Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh điều khiển bằng arduino

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH ĐIỀU KHIỂN BẰNG ARDUINO NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Ths NGUYỄN VĂN BẢN Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Bùi Hoàng Duy 1711250818 17DOTB2 Nguyễn Minh Duy 1711251014 17DOTB2 Võ Minh Duy 1711251020 17DOTB2 Tp Hồ Chí Minh, năm 2021 ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập tại trường Đại học Công nghệ Tp Hồ Chí Minh, đây là khoảng thời.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Đặt vấn đề

Ô tô là phương tiện di chuyển phổ biến trên toàn cầu, nhưng tại Việt Nam, tỷ lệ sở hữu ô tô còn thấp, chỉ khoảng 23 xe/1000 dân Tuy nhiên, trong 3 năm qua, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đã có sự phát triển nhanh chóng với tốc độ tăng trưởng trung bình từ 20-30% mỗi năm Đến năm 2020, Việt Nam đã vượt qua Philippines về cả sản xuất và doanh số bán hàng ô tô.

Ô tô ngày càng trở nên phổ biến nhờ vào sự phát triển của cuộc cách mạng 4.0, trong đó các thiết bị thông minh đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ con người Các hãng ô tô trên thế giới liên tục nghiên cứu và áp dụng công nghệ tiên tiến, biến ô tô thành phương tiện thông minh không chỉ phục vụ di chuyển mà còn giúp giảm thiểu tai nạn giao thông.

Khi tham gia giao thông, não bộ phải xử lý nhiều thông tin cùng lúc như tốc độ lái xe, quan sát các xe xung quanh, bật đèn tín hiệu, và chú ý biển báo Điều này khiến người lái dễ bị quá tải thông tin, đặc biệt trong các tình huống bất ngờ, dẫn đến việc xử lý không kịp hoặc sai lầm Sự bất cẩn chỉ trong một giây có thể gây ra tai nạn nghiêm trọng, ảnh hưởng đến tính mạng của cả người lái và những người tham gia giao thông khác Do đó, sự hỗ trợ từ ô tô là rất cần thiết để giảm thiểu rủi ro và nâng cao an toàn khi lái xe.

Hệ thống chiếu sáng trên ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn giao thông, ảnh hưởng trực tiếp đến cả người lái xe và những người tham gia giao thông khác Việc sử dụng đèn chiếu sáng đúng cách giúp tăng cường khả năng quan sát, giảm thiểu nguy cơ tai nạn và tạo điều kiện cho các phương tiện khác nhận diện xe của bạn dễ dàng hơn Do đó, việc hiểu rõ tầm quan trọng của hệ thống chiếu sáng ô tô là cần thiết để nâng cao an toàn cho tất cả mọi người trên đường.

Người lái xe thường quên tắt đèn chiếu sáng ban ngày, gây hao tổn năng lượng và giảm tuổi thọ của cụm đèn Tình trạng này phổ biến ở những tài xế làm công việc vận chuyển xa xuyên đêm.

Tình trạng người lái xe quên bật đèn chiếu sáng vào ban đêm đang trở thành mối nguy hiểm trong giao thông, đặc biệt khi hệ thống đèn đường phát triển ở khu vực thành thị giúp họ có thể di chuyển mà không cần bật đèn Điều này gây khó khăn cho người tham gia giao thông đi hướng đối diện, đặc biệt trong điều kiện thời tiết xấu như mưa, khi tầm nhìn bị hạn chế Tai nạn có thể xảy ra do bất ngờ gặp phải xe đối diện mà không kịp xử lý Ngoài ra, việc quên bật đèn chiếu sáng không chỉ tiềm ẩn nguy hiểm đến tính mạng mà còn vi phạm pháp luật Việt Nam, theo "Nghị định 100/2019" quy định rằng người điều khiển xe phải bật đèn từ 19 giờ đến 5 giờ hôm sau, với mức phạt từ 800 nghìn đến 1 triệu đồng nếu không tuân thủ.

Hình 1.1: Ô tô vào khung bắt buộc bật đèn chiếu sáng [26]

Đèn pha, hay còn gọi là đèn chiếu xa, là chế độ chiếu sáng mạnh mẽ, giúp người lái xe nhìn rõ vật ở xa trong điều kiện thiếu ánh sáng, đặc biệt là trên cao tốc và đường ngoại ô Tuy nhiên, việc sử dụng đèn pha trong khu vực đông dân cư có thể gây chói mắt cho người lái xe đối diện, dẫn đến nguy cơ tai nạn Nhiều tài xế thường quên tắt đèn pha khi vào thành phố hoặc để chế độ này do thói quen giao thông không đúng cách, gây khó khăn và nguy hiểm cho những người tham gia giao thông khác.

Hình 1.2: Cảnh sát xử phạt bật đèn pha gây sai quy định [26]

Hệ thống chiếu sáng sương mù trên ô tô đã tồn tại từ lâu và được thiết kế đặc biệt để cải thiện khả năng quan sát trong điều kiện thời tiết sương mù Chức năng chính của hệ thống này là cung cấp ánh sáng mạnh mẽ và chiếu thấp xuống mặt đường, giúp người lái dễ dàng nhận diện các chướng ngại vật và duy trì an toàn khi di chuyển trong điều kiện tầm nhìn hạn chế.

Đèn sương mù tiêu chuẩn ở đầu xe phát ra ánh sáng mạnh và rộng trong khoảng cách 20m, giúp tài xế quan sát tốt hơn trong điều kiện sương mù Tuy nhiên, khi sử dụng trong điều kiện bình thường, đèn sương mù có thể gây rủi ro tai nạn vì làm giảm tầm nhìn xa Hiện nay, đèn sương mù chỉ được bật bằng thao tác của người lái xe, dẫn đến tình trạng quên tắt, gây hao hụt điện năng, giảm tuổi thọ của đèn và có thể gây nguy hiểm cho người lái nếu không chú ý.

