Luận văn Mô hình điều khiển cho người lái xe (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Mô hình điều khiển cho người lái xe (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO VĂN THÀNH MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO NGƯỜI LÁI XE NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 S K C0 0 4 4 2 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ H Ồ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO VĂN THÀNH MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO NGƢỜI LÁI XE NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014 i
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ H Ồ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO VĂN THÀNH MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO NGƢỜI LÁI XE NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 Hướng dẫn khoa học: TS. LÊ THANH PHÚC Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014 i
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: CAO VĂN THÀNH Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02/06/1989 Nơi sinh: Nghệ An Quê quán: Nghệ An Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: Xóm Hợp Nhân, Châu Đình, Quy Hợp, Nghệ An Đơn vị công tác: Trường Cao Đẳng Nghề số 8 (BQP), đường Bùi Huy Hòa, Kp 3, phường Long Bình Tân, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai Điện thoại đơn vị: 0613.930.082 Điện thoại riêng: 0986.324.516 Fax: 0613.937.379 E-mail: thanhcko12b@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung cấp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ Nơi học: Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 09/ 2011 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định Ngành học: Cơ khí động lực Tên đồ án tốt nghiệp: (Thi tốt nghiệp Đại Học) Ngày & nơi thi tốt nghiệp: 07/2011,tại Trường Đh Sư Phạm Kỹ Thuật NamĐịnh Giảng viên hướng dẫn III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ10/2011 Trường cao đẳng nghề số 8 Giảng viên khoa cơ khí động lực đến nay (BQP) Tp. Biên hòa, T. Đồng nai ii
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Ký tên iii
6. LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài,Tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của tập thể Ban Giám hiệu, Khoa Sau Đại học, Khoa Cơ Khí Động Lực, giảng viên, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.Tôi xin bày tỏlòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Tiến SĩLê Thanh Phúc trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho Tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp của Tôi và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ Tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014 Học viên thực hiện iv
7. TÓM TẮT Một mô hình điều khiển cho người lái xe đã được thiết kế và thi công làm phương tiện để khảo sát và đánh giá hiệu quả điều khiển xe của hai nhóm người lái bao gồm người ở độ tuổi già và người ở độ tuổi trẻ. Số lượng người tham gia khảo sát là 8 người đã được tuyển chọn đủ các điều kiện về những điều lệ qui định sức khỏe cho người lái xe ô tô ở Việt nam. Người tham gia khảo sát sẽ điều khiển xe trong cùng một môi trường lái xe mô phỏng - City Car Driving trên đoạn đường 500m và gặp các tình huống xử lý giao thông như nhau. Các thông số điều khiển của người lái được thu thập bằng phần mền LabVIEW. