Radar và tương lai của xe tự lái

Bởi Clyde Callewaert, kỹ sư chính, Autoliv Electronics, Southfield, USA

Các hệ thống ra đa đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống hỗ trợ lái xe ngày nay cũng như là các dòng xe tự lái trong tương lai. Những hệ thống này phải có độ chính xác cao để mang lại hiệu quả và độ an toàn cần thiết. Autoliv sử dụng phần mềm mô phỏng điện từ ANSYS để sớm đánh giá được các tình huống mô phỏng ra đa thay thế trong quá trình phát triển ô tô để mở đường cho các hệ thống đáng tin cậy và tránh được những chi phí sửa đổi thiết kế .

“Autoliv phải đảm bảo hiệu suất của hệ thống ra đa ô tô, điểm hạn chế là nó không kiểm soát được về chất liệu và hình dạng của khung giảm xung và các bộ phận gần kề khác, hoặc loại sơn được sử dụng.”

Hình chiếu bằng của bảng đồng hồ với khung gắn cảm biến Sensor được hiển thị bằng màu xanh lá cây

Hướng đến môi trường của xe cộ thì sự an toàn của chúng và việc lái xe tự động đòi hỏi ngày càng nhiều những hệ thống ra đa. Việc thiết kế đóng gói của các hệ thống ra đa này sớm đã được thực hiện trong quá trình phát triển xe, trước khi một chiếc xe mẫu được đưa vào thử nghiệm hiệu suất. Nếu như các kĩ sư có sai sót trong thiết kế thì quá trình đóng gói có thể phải thực hiện lại. Điều này gây tốn kém khoảng 1 triệu đô  và việc đưa những chiếc xe ra thị trường có thể phải trì hoãn. Autoliv, công ty hàng đầu thế giới về các hệ thống an toàn cho ô tô, đã tránh được những chi phí này nhờ sử dụng ANSYS HFSS để dự đoán về sự ảnh hưởng của bảng đồng hồ và các bộ phận lân cận đến phân bố bức xạ, điều này giúp họ có thể phê chuẩn mẫu thiết kế trước khi bước vào giai đoạn chế tạo mẫu.

Ví dụ như nhiều chiếc xe ngày nay được trang bị hệ thống cảnh báo điểm mù sử dụng cảm biến ra đa ở hai góc của khung giảm xung sau như tấm nhựa che khung giảm xung có tác dụng theo dõi sự xuất hiện, hướng di chuyển cũng như tốc độ của phương tiện ở các làn đường lân cận. Nếu như có một chiếc xe xuất hiện trong các điểm mù của lái xe thì đèn cảnh báo ở gương chiếu hậu sẽ phát sáng. Nhiều chiếc xe hiện nay cũng có một cảm biến ra đa ở giữa khung giảm xung trước để thực hiện các chức năng như cảnh báo nếu có va chạm ở phía trước, phát hiện các xe hoặc vật thể mà người lái xe có thể đâm phải nếu họ không chú ý. Những chiếc xe tự lái hoàn toàn được dự kiến sẽ có nhiều các hệ thống ra đa hơn được gắn ở phía sau của khung giảm xung và các nơi khác trên thân xe.

Các hệ thống ra đa sử dụng một một máy phát để phát ra một xung bức xạ điện từ ngắn. Sau mỗi một xung, máy phát sẽ tắt và một máy thu sẽ nhận các tín hiệu do xung phản xạ từ các vật thể xung quanh.

