MỤC LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ................................................................................ i
BIÊN BẢN CHẤM CỦA HỘI ĐỒNG ................................................................... ii
NHẬN XÉT CỦA PHẢN BIỆN 1 .......................................................................... iii
NHẬN XÉT CỦA PHẢN BIỆN 2 .......................................................................... vi
LÝ LỊCH KHOA HỌC ........................................................................................... ix
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... xi
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... xii
TÓM TẮT .............................................................................................................. xiii
ABSTRACT ........................................................................................................... xiv
MỤC LỤC ................................................................................................................xv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................... xviii
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH................................................... xix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................... xxi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................1
1.1. Lý do chọn đề tài ...........................................................................................1
1.2. Tình hình nghiên cứu ....................................................................................2
1.2.1. Trong nước ..............................................................................................2
1.2.2. Ngồi nước ..............................................................................................3
1.3. Mục tiêu đề tài ...............................................................................................5
1.4. Cách tiếp cận .................................................................................................6
1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................6
1.5.1. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................6
1.5.2. Phạm vi nghiên cứu.................................................................................6
1.6. Nội dung nghiên cứu .....................................................................................6
1.7. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................7
1.8. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ..........................................................7
1.9. Bố cục luận văn .............................................................................................7
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................8
2.1. Giới thiệu chung về đèn LED ........................................................................8

xv


2.1.1. Cấu tạo của đèn LED ..............................................................................8
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của đèn LED .........................................................9
2.1.3. Tính chất quang học của đèn LED trên ô tô .........................................12
2.1.4. Ưu điểm của đèn LED ..........................................................................12
2.2. Phương pháp điều khiển các chức năng thông minh của hệ thống chiếu
sáng dùng ma trận LED ......................................................................................15
2.2.1. Chức năng chiếu sáng góc cua tĩnh .......................................................15
2.2.2. Chức năng chiếu sáng góc cua động .....................................................18
2.2.3. Chức năng chống chói cho người điều khiển xe khác ..........................23
2.3. Giới thiệu phương pháp xử lý ảnh trên Matlab GUI ...................................24
2.3.1. Giới thiệu về chức năng GUI của phần mềm Matlab ...........................24
2.3.2. Xử lý ảnh trong Matlab .........................................................................25
2.3.3. Phương pháp xử lí ảnh ánh sáng ...........................................................29
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG .......................................33
3.1. Cơng cụ mơ phỏng ......................................................................................34
3.2. Giao diện mơ hình mô phỏng ......................................................................36
3.2.1. Khu vực hiển thị ....................................................................................37
3.2.2. Khu vực điều khiển ...............................................................................38
3.2.3. Khu vực xuất kết quả ............................................................................39
3.3. Thiết lập ban đầu và điều kiện biên .............................................................41
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ .........................................................42
4.1. Chức năng chiếu sáng góc cua tĩnh .............................................................42
4.2. Chức năng chiếu sáng góc cua động ...........................................................44
4.3. Chức năng điều khiển đèn pha chống chói cho người điều khiển xe khác .47
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................50
5.1. Kết luận .......................................................................................................50
5.1.1. Kết quả thực hiện ..................................................................................50

5.1.2. Thuận lợi và khó khăn ..........................................................................51
5.2. Kiến nghị .....................................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................53
PHỤ LỤC .................................................................................................................57

xvi


NỘI DUNG BÀI BÁO .............................................................................................77

xvii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ gốc

COB

Chip On Board

GUI

Graphical User Interface

GUIDE

GUI Development Environment


LED

Light Emitting Diode

SMD

Surface Mounted Device

ADHs

Anti-Dazzle Headlight system

xviii


DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH
Hình 2. 1: Cấu tạo của đèn LED đơn giản [21]..........................................................8
Hình 2. 2: Mô phỏng nguyên lý hoạt động của tinh thể bán dẫn [25]. ....................10
Hình 2. 3: Mạch đèn LED đơn giản [25]. ................................................................10
Hình 2. 4: Các mạch điều khiển đèn LED [25]. .......................................................11
Hình 2. 5: Các phương pháp định hướng ánh sáng trên ơ tơ [25]. ...........................12
Hình 2. 6: Tỉ lệ tiêu hao năng lượng của hệ thống chiếu sáng tín hiệu trên các loại
xe ô tô: (a): Sử dụng đèn Halogen, (b) Sử dụng kết hợp đèn Halogen và đèn LED,
(c) Sử dụng hồn tồn đèn LED. ...............................................................................15
Hình 2. 7: Đèn chiếu sáng góc cua tĩnh khi rẽ trái [28]. ..........................................16
Hình 2. 8: Sơ đồ khối chức năng đèn chiếu sáng góc cua tĩnh. ...............................17
Hình 2. 9: Sự khác biệt của vùng sáng giữa ơ tơ có chức năng đèn chiếu sáng góc
cua động và ơ tơ khơng có [28]. ................................................................................18
Hình 2. 10: Tính tốn góc cua vịng α, β. .................................................................19
Hình 2. 11: Sơ đồ khối chức năng đèn chiếu sáng góc cua động.............................22

