Tài liệu NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH GIỮA Ô TÔ VỚI CHƯỚNG NGẠI VẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH GIỮA Ô TÔ VỚI CHƯỚNG NGẠI VẬT BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TP. BIÊN HÒA, tháng 6 năm 2010 Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý MỞ ĐẦU Hệ thống xác định chướng ngại vật là một hệ thống nhằm cải thiện thêm tính an toàn trên xe hơi, bên cạnh hệ thống túi khí (air bag), hệ thống thắng ABS v..v… thì hệ thống xác định khoảng cách từ ô tô đến chướng ngại vật được lắp trên một số loại ô tô đắt tiền. Vì chi phí chế tạo hệ thống khá đắt nên ở Việt Nam hiện nay, hệ thống xác định chướng ngại vật (Pre- Crash Safety System) chỉ được trang bị cho xe Lesus LS460, một dòng xe siêu sang của TOYOTA. Hệ thống này có ưu điểm khá lớn khi điều khiển xe ở tốc độ cao, khi qua đường hoặc khi lùi xe. Với những ưu điểm vượt trội như vậy vấn đề đặt ra làm sao có thể thiết kế hệ thống này với một giá cả hợp lí và chất lượng không thua kém hệ thống trang bị trên các xe ô tô đắt tiền. Đây là vấn đề cần quan tâm để có thể trang bị hệ thống này cho nhiều dòng xe khác, không chỉ trên các xe đắt tiền. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI A. MỤC TIÊU • Xác định loại tìm loại cảm biến đo khoảng cách phù hợp. Loại cảm biến này có khả năng phát hiện ra chướng ngại vật trong một khoảng cách mà lái xe có thể xử lí an toàn. • Thiết kế, chế tạo hệ thống xác định chướng ngại vật trên xe sao cho phù hợp. • Bố trí, chế tạo hệ thống có thể hiển thị khoảng cách lên màn hình và điều khiển được cảm biến chính xác. B. Đề tài Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống xác định khoảng cách từ ô tô đến chướng ngại vật" có nội dung chủ yếu: - Tổng quan về các hệ thống phát hiện chướng ngại vật. - Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán khoảng cách cho cảm biến khi tín hiệu đưa về. - Dùng phần mềm để lập trình và điều khiển cho hệ thống hiển thị khoảng cách và điều khiển cảm biến. - Thiết kế và thi công mô hình. Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý PHẠM VI NGHIÊN CỨU ™ Nghiên cứu về phương pháp thu và phát của cảm biến siêu âm. ™ Nghiên cứu phương pháp tính toán hệ thống khi xe di chuyển trên đường đến chướng ngại vật. ™ Nghiên cứu tính toán các thông số từ xe đến chướng ngại vật. ™ Lập trình cho hệ thống cảnh báo ™ Đưa ra mô hình toán học và mô phỏng khi xe gặp chướng ngại vật và cách yêu cầu khác. ™ Áp dụng tính toán thiết kế mô hình. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. 2. Nghiên cứu các hệ thống xác định chướng ngại vật của các hãng xe trên thế giới. 3. Phương pháp thiết kế mạch cho hệ thống 4. Phương pháp thực nghiệm và tính toán các kết quả đo. 5. Sử dụng đồ thị để đánh giá kết quả của mô hình 6. Đánh giá tổng quát toàn bộ bản báo cáo nghiên cứu khoa học. Đề nghị hướng phát triển của đề tài. ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI - Tính toán các thông số trong cảm biến tránh va chạm. - Đưa ra cách tính toán và xây dựng mô hình về hệ thống cảnh báo va chạm. - Thiết kế, chế tạo hệ thống xác định khoảng cách từ ô tô đến chướng ngại vật. - Điều khiển được cảm biến có khả năng phát hiện chướng ngại vật xa hơn. