ĐẠI HỌC QUÓC GIA TP. HÒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH NGUYÊN VĂN TÍN - 19521022 KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP THIET KE VÀ HIỆN THỰC KIÊN TRÚC PHAN CỨNG MẠNG MAY TÍNH NHUNG - VI DIEU KHIỂN CHO XE TỰ HÀNH Design and implement hardware architecture for embedded computer — microcontroller network on autonomous vehicle KY SU KY THUAT MAY TINH GIANG VIEN HUONG DAN Pham Minh Quan TP. HO CHi MINH, 2023 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin. Trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường, với sự dạy dé, chỉ bảo tận tình của quý thầy cô đã trang bị cho em những kiến thức về chuyên môn cũng như kỹ năng mềm, tạo cho em hành trang vững chắc trong cuộc sống cũng như công việc Sau này.
Tiếp theo, em xin cảm ơn khoa Kỹ Thuật Máy Tính vì đã luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em được học tập và phát triển. Đặc biệt, dé hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy Phạm Minh Quân đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và hỗ trợ trang thiết bị cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến sinh viên Lê Hữu Truyền, Đặng Anh Khoa, Bùi Đăng Huy, Nguyễn Nhã Khanh và các sinh viên khác trong CLB CEEC đã giúp đỡ em hiện thực hệ thống này lên được phương tiện thực tế. Em cũng muốn cảm on tat cả các công ty và nhà phát triển cung cấp các dịch vụ miễn phí cũng như các thư viện và dự án mã nguồn mở.
Không có những công cụ và thư viện này khoá luận của em sẽ không thể hoàn thành được như bây giờ. Cuối cùng, em xin cảm ơn đến gia đình, những người luôn dành những sự động viên đến em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2023 Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Tín MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH.2222--2222222222222222131222222211111 21211111 re9 DANH MUC BANG c1. Tổng quan đề taie.
Lý do chọn để tài. Tình hình nghiên cứu hiện nay. Tình hình nghiên cứu trên thế giới. Tình hình ngiên cứu trong nước.
Mục tiêu đề tài. Phương pháp thực hiện Chương 2. CO SỞ LÝ THUYẾTT. ¿+ 2E+2++22EE+22t2EEEE+etrvvrzerrrrree 21 2.
Mạng giao tiếp CAN. Tín hiệu đường truyền.- Sàn HH Hung như22 2. Hệ điều hành thời gian thực CMSIS — RTOS2. Giới thiệu CMSIS — RTOS2.
Một số khái niệm trong R“TOS. Giao thức MQTT. Tổng quan về MQTT. Kiến trúc MQTT.4, Phần cứng sử dụng.
Vi điều khiển STM32F103C8T6. Vi điều khiển ESP32. IC đo năng lượng INA219. St ng ưêt31 2.
Cảm biến IMU BNO055. Cảm biến Encoder. Bộ điều khién EZI Servo Plus R. SSR — Solid State Relay.
IC CAN Transceiver MCP2551. Phương pháp dé xuat. Kiến trúc mang máy tính nhúng — vi xử lý đề xuất. Power Mangement NoOde.
Sơ đồ chương trình Node Power Management. Sơ đồ chương trình của Distance Node. Light-Speaker-GPS Node. Sơ đồ chương trình Light-Speaker-GPS Node.
ST HH HH2. Sơ đồ khối của Engine Node.cscttn HH HHHHnư48 3.ccc222222ct22EvvrrrErrkrrrrrrrtrrrrrrrrreerrtev 48 3. Sơ đồ khối của Steering Node. càng HH HH it 50 3.
Sơ đồ khối Master Node. Giao tiếp các Node trên CAN Bus. 6 Sàn HH HH ng HH ưế 3. Sàn HH ng nưưn53 3.
Giao tiếp giữa High Level va Low Level.sssscsssssssssssssssecessssescessseeees 57 Chương 4. Kết quả đạt được. Light-Speaker-GPS NodĂe. Power Management Node.
tình HH2 021111 1g tre.Ă TS HH re63 4. Mạng giao tiếp CAN. Server lưu trữ và quản lý dữ liệu. 66 ÂN Kt qua dat Aue n.4ddădăHặHăHH.