Hình 2. 12: Vị trí của camera. ..................................................................................23
Hình 2. 13: Sự phân chia vùng chiếu sáng. ..............................................................23
Hình 2. 14: Sơ đồ khối chức năng điều khiển đèn pha chống chói. .........................24
Hình 2. 15: Ảnh Index [27]. .....................................................................................26
Hình 2. 16: Ảnh Greyscale [27]. ..............................................................................26
Hình 2. 17: Ảnh nhị phân [27]. ................................................................................27
Hình 2. 18: Ảnh RGB [27]. ......................................................................................27
Hình 2. 19: Sơ đồ khối. ............................................................................................29
Hình 2. 20: Hình ảnh thật từ camera. .......................................................................29
Hình 2. 21: Giá trị pixel màu....................................................................................30
Hình 2. 22: Ảnh trắng đen. .......................................................................................30
Hình 2. 23: Ảnh sau khi lọc nhiễu............................................................................31
Hình 2. 24: Giá trị pixel của ảnh trắng đèn. .............................................................31
Hình 2. 25: Ảnh hiển thị đối tượng được xác định. .................................................32
Hình 3. 1: Góc của chùm sáng chính [30]. ...............................................................33
Hình 3. 2: Chia nhỏ chùm sáng chính thành các chùm sáng nhỏ xác định [28]. .....34
Hình 3. 3: Sơ đồ khối hoạt động của một chương trình GUI. ..................................35
Hình 3. 4: Nút nhấn. .................................................................................................36
Hình 3. 5: Thanh trượt. .............................................................................................36
Hình 3. 6: Chuỗi văn bản. ........................................................................................37
Hình 3. 7: Chuỗi văn bản tĩnh. .................................................................................37
Hình 3. 8: Đồ thị/Hình ảnh. ......................................................................................37
Hình 3. 9: Bảng điều khiển.......................................................................................37

xix


Hình 3. 10: Phần Camera View ................................................................................38
Hình 3. 11: Các nút nhấn điều khiển. .......................................................................39
Hình 3. 12: Điều khiển đánh lái. ..............................................................................39

Hình 3. 13: Nhập giá trị tốc độ xe. ...........................................................................39
Hình 3. 14: Phần Frame hiển thị đồ thị. ...................................................................39
Hình 3. 15: Hiển thị giá trị 3 thông số là Light Value, X Axis và Y Axis. ..............40
Hình 3. 16: Hệ thống đèn chiếu sáng trên ô tô trong phần mềm mơ phỏng. ...........40
Hình 3. 17: Phần mềm mơ phỏng sau khi khởi động. ..............................................41
Hình 4. 1: Mơ phỏng chức năng chiếu sáng góc cua tĩnh với tốc độ đầu vào là 25
km/h và mở đèn tín hiệu báo rẽ trái. .........................................................................43
Hình 4. 2: Mơ phỏng chức năng chiếu sáng góc cua tĩnh với tốc độ đầu vào là 40
km/h và mở đèn tín hiệu báo rẽ trái. .........................................................................43
Hình 4. 3: Đồ thị trạng thái đèn chiếu sáng góc cua tĩnh (ON/OFF) theo thời gian.
...................................................................................................................................44
Hình 4. 4: Mơ phỏng chức năng chiếu sáng góc cua động với tốc độ đầu vào là 65
km/h và đánh lái sang trái. ........................................................................................45
Hình 4. 5: Đồ thị giá trị góc đánh lái theo thời gian. ...............................................46
Hình 4. 6: Mơ phỏng chức năng chống chói cho người điều khiển phương tiện
khác. ..........................................................................................................................47
Hình 4. 7: Đồ thị tọa độ theo phương ngang của nguồn sáng theo thời gian...........48

xx


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Bảng so sánh các thông số đặc trưng về chiếu sáng của đèn LED so với
các loại đèn khác…………………………………………………………………12

xxi


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài

Theo “Insurance Institute for Highway Safety” [1], Mỹ có đến 30% số ca tử vong
do tai nạn giao thông liên quan đến xe chở khách trong năm 2014, các vụ tai nạn xảy
ra trong bóng tối và điều kiện khơng có ánh sáng; trong khi khảo sát của “National
Household Travel Survey” chỉ ra rằng có đến 10% số chuyến xe chở khách đi du lịch
được thúc đẩy di chuyển từ 21:00 – 6:00. Khả năng quan sát của người lái kém là
nguyên nhân dẫn đến những vụ va chạm vào ban đêm, mặc dù các yếu tố khác như
mệt mỏi, suy giảm khả năng và lái xe quá nhanh so với điều kiện cũng liên quan đến
những vụ va chạm này.
Từ thực trạng trên mà công nghệ chiếu sáng trên ô tô gắn liền với lịch sử phát
triển kéo dài hơn 150 năm của ngành cơng nghiệp ơ tơ. Với vai trị như là “đôi mắt”
của người lái xe vào ban đêm, công nghệ chiếu sáng trên ô tô luôn nhận được sự quan
tâm; đặc biệt, những chức năng tự động và điều khiển thơng mình được nghiên cứu
phát triển ngày càng mạnh mẽ trên hệ thống chiếu sáng của ô tô [2].
Trong những năm gần đây, cuộc chạy đua về công nghệ đèn chiếu sáng giữa các
nhà sản xuất ô tô trên thế giới đang mang đến cho người tiêu dùng rất nhiều lựa chọn
khi muốn nâng cấp đèn pha ô tơ chính hãng khi mua xe. Trong đó, phổ biến nhất là
công nghệ đèn Halogen, đèn Xenon, đèn LED và đèn pha Laser. Không chỉ phát triển
về khả năng chiếu sáng cho ơ tơ mà kèm theo đó các cơng nghệ tân tiến, thơng minh
giúp cho người lái có những trải nghiệm lái xe an toàn và tuyệt vời nhất.
Một số cơng nghệ chiếu sáng thơng minh có thể kể đến như: Adaptive Front - lighting
System (AFS) của Mazda, Multibeam Headlamps của Mercedes – Benz, Matrix LED
Headlights của Audi, Intelligent Headlights của BMW, …
Hệ thống đèn chiếu sáng thông minh ngày càng phổ biến trên thế giới, tuy vậy
ở Việt Nam thì hệ thống này cịn khá mới mẻ và chủ yếu được trang bị trên các xe có
giá trị cao vì vậy việc tìm hiểu và tiếp cận của sinh viên, học viên trong ngành còn
hạn chế, chủ yếu thơng qua các tạp chí ơ tơ và mạng Internet.