Bức xạ điện từ do một cảm biến ra đa phát ra có thể bị lệch theo nhiều cách khó mà đoán được bởi những vật thể mà chúng phải đi qua. Các vật thể lân cận khác có thể tạo ra phản xạ gây nhiễu thiết bị thu. Khi tích hợp một cảm biến ra đa vào một chiếc xe mới, các kỹ sư phải định vị hệ thống sao cho khung giảm xung và khung liên kết không ảnh hưởng đến tính chính xác của cảm biến. Điều này có nghĩa là nhận được một tín hiệu nét và tương đối ổn định qua góc phương vị (từ bên này sang bên kia) của cảm biến đồng thời giảm năng lượng lãng phí truyền tới các hướng không mong muốn hoặc bị phản xạ trở lại ra đa bởi khung giảm xung. Hình dạng của khung giảm xung thường phức tạp bởi vì nó phải đáp ứng nhiều mục tiêu như độ bền, an toàn, thẩm mỹ và khả năng đưa vào sản xuất. Chỉ một thay đổi nhỏ trong vị trí cảm biến cũng có thể là sự khác biệt giữa việc đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác hay là không. Autoliv phải đảm bảo hiệu suất của hệ thống ra đa ô tô, có điều thường thì nó không kiểm soát được về chất liệu và hình dạng của khung giảm xung và các bộ phận gần kề khác hoặc loại sơn được sử dụng.

“Nếu trong quá trình thử lái, các kĩ sư của Autoliv phát hiện ra vị trí của ra đa hoặc hình dạng của giá đỡ khiến cho cảm biến ra đa không đáp ứng được các yêu cầu về hiệu suất thì toàn bộ quá trình phải được thực hiện lại với chi phí lên tới một triệu đô la.”

Mô phỏng khung giảm xung với vị trọ được gắn cảm biến

TÁC ĐỘNG CỦA THIẾT KẾ ĐÓNG GÓI ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA RADAR

Để xe được đưa ra thị trường đúng hạn, đầu tiên Autoliv phải tạo ra thiết kế đóng gói. Điều này chủ yếu bao gồm việc xác định vị trí tốt nhất để đặt cảm biến liên quan đến bảng đồng hồ và việc thiết kế khung liên kết trước khi xe hoặc thậm chí là khung giảm xung sẵn sàng cho việc thử nghiệm. Autoliv đầu tư đáng kể vào thiết kế đóng gói, cung cấp các xe nguyên mẫu với thiết bị đo lường và lái thử trong nhiều môi trường khác nhau để đánh giá độ chính xác của ra đa. Nếu trong quá trình thử lái, các kĩ sư của Autoliv phát hiện ra vị trí của ra đa hoặc hình dạng của khung giá đỡ khiến cho cảm biến ra đa không đáp ứng được các yêu cầu về hiệu suất thì toàn bộ quá trình phải được thực hiện lại với chi phí lên tới một triệu đô la. Việc lặp lại thiết kế bổ sung cũng làm tăng thêm tám đến mười hai tuần trong thời gian chương trình bị tổn thất, do đó có thể làm trì hoãn việc đưa xe ra thị trường.

Cảm biến truyền dạng bức xạ với khung giảm xung

MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA CẢM BIẾN RADAR TRÊN XE

Để tránh các vấn đề tiềm ẩn, Autoliv sử dụng ANSYS HFSS để tìm ra và đánh giá các thiết kế đóng gói của cảm biến ra đa trước khi tạo nguyên mẫu. HFSS đã chứng tỏ được sức mạnh của việc dự báo trong nhiều chương trình và ứng dụng khác nhau. Qúa trình mô phỏng bắt đầu bởi việc lấy các mẫu vật lý của vật liệu làm khung giảm xung và bảng đồng hồ để xác định tính chất điện của chúng, quá trình này yêu cầu phải thực hiện mô phỏng điện từ chính xác, sử dụng kĩ thuật sóng quang học hoặc bán quang học. Các tính chất điện được đo bao gồm hằng số điện môi và hệ số tổn hao của bảng đồng hồ, lớp sơn và khung.

