Luận văn Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động (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 HÀ QUỐC BẢO THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE TỰ ĐỘNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116 S K C0 0 4 7 3 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ QU ỐC BẢO THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀ U KHIỂN XE TỰ ĐỘNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Hướng dẫ n khoa học: TS. LÊ THANH PHÚC Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: HÀ QUỐC BẢO Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02/02/1987 Nơi sinh: Kiên Giang Quê quán: Thái Bình Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 114/34 Phú Thọ Hòa - P. Phú Thọ Hòa - Q.Tân Phú - TP.HCM Đơn vị công tác: Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Lý Tự Trọng TP. Hồ Chí MInh, 390 Hoàng Văn Thụ, Phường 4, Q. Tân Bình, TP. Hồ Chí Minh. Điện thoại đơn vị: Điện thoại riêng: 0933.651.943 Fax: E-mail: haquocbao22@yahoo.com.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2010 đến 09/ 2012 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế ghế Haptic Ngày & nơi thi tốt nghiệp: 09/2012, tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Bá Hải 2. Trình độ ngoại ngữ: Anh Văn B1 III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Lý Từ Tự Trọng TP. Hồ Chí MInh, 390 04/2013 Giảng viên khoa cơ khí động lực Hoàng Văn Thụ, Phường 4, Q. đến nay Tân Bình, TP. Hồ Chí Minh. ii
4. 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 2015 Ký tên Hà Quốc Bảo iii
5. LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài, Tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của Ban giám hiệu, Bộ phận sau Đại học, Khoa cơ khí Động lực, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy TS Lê Thanh Phúc đã hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này. Bên cạnh đó tôi 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 văn. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và các bạn. Xin chúc quý thầy cô cùng toàn thể các bạn luôn dồi dào sức khoẻ và thành công! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 Học viên thực hiện Hà Quốc Bảo iv
6. TÓM TẮT Công nghệ tự động đang phát triển và đạt nhiều thành tựu trên thế giới. Đặc biệt, về lĩnh vực xe tự động đã có những bước đột phá trong những năm gần đây. Nghiên cứu này nhằm thiết kế một hệ thống điều khiển tự động cho mô hình xe, làm phương tiện để khảo sát và đánh giá hiệu quả quá trình điều khiển chạy tự động của xe theo làn đường cho trước. Quá trình thu thập xử lý ảnh, điều khiển bẻ góc lái và tốc độ của xe được thực hiện thông qua phần mềm LabVIEW. Đề tài sử dụng một camera làm bộ phận thu thập hình ảnh của làn đường phía trước xe, từ đó, xác định vị trí của xe so với làn đường trong môi trường thực tế. Khi sai số giữa xe và tâm làn đường vượt quá giới hạn quy định (giá trị cài đặt), hệ thống điều khiển PID sẽ xuất tín hiệu điều khiển mô tơ lái quay. Mô tơ lái hoạt động làm bánh dẫn hướng xoay sang trái hoặc phải để giữ xe chạy theo làn đường phía trước đồng thời giảm tốc độ xe khi đánh lái. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy, xe có khả năng tự điều khiển góc lái và tốc độ theo làn đường thực tế. Khả năng tự điều khiển góc lái và tốc độ của xe là một trong những thành công lớn nhất của đề tài. Từ đó làm cơ sở khoa học cho việc hoàn thiện mô hình hệ thống điều khiển xe chạy tự động sau này. Đồng thời đề tài có thể góp phần phát triển và ứng dụng hệ thống điều khiển xe tự động vào thực tế ở Việt Nam trong tương lai. v
