Hệ thống cảnh báo va chạm (trước và sau) Forward and rear collision warning

Va chạm từ phía sau là một sự cố quá phổ biến trên đường bộ. Hệ thống cảnh báo va chạm phía trước (FCW) là một tính năng an toàn hiện đại, cực kỳ tinh vi được thiết kế để giúp duy trì khoảng cách an toàn giữa các phương tiện, cũng như để ngăn ngừa và giảm các vụ tai nạn từ phía sau và chấn thương đi kèm

TÓM TẮT

Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngành công nghiệp ô tôcũng đang phát triển mạnh mẽ nhờ áp dụng các kỹ thuật và thiết bị thông minh lêntrên các sản phẩm xe hơi của mình Đặt biệt, hệ thống tiện nghi và an toàn trên xe hơi

là một lĩnh vực được nhiều hãng xe và cũng như các nhà phát triển công nghệ đặc biệtchú tâm tới, vì một mục đích đó là mang lại sự tiện nghi và an toàn tuyệt đối chongười dùng khi tham gia giao thông trên chính chiếc xe của mình

Ngoài ra, bằng việc phổ cập thông tin về các hệ thống tiện nghi và an toàn trên xe ô

tô, bài báo cáo này nhắm mục đích phổ cập trong chương trình giáo dục cho học sinh,sinh viên và mọi người để tìm hiểu rõ hơn về hệ thống tiện nghi và an toàn trên xe hơi,nắm rõ được các thành phần và đặc trưng của các hệ thống phổ biến trong ngành côngnghiệp ô tô cũng như nền tảng khoa học công nghệ tân tiến hiện nay

PHÀN 3 Chương 5: Hệ thống va chạm

5.1 Hệ thống cảnh báo va chạm trước và sau (Forward and rear collision warning)

5.1.1 Giới thiệu

Va chạm từ phía sau là một sự cố quá phổ biến trên đường bộ Hệ thống cảnh báo

va chạm phía trước (FCW) là một tính năng an toàn hiện đại, cực kỳ tinh vi được thiết

kế để giúp duy trì khoảng cách an toàn giữa các phương tiện, cũng như để ngăn ngừa

và giảm các vụ tai nạn từ phía sau và chấn thương đi kèm

Hình 5 1 - Hệ thống cảnh báo va chạm phía trước

Hệ thống cảnh báo va chạm phía trước và sau là một tính năng an toàn chủ độngcảnh báo người lái xe trong trường hợp va chạm trực diện sắp xảy ra Khi phương tiệnđược trang bị hệ thống này đến quá gần một phương tiện khác phía trước, tín hiệuhình ảnh, âm thanh xuất hiện để cảnh báo người lái về tình huống

Một số hệ thống mới hơn cũng cung cấp các mức độ hỗ trợ phanh khác nhau Nếu

hệ thống cảm thấy rằng người lái xe không phản ứng với cảnh báo va chạm, hệ thống

an toàn sẽ áp dụng lực phanh nhẹ để làm chậm xe Thậm chí các hệ thống mới hơn cóthể áp dụng lực phanh mạnh nếu người lái vẫn không phản hồi Ứng dụng phanh cóthể không hoàn toàn dừng xe, nhưng nó có thể làm giảm đáng kể tốc độ của xe, do đóngăn ngừa một vụ va chạm mạnh hơn Các hệ thống F&RCW còn được gọi là Phanhtrước an toàn, Cảnh báo va chạm giữa tự động với Phanh tự động, Hệ thống cảnh báo

của các hệ thống này có thể khác nhau rất nhiều, mặc dù có một mục tiêu chung làngăn chặn va chạm về phía trước.

