GIỚI THIỆU
ĐẶT VẤN ĐỀ
Trên các đường cao tốc và quốc lộ, sự di chuyển của các phương tiện liên quan chặt chẽ đến nhau Khi xe phía trước di chuyển với tốc độ ổn định, xe sau có thể duy trì tốc độ và khoảng cách an toàn Nếu xe trước tăng tốc, nó tạo ra khoảng trống cho xe sau có thể tăng tốc theo Ngược lại, khi xe trước giảm tốc, khoảng cách giữa hai xe sẽ giảm, buộc tài xế xe sau phải điều chỉnh tốc độ Tuy nhiên, tài xế cần thời gian để xử lý thông tin từ tình huống và thực hiện việc giảm tốc phù hợp.
Thời gian xử lý của người lái xe và khoảng trống phía trước xe là hai yếu tố quan trọng có thể dẫn đến va chạm Thời gian xử lý phụ thuộc vào đặc điểm sinh học của từng tài xế và có thể thay đổi theo thời gian Ngoài ra, các yếu tố khách quan như thời tiết xấu, chẳng hạn như mưa to và sương mù, làm tăng thời gian xử lý do người lái chậm phát hiện tình huống Khi xe phía trước giảm tốc độ đột ngột, khoảng trống phía trước xe sau nhanh chóng bị thu hẹp, dẫn đến nguy cơ va chạm Cả hai tình huống này đều có thể khiến xe sau tiến gần hơn đến xe trước, tăng khả năng xảy ra tai nạn.
Tai nạn va chạm giữa xe sau và xe trước có thể được giảm thiểu bằng cách kiểm soát thời gian phản ứng của tài xế hoặc duy trì khoảng cách an toàn Nhiều hãng xe hiện nay đã trang bị hệ thống hỗ trợ lái (DAS) với các tính năng như cảnh báo lệch làn, cảnh báo va chạm, cảnh báo điểm mù và kiểm soát hành trình Một số hệ thống như của Subaru còn can thiệp vào quyền kiểm soát của tài xế trong các tình huống khẩn cấp Các công nghệ này sử dụng cảm biến, camera và radar gắn ở các vị trí khác nhau để đo khoảng cách giữa xe và các vật thể xung quanh, từ đó phát ra tín hiệu cảnh báo cho người lái.
Hệ thống hỗ trợ lái xe giúp giảm thiểu va chạm khi người lái vẫn tập trung vào việc điều khiển phương tiện Ngược lại, nếu người lái không tập trung hoặc chậm xử lý tình huống, tai nạn vẫn có thể xảy ra Các hệ thống này, đặc biệt trên các dòng xe cao cấp, còn có khả năng can thiệp để bảo vệ quyền lợi của người lái khi cần thiết, từ đó góp phần tránh tai nạn.
Hình 1.1: Tính năng của hệ thống phanh tự động khẩn cấp AEB
(Nguồn: https://video.vnexpress.net/tin-tuc/cuoc-song-4-0/he-thong-phanh-tu-dong-dung-oto- tai-trong-vai-giay-3863630.html)
Hệ thống phanh tự động khẩn cấp AEB (Autonomous Emergency Braking System) mới được ra mắt có khả năng dừng xe tải chạy với tốc độ 80km/h chỉ trong vài giây khi gặp tình huống khẩn cấp Hệ thống này, được áp dụng cho xe tải chở nặng, liên tục phát tín hiệu về phía trước để phát hiện chướng ngại vật Khi phát hiện chướng ngại vật, AEB sẽ tự động can thiệp và thực hiện phanh gấp, đảm bảo an toàn cho người lái và phương tiện.
Khi xe tải chở nặng di chuyển với tốc độ cao lên đến 80km/h, việc tránh va chạm là vô cùng quan trọng Phanh gấp trong tình huống này không chỉ gây nguy hiểm cho xe tải mà còn cho các phương tiện phía sau Do đó, việc duy trì khoảng cách an toàn và lái xe cẩn thận là cần thiết để đảm bảo an toàn giao thông.
Hình 1.2: Hình chân ga và chân phanh của xe
Tại Việt Nam, nhiều tai nạn giao thông xảy ra không chỉ trên đường cao tốc mà còn trên các quốc lộ do lỗi chủ quan của người lái xe, như không điều chỉnh tốc độ phù hợp với khoảng trống phía trước Một số vụ tai nạn còn do tài xế ngủ gật hoặc tăng tốc không hợp lý Đặc biệt, việc nhầm chân ga và chân phanh cũng dẫn đến những tai nạn thương tâm Vì vậy, việc trang bị thiết bị hỗ trợ kiểm soát tốc độ xe phù hợp với khoảng trống phía trước là rất cần thiết.
Hiện nay, hàng triệu xe trên toàn cầu, đặc biệt tại Việt Nam, vẫn chưa được trang bị hệ thống hỗ trợ lái xe an toàn Trong bối cảnh số lượng xe gia tăng và tốc độ di chuyển ngày càng nhanh, việc tích hợp thiết bị hỗ trợ kiểm soát tốc độ là rất cần thiết Thiết bị này giúp người lái kiểm soát chân ga và chân phanh, từ đó điều chỉnh tốc độ xe phù hợp với khoảng trống phía trước, góp phần giảm thiểu tai nạn do lỗi thao tác của người lái.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Mục tiêu của luận văn này là phát triển một thuật toán điều khiển tốc độ xe trong mô hình theo xe, sử dụng phương pháp tiếp cận chướng ngại vật di chuyển (Block-moving) Thuật toán sẽ dựa trên tốc độ hiện tại của xe và khoảng cách an toàn với chướng ngại vật phía trước để điều chỉnh tốc độ di chuyển một cách hiệu quả.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Xe di chuyển nối đuôi nhau trong từng làn đường cao tốc phẳng ngang (không dốc) và thẳng.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phương pháp vật lý: được áp dụng để khảo sát quan hệ giữa tốc độ và lực tác động lên xe, gồm lực đẩy và lực phanh
- Phương pháp toán: được áp dụng để tính quan hệ giữa khoảng trống an toàn với tốc độ di chuyển
- Phương pháp phân tích: được áp dụng để phân tích các thao tác, thời gian xử lý thông tin của người lái xe.
CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Luận văn được cấu trúc thành 5 chương, có nội dung như sau:
Chương 1: Chương giới thiệu trình bày mục tiêu, động lực để nghiên cứu hệ thống kiểm soát tốc độ xe, cũng như đối tượng, phạm vi, và phương pháp nghiên cứu
Chương 2: Tổng quan về hệ thống hỗ trợ lái xe Luận văn đã tiếp cận mô hình theo xe (car-following) và các hệ thống hỗ trợ lái xe, từ những hệ thống hỗ trợ từng phần như những hệ thống quan trắc và cảnh báo, hệ thống kiểm soát hành trình, hệ thống cảnh báo chệch làn đường, hệ thống cảnh báo điểm mù, hệ thống hỗ trợ chuyển làn đường, hệ thống hỗ trợ khởi hành giữa dốc, hệ thống hỗ trợ đỗ xe, hệ thống nhận dạng
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ khám phá 5 biển báo giao thông quan trọng và vai trò của các hệ thống hỗ trợ cộng tác dựa trên công nghệ truyền thông Đặc biệt, chúng tôi sẽ tập trung vào truyền thông giữa các xe (V2V) và truyền thông qua mạng của hệ thống giao thông thông minh (V2X), nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn cho việc di chuyển trên đường.
Chương 3: Chương hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ đề xuất sơ đồ khối hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ di chuyển của xe gồm 3 phần: phần cảm biến, phần xử lý, và phần chấp hành Trong chương này, định luật Newton
II được triển khai nhằm thiết lập mối quan hệ toán học giữa tốc độ di chuyển của xe và khoảng cách an toàn cần thiết phía trước để đảm bảo việc di chuyển an toàn.
Chương 4: Trong chương giải thuật kiểm soát tốc độ, luận văn đã xây dựng lưu đồ triển khai kết quả quan hệ toán học giữa tốc độ di chuyển của xe và khoảng trống cần thiết phía trước xe cũng như quan hệ với khoảng trống đang có trước xe để cho tín hiệu điều khiển chân ga và chân phanh
Chương 5: Trong chương kết luận này, luận văn đã tóm tắt các kết quả đạt được của luận văn là đề xuất mô hình hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ xe, xây dựng quan hệ toán học giữa tốc độ di chuyển của xe và khoảng trống phía trước cần có, và xây dựng giải thuật xử lý dữ liệu tốc độ và khoảng trống hiện có phía trước theo thời gian thực Luận văn cũng đề xuất hướng phát triền là áp dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo AI(Artificial Intelligence).
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ LÁI XE
GIỚI THIỆU
Sự phát triển của giao thông đường bộ đã dẫn đến nhiều tai nạn thương tâm, chủ yếu do lỗi con người, đặc biệt là từ phía người lái xe Nhiều tai nạn xảy ra do tài xế thiếu kỹ năng điều khiển trong các tình huống khó khăn như chạy tốc độ cao, gặp chướng ngại vật, hoặc khi xe trước giảm tốc hoặc dừng lại Việc không giữ khoảng cách an toàn và phản ứng chậm khi phát hiện tình huống nguy hiểm là nguyên nhân chính dẫn đến va chạm Thêm vào đó, tình trạng mệt mỏi hoặc ngủ gật của tài xế khi lái xe cũng góp phần gây ra những tai nạn nghiêm trọng.
Sự phát triển của công nghệ thông tin đã thúc đẩy nghiên cứu về các hệ thống hỗ trợ lái xe (DAS), được thiết kế để thu thập và xử lý dữ liệu giao thông và di chuyển của xe Các hệ thống này cảnh báo người lái về tình huống nguy hiểm hoặc can thiệp vào quyền điều khiển để đảm bảo an toàn và tránh va chạm Để thực hiện điều này, DAS sử dụng các cảm biến như radar, hồng ngoại và camera để thu thập dữ liệu hình ảnh và đo khoảng cách với các thực thể xung quanh Tùy thuộc vào mục tiêu và chức năng, dữ liệu cần thiết có thể được thu thập theo thời gian thực từ tất cả hoặc một số cảm biến được lắp đặt trên xe.
Hệ thống cảm biến được lắp đặt xung quanh xe có vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ lái xe, giúp cải thiện an toàn và hiệu suất khi tham gia giao thông Những công nghệ này không chỉ cung cấp thông tin chính xác về môi trường xung quanh mà còn hỗ trợ người lái trong các tình huống khẩn cấp.