7. ASTRACT Automatic control technology has been developed and had achievements in worldwide. Especially, in the field of automated vehicles, the results had breakthroughs in recent years. This study aimed to design an automatic control system for a vehicle model as a mean to examine and evaluate the effectiveness of the automatic control of vehicles according to the path following. The image processing, control of steering angle and vehicle speed are done by using LabVIEW software. The project uses a camera to collect images of the previous lane of the car. Then, it determines the position of the car compared to the lane in the real environment. When the distance between the vehicle and lane exceed the predetermined value, PID control system will send signals to control the driving motor. The driving motor steers the wheels to turn left or right to keep the vehicle following the path. At the same time, PID control system will send signals to reduce vehicle speed when steering car. The experimental results showed that the car has the ability of self-steering and self-speeding according to the actual lanes. These result is one of the biggest successes of the research. Then it is the basis for improving the autonomous car control system model later on. At the same time, it contributes to develop and apply of autonomous car control systems into reality in Vietnam. vi
8. 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 xi Danh sách các hình xii Danh sách các bảng xv Chương 1.TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1 1.1.1 Khái niệm về xe tự hành 1 1.1.2 Những ưu thế vượt trội của xe tự lái 2 1.1.3 Xu hướng phát triển của xe tự lái 2 1.1.4 Các kết quả nghiên cứu về ô tô tự động 3 1.2 Mục đích của đề tài 4 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 5 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 5 1.3.2 Giới hạn của đề tài 5 1.4 Phương pháp nghiên cứu 5 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1 Lý thuyết tổng quan về xử lý ảnh 6 2.1.1 Giới thiệu chung về xử lý ảnh 6 2.1.2 Các bước xử lý ảnh 7 vii
9. 2.1.2.1 Thu nhận ảnh 7 2.1.2.2 Tiền xử lý ảnh 7 2.1.2.3 Phân tích ảnh 7 2.1.2.4 Biểu diễn ảnh 7 2.1.2.5 Nhận dạng và nội suy 8 2.1.2.6 Cơ sở tri thức 8 2.1.2.7 Mô tả ảnh 8 2.1.3 Biên và các phương pháp phát hiện biên 9 2.2 Biến đổi hough (Hough transform) 9 2.2.1 Biến đổi Hough cho đường thẳng 10 2.2.2 Biến đổi Hough cho đường thẳng trong tọa độ cực 11 2.3 Mô hình làn đường (Lane Model) 14 2.4 Lý thuyết điều khiển tự động 16 2.4.1 Khái niệm điều khiển tự động 16 2.4.2 Phân loại phương thức điều khiển tự động 18 2.5 Lý thuyết chung về điểu khiển động cơ 19 2.5.1 Động cơ DC 19 2.5.2 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ (điều khiển tốc độ) 20 2.6 Thuật toán điều khiển động cơ 20 2.6.1 Khái niệm 20 2.6.2 Điều khiển PID động cơ DC 21 2.6.3 Phương pháp điều chỉnh các hệ số gain trong PID 26 2.6.3.1 Điều chỉnh thủ công 26 2.6.3.2 Phương pháp Ziegler – Nichols 26 2.7 Công cụ xử lý ảnh và điều khiển góc lái, điều khiển vận tốc trong LabVIEW . 26 2.7.1 LabVIEW 26 2.7.2 Ứng dụng của Lab VIEW 28 2.7.3 Lập trình với Lab VIEW 28 2.7.4 Một số hàm thường sử dụng trong Lab VIEW 29 viii