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Từ nhu cầu và sự an toàn của người lái khi được trang bị hệ thống có thể phát ra tín hiệu khi có vật cản trên đường, giúp cho lái xe có thể an tâm khi di chuyển trong đô thị, cũng như trong quá trình đỗ xe được an toàn góp phần không nhỏ trong quá trình di chuyển và giảm tai nạn giao thông. Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý PHẦN 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH TỪ Ô TÔ ĐẾN CHƯỚNG NGẠI VẬT CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH CHƯỚNG NGẠI VẬT TRÊN Ô TÔ Những công nghệ phòng tránh va chạm mới đang dần xuất hiện nhiều hơn trên ô tô, bắt đầu từ những mẫu xe sang. Một số hệ thống an toàn phát ra tín hiệu cảnh báo bằng âm thanh hoặc hình ảnh để nhắc tài xế có hành động xử lý, trong khi một số khác sẵn sàng can thiệp vào phanh hoặc hệ thống lái để chỉnh lại xe đi đúng hướng. Hệ thống xác định chướng ngại vật trên ô tô là một trong những hệ thống được sử dụng khá nhiều hiện nay. Theo báo cáo của Viện bảo hiểm an toàn đường bộ Mỹ (IIHS) thì hệ thống xác định chướng ngại vật này rất hữu ích vì hằng năm có đến 40% tai nạn liên quan đến việc lái xe thiếu tập trung. 1.1. Khảo sát một số hệ thống cảnh báo an toàn trên xe 1.1.1. Hệ thống cảnh báo va chạm trước: Hệ thống này sử dụng radar để phát hiện trường hợp người lái sắp đâm vào thứ gì đó phía trước. Hầu hết các hệ thống đều phát cảnh báo bằng âm thanh bằng âm thành hoặc đèn chớp, hình ảnh. Một số thậm chí có thể tự động rà phanh để giảm tốc độ của xe. 1.1.2. Hỗ trợ phanh khẩn cấp: Hệ thống này dành cho các trường hợp tài xế nhìn thấy nguy cơ va chạm phía trước và nhấn phanh nhưng có thể không phanh kịp. Nghiên cứu của các nhà sản xuất chỉ ra rằng nhiều tài xế không đạp được lực phanh tối đa trong trường hợp khẩn cấp, do ảnh hưởng tâm lý, nên vẫn để xảy ra va chạm dù đã biết trước và hoàn toàn có thể tránh. Hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp có khả năng phát hiện các trường hợp tài xế mất bình tĩnh, như dấu hiệu nhấc chân ga đột ngột. Khi đó, hệ thống sẽ lập tức tự động rà phanh trước và giúp người lái đạt lực phanh tối đa. 1.1.3. Hệ thống báo chệch làn đường: Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 1 Hệ thống này sử dụng các camera gắn trên xe để phát hiện thời điểm lốp xe bắt đầu chệch khỏi làn đường đang chạy. Máy tính sẽ kiểm tra hệ thống lái và tốc độ xe để xác định xem việc chạy chệch làn đường là cố ý hay vô tình. Nếu máy tính kết luận rằng đó là vô tình, hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo bằng cách làm rung nhẹ vô-lăng, có thể kèm theo cảnh báo bằng âm thanh. 1.1.4. Hệ thống xóa điểm mù: Hệ thống này cho phép người lái biết có xe ở trong điểm mù - khoảng nằm ngoài tầm quan sát của gương chiếu hậu, và chớp đèn cảnh báo ở ngay bên gương. Với một số hệ thống, đèn cảnh báo sẽ sáng hơn hoặc chớp nhanh hơn nếu tài xế bật xi-nhan vào đúng thời điểm hệ thống phát hiện có xe trong điểm mù. Một số hệ thống còn có cả chuông cảnh báo. 1.1.5. Đèn pha chiếu sang chủ động: Phần mềm điều khiển dải chiếu sáng của cụm đèn pha được kết nối với thông tin truyền từ vô-lăng, để khi xe chuyển hướng, dải chiếu sáng cũng chuyển hướng theo, giúp tài xế quan sát tốt phía trước ở những góc cua vào buổi tối. 1.2. Giới thiệu các hãng xe chế tạo hệ thống báo khoảng cách