1



Do vậy, tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống đèn chiếu sáng
thông minh ứng dụng trên ơ tơ” ngồi mục đích tìm hiểu, nghiên cứu nhằm tích luỹ
kiến thức, thực hành cho bản thân, tơi cũng mong muốn hồn thành tốt nhất có thể
việc mơ phỏng hoạt động của hệ thống này để có cái nhìn thực tế hơn, phục vụ cho
việc giảng dạy và học tập của sinh viên, học viên trong ngành.
1.2. Tình hình nghiên cứu
1.2.1. Trong nước
Trong những năm gần đây, tại Việt Nam, nâng cấp hệ thống đèn pha chiếu sáng
đang trở thành một trào lưu mới của những người sử dụng ơ tơ. Ngồi chức năng
chiếu sáng, hỗ trợ tầm quan sát thì các tính năng thơng minh ứng dụng lên hệ thống
chiếu sáng cũng được quan tâm và nghiên cứu.
Nguyễn Thành Bắc cùng cộng sự [3] đã nghiên cứu mô phỏng bộ điều khiển tự
động bật tắt đèn pha và tự động chuyển chế độ chiếu sáng của đèn pha trên ô tô bằng
phần mềm Proteus và CodevisionAVR. Nghiên cứu đã sử dụng cảm biến ánh sáng
quang điện trở để điều khiển hệ thống đèn. Lê Ngọc Viện đã nghiên cứu thiết kế hệ
thống đèn pha tích cực cho xe máy [4] sử dụng động cơ để điều khiển đèn xoay theo
hướng thích hợp với tay lái của người lái xe. Nguyễn Văn Huỳnh cùng các cộng sự
[5] đã nghiên cứu mô phỏng mạch thiết kế điều khiển đèn pha ô tô sử dụng mạng
CAN dùng phần mềm Protues 8.1 để mô phỏng mạch thiết kế điều khiển theo chế độ
hoạt động của đèn pha ô tô theo cường độ sáng của mô trường như đèn pha tự động
bật sáng khi trời tối hay đèn pha tự động chuyển từ chiếu xa (pha) sáng chiếu gần
(cốt) khi gặp xe đi ngược chiều.
Tuy nhiên, đa số các đề tài dùng một số cảm biến cơ bản hoặc điều khiển các loại
đèn khơng thơng dụng ở những dịng xe đời mới như đèn Halogen, đèn Xenon, … Ở
nước ta hiện nay, các bài công bố khoa học về hệ thống chiếu sáng cũng cịn khá ít,
các dự án liên quan đến việc điều khiển hệ thống chiếu sáng dùng đèn với ma trận
LED vẫn cịn trong q trình nghiên cứu.