10. Chương 3. THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE TỰ ĐỘNG . 32 3.1 Thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển xe tự động 32 3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 32 3.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống 32 3.1.2.1 Camera Colorvis 32 3.1.2.2 Máy tính Acer Aspire E1-572G 33 3.1.2.3 Card điều khiển 9090 I/O 33 3.1.2.4 Motor driver 43 3.1.2.5 Motor điều khiển bẻ lái và chạy xe 44 3.1.2.6 Encoder 46 3.1.3 Sơ đồ bố trí các bộ phận 47 3.1.4 Bản vẽ thiết kế 47 3.1.5 Mô hình thực tế 48 3.1.6 Sơ đồ mạch điện hệ thống điều khiển xe tự động 49 3.2 Nhận dạng, xử lý và xuất tín hiệu điều khiển bẻ lái và điều khiển tốc độ trong Lab VIEW 50 3.2.1 Mô hình hệ thống điều khiển xe tự động 50 3.2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển xe tự động 51 3.2.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển 51 3.2.3.1 Thuật toán xử lý ảnh và điều khiển góc lái, điều khiển tốc độ xe . 51 3.2.3.2 Thuật toán điều khiển góc lái và tốc độ theo vị trí của xe so với vạch sơn đường 52 3.3 Thiết lập chương trình điều khiển góc lái và vận tốc xe bằng thuật toán điều khiển PID trong LabVIEW 52 3.3.1 Thiết lập chương trình điều khiển góc lái bằng thuật toán điều khiển PID.52 3.3.2 Thiết lập chương trình điều khiển tốc độ xe bằng thuật toán điều khiển PID 55 3.3.3 Giao diện người dùng 56 ix
11. Chương 4. KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 59 4.1 Phương án khảo sát 59 4.1.1 Môi trường và điều kiện khảo sát 59 4.1.2 Kết quả thực nghiệm 60 4.2 Kết quả thực nghiệm 60 4.2.1 Kết quả thực nghiệm trong lần chạy I 60 4.2.2 Kết quả thực nghiệm trong lần chạy II 64 4.2.3 Kết quả thực nghiệm trong lần chạy III 67 4.3 So sánh đánh giá kết quả chạy thực nghiệm 70 Chương 5. KẾT LUẬN 73 5.1 Kết luận 73 5.2 Hướng phát triển đề tài 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 x
12. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT WHO : World Health Organization - Tổ chức y tế thế giới WB : World Bank - Ngân hàng thế giới LM : Lane Model - Mô hình làn đường TCP : Transmission Control Protocol - Giao thức điều khiển truyền vận IP : Internet Protocol - Là một nhãn hiệu số được gán cho mỗi thiết bị tham gia vào một mạng máy tính có sử dụng các giao thức Internet để liên lạc PCI : Pripheral Component Interconnect - Chuẩn để truyền dữ liệu giữa các thiết bị ngoại vi đến một bo mạch chủ. BD : Block Diagram - Cửa sổ dùng để viết các thuật toán cho ứng dụng FP : Front Panel - Cửa sổ giao diện người dùng LabVIEW : Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench – Phần mềm lập trình ngôn ngữ đồ họa 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. USB : Univeral Serial Bus – Chuẩn kết nối các thiết bị điện tử xi
13. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Xe tự lái Lexus RX450h của Google 1 Hinh 2.1: Các bước cơ bản trong xử lý ảnh 6 Hinh 2.2: Bảng trị số giá trị 0 11 Hình 2.3: Đường thẳng Hough trong tọa độ cực 11 Hình 2.4: Ứng dụng biến đổi Hough phát hiện góc 13 Hình 2.5: Mô hình của làn đường đánh dấu trong mặt phẳng ảnh. 14 Hình 2.6: Mô hình làn đường trong thực tế, lưu ý rằng khoảng cách d1 và d2 được thể hiện bằng mm. 15 Hình2.7: Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển 16 Hình 2.8: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động 18 Hình 2.9: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 21 Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển động cơ DC theo thuật toán PID 21 Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống điều khiển lái 22 Hình2.12: Bộ PID điều khiển vị trí góc lái của xe 22 Hình 2.13: Các thông số chất lượng của đáp ứng quá độ 25 Hình 2.14: Cách thực hiện xây dụng chương trình trong Lab VIEW 27 Hình 2.15: Môi trường làm việc trong LabVIEW; (a) cửa sổ Front Panel, (b) cửa sổ Block Diagram 28 Hình 2.16: Vòng lặp While Loop 29 Hình 2.17: Cấu trúc trường hợp Case Structure 30 Hình 2.18: Vòng lặp For Loop 31 Hình 2.19: Hai cách thể hiện của cấu trúc chuỗi 31 Hinh 2.20: Đoạn chương trình Y=x3 +3x+2 viết theo hai cách 31 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 32 Hình 3.2: Camera colorvis 33 Hình 3.3: Máy tính HP Elitebook 8840p 33 Hình 3.4: Card điều khiển HDL 9090 I/O 34 xii