Tai nạn giao thông gia tăng do sự phát triển của phương tiện và hạ tầng giao thông, cùng với nhu cầu đi lại cao, đã thúc đẩy các nhà khoa học và nhà sản xuất xe nghiên cứu hệ thống lái xe an toàn Sự chủ quan của người lái, như lơ đãng hoặc ngủ gật, cũng đã dẫn đến nhu cầu nghiên cứu về lái xe an toàn và tự động Các ý tưởng kiểm soát hành trình đã được thực hiện từ những năm 1960 nhưng chưa được sản xuất đại trà Đến giữa những năm 1980, công nghệ hỗ trợ lái xe đã phát triển từ việc ổn định động học đến cung cấp cảnh báo về nguy cơ tai nạn và cải thiện nội thất Từ nay đến năm 2030, công nghệ thông tin sẽ thúc đẩy nghiên cứu về hệ thống lái xe tự động và sự hợp tác giữa người và máy, trong khi sự phát triển của công nghệ cảm biến cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các hệ thống này.
Sự phát triển của công nghệ cảm biến đã mang đến những trợ lái xe tiên tiến, giúp thu thập thông tin từ bên trong xe như tốc độ, vòng quay máy, và mức nhiên liệu, cũng như từ bên ngoài như khoảng cách và tình trạng giao thông xung quanh.
…đã giúp cho những nghiên cứu hỗ trợ lái xe phát triển
Các nhà khoa học đã tiếp cận nhiều hướng khác nhau trong việc thiết kế hệ thống hỗ trợ lái xe, từ đơn giản đến phức tạp, dựa trên mục tiêu bài toán, chức năng của hệ thống và các kỹ thuật áp dụng Hiện nay, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và phát triển, và các hãng sản xuất ô tô cũng đang áp dụng cho các dòng xe thế hệ mới, bao gồm hệ thống hỗ trợ lái xe từng phần, hệ thống hỗ trợ lái xe V2V và V2X.
MÔ HÌNH XE THEO SAU (CAR-FOLLOWING)
Mô hình xe theo sau (Car-following) là một phương pháp nghiên cứu dòng giao thông ở mức vi mô, tập trung vào sự di chuyển của từng xe nối đuôi nhau Trong khi đó, mô hình giao thông ở mức vĩ mô khảo sát sự di chuyển của một đoàn xe lớn, bao gồm nhiều phương tiện cùng lúc.
Các mô hình theo sau (Car-following) được xem là sự kết hợp giữa mô hình vi mô và vĩ mô, vì chúng không chỉ mô tả chuyển động của một phương tiện mà còn cả luồng giao thông của nhiều phương tiện Một số nghiên cứu đã sử dụng mô hình theo xe để phân tích lưu lượng giao thông trên đường cao tốc ở cấp độ vĩ mô, dựa trên dữ liệu của từng phương tiện Trong khi đó, một số tác giả khác lại tập trung vào việc phân tích dữ liệu liên quan đến hai phương tiện liên tiếp nhằm ngăn chặn các vụ va chạm do người lái xe theo sau gây ra.
Mô hình General Motors, hay còn gọi là mô hình phản ứng kích thích, mô tả mối quan hệ giữa sự khác biệt về tốc độ giữa xe trước và xe sau, cùng với phản ứng của người lái xe sau Mối quan hệ này được thể hiện qua các yếu tố kích thích và phản ứng, giúp hiểu rõ hơn về hành vi lái xe trong các tình huống giao thông.
Mô hình động học cho một hạt xem xét các trình điều khiển phản ứng trong một khoảng thời gian nhất định trước các biến thể của xe phía trước Nghiên cứu cho thấy xe sau có khả năng tăng tốc tại thời điểm phản ứng, với việc gia tốc phụ thuộc vào sự khác biệt về tốc độ giữa hai xe Nếu xe sau chậm hơn xe trước khi tốc độ thay đổi, gia tốc sẽ tích cực, và ngược lại Mô hình này cũng chỉ ra mối tương quan giữa tốc độ và gia tốc theo thời gian giữa hai xe liên tiếp Để tính toán hệ số độ nhạy, mô hình của General Motors yêu cầu tiến hành các thí nghiệm để thu thập các thông số cần thiết.
Quỹ đạo không gian - thời gian của xeF d L
Mô hình car-following mô tả hành vi của hai xe di chuyển nối tiếp Khi xe trước (L) giảm tốc độ vào thời điểm t1, xe sau (F) chỉ giảm tốc độ tại thời điểm t2, cho thấy thời gian đáp ứng chậm trễ của tài xế xe sau là τ = t2 - t1.
HỆ THỐNG HỖ TRỢ LÁI XE TỪNG PHẦN
Hệ thống hỗ trợ từng phần cung cấp nhiều tính năng an toàn cho người lái xe, bao gồm cảnh báo va chạm, cảnh báo điểm mù, cảnh báo chệch làn đường, điều khiển hành trình và hỗ trợ đỗ xe Các cảm biến được lắp đặt xung quanh xe giúp phát hiện tình huống bất thường và truyền đạt thông tin cho người lái qua tín hiệu âm thanh hoặc tín hiệu cơ học Dữ liệu từ các cảm biến được xử lý để đưa ra cảnh báo kịp thời, nâng cao mức độ an toàn khi lái xe.
2.3.1 Hệ thống quan trắc và cảnh báo
Hệ thống quan trắc và cảnh báo cung cấp thông tin hình ảnh về khoảng trống xung quanh xe từ các phía trước, sau, trái, phải Cảnh vật thực tế xung quanh xe được hiển thị trên màn hình trước mặt người lái xe theo thời gian thực Các camera được lắp đặt xung quanh xe thu thập hình ảnh trong phạm vi không gian định trước, kết nối lại thành một ảnh hiển thị, cho phép người lái quan sát môi trường xung quanh Hệ thống sẽ phát ra tín hiệu khi khung xe tiến sát đến vật cản.
