Chương 1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA XE TỰ LÁI 1. Lịch sử hình thành và phát triển của xe tự lái Hình 1.1 Con đường phát triển của xe tự lái 1 1. Xe “American Wonder” năm 1925 Hình 1.2 Xe American Wonder năm 1925 Francis P Houdina đã phát triển xe ô tô chạy bằng sóng radio đầu tiên. Ông đã trang bị trên chiếc Chandler 1926 với một ăng-ten nhận tín hiệu từ chiếc xe chạy theo phía sau.
Tín hiệu từ sóng radio sẽ điều khiển mọi chuyển động của xe chạy phía trước thông qua các động cơ điện nhỏ. Năm 1925 ông đã chứng minh với công chúng rằng chiếc xe của ông có thể chạy không người lái trên đường phố New York với tên “American Wonder”. Ông điều khiển xe của mình trên đường Broadway và xuống đại lộ Fifth Avenue nơi có mật độ giao thông dày đặc. Achen Motor, nhà phân phối xe hơi ở Milwaukee và vùng lân cận, đã sử dụng sáng chế của Houdina dưới cái tên Phantom Auto và đã trình diễn nó vào tháng 12 năm 1926 trên đường phố Milwaukee.
Nó đã được trình diễn lần nữa vào tháng 6 năm 1932 tại Fredericksburg như một điểm thu hút đặc biệt, trong đó hầu hết các thương gia của thành phố đều tham gia.3 Bài báo viết về chiếc xe chạy bằng sóng radio đầu tiên 3 1. Xe “Firebird” năm 1956 Hình 1.4 Xe Firebird năm 1956 Nhà thiết kế của chiếc xe, Harley Earl lấy cảm hứng từ những đổi mới trong thiết kế máy bay chiến đấu vào thời đó. Năm 1956 General Motors Firebird cho ra mắt mẫu xe Firebird phiên bản 2 sử dụng động cơ turbin công suất 200 HP, để giải quyết vấn đề của ống xả, chiếc xe cung cấp lượng khí thải thông qua một hệ thống tái tạo, cho phép toàn bộ động cơ hoạt động ở nhiệt độ gần 5380C. Firebird II là mẫu xe gia đình 4 chỗ, thân thiết kế thấp với hai lối vào không khí lớn ở phía trước, mui cao, cánh hướng gió sau đứng.
Lớp vỏ bên ngoài của nó được làm hoàn toàn bằng titan. Gương chiếu hậu được thay thế bằng một màn hình hình tròn nhỏ ở phía bên trái của bảng điều khiển, hình ảnh được thu thập từ 1 camera ở phía sau của xe. Phía trước mũi xe có đầu dò hai bên để xác định lai đường giữa. Xe có thể tự lái trên đường cao tốc khi ở chế độ dò lai giữa.
Xe " Chrysler Imperial " năm 1958 Hình 1.5 Xe Chrysler Imperial năm 1958 4 Cruise control được phát minh bởi kỹ sư cơ khí Ralph Teetor vào năm 1948. Ý tưởng của ông được sinh ra từ sự thất vọng khi đi chung xe với luật sư của mình, người tiếp tục tăng tốc và chậm lại khi ông nói chuyện. Chiếc xe đầu tiên có hệ thống của Teetor là Chrysler Imperial năm 1958 (được gọi là "Auto-pilot") sử dụng một chiếc quay số nhanh trên bảng điều khiển để duy trì tốc độ mong muốn. Hệ thống này tính toán tốc độ dựa trên vòng tua cáp đo tốc độ, cơ cấu chấp hành là một động cơ điện điều khiển vị trí bướm ga bằng trục vít.6 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của xe Auto-pilot năm 1958 Các bước kích hoạt Auto – Pilot: - Bước 1: Hình 1.7 Đồng hồ taplo hiển thị tốc độ của xe Điều chỉnh tốc độ của xe sao cho tốc độ hiện tại của xe không nhanh hơn tốc độ mong muốn duy trì.8 Điều chỉnh tốc độ mong muốn của Cruise control bước 2 Khi tốc độ của xe gần đạt tới giá trị tốc độ mong muốn, ta phải xoay núm điều chỉnh tốc độ để cài đặt tốc độ duy trì mong muốn.9 Điều chỉnh tốc độ mong muốn của Cruise control bước 3 Sau khi điều chỉnh xong, đạp ga cho đến khi cảm thấy bàn đạp ga trả ngược về, lúc này nhấn nút trên núp xoay.10 Xe tự duy trì tốc độ sau khi cài đặt Cruise control Đặt chân ra khỏi bàn đạp ga, xe sẽ tự động duy trì tốc độ 6 - Bước 5: Trong trường hợp muốn xe chậm lại hoặc tăng tốc, đạp phanh hoặc nhấn nút ở núm xoay lần nữa để hủy Auto – Pilot.
