Nghiên cứu và thiết kế hệ thống phanh tự Động khẩn cấp Ô tô

Ở khoa cơ khí ôtô vẫn đang trong giai đoạn định hướng đi theo nhu cầu phát triển của xã hội và có tầm nhìn xa trong tương lai vì thế với mong muốn giúp sinh viên ôtô dễ dàng tiếp cận với

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2023 - 2024

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2023 - 2024

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Lý do chọn đề tài 3

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 4

1.3 Phương pháp nghiên cứu 4

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 4

1.5 Đối tượng nghiên cứu 5

1.6 Phạm vi nghiên cứu 5

CHƯƠNG 2: 6

2.1 Nhiệm vụ của hệ thống phanh tự động khẩn cấp trên xe ô tô 6

2.2 Phân loại: 6

2.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 7

2.3.1 Trong nước 7

2.3.2 Ngoài nước 7

2.4 Cơ sở lý thuyết: 8

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 13

3.1 Mô hình hệ thống phanh tự động khẩn cấp ô tô 13

3.2 Các chi tiết trên mô hình 15

3.2.1 Công tắc nguồn 15

3.2.2 Bộ cảm biến vật cản hồng ngoại và relay 15

3.2.3 Cụm phanh 16

3.3.4 Motor điện 12V 17

3.3.5 Pedal thắng 17

3.3.6 Bơm dầu thắng 18

3.3.7 Bộ chia dầu: 18

3.3 Nguyên lí hoạt động của hệ thống phanh tự động khẩn cấp trên ô tô 19

3.4 Các PAN có thể gặp trên mô hình: 22

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 23

4.1 Kết luận và kiến nghị 23

4.2 Hướng phát triển của đề tài 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Sơ đồ thuật toán 10

Hình 2.2 Cảm biến OMDHON E3F-DS30C4 12

Hình 2.3 Sơ đồ dây của cảm biến 12

Hình 3.1 Tổng thể mô hình hệ thống phanh tự động khẩn cấp ô tô 13

Hình 3.2 Lưu đồ của hệ thống 14

Hình 3.3 Công tắc nguồn 15

Hình 3.4 Bộ cảm biến vật cản hồng ngoại và relay 15

Hình 3.5 Cụm phanh 16

Hình 3.6 Motor điện 12V 17

Hình 3.7 Pedal 17

Hình 3.8 Bơm dầu thắng 18

Hình 3.9 Bộ chia dầu 18

Hình 3.10 Sơ đồ mạch điện của mô hình 19

Hình 3.11 Hệ thống chạy khi bật ON 19

Hình 3.12 Khi có vật cản 20

Hình 3.13 Khi không có vật cản 21

Hình 3.14 Phanh thủ công bằng pedal 21

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, việc áp dụng nhiều phương pháp dạy học mới đã cho phép học sinh có được khả năng tiếp thu tốt hơn, đồng thời cũng giúp cho người dạy dễ dàng truyền đạt nội dung bài học đến cho người học

Dạy học bằng mô hình là phương pháp dạy học đạt hiệu quả cao và đang được phát triển ở các trường đào tạo nghề, đặc biệt là trong thời đại khoa học kĩ thuật phát triển cao

và cần thiết phải có những kĩ thuật viên lành nghề để đáp ứng yêu cầu của công việc Ngày nay, cùng với những tiến bộ của khoa học kỹ thuật thì nhu cầu của con người cũng ngày càng cao Chính vì thế mà các hãng ô tô hiện nay ngày càng quan tâm đến đảm bảo an toàn và tiện nghi cho con người trong khi sử dụng ô tô để đảm bảo an toàn cho người thân và cho hành khách, trong tương lai yếu tố an toàn, tiện nghi luôn đặt lên vị trí hàng đầu trong công cuộc phát triển về lĩnh vực ô tô Hệ thống phanh tự động khẩn cấp được coi

là bước tiến mới trong việc đảm bảo an toàn tương tự như việc trang bị túi khí và dây an toàn Vài năm trước, đây vẫn là công nghệ cao cấp và có phần xa lạ với đa số khách hàng