2



1.2.2. Ngoài nước
Trong những năm gần đây, cuộc chạy đua về công nghệ đèn chiếu sáng giữa các
nhà sản xuất ô tô trên thế giới đang mang đến cho người tiêu dùng rất nhiều lựa chọn
khi muốn nâng cấp đèn pha ơ tơ chính hãng khi mua xe. Trong đó, phổ biến nhất là
công nghệ đèn Halogen, đèn Xenon, đèn LED và đèn pha Laser. Không chỉ phát triển
về khả năng chiếu sáng cho ơ tơ mà kèm theo đó các công nghệ tân tiến, thông minh
giúp cho người lái có những trải nghiệm lái xe an tồn và tuyệt vời nhất.
Công nghệ LED được nghiên cứu và ứng dụng trên ô tô: Từ năm 2002, một
số công ty đèn chiếu sáng quan trọng như OSRAM, Philips và Nichia [6], đã phát
triển đèn LED ánh sáng trắng, công suất cao. Những phát triển này đang thúc đẩy hơn
nữa việc tích hợp đèn LED vào đèn pha ô tô. Mục tiêu của việc nghiên cứu và phát
triển đèn luôn là sản xuất các loại đèn xe hiệu quả cao, có hình dáng hợp lý đồng thời
đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn. Với sự hỗ trợ của đèn pha được thiết kế
phù hợp, người lái xe có thể đánh giá chính xác tình trạng đường xá. Các nhà sản xuất
ơ tơ trên tồn cầu đang sử dụng LED cho các ứng dụng chiếu sáng khác nhau, đặc
biệt là cho đèn pha vì nhiệt độ màu ánh sáng của LED gần giống với nhiệt độ màu
ánh sáng ban ngày, khi so sánh với các nguồn sáng truyền thống (đèn Halogen và
HID) thì đèn LED mang lại một số lợi thế tiềm năng như hiểu suất chiếu sáng cao
hơn khoảng 5 lần, tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ cao [7 -8].
Những nghiên cứu về độ chói của hệ thống chiếu sáng: Van den Berg cùng
các cộng sự [9] đã nghiên cứu được hiện tượng chói ở mắt là hiệu ứng hình ảnh của
ánh sáng tán xạ bên trong hoặc phía trước mắt gây ra bởi một nguồn sáng tương đối
sáng trong tầm nhìn của mắt. Sự tán xạ ánh sáng làm giảm độ tương phản của võng
mạc và do đó nó làm giảm khả năng hiển thị tổng thể, ngồi ra nó cịn gây mất tập
trung và khó chịu do độ chói khó chịu. Nếu ánh sáng chói quá mạnh, nó có thể gây
ra hiện tượng nhiễu loạn tầm nhìn. Do đó, ánh sáng chói của đèn pha có thể là một
yếu tố rủi ro đáng kể. Ekrias và các cộng sự [10] đã nghiên cứu phương pháp mới để
đo và phân tích độ chói từ đường. Kết quả, họ đã mô tả một số kiểu ánh sáng đèn pha,
phương pháp này dựa trên cảnh thực giúp tránh được một số quá trình phúc tạp như


3


hấp thụ, phản xạ, tán xạ, … Bullough cùng cộng sự [11-12] đã có các nghiên cứu
chứng minh sử dụng đèn pha chiếu sáng cao có thể tạo ra ánh sáng chói cho người
điều khiển phương tiện đang đi tới và đi trước, các đèn pha khác nhau sẽ phát ra một
lượng ánh sáng nhìn thấy đối với mắt người và lượng như vậy được đo bằng lumen
trên mét vuông (lux). Bên cạnh đó nhóm của ơng cũng phát hiện hiệu suất thị giác
của người điều khiển xe có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng do độ chói và mức quang
thông (độ chiếu sáng – illumination). Prasetijo cùng các cộng sự [13] đã nhận thấy
việc sử dụng đèn pha với độ sáng cao gây chói mắt cho người điều khiển phương tiện
đi tới và đi cùng chiều, do đó, các tác giả đã nghiên cứu hiệu suất trực quan cho phép
đánh giá lợi ích tiềm năng của việc tăng cường độ sáng bằng cách xem xét đánh giá
độ chói liên quan đến an toàn. Nghiên cứu này đã đề xuất một số giải pháp để cải
thiện độ an toàn của chùm sáng cao khi lái xe vào ban đêm và cho thấy cường độ
chiếu sáng và độ chói phù hợp với mức bình thường và tiêu chuẩn an tồn dưới 20
lux (lux: đơn vị ánh sáng).
Nghiên cứu góc lái ảnh hưởng đến hệ thống chiếu sáng: Strambersky cùng các
cộng sự [14] đã sử dụng nguyên lý hình học lái Ackerman để tính tốn góc lệch của
đèn pha trong phạm vi quy định cho phép. Thuật toán, dựa trên các quy định, cần
được cải thiện để có độ chính xác và dự đoán quỹ đạo. Sina và các cộng sự [15] đã
sử dụng các mẫu góc quay đầu thơng thường vào ban ngày và ban đêm để hướng dẫn
thiết kế hệ thống chiếu sáng phía trước, nhưng bài báo khơng đề cập đến thuật toán
cụ thể của hệ thống chiếu sáng phía trước và khơng thể đảm bảo độ chính xác vì hạn
chế của các thiết bị đo.
Những nghiên cứu về các chức năng thông minh của hệ thống chiếu sáng
trên ô tô: Ishiguro và Yamada [16], những người làm việc cho Denso và Toyota tại
Nhật Bản, đã nghiên cứu mối quan hệ giữa tốc độ của một chiếc xe và khoảng cách
cố định của người lái xe khi lái xe vào một khúc cua vào ban ngày. Họ kết luận rằng

khoảng cách cố định càng lớn khi tốc độ càng tăng. Bằng cách nghiên cứu thời gian
phản ứng của người lái xe trong những trường hợp nguy hiểm như va chạm, họ coi t
= 3 s là thời điểm thích hợp, họ đã sử dụng trong thuật toán hệ thống chiếu sáng đèn