Hệ thống quan trắc cung cấp yêu cầu về khoảng trống cần thiết phía trước khi xe di chuyển và phía sau khi xe lùi, được đánh dấu bằng khung màu vàng Khoảng trống phía trước không thay đổi theo tốc độ di chuyển, trong khi khoảng trống phía trước và phía sau liên kết với hệ thống tay lái, điều chỉnh theo hướng di chuyển khi tay lái được bẻ sang phải hoặc trái.
Hệ thống quan trắc và cảnh báo rất hiệu quả khi xe di chuyển chậm, vào đường nhỏ hẹp hoặc lùi, với sự điều khiển chủ động từ người lái Hệ thống này không thay thế quyền thao tác của người lái mà chỉ thực hiện chức năng quan trắc và cung cấp thông tin hình ảnh, không can thiệp vào hệ thống điều khiển của xe.
11 trắc và cảnh báo không xử lý những tình huống do chủ quan của người lái xe như không tỉnh hoặc ngủ gật trong lúc lái xe
Hình 2.3: Màn hình của hệ thống quan trắc và cảnh báo xung quanh xe
2.3.2 Hệ thống kiểm soát hành trình
Hệ thống kiểm soát hành trình hỗ trợ người lái xe bằng cách tự động điều chỉnh chân ga để duy trì tốc độ mong muốn Người lái có thể dễ dàng thay đổi tốc độ ổn định thông qua nút trên tay lái mà không cần tác động vào chân ga Hệ thống này đặc biệt phù hợp khi xe di chuyển trên đường cao tốc vắng, giúp duy trì tốc độ ổn định mà không cần tăng giảm nhanh.
Hệ thống kiểm soát hành trình thích nghi (Adaptive Cruise Control - ACC) tự động điều chỉnh tốc độ xe dựa trên dữ liệu từ cảm biến phát hiện vật cản phía trước, giúp cải thiện an toàn và trải nghiệm lái xe.
Hệ thống phanh khẩn cấp tự động (AEB) kết hợp với hệ thống kiểm soát hành trình thích nghi giúp đảm bảo khoảng cách an toàn với xe di chuyển phía trước Khi phát hiện vật cản, như xe hoặc chướng ngại vật, AEB sẽ tự động kích hoạt để dừng xe, ngăn ngừa va chạm.
Một giải thuật tự học giúp tài xế xử lý tình huống khẩn cấp, nhằm tránh va chạm khi các xe di chuyển nối đuôi trên đường cao tốc, đã được đề xuất trong các hệ thống kiểm soát hành trình thích nghi.
2.3.3 Hệ thống cảnh báo chệch làn đường
Hệ thống cảnh báo chệch làn đường sử dụng camera để ghi nhận và nhận diện vạch sơn phân chia làn trên đường cao tốc Khi xe di chuyển ra khỏi làn, hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo cho người lái Đây là một phần quan trọng của hệ thống quan trắc và cảnh báo, đặc biệt phù hợp cho các phương tiện di chuyển trên đường cao tốc có phân làn.
2.3.4 Hệ thống cảnh báo điểm mù Điểm mù là vùng không gian không nằm trong tầm quan sát của người lái xe, ví dụ góc trước ngang ghế lái xe hoặc vùng không gian phía sau xe không nằm trong vùng quan sát của kiếng chiếu hậu Hệ thống cảnh báo điểm mù thu thập dữ liệu về các thực thể xung quanh xe bằng một hệ thống camera quan sát những vùng khuất tầm nhìn của người lái xe[3] Hệ thống cảnh báo điểm mù phát hiện vật cản trong vùng điểm mù và phát ra tín hiệu báo cho người lái xe biết để xử lý Hệ thống cảnh báo điểm mù không dành quyền điểu khiển của người lái xe Hệ thống cảnh báo điểm mù có thể được xem là một phần của hệ thống quan trắc và cảnh báo
2.3.5 Hệ thống hỗ trợ chuyển làn đường
Hệ thống hỗ trợ chuyển làn đường hoạt động kết hợp với hệ thống cảnh báo điểm mù, sử dụng camera xung quanh xe để theo dõi sự hiện diện của các phương tiện khác Khi người lái xe có ý định chuyển sang làn có phương tiện đang di chuyển, hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo, và một số xe còn trang bị tính năng rung mạnh tay lái để cảnh báo cao hơn, nhằm đảm bảo an toàn cho người lái.
2.3.6 Hệ thống hỗ trợ khởi hành giữa dốc
Khi xe dừng lại trên dốc, việc sử dụng phanh là cần thiết để ngăn không cho xe tự di chuyển Khi khởi động lại, người lái cần thả phanh và tăng ga mạnh Tuy nhiên, nếu không xử lý đúng cách, xe có thể trượt xuống dốc hoặc lùi lại va chạm với xe phía sau Hệ thống hỗ trợ khởi hành giữa dốc giúp duy trì lực phanh trong thời gian cần thiết, đảm bảo xe không bị trôi khi người lái chưa tác động đủ vào chân ga để chống lại lực kéo của trọng lực.