Các kĩ sư của Autoliv sử dụng một tệp CAD (thiết kế với sự hỗ trợ của máy tính) bao gồm hình dạng hiện tại của khung, màng cơ và các bộ phận xung quanh từ nhà sản xuất thiết bị gốc. ANSYS SpaceClaim được sử dụng để đọc và chuẩn bị tệp CAD cho HFSS đọc và cải thiện chia lưới. Họ loại bỏ bảng đồng hồ trong mô hình mô phỏng để giữ gìn các tài nguyên của máy tính cũng như đảm bảo tính trung thực điện từ. Các kĩ sư đã tạo ra các mô hình ANSYS HFSS của tất cả các hệ thống ra đa hiện tại của công ty. Họ chọn hệ thống ra đa được sử dụng trên xe và đặt nó vào trong khung giá đỡ của mô hình mô phỏng như thiết kế lúc đầu theo hướng dẫn của Autoliv. Sau đó các kĩ sư gán các tính chất điện đã đo của bảng đồng hồ, sơn và khung giá đỡ vào các đối tượng tương ứng của chúng trong mô hình. Mô phỏng sẽ được thực hiện bằng việc sử dụng ANSYS HFSS, ANSYS HFSS-IE bộ giải và ANSYS tính toán hiệu năng cao.

O the Radar

“Các kỹ sư của Autoliv đã sử dụng ANSYS HFSS để tích hợp nhiều hệ thống ra đa vào các phương tiện mới mà không yêu cầu lặp lại thiết kế bổ sung.”

ĐÁP ỨNG CÁC YÊU CẦU VỀ ĐỘ CHÍNH XÁC

Các kết quả mô phỏng được xử lý trong HFSS và được đưa vào chương trình MATLAB để xử lý thực hiện thuật toán được sử dụng trong cảm biến ra đa để đánh giá hiệu suất của ra đa, bao gồm tỷ số tín hiệu nhiễu, trường nhìn thấy, độ chênh lệch về góc phương vị và tính không xác định của góc phương vị. Ví dụ nó cho phép các kĩ sư xác định được khoảng cách tối đa mà ở đó ra đa có thể xác định được một đối tượng với mặt cắt ngang tại một góc phương vị đã có sẵn, như là một chiếc xe máy đang chạy ở làn đường bên cạnh với khoảng cách là 30 mét. Nếu hiệu suất dự đoán không đáp ứng các yêu cầu tối thiểu thì các biện pháp để giải quyết về hình học như di chuyển vị trí ra đa sau đó lặp lại quá trình mô phỏng là cần thiết. Hình dạng của bảng đồng hồ cũng có thể thay đổi trong quá trình thiết kế nhưng khi xảy ra những thay đổi này, các kĩ sư của Autoliv nhận được hình dạng mới, thực hiện lại mô phỏng lần nữa nếu cần và sửa đổi bản thiết kế của họ khi cần thiết.

 

Việc tích hợp một cảm biến ra đa vào một chiếc xe với độ chính xác cao để đáp ứng được quy định của chính phủ cũng như kì vọng của khách hàng là một nhiệm vụ đầy thử thách. Các kĩ sư của Autoliv đã sử dụng phần mềm mô phỏng trường điện từ ANSYS HFSS để tích hợp nhiều hệ thống ra đa vào các xe mới mà không cần lặp lại thiết kế bổ sung. Mô phỏng cũng đã giúp cho các kĩ sư xác định những cải tiến trong thiết kế đóng gói để giúp tăng đáng kể về phạm vi và độ chính xác của hệ thống ra đa.

So sánh khả năng dự đoán lỗi giữa cảm biến radar và đo đạc thực tế

anechoic room

Phòng cách âm được sử dụng để kiểm tra vật liệu của khung giảm xung


Nguồn: ANSYS Advantage volume-xii-issue-1-2018

Lược dịch: Thanh Bình - Cộng tác viên tại Advantech - kỹ sư tại Advantech

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này

TUYỂN DỤNG

LIÊN HỆ

VĂN PHÒNG GIAO DỊCH:
Tầng 8, số 1 Đỗ Hành, Q.Hai Bà Trưng, Hà Nội
Tel: (84-24)36 649 066 Fax: (84-24)39 727 464
Email: info@advantech.vn

HỖ TRỢ KỸ THUẬT:
Email: support@advantech.vn

Họ tên
E-Mail