Hầu hết các hãng xe lớn hiện nay như Toyota, Ford, Nissan, Mecredes – Benz, Honda, Volvo… đều có các hệ thống cảnh báo va chạm riêng của mình. Hệ thống được trang bị hết sức hiện đại, nó không những phát hiện được khoảng cách của đối tượng phát hiện mà còn có thể can thiệp vào hệ thống thắng (Collision Mitigation Brake System (CMBS)) và hệ thống dây an toàn (Seat-beat Safety) giúp lái xe yên tâm hơn phía sau tay lái của mình. Sau đây xin giới thiệu hệ thống báo khoảng cách của một số hãng xe trên thế giới. 1.2.1. Hệ thống xác định khoảng cách trên xe Lexus LS460 của TOYOTA Lexus LS460 mới là mẫu xe đầu tiên trang bị hệ thống phát hiện và phản ứng khi gặp chướng ngại vật cũng như người đi bộ. Nếu tài xế không quan sát tình huống và không Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 2 kịp phản ứng sau lúc có còi báo động, máy tính sẽ tự tính toán để kích hoạt phanh, hỗ trợ lái và siết chặt dây an toàn. Hình 1.1: Hệ thống xác định chướng ngại vật của Toyota Lexus LS460 Công nghệ phát hiện chướng ngại vật hoạt động cả ngày lẫn đêm, dựa trên các tín hiệu thu từ radar gắn trước mũi xe và từ camera hồng ngoại ống kính kép phía trên kính chắn gió. Để cung cấp sóng hồng ngoại, các kỹ sư gắn đèn phát ở cạnh đèn pha. Tia hồng ngoại từ nguồn phát đập vào chướng ngại vật, phản xạ và camera chịu trách nhiệm thu lại dưới dạng tín hiệu số. Đến lượt các tín hiệu số được gửi tới máy tính trung tâm để xử lý. Khoảng cách hiệu dụng tối đa của hệ thống này là 25 m và hoạt động phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Ngoài hệ thống phát hiện chướng ngại vật, LS460 còn trang bị công nghệ trợ giúp lái khẩn cấp ESA (Emergency Steering Assist), có tác dụng chọn tỷ số lái tối ưu khi chiếc xe gặp tình huống nguy hiểm ở tốc độ cao. ESA giúp lái xe giữ ổn định hướng lái, giảm nguy cơ va chạm. Hoạt động đồng thời với ESA, hệ thống treo sẽ tăng cường độ cứng để xe không bị lật còn bộ kiểm soát động lực chọn phương pháp phanh tối ưu nhằm tránh hiện tượng trượt. Bên cạnh đó, để hệ thống phát hiện chướng ngại vật hoạt động hiệu quả, LS460 còn trang bị công nghệ cảnh báo lái xe DMS (Driver Monitoring System), có khả năng phát tín hiệu nguy hiểm nếu tài xế không tập trung lái. Một camera gắn trên trục vô-lăng tự động xác định khoảng chuyển động đầu người lái. Khi tài xế quay đầu ra khỏi khoảng cho phép trong thời gian quá lâu, hệ thống sẽ kích hoạt thiết bị báo động. Với thiết bị Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 3 này, nếu xe “nhìn” thấy chướng ngại vật trước người lái, DMS sẽ bật đèn báo động, nhấn còi. Sau khi báo động mà tài xế không có bất cứ phản ứng nào, máy tính sẽ tự động phanh để thu hút sự chú ý của anh ta. Trong trường hợp người lái vẫn không có hành động ứng phó, hệ thống tiền an toàn Pre-crash Safety sẽ hoạt động. Pre-crash Safety tính toán xác suất va chạm có thể xảy ra trong tình huống cụ thể, dựa trên vận tốc xe, hướng quan sát của người lái và đặc điểm của chướng ngại vật phía trước. Nếu các yếu tố trên nằm trong vùng nguy hiểm, nó sẽ kích hoạt còi báo động, báo đèn phanh đỏ trên màn hình đa dụng. Cùng lúc, bộ hỗ trợ phanh sẽ kích hoạt ở mức áp suất phanh cao nhất, trước khi tài xế đặt chân lên bàn đạp phanh, còn hệ thống treo bắt đầu gia tăng độ cứng. Nếu nhận thấy va chạm