Nghiên cứu hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn chủ động ứng dụng GPS trên xe máy

Nội dung text: Nghiên cứu hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn chủ động ứng dụng GPS trên xe máy

1. NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CẢNH BÁO TỐC ĐỘ AN TOÀN CHỦ ĐỘNG ỨNG DỤNG GPS TRÊN XE MÁY A STUDY OF ACTIVE SAFETY SPEED WARNING SYSTEM APPLYING GPS FOR MOTORCYCLE TS.Nguyễn Bá Hải, KS.Lê Nguyên Vũ Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh. bahai.ce@hcm.ute.edu.vn;lenguyenvu74@gmail.com Tóm tắt: Trong bài báo này đề xuất phương pháp cảnh báo tốc độ an toàn chủ động bằng công nghệ định vị GPS cho xe máy được trình bày. Nghiên cứu trình bày các phương pháp cảnh báo tốc độ an toàn chủ động dùng các công nghệ khác nhau. Nhóm tác giả đã xây dựng mô hình hệ thống cảnh báo tốc độ trên xe thí nghiệm và thực nghiệm trên một tuyến đường lựa chọn trong nhiều điều kiện khác nhau. Kết quả của phương pháp được đề xuất để áp dụng cho xe máy. Abtract: This study suggests some methods of active safe speed warning applying GPS for motorcycle. The different technologies which are used in those methods are also presented. We installed a simulator of system of speed warning in a tested motorcycle and experimented in several of chosen lanes under different conditions. The result is proposed to apply for motorcycle. Từ khóa: An toàn chủ động, cảnh báo, định vị GPS, xe máy, LabVIEW, thuật toán. Keywords: Active safe, warning, GPS, motorcycle, LabVIEW, algorithm. 1. Giới thiệu Hệ thống bị động cho phép người lái xe lựa chọn hành Ngày nay với việc gia tăng số lượng xe lưu thông trên động thông qua một cảnh báo âm thanh hoặc hình ảnh đơn đường thì cùng với đó là tai nạn giao thông cũng tăng lên. giản (một ánh sáng nhấp nháy hoặc một tiếng bíp) cho đến Vấn đề tốc độ là nguyên nhân hàng đầu cho các vụ tai nạn. giao diện cảnh báo phức tạp hơn. Một số thử nghiệm ISA đã Cùng với đó là xu hướng phát triển nghiên cứu của thế giới sử dụng thông tin phản hồi xúc giác hoặc rung khi xe vượt về vấn đề tăng tính an toàn về tốc độ khi tham gia giao quá giới hạn tốc độ [4]. Một cách khác là tắt các thiết bị như thông. Điều kiện giao thông Việt Nam với nhiều loại đường các đài phát thanh hoặc máy lạnh khi giới hạn tốc độ được khác nhau, nhiều loại tốc độ giới hạn khác nhau, sự bố trí vượt quá trong thời gian dài. Hệ thống bị động nói chung là bất hợp lý các bảng chỉ dẫn giới hạn tốc độ làm hạn chế khả hệ thống tư vấn lái xe, cảnh báo người lái xe đang vượt quá năng quan sát của người lái xe, áp lực khi luôn phải tập tốc độ, cung cấp thông tin để giới hạn tốc độ, và cho phép trung nhận biết tốc độ giới hạn mỗi khi tham gia giao thông. người lái xe thực hiện một sự lựa chọn về những hành động Vì vậy trong bài báo này, chúng tôi trình bày mô hình hệ cần được thực hiện. Các hệ thống này thường hiển thị tín thống an toàn chủ động về tốc độ mà cụ thể là hệ thống hiệu thị giác hoặc thính giác, chẳng hạn như cảnh báo thính cảnh báo tốc độ an toàn ứng dụng công nghệ định vị GPS. giác,thị giác và xúc giác có thể bao gồm các dấu hiệu như Hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn ứng dụng công nghệ rung động của bàn đạp ga.