Hình 1.3: Ô tô bật đèn sương mù trong thời tiết sương mù [21]

Đèn chiếu sáng thông thường thường gặp phải vấn đề thiếu ánh sáng ở các góc gần bên trái hoặc bên phải của xe, đặc biệt khi di chuyển trên những cung đường cua hẹp hoặc không thẳng Tình trạng này có thể làm tăng căng thẳng cho người lái, vì họ phải tập trung hơn để quan sát, dẫn đến nguy cơ cao xảy ra tai nạn khi gặp phải vật cản bất ngờ trong những khu vực tối tăm đó.

Hình 1.4: Ô tô thiếu sáng khi vào đoạn đường cua, không thẳng [13]

Hiện nay, công nghệ thông minh trong giao tiếp với con người đang ngày càng trở nên phổ biến Đèn chiếu sáng trên xe không chỉ đơn thuần là nguồn sáng mà còn đóng vai trò là tín hiệu giao tiếp với người lái thông qua các cử chỉ như nháy sáng hoặc hiệu ứng ánh sáng Vì vậy, việc tích hợp hệ thống chào hỏi bằng tín hiệu chiếu sáng đã trở thành một xu hướng mà nhiều hãng xe đang theo đuổi nhằm hoàn thiện hệ thống chiếu sáng thông minh.

Tầm quan trọng của đề tài

Hơn 90% thông tin mà con người tiếp nhận được qua hình ảnh từ đôi mắt, vì vậy hệ thống chiếu sáng ô tô trở nên cực kỳ quan trọng khi lái xe trong điều kiện thiếu ánh sáng Ánh sáng giúp người lái nhận diện nguy hiểm và xử lý tình huống khi tầm nhìn bị hạn chế Nhận thức được tầm quan trọng này, các hãng xe không ngừng nghiên cứu và phát triển hệ thống chiếu sáng với nhiều tiện ích hỗ trợ người lái Mặc dù nghiên cứu và chế tạo hệ thống chiếu sáng thông minh trên ô tô không còn mới, nhưng vai trò của nó vẫn luôn quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô.

Ý nghĩa đề tài

Chúng em mong muốn nâng cao sự phổ biến của hệ thống chiếu sáng thông minh cho người lái xe phân khúc thấp, nhằm tăng cường an toàn khi lái vào ban đêm Bên cạnh việc cải thiện tính thông dụng và an toàn, chúng em còn muốn tích hợp các tính năng tiện ích để tiết kiệm điện năng, từ đó kéo dài tuổi thọ của cụm đèn.

Lý do chọn đề tài

Hệ thống chiếu sáng trên ô tô hiện nay còn nhiều bất cập, không đáp ứng đầy đủ nhu cầu hỗ trợ người lái Do đó, các hãng xe trên thế giới đang phát triển hệ thống chiếu sáng thông minh nhằm khắc phục những hạn chế này, tạo ra trải nghiệm lái xe an toàn và tốt hơn Điều này thể hiện rõ tầm quan trọng của đề tài, là động lực thúc đẩy chúng tôi thực hiện nghiên cứu và chế tạo mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh trên ô tô, tích hợp nhiều chức năng và tiện ích, giúp người lái có trải nghiệm tối ưu hơn.

Tình hình nghiên cứu

Hệ thống chiếu sáng thông minh trên ô tô đã thu hút sự chú ý lớn từ nhiều hãng xe trên toàn cầu Được giới thiệu lần đầu vào năm 2002 trên Audi A8, công nghệ này đã không ngừng phát triển và hoàn thiện Hiện nay, các hệ thống như Matrix Led của Audi, Adaptive Led của BMW và MultiBeam Led của Mercedes-Benz, được trang bị trên các dòng C-class, E-class, S-class, nổi bật với khả năng tự động điều chỉnh góc chiếu khi vào cua Những cải tiến này không chỉ nâng cao an toàn mà còn mang lại trải nghiệm lái xe tốt hơn cho người dùng.

Hệ thống chỉnh chiếu sáng pha tự động giúp giảm độ chói mắt cho tài xế đối diện và điều chỉnh chùm sáng khi gặp người đi xe đạp ngược chiều Ngoài ra, nó còn có khả năng giao tiếp với người lái thông qua hình ảnh chiếu xuống mặt đường Mặc dù mang lại nhiều tiện ích, nhưng hệ thống này chủ yếu được trang bị trên các dòng xe cao cấp, nên chưa phổ biến với đa số người dùng.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là phát triển hệ thống chiếu sáng thông minh điều khiển bằng Arduino nhằm khắc phục các vấn đề hiện tại của hệ thống chiếu sáng Chúng tôi đặt ra các mục tiêu cụ thể để nghiên cứu và chế tạo giải pháp hiệu quả cho hệ thống này.

Việc khắc phục tình trạng quên bật hoặc tắt hệ thống chiếu sáng ô tô không chỉ giúp kéo dài tuổi thọ của hệ thống chiếu sáng mà còn giảm thiểu nguy cơ cho cả người lái xe và những người tham gia giao thông khác.

Giảm khả năng gây chói mắt của đèn pha vào ban đêm đối với người tham gia giao thông đối diện từ đó giảm nguy cơ gây tai nạn;

Khắc phục tình trạng quên bật hoặc tắt đèn sương mù là giải pháp hiệu quả giúp tăng cường khả năng quan sát trong điều kiện sương mù hoặc thời tiết xấu Điều này giúp người lái xe không bị hạn chế tầm nhìn, từ đó đảm bảo an toàn hơn khi lái xe trong các điều kiện bình thường.

Mở rộng vùng chiếu sáng hai bên xe khi vào khúc cua hoặc đoạn đường cong giúp người lái xe phát hiện kịp thời chướng ngại vật và xử lý an toàn.