là không thể tránh khỏi, Pre-safety sẽ thắt dây đai an toàn, siết chặt người ngồi vào ghế, đồng thời tự động phanh. Hình 1.2: Ghế ngồi an toàn trang bị trên LS 460 Ngoài các công nghệ trên, LS460 còn trang bị radar, gắn trên chắn bùn sau, liên tục quét bề mặt xung quanh khi xe đỗ hoặc di chuyển. Nếu thấy va chạm chắc chắn sẽ xảy ra, nó tự động năng gối đỡ đầu lên tối đa 35 mm và đưa về phía trước tối đa 60 mm để giảm nguy cơ chấn thương cột sống cổ. Trên thực tế, các cảm biến gắn trên ghế đo khoảng cách và điều khiển sao cho gối không va vào đầu hành khách trước khi va chạm Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 4 xảy ra. Bên cạnh đó, các cảm biến có thể nhận dạng người ngồi và máy tính sẽ ngắt chức năng trên nếu ghế trống. Hình 1.3: Gối đỡ trên ghế ngồi trước và sau khi va chạm 1.2.2. Hệ thống cảnh báo va chạm của Volvo Trước thực tế là khoảng 1/3 số vụ tai nạn giao thông tại Mỹ liên quan đến các trường hợp va đâm sau, trong đó, hơn 50% trường hợp tài xế không kịp phanh, Volvo đã tập trung nghiên cứu cải tiến công nghệ cảnh báo đâm sau. Trong khi hệ thống Brake Support chỉ sử dụng radar để phát hiện nguy cơ va chạm, thì hệ thống Auto Brake mới dùng cả radar và camera nên hoạt động hiệu quả hơn hẳn. Tầm quét của radar là 15 m phía trước xe, còn tầm quan sát của camera là 5,5 m. Một trong những ưu điểm lớn nhất của việc sử dụng camera là có thể phát hiện được các xe đang đứng yên. Hình 1.4: Hệ thống xác định chướng ngại vật gần của Volvo Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 5 Hệ thống cảnh báo mới của Volvo - Auto Brake - trước tiên sẽ “nhắc nhở” tài xế về nguy cơ va chạm và chuẩn bị sẵn sàng phanh. Lúc này, đèn cảnh báo màu đỏ sẽ chớp sáng trên màn hình chiếu thẳng lên kính chắn gió trước, đồng thời sẽ có còi cảnh báo. Nếu tài xế không phanh, trong khi bộ cảm biến phát hiện nguy cơ va chạm tức thời, hệ thống sẽ tự động kích hoạt phanh. Auto Brake được thiết kế nhằm hạn chế tốc độ xe nếu va chạm, từ đó giảm nguy cơ chấn thương cho người ngồi trên cả hai xe. Tuy nhiên, có một hạn chế là độ nhạy của hệ thống sẽ bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết và ánh sáng trên đường. 1.2.3. Hệ thống quan sát điểm mù của Ford Ford đã giới thiệu hai công nghệ mới nhất để hỗ trợ cho lái xe quan sát các điểm mù là “Gương quan sát điểm mù” (Blind Spot Mirror) và hệ thống giám sát điểm mù (Blind-Spot Monitoring System). Với những tiện ích của các công nghệ mới này Ford dự định sẽ cho tích hợp ngay trên những model của năm 2009 này. Hình 1.5: Gương quan sát điểm mù của Ford Gương quan sát điểm mù (Blind Spot Mirror ): Thực ra đây là một giải pháp rất đơn giản và ít tốn kém nhất để giúp lái xe quan sát phía sau, trên gương chiếu hậu bên ngoài xe gắn thêm một gương cầu lồi nhỏ ở góc trên của gương thông thường, gương cầu lồi nhỏ này sẽ giúp cho lái xe quan sát được những chiếc xe hoặc vật thể đang nằm ở vị trí được coi là “điểm mù” (mà gương thông thường không quan sát được) để giúp lái xe có những xử lý thích hợp. Mặc dù đây là một giải pháp rất đơn giản để hỗ trợ lái xe nhưng theo những nghiên cứu về thị trường của Ford, hơn 70% khách cho biết họ cảm thấy tự tin hơn khi lái Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 6 những chiếc xe lắp loại gương này. Bên