CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY Các hệ thống giám sát và điều hướng trên xe luôn được nghiên cứu, cải tiến với mục đích giúp tối ưu hóa hiệu suất và bảo vệ phần cứng trên xe. Với sự phát triển công nghệ hiện nay, các hệ thống định vị ngày càng được phát triển và cho một độ chính xác đủ để đưa ra giải thuật điều hướng phù hợp cho xe thường được ứng dụng vào các công viên hoặc sân bay nơi có địa hình rộng ít vật cản. LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình phát triển bởi National Instruments giúp tối ưu hóa tính toán các giải thuật phức tạp việc thiết kế giao diện, thời gian lập trình, nên đây là sự lựa chọn tốt trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác, và các dữ liệu được cập nhật liên tục. Hệ thống giám sát và điều hướng trên xe chính là ví dụ về ứng dụng đòi hỏi các phép tính đều phải trả số liệu về liên tục, đưa ra các giải thuật đáp ứng tức thời cho hệ thống nên LabVIEW là sự lựa chọn tối ưu.
Để tối ưu cho ngôn ngữ lập trình này nhóm thực hiện quyết định chọn phần cứng là Kit NI myRIO 1900 chính do National Instruments sản xuất. Với mục đích nghiên cứu cũng như vận dụng những kiến thức đã biết vào ngôn ngữ lập trình mới này, cũng như có tính ứng dụng cao, nhóm thực hiện quyết định lựa chọn đề tài “ỨNG DỤNG KIT NI MYRIO VÀO HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU HƯỚNG TRÊN XE”. Với mục tiêu xây dựng một phần mềm giám sát các phần cứng trên xe, cũng như đưa ra giải thuật giúp xe có khả năng điều hướng tự đến vị trí đã được thiết lập.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Đối với các hệ thống giám sát trên xe cần phải có sự phản hồi nhanh để khắc phục những sự cố hoặc dự đoán những rủi ro có thể xảy ra đối với hệ thống khi hoạt động bất thường. LabVIEW là ngôn ngữ lập trình giúp tối ưu hóa thời gian vận hành của hệ thống, với những yêu cầu đòi hỏi phải xử lý song song và đưa ra các kết quả ngay lập tức như hệ thống giám sát trên xe.
Kit NI myRIO đã được thiết kế để tối ưu cho ngôn ngữ lập trình này với cấu trúc tạo nên từ FPGA, cho phép xử lý nhiều công việc song song, đã giúp giải quyết một bài toán là thời gian đáp ứng của hệ thống, điều mà gây ra khó khăn cho các vi điều khiển hiện tại. 1 Ngoài ra điểm mạnh của đồ án là có tích hợp GPS để điều hướng điều hướng trong 1 khu vực đã thiết lập trước, bằng cách xây dựng, thống kê và vẽ lại biểu đồ trên LabVIEW, một ngôn ngữ lập trình với đặc điểm cho phép thực thi các ứng dụng về đồ họa và thống kê số liệu một cách nhanh chóng. Các thuật toán điều hướng giúp xe tìm ra được hướng di chuyển tối ưu nhất đến vị trí thiết lập.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nhằm nghiên cứu ngôn ngữ lập trình LabVIEW cũng như giao tiếp phần cứng của Kit NI myRIO. Trong quá trình thực hiện, nhóm thực hiện muốn kiểm định lại những gì đã học cũng như tự tìm hiểu qua các nguồn khác nhau từ đó mà có thể mang đến một ứng dụng thiết thực.
Việc giao tiếp NI myRIO với các phần cứng quen thuộc đã học và gặp qua, cũng như giao tiếp với các vi điều khiển. Việc xây dựng một hệ thống giám sát và điều hướng bằng GPS trên xe đã giúp nhóm thực hiện đề tài có thêm nhiều kiến thức và định hướng cho xe tự hành.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Nghiên cứu về nguyên tắc vận hành của các hệ thống giám sát trên xe và dùng GPS để thiết lập thành một sơ đồ giúp điều hướng cho xe. Thi công phần cứng, mô hình xe thực tế để kiểm nghiệm lại những cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu được, đưa ra những giải pháp tối ưu trong quá trình thiết kế phần cứng và lập trình. Thống kê các số liệu sau khi hoàn thành và cho chạy thử hệ thống để đánh giá tính ổn định và khả năng ứng dụng vào thực tế từ đó đưa ra các giải pháp cải tiến mà đồ án còn thiếu hoặc chưa làm được.5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Về phần mềm: • Đề tài tập trung vào thiết kế và tối ưu hệ thống giám sát và điều hướng trên xe dựa vào lập trình bằng phần mềm LabVIEW.
• Tính toán các hướng di chuyển dựa vào tọa độ GPS của điểm hiện tại so với điểm đến. • Ứng dụng Data Dashboard để giám sát hệ thống qua điện thoại. • Giải thuật PID ứng dụng vào trong hệ thống điều khiển. Các phần cứng nghiên cứu chủ yếu bao gồm: • Kit NI myRIO 1900: Nghiên cứu phần cứng, cách hoạt động và điều khiển, lập trình LabVIEW trên kit, tối ưu hóa lại chương trình.
• Động cơ tích hợp Encoder: Cách đọc tín hiệu Encoder trả về, điều khiển động cơ theo tốc độ mong muốn. 2 • Module GPS NEO-M8N-0-10: Nghiên cứu về cấu tạo, cách đọc dữ liệu từ Module, công nghệ giúp Module cải thiện độ chính xác. • Module la bàn số HMC5883L: Nghiên cứu cấu tạo, cách đọc dữ liệu từ Module, các công thức tính toán phù hợp. • Arduino UNO: Cách giao tiếp dữ liệu giữa Arduino với kit NI myRIO, và các Module và cảm biến khác.