2.3.7 Hệ thống hỗ trợ đỗ xe
Hệ thống hỗ trợ đỗ xe đã xuất hiện từ giữa thập niên 1990, ban đầu sử dụng cảm biến để phát hiện vật cản khi xe di chuyển với tốc độ thấp, giúp người lái tránh va chạm khi đỗ xe Sau đó, công nghệ đã phát triển với việc sử dụng camera để ghi hình và hiển thị hình ảnh theo thời gian thực trên màn hình Khi công nghệ ghi hình 360 độ ra đời, các hệ thống hỗ trợ đỗ xe đã nhanh chóng áp dụng để cung cấp cái nhìn toàn cảnh cho người lái Hiện nay, nhiều mẫu xe như Ford Focus đã được trang bị hệ thống hỗ trợ đỗ xe tự động, sử dụng cảm biến khoảng cách để hỗ trợ người lái.
Hệ thống camera tự động hỗ trợ đỗ xe giúp người lái dễ dàng hơn trong việc đậu xe Nó kiểm soát tay lái, chân ga, chân phanh và cần số, cho phép xe tự động điều khiển vào chỗ đậu mà không cần sự can thiệp của người lái.
2.3.8 Hệ thống nhận dạng biển báo giao thông
Hệ thống nhận dạng tín hiệu giao thông (TSR) là công nghệ giúp người lái xe phát hiện và nhận diện các biển báo giao thông trên đường Hệ thống này bao gồm hai tầng: tầng nhận dạng sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh để phát hiện và đọc nội dung biển báo, và tầng xếp loại phân loại biển báo thành các nhóm như cấm hoặc hết cấm Ví dụ, biển báo tốc độ tối đa cấm xe vượt quá giới hạn cho phép, biển báo hết giới hạn tốc độ tối đa, và biển báo bắt đầu đường cao tốc.
HỆ THỐNG HỖ TRỢ LÁI XE V2V và V2X
Sự phát triển của công nghệ IoT đã thúc đẩy nghiên cứu về hệ thống hỗ trợ lái xe cộng tác xe-xe thông qua truyền thông V2V và V2X, cung cấp thông tin cần thiết cho người lái xe trong việc xử lý tình huống Những hệ thống này không chỉ cho phép chia sẻ thông tin giữa các xe mà còn khuyến khích thương lượng để tối ưu hóa việc sử dụng cơ sở hạ tầng giao thông, từ đó nâng cao an toàn giao thông Để hoạt động hiệu quả, hệ thống yêu cầu mạng truyền thông băng thông rộng và đáng tin cậy, đồng thời cần có sự hợp tác và tinh thần cộng đồng cao từ phía người lái xe.
KẾT LUẬN
Mặc dù ý tưởng về công nghệ hỗ trợ lái xe đã xuất hiện từ những năm 1980, nhưng sự phát triển của nó diễn ra chậm do các kỹ thuật hỗ trợ như cảm biến và công nghệ thông tin chưa đủ phát triển để đáp ứng yêu cầu của hệ thống Thêm vào đó, nhu cầu xã hội về công nghệ này chưa cao, khiến các hãng xe không tập trung nghiên cứu Tuy nhiên, trong những năm gần đây, nhu cầu giao thông gia tăng trong bối cảnh cơ sở hạ tầng phát triển chậm và tai nạn giao thông gia tăng đã thúc đẩy sự cạnh tranh giữa các hãng xe Nhiều công ty đã đặt mục tiêu phát triển các dòng xe an toàn với hệ thống hỗ trợ lái xe Sự bùng nổ của công nghệ thông tin và cảm biến đã tạo nền tảng vững chắc cho nghiên cứu công nghệ hỗ trợ lái xe Bước đầu của nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng cảm biến để thu thập dữ liệu giao thông, tuy nhiên, việc xử lý dữ liệu vẫn chưa được chú trọng Do đó, nhu cầu nghiên cứu về xử lý dữ liệu cho các bài toán hỗ trợ lái xe đang ngày càng trở nên phức tạp hơn.
HỆ THỐNG HỖ TRỢ KIỂM SOÁT TỐC ĐỘ
GIỚI THIỆU
Hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ được đề xuất là một giải pháp từng phần, áp dụng cho xe di chuyển trên đường cao tốc thẳng và phẳng Trên các tuyến đường này, sự thay đổi tốc độ của một xe có thể ảnh hưởng ngay lập tức đến xe phía sau, theo mô hình car-following Nếu xe trước giảm tốc độ hoặc dừng lại mà tài xế xe sau không phản ứng kịp thời, sẽ dễ xảy ra va chạm Khoảng cách an toàn không đủ và thời gian phản ứng chậm của tài xế có thể dẫn đến tai nạn giao thông.
Tốc độ di chuyển của xe được kiểm soát bởi chân ga và chân phanh, nhưng những lỗi chủ quan của người lái như chậm xử lý hay nhầm chân có thể gây tai nạn Để giảm thiểu rủi ro này, chương này đề xuất một thiết bị hỗ trợ kiểm soát tốc độ, hoạt động như một người lái phụ, đồng thời kiểm soát chân ga và chân phanh cùng với người lái chính Khi tốc độ xe vượt quá mức an toàn so với khoảng trống phía trước và người lái chính chưa phản ứng, người lái phụ sẽ can thiệp để đảm bảo an toàn.
Chương này khám phá mối quan hệ toán học giữa tốc độ xe và khoảng trống phía trước dựa trên định luật Newton II Phương pháp được sử dụng là rời rạc hóa các đại lượng tốc độ và khoảng trống, với các giá trị này được ghi lại thông qua việc lấy mẫu theo chu kỳ nhỏ Qua quá trình xử lý, các dữ liệu này cung cấp thông tin về lực kéo và lực phanh, với lực kéo liên quan đến chân ga và lực phanh liên quan đến chân phanh.