cạnh gương quan sát điểm mù thì Ford còn trang bị thêm hệ thống "Cross Traffic Alert", hệ thống này sử dụng rada được gắn ở hai bên thân xe và phía sau xe để hỗ trợ lái xe khi đi vào bãi đỗ xe. Nhờ sự kết hợp của các hệ thống giúp lái xe có thể nhận biết được các vật thể trong một phạm vi rất rộng. Những rada này có tầm hoạt động rất rộng, nó có thể phát hiện ra những vật thể nằm cách chiếc xe ở khoảng cách lên tới 19,8 m. Khi phát hiện ra có vật thể hoặc một chiếc xe khác đang áp sát trong phạm vi này hệ thống sẽ đưa ra cảnh báo tới lái xe bằng cách: làm sáng đèn nhỏ ở trên gương chiếu hậu đồng thời đưa ra cả âm thanh để cảnh báo, chính điều này làm cho lái xe dù không thật sự tập trung nhưng vẫn có thể nhận ra được. Hình 1.6: Hệ thống an toàn thông minh của FORD Ford cho biết những công nghệ này sẽ được tích hợp đồng thời trên các model của Ford, Lincoln và Mercury giống như một thiết bị tiêu chuẩn và những thiết bị này sẽ kết hợp cùng với những hệ thống an toàn khác trên xe của Ford như Ford"s Personal Safety System và Space Architecture để giúp nâng cao tính tiện nghi và an toàn cho người lái. 1.3. Những thành tựu đã đạt được của hệ thống báo khoảng cách Vào năm 2002, hãng Toyota đã cho giới thiệu hệ thống quan sát ban đêm (Nigh view) trên xe Land Cruiser Cynus, hệ thống này được trang bị một camera hồng ngoại có thể quan sát các chướng ngại vật khi đi trong đêm tối, khi hoạt động tầm xa của hê thống lên đến 30 m, góc nhìn của camera là 300, năm 2003 hệ thống này được trang bị trên Lexus LX470. Cùng trong năm 2003, hệ thống xác định chướng ngại vật cũng Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 7 được trang bị trên các xe của Honda, Mecredes- Benz, trong đó nổi bật hơn cả là hệ thống Pre-safe của Mecredes- Benz, hệ thống sử dụng một cảm biến quang, được hiển thị lên LCD phía trước tay lái. Nó có khả năng nhận biết các chướng ngại vật trong tầm 30 m, khi phát hiện đối tượng hệ thống thông báo âm thanh cho người lái đồng thời can thiệp vào hệ thống thắng, trên ghế ngồi dây đai an toàn được siết chặt lại. Hệ thống này làm tiền đề cho các hãng xe khác nghiên cứu phát triển thêm cho hệ thống sau này. Theo thời gian hệ thống xác định khoảng cách được phát triển ngày càng mạnh mẽ. Năm 2004, Honda giới thiệu hệ thống quan sát thông minh ban đêm (Intelligent Night Vision System) có khả năng có khả năng nhận biết làn đường dành cho người đi bộ vào ban đêm. Năm 2005, Mecredes- Benz đã phát triển hệ thống an toàn thêm camera tùy chỉnh rất thông minh, có khả năng phát hiện được hình dạng của chướng ngại vật, đồng thời cải tiến hệ thống giúp tăng khả năng thắng lên 40%, nhờ khả năng tăng hệ thống thắng này mà người lái sẽ dễ dàng điều khiển được chiếc xe của mình. Năm 2007 là một năm mà Toyota đã phát triển hệ thống này một cách hoàn thiện. Hệ thống Driver Monitoring System được ứng dụng vào xe Lexus LS, sử dụng một camera CCD thông minh phát tín hiệu về màn hình LCD trước tay lái, đồng thời gắn thêm hệ thống báo động khi chướng ngại vật đến gần. Năm 2009, Toyota đã cải tiến hệ thống với tên gọi đơn giản Pre-crash Safety (cảnh báo an toàn trước va chạm), phiên bản mới nhất đã được tích hợp một hệ thống ra-đa có thể phát hiện những vụ va chạm từ hai bên cũng như hệ thống an toàn ghế sau trong