Hệ thống F&RCW rất hữu ích mỗi khi người lái xe có nguy cơ va chạm với xe (hoặc, tùy thuộc vào loại hệ thống, người đi bộ hoặc động vật) trực tiếp phía trước Một loạt các tình huống tương đối phổ biến có khả năng khiến lái xe gặp rủi ro cho loại va chạm này: Một hàng xe phía trước dừng lại ở đèn xanh do chướng ngại vật ở ngã tư vàbạn đang lái quá nhanh về phía đó Ô tô đang đi quá gần nhau và không để khoảng cách an toàn giữa các phương tiện Chiếc xe phía trước bất ngờ chạy chậm lại để rẽ

mà không có tín hiệu Chiếc xe phía trước giảm tốc nhanh chóng cho người đi bộ băngqua đường, nhưng bạn không chú ý ngay đến việc phanh

5.1.2 Cấu tạo thành phần và cách thức hoạt động hệ thống cảnh báo va chạm phía trước và sau

5.1.2.1 Cấu tạo thành phần hệ thống

Hình 5 2 - Tổng quan hệ thống cảnh báo va chạm phía trước

Ở dạng cơ bản, hệ thống cảnh báo va chạm phía trước giám sát tốc độ của xe, tốc

độ của xe phía trước và khoảng cách giữa các phương tiện, để có thể đưa ra cảnh báocho người lái xe nếu phương tiện đi quá gần, có thể giúp tránh va chạm Các côngnghệ và cảm biến khác nhau được sử dụng bao gồm radar (mọi thời tiết) và đôi khi làlaser (LIDAR) và camera (sử dụng nhận dạng hình ảnh) để phát hiện một vụ tai nạnsắp xảy ra Cảm biến GPS có thể phát hiện những nguy hiểm cố định như đến gần cácbiển báo dừng thông qua cơ sở dữ liệu vị trí Tính năng phát hiện người đi bộ cũng cóthể là một tính năng của các loại hệ thống này

Các hệ thống cảnh báo sử dụng radar, laser hoặc camera để phát hiện các phươngtiện phía trước và phía sau, từ đó giúp người điều khiển thực hiên các bước di chuyểnhoặc giảm ga nhằm phù hợp để han chế các va chạm xảy ra trên đường

Giống như các hệ thống an toàn khác có chung các bộ phận nhưng thực hiện các

chức năng khác nhau (đáng chú ý là hệ thống chống bó cứng phanh và kiểm soát lựckéo), hệ thống F&RCW thường được kết hợp với kiểm soát hành trình thích ứng Điềunày là do cả hai hệ thống sử dụng một thiết bị quét được gắn ở phía trước của xe để đokhoảng cách với các phương tiện phía trước bạn Có một số cách đáng kể mà các hệthống F&RCW hoạt động, bao gồm các biến thể trong phương pháp được sử dụng đểphát hiện các va chạm tiềm ẩn và các cách mà phương tiện tự chuẩn bị để dừng hoặcchuẩn bị cho một vụ va chạm sau khi báo động được kích hoạt Các hệ thống cảnh báo

sử dụng radar, laser hoặc camera để phát hiện các phương tiện phía trước và mỗi hệthống này được mô tả ngắn gọn dưới đây

5.1.2.2 Cách thức hoạt động của hệ thống

Hình 5 3 - Biểu đồ xử lý tín hiệu và dữ liệu của hệ thống cảnh báo va chạm trước sau

Hệ thống này hoạt động dựa trên các tín hiệu nhận từ các cảm biến đặt ở phía trướcđầu xe hoặc cao cấp hơn là bộ đôi camera dưới gương hậu Đây là bộ các camera gócrộng chất lượng HD Nó liên tục phát ra sóng radio, khi gặp chướng ngại vật sóngradio sẽ phản hồi ngược về lại cảm biến Hệ thống điều khiển trung tâm (ECU) sẽ tựđộng tính toán khoảng cách giữa xe đến chướng ngại vật và gửi cảnh báo đến tài xế

Sơ đồ 5 1 - Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống cảnh báo va chạm phía trước

Về công nghệ, để thực hiện chức năng hỗ trợ hệ thống cảnh báo va chạm phía trước(Forward collision warning system), trong đó bao gồm hệ thống cảnh báo va chạm phía trước và sau Do đó, chúng ta cần nắm bắt thông tin về tốc độ, khoảng cách, vị trítương đối, hướng di chuyển cũng như kích thước và kiểu của vùng lân cận các phươngtiện, người và súc vật khác trên đường di chuyển Trong hệ thống cảnh báo va chạm phía trước cần một số công nghệ có sẵn, bao gồm cả Radar (phát hiện và phạm vi vô tuyến), Lidar (phát hiện ánh sáng và rung chuông), Sonar (điều hướng bằng âm thanh

và phạm vi), GPS (toàn cầu hệ thống định vị) và phân tích dựa trên video Chúng giải thích phân tích dựa trên video một cách chi tiết hơn vì hệ thống đề xuất sử dụng nó Phân tích dựa trên video sử dụng máy ảnh kỹ thuật số để có được hình ảnh rõ nét về môi trường xung quanh xe

