghiệp ô tô của nước ta đến một tầm cao mới. Nói
tóm lại mục tiêu hướng tới của đề tài này là:
- Nâng cao tính năng an tồn.
- Tạo thêm sự tiện lợi cho người điều khiển trên xe.
- Nghiên cứu tìm hiểu về lập trình điều khiển tự động cho các hệ thống trong ô tô.
III. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển tự động gương chiếu hậu
và cảnh báo va chạm sớm trên xe Toyota Yaris E:
- Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển tự động gương hậu và cảnh báo va chạm
-

sớm trên xe sao cho phù hợp nhất.

Xác định chọn các linh kiện điện tử, vi điều khiển cho phù hợp với hệ thống.
Thiết kế mạch điều khiển tự động gương hậu, cảm biến khoảng cách, hệ thống
cảnh báo và mạch hiển thị khoảng cách lên màn hình LCD.

Bố trí hệ thống trên mơ hình thực nghiệm.
IV. Nhiệm vụ
Để tài: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E 2015” có các
nội dung chủ yếu sau:
- Tổng quan về hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E.
-

-

Xây dựng lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển tự động gương hậu và cảnh báo
va chạm sớm.
Lập trình chương trình điều khiển hệ thống.
Thiết kế bố trí và mơ hình thực nghiệm.

Sinh viên thực hiện: Trần Minh Hải

Hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thái

2


Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ XE TOYOTA YARIS E-2015

1.1. Thơng số kỹ thuật của xe Toyota Yaris E-2015

Hình 1.1 Thơng số kích thước chính của xe
Bảng 1.1. Thơng số kích thước chính của xe
Stt

1

Thơng số

Kích thước

Nội dung

Giá trị

Đơn vị

DxRxC

4115 x 1700 x 1475

mm

Chiều dài cơ sở

2550

mm

Chiều rộng cơ sở

(Trước/ Sau)

1475/1460

mm

Khoảng sáng gầm xe

135

mm

5,1

m

Trọng lượng khơng tải

1070

kg

Trọng lượng tồn tải

1500

kg

Bán kính vịng quay
tối thiểu

2

Trọng
lượng

Loại động cơ
3

Động cơ

4
5

2NR-FE, DOHC,
VTT-I kép

Dung tích cơng tác

1496

cc

Cơng suất tối đa

79 (107)/6000

Kw /rpm

Momen xoắn tối đa

140/4200

Nm /rpm

Dung tích bình nhiên
liệu

42L

L

Tiêu chuẩn
khí thải

Sinh viên thực hiện: Trần Minh Hải

Euro 4

Hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thái

3


Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015

Stt
6
7

8

9

Thông số

Nội dung

Giá trị

Hệ thống

Dẫn động cầu trước/

truyền động

FF

Hộp số

Hộp số vô cấp với 7
cấp

treo

Vành và lốp

MarPherson với thanh
cân bằng

Trước

Hệ thống

Đơn vị

Dầm xoắn với thanh

Sau

cân bằng

Loại vành

Mâm đúc (Alloy)

Kích thước lốp

185/60R15

Trước

Đĩa thơng gió

Sau

Đĩa đặc

10

Phanh

Trong đơ thị

Lít/100km

11

Mức tiêu
thụ nhiên

Ngồi đơ thị

Lít/100km

liệu

Kết hợp

Lít/100km

1.2. Giới thiệu một số hệ thống an toàn cơ bản trên xe Toyota Yaris-E
Toyota Yaris-E 2015 được đánh giá là mẫu xe hấp dẫn, phong cách hơn so với các
thế hệ đời cũ với diện mạo mới mẻ, mang phong cách trẻ trung. Toyota Yaris 2015 đã
thu hút được sự chú ý của rất nhiều người trong thời gian gần đây. Toyota Yaris E được
trang bị động cơ 1.5L với 4 xy lanh thẳng hàng, 16 van, trục cam kép DOHC cùng với
hệ thống điều phối van biến thiên thông minh VVT-I cho công suất tối đa 107 mã lực
tại số vòng quay 6000 vòng/phút và Momen xoắn cực đại đạt 140Nm tại số vòng quay
4200 vòng/phút. Hệ thống tiện ích trên chiếc Toyota Yaris-E 2015 được trang bị nhiều
cơng nghệ an tồn như:
- Hệ thống dây đai an tồn 3 điểm và túi khí (Airbag).

- Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS - Anti-Lock Braking System).
- Hệ thống hỗ trợ lực phanh khẩn cấp (BA – Brake Assist).
-

Hệ thống phân phối lực phanh điện từ (EBD – Electronic Brakeforce
Distribution).

Sinh viên thực hiện: Trần Minh Hải

Hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thái

4


Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015

1.2.1. Hệ thống dây đai an toàn 3 điểm và túi khí (Airbag)
1.2.1.1. Hệ thống đai an tồn
Chiếc dây đai an toàn được trang bị cho tất cả các loại xe hiện nay là dây đai ba
điểm do Nils Bohlin– một kỹ sư tại Volvo phát minh vào năm 1959. Đây là sáng chế
quan trọng nhất của hãng xe Thụy Điển Volvo. Không chỉ cứu sống cả triệu mạng
sống, dây an toàn 3 điểm được xem như là 1 trong 10 cơng nghệ an tồn quan trọng
nhất trong lịch sử ngành xe hơi.

Hình 1.2 Hệ thống dây đai an toàn 3 điểm
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
Hệ thống bao gồm hai điểm neo dưới (2) và (3), đặt cả 2 hai bên của người ngồi,
và một điểm neo trên (4) ở ngay phía trên của ghế ngồi ba điểm 4, 5,6 là cơ chế để dẫn
hướng cho dây đai (dây được cuộn ở trong hộp 9). Làm cho dây đai (7) khơng bị rối khi
kéo ra.

Hình 1.3 Cấu tạo và nguyên lý hệ thống dây đai an toàn 3 điểm

Sinh viên thực hiện: Trần Minh Hải

Hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thái

5


Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015

Nguyên lý làm việc cơ bản của dây đai an tồn rất đơn giản: Nó giữ chặt bạn khơng
cho bạn bay về trước và đập vào kính chắn gió hoặc va đập vào bảng đồng hồ khi chiếc
xe đột ngột dừng lại (do lực quán tính sinh ra khi xe dừng đột ngột hay va chạm). Các
dây an tồn của xe có khả năng co giãn rất tốt. Bạn có thể ngả người về trước trong khi
sợi dây vẫn đang ở trạng thái căng. Nhưng nếu có va chạm, dây an toàn sẽ đột ngột giữ
bạn chặt hơn vào ghế.
Hệ thống thứ nhất sẽ khoá ống xoay khi chiếc xe giảm tốc đột ngột (khi đâm phải
chướng ngại vật chẳng hạn). Nhân tố làm việc trung tâm của cơ cấu này là một quả nặng.
Khi chiếc xe dừng lại đột ngột, qn tính của vật nặng làm nó lắc về trước. Một vấu nằm
ở đầu kia của vật nặng lập tức chèn vào các răng của bánh răng kết nối với ống xoay. Vì
bị vấu cam giữ lại nên bánh răng không thể xoay theo ngược chiều kim đồng hồ nên
không thể làm cho ống xoay xoay theo được.
Hệ thống thứ hai khố ống xoay khi có vật gì đó giật mạnh sợi dây. Yếu tố làm
việc chính của thiết kế này là một ly hợp ly tâm – địn bẩy (1) có chốt xoay được lắp đặt
với ống xoay. Khi ống xoay quay chậm, địn bẩy khơng quay quanh trục của nó. Một lị
xo giữ nó ở ngun vị trí. Thế nhưng, nếu dây an tồn bị giật đột ngột, làm xoay mạnh
ống xoay, lực ly tâm làm cho vật nặng cuối địn bẩy bắn ra ngồi. Đòn bẩy văng ra đẩy
một vấu cam (5) vào một không gian của cơ cấu căng. Cam này được nối với một chốt

