Ưng dụng xử lý ảnh trong nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống Park Assist

Nội dung text: Ưng dụng xử lý ảnh trong nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống Park Assist

1. ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH TRONG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG PARK ASSIST PGS. TS Đỡ Văn Dũng, Nguyêñ Thái Vân. Trườ ng Đaị Hoc̣ Sư Phaṃ Kỹ Thuâṭ TP. Hờ Chí Minh. TÓM TẮT Hê ̣thớng Park Assist ra đờ i nhằm hỡ trơ ̣ ngườ i lái quan sát, xác định mới quan hệ giữa vị trí đỡ xe mục tiêu và vị trí hiện hành của xe để điều khiển quỹ đạo chuyển đợng cho xe lùi vào đúng vi ̣trí muc̣ tiêu thay cho ngườ i lái. Ngườ i lái chỉ điều khiển tớc đơ ̣của xe thơng qua bàn đap̣ ga và phanh. Hê ̣thớng này gờm mơṭ camera thu thâp̣ ảnh gử i về mơṭ máy tính để phân tích xác điṇ h vi ̣trí muc̣ tiêu, sau đó máy tính se ̃ tính toán đơ ̣lêc̣ h xe so vớ i vi ̣trí muc̣ tiêu bằng thuâṭ toán xử lý ảnh để xác định quỹ đạo chuyển đợng điều khiển xe lùi vào đúng vị trí mục tiêu đã định . Hê ̣thớng đa ̃ chaỵ thử nghiêṃ trên mơ hình . Nhằm kiểm tra thuâṭ toán xử lý ảnh và ứ ng duṇ g kết quả để điều khiển hệ thớng tự đợng. ABSTRACT A Park Assist System is designed to help driver to confirm a relationship between the target parking position and current position of the vehicle and controls reverse path of the vehicle so that vehicle moves back itseft to the correct target position instead of the driver. The driver only controls speed of vehicle through the accelerator and brake pedals. This system consists of a camera to acquire images and transmits to the computer in order to analyses and defines the target position, and then the computer will calculate the offset error by image processing algorithms to define the motion path and move back the precise target position automatically. The system is experiments have carried out on the model. The test results are to check image processing algorithms and to control automatic systems. 1. Giớ i thiêụ . Ngày nay, cùng vớ i sự phát triển vượt bậc của cá c lĩnh vực khoa học kỹ thuật, ơtơ luơn thể hiện đẳng cấp của nhà sản xuất và phong cách của người sử dụng. Đặc biệt hơn nĩ thể hiện trình đợ khoa học kỹ thuật của mợt quớc gia, của những conngười trực tiếp nghiên cứu thiết kế và chế tạo ra nĩ. Để học tập và bám đuổi theo sự phát triển của ngành ơtơ thế giới. Để tìm hiểu và nghiên cứu những ứng dụng kỹ thuật mới trên ơtơ hiện nay, đặc biệt trong khía cạnh hỡ trợ cho người lái tránh khỏi nguy cơ gây ra va chạm khơng mong muớn tại những nơi đơng đúc xe cợ, nơi mà tầm quan sát bị hạn chế thì nguy cơ gây ra va chạm giữa các xe với nhau rất dể xảy ra. Vì thế việc nghiên cứu thiết kế chế tạo mợt hệ thớng hỡ trợ quan sát, điều khiển và cảnh báo vachạmcho người lái xe là hết sức cần thiết.