Sơ đồ 5 2 - Sơ đồ thuật toán hệ thống cảnh báo va chạm phía trước

Hệ thống cảnh báo hoặc tránh va chạm phía trước phát hiện các đối tượng trênđường mà nếu không sẽ không được chú ý và cảnh báo trình điều khiển của nó về bất

kỳ va chạm nào có thể xảy ra với họ Hệ thống Traditional FCW sử dụng công nghệhồng ngoại và radar để phát hiện các đối tượng trên đường, đề xuất triển khai FCWdựa trên camera như trong Hình 10 Hệ thống FCW phát hiện bất kỳ đối tượng nàotrong cùng làn đường, tính toán khoảng cách giữa đối tượng và phương tiện, và đưa racảnh báo va chạm để tránh tai nạn nếu khoảng cách nhanh chóng trở nên ngắn hơn giátrị ngưỡng

Bằng cách này, FCW sẽ chỉ đưa ra cảnh báo va chạm khi nó phát hiện ra rằng chiếc

xe sẽ va chạm với một chiếc xe khác hoặc vật nếu nó tiếp tục chuyển động với tốc độ hiện tại

5.1.2.3 Sơ đồ mạch điện hệ thống

Sơ đồ 5 3 - Sơ đồ mạch điện hệ thống chống va chạm trước (sau)

Sơ đồ 5 4 - Sơ đồ mạch điện hệ thống chống va chạm trước (sau)

Hệ thống cảnh báo va chạm phía trước FCW thường được kết hợp với kiểm soáthành trình thích ứng cũng như các hệ thống an toàn khác có chung các bộ phận nhưngthực hiện các chức năng khác nhau (đáng chú ý là hệ thống chống bó cứng phanh vàkiểm soát lực kéo) Điều này là do cả hai hệ thống sử dụng một thiết bị quét được gắn

ở phía trước của xe để đo khoảng cách với các phương tiện phía trước

Tín hiệu đầu vào được nhận từ các cảm biến như là: cảm biến âm thanh, cảm biếnmưa qua tín hiệu từ hệ thống radar hỗ trợ phanh chủ động cùng với tín hiệu nhận từ bộcamera đa chức năng, gửi về cho bộ điều khiển Gauge Control Module để thực hiệnchức năng chống va chạm phía trước bằng cách cảnh báo bằng đèn led trên gươngchiếu hậu hoặc là âm thanh

Hệ thống hoạt động nhờ nguồn 12V, qua bộ phận bảo vệ mạch (cầu chì, rờ-le, biếnáp), đến mô đun đo lường và tính toán (Gauge Control Module) Đồng thời, mô-đunnày sẽ nhận các tín hiệu của Electric Parking Brake Control Unit, Braking and BackupSensor Control Unit, Headlight Leveling Control Unit và Keyless Access ControlUnit Sau đó, Gauge Control Module sẽ gửi tín đến PCM (Mô-đun điều khiển bộtruyền động) để kích hoạt các bộ chấp hành thực hiện các chức năng hỗ trợ phanhkhẩn cấp ngăn ngừa tài xế chuyển lái, đồng thời phát các tín hiệu cảnh báo bằng hìnhảnh, âm thanh hay là rung tay lái hoặc cả ba

5.1.3 Cách vận hành của hệ thống cảnh báo va chạm phía trước và sau

Hệ thống hỗ trợ trước va chạm hoạt động ở tốc độ khoảng trên 5 km/h và tính năngphát hiện người đi bộ hoạt động ở tốc độ lên tới 80 km/h.