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy, đối với người lái ở độ tuổi trẻ thì hiệu quả điều khiển xe tănglên 55,5% so với người lái ở độ tuổi già xét theo tình huống điều khiển xe trên đoạn đường cua vòng. Về khả năng điều khiển xe tránh va chạm chướng ngại thì ở người ở độ tuổi trẻ điều khiển tốt hơn người ở độ tuổi già là 34,6%. Về khả năng điều chỉnh góc lái để chuyển hướng di chuyển sang làn đường mới thì người ở độ tuổi trẻ điều chình chính xác hơn người ở độ tuổi già là12,2%. Việc so sánh và đánh giá được khả năng điều khiển xe của người lái là một trong những thành công lớn nhất của đề tài làm cơ sở khoa học giúp hoàn thiện mô hình điều khiển cho người lái xe bằng cách thay đổi các thông số điều khiển trong các hệ thống hổ trợ người lái trong quá trình điều khiển xe gặp các trường hợp nguy hiểm, từ đó góp phần làm giảm khả năng xảy ra các sự cố, tai nạn giao thông. Ngoài ra, đề tài còn có thể tăng cường chất lượng đào tạo tập lái ô tô cho các trung tâm dạy lái xe và có thể trang bị cho các đại lý ô tô nhằm hướng dẫn thêm cho khách hàng thăm quan showroom, khách hàng mua xe. v
8. ASTRACT A control model for the driver has successfully designed to examine and evaluate the effectiveness of the two groups of drivers who drive including the old age and young age. The number of participants is 8 sastify all the conditions of health regulations for automobile driving in Vietnam. The participants drove in the same car driving simulation environment - City Car Driving on the 500m distance and the same traffic condition. The control parameters of the driver were collected by LabVIEW software. The experimental results showed that, the drivers at a young age have efficiency increased 55.5% comparison to the driver at aold age with the situation on the ring roads. About the possibility driving the obstacle collision avoidance in younger better than the olderwas 34.6%. The ability to adjust the steering angle movement redirected to the new lane roadin younger better than the olderwas 12.2%. The comparison and evaluation of the ability drivingwas one of the biggest successes of the subject as a scientific basis to perfectcontrol model for the driver by changing the some coefficient control systems support the driver in the dangerous situations, thereby contributing to reduce the traffic accidents. In addition, the subject can also improve the quality of the driver training center and can equip automobile dealers to guide more customers visit the showroom, customers buy car. vi
9. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận của cán bộ hướng dẫn Lý lịch khoa học ii Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Astract vi Mục lục vii Danh sách các chữ viết tắt ix Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xiii Chƣơng 1.TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung vể lĩnh vực nghiên cứu 1 1.2 Mục đích của đề tài 4 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 4 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 4 1.3.2 Giới hạn của đề tài 4 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 4 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 2.1 Cơ chế sinh học và điều khiển cơ của ngƣời lái xe 5 2.1.1 Cơ chế sinh học 5 2.1.2 Quá trình điều khiển cơ của người lái xe 6 2.2 Cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển xe 7 2.3 Mô hình của xe và ngƣời lái 8 2.3.1 Mô hình xe 8 2.3.2 Mô hình điều khiển lái xe với đặc tính thần kinh cơ 12 vii
10. 2.4 Mô hình điều khiển cho ngƣời lái xe 13 2.4.1 Điều khiển bù hướng xe di chuyển 13 2.4.2 Điều khiển đường di chuyển xem trước của xe 14 2.5 Tổng quan về kỹ thuật lái xe 18 2.5.1 Khái quát hệ thống buồng lái ô tô 18 2.5.2 Kỹ thuật cơ bản lái xe ô tô 20 2.5.3 Phương pháp lái xe ôtô trên các loại đường khác nhau 21 2.6 Điều kiện sức khỏe của ngƣời lái xe 26 2.7 Phần mền LabVIEW 28 2.7.1 LabVIEW 28 2.7.2Lập trình với LabVIEW 29 Chƣơng 3. THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN XE 30 3.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng City Car Driving 30 3.2 Thiết kế mô hình điều khiển xe 30 3.2.1 Phương pháp chuyển đổi tín hi ệu xoay của trục vô lăng thành tín hiệu điều khiển của chuột máy tính 31 3.2.2 Thiết kế cơ cấu lái 34 3.2.3 Thiết kế hệ thống mạch điện điều khiển mô hình lái 35 3.2.4 Thiết kế cơ cấu điều khiển tay số 36 3.2.5 Thiết kế khung mô hình điều khiển lái 37 3.2.6 Sản phẩm thi công mô hình điều khiển xe 38 3.3 Lập trình điều khiển mô hình điều khiển lái 39 3.3.1 Thuật toán thu thập tín hiệu và điều khiển lái 39 3.3.2 Lập trình điều khiển và thu thập số liệu 40 Chƣơng 4. KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 41 4.1 Phƣơng án khảo sát 41 4.1.1 Người lái xe tham gia khảo sát 41 4.1.2 Môi trường khảo sát 41 4.2 Giao diện thu thập và xử lý tín hiệu 43 viii