4


liếc tĩnh (AFS) của mình. Chen và các cộng sự [17] đã đề xuất một phương pháp AFS
mới, được gọi là "ước tính độ cong khi xoay" trong bài báo của họ. Bằng cách sử
dụng các thiết bị hiện có như hệ thống cảnh báo chệch làn đường thay thế cho hệ
thống định vị tồn cầu để dự đốn độ cong của đường, góc lệch của đèn pha đã được
tính toán. AFS dự đoán đã giải quyết vấn đề lỗi với AFS khơng dự đốn ở một mức
độ nào đó khi độ cong của đường thay đổi đáng kể nhưng nó khơng xem xét đến đặc
điểm hình ảnh của người lái xe. Chen cùng các cộng sự [18] đã nghiên cứu phát triển
hệ thống đèn pha có thể được thúc đẩy để cải thiện khả năng chiếu sáng và tấm nhìn
trong điều kiện đường lên dốc và xuống dốc hoặc tốc độ xe giúp cải thiện độ an toàn
khi lái xe. Dữ liệu của cảm biến tốc độ xe và góc nghiên của xe đã được phân tích để
cung cấp điều khiển hoạt động đèn pha tốt hơn. Kết quả của nghiên cứu này có thể
được áp dụng để thiết kế hệ thống điều khiển đèn pha cho một số loại xe được sử
dụng ở các loại đường xá khác nhau. Hwang cùng các cộng sự [19] đã mô phỏng
động lực học của sự thay đổi độ sáng đèn pha khi có hai phương tiện đang đến gần,
các thuật tốn điều khiển cường độ đèn LED dựa trên cả hình dạng đèn pha và chùm
LED đã được phát triển. Các lỗi mơ phỏng đã được ước tính và so sánh thuận lợi với
sự thay đổi độ sáng của đèn pha trong thế giới thực. Reagan cùng cộng sự [20] đã
nghiên cứu đèn pha HID thích ứng với đường cong được điều khiển với chùm sáng
thấp đã cải thiện được khả năng phát hiện các mục tiêu thấp so với đèn pha Halogen
và đèn pha HID thơng thường.
Qua q trình tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước, tác giả nhận thấy
còn một số điểm hạn chế ở các nghiên cứu. Thứ nhất, những nghiên cứu và xây dựng
mơ hình thực tế đa phần dựa vào tín hiệu của các cảm biến để điều khiển hệ thống

chiếu sáng. Thứ hai, công nghệ điều khiển hệ thống ma trận LED kết hợp với phương
pháp xử lí ảnh vẫn cịn là đề tài mới, chưa có nhiều tài liệu và nghiên cứu liên quan.
Từ đó, tác giả quyết định tiến hành nghiên cứu và mơ phỏng q trình điều khiển hệ
thống ma trận LED bằng phương pháp xử lí ảnh ánh sáng.
1.3. Mục tiêu đề tài
- Nghiên cứu độ chói và góc chiếu của đèn LED để phù hợp với xe ô tô.

5


- Xây dựng thuật tốn cụ thể q trình điều khiển hệ thống đèn pha dùng ma
trận LED bằng phương pháp xử lí ảnh trong 3 tính huống: góc cua tĩnh, góc cua động
và chống chói cho phương tiện đi ngược chiều.
- Mô phỏng và đánh giá hệ thống qua phần mềm Matlab.
1.4. Cách tiếp cận
Khảo sát và nghiên cứu các báo cáo liên quan để xác định được vấn đề cụ thể.
Tiếp theo đó tác giả nhận ra, hệ thống đèn LED đang phát triển mạnh mẽ và hệ thống
đèn pha sử dụng ma trận LED được chọn để nghiên cứu và phát triển cùng với phương
pháp xử lí ảnh cũng đang được đẩy mạnh nghiên cứu.
1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.5.1. Đối tượng nghiên cứu
- Xe ô tô.
- Đèn pha chiếu sáng sử dụng ma trận LED.
1.5.2. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu thuật toán điều khiển đèn pha sử dụng ma trận LED.
- Nghiên cứu mô phỏng bằng phần mềm Matlab và dùng camera thật để lấy hình
ảnh.
- Các thuật tốn của chức năng thơng minh được nghiên cứu và thực hiện mô
phỏng trên môi trường: đường ngồi đơ thị (cho phép mở đèn pha), đường 2 chiều
bằng phẳng và khơng có đèn đường chiếu sáng.

1.6. Nội dung nghiên cứu
Luận văn đã thực hiện những nội dung sau:
- Nghiên cứu góc chiếu sáng của đèn LED và ma trận LED từ đó hình thành các
vùng xác định chiếu sáng.
- Nghiên cứu sử dụng phương pháp xử lí ảnh thơng qua camera đề nhận biết vị
trí nguồn trong khung hình.
- Xây dựng thuật tốn cho các chức năng chiếu sáng thông minh.
- Mô phỏng các chức năng chiếu sáng thơng mình bằng phần mềm Matlab.

6


- Thực hiện mô phỏng với nguồn sáng tương tự thực tế và xây dựng kết quả
đánh giá.
1.7. Phương pháp nghiên cứu
Với mục tiêu nghiên cứu hệ thống đèn chiếu sáng thông minh ứng dụng trên ô
tô đã đề ra ở trên, tác giả lựa chọn phương pháp nghiên cứu tổng quan tài liệu qua các
bài báo khoa học và các hội nghị uy tín. Đồng thời, phân tích các hệ thống hệ thống
đèn chiếu sáng thông minh đã được ứng dụng trong thực tế thông qua các bài viết,
video clip trên các kênh thông tin của các hãng xe. Từ đó, hình thành được cơ sở lý
thuyết và thuật tốn để tác giả có thể mơ phỏng hệ thống đèn chiếu sáng thông minh
bằng phần mềm Matlab và xuất ra các biểu đồ để có thể nhận xét, đánh giá được hoạt
động của hệ thống.
1.8. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
- Có được cơ sở lý thuyết hợp lý và xây dựng được thuật toán cụ thể để điều
khiển chức năng thông minh của hệ thống đèn pha dùng ma trận LED thay thế cho
đèn Halogen hoặc đèn Xenon.
- Phân tích và mơ phỏng các chúc năng thơng minh: chiếu sáng góc cua tĩnh,
chiếu sáng góc cua động và đèn pha chống chói cho người điều khiển phương tiện
khác.

