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

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------

ĐINH HẢI LÂM

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

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT Ô TÔ – MÁY KÉO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2009

HVTH: Đinh Hải Lâm


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC
BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học :

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại Học Bách KHoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày

tháng

năm

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ bao gồm:
1.
2.
3.
4.
5.

Chủ tịch hội đồng đánh giá LV

HVTH: Đinh Hải Lâm

Bộ mơn quản lí chun ngành


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến:
Thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Phó Hiệu Trưởng trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật, TP. Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn và động viên tơi trong suốt q trình
thực hiện luận văn.
Ban giám hiệu, phòng đào tạo Sau đại học, ban chủ nhiệm khoa Kỹ Thuật
Giao Thông trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã cho phép và tạo

điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn.
Tập thể giảng viên khoa Kỹ Thuật Giao Thông trường Đại học Bách Khoa
Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý
báu cho tơi trong suốt q trình tơi học Cao Học.
Ban Chủ nghiệm và các đồng nghiệp trong Khoa Cơ Điện, Đại học Lạc Hồng
đã tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn này.
Tập thể học viên lớp cao học Kỹ Thuật Ơ tơ máy kéo Khóa 2007 đã giúp đỡ
tơi trong q trình học tập và thực hiện đề tài.

HVTH: Đinh Hải Lâm


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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 ô tô 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, không chỉ trên các xe đắt tiền.
MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN
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. Luận văn Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống xác định khoảng cách từ
ô tô 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 cơng mơ hình.

HVTH: Đinh Hải Lâm


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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 mơ phỏng khi xe gặp chướng ngại vật và cách yêu
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 toán các kết quả đo.
5. Sử dụng đồ thị để đánh giá kết quả của mơ hình
6. Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề tài.
ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN
- 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 thông.

HVTH: Đinh Hải Lâm


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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 phịng 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 tồn 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 không 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

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 1


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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:

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 xinhan 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 yên 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.

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 2

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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 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.
Ngồi hệ thống phát hiện chướng ngại vật, LS460 cịn 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 khơng bị lật cịn bộ kiểm sốt động lực chọn phương pháp
phanh tối ưu nhằm tránh hiện tượng trượt.

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 3

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

Bên cạnh đó, để hệ thống phát hiện chướng ngại vật hoạt động hiệu quả, LS460
còn trang bị công 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 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

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 4


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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 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.

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 5


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 6


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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 những chiếc xe lắp loại gương này. Bên cạnh gương quan sát điểm mù thì
Ford cịn 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.

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 7


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

Hình 1.6: Hệ thống an tồn thông 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
tồn 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 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

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 8


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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 tồn 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 toàn bên trong xe sẽ được kích hoạt để
thơng 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 toàn 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.

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 9


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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).

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 10


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

• 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 khơng sự xuất hiện đối tượng trong vùng cảm
nhận của cảm biến. Tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông 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 cơng 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

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 11


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

số từ 5MHz trở lên. Tần số hoạt động của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách
phát hiện 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 khơng 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

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 12


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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 khoảng cách xác định. Khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh bởi người sử
dụng. Ngồi ra để cảm biến khơng 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 không 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 u 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.

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 13

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

- 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 không đồng đều của không khí, bụi bẩn bay trong
khơng khí gây ảnh hưởng đến kết quả đo.
- 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 không chính
xác.

Hình 2.6. Vị trí lắp đặt cảm biến siêu âm

Hình 2.7: Đối tượng có bề mặt gồ ghề khơng u cầu cảm biến đặt ở vị trí chính xác

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 14


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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).

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.

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 15


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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:

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 16


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 17


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 18

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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 :

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 19


GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

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
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 :

HVTH: Đinh Hải Lâm

Trang 20