11. 4.3 Kết quả thực nghiệm 44 4.3.1 Kết quả thực nghiệm trong trường hợp một 44 4.3.2 Kết quả thực nghiệm trong trường hợp hai 47 4.3.3 Kết quả thực nghiệm trong trường hợp ba 50 4.4 So sánh đánh giá kết quả 53 Chƣơng 5. KẾT LUẬN 56 5.1 Kết luận 56 5.2 Hƣớng phát triển đề tài 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 60 ix
12. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT LabVIEW : Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench – Phần mềm lập trình ngôn ngữ đồ họa IC : Integrated Circuit – Vi mạch tích hợp PID : Propotional Integral Derivative – Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ. AMP : Amplifier – Bộ khuếch đại. DC : Direct Current – Dòng điện một chiều. AC : Alternating Current– Dòng điện xoay chiều. D : Dioptries – Độ mắt con người LQR : Linear Quadratic Regulator – Điều chỉnh phương trình bậc hai tuyến tính RS-232 : Recommended Standard-232 – Chuẩn giao tiếp nối tiếp giữa thiết bị ngoại vi với máy tính. USB : Univeral Serial Bus là 1 chuẩn kết nối các thiết bị điện tử x
13. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1 : Cơ chế thần kinh cơ của con người 5 Hình 2.2 : Cơ chế điều khiển của người lái xe. 6 Hình 2.3 : Sơ đồ điều khiển ba cấp đường – người – xe 7 Hình 2.4 : Sơ đồ điều khiển thần kinh cơ người lái 7 Hình 2.5 : Mô hình tọa độ của xe 8 Hình 2.6 :Mô hình xe một vết 9 Hình 2.7 :Mô hình khi xe chuyển động quay vòng. 10 Hình 2.8 : Mô hình bậc tự do của xe 10 Hình 2.9 : Kết cấu của mô hình điều khiển lái xe với đặc tính thần kinh cơ. 12 Hình 2.10 : Mô hình bù hướng di chuyển của xe. 13 Hình 2.11 : Mô hình điển hình lái xe xem trước. 14 Hình 2.12 : Mô hình chiến lược dự báo. 15 Hình 2.13 : Mô hình điều khiển xe đa vòng lặp. 16 Hình 2.14 : Xe và quỹ dạo xem trước con đường phía trước. 17 Hình 2.15 : Mã nguồn viết bằng LabVIEW 29 Hình 3.1 : Giao diện lái xe mô phỏng City Car Driving 30 Hình 3.2 : Sơ đồ tín hiệu tương tự giữa chuột máy tính với trục xoay của vô lăng 31 Hình 3.3 : Tín hiệu lấy từ encoder trục x. 32 Hình 3.4 : Mạch giải mã tín hiệu và điều khiển trên chuột máy tính 32 Hình 3.5 : Tín hiệu truyền từ mạch điều khiển đến máy tính 33 Hình 3.6 : Vô lăng lái 34 Hình 3.7 : Sơ đồ mạch điều khiển mô hình lái 35 Hình 3.8 : Hộp số điều khiển số với tám cấp số 36 Hình 3.9 : Bản vẽ thiết kế khung mô hình điều khiển xe 37 Hình 3.10 : Sản phẩm thi công mô hình điều khiển lái xe 38 Hình 3.11 : Thuật toán điều khiển lái xe 39 Hình 3.12 : Một chương trình thu thập và điều khiển lái xetrong môi trường lập trình LabVIEW 40 xi
14. Hình 4.1 : Tình huống xe gặp chướng ngại vật trên đường di chuyển 42 Hình 4.2 : Giao diện thu thập và hiển thị kết quả khảo sát bằng đồ thị 43 Hình 4.3 : Đồ thị góc lái của người trẻ điều khiển xe vào đoạn đường vòng 44 Hình 4.4 : Đồ thị góc lái của người già điều khiển xe vào đoạn đường vòng 44 Hình 4.5 : Đồ thị góc lái của người trẻ điều khiển xe tránh va chạm với chướng ngại vật 47 Hình 4.6 : Đồ thị góc lái của người già điều khiển xe tránh va chậm với chướng ngại vật 47 Hình 4.7 : Đồ thị góc lái của người trẻ điều khiển xe chuyển làn đường di chuyển 50 Hình 4.8 : Đồ thị góc lái của người già điều khiển xe chuyển làn đường di chuyển 50 Hình 4.9 : Biểu đồ độ lệch góc lái trong các trường hợp thực nghiệm 53 Hình 4.10 : Biểu đồ độ lệch góc lái trong ba giai đoạn điều khiển xe 55 xii
15. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 4.1 :Phương án khảo sát người lái tham gia điều khiển mô hình lái xe 41 Bảng 4.2 : Các trường hợp khảo sát 43 Bảng 4.3 : Kết quả tính toán độ lệch góc lái của người trẻ ở trường hợp một 45 Bảng 4.4 : Kết quả tính toán độ lệch góc lái của người già ở trường hợp một 46 Bảng 4.5 : Kết quả tính toán độ lệch góc lái của người trẻ ở trường hợp hai. 48 Bảng 4.6 : Kết quả tính toán độ lệch góc lái của người già ở trường hợp hai 49 Bảng 4.7 : Kết quả tính toán độ lệch góc lái của người trẻ ở trường hợp ba. 51 Bảng 4.8 : Kết quả tính toán độ lệch góc lái của người già ở trường hợp ba. 52 Bảng 4.9 : Mức tăng hiệu quả điều khiển xe của người trẻ so với người già 54 Bảng 4.10 : Số liệu thực nghiệm người trẻ điều khiển xe vào đoạn đường vòng 60 Bảng 4.11 : Số liệu thực nghiệm người già điều khiển xe vào đoạn đường vòng 62 Bảng 4.12 : Số liệu thực nghiệm người trẻ điều khiển xe tránh vật cản 64 Bảng 4.13 : Số liệu thực nghiệm người già điều khiển xe tránh vật cản 66 Bảng 4.14 : Số liệu thực nghiệm người trẻ điều khiển xe chuyển làn đường 68 Bảng 4.15 : Số liệu thực nghiệm người già điều khiển xe chuyển làn đường 70 xiii
16. Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung vể lĩnh vực nghiên cứu Tai nạn giao thông là một trong những vấn đề quan tâm lớn nhất của từng cá nhân, xã hội và đặc biệt trong ngành sản xuất xe luôn phát triển hoàn thiện các hệ thống dưới rất nhiều chức năng nhằm đảm bảo sự an toàn cho người lái cũng như hành khách, hàng hóa từ những giải pháp an toàn chủ động, an toàn bị động đến kết hợp an toàn chủ-bị động trên xe. Tuy nhiên, trong những năm gần đây số lượng tai nạn giao thông xẩy ra ngày càng tăng. Theo thống kê, phân tích các vụ tai nạn giao thông đường bộ đã cho thấy rằng các yêu tố về con người là nguyên nhân chính, o chiếm 85 /o vụ tai nạn giao thông đường bộ [1]. Nguyên nhân dẫn đến tình trạng này, là do mất điều khiển của người lái xe hay quá trình điều khiển xe không đạt hiệu quả như mong muốn. Do đó, vấn đề nghiên cứu và đánh giá hiệu quả của quá trình tương tác giữa người và xe là mục đích nghiên cứu của đề tài này. Trong nhiều thập kỷ qua, nhiều nhà khoa học, kỹ sư trên thế giới đã nghiên cứu và mô tả sự tương tác giữa người - xe. Phần lớn các nghiên cứu này đều hướng về sự mô tả đặc điểm hành vi của người lái xe, xác định được các giá trị giới hạn dựa trên điều kiện vị trí của xe với các yếu tố môi trường và phát triển các mô hình điều khiển xe [2, 3]. Gần đây, các mô hình điều khiển của người lái xe đã được các hãng sản xuất xe nghiên cứu, phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong thực tế. MacAdam [4] đã xây dựng được mô hình đường đi xem trước. Mô hình này giúp người lái điều khiển xe đi theo con đường mong muốn bằng cách dự đoán con đường phía trước và liên kết chặt chẽ khả năng dự đoán của người lái xe với thời gian phản ứng. Các thuật toán điều khiển cho mô hình này là những vòng lặp kín trên các hệ thống điều khiển xe. Weir và McRuer [5]đã nêu các quan điểm và lý thuyết điều khiển làm cơ sở khoa học cho việc phân tích động lực học kiểm soát tay lái. Kết quả hệ thống điều khiển xe đánh giá được các thành phần làm ảnh hưởng đến các phương trình chuyển 1