Tạo hiệu ứng chiếu sáng sinh động;

Tạo ra hệ thống chiếu sáng thông minh phù hợp với thực tế

Các kết quả hướng đến

Hệ thống chiếu sáng thông minh trên ô tô không chỉ giúp người lái tránh bị phạt do lỗi liên quan đến ánh sáng mà còn nâng cao tầm nhìn vào ban đêm, từ đó giảm thiểu nguy cơ tai nạn giao thông Bên cạnh đó, hệ thống này còn cung cấp nhiều tiện ích, làm cho việc lái xe trở nên thuận tiện hơn Qua đó, có thể thấy rõ ý nghĩa và tầm quan trọng của hệ thống chiếu sáng thông minh trong thực tiễn.

Nhóm nghiên cứu hướng đến việc cung cấp kiến thức về hệ thống chiếu sáng thông minh trên ô tô, giúp người đọc hiểu rõ tầm quan trọng và ý nghĩa của nó trong cuộc sống Hệ thống này hiện đang có tiềm năng phát triển lớn trên toàn cầu, đặc biệt là trong thị trường ô tô tại Việt Nam.

Nhiệm vụ đề tài

Đề tài được thực hiện với những nhiệm vụ sau đây:

 Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống chiếu sáng thông minh trên ô tô;

 Nghiên cứu tổng quan hệ thống chiếu sáng – tín hiệu trên ô tô;

 Lắp đặt hệ thống chiếu sáng – tín hiệu thông minh;

 Kiểm tra, chạy thử và hoàn thiện mô hình;

 Biên soạn đề tài lý thuyết.

Phương pháp nghiên cứu

Mục tiêu của việc thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh trên ô tô là tạo ra một giải pháp thực tiễn Để đạt được điều này, nghiên cứu sẽ dựa trên các phương pháp nghiên cứu phù hợp nhằm đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu phân tích và tổng hợp lý thuyết bao gồm việc thu thập và tổng hợp thông tin từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau như sách, báo, và đồ án của các khóa trước.

 Phương pháp nghiên kế thừa các công thức đã thực nghiệm;

Phương pháp thực nghiệm mô hình hóa bao gồm việc chạy thử và thu thập các thông số từ mô hình, giúp so sánh và đánh giá dữ liệu Từ đó, đưa ra những phương án khả thi nhằm hoàn thiện đồ án một cách hiệu quả.

 Phương pháp tiếp cận các đồ án nghiên cứu, thiết kế hệ thống chiếu sáng thông đã có trên thực tế.

Kết cấu đồ án tốt nghiệp

Nội dung đồ án gồm các phần:

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 2: Tổng quan hệ thống chiếu sáng ô tô

Chương 3: Hệ thống chiếu sáng thông minh trên ô tô

Chương 4: Tính toán và thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh trên ô tô

Chương 5: Thi công sản phẩm

TỔNG QUAN HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG Ô TÔ

Giới thiệu hệ thống chiếu sáng ô tô

Sự phát triển của đèn ô tô đã trải qua nhiều giai đoạn, bắt đầu từ thời kỳ công nghệ chưa phát triển Khi đó, việc nhìn thấy trong bóng tối chủ yếu dựa vào việc đốt các nguyên liệu cháy kết hợp với các thành phần hỗ trợ sự cháy, tạo ra ánh sáng từ quá trình cháy.

Ngày nay, đèn chiếu sáng điện năng tiêu tốn nhiều năng lượng, gây lãng phí và không hiệu quả Nhằm khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học đã phát triển công nghệ đèn ô tô, tập trung vào việc tìm kiếm phương pháp chiếu sáng hiệu quả hơn.

Sơ khởi đèn chiếu sáng ô tô

Đèn pha Axetilen, loại đèn pha đầu tiên được sử dụng trên ô tô vào những năm 1880, hoạt động bằng cách đốt cháy khí Axetilen, được tạo ra từ phản ứng giữa nước và Canxi Cacbua.

Một trong những nhược điểm lớn nhất của đèn là việc phát sinh khí độc trong quá trình hoạt động Ngoài ra, ngọn lửa cũng dễ bị dập tắt khi gặp gió mạnh, do đèn không được che chắn trong lúc cháy.

Hình 2.1: Đèn khí axetilen được dùng cho ô tô thời kì đầu [9]

Đèn pha ô tô sử dụng điện

Vào đầu thế kỷ 20, đèn sợi đốt đã đánh dấu bước tiến đầu tiên trong hệ thống chiếu sáng ô tô, với sợi vonfram bên trong đèn phát sáng khi có dòng điện chạy qua, tạo ra nhiệt độ cao Ưu điểm của loại đèn này là giá thành rẻ và dễ dàng thay thế.

Nhược điểm: Sử dụng quá nhiều năng lượng để có thể đốt nóng sợi đốt để tạo ra ánh sáng, đồng thời tỏa ra nhiệt năng rất lớn

Hình 2.2: Bóng đèn dây tóc ứng dụng trong hệ thống chiếu sáng ô tô [9]

Đèn pha xenon

Đầu những năm 1990, các nhà khoa học cho ra đời loại đèn có cấu tạo là 1 bóng kín bên trong được bơm khí xenon

Hình 2.3: Đèn pha xenon được phát minh đầu thập niên 90 thế kỉ 20 [9] Ưu điểm vượt trội hơn các loại đèn trước đây:

 Tuổi thọ của bóng đèn xenon ô tô cao hơn so với các loại đèn thông thường khác;

 Hoạt động bền bỉ, ít hư hỏng và mức độ tiêu thụ điện năng rất ít, làm giảm khí thải CO2 ra môi trường;

 Với độ phát sáng tốt giúp cho người sử dụng có khả năng quan sát tốt khi trời tối, sương mù;

 Bóng đèn xenon cần một nguồn điện lớn để khởi động, nhưng sau đó lại cần rất ít điện năng để duy trì độ sáng ổn định

 Ánh sáng mạnh gây chói mắt người phía đối diện;

Đèn LED

Kể từ khi vật liệu bán dẫn được phát minh, đèn LED sử dụng diot phát quang đã ra đời, mang lại ánh sáng mạnh mẽ với mức tiêu thụ năng lượng thấp Vào đầu thế kỷ 21, sự xuất hiện của đèn LED đã mở ra cơ hội cho sự phát triển của hệ thống chiếu sáng trên xe, đặc biệt là hệ thống chiếu sáng thông minh.