2. Xuất phát từ những vấ n đề nêu trên , bài báo này giớ i thiêụ mơṭ giải pháp kỹ thuâṭ điều khiển lùi xe tư ̣ đơṇ g bằng thuâṭ toán xử lý ảnh thơng qua phần mềm LabVIEW. 2. Mục đích. Mục đích của đề tài là nghiên cứ u thiết kế chế taọ mơṭ mơ hình, mơ phỏng sư ̣ chuyển đơṇ g của ơtơ khi lùi vào vị trí cần đậu với khả năng tự điều khiển hướ ng chuyển đơṇ g của mơ hình bằng thuâṭ toán xử lý ảnh. 3. Sơ đờ điều khiển củ a hê ̣thớ ng. Hình 1. Sơ đờ khớ i điêù khiển hê ̣thớ ng bằng thuâṭ toá n PID. Hình 2. Mơ tả mớ i quan hê ̣toạ đơ ̣ giữa đường tâm vi ̣trí muc̣ tiêu vớ i đường tâm màn hình. Hình 3. Giao diêṇ người dùng của hê ̣thớ ng đang thử nghiêṃ kiểm tra thuâṭ toá n xử lý ảnh trong hê ̣thớ ng Park Assist. 3.1. Nguyên lý điều khiển củ a hê ̣thớ ng. 2
3. Sau khi kích hoaṭ hê ̣thớng , camera bắt đầu thu thâp̣ ảnh gử i về máy tính như là mơṭ tính hiêụ đầu vào, căn cứ vào tín hiệu hình ảnh thu được , bơ ̣xử lý của hê ̣thớng se ̃ phân tích , xử lý , tính toán xác định đợ lệch của vị trí mục tiêu cần lui xe vào so với vị trí xe đậu hiện tại . Sau khi xác định đợ lệch thì chương trình điều khiển se ̃ điều khiển xe di chuyển đến đúng vi ̣trí muc̣ tiêu đa ̃ choṇ thơng qua viêc̣ điều khiển mơ tơ xoay vơ lăng phù hơp̣ bằng thuâṭ toán PID sao cho đơ ̣ lêc̣ h luơn nằm trong khoảng sai sớ cho phép (-5; +5) pixel, cĩ nghĩa là hệ th ớng luơn điều khiển sao cho truc̣ doc̣ của xe vuơng góc vớ i măṭ phẳng đứ ng của vi ̣trí muc̣ tiêu. Trong suớt quá trình lùi xe , viêc̣ thu thâp̣ xử lý ảnh để tính toán điều khiển diêñ ra liên tuc̣ cho đến khi xe đa ̃ vào đến vi ̣trí mục tiêu. 3.2. Giải thuật điều khiển hệ thớng. Trong mơ hình hê ̣thớng gờm có mơṭ camera đóng vai trò thiết bi ̣phuc̣ vu ̣viêc̣ quan sát phía sau xe tương đương như các kính chiếu hậu trên xe . Tuy nhiên, viêc̣ quan sát và nhâṇ biế t khu vưc̣ cần đỡ xe là do máy tính thưc̣ hiêṇ , vì thế trước tiên ta phải thiết lập kết nới camera với máy tính. Sau khi thiết lâp̣ kết nới camera vớ i máy tính . Hê ̣thớng se ̃ thu thâp̣ ảnh từ camera , chương trình sẽ phân tích tìm kiếm khoảng trớng cần đỡ xe , đó chính là ảnh muc̣ tiêu , và xem khu vực ảnh đĩ cĩ phù hợp cho việc đỡ xe hay khơng để xử lý, xám hĩa, và lọc nhiễu ảnh đã thu được. Máy tính xác định tọa đợ tâm của vùng ảnh mục tiê u xuất hiêṇ trên màn hình hiển thi ̣để kiểm tra xem đườ ng tâm của ảnh muc̣ tiêu có bi ̣lêc̣ h so vớ i đườ ng tâm của màn hình hiển thi ̣hay khơng, đơ ̣lêc̣ h này chính là giá tri ̣đơ ̣lêc̣ h đầu vào e(t) cho hàm điều khiển hê ̣thớng lái. Từ thơng sớ e(t) đa ̃ xác điṇ h đươc̣ , ta tiến hành tính toán tín hiêụ điều khiển U(t) theo thuâṭ toán PID. t d U(t) K e(t) K e( )d K e(t) p i d 0 dt Bướ c tiếp theo là điều khiển cơ cấu chấp hành (mơ tơ xoay vơ lăng lái ) theo tín hiêụ U (t) đờng thờ i báo hiêụ cho ngườ i lái kết hơp̣ điều khiển tớc đơ ̣xe thơng qua bàn đap̣ ga , bàn đạp cơn, và bàn đạp phanh. Khi xe bắt đầu di chuyển lùi, đơ ̣lêc̣ h e(t) sẽ cĩ sự thay đổi và hệ thớng sẽ điều chỉnh thơng sớ e(t) liên tuc̣ trong suớt quá trình lùi xe để đảm bảo xe luơn tiến về trung tâm của khoảng trớng cần đâụ xe , thể hiêṇ qua viêc̣ điều chỉnh mơ tơ xoay vơ lăng lái sau cho thơng sớ đơ ̣lêc̣ h e (t) luơn đảm bảo nằm trong khoảng sai lêc̣ h (-5, +5) pixel nhằm đảm bảo xe đươc̣ lui vào giữ vùng khơng gian cần đâụ . 3