17. động học của xe. Nghiên cứu cũng đề xuất một chức năng gần như tuyến tính đặc trưng cho sự phản ứng chậm trễ, chức năng mô tả được sử dụng để phân tích một kết nối mô hình hai bậc tự do của xe và hành vi của người lái xe. Nghiên cứu kết luận rằng người lái xe chủ yếu đáp ứng tốc độ hướng chuyển động và góc lái tỉ lệ thuận với tốc độ hướng chuyển động của xe. Legouis [6] đã đề xuất ra các kỹ thuật tối ưu hoá để ước tính các hệ số điều khiển của người lái xe, bao gồm lỗi vị trí dịch dọc, lỗi tỷ lệ quay vòng và góc lái bánh xe trước. Một mô hình theo dõi bù tối ưu để thu được các giá trị, thông số khác nhau của xe. Sheridan [7] sử dụng một kỹ thuật lập trình động lực học để thu được vùng quỹ đạo tối ưu trong khoảng thời gian xem trước sử dụng một thuật toán vòng lặp. Ba mô hình được đề xuất để dự đoán sự phản hồi của người lái xe. Mô hình đầu tiên được gọi là mô hình vòng mở rộng vòng tuyến tính.Mô hình thứ hai dùng để thử nghiệm thời gian phản ứng với mô hình động lực học sử dụng một dãy thuật tính toán lặp di lặp lại để đoán trước thời gian nhanh, trể so với thời gian thực.Mô hình cuối cùng tính toán, cập nhật nhiều lần trong chiến lược điều khiển tối ưu trong khoảng thời gian xem trước của đầu vào.Nghiên cứu kết luận rằng ba mô hình đề xuất cho điều khiển xem trước hạn chế tốt hơn so với kỹ thuật mô tả thông thường. Kondo [8] đề xuất một mô hình dự báo đường đi bậc nhất tuyến tính, nghiên cứu, đánh giá sự thuận lợi điều khiển của người lái xe và giả định sự chậm trễ của người lái xe là không đáng kể. Mô hình dự đoán một cách hiệu quả việc thực hiện điều khiển hướng di chuyển của người lái xe khi chuyển động bên là tương đối nhỏ. Allen [9] đề xuất một mô hình điều khiển gần như tuyến tính đa vòng lặp để xác định góc lái bánh xe phía trước. Nghiên cứu thực hiện điều khiển xe trên một phạm vi điều khiển, bao gồm cả các giả định liên quan đến tránh tai nạn để hạn chế hiệu suất xử lý của người lái xe. Chiếc xe được biểu diễn như mô hình ba bậc tự do bao gồm góc xoay, vận tốc bên và lắc nganggắn với một kết cấu điều khiển của xe. Sự ổn định cho hệ thống đa vòng lặp được phân tích ở tốc độ 96km/h dựa trên các giả thiết, hình ảnh và sự chuyển động chậm trễ thời gian phản hồi được xem như ổn 2
18. định và kết hợp động lực học thần kinh cơ để mang lại một thời gian trễ tổng thể cho người lái xe. Xiaobo Yang [10] đề xuất vấn đề an toàn trên đường cao tốc có liên quan đến hoạt động của xe trên đường và sự tương tác giữa người lái với xe. Động lực học của xe ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường hoạt động. Vấn đề nguy hiểm, mất an toàn liên quan đến giới hạn điều khiển ổn định và định hướng của xe, mà còn giới hạn điều khiển của người lái xe. Theo quan điểm của giới hạn ổn định, động lực học của các loại xe đã được nghiên cứu rộng rãi cũng như sự thích ứng của người lái xe hoàn hảo cho sự chuyển động của xe. Trong nghiên cứu này, một số mô hình phân tích của sự thay đổi phức tạp được phát triển để nghiên cứu các sai lệch bên, sự lệch hướng và các đặc tính kết nối của xe. Bên cạnh những thành tựu đã đạt được của các công trình nghiên cứu trên thế giới về hệ thống điều khiển cho người lái xe thì còn nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu, giải quyết. Trong đó vấn đề khảo sát và đánh giá, so sánh khả năng điều khiển của người lái xe giữa người đã có kinh nghiệm với người lái xe chưa hoàn thiện kinh nghiệm lái xe hoặc người bị suy giảm khả năng điều khiển xe khi gặp các tình huống hoặc các sự cố nguy hiểm trên đường di chuyển. Từ đó, đề tài sẽ thu nhận được các kết quả so sánh giữa các thông số điều khiển làm cơ sở khoa học giúp mô hình điều khiển cho người lái xe được hoàn thiện hơn góp phần làm giảm khả năng gây ra các sự cố nguy hiểm có thể dẫn tới các tai nạn giao thông. 3