Hình 2.4: Bóng LED được trang bị vào ô tô đầu thế kỉ 21 [9] Ưu điểm đèn led:

 Cho ánh sáng ổn định, sáng, đa dạng màu;

 Tiêu thụ năng lượng thấp;

Đèn pha Laser

Đèn pha laser là công nghệ chiếu sáng tiên tiến nhất hiện nay trong ngành ô tô, với sản phẩm đầu tiên là BMW i8 Công nghệ này sử dụng ba diode để hội tụ chùm sáng laser xanh vào một thấu kính, sau đó thấu kính này kết hợp ba chùm sáng thành một chùm duy nhất Cuối cùng, chùm sáng này đi qua thấu kính phốt pho, chuyển đổi thành ánh sáng trắng.

Hiện nay, chỉ một số ít hãng xe như Audi và BMW áp dụng công nghệ pha Laser vào các mẫu xe của mình Công nghệ này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.

 Hiệu quả chiếu sáng cao hơn nhiều lần so với các loại đèn pha thông thường;

 Đèn có độ thẩm mĩ cao

 Lắp đặt phức tạp, giá thành rất cao;

 Tỏa nhiệt lớn nên phải đi kèm bộ tản nhiệt

Hình 2.5: Đèn đầu của xe Audi Sport Quattro bản concept [4]

Yêu cầu và nhiệm vụ của hệ thống chiếu sáng ô tô

2.7.1 Yêu cầu Đối với đèn soi sáng mặt đường người ta dùng đèn pha với khoảng cách chiếu xa ít nhất 100m phía trước xe Vậy để chiếu sáng quãng đường xa đó thì chùm tia sáng phải có cường độ chiếu sáng cao Do đó trong các đèn pha cũng như các loại đèn chiếu sáng khác đều phải có bộ phận phản chiếu để định hướng chùm tia sáng vào những khu vực cần chiếu sáng

Yêu cầu về khoảng chiếu sáng cho đèn pha ô tô là từ 180 đến 250m cho chiếu xa và từ 50 đến 75m cho chiếu gần, với công suất tiêu thụ mỗi bóng đèn từ 45 đến 70W cho chế độ chiếu xa và từ 35 đến 40W cho chế độ chiếu gần Tuy nhiên, nếu đèn quá sáng, nó có thể làm loá mắt các phương tiện đi ngược chiều, gây mất định hướng và tiềm ẩn nguy cơ tai nạn Do đó, đèn pha cần phải đảm bảo cường độ chiếu sáng lớn nhưng vẫn không làm loá mắt người lái xe đối diện.

Đèn sương mù cần giải quyết vấn đề phản chiếu và lóa cho lái xe đi ngược chiều, với khoảng sáng tối thiểu 25m để phát huy hiệu quả Vùng sáng được mở rộng hai bên lề đường giúp người lái xe giảm tốc độ hoặc né tránh các chướng ngại vật nguy hiểm.

Đèn phanh phải sáng khi người lái đạp phanh và có cường độ sáng cao hơn đèn hậu Khi muốn báo hiệu hướng di chuyển tại điểm giao cắt hoặc khi quay đầu, người lái cần sử dụng đèn xi nhan với tín hiệu rõ ràng, bật trước khi chuyển hướng khoảng 30-40m để thông báo cho các phương tiện xung quanh Các đèn chiếu sáng phía trước, đèn báo rẽ, đèn vị trí và đèn phanh cần được lắp đặt thành cặp, cùng màu, có đặc tính quang học giống nhau và được đặt đối xứng qua mặt phẳng trung tuyến dọc xe.

Đèn lùi phải được bật sáng khi cần số ở vị trí số lùi và công tắc khởi động động cơ ở chế độ hoạt động Độ sáng của đèn lùi cần đủ để người lái có thể quan sát rõ ràng phía sau xe.

Hệ thống chiếu sáng đóng vai trò quan trọng trong việc thông báo sự hiện diện của xe và cung cấp tín hiệu khi xe thay đổi trạng thái di chuyển Bên cạnh đó, hệ thống này còn nâng cao khả năng vận hành cho người lái bằng cách cải thiện tầm nhìn vào ban đêm và hỗ trợ quan sát trong các điều kiện đường phức tạp như tuyết, sương mù và mưa lớn.

Hệ thống chiếu sáng ô tô có ba nhiệm vụ cơ bản đó là nhiệm vụ chiếu sáng, nhiệm vụ tín hiệu và nhiệm vụ thông báo:

Nhiệm vụ chiếu sáng trên ô tô là cực kỳ quan trọng, vì nó giúp đảm bảo an toàn khi di chuyển trong điều kiện ánh sáng kém Hệ thống chiếu sáng được thiết kế nhằm soi sáng đường đi, giúp người lái dễ dàng quan sát và điều khiển xe một cách an toàn.

Sử dụng đèn sương mù không chỉ giúp tăng cường tầm nhìn cho tài xế trong điều kiện thời tiết xấu như sương mù và mưa, mà còn thông báo sự hiện diện của xe, đảm bảo an toàn khi di chuyển.

 Hệ thống chiếu sáng còn có nhiệm vụ báo tín hiệu hướng chuyển động, quay đầu xe hay vượt xe khác, thông báo xe đang phanh;

Hệ thống chiếu sáng trên ô tô không chỉ cung cấp ánh sáng cho không gian trong xe mà còn hiển thị các thông số hoạt động của các hệ thống khác thông qua bảng táp lô, giúp tài xế dễ dàng theo dõi tình trạng xe.

