Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động

Nội dung text: Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động

1. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE TỰ ĐỘNG DESIGN OF AUTONOMOUS CAR CONTROL SYSTEM [1]TS. Lê Thanh Phúc, [2]KS. Hà Quốc Bảo Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM [1]phuclt@hcmute.edu.vn, [2]baocko12b@gmail.com 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. Từ khóa: Xe tự lái, xe robot, xe không người lái Abstract 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. Keywords: Autonomous, robotic, driverless hoặc self-driving car. 1. Giới thiệu 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
2. 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 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. 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. 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 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. Bên cạnh những thành tựu đã đạt được của các công trình nghiên cứu trên thế giới về hệ thống điều khiển xe tự động thì còn nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu, giải quyết. Trong đó vấn đề khảo sát và đánh giá, so sánh khả năng tự điều khiển góc lái và vận tốc theo làn đường trong mô hình giả lập là mục đích của nghiên cứu này. Trên hình 1 là sản phẩm mô hình xe tự động. Hình 1: Mô hình hệ thống điều khiển xe tự động
3. Trong hình 1, mô hình hệ thống điều khiển xe tự động gồm: Camera thu thập hình ảnh của làn đường, máy tính thực hiện xử lý ảnh, điều khiển góc lái và vận tốc, card motor driver, card HDL 9090, động cơ điều khiển góc lái và động cơ chạy xe. 2. Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động 2.1 Mô hình hệ thống điều khiển xe chạy tự động Mô hình hệ thống bao gồm: Camera, phần mềm xử lý ảnh, điều khiển lái và điều khiển tốc độ Lab VIEW, card HDL 9090,card motor driver, động cơ điều khiển lái và động cơ chạy. Làn đường Bộ điều camera Card giao khiển tiếp I/O Encoder Motor lái Hệ thống lái Motor driver Hệ thống truyền động Motor chạy Hình 2: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển xe tự động Hệ thống điều khiển xe tự động sẽ hoạt động như sau: Camera sẽ thu thập hình ảnh của làn đường. Sau đó hình ảnh từ camera sẽ được truyền vào máy tính. Chương trình xử lý ảnh trong máy tính sẽ thực hiện việc xác định vị trí của xe so với làn đường trong môi trường thực tế sau đó chương trình điều khiển xử lý, tính toán để xuất tín hiệu điều khiển, tín hiệu điều khiển này sẽ được truyền tới card motor driver thông qua card HDL 9090.Card motor driver sẽ khuếch đại tín hiệu điều khiển này để điều khiển động cơ điều khiển góc lái và động cơ chạy xe. 2.2 Lập trình điều khiển góc lái, vận tốc và thu thập số liệu Kết quả khảo sát hệ thống điều khiển xe tự động được thu thập và xử lý, hiển thị kết quả trong môi trường lập trình LabVIEW thông qua giao diện người dùng. Trong giao diện người dùng, cổng giao tiếp được thực hiện thông qua cổng USB. Bộ hệ số gain Kp, Ki, Kd được điều chỉnh bằng thực nghiệm. PWM Frequency dùng để điều chỉnh tần số xung PWM. Nút STOP dùng để dừng chương trình. Bảng đồng hồ tốc độ thể hiện tốc độ thực tế của xe. Đồ thị góc lái thể hiện giá trị góc lái đặt được thể hiện bằng đường màu vàng và giá trị góc lái đáp ứng được thể hiện bằng đường màu đỏ. Đồ thị vận tốc xe thể hiện giá trị vận tốc đặt được thể hiện bằng đường màu vàng và giá trị vận tốc đáp ứng (vận tốc thực) của xe được thể hiện bằng đường màu đỏ khi xe đánh lái theo vị trí của xe so với làn đườg trong môi trường thực tế
4. Hình 3: Giao diện người dùng chương trình điều khiển hệ thống xe tự động 3. Thực nghiệm và đánh giá kết quả 3.1 Kết quả thực nghiệm 3.1.1 Xe đánh lái qua phải Hình 4: Đồ thị điều khiển đánh lái qua phải khi xe rẽ phải Hình 5: Đồ thị điều khiển trả lái khi xe rẽ phải Với hệ số Kp = 4.2, Ki = 1E-5, Kd = 8, trong hình 4, sai lệch giữa giá trị góc lái đặt và góc lái đo được thực tế khi đánh lái qua phải ~ 40, sai lệch vận tốc ~ 2 km/h. Trong hình 5, sai lệch giữa giá trị góc lái đặt và góc lái đo được thực tế khi trả lái ~10. Sai lệch vận tốc ~ 0.2 km/h.