14. Hình 3.5: Hàm Hocdelam USB 9090 36 Hình 3.6: Motor driver 43 Hình 3.7: Sơ đồ các cổng kết nối trên mạch suất 43 Hình 3.8: Motor điều khiển bẻ lái và motor chạy xe 45 Hình 3.9: Mô tả tương quan giữa góc quay động cơ và góc xoay của bánh dẫn hướng Hình 3.10: Encoder đo góc quay động cơ 46 Hình 3.11: Sơ đồ bố trí các bộ phận 47 Hình 3.12: Bản vẽ thiết kế mô phỏng trí các bộ phận 48 Hình 3.13: Mô hình bố trí các bộ phận hệ thống điều khiển trên xe 49 Hình 3.14: Sơ đồ mạch điện hệ thống điều khiển xe tự động 50 Hinh 3.15: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển xe tự động 51 Hình 3.16: Lưu đồ thuật toán điều khiển góc lái và theo vị trí của xe so với làn đường trong môi trường thực tế 52 Hình 3.17: Lưu đồ thuật toán điều khiển góc lái và tốc độ theo vị trí của xe so với vạch sơn đường 53 Hình 3.18: Sơ đồ hệ thống điều khiển lái theo góc quay động cơ 54 Hình 3.19: Mối quan hệ giữa góc quay động cơ và góc xoay bánh dẫn hướng 54 Hình 3.20: Chương trình điều khiển góc lái với thuật toán điều khiển PID 55 Hình 3.21: Sơ đồ hệ thống chạy xe 56 Hình3.22: Chương trình điều khiển vận tốc với thuật toán điều khiển PID 57 Hình 3.23: Giao diện người dùng chương trình điều khiển hệ thống xe tự động 57 Hình 4.1: Mô hình đường chạy thử nghiệm 59 Hình 4.2: Đồ thị điều khiển góc lái và vận tốc khi xe rẽ phải lần chạy I 60 Hình 4.3: Đồ thị điều khiển đánh lái qua phải khi xe rẽ phải trong lần chạy I 60 Hình 4.4: Đồ thị điều khiển trả lái sau khi xe rẽ phải lần chạy I 61 Hình 4.5: Đồ thị điều khiển đánh lái qua trái và trả lái khi xe rẽ trái lần chạy I 62 Hình 4.6: Đồ thị điều khiển đánh lái qua trái khi xe rẽ trái lần chạy I 62 Hình 4.7: Đồ thị điều khiển trả lái khi xe rẽ trái lần chạy I 63 Hình 4.8: Đồ thị điều khiển góc lái và vận tốc khi xe rẽ phải lần chạy II 64 xiii
15. Hình 4.9: Đồ thị điều khiển đánh lái qua phải khi xe rẽ phải lần chạy II 64 Hình 4.10: Đồ thị điều khiển trả lái khi xe rẽ phải lần chạy II 65 Hình 4.11: Đồ thị điều khiển góc lái và vận tốc khi xe rẽ trái lần chạy II 65 Hình 4.12: Đồ thị điều khiển đánh lái qua trái khi xe rẽ trái lần chạy II 66 Hình 4.13: Đồ thị điều khiển trả lái khi xe rẽ trái lần chạy II 66 Hình 4.14: Đồ thị điều khiển góc lái và vận tốc khi xe rẽ phải lần chạy III 67 Hình 4.15: Đồ thị điều khiển đánh lái qua phải khi xe rẽ phải lần chạy III 67 Hình 4.16: Đồ thị điều khiển trả lái khi xe rẽ phải lần chạy III 68 Hình 4.17: Đồ thị điều khiển góc lái và vận tốc khi xe rẽ trái lần chạy III 68 Hình 4.18: Đồ thị điều khiển đánh lái qua trái khi xe rẽ trái lần chạy III 69 Hình 4.19: Đồ thị điều khiển trả lái khi xe rẽ trái lần chạy III 69 Hình 4.20: Đồ thị điều khiển góc lái khi xe rẽ phải một góc 350 70 Hình 4.21: Đồ thị điều khiển trả lái sau khi xe rẽ phải một góc 350 70 Hình 4.22: Đồ thị điều khiển trả lái sau khi xe rẽ trái một góc 350 71 Hình 4.23: Đồ thị điều khiển trả lái sau khi xe rẽ trái một góc 350 71 xiv
16. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Tìm thông số bộ PID bằng phương pháp Ziegler – Nichols 25 Bảng 3.1: Các chân tín hiệu của Card điều khiển HDL 9090 I/O 34 Bảng 3.2: Các chân tín hiệu của Card điều khiển HDL 9090 I/O 35 Bảng 3.3: Các chân hàm Hocdelam USB 9090 36 xv
17. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1.1.1 Khái niệm về xe tự hành Chế độ tự hành đã có từ lâu ở máy bay, tàu thủy, tàu ngầm nhưng xe tự hành là vấn đề phức tạp hơn nhiều. Cho đến nay, xe tự lái tồn tại hầu hết ở dạng thử nghiệm, nhưng chúng sẽ được phổ biến tương lai không xa. Xe tự lái, xe robot hay xe không người lái (autonomous, robotic, driverless hoặc self-driving car). Nó có khả năng thực hiện các khả năng vận chuyển như một chiếc xe truyền thống. Xe tự lái có khả năng nhận thức môi trường xung quanh và tự động điều hướng mà không cần sự tác động trực tiếp của con người. Về cơ bản xe tự hành bao gồm những thành phần chính sau: • Hệ thống các cảm ứng (sensor: Radars, SICK, GPS, cameras ): Chúng có chức năng định vị vị trí của xe, xác định các xe và chướng ngại vật xung quanh. • Hệ thống điều khiển: Xử lý thông tin thu được để xác định chuyển hướng chính xác, cũng như phát hiện các chướng ngại vật và các biển báo giao thông. • Cơ cấu chấp hành (Các mô tơ trên bánh lái và cần gia tốc ): Thực thi các lệnh điều khiển từ hệ thống tự hành. Hình 1.1 Xe tự lái Lexus RX450h của Google [1] 1
18. Một số xe tự hành tiêu biểu: xe tự lái Lexus RX450h của Google, xe tự lái Leaf của Nissan, xe tự hành Fusion Hybrid của Ford 1.1.2 Những ưu thế vượt trội của xe tự lái Không chỉ hạn chế tắc nghẽn giao thông, những chiếc xe tự lái còn hứa hẹn nhiều ưu thế vượt trội khác [2]: - Ít va chạm giao thông hơn (các máy tính thực hiện tốt hơn con người các thao tác tập trung và có tính lặp đi lặp lại như lái xe). - Tăng lưu lượng giao thông và giảm tắc nghẽn. - Giảm sự tham gia của con người vào công việc lái . - Mọi người có thể tham gia giao thông bất chấp năng lực thể chất của họ, như tuổi tác hoặc một số hạn chế về cơ thể. - Giảm tình trạng khan hiếm nơi đỗ xe đỗ xe (chiếc xe sẽ thả hành khách xuống và sau đó tự đi tìm chỗ đỗ cho tới khi hành khách ra hiệu cho xe quay lại đón). - Hiệu quả nhiên liệu được cải thiện nhờ giảm số lần dừng xe. - Các dịch vụ chia sẻ và dùng chung xe như Zipcar (một dịch vụ dùng chung xe đang được triển khai tại Mỹ) sẽ trở nên thực tế hơn. - Giảm số lượng cảnh sát giao thông, các camera, đèn đỏ và các biện pháp tăng cường an toàn giao thông khác. 1.1.3 Xu hướng phát triển của xe tự lái Ngày nay, ô tô là phương tiện không thể thiếu của nhiều ngành công nghiệp và giao thông vận tải bởi những lợi ích mà nó mang lại. Nhưng bên cạnh đó là sự thiệt hại về vật chất và nhân mạng do tai nạn giao thông gây ra. Theo báo cáo của Tổ chức y tế thế giới (WHO) và Ngân hàng thế giới (WB) thì mỗi năm, thế giới có hơn 1,2 triệu người chết vì tai nạn giao thông đường bộ. Thống kê còn cho thấy, khoảng 50 triệu người bị thương trong các tai nạn giao thông [3]. Nguyên nhân chính là do không kiểm soát được tốc độ, say xin khi lái xe Bên cạnh đó sự hạn chế về tình trạng của người lái xe như: người chưa đủ tuổi, người già, người mù, người bị say xỉn Chính những thiệt hại và sự hạn chế đó đã dẫn tới sự ra đời của những chiếc 2
19. xe tự lái. Với những ưu điểm nổi bật của mình, xe tự lái sẽ là xu thế phát triển của nền công nghiệp ô tô trong tương lai. 1.1.4 Các kết quả nghiên cứu về ô tô tự động 1.1.4.1 Thế giới Choi, S.B. and Devlin [4] trình bày tóm tắt các thiết kế bộ điều khiển kết hợp chân ga và phanh và làm thử nghiệm chế độ làm việc của bộ điều khiển theo phương dọc của xe tự hành. Nghiên cứu trình bày một chế độ trượt dựa trên quy luật điều khiển trượt dọc, hệ thống phanh phụ, luật kiểm soát phanh và một thuật toán chuyển đổi ga / phanh. Các chiến lược kiểm soát đã được phát triển được áp dụng trên một chiếc xe thử nghiệm và tiến hành thử nghiệm sự kết hợp các điều khiển theo phương dọc trên cùng một chiếc xe duy nhất. Chiếc xe sử dụng một quỹ đạo định trước với tốc độ mong muốn theo hàm thời gian. Những kết quả thử nghiệm ban đầu cho thấy chất lượng theo dõi, lái xe tốt chuyển đổi suôn sẻ giữa ga và phanh. Kyongsu Yi, Youngjoo Cho, Sejin Lee, Joonwoong Lee, and Namkyoo Ryoo [5] đề xuất cách điều khiển hệ thống ga / phanh thông qua van điều khiển điện từ chân không tăng áp (EVB), mô