hãm bởi một chốt trượt trong rãnh nhỏ (4). Khi cam di chuyển sang trái, chiếc chốt di
chuyển dọc theo đường rãnh của chốt hãm. Điều này đã kéo chốt hãm vào một bánh
răng cóc (2) ăn khớp với ống xoay. Chốt hãm lập tức khoá các răng của bánh cóc khơng
cho nó quay ngược chiều kim đồng hồ, giữ ống xoay không cho dây trùng đi.
1.2.1.2. Hệ thống túi khí (Airbag)

Hình 1.4 Sơ đồ ngun lý hoạt động của hệ thống túi khí

Sinh viên thực hiện: Trần Minh Hải

Hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thái

6


Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015

Túi khí có nhiệm vụ bảo vệ người lái xe và hành khách trong xe khi xảy ra va
chạm. Khi có va đập mạnh từ phía trước khi xe đang vận hành thì túi khí sẽ tác động để
tránh sự chấn thương phần đầu hay mặt của người lái xe và hành khách phía trước đập
thẳng vào vơ lăng hay bảng táp lô.
Nguyên lý hoạt động:
Khi xe bị tai nạn và va đập mạnh từ phía trước, hệ thống túi khí phát hiện sự va
chạm và giảm tốc đột ngột của xe (thông qua các cảm biến túi khí). Sau đó phản ứng
hóa học trong bộ thổi khí ngay lập tức điền đầy túi bằng khí Nitơ khơng độc để giảm
nhẹ chuyển động về phía trước của hành khách. Điều này giúp bảo vệ đầu và mặt không
bị đập vào vành tay lái hay bảng Taplo.
Cấu tạo của một số bộ phận trong hệ thống túi khí:
- Bộ thổi khí và túi khí: Bộ thổi khí chứa ngịi nổ, chất cháy mồi, chất tạo khí…Túi
khí được làm bằng ny lơng có phủ một lớp chất dẻo trên bề mặt bên trong. Túi khí có

các lỗ thốt khí ở bên dưới để nhanh chóng xả khí nitơ sau khi túi khí đã bị nổ.
Khi các cảm biến túi khí bật do lực giảm tốc tạo ra khi xe bị đâm mạnh từ phía
trước, dịng điện chạy đến ngịi nổ và nóng lên. Kết quả là nhiệt này làm bắt cháy chất
cháy (chứa trong ngòi nổ) và làm lửa lan truyền ngay lập tức đến chất mồi và chất tạo
khí. Chất tạo khí tạo ra một lượng lớn khí nitơ, khí này đi qua màng lọc, được làm mát
và sau đó đi vào túi. Túi phồng lên trong khoang hành khách. Túi khí xẹp nhanh xuống
sau khi nổ do khí thốt qua các lỗ khí xả khí. Nó làm giảm lực va đập vào túi khí cũng
như đảm bảo tầm nhìn rộng.

Hình 1.5 Cấu tạo bộ phận thổi khí cho người lái
- Cảm biến va chạm: Cảm biến loại bán dẫn có độ nhạy và độ chính xác cao nên
được dùng trên hầu hết ôtô hiện nay. Cảm biến bao gồm một thước thẳng và một mạch
Sinh viên thực hiện: Trần Minh Hải

Hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thái

7


Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015

tích hợp. Cảm biến này đo và chuyển đổi lực giảm tốc. Tín hiệu này sau đó được gửi
đến bộ điều khiển trung tâm (ECU SRS) được dùng để đánh giá xem có cần kích hoạt
túi khí hay khơng.