5. 3.1.2 Xe đánh lái qua trái Hình 6: Đồ thị điều khiển đánh lái qua trái khi xe rẽ trái Hình 7: Đồ thị điều khiển trả lái khi xe rẽ trái Với hệ số Kp = 4.2, Ki = 1E-5, Kd = 8, trong hình 6, sai lệch giữa giá trị góc lái đặt và góc lái đo được thực tế khi đánh lái qua phải ~ 20, sai lệch vận tốc ~ 0.2 km/h. Trong hình 7, sai lệch giữa giá trị góc lái đặt và góc lái đo được thực tế khi trả lái ~ 60. Sai lệch vận tốc ~ 0.2 km/h. 3.2 Đánh giá kết quả Kết quả thực nghiệm nhằm đánh giá khả năng tự đánh lái và điều khiển giảm tốc khi xe đánh lái qua trái và qua phải trong các trường hợp rẽ phải, trái khi xe chạy thực nghiệm. Hình 8: Đồ thị điều khiển góc lái khi xe rẽ phải một góc 350
6. Hình 9: Đồ thị điều khiển trả lái sau khi xe rẽ phải một góc 350 Nhận xét: . Thời gian đáp ứng (quá độ): ~ 2s . Độ vọt lố nhỏ: ~ 2.2% . Sai số xác lập tương đối nhỏ. Kết quả thực nghiệm cho thấy xe có khả năng tự điều khiển đánh lái qua trái, phải, trả lái và giảm tốc độ khi phát hiện có sự thay đổi vị trí của xe và làn đường trong môi trường thực tế. Đồng thời hệ thống điều khiển góc lái bánh dẫn hướng và vận tốc PID đáp ứng tốt về yêu cầu điều khiển góc lái, vận tốc theo các giá trị đặt mong muốn tương ứng với các trường hợp cho trước. Khi thay các hệ số Kd, Ki, Kd thì khả năng đáp ứng điều khiển góc lái thay đổi. Khả năng đáp ứng tốt nhất trong trường hợp II khi Kd = 4.2, Ki = 1E-5, Kd = 8. 4. Kết luận và hướng phát triển 4.1 Kết luận ua đề tài thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động. Dựa trên các kiến thức trang bị ôtô cũng như các kiến thức liên quan đến đề tài mà tác giả đã hoàn thành nhiệm vụ đề tài đề ra. ua quá trình nghiên cứu thiết kế xây dựng mô hình hệ thống điều khiển xe tự động, xây dựng thuật toán điều khiển góc lái và tốc độ theo vị trí tương đối giữa xe và vạch sơn. Kết quả đạt được và đóng góp của đề tài chủ yếu gồm: - Thiết kế và thi công hoàn thành mô hình hệ thống điều khiển xe tự động. - Xây dựng thuật toán điều khiển góc lái và tốc độ theo vị trí tương đối giữa xe và vạch sơn. - Thí nghiệm, khảo sát hoạt động của hệ thống điều khiển xe tự động. - So sánh và đánh giá được khả năng điều khiển tự động của xe. Khả năng điều khiển góc lái và tốc độ khi xe rẽ phải và trái tương đối đáp ứng được yêu cầu đề ra. Việc so sánh và đánh giá khả năng điều khiển lái và tốc độ xe theo vị trí tương đối của xe với làn đường là một trong những thành công lớn nhất của đề tài làm cơ sở khoa học giúp hoàn thiện mô hình hệ thống điều khiển xe tự động sau này, để từng bước áp dụng vào thực tế. Bên cạnh những kết quả đóng góp mới của đề tài thì còn những mặc hạn chế như sau: - Chưa đáp ứng được môi trường thực tế khi đường không có vạch sơn đường. - Mức độ đáp ứng hiệu quả điều khiển góc lái xe của mô hình chưa thật sự tốt khi xe chạy nhanh. - Chưa phát hiện và tránh được vật cản.
7. 4.2 Hướng phát triển đề tài Mặc dù có nhiều cố gắng tuy nhiên với trình độ, kinh phí và điều kiện khảo sát cũng như thời gian có nhiều hạn chế nên đề tài có phạm vi giới hạn nhất định. Trong tương lai tác giả nghiên cứu và hoàn thiện các phần sau: - Nghiên cứu và phát triển mô hình hệ thống điều khiển xe tự động trong các môi trường phức tạp hơn như: làn đường có vạch sơn đứt quãng, có bóng đổ và điều kiện ánh sáng yếu, khả năng đáp ứng điều khiển lái và tốc độ nhanh và chuẩn xác hơn. Xe chạy với tốc độ cao hơn nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế. - Hoàn thiện mô hình thiết kế và thi công xe tự động để cho ra sản phẩm cơ động, bền, hoạt động ổn định, chính xác hơn nhằm ứng dụng vào trong thực tiễn. - Nâng cao hiệu quả tự động điều khiển lái xe bằng các chương trình, thuật toán có độ phức tạp hơn nhằm giúp xe chạy tự động có khả năng xử lý trong các tình huống phức tạp gần với điều kiện hoạt động thực tế. Tài liệu tham khảo [1]. PV, Xe tự lái Google sẵn sàng lăn bánh, Internet: google-san-sang-lan-banh/ [2]. Mai Trang, Xe tự lái sẽ phổ biến ở Mỹ từ năm 2015?, Internet: [3]. Tường Minh, Tai nạn giao thông trên thế giới và những con số báo động, Internet: dong/45152016/162/ [4]. Choi, S.B. and Devlin, P., “Throttle and Brake Combined Control for Intelligent Vehicle Highway Systems”, SAE 951897, 1995. [5]. Kyongsu Yi, Youngjoo Cho, Sejin Lee, Joonwoong Lee, and Namkyoo Ryoo, “A Throttle/Brake Control Law for Vehicle Intelligent Cruise Control, F2000I398, 2000. [6]. Allen, R. W., Szostak, H. T., and Rosenthal, T. J., “Analysis and Computer Simulation of DriverNehicIe Interaction, SAE Transactions”, 871 086, 1987. Nagai M. and Mitschke. [7]. Xiaobo Yang, “ A Closed-Loop DriverNehicle Directional Dynamics Predicto” , Trường đại học Concordia, 1999. Tp. HCM, ngày tháng năm 2015 XÁC NHẬN CBHD .
8. 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.