Phân loại và chức năng các loại đèn trong hệ thống chiếu sáng ô tô

Đèn đầu xe, bao gồm đèn chiếu xa và chiếu gần, giúp tài xế quan sát phía trước trong điều kiện tầm nhìn hạn chế, thường sử dụng bóng halogen, xenon hoặc led Đèn sương mù tăng cường ánh sáng gần xe, rất hữu ích trong điều kiện đường mờ sương khi đèn đầu xe không hiệu quả, thường sử dụng bóng halogen và led Đèn nháy pha cho phép tài xế ra hiệu cho các xe khác mà không cần sử dụng công tắc đèn chính, tự động trở về trạng thái ban đầu khi ngừng tác động Đèn phanh cảnh báo xe phía sau giữ khoảng cách an toàn khi xe phía trước phanh, thường sử dụng bóng dây tóc và led Cuối cùng, đèn lùi sáng lên khi xe vào số lùi, giúp các phương tiện và người đi đường nhận biết, thường sử dụng bóng dây tóc.

Trên táp lô của xe, có 18 đèn báo thể hiện các thông số và trạng thái hoạt động của hệ thống, đồng thời cảnh báo khi có lỗi xảy ra Những đèn này thường sử dụng bóng LED Ngoài ra, đèn tín hiệu được sử dụng để thông báo cho các xe phía sau và xe ngược chiều khi xe chuẩn bị đổi làn, giúp các phương tiện khác chú ý hơn, thường sử dụng bóng dây tóc và LED.

Nhược điểm của hệ thống chiếu sáng ô tô truyền thống

Hệ thống chiếu sáng ô tô truyền thống đã đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện an toàn khi lái xe, đặc biệt là trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc thời tiết xấu Tuy nhiên, với sự gia tăng liên tục của mật độ giao thông, các tài xế cần phải chú ý nhiều hơn để đảm bảo an toàn cho bản thân và những người xung quanh.

Hệ thống chiếu sáng thông thường chỉ cung cấp ánh sáng ở một góc độ cố định, không đủ để đáp ứng nhu cầu thực tế trên các tuyến đường phức tạp tại Việt Nam Với sự hiện diện của nhiều phương tiện giao thông, các đoạn đường hẹp và khúc khuỷu, cùng với những khu vực chưa được trang bị đèn đường, tầm nhìn của người lái xe bị hạn chế Điều này không chỉ làm gia tăng căng thẳng cho người lái mà còn tăng nguy cơ xảy ra tai nạn giao thông.

Hệ thống chiếu sáng thông thường không đáp ứng đủ nhu cầu mở rộng góc độ quan sát khi xe chuyển làn hoặc rẽ, đặc biệt là ở những khúc cua hoặc đường uốn lượn Việc lắp đặt thêm nguồn sáng phụ bên hông ô tô có thể gây chói mắt và nguy hiểm cho các phương tiện đối diện Do đó, hệ thống chiếu sáng thông minh đã được phát triển nhằm cải thiện tầm nhìn cho phương tiện vào ban đêm, đồng thời giảm thiểu rủi ro tai nạn do thiếu ánh sáng ở những đoạn đường không thẳng hoặc hẹp.

HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH TRÊN Ô TÔ

3.1 Cải tiến công nghệ chiếu sáng trên ô tô

Ra mắt vào năm 2002, đèn liếc tĩnh đã chứng minh khả năng quan sát vượt trội trong những khu vực hạn chế mà hệ thống chiếu sáng thông thường không thể đáp ứng.

Hệ thống đèn liếc tĩnh hoạt động dựa trên bộ xử lý trung tâm, nhận tín hiệu từ các cảm biến trên xe như cảm biến góc đánh vô lăng và cảm biến tốc độ, cùng với tín hiệu từ đèn xi nhan Khi tốc độ xe không vượt quá 40km/h, bộ điều khiển trung tâm sẽ kích hoạt hệ thống đèn liếc tĩnh Bộ điều khiển này tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến để điều chỉnh cường độ và vùng chiếu sáng, phù hợp với điều kiện đường xá và thời tiết.

Cho đến khi Audi áp dụng ý tưởng đèn liếc cố định này lên mẫu xe Audi A8 với những cải tiến sau:

Nguồn sáng được lắp đặt bên cạnh đèn cốt thông thường, với ba yếu tố chính quyết định việc bật tắt đèn liếc Đèn này chỉ được kích hoạt khi xe vào cua gấp hoặc rẽ phải, rẽ trái.

 Tình trạng của đèn tín hiệu ( bật hoặc tắt )

Như vậy khi xe chạy nhanh và chuyển làn đường, đèn liếc không được kích hoạt dù rằng người lái có bật tín hiệu theo hướng mong muốn

Chỉ khi góc đánh tay lái đủ lớn , tốc độ không nhanh quá cộng với việc đèn tín hiệu được bật thì hệ thống này mới hoạt động

Hình 3.1: Ánh sáng đèn đầu xe trang bị đèn liếc tĩnh [28] abblendlicht: ánh đèn đèn pha phía trước; statisches kurvenlicht: ánh sáng từ đèn liếc tĩnh khi vào cua

Hình 3.2: Các loại đèn có thể gắn trên động cơ bước trong hệ thống đèn liếc tĩnh

Hệ thống đèn liếc tĩnh AFS được phát triển cùng với sự cải tiến trong công nghệ chiếu sáng ô tô, cho phép tích hợp các loại bóng như Halogen và Xenon với động cơ bước Những ưu điểm của hệ thống này bao gồm khả năng cải thiện tầm nhìn và an toàn khi lái xe vào ban đêm hoặc trong điều kiện thời tiết xấu.

 Vùng chiếu sáng góc tĩnh rộng hơn vùng chiếu sáng góc động;

 Ít tốn kém chi phí khi lắp đặt;

 Dễ sửa chữa hoặc thay thế, lắp đặt đơn giản

Nhược điểm: Chiếu sáng góc tĩnh không linh hoạt bằng chiếu sáng góc động

Hiện nay, nhiều dòng xe cao cấp tại Việt Nam được trang bị công nghệ tiên tiến nhằm đảm bảo an toàn cho người lái, trong đó đèn liếc là một tính năng quan trọng không thể thiếu ở các thương hiệu như BMW, Mercedes-Benz, Volvo và Audi Bên cạnh đó, thị trường Việt Nam cũng có các nhà phân phối và sản xuất sản phẩm đèn liếc tĩnh, điển hình là đèn liếc tĩnh Hella Dyna View EVO 2 từ nhà sản xuất Hella.