4. ON SW/Start Thiết lâp̣ kết nới camera vớ i maý tính ( hơp̣ điều khhiển ) Thu thâp̣ anh tư camera, xám hĩa ảnh thu được và lọc nhiễu ̉ ̀ Xác định tọa đợ tâm khoảng trớng cần đậu xe trên ảnh thu đươc̣ ( tâm của chỡ đâụ xe ). Tính toán đợ lệch giữa đường tâm của màn hình hiển thi ̣và đườ ng tâm của khoảng trớng đâụ xe thu đươc̣ [ e(t)] Tính toán tín hiệu điều khiển U(t) theo thuâṭ toán PID t d U(t) K e(t) K e(t)dt K e(t) p i d 0 dt Điều khiển cơ cấu chấp hành ( mơ tơ xoay vơ lăng lái) theo U(t) và báo hiệu cho người lái điều khiển ga, phanh. Xe bắt đầu lùi khơng Đợ lệch e(t) nằm trong khoảng giá trị từ (-5;+5) pixel có Tiếp tuc̣ lùi xe Xe đươc̣ lùi vào đúng vi ̣trí mong khơng muớn khơng? có End/Off Điều chỉnh xe và xoay vơ lăng ngay laị SW Hình 4. Lưu đờ giải thuâṭ 4
5. Nếu e(t) > 5 pixel, hê ̣thớng se ̃ tiến hành thu thâp̣ ảnh , xác định đợ lệch e (t), tính toán tín hiêụ điều khiển U(t) để điều khiển sao cho giá tri ̣e(t) giảm về giá trị cho phép nằm trong khoảng (-5, +5) pixel. Nếu e(t) < -5 pixel, hê ̣thớng cũng thưc̣ hiêṇ laị quá trình xử lý để điều khiển sao cho giá tri ̣e(t) tăng đến giá tri ̣cho phép nằm trong khoảng (-5,+5) pixel. Trong quá trình lùi xe , nếu giá tri ̣e (t) luơn nằm trong khoảng cho phép thì xe cứ tiếp tuc̣ lùi cho đến khi vào đúng vị trí mong muớn thì kết thúc quá trình lùi xe. Hình 4 miêu tả lưu đờ giải thuâṭ của chương trình điều khiển của hê ̣thớng Park Assist. 4. Thuâṭ toá n điều khiển. Thuâṭ toán điều khiển gờm bớn khới chính: khở i taọ thiết lâp̣ hê ̣thớng, thu thâp̣ xử lý ảnh, điều khiển hê ̣thớng, và thoát chương trình giải phĩng bợ nhớ. 4.1. Khở i taọ thiết lâp̣ hê ̣thớ ng. Để chương trình nhâṇ diêṇ camera, kích hoạt camera và bắt đầu thu thập ảnh. Hình 5. Chương trình khở i taọ 4.2. Thu thâp̣ và xử lý ảnh. 4.2.1. Thu thâp̣ ảnh. Cĩ chức năng chụp và thu ảnh gần nhất. Nếu kiểu ảnh khơng phù hơp̣ với điṇ h daṇ g kiểu ghi hình của camera thì chương trình se ̃ tư ̣ thay đởi kiểu ảnh phù hơp̣ với kiểu điṇ h .d aṇ g Hình 6. Chương trình thu thâp̣ ảnh. 4.2.2. Xác định kích thước ảnh. Cung cấp thơng tin về kích thước hay đơ ̣phân giải của ảnh. Bước này làm cơ sở cho bước tính toán xác điṇ h tâm của ảnh muc̣ tiêu sau khi ảnh thu thâp̣ đa ̃ đươc̣ xám hĩa. 5
6. Hình 7. Chương trình xá c điṇ h kích thướ c ảnh. 4.2.3. Xám hóa ảnh. Trích chọn ảnh đơn sắc từ ảnh mà uphù hợp với kiểu ảnh được xử lý tronLabVIEWg . Hình 8. Chương trình xá m hóa ảnh. 4.2.4. Làm nởi bật và lọc nhiễu ảnh. Cung cấp sư ̣ điều chỉnh đơ ̣sáng, đơ ̣tương phản và đơ ̣tương phản gamma làm cho ảnh nổi bật rõ ràng, các bợ phận gây nhiễu sẽ bị loại bỏ. Hình 9. Chương trình là m nởi bâṭ và loc̣ nhiêũ ảnh. 6
7. 4.2.5. Phát hiện ảnh mục tiêu. Thưc̣ hiêṇ viêc̣ xác điṇ h vi ̣trí, đếm, và đo các đới tượng mục tiêu nằm trong vùng tìm kiếm, sử duṇ g ngưỡng cường đơ ̣điểm ảnh để phân đoaṇ đới tươṇ g từ nền. Hình 10. Chương trình phá t hiêṇ ảnh muc̣ tiêu. 4.2.6. Xác định đợ lệch. Ma trâṇ hóa các điểm ảnh của ảnh muc̣ tiêu và tín h toán xác điṇ h đươc̣ tâm của ảnh mục tiêu so với tâm của màn hình hiển thị theo trục nằm ngang . Hình 11. Chương trình tính đơ ̣ lêc̣ h tâm giữa màn hình hiển thi ̣và ảnh muc̣ tiêu. 4.2.7. Điều khiển đèn bá o hiêụ . Hình 12. Chương trình điêù khiển đèn bá o hiêụ . 7