a)

b)
Hình 1.6 Cấu tạo cảm biến va chạm
- Loại bán dẫn;

b. Loại cơ khí

Cảm biến loại cơ khí được đặt bên trong bộ thổi khí bao gồm một vật nặng (viên
bi) để phát hiện lực giảm tốc, một kim hỏa để kích ngịi nổ, các lị xo, các thiết bị an
toàn…Kim hỏa được cài vào trục kim hỏa hay vật nặng qua đĩa cam, do đó ngăn khơng
cho kim hỏa phóng ra. Khi lực giảm tốc do xe bị va chạm từ phía trước lớn hơn một giá
trị xác định, chuyển động của vật nặng thắng lực lò xo chốt tỳ hay lò xo xoắn. Kết quả
là kim hỏa được nhả ra khỏi trục kim hỏa hay đĩa cam. Kim hỏa sau đó phóng ra bằng
lực lị xo kim hỏa hay lị xo xoắn để kích ngịi nổ.
- Cáp xoắn:

Hình 1.7 Cấu tạo của cáp xoắn
1. Cáp; 2. Trục lái; 3. Bộ công tắc; 4. Phẩn quay; 5. Cam;
6. Giắc nối đến ngòi nổ; 7. Vỏ
Sinh viên thực hiện: Trần Minh Hải

Hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thái

8


Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015

Cáp xoắn được dùng để nối điện từ phía thân xe (cố định) đến vành tay lái (chuyển
động quay). Rôto quay cùng với vành tay lái. Cáp được đặt bên trong vỏ sao cho nó bị
chùng. Một đầu của cáp được gắn vào vỏ, còn đầu kia gắn vào rôto. Khi vành tay lái
quay sang phải hay trái, nó có thể quay được chỉ bằng độ chùng của cáp (2 và ½ vịng).
- Bộ điều khiển túi khí: Bộ điều khiển túi khí được lắp trên sàn xe nó bao gồm bộ
xử lý trung tâm và cảm biến va chạm. Bộ xử lý trung tâm nhận các tín hiệu từ cảm biến
va chạm, từ đó đánh giá xem có cần kích hoạt túi khí và chẩn đốn hư hỏng trong hệ

thống.Bộ điều khiển điện tử sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến va chạm để xác định gia tốc
giảm dần của xe. Khi bộ điều khiển nhận được tín hiệu gia tốc giảm dần đủ lớn, bộ điều
sẽ cung cấp dịng điện kích nổ túi khí tương ứng tạo ra túi đệm khí tránh cho phần đầu
và ngực của hành khách va đập trực tiếp vào các phần cứng của xe.Sau khi đã đỡ được
hành khách khỏi va chạm, túi khí sẽ tự động xả hơi nhanh chóng để khơng làm kẹt hành
khách trong xe.

a)
b)
Hình 1.8 Bộ điều khiển túi khí
a. Nhận tín hiệu từ cảm biển; b. Kích hoạt túi khí
1. SAS unit; 2. Cảm biến dự phịng; 3. Cảm biến va chạm; 4. Tín hiệu vào; 5. Bộ xử
lý trung tâm; 6. Bộ thổi khí
1.2.2. Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS - Anti-Lock Braking System)
Nhiệm vụ: Hệ thống chống hãm cứng bánh xe khi phanh (Antilock Braking
System) có nhiệm vụ tránh các bánh xe khỏi trượt lê trên đường khi phanh gấp nhằm
đảm bảo an toàn cho người lái xe.Khi xe chuyển động ở tốc độ khơng đổi thì tốc độ xe
(Vx) và tốc độ bánh xe (Vbx) là như nhau. Tuy nhiên, khi người lái xe tác động lên phanh
thì Vx và Vbx sẽ khác nhau. Sự khác biệt đó được đặc trưng bằng hệ số trượt tương đối
(λ) và được xác định theo biểu thức sau [4]:
Sinh viên thực hiện: Trần Minh Hải

Hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thái

9


Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015

𝑉𝑥 − 𝑤𝑏 . 𝑟𝑏𝑥

100%
(1.1)
𝑉𝑥
Để đảm bảo quá trình phanh đạt hiệu quả, tính ổn định và tính dẫn hướng cao thì
𝜆=

(λ) nằm trong giới hạn λo= (15-30)% (hệ số bám dọc φx đạt giá trị cực đại và hệ số bám
ngang φy cũng đạt giá trị cao).