Mặc dù đã có nhiều tiến bộ trong hệ thống chiếu sáng vào đầu thế kỷ 21, nhưng hệ thống này vẫn dễ bị hư hỏng khi tiếp xúc với đường gồ ghề trong thời gian dài, dẫn đến việc góc dịch chuyển của động cơ bước trở nên không chính xác.

3.1.2 Đèn liếc động Đèn liếc động là ý tưởng phát triển dựa trên đèn liếc tĩnh Ý tưởng này cung cấp một nguồn sáng kịp thời và linh động hơn đèn liếc tĩnh khi mà nguồn sáng sẽ di chuyển qua lại dựa trên góc đánh lái

Đèn liếc động được thiết kế để điều chỉnh tốc độ liếc theo tốc độ xe, giúp ánh sáng luôn gắn liền với phương tiện Khi xe ôm cua nhanh, đèn sẽ liếc nhanh chóng, còn khi di chuyển chậm, đèn sẽ liếc từ từ Điều này mang lại sự an toàn và tiện lợi cho người lái trong mọi tình huống.

Đèn liếc động hoạt động dựa trên hệ thống cảm biến trên xe, như góc đánh vô lăng và cảm biến tốc độ, để điều chỉnh vùng chiếu sáng Điểm đặc biệt của đèn liếc động là khả năng tự điều chỉnh theo tốc độ di chuyển của xe; khi vào cua nhanh, đèn sẽ liếc nhanh, và khi vào cua chậm, đèn sẽ liếc chậm Điều này giúp cải thiện tầm nhìn của người lái và đảm bảo nguồn sáng luôn đồng hành cùng hướng di chuyển, mang lại cảm giác thoải mái và hài hòa khi lái xe.

Hệ thống đèn liếc có khả năng điều chỉnh góc liếc lên đến 15 độ mỗi bên, mang lại hiệu quả tối ưu khi xe vào cua hoặc di chuyển trên những con đường vòng cung lớn.

Hình 3.3: Minh họa sự hiệu quả của đèn liếc động [20]

Đèn liếc cung cấp ánh sáng kịp thời bên phải, giúp phát hiện người đi đường chuẩn bị sang đường, giảm nguy cơ tai nạn Trong khi đó, đèn pha thông thường không chiếu tới góc độ này, có thể dẫn đến tình huống nguy hiểm.

Đèn pha chuyển động nhờ vào động cơ Servo, loại động cơ điện có khả năng quay theo từng bước nhỏ thông qua việc điều khiển từ nguồn điện.

HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH TRÊN Ô TÔ

Cải tiến công nghệ chiếu sáng trên ô tô

Ra mắt vào năm 2002, đèn liếc tĩnh đã chứng minh hiệu quả vượt trội trong việc quan sát ở những khu vực hạn chế của hệ thống chiếu sáng thông thường.

Hệ thống đèn liếc tĩnh hoạt động dựa trên bộ xử lý trung tâm nhận tín hiệu từ các cảm biến trên xe như cảm biến góc đánh vô lăng và cảm biến tốc độ, cùng với tín hiệu từ đèn xi nhan Khi tốc độ xe không vượt quá 40km/h, bộ điều khiển trung tâm sẽ kích hoạt hệ thống đèn liếc tĩnh, tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến để điều chỉnh cường độ và vùng chiếu sáng phù hợp với điều kiện đường xá và thời tiết.

Cho đến khi Audi áp dụng ý tưởng đèn liếc cố định này lên mẫu xe Audi A8 với những cải tiến sau:

Nguồn sáng được đặt cạnh đèn cốt thông thường và có ba yếu tố quyết định việc tắt mở của đèn liếc Đèn này chỉ được kích hoạt khi xe vào cua gấp hoặc rẽ phải, rẽ trái.

 Tình trạng của đèn tín hiệu ( bật hoặc tắt )

Như vậy khi xe chạy nhanh và chuyển làn đường, đèn liếc không được kích hoạt dù rằng người lái có bật tín hiệu theo hướng mong muốn

Chỉ khi góc đánh tay lái đủ lớn , tốc độ không nhanh quá cộng với việc đèn tín hiệu được bật thì hệ thống này mới hoạt động

Hình 3.1: Ánh sáng đèn đầu xe trang bị đèn liếc tĩnh [28] abblendlicht: ánh đèn đèn pha phía trước; statisches kurvenlicht: ánh sáng từ đèn liếc tĩnh khi vào cua

Hình 3.2: Các loại đèn có thể gắn trên động cơ bước trong hệ thống đèn liếc tĩnh

Hệ thống đèn liếc tĩnh AFS được phát triển nhờ những cải tiến trong công nghệ chiếu sáng ô tô, cho phép tích hợp các loại bóng như Halogen và Xenon trên động cơ bước Ưu điểm của hệ thống này là cải thiện khả năng chiếu sáng, giúp tăng cường an toàn và trải nghiệm lái xe trong điều kiện ánh sáng yếu.

 Vùng chiếu sáng góc tĩnh rộng hơn vùng chiếu sáng góc động;

 Ít tốn kém chi phí khi lắp đặt;

 Dễ sửa chữa hoặc thay thế, lắp đặt đơn giản

Nhược điểm: Chiếu sáng góc tĩnh không linh hoạt bằng chiếu sáng góc động

Hiện nay, nhiều dòng xe cao cấp tại Việt Nam được trang bị công nghệ đảm bảo an toàn cho người lái, trong đó đèn liếc là một tính năng quan trọng không thể thiếu của các hãng như BMW, Mercedes-Benz, Volvo, và Audi Thị trường Việt Nam cũng đã xuất hiện các nhà phân phối và sản xuất sản phẩm đèn liếc tĩnh, điển hình là đèn liếc tĩnh Hella Dyna View EVO 2 từ nhà sản xuất Hella.