• Module SIM800A: Tìm hiểu về phần cứng, cách thức giao tiếp với Module.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để thực hiện được đề tài, cần phải nắm vững các kiến thức về nền tảng vi điều khiển, quy tắc hoạt động của các phần cứng, có nền tảng về ngôn ngữ lập trình LabVIEW, các quy tắc về truyền nhận dữ liệu, thống kê các số liệu đã thu thập được. Thiết kế hệ thống, chạy thực tế và kiểm nghiệm.7 BỐ CỤC ĐỒ ÁN Chương 1: Tổng quan: Đưa ra tình hình nghiên cứu hiện nay, tính cấp thiết của đề tài, đưa ra lý do chọn đề tài và những ứng dụng thực tiễn của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Giới thiệu chi tiết về các phần cứng của hệ thống, các khái niệm và lý thuyết được vận dụng trong đề tài. Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống: Trình bày cách thiết kế của từng khối trong hệ thống qua việc tính toán, đưa ra sơ đồ hoàn thiện của hệ thống, xây dựng và đưa ra các cách vận hành hợp lý của hệ thống dựa trên những lý thuyết có sẵn.
Chương 4: Thi công – Tính toán – Lập trình cho hệ thống: Dựa trên các số liệu đã tính toán và mô phỏng ở Chương 3 từ đó thi công phần cứng thực tế. Phân tích các giải thuật để tìm hướng lập trình phù hợp cho hệ thống. Chương 5: Kết quả - Kiểm tra – Đánh giá: Sau khi đã thi công và vận hành phần cứng thực tế, sẽ kiểm tra và thống kê lại số liệu từ đó tìm ra được những điểm giống và khác nhau so với lý thuyết, cũng như đánh giá độ ổn định của hệ thống, những nhược điểm còn tồn tại. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển: Nêu ra những gì đã thực hiện được, và hướng phát triển đề tài sau này.
3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRÊN XE Hệ thống giám sát trên xe được trang bị phổ biến trên các dòng xe hiện đại. Chức năng của hệ thống này tập trung vào việc thu thập các dữ liệu liên quan đến vị trí của xe, hành trình, hướng di chuyển, vận hành của các phần cứng bên trong xe bao gồm vận tốc, năng lượng hiện tại, … Hiện nay các thiết bị giám sát hành trình xe là những thiết bị chuyên dụng được gắn trên ô tô nhằm mục đích theo dõi vị trí của xe.1: Hệ thống hiển thị giám sát trên xe thực tế Đối với một hệ thống giám sát không chỉ bao gồm việc hiển thị và cài đặt mà còn phải đưa ra các giải thuật phù hợp để đảm bảo an toàn cho thiết bị. Không những vậy một hệ thống giám sát đầy đủ không chỉ bao gồm việc cập nhật giá trị hiện tại, mà còn phải ghi lại được hành trình trong quá trình vận hành của thiết bị. Trong phạm vi đề tài nhóm sẽ tập trung nghiên cứu tạo nên một hệ thống giám sát bao gồm các việc: ➢ Giám sát tốc độ và điều khiển tốc độ động cơ.
➢ Giám sát mức năng lượng còn lại trong xe để duy trì hoạt động. ➢ Giám sát các đối tượng xung quanh xe để đưa ra cảnh báo khi đối tượng đến gần. ➢ Giám sát hành trình, tọa độ vị trí hiện tại của xe, thu thập, ghi lại các thông số trong suốt quá trình hoạt động. 4 ➢ Cho phép điều hướng đưa ra hướng di chuyển tối ưu tới điểm đến đã được biết trước.2 GIỚI THIỆU VỀ LABVIEW [1][14] LabVIEW là phần mềm lập trình đồ họa hay gọi là lập trình G (Graphical) được sản xuất và phát triển bởi National Instruments, được ứng dụng vào các công việc như mô phỏng, đo lường điều khiển.
LabVIEW có khái niệm lập trình khác với các ngôn ngữ truyền thống như C, được lập trình bằng các khối hình ảnh giao tiếp dữ liệu với nhau (hay thường gọi là lập trình kéo thả) cũng như cho phép chạy được nhiều vòng lặp cùng một lúc đã giúp giải quyết được vô số các bài toán phức tạp yêu cầu phải trả về các kết quả tại 1 thời điểm. Hiện LabVIEW được phát triển và chạy được trên các hệ điều hành Windows, Mac OS, Linux.2: Phần mềm lập trình LabVIEW LabVIEW cung cấp cho người dùng khả năng tạo ra ứng dụng một cách cực kỳ nhanh chóng khi so sánh với Visual Basic hay Matlab. Không những vậy việc tạo ra các file ghi nhận lại dữ liệu thu thập được khi thực thi một tác vụ nào đó, LabVIEW cũng đã hỗ trợ rất nhiều. LabVIEW nổi tiếng với các ứng dụng như điều khiển, giám sát và hỗ trợ rất nhiều trong xử lý ảnh.
Tuy nhiên với phạm vi đề tài đã nêu sẽ tập trung khai thác về ứng dụng điều khiển và giám sát mà LabVIEW mang lại. LabVIEW cung cấp các thuật toán điều khiển phổ biến như PID, Logic mờ (Fuzzy), khả năng giao tiếp với các chuẩn truyền thông hay sử dụng trong công nghiệp như: RS232, RS485, PCI,… 5 ,ứng dụng cho một loạt các nền tảng thời gian thực và lập trình FPGA. Vì vậy, đồ án sẽ tập trung nghiên cứu những lợi thế đó mà LabVIEW đã cung cấp.3: Các phần cứng sử dụng LabVIEW Hình 2.