ĐỊNH LUẬT NEWTON
Gia tốc của một đối tượng di chuyển cùng hướng với lực tác dụng lên nó Độ lớn của gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của đối tượng.
- F: tổng vector của các lực tác dụng lên đối tượng di chuyển,
Trong một khoảng thời gian = −t t i t i − 1 , gia tốc trung bình của đối tượng di chuyển là:
3.2.2 Khoảng trống phía trước cần thiết cho xe di chuyển Áp dụng định luật Newton cho một xe đang di chuyển, gia tốc là một biến phụ thuộc lực tác động lên xe: a F
Lực tác động lên xe bao gồm tổng vector của lực đẩy từ động cơ, lực phanh (lực cản do phanh), và các lực cản khác như lực cản do ma sát với mặt đường và lực cản do không khí.
F t : lực đẩy của động cơ xe tại thời điểm t r ( )
F t :lực cản khác được giả sử là hằng số, F t r ( )=F r ,t b ( )
F t : lực phanh của xe được điều khiển bởi thiết bị kiểm soát tốc độ m : khối lượng của xe, được xem như không đổi
( ) a t : gia tốc tức thời của điểm tâm xe tại thời điểm t
( ) v t : vận tốc tức thời của xe tại thời điểm t
Khi lái xe, người điều khiển sử dụng chân ga để điều chỉnh lực đẩy của động cơ F e và chân phanh để thay đổi lực phanh F b, trong khi các lực cản khác F r được giả định là không đổi Cả lực đẩy F e và lực phanh F b đều thay đổi theo thời gian, dẫn đến lực tác động F lên xe di chuyển trở thành một biến phụ thuộc vào thời gian.
F t =F t −F t −F Áp dụng định luật Newton II, gia tốc là một biến phụ thuộc lực tác động F :
Khảo sát trong khoảng thời gian =t t i + 1 −t i lực tác động không đổi F t( )=Fthì gia tốc ( )a t là hằng số, ( )a t =a:
Vận tốc trung bình trong khoảng thời gian =t t i + 1 −t i là:
Khoảng đường xe di chuyển được trong thời gian =t t i + 1 −t i là:
Khoảng đường d t ( ) i là khoảng trống cần thiết trước xe tại thời điểm t i để di chuyển trong khoảng thời gian [t i − 1 , t i = Δt] với lực F không đổi Theo công thức (8), tốc độ di chuyển của xe và khoảng trống phía trước có mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau Khoảng trống cần thiết trước xe phụ thuộc vào tốc độ di chuyển, và nếu biết trước khoảng trống cần thiết, tốc độ xe sẽ phải được điều chỉnh tương ứng.
3.2.3Các trạng thái di chuyển của xe
Xét trong khoảng thời gian =t t i + 1 −t i , thao tác của người lái xe được phân tích thành những trạng thái sau:
Khi người lái xe thả chân phanh và giữ chân ga, xe sẽ di chuyển với tốc độ ổn định khi lực đẩy của động cơ được duy trì cân bằng với lực ma sát.
(F b =0)(F e =F r ) = = F 0 a 0 v t( i + 1)=v t( ) i : tốc độ xe không đổi (9)
Khi người lái xe thả chân phanh và tăng cường lực đẩy của động cơ bằng cách nhấn mạnh chân ga, tốc độ di chuyển của xe sẽ tăng lên một cách đều đặn, vượt qua lực ma sát.
Trạng thái 3:Tốc độ giảm Muốn giảm tốc độ di chuyển của xe, người lái xe có 3 mức thao tác như sau:
Khi lái xe, để giảm tốc độ, người lái cần giảm lực đẩy của động cơ bằng cách thả chân phanh và giảm bớt áp lực lên chân ga Khi lực đẩy của động cơ nhỏ hơn lực cản, tốc độ xe sẽ từ từ giảm xuống.
- Mức 2: Triệt tiêu lực đẩy của động cơ Người lái xe vẫn thả chân phanh và thả luôn chân ga, tốc độ xe giảm nhanh hơn
Mức 3 tác động đến lực phanh, giúp người lái xe giảm tốc độ nhanh chóng mà không cần phải nhấn ga Khi chân phanh được tác động, xe có thể dừng hẳn một cách an toàn.
TRƯỜNG HỢP ÁP DỤNG
3.3.1 Trường hợp 1: Vận tốc không đổi
Xe di chuyển với tốc độ không đổi v, trong đó gia tốc a = 0, khi lực đẩy của động cơ cân bằng với các lực cản, dẫn đến tổng lực tác động lên xe bằng zero.
(F b =0)(F e =F r ) = = F 0 a 0 v t( i + 1)=v t( ) i : tốc độ xe không đổi (9)
Khoảng trống phía trước cần thiết là:
Kết quả cho thấy rằng khi tốc độ di chuyển không thay đổi, khoảng trống cần thiết phía trước tỉ lệ thuận với thời gian xử lý Cụ thể, thời gian xử lý càng lâu thì khoảng trống phía trước càng phải dài Điều này cho thấy khoảng trống phía trước xác định giới hạn tốc độ di chuyển dựa trên thời gian xử lý đã biết.
3.3.2 Trường hợp 2: Tốc độ tăng
Khi xe di chuyển với tốc độ v(t) = 0, lực phanh F(t) = 0 Từ thời điểm t0, xe chịu tác động của lực đẩy từ động cơ F(e) và lực ma sát F(r) Lực tổng hợp tác động lên xe là lực đẩy F(e) trừ đi lực ma sát F(r).
