Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1.1 Khái niệm về xe tự hành Chế độ tự hành đã có từ lâu ở máy bay, tàu thủy, tàu ngầm nhưng xe tự hành là vấn đề phức tạp hơn nhiều. Cho đến nay, xe tự lái tồn tại hầu hết ở dạng thử nghiệm, nhưng chúng sẽ được phổ biến tương lai không xa. Xe tự lái, xe robot hay xe không người lái (autonomous, robotic, driverless hoặc self-driving car). Nó có khả năng thực hiện các khả năng vận chuyển như một chiếc xe truyền thống.
Xe tự lái có khả năng nhận thức môi trường xung quanh và tự động điều hướng mà không cần sự tác động trực tiếp của con người. Về cơ bản xe tự hành bao gồm những thành phần chính sau: • Hệ thống các cảm ứng (sensor: Radars, SICK, GPS, cameras… ): Chúng có chức năng định vị vị trí của xe, xác định các xe và chướng ngại vật xung quanh. • Hệ thống điều khiển: Xử lý thông tin thu được để xác định chuyển hướng chính xác, cũng như phát hiện các chướng ngại vật và các biển báo giao thông. • Cơ cấu chấp hành (Các mô tơ trên bánh lái và cần gia tốc.): Thực thi các lệnh điều khiển từ hệ thống tự hành.1 Xe tự lái Lexus RX450h của Google [1] 1 Một số xe tự hành tiêu biểu: xe tự lái Lexus RX450h của Google, xe tự lái Leaf của Nissan, xe tự hành Fusion Hybrid của Ford….2 Những ưu thế vượt trội của xe tự lái Không chỉ hạn chế tắc nghẽn giao thông, những chiếc xe tự lái còn hứa hẹn nhiều ưu thế vượt trội khác [2]: - Ít va chạm giao thông hơn (các máy tính thực hiện tốt hơn con người các thao tác tập trung và có tính lặp đi lặp lại như lái xe).
- Tăng lưu lượng giao thông và giảm tắc nghẽn. - Giảm sự tham gia của con người vào công việc lái. - Mọi người có thể tham gia giao thông bất chấp năng lực thể chất của họ, như tuổi tác hoặc một số hạn chế về cơ thể. - Giảm tình trạng khan hiếm nơi đỗ xe đỗ xe (chiếc xe sẽ thả hành khách xuống và sau đó tự đi tìm chỗ đỗ cho tới khi hành khách ra hiệu cho xe quay lại đón).
- Hiệu quả nhiên liệu được cải thiện nhờ giảm số lần dừng xe. - Các dịch vụ chia sẻ và dùng chung xe như Zipcar (một dịch vụ dùng chung xe đang được triển khai tại Mỹ) sẽ trở nên thực tế hơn. - Giảm số lượng cảnh sát giao thông, các camera, đèn đỏ và các biện pháp tăng cường an toàn giao thông khác.3 Xu hướng phát triển của xe tự lái Ngày nay, ô tô là phương tiện không thể thiếu của nhiều ngành công nghiệp và giao thông vận tải bởi những lợi ích mà nó mang lại. Nhưng bên cạnh đó là sự thiệt hại về vật chất và nhân mạng do tai nạn giao thông gây ra.
Theo báo cáo của Tổ chức y tế thế giới (WHO) và Ngân hàng thế giới (WB) thì mỗi năm, thế giới có hơn 1,2 triệu người chết vì tai nạn giao thông đường bộ. Thống kê còn cho thấy, khoảng 50 triệu người bị thương trong các tai nạn giao thông [3]. Nguyên nhân chính là do không kiểm soát được tốc độ, say xin khi lái xe… Bên cạnh đó sự hạn chế về tình trạng của người lái xe như: người chưa đủ tuổi, người già, người mù, người bị say xỉn… Chính những thiệt hại và sự hạn chế đó đã dẫn tới sự ra đời của những chiếc 2 xe tự lái. Với những ưu điểm nổi bật của mình, xe tự lái sẽ là xu thế phát triển của nền công nghiệp ô tô trong tương lai.4 Các kết quả nghiên cứu về ô tô tự động 1.1 Thế giới Choi, S.
and Devlin [4] trình bày tóm tắt các thiết kế bộ điều khiển kết hợp chân ga và phanh và làm thử nghiệm chế độ làm việc của bộ điều khiển theo phương dọc của xe tự hành. Nghiên cứu trình bày một chế độ trượt dựa trên quy luật điều khiển trượt dọc, hệ thống phanh phụ, luật kiểm soát phanh và một thuật toán chuyển đổi ga / phanh. Các chiến lược kiểm soát đã được phát triển được áp dụng trên một chiếc xe thử nghiệm và tiến hành thử nghiệm sự kết hợp các điều khiển theo phương dọc trên cùng một chiếc xe duy nhất. Chiếc xe sử dụng một quỹ đạo định trước với tốc độ mong muốn theo hàm thời gian.