- Đánh giá được ảnh hưởng của độ chói đến người điều khiển phương tiện khác
và xây dựng góc chiếu sáng phù hợp có thể ứng dụng trên ơ tơ.
- Góp phần đẩy mạnh q trình nghiên cứu và cải tiến hệ thống đèn pha dùng
ma trận LED, đưa công nghệ LED ngày càng phát triển hơn.
1.9. Bố cục luận văn
Nội dung được biên soạn với các nội dung chính như sau:
- Chương 1: Tổng quan.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
- Chương 3: Xây dựng mơ hình mô phỏng.
- Chương 4: Kết quả và đánh giá.
- Chương 5: Kết luận và kiến nghị.

7


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu chung về đèn LED
2.1.1. Cấu tạo của đèn LED
Diode phát sáng còn được gọi là diode phát quang hay nói ngắn gọn là LED. LED
là viết tắt của "Light Emitting Diode", vì nó biến năng lượng điện thành ánh sáng. Về
mặt vật lý, nó là nguồn sáng lạnh và là thành phần bán dẫn điện tử trong quang điện.
Độ dẫn của nó nằm giữa các chất dẫn điện (ví dụ: kim loại, nước, than chì) và vật liệu
khơng dẫn điện (ví dụ: phi kim loại, thủy tinh, gỗ).
Đèn LED có nhiều kích thước, thiết kế và màu sắc tuỳ thuộc vào mục đích sử
dụng. Đèn LED đơn giản (hay LED tiêu chuẩn – hình 2.1) có hình trụ và một nửa
hình cầu kết hợp ở trên. Cấu tạo của đèn LED [21] đơn giản này bao gồm: tinh thể
bán dẫn (LED chip), khay phản xạ tiếp xúc với cực âm (Cathode), dây dẫn vàng tiếp
xúc với cực dương (Anode) và ống nhựa epoxy nhằm bảo vệ các thành phần bên
trong.


Hình 2. 1: Cấu tạo của đèn LED đơn giản [21].

8


Đèn LED cơng suất cao có một phần kim loại lớn giúp tản nhiệt tốt hơn. Khi
nhiệt được tản ra dễ dàng hơn, dịng điện có thể truyền qua đèn LED nhiều hơn khiến
cho đèn LED khi đó sẽ phát ra ánh sáng với cường độ lớn hơn và bao phủ được nhiều
diện tích hơn. Đèn LED cơng suất cao có khả năng cắt giảm nhiệt hơn 10 lần so với
đèn LED đơn giản ở trên.
Trong thực thế, đèn LED cơng suất cao chẳng hạn như Luxeon Rebel, có diện
tích phát xạ khoảng 1 mm2 và cường độ phát sáng xấp xỉ 40 – 100 Lumen. Còn đối
với đèn LED tiêu chuẩn cơng suất dưới 0,1W và cường độ dịng điện là 20 – 30 mA
thì cho ra diện tích phát xạ là 0,25 mm2 và cường độ phát sáng chỉ đạt 1 – 2 Lumen.
Tuy nhiên đèn LED là nguồn sáng bán dẫn và do đặc tính của chúng hồn tồn
khác với đèn thơng thường là vì quang thơng của đèn LED được xác định bởi dòng
chuyển tiếp chạy qua nó. Do đó, chúng khơng thể được cấp điện trực tiếp từ ắc quy ô
tô bằng các kỹ thuật của hệ thống chiếu sáng truyền thống. Cần có các mạch dẫn động
chuyên dụng có thể đáp ứng nhu cầu thay đổi của hệ thống LED khi các đặc tính điện
của chúng thay đổi trong khi vẫn duy trì mức độ chói cần thiết [22-24].
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của đèn LED
Hoạt động của LED [25] giống với nhiều loại diode bán dẫn. Khối bán dẫn loại
p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n
(chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán
sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển
sang. Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi
khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống). Ở biên giới hai bên mặt
tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có
xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Q trình này có thể
giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần

đó).

9


Hình 2. 2: Mơ phỏng ngun lý hoạt động của tinh thể bán dẫn [25].
Đèn LED là một thành phần cực kỳ nhạy cảm, nếu dòng điện qua đèn LED vượt
quá giá trị cho phép dù chỉ một lượng nhỏ thì đèn LED có thể bị phá huỷ ngay. Do
đó không bao giờ được kết nối đèn LED trực tiếp với nguồn điện. Chúng chỉ có thể
được kết nối nếu qua một bộ giới hạn dòng điện hoặc điện trở nối tiếp được tích hợp
vào mạch điện. Cịn đèn LED công suất cao được điều khiển qua một chấn lưu để
cung cấp dịng điện khơng đổi.