tơ bước. Mô hình máy tính phi tuyến cho ống chân không điện tử đã được phát triển và các mô phỏng được thực hiện bằng cách sử dụng một mô hình xe phi tuyến hoàn chỉnh. Nghiên cứu đưa ra quy luật kiểm soát bao gồm một thuật toán thiết lập cấu hình tăng tốc / giảm tốc mong muốn trong một tình huống ICC (điều khiển chân ga tự động), một chuyển mạch logic ga / phanh và thuật toán kiểm soát ga và phanh dựa trên động lực học xe. Việc thực hiện kiểm soát đã được nghiên cứu thông qua mô phỏng máy tính và thí nghiệm . Kết quả cho thấy các luật kiểm soát ICC ga / phanh đề xuất có thể cung cấp thỏa đáng khoảng cách xe đến xe và thực hiện kiểm soát tốc độ . Allen [6] 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 3
20. gồm góc xoay, vận tốc bên và lắc ngang gắn 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 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 [7] 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. Điều kiện môi trường hoạt động ảnh hưởng tới động lực học của xe bởi. 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. 1.1.4.1 Trong nước Cho đến nay trên thế giới, xe tự hành đạt được những thành tựu nhất định. Nhưng ở Việt Nam, xe tự lái vẫn còn là đề tài khá mới mẻ và chưa được đầu tư nghiên cứu. Trong những năm gần đây có các đề tài nghiên cứu về xử lý ảnh nhận diện làn đường và phát hiện chướng ngại vật cho xe chạy tự động. Vì vậy đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động ” là vấn đề nghiên cứu thật sự cần thiết và cấp bách. 1.2 Mục đích của đề tài Với những thành tựu đạt được và lợi ích mà xe tự động mang lại, xe tự động sẽ được phổ biến trong tương lai không xa.Với xu hướng tiếp cận với những công nghệ mới của thế giới, thu hẹp khoảng cách về trình độ, công nghệ với thế giới thì việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động là nhu cầu cần thiết và cấp bách. Do sự giới hạn về công nghệ trong nước nên trước hết có thể nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển xe tự động để vận chuyển hàng hóa trong công xưởng 4
21. theo vạch sơn đường vẽ sẵn. Sau đó trên cơ sở những thành quả đạt được và sự phát triển công nghệ trong nước từng bước ứng dụng thử nghiệm trên xe tự động lưu thông trên đường. 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài - Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết điều khiển tự động. - Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết xử lý ảnh về phát hiện làn đường. - Xây dựng thuật toán điều khiển góc lái và điều khiển vận tốc theo vị trí của xe so với làn đường trong môi trường thực tế. - Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động. - Sử dụng phần mềm Lab VIEW để xây dựng chương trình tự động điều khiển góc lái và tốc độ theo vị trí của xe so với làn đường. - Cho chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả đạt được. 1.3.2 Giới hạn của đề tài Để đơn giản hóa những yếu tố tác động bên ngoài, đề tài nghiên cứu trong phạm vi: - Nghiên cứu dựa trên mô hình. - Xe chạy trên đường nhựa có dấu phân cách làn đường là vạch sơn thẳng. - Điều kiện môi trường ánh sáng tốt. 1.4 Phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành mục tiêu nghiên cứu “Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động”, người nghiên cứu dự kiến sử dụng những phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp phân tích, phân loại hệ thống hóa tài liệu tài liệu trong nước và nước ngoài từ đó xây dựng cơ sở lý thuyết về xử lý ảnh, xe tự động. - Thiết kế mô hình và xây dựng thuật toán điều khiển góc lái và điều khiển tốc độ theo vị trí của xe so với làn đường trong mô hình giả lập. - Phương pháp thực nghiệm và đánh giá kết quả. 5
22. S K L 0 0 2 1 5 4