Luận văn Thạc sĩ: Mô hình điều khiển cho người lái xe - Cao Văn Thành

Luận văn thạc sĩ ngành Cơ khí động lực nghiên cứu mô hình điều khiển người lái xe. Phân tích lý thuyết, thiết kế mô hình và kết quả khảo sát thực nghiệm.

• Tác giả: Cao Văn Thành
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Phúc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Mô Hình Điều Khiển Cho Người Lái Xe
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và tầm quan trọng của mô hình điều khiển người lái xe

Mô hình điều khiển người lái xe là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật cơ khí động lực, tập trung vào việc phân tích và mô phỏng hành vi điều khiển của tài xế. Luận văn Thạc sĩ năm 2014 của Cao Văn Thành từ Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã đề cập đến mô hình toán học điều khiển lái xe nhằm giảm thiểu tai nạn giao thông. Nghiên cứu này kết hợp các yếu tố sinh học, kỹ thuật điều khiển và công nghệ mô phỏng để tạo ra một hệ thống điều khiển tích hợp giúp người lái xe an toàn hơn trên đường.

1.1. Đặc điểm sinh học của người lái xe

Cơ chế sinh học của tài xế bao gồm các quá trình thị giác, phản xạ thần kinh cơ và điều khiển cơ chủ động. Người lái xe tiếp nhận thông tin từ môi trường xung quanh thông qua mắt, tai và các cảm biến khác, sau đó xử lý thông tin trong não để đưa ra quyết định điều khiển. Quá trình điều khiển cơ bao gồm việc điều chỉnh tay lái, bàn đạp ga, phanh và tay số để duy trì hướng đi và tốc độ an toàn.

1.2. Ứng dụng công nghệ trong mô hình điều khiển

Công nghệ mô phỏng City Car Driving được sử dụng để tạo môi trường thực tế ảo cho mô hình điều khiển lái xe. Phần mềm LabVIEW được áp dụng để lập trình điều khiển và thu thập tín hiệu từ các cảm biến. Kết hợp với cơ cấu lái đo lường xoay vòng, hệ thống có khả năng chuyển đổi chuyển động vật lý thành tín hiệu điều khiển kỹ thuật số cho máy tính.

II. Cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển xe

Mô hình xe và người lái là nền tảng lý thuyết cho nghiên cứu này. Luận văn Thạc sĩ 2014 phân tích mô hình toán học của xe bao gồm động lực học, động học và các đặc tính hệ thống treo. Mô hình điều khiển lái xe với đặc tính thần kinh cơ tính đến thời gian phản ứng, độ chính xác điều khiển và các yếu tố sinh lý của người lái. Hai chiến lược điều khiển chính được nghiên cứu là điều khiển bù hướng xe di chuyển và điều khiển đường di chuyển xem trước của xe, giúp tối ưu hóa an toàn lái xe.

2.1. Mô hình động lực học của phương tiện

Mô hình xe được xây dựng dựa trên các phương trình động lực học mô tả chuyển động của xe trong mặt phẳng ngang. Mô hình này bao gồm khối lượng xe, lực tác dụng từ bánh xe, góc lái và gia tốc. Những yếu tố này cho phép mô phỏng chính xác hành vi của xe khi tài xế điều khiển. Các tham số kỹ thuật như chiều dài cơ sở, vị trí trọng tâm được tích hợp để tăng độ tin cậy của mô hình.

2.2. Chiến lược điều khiển bù hướng và xem trước

Điều khiển bù hướng xe di chuyển là phương pháp hiệu chỉnh hướng di chuyển thực tế so với đường mong muốn, phản ứng với sai lệch hiện tại. Điều khiển xem trước dự báo quỹ đạo tương lai của xe để điều khiển trước các sai lệch. Kết hợp hai chiến lược này tạo ra hệ thống điều khiển tích hợp giúp người lái xe duy trì hướng đi ổn định và an toàn giao thông.

