Nghiên cứu hệ thống kiểm soát khoảng cách an toàn cho ôtô trên đường cao tốc

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 12 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG KIỂM SOÁT KHOẢNG CÁCH AN TOÀN CHO ÔTÔ TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC RESEARCHING ABOUT A CONTROL SYSTEM OF SAFETY DISTANCE FOR CAR ON THE HIGHWAY. SVTH: Trần Quốc Đạt1, Đặng Quang Đông2 Lớp 106C4A, 206C4B, Trường Đại học Bách khoa GVHD: TS. Lê Văn Tụy; ThS. Phạm Quốc Thái Khoa Cơ Khí Giao Thông, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu hệ thống tự động kiểm soát tốc độ để giữ khoảng cách an toàn và tốc độ tương đối của xe với phía trước để giảm tránh tai nạn xảy ra khi xe hoạt động trên đường cao tốc. Hệ thống này sẽ tác động vào cơ cấu chấp hành: hệ thống phanh và bướm ga điều khiển điện tử. Do đó, luôn tạo ra một phạm vi an toàn quanh xe khi chaỵ trên đường cao tốc. ABSTRACT. The report searches on adaptive cruise control system that automatically controls speed to adjust the safety distance of the car from a vehicle in front and relative speed to preceding vehicles on the highway by employing suitable actuator systems (Electronic throttle and braking systems) to avoid the collision. This creates “the virtual safety belt ” around the car when running on the highway. 1. Mở đầu 1.1.Đặt vấn đề Đường cao tốc là công trình phản ánh trình độ phát triển giao thông cũng như sức mạnh kinh tế của một đất nước hoặc một khu vực nào đó. Các phương tiện lưu thông trên đường cao tốc với tốc độ rất cao nên yêu cầu cấp thiết là phải đảm bảo an toàn khi lưu thông trên đường. Đây là cơ sở để chúng em nghiên cứu và thiết kế:” hệ thống kiểm soát khoảng cách an toàn cho ôtô trên đường cao tốc”. 1.2.Nội dung đề tài Để đạt được kết quả cuối cùng là nghiên cứu và thiết kế::” hệ thống kiểm soát khoảng cách an toàn cho ôtô trên đường cao tốc” thì phải đảm bảo được các kết quả sau. -Xây dựng được đặc tính khoảng cách an toàn theo tốc độ chuyển động của ôtô. -Xây dựng phương pháp đo khoảng cách giữa hai xe chuyển động trên đường cao tốc. -Xây dựng được hệ thống điều khiển mềm để tự động điều chỉnh lượng cung cấp nhiên liệu nhằm điều chỉnh tốc độ ôtô để duy trì khoảng cách an toàn. 2. Nội dung 2.1. Xây dựng đường đặc tính khoảng cách an toàn: Khoảng cách an toàn theo tốc độ chuyển động của ôtô trên đường cao tốc được xác định theo khoảng cách phanh an toàn, tức xây dựng đặc tính S min = f(V 1 ). Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 13 Pps PptPf1Pf2 Z2 Z1 Ga Pj P V 1P h hg b a L0 Hình 2.1: Sơ đồ các lực tác dụng lên ôtô khi phanh trên đường ngang. Chú thích: Các thông số hình học của xe: a, b là khoảng cách từ trọng tâm của xe đến trục bánh xe trước và sau; L là chiều dài cơ sở của xe; hg là chiều cao trọng tâm xe theo chiều cao. Các lực tác dụng lên ôtô: Ga là trọng lượng toàn bộ của ôtô; Z1: hợp lực các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên bánh xe trước; Z2: hợp lực các phản lực thẳng góc từ đường tác dụng lên bánh xe sau; P: lực cản không khí; Pf1 Lực cản lăn ở bánh xe trước; Pf2: lực cản lăn ở bánh xe sau; Ppt, Pps tương ứng là lực phanh ở các bánh xe trước và sau; Pj:lực quán tính sinh ra do khi phanh ôtô có gia tốc chậm dần; P  lực tiêu hao do ma sát cơ khí hệ thống truyền lực qui dẫn về bánh xe. Theo [1] ta có biểu thức xác định quảng đường phanh tối thiểu: S g Vk ..2 . 2 1 min   Trong đó: V1 là tốc độ bắt đầu phanh;  là hệ số bám giữa lốp với mặt đường khi phanh; g gia tốc trọng trường; k hệ số tăng thêm quảng đường do tính chậm tác dụng của hệ thống phanh. Số liệu tính toán quảng đường phanh theo tốc độ xe được minh họa trên hình 2.2. Xây dựng đường đặc tính: Độ chênh lệch về vận tốc ôtô với góc xoay motor bước, tức xây dựng đường (  = 0,6* V ) Đây là cơ sở để điều khiển mềm động cơ bước cần thiết phải xoay một góc bằng bao nhiêu để đảm bảo khoảng cách an toàn. Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ S min = f(V 1 ,  ). Đường đặc tính về độ chênh lệch tốc độ ôtô với góc xoay motor bước 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 (Vtrước - Vsau) (G ó c xo ay t rư ớ c - G ó c xo ay s au ) Hình 2.3: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ  = 0,6* V Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 14  Đầu tiên ta giả định là có sự tuyến tính về hàm V = f(  ).  