Hình 2. 3: Mạch đèn LED đơn giản [25].

10


Hình 2.3 là mạch đèn LED đơn giản để đèn LED có thể hoạt động. Đồng thời, để
đèn LED sáng đúng định mức và đảm bảo tuổi thọ đèn LED thì giá trị của điện trở
phải được tính tốn sao cho phù hợp với điện áp và cường độ dòng điện qua đèn (hai
thông số này tuỳ theo mỗi loại đèn LED và nhà sản xuất). Khi đó giá trị điện trở được
tính theo cơng thức sau:
R=

UT - UL
(Ω)
IL

(2.1)


Trong đó:
- UT: Điện áp nguồn (V).
- UL: Điện áp của đèn LED (V).
- UR = UT - UL: Điện áp của điện trở (V).
- IL: Cường độ dòng điện qua đèn LED (A) - Do mạch mắc nối tiếp
nên cường độ dịng điện này cùng chính là cường độ dịng điện của toàn mạch và
của nguồn điện.
- R: Giá trị của điện trở (Ω)
Đèn LED chỉ cần một dòng điện nhỏ đi qua là sẽ phát ra ánh sáng. Có rất nhiều
phương pháp điều khiển đèn LED nhưng tuỳ theo khu vực muốn chiếu sáng và ứng
dụng của đèn LED mà người ta chọn ra cách điều khiển phù hợp. Như hình 2.4, có 3
phương pháp điều khiển là bằng điện trở, cường độ dịng điện, bộ chuyển đổi.

Hình 2. 4: Các mạch điều khiển đèn LED [25].

11


2.1.3. Tính chất quang học của đèn LED trên ơ tơ
Có nhiều phương pháp khác nhau để định hướng ánh sáng phát ra từ đèn LED
trên ô tô. Các phương pháp phổ biến nhất để định hướng ánh sáng được sử dụng ngày
nay bao gồm phương pháp phản xạ, phương pháp khúc xạ và phương pháp lai
(phương pháp này kết hợp giữa phản xạ và khúc xạ).

Hình 2. 5: Các phương pháp định hướng ánh sáng trên ô tô [25].
2.1.4. Ưu điểm của đèn LED
Đèn LED có ưu điểm vượt trội hơn về một số khía cạnh so với các loại bóng đèn
được sử dụng để chiếu sáng khác trên ô tô như đèn Halogen, đèn Bi-xenon, … mặc
dù giá thành có thể đắt hơn. Chính vì những ưu điểm vượt trội đó, ngành cơng nghệ

kỹ thuật ơ tơ nói riêng và các ngành khác nói chung khai thác các ưu điểm của đèn
LED ngày một nhiều và sử dụng nó ngày càng phổ biến hơn.
Bảng 2.1: Bảng so sánh các thông số đặc trưng về chiếu sáng của đèn LED so với
các loại đèn khác.
Nguồn
sáng

Nhiệt độ
màu (K)

Quang thông
(Lm)

Tuổi thọ
(Hour)

Khoảng chiếu
sáng (m)

Halogen

~ 3.200

~ 700 – 2.000

~ 450 – 1.000

~ 100

Xenon HID


~ 4.000

~ 2.500 – 3.800

~ 2.000

~ 250

LED

~ 6.000

~ 15.000

~ 15.000

~ 300

12


Bên cạnh đó, đèn LED cịn có rất nhiều ưu điểm đã được nghiên cứu, dưới đây
là các ưu điểm của đèn LED:
- Tiêu thụ năng lượng thấp.
- Tuổi thọ cao.
- Chống va đập và chống rung.
- Giảm lượng nhiệt tích tụ.
- Khơng có chi phí bảo trì hoặc làm sạch.
- Khơng chứa thuỷ ngân.

- Hạn chế lố tốt.
- Cho ra sánh sáng chất lượng cao.
- Nhiều thiết kế (có thể sử dụng ở nhiều lĩnh vực).
- Có thể điều chỉnh màu sắc ánh sáng.
- Ít hư hỏng.
- Kích thước nhỏ gọn.
- Khơng có bức xạ UV hoặc IR.
- Ánh sáng định hướng.
- Độ bão hoà cao.
Như chúng ta đã biết, ngày nay vấn đề môi trường là một trong những vấn đề
được quan tâm hàng đầu và tất nhiên ngành công nghệ kỹ thuật ô tô cũng không ngoại
lệ. Thông thường, khi nhắc đến tiết kiệm nhiên liệu, giảm khí thải ra mơi trường
chúng ta thường nghĩ tới việc cải tiến động cơ hay cụ thể hơn là cải tiến hệ thống nạp
và hệ thống xả nhưng thật ra các nhà sản xuất ô tô bên cạnh việc cải tiến động cơ thì
cịn tìm ra những phương pháp làm giảm sự tiêu hao năng lượng của các hệ thống
khác trên xe từ đó giảm được lượng nhiên liệu cần cung cấp cho động cơ.
Hình 3.11(a) dưới đây cho chúng ta thấy phần trăm tiêu thụ năng lượng của các
loại đèn trong hệ thống đèn chiếu sáng và tín hiệu trên xe ô tô. Trường hợp này đối
với các xe ô tô sử dụng hoàn toàn đèn Halogen.