III. Thiết kế và lập trình mô hình điều khiển xe

Thiết kế mô hình điều khiển xe trong luận văn Thạc sĩ 2014 bao gồm nhiều thành phần quan trọng. Cơ cấu lái được thiết kế để chuyển đổi chuyển động xoay của vô lăng thành tín hiệu điều khiển kỹ thuật số. Hệ thống mạch điện điều khiển được xây dựng để xử lý tín hiệu từ các cảm biến. Cơ cấu điều khiển tay số cho phép người lái xe mô phỏng chuyển số trong xe thực tế. Khung mô hình điều khiển lái được thiết kế vững chắc để đảm bảo an toàn và tính chính xác. Lập trình LabVIEW tạo ra giao diện thu thập tín hiệu và xử lý dữ liệu thời gian thực, cho phép mô phỏng động tác lái xe trên phần mềm City Car Driving.

3.1. Các thành phần phần cứng của mô hình

Cơ cấu lái sử dụng cảm biến góc quay để phát hiện chuyển động vô lăng. Hệ thống điều khiển mạch điện gồm vi điều khiển và mạch điều khiển động cơ để điều hành các thành phần. Cơ cấu tay số được thiết kế với công tắc điện tử để chuyển số trong mô phỏng. Toàn bộ thiết bị được lắp ráp trên khung nhôm vững chắc đảm bảo tính ổn định và độ chính xác trong quá trình sử dụng thực tế.

3.2. Thuật toán lập trình và xử lý tín hiệu

Thuật toán thu thập tín hiệu được lập trình trong LabVIEW để đọc dữ liệu từ cảm biến với tốc độ thời gian thực. Xử lý tín hiệu bao gồm lọc nhiễu và hiệu chuẩn để đảm bảo độ chính xác cao. Lập trình điều khiển chuyển đổi tín hiệu cảm biến thành lệnh điều khiển cho phần mềm City Car Driving, tạo ra trải nghiệm lái xe tương tác cho người dùng.

IV. Kết quả khảo sát và đánh giá thực nghiệm

Khảo sát thực nghiệm được tiến hành với nhiều người lái xe tham gia để đánh giá hiệu quả mô hình điều khiển. Môi trường khảo sát mô phỏng các tình huống lái xe khác nhau bao gồm đường thẳng, cua giao lộ và tránh chướng ngại vật. Giao diện thu thập tín hiệu cung cấp thông tin thời gian thực về góc lái, tốc độ xe và vị trí trên đường. Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình điều khiển có khả năng dự báo hành vi lái xe và cải thiện an toàn giao thông. So sánh đánh giá kết quả giữa các trường hợp khác nhau cho thấy hiệu quả của mô hình trong các điều kiện lái xe đa dạng.

4.1. Phương pháp và chuẩn bị khảo sát

Khảo sát thực nghiệm được tiến hành với những người lái xe có kinh nghiệm để đảm bảo tính thực tế của dữ liệu. Môi trường khảo sát được thiết lập trên phần mềm City Car Driving với các bình cảnh lái xe tiêu biểu. Giao diện thu thập dữ liệu hiển thị tín hiệu từ vô lăng và phản ứng của mô hình. Mỗi kịch bản lái xe được chuẩn bị kỹ lưỡng để kiểm tra các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến hành vi điều khiển.

4.2. Phân tích và đánh giá kết quả

Kết quả thực nghiệm được phân tích qua ba trường hợp khác nhau để đánh giá toàn diện mô hình điều khiển. So sánh kết quả giữa các tình huống lái xe cho thấy độ chính xác và tính tin cậy của mô hình. Đánh giá định lượng sử dụng các chỉ số hiệu suất như sai lệch quỹ đạo và thời gian phản ứng để xác định hiệu quả. Hướng phát triển đề tài bao gồm cải tiến thuật toán và mở rộng ứng dụng cho các loại xe khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO VĂN THÀNH MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO NGƯỜI LÁI XE NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 S K C0 0 4 4 2 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO VĂN THÀNH MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO NGƢỜI LÁI XE NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO VĂN THÀNH MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO NGƢỜI LÁI XE NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 Hướng dẫn khoa học: TS. LÊ THANH PHÚC Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014 i LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: CAO VĂN THÀNH Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02/06/1989 Nơi sinh: Nghệ An Quê quán: Nghệ An Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: Xóm Hợp Nhân, Châu Đình, Quy Hợp, Nghệ An Đơn vị công tác: Trường Cao Đẳng Nghề số 8 (BQP), đường Bùi Huy Hòa, Kp 3, phường Long Bình Tân, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai Điện thoại đơn vị: 0613.082 Điện thoại riêng: 0986.379 E-mail: thanhcko12b@gmail.