Những kết quả thử nghiệm ban đầu cho thấy chất lượng theo dõi, lái xe tốt chuyển đổi suôn sẻ giữa ga và phanh. Kyongsu Yi, Youngjoo Cho, Sejin Lee, Joonwoong Lee, and Namkyoo Ryoo [5] đề xuất cách điều khiển hệ thống ga / phanh thông qua van điều khiển điện từ chân không tăng áp (EVB), mô tơ bước. Mô hình máy tính phi tuyến cho ống chân không điện tử đã được phát triển và các mô phỏng được thực hiện bằng cách sử dụng một mô hình xe phi tuyến hoàn chỉnh. Nghiên cứu đưa ra quy luật kiểm soát bao gồm một thuật toán thiết lập cấu hình tăng tốc / giảm tốc mong muốn trong một tình huống ICC (điều khiển chân ga tự động), một chuyển mạch logic ga / phanh và thuật toán kiểm soát ga và phanh dựa trên động lực học xe.
Việc thực hiện kiểm soát đã được nghiên cứu thông qua mô phỏng máy tính và thí nghiệm. Kết quả cho thấy các luật kiểm soát ICC ga / phanh đề xuất có thể cung cấp thỏa đáng khoảng cách xe đến xe và thực hiện kiểm soát tốc độ. Allen [6] 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 3 gồm góc xoay, vận tốc bên và lắc ngang gắn với một kết cấu điều khiển của xe. Sự ổn định cho hệ thống đa vòng lặp được phân tích ở tốc độ 96km/h dựa trên các giả thiết, hình ảnh và sự chuyển động chậm trễ thời gian phản hồi được xem như ổn định và kết hợp động lực học thần kinh cơ để mang lại một thời gian trễ tổng thể cho người lái xe. Xiaobo Yang [7] đề xuất vấn đề an toàn trên đường cao tốc có liên quan đến hoạt động của xe trên đường và sự tương tác giữa người lái với xe. Điều kiện môi trường hoạt động ảnh hưởng tới động lực học của xe bởi.
Vấn đề nguy hiểm, mất an toàn liên quan đến giới hạn điều khiển ổn định và định hướng của xe, mà còn giới hạn điều khiển của người lái xe. Theo quan điểm của giới hạn ổn định, động lực học của các loại xe đã được nghiên cứu rộng rãi cũng như sự thích ứng của người lái xe hoàn hảo cho sự chuyển động của xe. Trong nghiên cứu này, một số mô hình phân tích của sự thay đổi phức tạp được phát triển để nghiên cứu các sai lệch bên, sự lệch hướng và các đặc tính kết nối của xe.1 Trong nước Cho đến nay trên thế giới, xe tự hành đạt được những thành tựu nhất định. Nhưng ở Việt Nam, xe tự lái vẫn còn là đề tài khá mới mẻ và chưa được đầu tư nghiên cứu.
Trong những năm gần đây có các đề tài nghiên cứu về xử lý ảnh nhận diện làn đường và phát hiện chướng ngại vật cho xe chạy tự động. Vì vậy đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động ” là vấn đề nghiên cứu thật sự cần thiết và cấp bách.2 Mục đích của đề tài Với những thành tựu đạt được và lợi ích mà xe tự động mang lại, xe tự động sẽ được phổ biến trong tương lai không xa.Với xu hướng tiếp cận với những công nghệ mới của thế giới, thu hẹp khoảng cách về trình độ, công nghệ với thế giới thì việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động là nhu cầu cần thiết và cấp bách. Do sự giới hạn về công nghệ trong nước nên trước hết có thể nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển xe tự động để vận chuyển hàng hóa trong công xưởng 4 theo vạch sơn đường vẽ sẵn. Sau đó trên cơ sở những thành quả đạt được và sự phát triển công nghệ trong nước từng bước ứng dụng thử nghiệm trên xe tự động lưu thông trên đường.3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 1.1 Nhiệm vụ của đề tài - Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết điều khiển tự động.
- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết xử lý ảnh về phát hiện làn đường. - Xây dựng thuật toán điều khiển góc lái và điều khiển vận tốc theo vị trí của xe so với làn đường trong môi trường thực tế. - Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động. - Sử dụng phần mềm Lab VIEW để xây dựng chương trình tự động điều khiển góc lái và tốc độ theo vị trí của xe so với làn đường.
- Cho chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả đạt được.2 Giới hạn của đề tài Để đơn giản hóa những yếu tố tác động bên ngoài, đề tài nghiên cứu trong phạm vi: - Nghiên cứu dựa trên mô hình. - Xe chạy trên đường nhựa có dấu phân cách làn đường là vạch sơn thẳng. - Điều kiện môi trường ánh sáng tốt.4 Phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành mục tiêu nghiên cứu “Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động”, người nghiên cứu dự kiến sử dụng những phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp phân tích, phân loại hệ thống hóa tài liệu tài liệu trong nước và nước ngoài từ đó xây dựng cơ sở lý thuyết về xử lý ảnh, xe tự động. - Thiết kế mô hình và xây dựng thuật toán điều khiển góc lái và điều khiển tốc độ theo vị trí của xe so với làn đường trong mô hình giả lập.
- Phương pháp thực nghiệm và đánh giá kết quả. 5 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết tổng quan về xử lý ảnh 2.1 Giới thiệu chung về xử lý ảnh Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ. Nó là một ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt là máy tính chuyên dụng riêng cho nó ngày càng đa dạng và mở rộng. Con người thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai trò quan trọng nhất.