Mặc dù vào đầu thế kỷ 21, hệ thống chiếu sáng đã có nhiều cải tiến đáng kể, nhưng nó vẫn dễ bị hư hỏng khi tiếp xúc với đường gồ ghề trong thời gian dài, dẫn đến việc góc dịch chuyển của động cơ bước trở nên không chính xác.

3.1.2 Đèn liếc động Đèn liếc động là ý tưởng phát triển dựa trên đèn liếc tĩnh Ý tưởng này cung cấp một nguồn sáng kịp thời và linh động hơn đèn liếc tĩnh khi mà nguồn sáng sẽ di chuyển qua lại dựa trên góc đánh lái

Đèn liếc động được thiết kế để điều chỉnh tốc độ liếc theo tốc độ di chuyển của xe, giúp nguồn sáng luôn đồng hành với xe Khi xe ôm cua nhanh, đèn liếc nhanh, và khi xe di chuyển chậm, đèn cũng liếc chậm Điều này mang lại sự an toàn và tiện lợi cho người lái.

Đèn liếc động hoạt động dựa trên hệ thống cảm biến trên xe, như góc đánh vô lăng và cảm biến tốc độ, để điều chỉnh vùng chiếu sáng Đặc điểm nổi bật của đèn liếc động là khả năng tự động điều chỉnh theo tốc độ của xe: khi vào cua nhanh, đèn liếc nhanh và khi vào cua chậm, đèn liếc chậm Điều này giúp tầm nhìn của người lái và nguồn sáng luôn đồng nhất, tạo cảm giác thoải mái và hài hòa khi lưu thông trên đường.

Hệ thống đèn liếc có khả năng điều chỉnh góc liếc lên đến 15 độ mỗi bên, giúp tối ưu hóa hiệu suất khi vào cua hoặc di chuyển trên những con đường có vòng cung lớn.

Hình 3.3: Minh họa sự hiệu quả của đèn liếc động [20]

Đèn liếc cung cấp ánh sáng kịp thời phía bên phải, giúp phát hiện người đi đường chuẩn bị sang đường Trong khi đó, đèn pha thông thường không chiếu tới góc độ này, có thể dẫn đến nguy cơ tai nạn.

Đèn pha hoạt động nhờ vào nguyên lý chuyển động của động cơ Servo, loại động cơ điện có khả năng quay theo từng bước nhỏ thông qua việc điều khiển từ nguồn cấp điện.

Bằng cách sử dụng các cài đặt thông số quay vòng của vô lăng và servo, chúng ta có khả năng điều khiển luồng ánh sáng di chuyển theo ý muốn Ưu điểm của phương pháp này là mang lại sự linh hoạt và chính xác trong việc điều chỉnh ánh sáng.

 Hệ thống đèn liếc động có mức độ liếc linh hoạt hơn đèn liếc tĩnh;

 Ánh sáng cung cấp kịp thời khi vào đường vòng cung hoặc khi ôm cua Nhược điểm:

 Góc liếc hạn chế khi rẽ trái hoặc rẽ phải;

 Giá thành cao chỉ có trên các dòng xe sang đời mới.

Công nghệ chiếu sáng Multi Beam LED của Mercedes

Cụm đèn Multibeam LED bao gồm 84 bóng LED độc lập, mang lại nguồn sáng mạnh mẽ Hệ thống gương cầu giúp khuếch đại ánh sáng, cho phép chiếu sáng xa hơn 600 mét.

Hệ thống đèn LED với 84 bóng được điều khiển độc lập mang lại khả năng chiếu sáng tối ưu Khi tất cả bóng đèn cùng hoạt động, vùng chiếu sáng sẽ đạt tối đa Đặc biệt, khi phát hiện xe ngược chiều, radar tự động nhận diện và giảm số lượng bóng chiếu, giúp tránh làm chói mắt tài xế đối diện mà vẫn đảm bảo ánh sáng tối ưu cho người lái.

Hệ thống camera và radar có khả năng nhận diện người đi bộ, động vật và biển báo giao thông, từ đó bộ điều khiển sẽ điều chỉnh ánh sáng phù hợp Khi phát hiện người đi bộ, đèn LED sẽ nhấp nháy để thu hút sự chú ý, trong khi khi gặp động vật, đèn LED sẽ tăng cường độ sáng mà không nhấp nháy để tránh làm chúng hoảng sợ Ngoài ra, khi có biển báo giao thông, cụm đèn thông minh sẽ tự động tăng cường độ sáng để giúp người lái dễ dàng quan sát Hệ thống đèn LED này mang lại nhiều tính năng tự động hóa, nâng cao an toàn giao thông.

24 điều chỉnh theo góc đánh lái, điều chỉnh tầm chế độ xe, chế độ chạy cao tốc, chế độ đường vắng và đèn cho điều kiện sương mù

Hình 3.4: Đèn pha MultiBeam của hãng Mercedes [19]

Công nghệ chiếu sáng Matrix LED của Audi

Cốt lõi của hệ thống đèn pha LED ma trận kỹ thuật số của Audi là DMD - Digital Micromirror Device, hay thiết bị gương siêu vi kỹ thuật số Thiết bị này bao gồm 1 triệu gương siêu vi với kích thước chỉ vài phần trăm milimet, cho phép điều chỉnh góc chiếu lên tới 5000 lần mỗi giây nhờ vào các trường tĩnh điện.

Hình 3.5: Gương siêu vi được trang bị trong hệ thống đèn Matrix LED của Audi [3]

 Packaged device: Vỏ bọc bên ngoài gương siêu vi;

 Mirror array: Gương siêu vi

Trạng thái của gương siêu vi ảnh hưởng trực tiếp đến chùm sáng phát ra từ ba bóng đèn LED Hệ thống thấu kính được thiết kế để hướng phần lớn ánh sáng xuống mặt đường Đối với những khu vực cần tối, ánh sáng sẽ được điều chỉnh qua các tấm gương siêu nhỏ và dẫn tới bộ phận hấp thụ trong thấu kính, ngăn không cho ánh sáng chiếu ra ngoài.