Xây dựng bảng đặc tính tốc độ của ôtô cho trước.  Từ bảng ta có:      5,4 5,7  V   = 0,6* V  Lưu ý rằng để tránh hiện tượng bướm ga quay liên tục theo sự điều khiển thì ta cho phép rằng minSd  = 5[m] thì bướm ga có góc xoay cần thiết bằng 0; lúc đó ta cần phải cộng thêm một lượng 10[m] vào S min ; tức S ttmin = S min +5. Xây dựng phương pháp đo khoảng cách giữa hai xe: Sau khi tìm hiểu về những loại cảm biến siêu âm em chọn loại: SRF05 để đo khoảng cách giữa hai ôtô. Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng V = 343[m/s]. Khi cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ, đồng thời đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì hệ thống có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm. Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF (Time Of Light) như sau: d = 2 * t V . Trong đó: d là khoảng cách hai ôtô; V là vận tốc truyền tín hiệu; t là thời gian bắt đầu truyền tín hiệu đến khi thu về (cảm biến tự động tính được). Để SRF05 hoạt động thì cần cấp 1 xung mức cao có độ rộng tối thiểu 10us trên chân Tri. Sau khi nhận được xung từ chân Tri thì SRF05 sẽ tạo ra 8 xung để phát siêu âm, sau khi hoàn thành việc phát 8 xung này thì SRF05 sẽ kéo chân ECHO lên mức 1, độ rộng của mức 1 trên chân ECHO tương ứng với khoảng cách của vật cản với SRF05, nếu không có vật cản thì nó sẽ được trả về mức 0 sau 30ms. Cam bien Thoi gian t/2 Tin hieu di Tin hieu ve Hình 2.5: Nguyên lý TOF(Time Of Flight) Hình 2.4: Mô hình chuyển động của ôtô trên đường cao tốc Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 15 2.2. Xây dựng hệ thống điều khiển mềm để tự động điều chỉnh lượng cung cấp nhiên liệu Hình 2.6. Mô hình nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp tính toán lý thuyết a. Tín hiệu nhận về để xử lý Giả sử hai xe đang chuyển động với vận tốc VA, VB. Khoảng cách giữa 2 xe là L(m). -Tại thời điểm t1: tín hiệu về S1, V1. Tại thời điểm t2: tín hiệu về S2, V2. Với S1, S2 là khoảng cách giữa 2 xe đo ở 2 thời điểm khác nhau và V1,V2 là vận tốc của xe ta đang chạy ứng với 2 thời điểm đo liên tiếp nhau. Và t1, t2: là thời điểm đo liên tiếp giữa 2 lần nhận tín hiệu. b. Xử lý số liệu * Tính vận tốc tương đối giữa 2 ôtô: Vận tốc tương đối giữa 2 xe: 12 1212 tt SS t SS V       (m/s) t: là biến thiên thời gian giữa 2 lần nhận tín hiệu liên tiếp, phụ thuộc vào thời gian đưa tín hiệu về của cảm biến khoảng cách. * Xét điều kiện: Smin (m): là khoảng cách nhỏ nhất ứng với vận tốc chuyển động của ôtô V (m/s) mà lúc đó cần phải điều khiển phanh để đảm bảo điều kiện chuyển động an toàn của ôtô. (Smin được xác định tại phần khảo sát quãng đường phanh). + Nếu V < 0 (tức là S2 < S1) thì ta xét: +Nếu S2 < Smin thì cần điều khiển bướm ga để giảm vận tốc của ôtô. +Nếu S2 > Smin không cần phải điều khiển bướm ga. + Nếu V > 0 (tức là S2 > S1) thì không cần điều khiển bướm ga. Vi Điều Khiển Môtơ bước điều khiển bướm ga Cảm biến khoảng cách Cảm biến tốc độ ôtô Mở rộng(ĐK phanh) Hình 2.7: Sơ đồ bố trí hai xe đang chạy trên đường. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 16 2.2.2. Thuật toán của chương trình điều khiển 3. Kết luận Nhờ gắn thiết bị cảm biến đo khoảng cách cùng các cảm biến đo tốc độ có sẵn trên xe, thông qua chương trình tính toán và điều khiển cài đặt trước, cho phép ta có thể kiểm soát một cách an toàn xe khi chạy trên đường cao tốc tránh có thể đâm vào nhau khi xe trước có sự cố bất ngờ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng (2003), Lý thuyết ôtô và máy kéo, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2] J. MAREK, HANS PETER TRAH (2003), Sensor for Automotive Technology, Wiley – VCH GmbH and Co. KgaA, UK. [3] NGUYỄN THỊ THÚY, NGUYỄN QUANG THẮNG, ĐINH SƠN THẠCH,Báo cáo đề tài: Đo khoảng cách và xác định vị trí vật thể và bằng sóng siêu âm, ĐH Bách Khoa, ĐH QG TPHCM. BEGIN Nhận tín hiệu V1 , S1 0V S2 < Smin Tính: g Vk S ..2 . 22 min   Tín hiệu đk bướm ga Gán : V1  V2 S1  S2 Tính: V .6,0 (Độ mở bướm ga điều khiển) Tính: t SS V    12 Nhận tín hiệu V2 , S2 END