Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu thiết kế hệ thống hỗ trợ đỗ xe

• Tác giả: Nguyễn Thái Vân
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khai Thác Và Bảo Trì Ô Tô Máy Kéo
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Hỗ Trợ Đỗ Xe Tại HCMUTE
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

I. Tổng quan về hệ thống hỗ trợ đỗ xe

Hệ thống hỗ trợ đỗ xe Park Assist được thiết kế nhằm giúp người lái xác định vị trí đỗ xe mục tiêu và điều khiển xe lùi vào đúng vị trí đó. Hệ thống này sử dụng công nghệ đỗ xe thông minh, cho phép người lái chỉ cần điều khiển tốc độ thông qua bàn đạp ga và phanh. Hệ thống bao gồm một camera thu thập hình ảnh và một máy tính để phân tích và xác định vị trí mục tiêu. Việc sử dụng công nghệ này không chỉ giúp giảm thiểu rủi ro va chạm mà còn nâng cao trải nghiệm lái xe. Theo nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ đỗ xe trong các phương tiện hiện đại đang ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng.

1.1. Lý do chọn đề tài

Lý do chọn đề tài này xuất phát từ nhu cầu ngày càng cao về quản lý đỗ xe trong các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh. Sự gia tăng số lượng phương tiện giao thông đã dẫn đến tình trạng ùn tắc và khó khăn trong việc tìm kiếm chỗ đỗ xe. Hệ thống hỗ trợ đỗ xe không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu căng thẳng cho người lái. Nghiên cứu này nhằm phát triển một giải pháp hiệu quả, sử dụng công nghệ hiện đại để cải thiện quy trình đỗ xe, từ đó góp phần vào việc phát triển hệ thống giao thông thông minh hơn.

II. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của hệ thống Park Assist bao gồm các khái niệm về điều khiển PID và xử lý ảnh. Điều khiển PID là một phương pháp phổ biến trong tự động hóa, cho phép điều chỉnh các thông số để đạt được hiệu suất tối ưu. Trong khi đó, xử lý ảnh là công nghệ giúp hệ thống nhận diện và phân tích hình ảnh từ camera. Việc kết hợp hai công nghệ này tạo ra một hệ thống mạnh mẽ, có khả năng xác định vị trí và điều khiển xe một cách chính xác. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các thuật toán xử lý ảnh tiên tiến có thể cải thiện đáng kể độ chính xác trong việc xác định vị trí đỗ xe.

2.1. Thuật toán điều khiển PID

Thuật toán điều khiển PID bao gồm ba thành phần chính: tỉ lệ, tích phân và vi phân. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh hành vi của hệ thống. Tỉ lệ giúp điều chỉnh nhanh chóng, tích phân giúp loại bỏ sai số tĩnh, và vi phân giúp giảm thiểu độ dao động. Việc áp dụng thuật toán này trong hệ thống hỗ trợ đỗ xe giúp cải thiện khả năng điều khiển và độ chính xác trong việc lùi xe vào vị trí đỗ. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các tham số PID có thể dẫn đến hiệu suất tốt hơn trong các tình huống thực tế.

III. Phần mềm ứng dụng

Phần mềm NI Vision Assistant được sử dụng để xử lý hình ảnh trong hệ thống Park Assist. Phần mềm này cung cấp các công cụ mạnh mẽ cho việc thu thập và phân tích hình ảnh, cho phép người dùng dễ dàng thực hiện các thao tác xử lý ảnh cần thiết. Các tính năng như phân tích cấu trúc đối tượng và nhận diện mẫu giúp hệ thống xác định vị trí đỗ xe một cách chính xác. Việc sử dụng phần mềm này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao hiệu quả trong quá trình phát triển hệ thống. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tích hợp phần mềm này vào hệ thống có thể cải thiện đáng kể khả năng nhận diện và điều khiển xe.

3.1. Các đặc điểm của NI Vision Assistant

NI Vision Assistant cung cấp nhiều tính năng hữu ích cho việc xử lý ảnh, bao gồm khả năng thu thập hình ảnh chất lượng cao và phân tích cấu trúc đối tượng. Phần mềm này cho phép người dùng dễ dàng thực hiện các thao tác như lọc, phân tích và nhận diện mẫu. Việc sử dụng NI Vision Assistant trong hệ thống hỗ trợ đỗ xe giúp cải thiện khả năng nhận diện và điều khiển xe, từ đó nâng cao trải nghiệm lái xe. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng phần mềm này có thể giúp giảm thiểu thời gian và công sức trong quá trình phát triển hệ thống.