Hình 1.9 Sự thay đổi hệ số bám dọc φx và ngang φy theo độ trượt
tương đối λ của bánh xe khi phanh
Như vậy, nhiệm vụ cơ bản của hệ thống ABS là giữ cho độ trượt tương đối của
bánh xe trong quá trình phanh đạt giá trị trong giới hạn λo.

Hình 1.10 Q trình phanh có và khơng có ABS trên đoạn đường cong

Sinh viên thực hiện: Trần Minh Hải

Hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thái

10


Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015

Nguyên lý điều chỉnh: Hệ thống chống hãm cứng bánh xe (ABS) thực chất là một
bộ điều chỉnh lực phanh có điều khiển phản hồi. Sơ đồ khối điển hình của ABS có
dạng như sau, bao gồm:

Hình 1.11 Sơ đồ tổng quát của một hệ thống ABS

1. Cảm biến tốc độ; 2. Bộ điều khiển; 3. Cơ cấu thực hiện; 4. Nguồn năng lượng;
5. Xylanh chính hoặc tổng van khí nén; 6. Xylanh bánh xe;
Bộ cảm biến 1, bộ phận điều chỉnh 2, bộ phận chấp hành hay cơ cấu thực hiện 3
và nguồn năng lượng 4. Bộ phận cảm biến 1 có nhiệm vụ phản ánh sự thay đổi của các
thông số được chọn để điều khiển (thường là tốc độ góc hay gia tốc chậm dần của bánh
xe hoặc giá trị độ trượt) và truyền tín hiệu đến bộ điều khiển 2.
Bộ phận 2 sẽ xử lý tín hiệu và truyền lệnh đến cơ cấu thực hiện 3 để tiến hành
giảm hoặc tăng áp suất dẫn động phanh.Chất lỏng được truyền từ xylanh chính (hay
tổng van khí nén) 5 qua 3 đến các xylanh bánh xe (hay bầu phanh) 6 để ép guốc phanh
và thực hiện q trình phanh.
Nếu bỏ qua mơmen cản lăn rất nhỏ và để đơn giản coi Zbx=const, thì phương trình
cân bằng mômen tác dụng lên bánh xe đối với trục quay của nó khi phanh có dạng:

𝑀𝑝 − 𝑀𝜑 − 𝐽𝑏 (

Sinh viên thực hiện: Trần Minh Hải

𝑑𝑤𝑏
)=0
𝑑𝑡

Hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thái

(1.2)

11


Nghiên cứu, thiết kế hệ thống an toàn trên xe Toyota Yaris E-2015

Hình 1.12 Các lực và mơmen tác dụng lên bánh xe khi phanh
Trong đó:
- Mp là mơmen phanh tạo nên bởi cơ cấu phanh
- Mφ là mômen bám của bánh xe với đường
- Jb là mơmen qn tính của bánh xe
- Wb là tốc độ góc của bánh xe.
Từ đó, ta có gia tốc chậm dần của bánh xe khi phanh:
𝑀𝑝 − 𝑀𝜑
𝑑𝑤𝑏
ℇ𝑏 = (
)=
𝑑𝑡
𝐽𝑏

(1.3)

Hình 1.13 Sự thay đổi Mp, Mφ và ℇb theo λ khi phanh có ABS
Đoạn 0-1-2 biểu diễn quá trình tăng Mp khi đạp phanh, Hiệu (Mp - Mφ) tỷ lệ với
gia tốc chậm dần ℇb của bánh xe. Hiệu trên tăng nhiều khi đường Mφ đi qua điểm cực
đại. Do đó sau thời điểm này, gia tốc ℇb chứng tỏ bánh xe sắp bị hãm cững và được sử
Sinh viên thực hiện: Trần Minh Hải

Hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thái

12