[2] định vị GPS là một trong các giải pháp hạn chế tốc độ của 2.2 Hệ thống cảnh báo an toàn chủ động hệ thống điều chỉnh tốc độ thông minh (intelligent speed Hệ thống ISA chủ động làm giảm hoặc hạn chế tốc độ của adaptation –ISA) đang được nghiên cứu và thử nghiệm ở xe bằng cách điều chỉnh hệ thống phanh và động cơ mà một số quốc gia. không cần sự can thiệp từ người lái xe. Phương pháp sử Hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn chủ động, còn được gọi dụng để đạt được điều này bao gồm điều khiển bướm ga, là hỗ trợ tốc độ thông minh (ISA), là hệ thống theo dõi điều chỉnh lực phanh, thao tác hệ thống quản lý động cơ, thường xuyên tốc độ xe và tốc độ giới hạn địa phương trên hạn chế nhiên liệu hoặc một sự kết hợp của các hệ thống một con đường và thực hiện một hành động khi phát hiện ISA. Hầu hết hoạt động cung cấp một hệ thống tùy chỉnh để chiếc xe vượt quá giới hạn tốc độ quy định. các lái xe có thể vô hiệu hóa tạm thời hệ thống ISA khi cần thiết [2] 2. Phân loại hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn 2.3 Công nghệ ứng dụng cho hệ thống 2.1 Hệ thống cảnh báo an toàn bị động
2. Có năm loại công nghệ hiện có để xác định giới hạn tốc độ giới hạn trên một con đường so với tốc độ của xe [3] gồm: + GPS + Biển báo, đèn hiệu + Nhận dạng quang học + Dead Reckoning + Khớp bản đồ 3. Thiết kế hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn chủ động 3.1. Cấu trúc hệ thống Hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn chủ động trên xe sử dụng công nghệ GPS có cấu trúc gồm: Khối máy client thu nhận tín hiệu GPS,hiển thị cảnh báo và khối máy trạm điều khiển ghi nhận thông tin. Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cảnh báo tốc độ 3.2. Phương thức cảnh báo tốc độ an toàn chủ động So sánh vị trí xe với vị trí tuyến đường có vận tốc giới hạn, các tuyến đường này gồm các tọa độ được xác định sẵn Hình 3.1: Cấu trúc hệ thống cảnh báo tốc độ và được cập nhật từ máy chủ server. Vị trí của xe nếu được xác định nằm trong vùng giới hạn tốc độ nào thì sẽ hiển thị Phương thức hoạt động của hệ thống: Hoạt động của hệ tương ứng với vùng tốc độ đó. Nếu vượt quá tốc độ thì sẽ thống dựa trên cơ sở truyền nhận thông tin hai chiều và cảnh báo trên màn hình hiển thị và kèm theo âm thanh, hình đồng bộ giữa các thành phần trong hệ thống. Khi xe đi vào ảnh. Để xác định chính xác vị trí xe trong tuyến đường giới vùng giới hạn tốc độ, thiết bị GPS sẽ gửi tín hiệu đến vệ hạn đó, ta coi xe như một điểm và tuyến đường là một đa tinh và nhận tín hiệu phản hồi về vị trí hiện tại của xe. Vị trí giác. Từ đó ta có phương pháp xác định điểm trong đa giác. này sẽ được so với vị trí vùng giới hạn tốc độ trên bản đồ Phương thức xác định điểm trong đa giác dựa vào bài được lưu trong bộ nhớ của khối điều khiển. Lúc này khối toán điểm trong đa giác ( point-in-polygon, viết tắt: PIP) đặt điều khiển sẽ nhận biết được tốc độ của vùng quy định sau ra câu hỏi xét xem một điểm trên một mặt phẳng nằm trong, đó so sánh tốc độ của xe để so sánh đưa ra tín hiệu cảnh nằm ngoài hay nằm trên biên của một đa giác.[5] Đây là báo bằng hình ảnh cũng như âm thanh. Hệ thống này đồng trường hợp đặc biệt của loạt các bài toán hay vấn đề vị trí thời cung cấp thông tin, vị trí tốc độ hiện tại của xe cho máy điểm và có rất nhiều ứng dụng trong việc xử lý dữ liệu hình server để giám xác và nhận dữ liệu bản đồ vị trí tuyến học như trong đồ họa máy tính (Computer Graphics), hệ đường giới hạn thông qua mạng 3G. thống thông tin địa lý (Geographical Information Systems - GIS), lập trình chuyển định Có nhiều phương pháp để giải bài toán này mà phương pháp thường dùng nhất là phương pháp Ray Casting. Phương pháp này xác định xem một điểm P nằm bên trong hay bên ngoài một đa giác đơn giản đó là kiểm tra xem một tia bắt đầu từ điểm P đó giao với các cạnh của đa giác bao nhiêu lần. Nếu điểm P không nằm trên biên của đa giác thì:
3. - P nằm ngoài đa giác nếu tổng số giao điểm là số chẵn. - P nằm trong đa giác nếu tổng số giao điểm là số lẻ. Phương pháp này dựa trên một quan sát đơn giản là nếu ta có một điểm đi dọc theo một tia từ vô cực đến P thì điểm đó sẽ giao (có thể nhiều lần) với biên của đa giác, điểm này có thể đi từ ngoài vào trong rồi lại từ trong ra ngoài, Chính vì vậy sau mỗi hai lần giao với biên của đa giác thì điểm đó sẽ đi ra ngoài đa giác. 1 4 3 2 Hình 3.5: Giao diện hiển thị trên máy server 1.Giao diện bản đồ; 2. Thanh tỉ lệ bản đồ; 3. Loại bản đồ; 4. Hình 3.3: Số giao điểm của một tia kể từ điểm bên ngoài đa Bảng thông tin (vị trí xe, vận tốc, vận tốc giới hạn) giác. 4. Thực nghiệm Phương pháp xác định điểm trong đa giác được chọn để 4.1. Tuyến đường thực nghiệm ứng dụng vào đề tài xác định vị trí xe có nằm trong vùng Tuyến đường thực nghiệm có lộ trình như hình 3 có tổng giới hạn cảnh báo. Ưu điểm của phương pháp là đơn giản chiều dài 6,531 km. Điểm xuất phát từ đường Công Lý, phù hợp với hình dạng con đường Việt Nam và dễ dàng áp Hồng Đức, Bác Ái với tốc độ quy định là 20 km/h đến dụng để lập trình với phần mềm LaBVIEW. đường Võ Văn Ngân là 30 km/h, ra xa lộ Hà Nội với vận 3.3. Xử lý dữ liệu trên máy client gắn trên xe tốc 50 km/h, về đến Nguyễn Văn Bá, Đặng Văn Bi với vận Tác giả dùng phần mềm LabVIEW trong nghiên cứu để tốc 40 km/h . lập trình cho hệ thống cảnh báo tốc độ trên máy client. Máy client gắn trên xe có nhiệm vụ thu thập và xử lý tín hiệu vệ tinh GPS. Tín hiệu GPS được thu từ bộ thu Microsoft Pharos GPS-360 kết nối với laptop client qua cổng COM theo chuẩn giao tiếp RS232. Từ dạng mã định vị sang các thông số cần thiết như kinh độ, vĩ độ, vận tốc. Hình 3.4: Giao diện hiển thị trên xe 3.4. Xử lý dữ liệu trên máy server Hình 4.1: Tuyến đường thử nghiệm. Máy server được lập trình tạo kết nối với máy client qua giao thức TCP/IP có 2 nhiệm vụ là: - Cập nhật dữ liệu tọa độ cho máy client. - Nhận dữ liệu tọa độ vị trí của máy client, vận tốc giới hạn, số lần vượt quá và hiển thị vị trí lên bản đồ để theo dõi.
4. thời gian đáp ứng hệ thống.Việc thực nghiệm được thực 4.2 Điều kiện thực nghiệm và mô hình thực nghiệm hiện 5 lần. Bảng 4.2: Giá trị thời gian đáp ứng của hệ thống cảnh báo tốc độ. Tuyến đường giới hạn tốc độ 20 (km/h) 30 (km/h) 40 (km/h) 50 (km/h) Lần thử nghiệm 1 0,1578 (s) 0,1663 (s) 0,1534 (s) 0,1589 (s) 2 0,1673 (s) 0,1625 (s) 0,1735 (s) 0,1827 (s) Hình 4.2: Mô hình thiết bị gắn trên xe. Thực nghiệm trong các khoảng thời gian vào buổi sáng và 3 0,1508 (s) 0,1501 (s) 0,1678 (s) 0,1763 (s) buổi tối, trongđoạn đường có nhiều cây và nhà cao tầng, trên các tuyến đường có tốc độ quy định khác nhau để kiểm 4 0,1724 (s) 0,1756 (s) 0,1598 (s) 0,1656 (s) nghiệm ổn định của tín hiệu GPS cũng như tín hiệu cảnh 5 0,1532 (s) 0,1534 (s) 0,1678 (s) 0,1726 (s) báo. Sau khi tiến hành thử nghiệm nhiều lần trên các đoạn Trung bình 0.1603 (s) 0.16158 (s) 0.16446 (s) 0.17122 (s) đường và thời gian khác nhau, nhóm tác giả đã thu được những kết quả như sau: 5. Kết luận và hướng phát triển - Trong quá trình xe máy