I. Mở đầu
Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ và nhu cầu ngày càng cao về an toàn giao thông, việc nghiên cứu và phát triển bộ điều khiển tự động cho xe tự hành trở nên cần thiết. Luận văn này tập trung vào việc xây dựng bộ điều khiển dự báo bám quỹ đạo cho xe tự hành sử dụng phương pháp Model Predictive Control (MPC). Mục tiêu chính là cải thiện khả năng điều khiển và giảm thiểu tai nạn giao thông, đồng thời ứng dụng vào nông nghiệp hiện đại. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong nông nghiệp không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu sức lao động của con người.
1.1 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của nghiên cứu là xây dựng một mô hình xe tự hành có khả năng bám quỹ đạo chính xác thông qua việc áp dụng thuật toán điều khiển dự báo. Nghiên cứu sẽ thực hiện mô phỏng trên Matlab Simulink để đánh giá tính khả thi của bộ điều khiển. Ngoài ra, việc so sánh với các bộ điều khiển truyền thống như Stanley cũng được thực hiện để đánh giá hiệu quả của MPC. Đặc biệt, luận văn còn hướng đến việc ứng dụng vào các máy kéo trong nông nghiệp, nhằm thay thế vai trò của con người, từ đó góp phần nâng cao hiệu suất làm việc.
II. Mô hình và hệ thống điều khiển
Mô hình xe tự hành được xây dựng dựa trên cấu trúc xe 4 bánh, bao gồm hệ thống lái và điều khiển động cơ. Hệ thống phần cứng gồm có các cảm biến như IMU và GPS để thu thập dữ liệu và điều hướng xe. Việc xây dựng hệ thống điều khiển không chỉ đảm bảo tính chính xác trong việc bám quỹ đạo mà còn đảm bảo độ ổn định trong quá trình di chuyển. Hệ điều hành cho robot được sử dụng để quản lý và điều phối hoạt động của các thiết bị, từ đó tối ưu hóa quy trình điều khiển và giảm thiểu sai số trong việc thực hiện lệnh.
2.1 Xây dựng mô hình xe tự hành
Mô hình xe tự hành được thiết kế với hệ thống bẻ lái và động cơ điều khiển độc lập, giúp xe di chuyển chính xác hơn. Mô hình này sẽ được kiểm tra thông qua các bài thực nghiệm để đánh giá khả năng bám quỹ đạo. Các thông số kỹ thuật của mô hình xe như kích thước, khối lượng và tốc độ được xác định rõ ràng để đảm bảo tính khả thi trong các bài thử nghiệm thực tế. Việc sử dụng cảm biến GPS-RTK cho phép xác định vị trí với độ chính xác cao, từ đó nâng cao hiệu quả của bộ điều khiển dự báo.
2.2 Hệ thống phần cứng
Hệ thống phần cứng bao gồm một bảng điều khiển chính và các board phụ để điều khiển động cơ và cảm biến. Máy tính nhúng kết nối với các cảm biến và truyền dữ liệu lên trạm giám sát, từ đó thực hiện điều khiển xe. Hệ thống này không chỉ giúp thu thập dữ liệu mà còn cho phép điều khiển xe từ xa qua kết nối không dây, đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả trong quá trình vận hành. Việc áp dụng công nghệ hiện đại trong phần cứng giúp tối ưu hóa quy trình điều khiển và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.
III. Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy bộ điều khiển MPC hoạt động hiệu quả trong việc bám quỹ đạo. Các thông số được khảo sát cho thấy khả năng điều khiển của bộ điều khiển này vượt trội hơn so với các bộ điều khiển truyền thống như Stanley. Việc mô phỏng các quỹ đạo khác nhau giúp đánh giá được tính linh hoạt và khả năng thích ứng của bộ điều khiển trong các tình huống thực tế. Những số liệu thu được từ mô phỏng sẽ là cơ sở để thực hiện các bài thử nghiệm thực tế sau này.
3.1 Thiết lập chương trình mô phỏng
Chương trình mô phỏng được thiết lập với các tham số cụ thể nhằm kiểm tra hiệu quả của bộ điều khiển dự báo. Các bài khảo sát được thực hiện để đánh giá sự ổn định và chính xác của xe khi di chuyển theo quỹ đạo đã định. Kết quả cho thấy bộ điều khiển MPC có khả năng điều chỉnh góc bẻ lái một cách chính xác, từ đó giảm thiểu sai số trong quá trình bám quỹ đạo. Điều này chứng minh tính khả thi của phương pháp điều khiển dự báo trong việc điều khiển xe tự hành.
IV. Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển PID hoạt động ổn định trong việc điều khiển hệ thống lái của xe tự hành. Các bài thực nghiệm được thực hiện trong môi trường thực tế với các quỹ đạo khác nhau, từ quỹ đạo thẳng đến quỹ đạo số 8, giúp đánh giá khả năng bám quỹ đạo của xe. Các số liệu thu được từ thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển MPC không chỉ vượt trội hơn về độ chính xác mà còn có khả năng thích ứng tốt hơn trong các tình huống khác nhau.
4.1 Thực nghiệm bộ điều khiển PID
Thực nghiệm bộ điều khiển PID cho thấy khả năng điều khiển ổn định trong các trường hợp khác nhau. Các giá trị đặt được thay đổi theo thời gian và bộ điều khiển vẫn duy trì được độ chính xác cao trong việc bám quỹ đạo. Kết quả này cho thấy tính khả thi của việc áp dụng các công nghệ hiện đại trong việc điều khiển xe tự hành, từ đó mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
V. Kết luận và hướng phát triển
Luận văn đã nghiên cứu và phát triển thành công bộ điều khiển dự báo bám quỹ đạo cho xe tự hành, chứng minh được tính hiệu quả và khả năng ứng dụng trong thực tế. Các kết quả từ mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển MPC có thể cải thiện đáng kể khả năng bám quỹ đạo của xe tự hành. Trong tương lai, nghiên cứu có thể mở rộng để áp dụng vào các lĩnh vực khác như nông nghiệp, giao thông vận tải, và các ứng dụng tự động hóa khác.
5.1 Hướng phát triển
Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là mở rộng khả năng của bộ điều khiển MPC để áp dụng cho các loại xe tự hành khác nhau, bao gồm cả xe tải và máy kéo. Việc tích hợp thêm các cảm biến và công nghệ mới sẽ giúp cải thiện tính chính xác và độ tin cậy của hệ thống điều khiển. Đồng thời, nghiên cứu cũng sẽ xem xét việc áp dụng các thuật toán học máy để tối ưu hóa quá trình điều khiển và nâng cao hiệu suất của xe tự hành trong các tình huống phức tạp.