13


Hình 3.11(b) trong trường hợp xe sử dụng kết hợp giữa đèn Halogen và đèn LED.
Chúng ta có thể thấy tổng phần trăm tiêu thụ năng lượng của các đèn là thấp hơn so
với trường hợp ở hình 3.11(a) và giảm được 39%.
Hình 3.11(c) là trường hợp xe có hệ thống chiếu sáng tín hiệu sử dụng hồn tồn
bằng đèn LED, chúng ta có thể thấy hệ thống chiếu sáng tín hiệu tiết kiệm được 60%
nhiên liệu so với trường hợp ở hình 3.11(a).


(a)

(b)

14


(c)
Hình 2. 6: Tỉ lệ tiêu hao năng lượng của hệ thống chiếu sáng tín hiệu trên các
loại xe ơ tô: (a): Sử dụng đèn Halogen, (b) Sử dụng kết hợp đèn Halogen và đèn
LED, (c) Sử dụng hoàn toàn đèn LED.
2.2. Phương pháp điều khiển các chức năng thông minh của hệ thống chiếu sáng
dùng ma trận LED
2.2.1. Chức năng chiếu sáng góc cua tĩnh
Bản chất của chức năng đèn chiếu sáng góc cua tĩnh như hình 2.7 là bố trí nguồn
sáng phụ bên cạnh cụm đèn chiếu sáng phía trước của ơ tơ, nguồn sáng phụ này có
nhiệm vụ chiếu sáng góc bên phải hoặc bên trái của ô tô khi rẽ phải hoặc rẽ trái mà
vùng sáng của cụm đèn chiếu sáng phía trước khơng chiếu tới nhằm giúp người điều
khiển ô tô phát hiện được các phương thiện hoặc người đi bộ đang tham gia lưu thơng
ở phía đường mà người điều khiển ơ tơ muốn chuyển hướng di chuyển.

15


Hình 2. 7: Đèn chiếu sáng góc cua tĩnh khi rẽ trái [28].
Việc bật tắt đèn chiếu sáng góc cua tĩnh này được dựa vào hai yếu tố dưới đây
để đảm bảo rằng đèn này chỉ được bật khi người điều khiển ô tô muốn chuyển hướng
di chuyển sang trái hoặc phải, hai yếu tố đó là:
-


Tín hiệu đèn báo rẽ - Turn signal.

-

Tín hiệu cảm biến tốc độ – Speed sensor.

16


Hình 2. 8: Sơ đồ khối chức năng đèn chiếu sáng góc cua tĩnh.
Dựa vào sơ đồ hình 2.8, chúng ta bắt đầu đi vào hoạt động của chức năng này
như sau:
- Đầu tiên, người điều khiển ô tô nhấn vào nút ON/OFF đèn tín hiệu báo rẽ trái
hay phải, hệ thống sẽ kiểm tra xem đó là mở tín hiệu rẽ trái hay rẽ phải hay tắt tín
hiệu báo rẽ.
- Tiếp đến, nếu đó là thao tác mở đèn tín hiệu báo rẽ thì hệ thống sẽ tiếp tục
kiểm tra tốc độ xe. Tốc độ xe được xác định bởi cảm biến tốc độ xe và kiểm tra nếu
xe đang hoạt động ở tốc độ dưới 30 km/h thì hệ thống sẽ mở đồng thời đèn tín hiệu
báo rẽ và đèn chiếu sáng góc cua tĩnh phía mà người điều khiển ô tô mở. Ngược lại,
với tốc độ trên 30 km/h thì hệ thống chỉ mở đèn báo rẽ.

17


- Nếu người điều khiển ô tô tắt đèn báo rẽ (khơng có tín hiệu báo rẽ) về phía
bên trái hoặc bên phải, đèn chiếu sáng góc cua tĩnh sẽ tự động tắt cùng với đèn tín
hiệu báo rẽ.
2.2.2. Chức năng chiếu sáng góc cua động
Đèn chiếu sáng góc cua động được kích hoạt khi ơ tơ với tham gia lưu thông tốc
độ cao trên các đoạn đường cong, không thẳng với mục đích giúp người điều khiển ơ

tơ tập trung vào phần đường của mình và sớm nhận biết được các phương tiện, người
đi bộ hay vật cản trên đường để có thể xử lý kịp thời.
Khác với chức năng hỗ trợ người điều khiển ô tô khi rẽ, chức năng này thay đổi
vùng chiếu sáng bằng cách sử dụng chính nguồn sáng của đèn chiếu xa của cụm đèn
chiếu sáng phía trước (khơng sử dụng thêm đèn chiếu phụ như đèn chiếu sáng góc
cua tĩnh). Đèn chiếu xa sẽ thay đổi vùng chiếu sáng theo góc đánh lái của người điều
khiển xe.

Hình 2. 9: Sự khác biệt của vùng sáng giữa ơ tơ có chức năng đèn chiếu sáng góc
cua động và ơ tơ khơng có [28].
Với chức năng đèn chiếu sáng góc cua động (hình 2.9) thì sự thay đổi vùng chiếu
sáng có mức độ uyển chuyển hơn chức năng đèn chiếu sáng góc cua tĩnh và có thể

18