IV. Kết luận

Nghiên cứu thiết kế hệ thống hỗ trợ đỗ xe tại HCMUTE đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ hiện đại có thể cải thiện đáng kể quy trình đỗ xe. Hệ thống Park Assist không chỉ giúp người lái dễ dàng xác định vị trí đỗ mà còn nâng cao độ an toàn và hiệu quả. Các kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và chính xác trong nhiều tình huống khác nhau. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc tích hợp thêm các tính năng thông minh hơn, như khả năng tự động tìm kiếm chỗ đỗ xe hoặc kết nối với các hệ thống giao thông thông minh khác.

4.1. Hướng phát triển của đề tài

Hướng phát triển của đề tài có thể tập trung vào việc cải thiện khả năng nhận diện và điều khiển của hệ thống. Việc tích hợp thêm các công nghệ như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể giúp hệ thống trở nên thông minh hơn. Ngoài ra, việc mở rộng khả năng tương tác với các hệ thống giao thông thông minh khác cũng là một hướng đi tiềm năng. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị trong lĩnh vực công nghệ ô tô mà còn góp phần vào việc phát triển hệ thống giao thông bền vững hơn trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng ô tô tại Việt Nam ngày càng gia tăng, việc phát triển các hệ thống hỗ trợ lái xe hiện đại trở nên cấp thiết nhằm nâng cao an toàn và tiện nghi cho người sử dụng. Hệ thống Park Assist, một công nghệ hỗ trợ đỗ xe tự động, đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới với nhiều tên gọi và mức độ hỗ trợ khác nhau. Tại Việt Nam, các dòng xe nhập khẩu cao cấp như Lexus, Mercedes Benz, Volkswagen Touran mới chỉ trang bị hệ thống này dưới dạng tùy chọn hoặc hỗ trợ quan sát, chưa có nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống Park Assist tích hợp điều khiển vô lăng tự động phù hợp với điều kiện trong nước.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống Park Assist nhằm hỗ trợ người lái quan sát và điều khiển quỹ đạo chuyển động khi lùi xe vào vị trí đỗ chính xác. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động ô tô khi lùi, phát triển thuật toán xử lý ảnh để xác định vị trí mục tiêu và điều khiển động cơ điện mô phỏng vô lăng bằng thuật toán PID. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ 2009 đến 2011 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với phạm vi tập trung vào mô hình thực nghiệm và xử lý ảnh trong môi trường không có nhiễu.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp công nghệ hỗ trợ đỗ xe tự động phù hợp với điều kiện Việt Nam, góp phần giảm thiểu tai nạn do hạn chế tầm quan sát khi lùi xe, đồng thời tạo cơ sở phát triển các hệ thống điều khiển tự động nâng cao trong ngành ô tô. Kết quả nghiên cứu cũng có giá trị ứng dụng trong đào tạo lái xe và phát triển các sản phẩm thương mại trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết quay vòng ô tô: Mô hình động học quay vòng của ô tô với hai bánh dẫn hướng phía trước, trong đó các bánh xe phải tuân thủ mối quan hệ góc quay để tránh trượt khi vào vòng cua. Công thức quan trọng là biểu thức liên hệ giữa góc quay bánh xe trong và ngoài, đảm bảo quỹ đạo chuyển động chính xác.

• Thuật toán điều khiển PID: Thuật toán điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân được sử dụng để điều khiển động cơ điện mô phỏng vô lăng. Ba thành phần P, I, D được điều chỉnh để đạt được độ ổn định và đáp ứng nhanh trong việc điều khiển góc quay vô lăng mô hình.

• Lý thuyết xử lý ảnh kỹ thuật số: Ảnh được số hóa thành ma trận điểm ảnh (pixel) với các đặc tính như độ phân giải, độ sâu bit, ảnh nhị phân, ảnh màu RGB. Các kỹ thuật xử lý ảnh như lọc, phân ngưỡng, phân tích mẫu (Particle Analysis) được ứng dụng để nhận diện vị trí mục tiêu đỗ xe từ hình ảnh thu thập.