(F b =0)(F e F r ) F 0 a 0 v t( i + 1)v t( ) i : tốc độ xe tăng (10) Khoảng trống phía trước cần thiết là:
Kết quả cho thấy khi tốc độ tăng đều, gia tốc là hằng số dương, tương ứng với một lực đẩy không đổi Khoảng trống cần thiết phía trước phụ thuộc vào tốc độ ban đầu, gia tốc, lực đẩy và thời gian xử lý.
3.3.3 Trường hợp 3: Tốc độ giảm
Có 3 mức giảm tốc độ của một xe đang chạy với vận tốc v t( ) 0 từ thời điểm t 0 :
- Mức 1: Giảm lực đẩy của động cơ F e F r , lực phanh vẫn bằng zero F b =0
Lực tác động vào xe là lực cản F =F r −F e
(F b =0)(F e F r ) F 0 a 0 v t( i + 1)v t( ) i : tốc độ xe giảm (11a) Khoảng trống phía trước cần thiết là:
- Mức 2: Triệt tiêu lực đẩy của động cơ F e =0, lực phanh vẫn bằng zero F b =0
Lực tác động vào xe là lực cản F = −F r
(F b =0)(F e =0) F 0 a 0 v t( i + 1)v t( ) i : tốc độ xe giảm (11b) Khoảng trống phía trước cần thiết là:
- Mức 3: Triệt tiêu lực đẩy của động cơ F e =0, tác động vào lực phanh F b 0
Lực tác động vào xe là lực cản F = −(F b +F r )
(F e =0)(F b 0) F 0 a 0 v t( i + 1)v t( ) i : tốc độ giảm mạnh (11c) Khoảng trống phía trước cần thiết là:
HỆ THỐNG HỖ TRỢ KIỂM SOÁT TỐC ĐỘ
Hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ gồm 3 tầng: tầng cảm biến, tầng xử lý, và tầng chấp hành:
Tầng cảm biến bao gồm các cảm biến tốc độ và khoảng cách, ghi lại tốc độ xe đang di chuyển và khoảng trống phía trước xe theo thời gian thực Cảm biến tốc độ cung cấp dữ liệu về tốc độ v(t)i, trong khi cảm biến khoảng cách đo khoảng cách D(t)i từ mũi xe đến cản sau của xe phía trước Thông tin này được truyền đến khối xử lý để xử lý tiếp.
Dữ liệu khoảng trống Định thời
Tầng cảm biến Tầng xử lý Tầng chấp hành
Hình 3.1:Sơ đồ khối hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ
Tầng xử lý bao gồm khối xử lý và khối định thời, trong đó khối xử lý chuyển đổi dữ liệu tốc độ và khoảng cách trước xe thành tín hiệu điều khiển tăng lực kéo của động cơ và phanh giảm tốc độ Khối định thời hoạt động như đồng hồ của hệ thống, xác định thời điểm thu thập và xử lý dữ liệu với khoảng cách đều nhau giữa các thời điểm đã được thiết lập trước.
Tầng chấp hành bao gồm các thiết bị điện cơ, như chân ga và chân thắng, có nhiệm vụ tác động lên động cơ và bộ phận giảm tốc của xe Những thiết bị này được điều khiển thông qua tín hiệu từ tầng xử lý, đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả của phương tiện.
Hệ thống thu thập dữ liệu tốc độ và khoảng cách phía trước thông qua cảm biến tốc độ và cảm biến khoảng cách, ghi lại dữ liệu tại các thời điểm xác định Dữ liệu tốc độ được nhập vào bộ xử lý để xác định khoảng trống cần thiết phía trước, trong khi dữ liệu khoảng cách với xe phía trước được ghi lại để so sánh Từ đó, bộ xử lý tính toán lực tác động cần thiết dựa trên các công thức đã định Lực tác động này được các bộ phận chấp hành tiếp nhận, điều chỉnh chân ga và chân phanh của người lái xe, đặc biệt là tăng cường tác động vào chân phanh khi cần thiết nhằm giảm thiểu rủi ro.
KẾT LUẬN
Chương này giới thiệu mô hình hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ xe, cho phép hệ thống kiểm soát chân ga và chân phanh của người lái để ứng phó kịp thời với các tình huống nguy hiểm Định luật Newton II được áp dụng để xác định mối quan hệ giữa vận tốc xe và khoảng cách an toàn cần thiết trong các trạng thái di chuyển khác nhau, bao gồm tốc độ đều, tăng và giảm Đặc biệt, trạng thái giảm tốc độ được chia thành 3 cấp độ để quản lý hiệu quả Hệ thống bao gồm ba phần chính: cảm biến thu thập dữ liệu tốc độ và khoảng cách, phần xử lý để tính toán khoảng trống cần thiết, và phần chấp hành để điều khiển chân ga và chân phanh.
GIẢI THUẬT KIỂM SOÁT TỐC ĐỘ
GIỚI THIỆU
Giải thuật xử lý dữ liệu khoảng trống phía trước xe cùng với tốc độ di chuyển hiện tại nhằm điều khiển chân phanh, giúp xe tránh va chạm với cản sau của xe phía trước hoặc các chướng ngại vật.
Giải thuật kiểm soát tốc độ trong hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ điều khiển lực đẩy và lực cản của xe thông qua chân ga và chân phanh Khi khoảng cách an toàn phía trước xe đủ dài, hệ thống không can thiệp vào thao tác của người lái Tuy nhiên, nếu khoảng cách không đủ để đảm bảo an toàn, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh chân ga và chân phanh để ngăn chặn va chạm với chướng ngại vật hoặc xe phía trước.