Xe “Standford Cart ” năm 1979 Hình 1.11 Xe Standford Cart năm 1979 Trong thập niên 60s – 70s, Standford Cart là mẫu xe thông minh được nghiên cứu. Chiếc xe Stanford Cart đã có những bước thăng trầm trong suốt 46 năm. Nó được sinh ra như là một nền tảng nghiên cứu để kiểm soát một chiếc xe chạy trên mặt trăng từ Trái Đất. Sau đó, nó được tái cấu trúc lại như 1 con robot chạy trên đường phục vụ nghiên cứu điều hướng thị giác.
Những năm 1960 – 1961, chiếc Stanford Cart phiên bản đầu tiên được chế tạo bởi kỹ sư cơ khí James L. Adams để hỗ trợ nghiên cứu của ông về vấn đề kiểm soát một chiếc xe từ xa sử dụng thông tin video.12 Xe Stanford Cart năm 1961 7 Năm 1966 Les Earnest, Giám đốc điều hành trung tâm nghiên cứu trí tuệ nhân tạo Standford (SAIL ) đã nói chuyện với James Adams, để cho SAIL sử dụng Standford Cart cố gắng tạo ra một con robot chạy trên đường bằng cách sử dụng điều khiển trực quan. SAIL đã được cấp phép truyền hình thử nghiệm bởi Ủy ban Liên lạc Liên bang cho kênh 22 và 23. Thử nghiệm đã bắt đầu với một người điều khiển Standford Cart qua máy tính dựa trên hình ảnh truyền hình.
Điều này cho phép họ lái xe quanh khu phố trong khi ngồi ở bàn thông qua hình ảnh truyền về. Standford Cart sử dụng bộ vi xử lý KA10, tốc độ khoảng 0,65 MIPS, có thể chạy tự động theo một đường trắng tương phản cao dưới điều kiện ánh sáng được kiểm soát với tốc độ khoảng 0,8 mph (1,3 km/h).13 Xe Standford Cart năm 1977 8 Năm 1977 Hans Moravec, người đã đến Stanford để làm điều khiển trực quan tranh thủ sự giúp đỡ của Victor Scheinman để xây dựng một "thanh trượt", một cái xoay cơ khí chuyển máy quay phim từ bên này sang bên khác cho phép thu được nhiều góc độ mà không cần di chuyển xe. Sử dụng bộ vi xử lý KL10 tốc độ khoảng 2,5 MIPS, Standford Cart đã có thể sử dụng tầm nhìn đa giác để di chuyển chậm chạp xung quanh những chướng ngại vật trong một môi trường được kiểm soát. Standford Cart di chuyển một mét bằng cách dừng khoảng 10 – 15 phút để xử lý hình ảnh và lập kế hoạch tuyến đường.
Năm 1979, Standford Cart đã vượt qua được một phòng đầy ghế mà không có sự can thiệp của con người trong khoảng 5 giờ đồng hồ. Xe “ VaMP ” năm 1995 Hình 1.14 Xe tự lái VaMP năm 1995 Xe không người lái VaMP là một trong những chiếc xe thực sự tự động đầu tiên. Họ đã có thể lái xe ở những đoạn đường dài không có sự can thiệp của con người, xe sử dụng máy tính xử lý hình ảnh để nhận ra các chướng ngại vật, tốc độ chuyển động nhanh như những chiếc xe khác tự động tránh và vượt qua chúng. VaMP được xây dựng bởi đội ngũ Ernst Dickmanns tại Đại học Bundeswehr Munich, đó là một chiếc Mercedes SEL 500 được thiết kế lại để có thể điều khiển vô lăng, ga và phanh thông qua máy tính dựa trên việc xử lý các chuỗi hình ảnh theo thời gian thực.