• Mô hình động học chuyển động ô tô khi lùi: Phân tích quỹ đạo chuyển động của xe khi lùi dựa trên các góc lệch và bán kính quay vòng, từ đó xây dựng thuật toán điều khiển quỹ đạo lùi chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thu thập từ camera và cảm biến siêu âm trên mô hình thực nghiệm, kết hợp với các tài liệu lý thuyết và phần mềm LabVIEW, NI Vision Assistant để xử lý ảnh và điều khiển.

• Phương pháp phân tích: Phân tích động học xe, xây dựng thuật toán PID điều khiển động cơ điện mô phỏng vô lăng, xử lý ảnh kỹ thuật số để xác định vị trí mục tiêu đỗ xe. Các phép đo và kiểm tra được thực hiện trên mô hình thực nghiệm nhằm đánh giá hiệu quả thuật toán.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm được thiết kế với kích thước phù hợp để mô phỏng chuyển động xe lùi. Việc chọn mô hình nhằm kiểm tra thuật toán xử lý ảnh và điều khiển tự động trong môi trường kiểm soát, không có nhiễu phức tạp.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng thuật toán, thiết kế mô hình, thực nghiệm và tối ưu hóa thuật toán.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xây dựng thành công mô hình mô phỏng chuyển động lùi xe: Mô hình thực nghiệm được thiết kế với cấu trúc cơ khí và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều, cho phép mô phỏng chính xác quỹ đạo chuyển động lùi xe theo các góc quay vô lăng điều khiển bằng thuật toán PID. Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số vị trí đỗ xe dưới 5%, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

2. Phát triển thuật toán xử lý ảnh hiệu quả: Thuật toán xử lý ảnh sử dụng phần mềm NI Vision Assistant đã nhận diện chính xác vị trí mục tiêu đỗ xe dựa trên ảnh nhị phân với độ tương phản rõ rệt. Tỷ lệ nhận diện chính xác đạt khoảng 92% trong môi trường không nhiễu, giúp xác định quỹ đạo chuyển động điều khiển xe lùi.

3. Ứng dụng thuật toán PID trong điều khiển vô lăng mô hình: Việc điều chỉnh các hệ số Kp, Ki, Kd trong thuật toán PID đã giúp hệ thống điều khiển động cơ điện mô phỏng vô lăng hoạt động ổn định, giảm thiểu hiện tượng dao động và vọt lố. So với các phương pháp điều khiển khác, PID cho phép đáp ứng nhanh và chính xác hơn với sai số góc quay.

4. Khả năng tự động điều chỉnh quỹ đạo lùi xe: Hệ thống Park Assist đã thực hiện thành công việc tự động điều chỉnh hướng chuyển động của mô hình xe lùi vào vị trí mục tiêu đã định, giảm thiểu sự lệch hướng so với điều khiển thủ công. Tỷ lệ thành công trong các thử nghiệm đạt khoảng 85%, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của hệ thống Park Assist nằm ở việc kết hợp hiệu quả giữa lý thuyết quay vòng ô tô, thuật toán điều khiển PID và xử lý ảnh kỹ thuật số. Việc sử dụng mô hình động học đơn giản hóa (model 1 vết bánh xe) giúp giảm độ phức tạp tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết cho điều khiển quỹ đạo.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hệ thống này có tính năng tương tự các hệ thống bán tự động trên xe Volvo, Toyota hay Volkswagen nhưng được thiết kế phù hợp với điều kiện và nguồn lực trong nước. Việc sử dụng phần mềm LabVIEW và NI Vision giúp giảm thời gian phát triển và tăng tính linh hoạt trong xử lý ảnh và điều khiển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ sai số vị trí đỗ xe theo từng lần thử nghiệm, bảng so sánh tỷ lệ nhận diện ảnh và đồ thị đáp ứng góc quay vô lăng theo thời gian để minh họa hiệu quả thuật toán PID. Những hạn chế hiện tại như môi trường thử nghiệm không có nhiễu, chưa xử lý đa mục tiêu ảnh sẽ là hướng phát triển tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng nghiên cứu xử lý ảnh trong môi trường thực tế: Cần phát triển thuật toán xử lý ảnh có khả năng nhận diện vị trí đỗ xe trong điều kiện ánh sáng và nhiễu phức tạp, nhằm nâng cao độ chính xác và tính ứng dụng của hệ thống.

2. Tích hợp cảm biến đa dạng: Bổ sung các cảm biến siêu âm, radar để hỗ trợ phát hiện chướng ngại vật và cải thiện độ tin cậy của hệ thống Park Assist, đặc biệt trong các tình huống phức tạp.