Hình 5 4 - Cảnh báo va chạm trước xảy raNếu xe tiếp cận với vận tốc cao đến một xe khác đang đỗ, đến một xe đang đi cùngchiều với bạn hoặc người đi đường trên làn xe bạn đang đi, hệ thống có ba cấp độchức năng:

Hỗ trợ phanh: Hỗ trợ người lái giảm tốc độ va chạm bằng cách chuẩn bị cho hệ

thống phanh về tình huống phanh gấp Chức năng hỗ trợ phanh không tự động kíchhoạt phanh nhưng nếu người lái nhấn nhẹ bàn đạp phanh thì chức năng hỗ trợ phanh

có thể phanh thêm để đạt được lực phanh đầy đủ

Phanh chủ động: Chức năng phanh chủ động có thể kích hoạt nếu hệ thống phát

hiện va chạm sắp xảy ra Hệ thống có thể giúp người lái giảm chấn thương do lực tácđộng hoặc tránh hoàn toàn va chạm

Nếu bạn thấy cảnh báo Hỗ trợ trước va chạm xảy ra quá thường xuyên và gây phiềnnhiễu, thì bạn có thể giảm độ nhạy của cảnh báo, mặc dù nhà sản xuất khuyến cáo sửdụng cài đặt độ nhạy cao nhất khi có thể Thiết lập độ nhạy thấp hơn sẽ dẫn đến cảnhbáo hệ thống ít hơn và muộn hơn.

Chỉ báo khoảng cách và cảnh báo:

Chức năng này cung cấp chỉ báo đồ họa về khoảng thời gian sẽ va chạm với xetrước đi cùng chiều Chỉ báo khoảng cách và màn hình cảnh báo trên màn hình hiểnthị thông tin thể hiện đồ họa tương tự như đồ họa tiếp theo

Hình 5 5 - Chức năng chỉ báo khoảng cách và cảnh báoNếu khoảng thời gian sẽ va chạm với xe trước nhỏ, cảnh báo màu đỏ được hiển thị cho người lái

Chỉ báo khoảng cách và cảnh báo sẽ ngừng kích hoạt và đồ họa không hiển thị khichức năng điều khiển ga tự động thích ứng đang hoạt động

5.1.4 Cấu tạo chi tiết và cách xử lý tín hiệu của hệ thống cảnh báo va chạm phía trước và sau

5.1.4.1. Hệ thống radar

Hệ thống radar hoạt động bằng cách phát ra sóng vô tuyến từ mui xe Tốc độ dichuyển và khoảng cách từ các phương tiện khác được xác định bằng cách theo dõi cácthay đổi trong Doppler Shift của sóng vô tuyến sau khi nó bật ra thứ gì đó và quay trởlại điểm bắt đầu

Hình 5 6 - Hệ thống radar

Về nguyên tắc hoạt động, radar sẽ phát ra sóng điện từ Khi có xe nào tiến lại gầntrong vùng này, các sóng điện từ sẽ bị cản lại Do đó, hệ thống nhận biết được tín hiệuhồi về không đúng Nó sẽ cảnh báo và tính toán chính xác khoảng cách các va chạmsắp sửa xảy ra

Radar hoạt động ở tần số vô tuyến siêu cao tần, có bước sóng siêu cực ngắn, dướidạng xung được phát theo một tần số lập xung nhất định Nhờ vào ăn ten, sóng radartập trung thành một luồng hẹp phát vào trong không gian Trong quá trình lan truyền,sóng radar gặp bất kỳ mục tiêu nào thì nó bị phản xạ trở lại Tín hiệu phản xạ trở lạiđược chuyển sang tín hiệu điện nhờ bộ (Power amplifier) Nhờ biết được vận tốcsóng, thời gian sóng phản xạ trở lại nên có thể biết được khoảng cách từ mui xe đếnvật cản

Sóng radar có thể dễ dàng tạo ra với cường độ thích hợp, có thể phát hiện mộtlượng sóng cực nhỏ và sau đó khuếch đại vài lần (Pulse modulator) Vì thế radar thíchhợp để định vị vật ở khoảng cách xa mà các sự phản xạ khác như của âm thanh haycủa ánh sáng là quá yếu không đủ để định vị