Do sức mạnh xử lý của máy tính bị hạn chế theo từng thời kỳ nên xử lý theo thời gian thực còn gặp nhiều khó khăn. Nhóm Dickmanns đã giải quyết được vấn đề bằng cách sử dụng sáng tạo kỹ thuật "4D Vision", bao gồm việc tách cạnh từ một hình ảnh và phân tích chúng trong khi tính đến thời gian trễ. Bốn máy ảnh với hai tiêu cự khác nhau cho mỗi bán cầu được sử dụng song song cho mục đích này, bộ lọc Kalman đã được mở rộng để xử lý hình ảnh tốt hơn ngay cả khi có nhiễu. 60 máy tính xử lý song song đã được sử dụng để giải quyết các yêu cầu tính toán khổng lồ.15 Hệ thống lái tự động trên xe VaMP Năm 1994, VaMP là ngôi sao của buổi trình diễn quốc tế cuối cùng của dự án PROMETHEUS vào tháng 10 năm 1994 ở Autoroute 1, gần sân bay Charles-de- Gaulle, Paris.
VaMP đã tự lái xe hơn 1000 km trong tình trạng giao thông bình thường trên đường cao tốc ba làn xe với tốc độ lên đến 130 km / h. Họ đã chứng minh việc chuyển làn trái và phải, tự động vượt qua những chiếc xe khác một cách an toàn. Một năm sau, xe tự lái VaMP đã chạy hơn 1609 km từ Munich đến Copenhagen và quay lại với tốc độ lên đến 180 km/h, một lần nữa xe tự xử lý để vượt qua xe khác an toàn. Tuy nhiên, chỉ trong một vài tình huống quan trọng như gặp các công trình đang thi công người lái xe phải chủ động hoàn toàn.
Cuộc thi xe không người lái “DARPA Grand Challenge ” Hình 1.16 Cuộc thi xe không người lái DARPA Grand Challenge năm 2004 10 Xe không người lái đã được theo đuổi trong nhiều năm qua, từ các nỗ lực ở Nhật Bản (bắt đầu từ năm 1977), Đức (Ernst Dickmanns và VaMP), Ý (Dự án ARGO), Liên minh châu Âu (Dự án EUREKA Prometheus), Hoa Kỳ và các nước khác. DARPA Grand Challenge là cuộc đua đường dài đầu tiên đối với những chiếc xe không người lái trên thế giới. Quốc hội Hoa Kỳ đã ủy quyền cho DARPA đưa ra giải thưởng 1 triệu USD cho giải Grand Challenge đầu tiên nhằm tạo điều kiện cho sự phát triển của robot. Sau sự kiện năm 2004, Tiến sĩ Tony Tether, Giám đốc DARPA đã thông báo rằng khoản tiền thưởng đã được tăng lên tới 2 USD cho sự kiện tiếp theo, được tuyên bố vào ngày 9 tháng 10 năm 2005.
Vị trí thứ nhất, thứ hai và thứ ba trong Cuộc thi Urban Challenge năm 2007 đã nhận được 2 USD, 1 triệu USD và 500000 USD. Cuộc thi đã mở cho các đội và các tổ chức từ khắp nơi trên thế giới, miễn là có ít nhất một công dân Hoa Kỳ trong danh sách. Các đội tham gia đến từ các trường trung học, đại học, doanh nghiệp và các tổ chức khác. Hơn 100 đội đăng ký trong năm đầu tiên, mang lại nhiều kỹ năng công nghệ cho cuộc đua.
Trong năm thứ hai, 195 đội từ 36 tiểu bang Hoa Kỳ và 4 nước ngoài tham gia cuộc đua. Cuộc thi đầu tiên của DARPA Grand Challenge đã được tổ chức vào ngày 13 tháng 3 năm 2004 tại vùng sa mạc Mojave của Hoa Kỳ dọc theo tuyến đường dài 150 dặm. Không có chiếc xe nào kết thúc tuyến đường.