di chuyển, các thiết bị trong hệ Qua quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài với nhiều thời thống không bị ảnh hưởng và vẫn hoạt động bình thường. gian, công sức, cùng với nền tảng kiến thức ô tô được trang - Hệ thống máy tính client đáp ứng được việc thu thập dữ bị, các kiến thức tổng quan liên quan được học trong thời liệu từ bộ thu nhận tín hiệu GPS, phần mềm LabVIEW đã gian qua, nhóm tác giả đã hoàn thành nhiệm vụ đặt ra của xử lý, tính toán được tốc độ di chuyển của phương tiện thực đề tài. nghiệm. Việc xây dựng và thử nghiệm thành công hệ thống cảnh báo - Vị trí tức thời của phương tiện (kinh độ và vĩ độ) được tốc độ an toàn chủ động ứng dụng công nghệ GPS trên xe máy cập nhật liên tục và chính xác, thời gian đáp ứng tương đối với thời gian đáp ứng hệ thống tương đối tốt, vận tốc thu được nhanh. từ GPS trong khoản sai số cho phép đã đem lại một bước đột - Khi di chuyển trong vùng giới hạn tốc độ, hệ thống hiển phá lớn, mở ra hướng đi mới trong lĩnh vực phát triển ngành ô thị thông tin cảnh báo kịp thời, đèn cảnh báo và loa hoạt tô, xe máy ở Việt Nam. động tốt. Đây là lần đầu tiên thử nghiệm hệ thống cảnh báo tốc độ - Hệ thống có thể truy cập để cập nhật dữ liệu bản đồ mới an toàn chủ động ứng dụng GPS trên xe máy ở Việt Nam. nhất từ máy server và thực hiện gửi thông tin về máy server. Kết quả này còn đem lại sự an tâm cho những người điều - Vận tốc tính bằng hệ thống thông qua tín hiệu GPS so khiển phương tiện giao thông. Từ đó nâng cao ý thức của với vận tốc thực tế trên đồng hồ tableu của xe tương đương người tham gia giao thông nhằm giảm thiểu tai nạn đồng nhau, sai số cho phép trong phạm vi là 5km/h. thời hỗ trợ cho công tác quản lý và điều phối giao thông của Thời gian đáp ứng của hệ thống chính là thời gian thực các cơ quan chuyên môn. hiện chương trình được tính bằng công thức : Ngoài ra, việc định vị và ghi lại lịch sử hành trình của 푻đá풑 ứ풏품 = 푻 ắ풕 đầ풖 풗ò풏품 풍ặ풑 − 푻풌ế풕 풕풉ú 풗ò풏품 풍ặ풑 phương tiện giao thông cũng mang nhiều ý nghĩa. Những Từ công thức tính thời gian thực hiện chương trình ta có dữ liệu này luôn được cập nhật trên máy server, do đó sẽ bảng giá trị sau thực nghiệm trên các tuyến đường thực rất dễ dàng giúp người chủ xe tìm lại xe khi bị mất hoặc hỗ nghiệm với tuyến đường giới hạn tương ứng mỗi tuyến trợ các cơ quan chức năng quản lý tốc độ của phương tiện đường ta tăng tốc vượt quá giới hạn 1 lần để thử nghiệm giao thông.
5. Vấn đề cần làm trong tương lai là xây dựng thuật toán ổn định vận tốc từ GPS, kết hợp nhiều công nghệ vào một hệ thống cảnh báo để nâng cao tính ổn định. Tiến hành thử nghiệm trên nhiều tuyến đường hơn, mức độ phức tạp hơn. Tài liệu tham khảo [1] TS. Nguyễn Bá Hải, “Lập trình LabVIEW trình độ cơ bản”, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM, 2012. [2] Riaz Sayed, Pierre Delaigue, Jeremy Blum, Ali Mortazavi and Azim Eskandarian, “ Development of an Intelligent Speed Adaptation System”, SAE TECHNICAL PAPER SERIES, 2007. [3] University of Leeds and MIRA Ltd, Intelligent Speed Adaptation Literature Review and scoping study, January 2006 [4] European Road Safety Observatory, Intelligent Speed Adaptation(ISA), [5] www.wikipedia.com [6] N. Agerholm,R, Waagepetersen,N. Tradisauskasand H. Lahrmann , Intelligent Speed Adaptation in Company Vehicles, IEEE Intelligent Vehicles Symposium, 2008.
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.