Giải thuật được xây dựng để xử lý dữ liệu tại những thời điểm cách đều nhau là
Hệ thống tự động chỉ định các thời điểm bằng bộ định thời, như thể hiện trong Hình 3.1 Với chương trình xử lý ngắn, thiết bị có tốc độ xử lý nhanh.
Trong điều kiện giao thông trên đường cao tốc, với tốc độ tối đa của xe là 120 km/giờ, thời gian phản ứng được chỉ định nhỏ hơn 0.1 giây, tương ứng với khoảng cách xe di chuyển là 3.33m Do đó, khoảng trống tối thiểu D min cần phải lớn hơn 3.33m Bên cạnh đó, khoảng trống cần thiết d t ( ) i phải nhỏ hơn khoảng trống thực tế D t ( ) i được đo tại mỗi thời điểm t i ghi dữ liệu.
GIẢI THUẬT
Dữ liệu đầu vào cho quy trình xử lý bao gồm khoảng trống phía trước xe và tốc độ xe được ghi lại theo thời gian thực tại các thời điểm t i, lần lượt là D t ( ) i và ( ) i v t Thuật toán được thực hiện thông qua các bước cụ thể.
Bước đầu tiên trong quy trình là so sánh khoảng cách đo được D t ( ) i với khoảng cách tối thiểu D min đã được định nghĩa trước Nếu D t ( ) i nhỏ hơn hoặc bằng D min, tài xế cần ngay lập tức triệt tiêu lực đẩy bằng cách thả hoàn toàn chân ga và áp dụng lực phanh tối đa Ngược lại, nếu D t ( ) i lớn hơn D min, tài xế sẽ tiến hành bước tiếp theo.
So sánh giá trị D_t(i) với D_t(i-1) để quyết định bước tiếp theo trong quy trình Nếu D_t(i) lớn hơn D_t(i-1), quay lại thực hiện quy trình từ đầu cho thời điểm thu thập dữ liệu tiếp theo t_i+1 Ngược lại, nếu D_t(i) nhỏ hơn D_t(i-1), tiến hành bước kế tiếp.
- Bước 3: Tính khoảng trống phía trước cần thiết đối với tốc độ đang di chuyển của xe là d t ( ) i theo công thức d t ( ) i = ( ) D t i , trong đó d t ( ) i phải nhỏ hơn
D t với 1 được định nghĩa trước, ví dụ =0.8
- Bước 4: Tính tổng lực tác động cần thiết F t( ) i =F t e ( ) i −F t b ( ) i −F r theo công thức (8) Nếu F t ( ) i 0 thì chỉ giảm lực đẩy F e bằng cách giảm chân ga Nếu
F t thì thực hiện bước tiếp theo
Bước 5 yêu cầu so sánh F t ( ) i với F t ( i − 1 ) Nếu F t ( ) i lớn hơn F t ( i − 1 ), cần giảm hoặc triệt tiêu lực đẩy bằng cách giảm hoặc thả hoàn toàn chân ga, đồng thời tăng cường lực cản bằng cách tăng chân phanh Ngược lại, nếu F t ( ) i nhỏ hơn F t ( i − 1 ), tiến hành thực hiện bước tiếp theo.
- Bước 6: Trở lại từ đầu, thực hiện lại qui trình tại thời điểm thu thập dữ liệu tiếp theo t i + 1
Lưu đồ trình bày quy trình xử lý dữ liệu khi xe di chuyển, nhằm kiểm soát lực đẩy và lực cản thông qua hệ thống chân ga và chân phanh Chức năng này hỗ trợ người lái điều khiển chân ga và chân phanh một cách hợp lý và kịp thời Lưu đồ hoạt động liên tục, ghi nhận tốc độ xe và khoảng cách phía trước tại các thời điểm được xác định bởi bộ định thời của hệ thống.
Thả chân ga Tăng mạnh phanh
Thả chân ga Tăng chân phanh
Hình 4.1: Lưu đồ xử lý dữ liệu của hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ xe
MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN
Ngôn ngữ Python và phần mềm SUMO được sử dụng để xây dựng mô phỏng sự cho giải thuật kiểm soát tốc độ
Ngữ cảnh mô phỏng tại cao tốc Trung Lương, Việt Nam, cho phép tốc độ tối đa lên đến 120km/h Sự thay đổi vận tốc của xe trước ảnh hưởng trực tiếp đến vận tốc của xe sau, điều này được thể hiện rõ ràng qua sự thay đổi màu sắc và di chuyển của hai phương tiện.
Bên cạnh việc hiển thị trực quan, dữ liệu đầu ra của mô phỏng bao gồm sự thay đổi tốc độ của từng xe và khoảng cách giữa hai xe.
KẾT LUẬN
Chương này trình bày kết quả tính toán từ chương ba để phát triển giải thuật và lưu đồ xử lý dữ liệu cho hệ thống kiểm soát tự động tốc độ xe Giải thuật này nhận dữ liệu từ cảm biến tốc độ và khoảng cách, cung cấp tín hiệu điều khiển chân ga và chân phanh, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ xe Thời gian xử lý và khoảng cách giữa hai lần xử lý có thể dưới 0,1 giây, trong khi thời gian phản ứng của người lái xe thường từ 0,5 giây đến vài giây, có thể gây ra tai nạn do thiếu tập trung Do đó, giải thuật ưu tiên điều khiển chân ga và chân phanh khi phát hiện khoảng trống phía trước không an toàn.