Sơ đồ 5 5 - Sơ đồ xử lý tín hiệu của cảm biến Radar

5.1.4.2 Hệ thống laser

Hệ thống laser hoạt động bằng cách phát ra tia laser hồng ngoại từ mui xe Khichùm tia chạm vào một phương tiện khác và phản xạ trở lại nguồn của nó, công nghệlaser cho phép đo khoảng cách giữa hai phương tiện Sử dụng một công thức toán họcđơn giản, tốc độ của chiếc xe của bạn sau đó có thể được tính toán Dựa trên hai thôngtin này, hệ thống FCW xác định nguy cơ va chạm trực diện

Hình 5 7 - Hệ thống laser

Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation trong tiếng Anh, có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích".Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (hay CW -continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation) Trong chế độ phát xung, côngsuất laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn "đóng" và

"ngắt" cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất cóthể

Sơ đồ 5 6 - Sơ đồ xử lý tín hiệu của cảm biến LaserĐây là một phương pháp xác định phạm vi (khoảng cách thay đổi) bằng cách nhắmmục tiêu một đối tượng bằng tia laser và đo thời gian để ánh sáng phản xạ quay trở lạimáy thu Laser cũng có thể được sử dụng để biểu diễn kỹ thuật số 3-D của các khuvực trên bề mặt đường, do sự khác biệt về thời gian quay trở lại của tia laser và cácbước sóng laser khác nhau Từ đó, tính toán và xác định khoảng cách giữa hai phươngtiện hoặc Sử dụng một công thức toán học đơn giản, tốc độ của chiếc xe của bạn sau

đó có thể được tính toán khoảng cách và khoảng thời gian hai phương tiện có khảnăng xảy ra va chạm

5.1.4.3. Hệ thống camera

Hệ thống camera hoạt động khác với các phương pháp radar và laser Thay vì dựavào các bài đọc hoặc phản xạ của Doppler Shift, hệ thống F&RCW này có mộtcamera được gắn ở phía trước của xe và bộ xử lý hình ảnh điện tử Máy ảnh và bộ xử

lý hình ảnh được sử dụng để xác định nguy cơ va chạm trực diện

Hình 5 8 - Hệ thống cameraNếu hệ thống FCW phát hiện ra rằng chiếc xe có nguy cơ bị va chạm trực diện, cónhiều cách khác nhau để cảnh báo người lái xe về nguy hiểm

- Cảnh báo bằng âm thanh bao gồm chuông, âm thanh chuông và báo động cảnhbáo

- Cảnh báo trực quan bao gồm đèn trên bảng điều khiển và đèn phanh mô phỏngtrên kính chắn gió

- Cảnh báo xúc giác bao gồm cảm giác dây an toàn siết chặt vào thân xe và xe bịgiật khi giảm tốc độ (trong các hệ thống áp dụng phanh)

Một số hệ thống FRCW cung cấp hỗ trợ phanh bổ sung trong trường hợp người lái

xe không phản ứng với các cảnh báo Ngay cả các hệ thống F&RCW mới hơn cũng cóthể áp dụng phanh mạnh mẽ nếu không có phản ứng với các cảnh báo, trong nỗ lựcngăn chặn hoặc giảm thiểu va chạm sắp xảy ra Ngoài ra, các hệ thống mới hơn nàycũng có thể thắt chặt dây an toàn và sạc trước túi khí

5.1.4.4 GPS

Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) là một hệ thống định vị vô tuyến dựa trên vệ tinh

Nó là một trong những hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS) cung cấp thôngtin về vị trí địa lý và thời gian cho bộ thu GPS ở bất kỳ đâu trên hoặc gần Trái đất nơi

có đường ngắm không bị cản trở tới bốn hoặc nhiều vệ tinh GPS Các chướng ngại vậtnhư núi và tòa nhà chặn tín hiệu GPS tương đối yếu

Trong lĩnh vực ô tô, ứng dụng hệ thống Định vi Toàn cầu (GPS) được sử dụng phổbiến GPS được sử dụng để xác định giới hạn tốc độ cục bộ trên một con đường Hệthống này đưa ra tìm kiếm bất kỳ biển báo giới hạn tốc độ nào trên đường, và so sánhtốc độ giới hạn với tốc độ của xe Nếu phương tiện quá nhanh, nó phát ra cảnh báo vàgiảm phương tiện tăng tốc trong khi quan sát các phương tiện phía sau để tránh va