19. 1.2 Mục đích của đề tài Vận dụng lý thuyết động học chuyển động xe kết hợp các công cụ mô phỏng để khảo sát và đánh giá, so sánh khả năng điều khiển của người lái xe nhằm tối ưu hóa mô hình điều khiển cho người lái xe. 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài Tìm hiểu và nghiên cứu lý thuyết điều khiển và kiểm soát xe của người lái. Nghiên cứu hệ thống điều khiển thần kinh cơ của người lái. Tổng hợp và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến động học chuyển động xe. Xây dựng mô hình điều khiển lái xesử dụng trong mô phỏng City CarDriving. Chuyển đổi tín hiệu điều khiển xe trên bàn phím máy tính của phần mền mô phỏng City CarDriving thành tín hiệu điều khiển của các cơ cấu lái ô tô. Thiết kế, thi công mô hình điều khiển xe. Khảo sát và đánh giá, so sánh khả năng điều khiển cho từng nhóm người lái xe bằng phần mền LabVIEW. Đề xuất giải pháp điều khiển và kiểm soát, nâng cao độ an toàn chuyển động của xe trong các tình huống nguy hiểm. 1.3.2 Giới hạn của đề tài Do điều kiện kinh tế và kiến thức có hạn nên đề tài nghiên cứu trong phạm vi: - Nghiên cứu dựa trên mô hình hóa và mô phỏng. - Khảo sát khả năng điều khiển xe của hai nhóm người lái gồm: Người có độ tuổi già và người có độ tuổi trẻ. 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu Thu thập dữ liệu và chọn lọc về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan. Khảo sát và đánh giá kết quả bằng các công cụ mô phỏng phần mền LabVIEW và phần mền City CarDriving. So sánh kết quả với các công trình đã nghiên cứu 4
20. Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ chế sinh học và điều khiển cơ của ngƣời lái xe 2.1.1 Cơ chế sinh học Những cách thức hoạt động của các yếu tố sinh học phụ thuộc vào nhau được gọi là cơ chế sinh học[11]. Cơ chế này sẽ được ngành khoa học cơ khí sinh học (Biomechanic)nghiên cứu và phân tích cấu trúc, chức năng của các hệ thống sinh học như con người, động thực vật, các cơ quan và tế bào bằng phương tiện của các phương pháp cơ học như hình 2.1. n n (Ngoại lực) + (Nội lực) i  i Fj (fl) =  (Lực của cơ)jx (Hệ số)j i 1 j 1 2 3 α (ext) 2 1 m Fi (ext) =  (Lực của cơ)i x (Hệ số)i i 1 Hợp lực a n 4 cơ thần kinh vận động =  Mi M =  Fi (ext) x di + Fj (fl) x dj i 1 i 1 Hình 2.1: Cơ chế thần kinh cơ của con người Cơ chế sinh học được khoa học kỹ thuật phân tích dựa trên các định luật cơ học Newton và các phương trình toán học có thể tính toán xấp xỉ chính xác các cơ chế của nhiều hệ thống sinh như cấu trúc, chức năng, đặc biệt động học và động lực học đóng vai trò nổi bật trong việc nghiên cứu cơ chế sinh học. Tuy nhiên, bản chất hệ thống sinh học phức tạp hơn khá nhiều so với các hệ thống mà con người xây dựng. Do đó, Phương pháp kỹ thuật số được áp dụng trong hầu hết các nghiên cứu cơ chế sinh học. Nghiên cứu được thực hiện trong một chuỗi quá trình lặp đi lặp lại nhiều lần của giả thuyết và kiểm chứng, bao gồm nhiều bước như xây dựng mô hình, mô phỏng máy tính và phép đo thực nghiệm. 5
21. 2.1.2 Quá trình điều khiển cơ của ngƣời lái xe Cơ chế sinh học điều khiển cơ của người lái xe được thực hiện thông qua ba quá trình cơ bản gồm: Phát hiện đối tượng thông qua mắt, phân tích đối tượng trong bộ não và thực hiện điều khiển xe di chuyển dưới tác dụng của lực các cơ bắp lên hệ thống lái, phanh trên xe ( xem Hình 2.2). Xử lý thông tin và ra lệnh điều khiển Thông tin Mô tả phân tích Thông tin phán đoán lựa chọn Thông tin Vùng Nhận dạng cơ bản phát mô tả hiện Phân tích Phân tích phán đoán Phán đoán Thông tin Phân tích lựa chọn cơ bản Hình 2.2: Cơ chế điều khiển của người lái xe. Trong hình 2.2, mô tả cơ chế điều khiển của người lái xe thông qua mối quan hệ giữa các giai đoạn khác nhau trong quá trình điều khiển. Sự điều khiển này phụ thuộc rất nhiều vào tầm quan sát của mắt ghi nhận các thông tin. Các thông tin này sẽ được bộ não xử lý, phân tích, so sánh và thực hiện lệnh điều khiển dưới những cấp độ và cơ chế sinh học bao gồm: Cấp độ điều khiển với thông tin bình thường cho người lái có cảm giác thoải mái, cấp độ thông tin quá tải gây ra cảm giác mệt mõi cho người lái và cấp độ thông tin cao nhất sẽ diễn ra các cơ chế sinh học phức tạp. Do đó, người điều khiển có cảm giác mất an toàn, nguy hiểm trong quá trình điều khiển xe. 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4