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung cấp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ Nơi học: Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 09/ 2011 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định Ngành học: Cơ khí động lực Tên đồ án tốt nghiệp: (Thi tốt nghiệp Đại Học) Ngày & nơi thi tốt nghiệp: 07/2011,tại Trường Đh Sư Phạm Kỹ Thuật NamĐịnh Giảng viên hướng dẫn III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ10/2011 Trường cao đẳng nghề số 8 Giảng viên khoa cơ khí động lực đến nay (BQP) Tp.

Đồng nai ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Ký tên iii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài,Tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của tập thể Ban Giám hiệu, Khoa Sau Đại học, Khoa Cơ Khí Động Lực, giảng viên, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.Tôi xin bày tỏlòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Tiến SĩLê Thanh Phúc trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho Tôi hoàn thành luận văn này.

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp của Tôi và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ Tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014 Học viên thực hiện iv MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận của cán bộ hướng dẫn Lý lịch khoa học .ii Lời cam đoan. iii Lời cảm ơn.

vi Mục lục .vii Danh sách các chữ viết tắt. ix Danh sách các hình. xi Danh sách các bảng. xiii Chƣơng 1.1 Tổng quan chung vể lĩnh vực nghiên cứu .2 Mục đích của đề tài .3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài .1 Nhiệm vụ của đề tài.2 Giới hạn của đề tài .4 Phƣơng pháp nghiên cứu.1 Cơ chế sinh học và điều khiển cơ của ngƣời lái xe .1 Cơ chế sinh học .2 Quá trình điều khiển cơ của người lái xe .2 Cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển xe .3 Mô hình của xe và ngƣời lái .1 Mô hình xe .2 Mô hình điều khiển lái xe với đặc tính thần kinh cơ.4 Mô hình điều khiển cho ngƣời lái xe .1 Điều khiển bù hướng xe di chuyển .2 Điều khiển đường di chuyển xem trước của xe .5 Tổng quan về kỹ thuật lái xe .1 Khái quát hệ thống buồng lái ô tô .2 Kỹ thuật cơ bản lái xe ô tô .3 Phương pháp lái xe ôtô trên các loại đường khác nhau .6 Điều kiện sức khỏe của ngƣời lái xe .7 Phần mền LabVIEW.2Lập trình với LabVIEW.

THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN XE.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng City Car Driving .2 Thiết kế mô hình điều khiển xe .1 Phương pháp chuyể n đổ i tín hi ệu xoay của trục vô lăng thành tín hiệu điều khiển của chuột máy tính .2 Thiết kế cơ cấu lái .3 Thiết kế hệ thống mạch điện điều khiển mô hình lái .4 Thiết kế cơ cấu điều khiển tay số .5 Thiết kế khung mô hiǹ h điề u khiể n lái .6 Sản phẩm thi công mô hình điều khiển xe .3 Lập trình điều khiển mô hình điều khiển lái .1 Thuật toán thu thập tín hiệu và điều khiển lái .2 Lập trình điều khiển và thu thập số liệu. KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .1 Phƣơng án khảo sát .1 Người lái xe tham gia khảo sát.2 Môi trường khảo sát .2 Giao diện thu thập và xử lý tín hiệu .3 Kết quả thực nghiệm .1 Kết quả thực nghiệm trong trường hợp một.2 Kết quả thực nghiệm trong trường hợp hai .3 Kết quả thực nghiệm trong trường hợp ba .4 So sánh đánh giá kết quả .2 Hƣớng phát triển đề tài. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 60 ix Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung vể lĩnh vực nghiên cứu Tai nạn giao thông là một trong những vấn đề quan tâm lớn nhất của từng cá nhân, xã hội và đặc biệt trong ngành sản xuất xe luôn phát triển hoàn thiện các hệ thống dưới rất nhiều chức năng nhằm đảm bảo sự an toàn cho người lái cũng như hành khách, hàng hóa từ những giải pháp an toàn chủ động, an toàn bị động đến kết hợp an toàn chủ-bị động trên xe.