ở nước ta Tuy nhiên, với sự phổ biến của công nghệ và cuộc cạnh tranh ngày càng khốc liệt trên thị trường ô tô Việt Nam nói riêng và trên toàn thế giới nói chung, nhiều hãng xe

đã bắt đầu trang bị công nghệ này trên những mẫu xe mới của mình

Ở khoa cơ khí ôtô vẫn đang trong giai đoạn định hướng đi theo nhu cầu phát triển của xã hội và có tầm nhìn xa trong tương lai vì thế với mong muốn giúp sinh viên ôtô dễ dàng tiếp cận với thực tế từ sa bàn học tập tại xưởng thực hành và trang bị cho các em nền kiến thức cơ bản về điện tử và là tiền đề phát triển nghiên cứu các hệ thống khác trên xe ôtô, khả năng tiếp thu và vận dụng bài học của sinh viên tăng lên khi được học tập chủ động, hiểu rõ hơn bản chất việc tự động hóa, nâng cao kết quả học tập môn thực tập điện thân xe của sinh viên khoa cơ khí ôtô Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức nên tôi quyết

định chọn đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế hệ thống phanh tự động khẩn cấp ô tô”

Ưu điểm: Hệ thống phanh tự động khẩn cấp có thể giảm đáng kể nguy cơ va chạm trong trường hợp tài xế không nhận biết kịp thời hoặc không có thời gian phản ứng Nó có khả năng giảm tốc độ xe nhanh chóng và duy trì khoảng cách an toàn với xe khác.Ngoài ra

hệ thống phanh tự động khẩn cấp không chỉ dừng ở việc bảo vệ những người trong xe mà còn nhằm ngăn chặn tai nạn xảy ra, tránh tác động tiêu cực đến người tham gia giao thông xung quanh

Hạn chế: đề tài này có thể còn tối ưu hóa cho xác thực với thực tế hơn, và tạo ra một

mô hình hứng dụng thực hành áp dụng cho sinh viên học thực hành đo kiểm tại xưởng, nhưng do thời gian và kiến thức giới hạn nên tôi chỉ dừng ở việc thực hiện thi công mô hình không có lắp trên ô tô thật và mô phỏng ở một vài điều kiện so với thực tế

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Từ nhiệm vụ chính của đề tài đặt ra là nghiên cứu và thiết kế hệ thống phanh tự động khẩn cấp trên ô tô, nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện với các mục đích sau:

- Nghiên cứu hệ thống phanh tự động khẩn cấp ô tô của nhiều hãng xe trên thế giới

- Thiết kế hệ thống phanh tự động khẩn cấp ô tô trên mô hình

- Dựa trên mô hình thực tế giúp sinh viên phát huy tối đa tính tích cực, năng động, khả năng tư duy logic trên thực tế, phát triển tự nghiên cứu và học tập

- Với mục đích thiết kế mô hình phục vụ cho việc giảng dạy, nghiên cứu nên mô hình ngoài việc phải thể hiện được tính thực tế của hệ thống phanh tự động khẩn cấp ô tô còn phải có tính sư phạm và tính thẩm mỹ

- Biên soạn đề tài lý thuyết trình bày một cách có hệ thống, khoa học về cơ sở lý thuyết, nguyên tắc điều khiển, cấu tạo, và hoạt động của mô hình hệ thống phanh tự động khẩn cấp ô tô

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế hệ thống phanh tự động khẩn cấp ô tô” tác giả đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

- Thu thập tài liệu có liên quan

- Sử dụng cơ sở lý thuyết về điện ô tô, lập trình, chế tạo mạch điện, cảm biến và nguyên lý hoạt động của cảm biến

- Sử dụng các linh kiện, cảm biến để thực hiện mạch điện

- Tìm tài liệu về nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh tự động khẩn cấp ô tô đã

sử dụng ở các hãng xe

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Khái niệm phanh tự động khẩn cấp ô tô hiện nay rất mới và chưa được áp dụng rộng

rãi ở các hãng xe, đồng thời do thời gian, khả năng có hạn nên tác giả không tương thích giống với ô tô thực tế, vì thế tác giả chỉ có thể thực hiện được một vài nhiệm vụ sau:

- Tạo ra một mạch điện điều khiển hệ thống phanh tự động khẩn cấp ô tô

- Đồng bộ motor điều khiển kính với mạch điều khiển động cơ và mạch điều khiển chính lấy tính hiệu cảm biến để xác định có vật cản trước xe

- Thiết kế mô hình hệ thống phanh tự động khẩn cấp ô tô

1.5 Đối tƣợng nghiên cứu

- Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lí hoạt động của hệ thống phanh tự động khẩn cấp dùng trên ô tô

- Thiết kế hệ thống phanh tự động khẩn cấp trên mô hình

1.6 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu trong phạm vi giảng dạy cho sinh viên

- Nghiên cứu từ tình hình thực tế hệ thống phanh tự động khẩn cấp đang được dùng trên ô tô

- Nghiên cứu từ các tài liệu, giáo trình đang được dùng làm phương tiện giảng dạy cho sinh viên

- Quy mô nghiên cứu đề tài trên cơ sở khai thác các trang thiết bị hiện có trong nhà trường và khai thác bên ngoài để hoàn thành đề tài

- Không gian nghiên cứu: Trường cao đẳng Công nghệ Thủ Đức

Điều quan trọng cần nhớ là hệ thống phanh tự động khẩn cấp được thiết kế chỉ để

hỗ trợ tài xế trong tình huống khẩn cấp và người lái xe phải luôn luôn chịu trách nhiệm nếu tai nạn xảy ra

2.2 Phân loại:

Hệ thống phanh tự động khẩn cấp sử dụng cảm biến radar, laser hoặc camera để giám sát các nguy cơ và phát hiện tiềm năng va chạm với xe khác, người đi bộ hoặc các mối nguy hiểm

Mặc dù phanh tự động khẩn cấp có nhiều loại, hầu hết đều cảnh báo bằng âm thanh, hình ảnh hoặc rung tay lái) hoặc cả 3 phanh tự động khẩn cấp sẽ tự động phanh nếu lái xe không đáp ứng cảnh báo Một số hệ thống còn có khả năng căng đai an toàn để giảm thiểu tổn thương cho hành khách Một số hệ thống phanh tự động khẩn cấp sẽ tự tắt nếu phát hiện lái xe bẻ tay lái chuyển hướng di chuyển

Hệ thống phanh tự động khẩn cấp có thể chia làm 3 loại chính:

- Hệ thống tốc độ thấp: Mục tiêu của phiên bản này là lái xe trong thành phố, nơi va

chạm thường xẩy ra ở tốc độ thấp nhưng có thể gây chấn thương cột sống và đốt sống cổ dẫn đến tử vong Thông thường loại này có thể phản ứng đối với ô tô khác nhưng không nhạy cảm đối với người đi bộ và các loại xe khác Tùy từng phiên bản, ra đa có thể quét phía trước xe từ 8 đến 10 mét và có thể ngăn ngừa va chạm khi chạy ở tốc độ từ 30 đến 50 km/giờ

- Hệ thống tốc độ cao: Phiên bản này thường sử dụng ra đa tầm xa có thể phát hiện

xe khác ở phía trước cách xa 200 mét ở tốc độ 80 km/giờ

- Hệ thống tránh va chạm với người đi bộ: Phiên bản này sử dụng camera kết hợp

với ra đa để phát hiện người đi bộ thông qua hình dáng và đặc điểm của người đi bộ Bằng

cách tính toán tốc độ, xe sẽ xác định xem có mối nguy hiểm xảy ra không

Ba loại hệ thống không loại trừ lẫn nhau, có hệ thống phanh tự động khẩn cấp có thể chỉ có thể ngăn ngừa va chạm ở tốc độ chậm, có loại kết hợp cả 3 loại ngăn ngừa va chạm

ở tốc độ thấp, cao và khách bộ hành Điều quan trọng cần lưu ý là mỗi loại hệ thống khác nhau tùy theo nhà sản xuất thậm chí tùy từng kiểu mẫu xe về các chức năng cảnh báo, phanh, khoảng cách kích hoạt