trường hợp xảy ra tai nạn. Hệ thống mới này sử dụng một ra-đa có độ chính xác tới từng mi-li-mét nhằm sớm phát hiện xe khác hay vật thể di chuyển tới đường đi của chiếc xe (đặc biệt tại những giao lộ). Nếu hệ thống phát hiện nguy cơ va chạm lớn, các chức năng an toàn bên trong xe sẽ được kích hoạt để thông báo cho lái xe, giảm mức độ va chạm và chấn thương cho người sử dụng. Bên cạnh đó, hệ thống này còn bao gồm đai an toàn tự động siết chặt và chức năng hỗ trợ phanh trước va chạm, cũng như những tính năng mới hơn như hệ thống túi khí và chức năng cảnh báo bằng âm thanh trong ca-bin. Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 8 CHƯƠNG 2: CÁC HỆ CẢM BIẾN SỬ DỤNG ĐO KHOẢNG CÁCH Các hệ thống cảm biến đều là những bộ biến đổi năng lượng, nó biến năng lượng từ dạng này sang dạng khác, thông thường là biến đổi tín hiệu từ các đại lượng hông điện thành các tín hiệu đại lượng có điện. Tín hiệu này được phản hồi về bộ điều khiển, thông qua bộ điều khiển có các quyết định thích hợp. 2.1. Phân loại cảm biến Ngày nay, cùng với sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật, có rất nhiều loại cảm biến được sử dụng để đo khoảng cách của vật thể. Các cảm biến này hoạt động tùy theo nhiệm vụ và chức năng hoạt động. Các loại cảm biến sử dụng để đo vị trí và khoảng cách được phân loại như sau: 2.1.1. Cảm biến tiệm cận siêu âm: Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện hầu hết các loại đối tượng: kim loại hoặc không phải là kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục (những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn). Hình 2.1. Một vài loại cảm biến tiệm cận siêu âm do Siemens sản xuất 2.1.1.1. Cấu trúc cảm biến tiệm cận siêu âm: Cảm biến tiệm cận siêu âm có 4 phần chính: • Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm (Transducer / Receiver). Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 9 • Bộ phận so sánh (Comparator). • Mạch phát hiện (Detector Circuit): Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi, bộ phân so sánh tính toán khoảng cách bằng cách so sánh thời gian phát, nhận và vận tốc âm thanh. • Mạch điện ngõ ra (Output): Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc analog. Tín hiệu từ cảm biến digital báo có hay không sự xuất hiện đối tượng trong vùng cảm nhận của cảm biến. Tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách của đối tượng đến cảm biến. Hình 2.2 . Các thành phần của cảm biến tiệm cận siêu âm 2.1.1.2. Nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận siêu âm Hình 2.3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm Kĩ thuật cảm biến siêu âm dựa trên đặc điểm vận tốc âm thanh là hằng số. Thời gian sóng âm thanh đi từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại liên hệ trực tiếp đến độ dài quãng đường. Vì vậy cảm biến siêu âm thường được dùng trong các ứng dụng đo khoảng cách. Tần số hoạt động: Nhìn chung, các cảm biến công nghiệp hoạt động với tần số 25 kHz đến 500 kHz. Các cảm biến trong lãnh vực y khoa thì hoạt động với khoảng tần số từ 5MHz trở lên. Tần số hoạt động của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 10 cảm biến. Với tần số 50 kHz, phạm vi hoạt động của cảm biến có thể lên tới 10 m hoặc hơn, với tần số 200 kHz thì phạm vi hoạt động cảm biến bị giới hạn