Tuy nhiên, trong những năm gần đây số lượng tai nạn giao thông xẩy ra ngày càng tăng. Theo thống kê, phân tích các vụ tai nạn giao thông đường bộ đã cho thấy rằng các yêu tố về con người là nguyên nhân chính, chiếm 85o/o vụ tai nạn giao thông đường bộ [1]. Nguyên nhân dẫn đến tình trạng này, là do mất điều khiển của người lái xe hay quá trình điều khiển xe không đạt hiệu quả như mong muốn. Do đó, vấn đề nghiên cứu và đánh giá hiệu quả của quá trình tương tác giữa người và xe là mục đích nghiên cứu của đề tài này.

Trong nhiều thập kỷ qua, nhiều nhà khoa học, kỹ sư trên thế giới đã nghiên cứu và mô tả sự tương tác giữa người - xe. Phần lớn các nghiên cứu này đều hướng về sự mô tả đặc điểm hành vi của người lái xe, xác định được các giá trị giới hạn dựa trên điều kiện vị trí của xe với các yếu tố môi trường và phát triển các mô hình điều khiển xe [2, 3]. Gần đây, các mô hình điều khiển của người lái xe đã được các hãng sản xuất xe nghiên cứu, phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong thực tế. MacAdam [4] đã xây dựng được mô hình đường đi xem trước.

Mô hình này giúp người lái điều khiển xe đi theo con đường mong muốn bằng cách dự đoán con đường phía trước và liên kết chặt chẽ khả năng dự đoán của người lái xe với thời gian phản ứng. Các thuật toán điều khiển cho mô hình này là những vòng lặp kín trên các hệ thống điều khiển xe. Weir và McRuer [5]đã nêu các quan điểm và lý thuyết điều khiển làm cơ sở khoa học cho việc phân tích động lực học kiểm soát tay lái. Kết quả hệ thống điều khiển xe đánh giá được các thành phần làm ảnh hưởng đến các phương trình chuyển 1 động học của xe.

Nghiên cứu cũng đề xuất một chức năng gần như tuyến tính đặc trưng cho sự phản ứng chậm trễ, chức năng mô tả được sử dụng để phân tích một kết nối mô hình hai bậc tự do của xe và hành vi của người lái xe. Nghiên cứu kết luận rằng người lái xe chủ yếu đáp ứng tốc độ hướng chuyển động và góc lái tỉ lệ thuận với tốc độ hướng chuyển động của xe. Legouis [6] đã đề xuất ra các kỹ thuật tối ưu hoá để ước tính các hệ số điều khiển của người lái xe, bao gồm lỗi vị trí dịch dọc, lỗi tỷ lệ quay vòng và góc lái bánh xe trước. Một mô hình theo dõi bù tối ưu để thu được các giá trị, thông số khác nhau của xe.

Sheridan [7] sử dụng một kỹ thuật lập trình động lực học để thu được vùng quỹ đạo tối ưu trong khoảng thời gian xem trước sử dụng một thuật toán vòng lặp. Ba mô hình được đề xuất để dự đoán sự phản hồi của người lái xe. Mô hình đầu tiên được gọi là mô hình vòng mở rộng vòng tuyến tính.Mô hình thứ hai dùng để thử nghiệm thời gian phản ứng với mô hình động lực học sử dụng một dãy thuật tính toán lặp di lặp lại để đoán trước thời gian nhanh, trể so với thời gian thực.Mô hình cuối cùng tính toán, cập nhật nhiều lần trong chiến lược điều khiển tối ưu trong khoảng thời gian xem trước của đầu vào.Nghiên cứu kết luận rằng ba mô hình đề xuất cho điều khiển xem trước hạn chế tốt hơn so với kỹ thuật mô tả thông thường. Kondo [8] đề xuất một mô hình dự báo đường đi bậc nhất tuyến tính, nghiên cứu, đánh giá sự thuận lợi điều khiển của người lái xe và giả định sự chậm trễ của người lái xe là không đáng kể.

Mô hình dự đoán một cách hiệu quả việc thực hiện điều khiển hướng di chuyển của người lái xe khi chuyển động bên là tương đối nhỏ. Allen [9] 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 nganggắn với một kết cấu điều khiển của xe.