2.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

2.3.1 Trong nước

VinFast: Tập đoàn sản xuất ô tô Việt Nam, VinFast, đã công bố rằng họ đang phát triển và tích hợp các hệ thống an toàn tiên tiến vào các mẫu xe của mình, bao gồm hệ thống phanh khẩn cấp tự động VinFast đã công bố rằng họ sẽ sử dụng công nghệ radar và camera

để phát triển hệ thống phanh khẩn cấp tự động trên các dòng xe của mình

Vietnamese-German University (VGU): VGU đã tham gia vào nghiên cứu về hệ thống phanh khẩn cấp tự động thông qua các dự án nghiên cứu và hợp tác với các doanh nghiệp trong lĩnh vực ô tô Họ tập trung vào việc phát triển thuật toán và kiểm tra hiệu suất của các hệ thống phanh khẩn cấp tự động trên đường thực tế

FPT Corporation: FPT là một trong những công ty công nghệ hàng đầu tại Việt Nam,

và họ cũng đã tham gia vào lĩnh vực nghiên cứu về hệ thống phanh khẩn cấp tự động Công

ty này tập trung vào việc phát triển các giải pháp phần mềm và trí tuệ nhân tạo để tích hợp vào các hệ thống phanh khẩn cấp tự động trên các dòng xe ô tô

Vietnamese Standards and Quality Institute (VSQI): VSQI là một trong những tổ chức quy định và đánh giá tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm và dịch vụ tại Việt Nam Họ đang tham gia vào việc định hình quy định và tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống phanh khẩn cấp tự động, đảm bảo rằng các sản phẩm phản ánh đúng tính an toàn và hiệu quả của công nghệ này trên đường

2.3.2 Ngoài nước

Bosch: Bosch là một trong những nhà sản xuất và cung cấp công nghệ ô tô hàng đầu thế giới Họ đang tiếp tục nghiên cứu và phát triển các hệ thống phanh khẩn cấp tự động

họ

ZF Friedrichshafen AG: ZF là một nhà sản xuất hàng đầu các linh kiện ô tô và công nghệ ô tô Họ đang nghiên cứu và phát triển các hệ thống phanh khẩn cấp tự động sử dụng công nghệ cảm biến và trí tuệ nhân tạo để cải thiện tính an toàn và hiệu suất của các phương tiện giao thông

Toyota Research Institute (TRI): TRI là một tổ chức nghiên cứu và phát triển của Toyota, một trong những nhà sản xuất ô tô lớn nhất thế giới TRI đang nghiên cứu về các công nghệ tự lái và hệ thống phanh khẩn cấp tự động để cải thiện tính an toàn và hiệu quả của các xe ô tô

National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA): NHTSA là cơ quan quản lý và định hình chính sách an toàn giao thông tại Hoa Kỳ Họ đang tiến hành nghiên cứu và đánh giá hiệu suất của các hệ thống phanh khẩn cấp tự động từ nhiều nhà sản xuất

và nghiên cứu để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của chúng trên đường

2.4 Cơ sở lý thuyết:

Khoảng cách theo thời gian thực là khoảng cách giữa xe đang chuyển động với người

đi bộ và cũng là khoảng cách giữa hai xe đang chuyển động Thời gian cần thiết cho sự chuyển động qua lại của tia hồng ngoại sau khi va vào chướng ngại vật là thời gian thu nhận Khoảng cách thời gian thực d thu được từ cảm biến hồng ngoại được cho là:

Vận tốc đi bộ của người đi bộ được bỏ qua so với ô tô A và được cho là bằng không Khi đó khoảng cách phanh tới hạn giữa ô tô A và người đi bộ được cho là:

Phương trình này được sử dụng cho chướng ngại vật không di chuyển hoặc người đi

bộ có vận tốc được giả định bằng 0 Bộ vi điều khiển đã sử dụng vận tốc của ô tô (VA) để xác định khoảng cách phanh tới hạn (dc1) được so sánh với khoảng cách thời gian thực (d) giữa xe và chướng ngại vật không di chuyển Nếu khoảng cách thời gian thực tương đối (d) lớn hơn khoảng cách phanh tới hạn dc1, xe có thể giữ vận tốc ban đầu và người đi bộ có thể sang đường an toàn Nếu khoảng cách tương đối thấp hơn hoặc bằng khoảng cách phanh tới hạn mà người lái xe vẫn không giảm tốc hoặc thực hiện các biện pháp an toàn khác, trạng thái này được coi là nguy hiểm và việc giảm tốc nhờ phanh tự động trên ô tô sẽ được thực hiện bằng hệ thống chống bó cứng phanh Sau khi nhận được lệnh từ bộ điều khiển để giảm tốc độ hoặc dừng xe

Khoảng cách phanh tới hạn giữa hai xe đang chuyển động (Xe A và Xe B) có thể được tính theo mô hình khoảng cách an toàn trong quá trình phanh như sau:

Trong đó: dc1, dc2: quãng đường phanh tới hạn để giảm tốc

VA: vận tốc của ô tô A VB: vận tốc của ô tô B

Nếu khoảng cách thời gian thực d giữa xe A và xe B lớn hơn quãng đường phanh tới hạn dc2 thì đó là trạng thái an toàn và xe có thể chạy với vận tốc hiện tại Ngược lại, nếu người lái xe không giảm tốc hoặc thực hiện các biện pháp an toàn khác khi khoảng cách hiện tại thấp hơn hoặc bằng khoảng cách phanh tới hạn, trạng thái này được đánh giá

là nguy hiểm và việc giảm tốc độ phanh tự động trên ô tô A cần sẽ được thực hiện ngay lập tức bằng người điều khiển để tránh va chạm với ô tô B

Sơ đồ thuật toán:

Hình 2.1 Sơ đồ thuật toán

Từ sơ đồ trong hình 2.1, khi người lái khởi động xe, các cảm biến sẽ ở chế độ phát hiện chướng ngại vật Cảm biến sẽ phát hiện nếu không có chướng ngại vật nào thì các cảm biến sẽ tiếp tục dò cho đến khi bất kỳ cảm biến nào phát hiện ra chướng ngại vật Nếu phát hiện chướng ngại vật, cảm biến vật cản sẽ đo khoảng cách của chướng ngại vật Tín hiệu

từ cảm biến phía trước được gửi về, bộ điều khiển sẽ kiểm tra xem chướng ngại vật có nằm

trong khoảng cách an toàn hay không để tác động lực phanh tối đa để dừng xe Nếu không,

bộ điều khiển sẽ đưa ra các tín hiệu cảnh báo theo các cấp để cánh báo đến người lái xe Chuỗi này tiếp tục khi cảm biến phát hiện chướng ngại vật

Cảm biến sử dụng trong mô hình là cảm biến vật cản hồng ngoại OMDHON E3F- DS30C4 Adjustable Ir Infrared Proximity Sensor

Cảm biến vật cản hồng ngoại OMDHON E3F-DS30C4 Adjustable IR Infrared Proximity Sensor sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định vật cản phía trước cảm biến, cảm biến phát ra tia hồng ngoại với dải tần số chuyên biệt cho khả năng chống nhiễu tốt kể

cả ở điều khiện ánh sáng ngoài trời

Cảm biến vật cản hồng ngoại OMDHON E3F-DS30C4 Adjustable IR Infrared Proximity Sensor có thể chỉnh khoảng cách phát hiện vật cản mong muốn thông qua biến trở trên cảm biến, cảm biến có ngõ ra tín hiệu là cấu trúc cực thu hở Transistor NPN - Open Collector nên sẽ cần phải có trở kéo (khoảng 1~10K) lên chân nguồn dương VCC để tạo thành tín hiệu mức cao (High)

Sơ đồ dây:

- Màu Nâu (Brown): chân nguồn dương VCC cấp nguồn từ 6~36VDC

- Màu Đen (Black): chân tín hiệu SIGNAL đầu ra cấu trúc cực thu hở Transistor NPN - Open Collector

- Xanh Dương (Blue): chân nguồn âm GND 0VDC