ở mức 1 m. Vùng hoạt động: Là khu vực giữa giới hạn khoảng cách phát hiện lớn nhất và nhỏ nhất. Cảm biến tiệm cận siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng gần bề mặt cảm biến gọi là “khu vực mù” (blind zone). Hình 2.4. Vùng hoạt động của cảm biến tiệm cận siêu âm Kích thước và vật liệu của đối tượng cần phát hiện quyết định khoảng cách phát hiện lớn nhất (xem hình 2.5). Hình 2.5. Khoảng cách hoạt động lớn nhất của cảm biến tiệm cận siêu âm với các đối tượng khác nhau Cảm biến tiệm cận siêu âm loại có thể điều chỉnh khoảng cách phát hiện (Background Suppression). Một số dạng cảm biến ngõ ra analog cho phép điều chỉnh khoảng cách phát hiện, chúng có thể từ chối việc phát hiện các đối tượng sau một Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 11 khoảng cách xác định. Khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh bởi người sử dụng. Ngoài ra để cảm biến không phát hiện đối tượng dù chúng di chuyển vào vùng hoạt động của cảm biến, người ta có thể tạo 1 lớp vỏ bằng chất liệu có khả năng không phản xạ lại sóng âm thanh. 2.1.1.3. Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm • Ưu điểm - Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện vật thể lên tới 15 m. - Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc màu sắc của bề mặc đối tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng ví dụ bề mặt kính trong suốt, bề mặt gốm màu nâu, bề mặt plastic màu trắng, hay bề mặt chất liệu nhôm sáng, trắng... là như nhau. - Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận siêu âm analog là tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách. Điều này đặc biệt lý tưởng cho các ứng dụng như theo dõi các mức của vật chất, mức độ chuyển động của đối tượng. • Nhược điểm - Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối thiểu (giá trị này tùy thuộc vào từng loại cảm biến). - Sóng phản hồi cảm biến nhận được có thể chịu ảnh hưởng của các sóng âm thanh tạp âm. - Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi. Kết quả thời gian đáp ứng của cảm biến tiệm cận siêu âm nhìn chung chậm hơn các cảm biến khác khoảng 0,1 s. - Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp như bọt hay vải (quần áo) rất khó để phát hiện với khoảng cách lớn. - Cảm biến tiệm cận siêu âm bị giới hạn khoảng cách phát hiện nhỏ nhất. - Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ (vận tốc âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ), áp suất, sự chuyển không đồng đều của không khí, bụi bẩn bay trong không khí gây ảnh hưởng đến kết quả đo. Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 12 - Nhiệt độ bề mặt của đối tượng ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của cảm biến. Hơi nóng tỏa ra từ đối tượng có nhiệt độ cao làm méo dạng sóng, làm cho khoảng cách phát hiện của đối tương ngắn lại và giá trị khoảng cách không chính xác. Hình 2.6. Vị trí lắp đặt cảm biến siêu âm Hình 2.7: Đối tượng có bề mặt gồ ghề không yêu cầu cảm biến đặt ở vị trí chính xác Bề mặt phẳng phản hồi năng lượng của sóng âm thanh tốt hơn bề mặt gồ ghề. Tuy nhiên bề mặt trơn phẳng lại có đòi hỏi khắc khe về vị trí góc tạo thành giữa cảm biến và mặt phẳng đối tượng (xem hình 2.7 và hình 2.8). Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 13 Hình 2.8. Đối tượng có bề mặt phẳng yêu cầu cảm biến đặt ở vị trí tạo thành góc phải bằng hoặc nhỏ hơn 30. 2.2. Cảm biến quang 2.2.1. Cảm biến quang loại thu phát độc lập a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Cảm biến quang loại thu phát độc lập (through beam) bao gồm hai thành phần chính đó là bộ phận phát và bộ phận thu (được trình bày như hình bên dưới). Khi ánh sáng hồng ngoại phát ra từ bộ phận phát, nó sẽ được truyền đi thẳng. Ánh sáng hồng ngoại này luôn được mã hóa theo một tần số nhất định nào đó, và dĩ nhiên bộ phận thu chỉ nhận biết được loại ánh sáng hồng ngoại đã được mã hóa theo tần số, với mục đích tránh sự ảnh hưởng của các nguồn ánh sáng xung quang. Nếu chúng ta đặt bộ phận thu nằm trên đường truyền thẳng của ánh sáng hồng ngoại này thì bộ phận thu sẽ nhận được ánh sáng và tác động cho tín hiệu ở ngõ ra. Nếu có một vật đi ngang qua làm ngắt đi ánh sáng truyền đến bộ phận thu, thì bộ phận thu sẽ không thu được ánh sáng, như vậy bộ phận thu sẽ không tác động và không có tín hiệu ở ngõ ra. Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 14 Hình 2.9.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến quang loại thu phát độc lập b. Khoảng cách phát hiện: Đối với cảm biến quang loại thu phát độc lập, khoảng cách cài đặt là khoảng cách tính từ bộ phận phát đến bộ phận thu sao cho bộ phận thu có thể nhận được ánh sáng hồng ngoại phát ra từ bộ phận phát. Do đó, có thể nói khoảng cách phát hiện cũng chính là khoảng cách cài đặt. Một số cảm biến của hãng Omron có khoảng cách phát hiện lên đến 30m. Hình 2.10. Khoảng cách cài đặt của cảm biến quang loại thu phát độc lập Trên thực tế bộ phận phát không phát ra tia một tia sáng truyền thẳng mà phát ra một tia sáng có đường kính tăng dần. Hình 2.11: Góc phát quang của cảm biến quang loại thu phát độc lập c. Chế độ hoạt động (Dark on và Light on): Chế độ hoạt động Dark on: Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 15 Hình 2.12: Chế độ hoạt động light- on của cảm biến quang loại thu phát độc lập Chế độ hoạt động light on Hình 2.13: Chế độ hoạt động Dark- on của cảm biến quang loại thu phát độc lập d. Một số loại cảm biến quang loại thu phát độc lập tiêu biểu Hình 2.14: Một số hình ảnh thực tế của cảm biến quang loại thu phát độc lập e. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thu phát của cảm biến: Bụi bẩn nằm trong khu vực phát thu. Bị ảnh hưởng của nước hoặc không khí ẩm. 2.2.2. Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 16 a. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán là loại cảm biến cũng sử dụng nguyên lý phát thu, nhưng tia hồng ngoại phát ra có góc phát to dần khi ánh sáng đi ra xa. Hình 2.15: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán b. Khoảng cách phát hiện Đối với cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán, khoảng cách cài đặt là khoảng cách xa nhất tính từ bộ phận phát – thu đến vật cảm biến sao cho bộ phận thu có thể nhận được ánh sáng hồng ngoại phát ra từ bộ phận phát. Do đó, có thể nói khoảng cách phát hiện cũng chính là khoảng cách cài đặt. Một số cảm biến của hãng Omron có khoảng cách phát hiện lên đến 700 mm. Hình 2.16: Khoảng cách cài đặt của cảm biến c. Hình dạng thực tế của cảm biến quang loại phản xạ khếch tán Đinh Hải Lâm Đoàn Dương Quý Trang 17