3. Phát triển hệ thống điều khiển vô lăng trên xe thực tế: Áp dụng thuật toán PID và mô hình điều khiển đã phát triển lên hệ thống vô lăng điện tử trên xe thật, tiến tới sản phẩm thương mại có khả năng tự động đỗ xe.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho sinh viên và kỹ sư trong ngành ô tô về công nghệ điều khiển tự động và xử lý ảnh, đồng thời hợp tác với các doanh nghiệp để ứng dụng nghiên cứu vào thực tiễn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành cơ khí động lực, ô tô: Nghiên cứu cung cấp kiến thức tổng hợp về lý thuyết quay vòng ô tô, điều khiển PID và xử lý ảnh, hỗ trợ học tập và phát triển đề tài liên quan.

2. Kỹ sư phát triển hệ thống điều khiển ô tô: Tham khảo các giải pháp thiết kế hệ thống Park Assist, thuật toán điều khiển và xử lý ảnh để ứng dụng trong phát triển sản phẩm công nghiệp.

3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa và công nghệ thông tin: Tài liệu hữu ích cho việc giảng dạy và nghiên cứu về ứng dụng công nghệ điều khiển tự động và xử lý ảnh trong ngành ô tô.

4. Doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô tại Việt Nam: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các hệ thống hỗ trợ lái xe phù hợp với thị trường trong nước, nâng cao tính cạnh tranh sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống Park Assist hoạt động như thế nào?
   Hệ thống sử dụng camera và cảm biến để thu thập hình ảnh và khoảng cách, sau đó xử lý ảnh để xác định vị trí đỗ xe mục tiêu. Thuật toán điều khiển PID sẽ điều chỉnh hướng chuyển động của xe sao cho lùi vào đúng vị trí đã định, trong khi người lái chỉ điều khiển tốc độ.

2. Thuật toán PID có ưu điểm gì trong điều khiển vô lăng?
   PID cho phép điều chỉnh chính xác góc quay vô lăng bằng cách kết hợp ba thành phần tỉ lệ, tích phân và vi phân, giúp hệ thống đáp ứng nhanh, ổn định và giảm dao động so với các phương pháp điều khiển đơn giản khác.

3. Phần mềm nào được sử dụng để xử lý ảnh trong nghiên cứu?
   Nghiên cứu sử dụng bộ công cụ NI Vision Assistant và LabVIEW của National Instruments, giúp thu nhận, xử lý ảnh và phân tích mẫu để nhận diện vị trí mục tiêu đỗ xe một cách hiệu quả.

4. Mô hình thực nghiệm có thể áp dụng cho xe thật không?
   Mô hình mô phỏng chuyển động và thuật toán điều khiển có thể được chuyển giao và điều chỉnh để áp dụng trên xe thật, tuy nhiên cần bổ sung các cảm biến và xử lý ảnh trong môi trường thực tế phức tạp hơn.

5. Hệ thống có thể hoạt động trong điều kiện môi trường phức tạp không?
   Hiện tại hệ thống được thử nghiệm trong môi trường không nhiễu và chỉ nhận diện một vị trí mục tiêu. Việc mở rộng xử lý ảnh trong điều kiện ánh sáng yếu, nhiều chướng ngại vật là hướng nghiên cứu tiếp theo để nâng cao tính ứng dụng.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống Park Assist với khả năng tự động điều khiển quỹ đạo lùi xe vào vị trí đỗ chính xác.
• Thuật toán xử lý ảnh và điều khiển PID được phát triển và ứng dụng hiệu quả trong việc nhận diện vị trí mục tiêu và điều khiển mô hình.
• Hệ thống có tiềm năng ứng dụng thực tế trong hỗ trợ lái xe, đào tạo và phát triển sản phẩm công nghiệp tại Việt Nam.
• Hạn chế hiện tại là môi trường thử nghiệm đơn giản, chưa xử lý đa mục tiêu và nhiễu phức tạp, cần nghiên cứu mở rộng.
• Đề xuất tiếp tục phát triển thuật toán xử lý ảnh nâng cao, tích hợp cảm biến đa dạng và áp dụng trên xe thật trong các bước nghiên cứu tiếp theo.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể liên hệ để trao đổi, hợp tác phát triển hệ thống Park Assist phù hợp với điều kiện thực tế và nhu cầu thị trường Việt Nam.