8. Chương trình xuất tín hiêụ điều khiển đèn báo hiêụ Left , hoăc̣ Right, hoăc̣ Center tương ứng với trạng thái lệch tâm giữa màn hình hiển thị và vị trí mục tiêu. 4.3. Điều khiển hê ̣thớ ng. Dựa vào đơ ̣lêc̣ h gi ữa tâm màn hình hiển thị v à tâm vị trí mục tiêu , chương trình se ̃ điều khiển đưa tâm vi ̣trí muc̣ tiêu về trùng vớ i tâm của màn hình hiển thi ̣bằng thuâṭ toán P. ID Hình 13. Chương trình điêù khiển vi ̣trí bằng thuâṭ toá n PID. Máy tính sẽ điều khiển hệ thớng chuyển đợng theo quỹ đạo đã được xác định . Hình 14. Chương trình điêù khiển chuyển đơṇ g của hê ̣thớ ng. 4.4. Thoát chương trình. Sau khi xe đa ̃ lùi vào đúng vi ̣trí mong muớn và kết thúc quá trình lui xe, ngườ i láitắt hê ̣ thớng, chương trình thưc̣ hiêṇ viêc̣ giải phóng tài nguyên của hê ̣thớng trướ c khi tắt hẳn chương trình điều khiển của hê ̣thớng. 8
9. Hình 15. Chương trình giải phóng tài nguyên và tắt hệ thớng. 5. Kết quả đaṭ đươc̣ . Chương trình điều khiển của hê ̣thớng đươc̣ viết bằng phần mềm LabVIEW dưạ trên lưu đờ giải thuật đã được xây dựng và thử nghiệm trên mơ hình và đạt được các kết quả ban đầu nh:ư sau Đa ̃ ứ ng duṇ g đươc̣ phần mềm LabVIEW để thu thâp̣ và xử lý ảnh. Xuất thơng tin báo hiêụ cho ngườ i lái biết traṇ g thái của xe so vớ i vi ̣trí muc̣. tiêu Điều khiển đươc̣ quỹ đaọ chuyển đơṇ g của mơ hình từ kết quả đaṭ đươc̣ củ a quá trình xử lý ảnh . Hiêṇ nay viêc̣ ứ ng duṇ g kỹ thuâṭ xử lý ảnh vào điều khiển tư ̣ đơṇ g trên ơ tơ vâñ còn khá mớ i mẽ. Trong phaṃ vi bài báo này chỉ mớ i đề câp̣ đến vấn đề xử lý ảnh ở mứ c đơ ̣đơn giản . Hiêṇ nay vớ i nguờn nhân lưc̣ thuâṇ lơị , trang thiết bi ̣hiêṇ đaị và có điều kiêṇ thưc̣ nghiêṃ trên xe thât,̣ hê ̣thớng Park Assist se ̃ đươc̣ nghiên cứ,u phát triển và hoànt hiêṇ trong tương lai khơng xa. TÀI LIỆU THAM KHẢO. TIẾNG VIỆT [1]. Đo khoảng cách và xác định vị trí vật thể bằngphương pháp siêu âm. Trần Thị Thủy, Nguyễn Quang Thắng, Đinh Sơn Thạch Khoa Khoa học Ứng dụng, trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP.HCM Phịng thí nghiệm Cơng nghệ Nano, ĐHQG TP.HCM. [2]. Xử lý ảnh, PGS-TS Nguyễn Quang Hoan – Học viện cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng, 2006. [3]. Nhập mơn xử lý ảnh sớ.ươ L ng Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thuỷ. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2003. 9
10. TIẾNG NƯỚC NGỒI [4]. Design of a Semi-Autonomous Parking Assist System, 2008, của Emese Sz´adeczky- Kardoss and B´alint Kiss and Istv´an Wahl. [5]. Parking Aid System, 2002, của Yasuo Shimizu, Yasuharu Ohyama, Katsuhiro Sakai [6]. Automatic Steering System for Vehicle , 1999, của Yasuo Shimizu, Katsuhiro Sakai. [7]. Parking assist system, 2000, của Kazuhiro Saklyama, Toshihiro Shimiru, Kazuya Sako [8]. IMAQ Vision for LabVIEWTM User Manual, 2003, của ni.com [9]. User guide NI-IMAQ for usb Cameras của ni.com [10]. Basic Vision with LabVIEW , 2002, của Raul G.Longoria. [11]. Image Acquisition and Processing with LabVIEW, 2004, của Christopher G,Relf. [12]. NI Vision Assistant Tutorial, 2003, của ni.com [13]. NI Vision Biulder for Automated Inspection Tutorial, 2009, của ni.com [14]. NI Concepts Manual, 2007, của ni.com WEB [15]. [16]. [17]. [18]. XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN. PGS. TS Đỗ Văn Dũng . 10
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CƠNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên cĩ 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 cĩ sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CĨ 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.