Hệ thống sử dụng những tấm gương siêu nhỏ này để điều khiển chùm sáng chiếu ra theo ý muốn

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU

4.1 Ý tưởng thiết kế mô hình Ý tưởng thiết kế hệ thống đèn chiếu sáng thông minh được phát triển dựa trên nền tảng có sẵn của ô tô đó là hệ thống chiếu sáng ô tô, nhóm em cho ra đời một mô hình của hệ thống chiếu sáng có khả năng kết hợp với những ứng dụng thực tế có thể giúp người lái thay đổi chức năng chiếu sáng của hệ thống đèn nhưng không cần phải tác động trực tiếp vào nó

Hệ thống chiếu sáng trên mô hình gồm:

 Chiếu sáng ở chế độ pha-cốt: sử dụng bộ đèn halogen hai tim cho hai chế độ chiếu sáng gần và chiếu sáng xa;

Đèn tín hiệu trên xe có đầy đủ chức năng cần thiết, bao gồm đèn báo rẽ trái và phải, đèn báo phanh, cũng như đèn báo khi có sương mù.

4.2 Ý tưởng thiết kế tự động bật/tắt hệ thống đèn chiếu sáng trên xe

Hệ thống đèn chiếu sáng trên xe có thể tự động bật/tắt để giảm thiểu thao tác tay cho người lái khi

Hệ thống tự động bật/tắt đèn chiếu sáng trên xe hoạt động nhờ vào cảm biến ánh sáng được lắp đặt ở phía trước đầu xe Cảm biến này gửi tín hiệu về mạch điều khiển để xử lý thông tin, từ đó điều chỉnh đèn chiếu sáng một cách tự động.

Khi cảm biến phát hiện ánh sáng môi trường yếu, mạch điều khiển sẽ nhận tín hiệu và tự động đóng relay để bật đèn, giúp cải thiện tầm nhìn trong điều kiện thiếu sáng.

Mô hình thiết kế hệ thống đèn tự động sử dụng mạch xử lý thông tin kết hợp với cảm biến để điều khiển relay bật tắt đèn một cách hiệu quả.

4.2.1 Tính toán thiết kế hệ thống tự động bật/tắt đèn chiếu sáng

Hình 4.1: Sơ đồ mạch hệ thống tự động bật tắt đèn chiếu sáng khi trời sáng

Để hệ thống đèn chiếu sáng thông minh hoạt động tự động bật và tắt, công tắc đèn cần phải được đặt ở chế độ Auto.

Khi khóa điện ở vị trí ON, dòng điện sẽ đi qua ắc quy, qua cầu chì, và tiếp tục đến cuộn dây đèn Tail và đèn Head Tuy nhiên, dòng điện sẽ dừng lại tại mosfet vì mosfet chưa dẫn.

28 mosfet có thể dẫn thì cần phải có tín hiệu điều khiển của Arduino (bộ điều khiển đèn) lúc này mosfet dẫn thì tiếp điểm của relay đóng lại

Khi khóa điện ở vị trí ON, Arduino Mega 2560 sẽ nhận nguồn điện, nhưng trước khi cấp nguồn, dòng điện phải qua mạch hạ áp từ 12V xuống 9V Nếu công tắc ở chế độ Auto, Arduino sẽ sử dụng chân số 11 để đọc tín hiệu từ các cảm biến, tự động điều khiển bật/tắt đèn chiếu sáng.

Khi trời sáng, chân tín hiệu của cảm biến ánh sáng sẽ ở mức thấp (0V), khiến Arduino nhận biết không có tín hiệu từ cảm biến Do đó, Arduino sẽ không kích hoạt mosfet số 1 và 2, dẫn đến việc tiếp điểm relay không đóng, và đèn tail cũng như đèn head sẽ không sáng.

Khi trời tối, chân tín hiệu của cảm biến ánh sáng đạt mức cao (5V), Arduino nhận diện tín hiệu từ cảm biến Ngay lập tức, Arduino kích hoạt dòng điện 5V đến chân Control In của mosfet số 1 và 2, khiến mosfet dẫn điện Điều này làm cho tiếp điểm relay của đèn tail và đèn đầu đóng, từ đó bật sáng cả đèn tail và đèn đầu.

Hình 4.2: Sơ đồ mạch hệ thống tự động bật tắt đèn chiếu sáng khi trời tối

Sơ đồ khối hệ thống tự động bật/tắt đèn chiếu sáng thông minh:

Bộ chấp hành (relay đèn)

Lưu đồ thuật toán bật/tắt đèn chiếu sáng thông minh:

Mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh sử dụng mô đun cảm biến ánh sáng CDS-NVZ1, cho phép bộ điều khiển tự động nhận biết ánh sáng môi trường để bật hoặc tắt hệ thống đèn Quang trở CDS, còn được gọi là photoresistor hay photocell, là thành phần thiết yếu trong mô đun cảm biến ánh sáng, có khả năng thay đổi điện trở tùy theo mức độ ánh sáng.

Quang trở là một loại điện trở có khả năng thay đổi giá trị của nó tùy thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào Khi có ánh sáng, quang trở sẽ giảm giá trị điện trở, cho phép dòng điện dễ dàng hơn Điều này giúp quang trở được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị cảm biến ánh sáng và điều khiển tự động.

Hình 4.3: Cảm biến ánh sáng CDS-NVZ1

Quang trở là một loại cảm biến được làm từ chất bán dẫn với cấu trúc đặc biệt, cho phép điện trở đạt tới vài MΩ vào ban đêm và giảm xuống chỉ còn một hoặc vài Ω vào ban ngày Với tính trở kháng cao, quang trở thường được sử dụng trong các mạch điều khiển tự động, nhạy bén với điều kiện ánh sáng bên ngoài.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH Ô TÔ

THI CÔNG MÔ HÌNH