Ưu, nhược điểm của đề tài. Nhược điểm. Hướng phát triển đề tài.-:-:222222+v+rrtttttrrkxrrrrrrrrrrrkrrerree DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Các cấp độ xe tự hành .2: Kiến trúc điều khiển xe điện [8] .3 Xe Minibus của Phenikaa-X.4 Mô hình kết nối đề tài chuyển đổi xe điện sang xe tự hành [10].1 Mô hình giao tiếp CAN.2 Tín hiệu truyền trên CAN Bus.3 CAN Standard Data Frame. cc eeseeeseeeeeeseeeeeeeseeeseneeeeeenerseeeeaee 22 Hình 2.4 Mô hình của CMSIS — RTOS.5 CMSIS — RTOS Kernel .-- - ¿+ + tt SsEssrrrrrrrrrrrrrkrrrsre 25 Hình 2.6 Mô hình chuyền trang thái các Threads.7 Cách hoạt động Events Flag.-- - ¿+ 52 SS+£c+zv+xsxerereree 27 Hình 2.8 Cách hoạt động Mufex.9 Cách hoạt động Semaphore .10 Cơ chế tổng quan MQTTT.11 Kiến trúc mô hình MQTT.12 Vi điều khiển STM32F103C8T6.13 Vi điều khiển ESP32.---222-2222+2222E2EtEEEEEEE2EEEerrrrrrrvee 31 Hình 2.14 Cảm biến INA2109.15 Cảm biến IMU BNO055.16 Rotatry En€OeT.--¿- ¿552 S+2*+‡++2St2t2xExkerekekerrkrrkerree 34 Hình 2.17 EZI Servo Plus R.--2¿-222++222S2++e2EEE++ttEEEvrretrkkrrrrrrrrvee 35 Hình 2.18 Solid State Relay .19 IC CAN Transceiver MCP2551 Hình 3.1 Kiến trúc mạng máy tính vi điều khiển.2 Sơ đô nguyên lý khối Power Management.3 Sơ đồ khối Power Management .-2--©2z++2222+zevcvvveerrrrree Al Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý Distance Node.---22ccccc222cvvvvvcrrrrrrrr 42 Hình 3.5 Sơ đồ chương trình Distance Node .6 Sơ đồ nguyên lý Node Light-Speaker-GPS.---:-:-cc55cc2 44 Hình 3.7 Sơ đồ chương trình của LightSpeakerGPS Node.8 Sơ đồ nguyên lý Engine Node.cc-¿+2222cvvvrrerrrrrrrrreerree 46 Hình 3.9 Sơ đồ khối Engine Node.10 So đồ nguyên lý Steering Node .11 Sơ đồ khối Steering Node.12 Sơ đồ nguyên lý Master Node.13 Sơ đồ khối Master Nodc.14 Bốn tang mạng CAN dé giao tip .15 Mô hình giao tiếp giữa lớp High Level va lop Low Level.1 Mạch Light-Speaker-PS .2 Mô hình Distance Node.3 Mô hình Power Management Node.4 Mạch Engine Node.5 Lắp đặt Encoder.6 Mạch Steering Node .7 Hệ thống điều khiển đánh lái.8 Mạch Master Node.
--- 2c + SE EEEErxexereeesssrrrrerrsresrei 63 Hình 4.9 Giao diện hiền thị trạng thái hiện tại của Xe.10 Giao diện hiển thị trang thái giao tiếp hiện tại.11 Tổ chức lưu trữ Data trong MongoDB.----2ccccccccce+ 65 DANH MỤC BANG Bảng 3.1 Danh sách các Threads khối Power Management.2 Danh sách các Threads trong Distance Node .3 Danh sách các Threads trong node Light-Speaker-GPS.4 Danh sách các Thread Engine Node.5 Chức năng các Thread trong Steering Node.6 Chức năng các Thread trong Master Node.7 Bảng phân bố ID wieccssssesssssssesssssssecsssssssccsssssecsssssesesssisscesssusecessseeseessees 53 Bang 3.8 Bang định nghĩa Message Type .9 Bang định nghĩa Target Node.10 Bảng định nghĩa Frame 'Type.11 Dinh dạng trường Data. cece cee es eeceesee tees teseseseseeneseaeeeees 56 Bang 3.12 Dinh dang giao tiếp Appilcation Layer.13 Bảng định dạng gói tin.1 Bảng thống kê mạng giao tiếp CAN.c¿-5225ccccccvscccccrvscee 64 DANH MỤC TỪ VIET TAT ADAS Advanced driver-assistance system CAN Controller Area Network CRC Cyclic Redundancy Check ECU Electronic Control Unit EKF Extended Kalman Filter GPS Global Positioning Systems loT Internet of Things MCU Microcontroller Unit Message Queuing Telemetry MQTT Transport SAE Society of Automotive Engineers TOM TAT KHÓA LUẬN Đề tài “THIẾT KÉ VÀ HIỆN THỰC KIÊN TRÚC PHÀN CỨNG MẠNG MÁY TÍNH NHÚNG - VI DIEU KHIEN CHO XE TỰ HANH”, tập trung chủ yếu vào việc xây dựng một kiến trúc phần cứng, giao tiếp chung giữa các máy tính nhúng, vi điều khiển với nhau. Trong đề tài này nhóm xây dựng 6 loại Nodes cơ bản ở tang thấp mỗi Nodes sẽ đảm nhiệm một nhiệm vụ điều khiển một hệ thống chính trên xe. 6 Nodes cơ bản này bao gồm: - Engine Control Node: Dùng dé điều khiển hệ thống tốc độ xe.
- Distance Node: Gồm các cảm biến vat cản dùng để phát hiện vat cản xung quanh xe. - Steering Node: Hệ thống điều khiển bánh lái của xe. - Light-Speaker-GPS Node: Dùng dé điều khiển hệ thống đèn trên xe. - Power Management Node: Dùng đề giám sát năng lượng trong mạng.
- Master Node: Có nhiệm vụ lắng nghe dữ liệu trên đường truyền để thu thập dữ liệu hệ thông. Cũng như là thiết bị trung gian giao tiếp các Node tang thấp và tầng cao. Bên cạnh đó tài này đưa ra một định dạng mạng CAN có 4 tầng làm chuẩn giao tiếp chung cho các Nodes trong mạng. Tổng quan đề tài 1.
Lý do chọn đề tài Những năm gần đây với sự phát triển vượt bậc của những công nghệ trí tuệ nhân tao (AI), Internet vạn vat (IoT), tự động hóa,. đã thay đổi cách chúng ta giao tiếp, mua sắm, đi lai,. Trong đó các công nghệ về xe tự hành đang nhận được sự quan tâm mạnh mẽ ở trong và ngoài nước. Các tin tức về những công nghệ mới cho xe tự hành vẫn đang được lan truyền rất nhanh khi mà lĩnh vực này đang đem lại sự thành công tuyệt vời cho Tesla — Hãng xe điện lớn nhất nước Mỹ đã đem công nghệ tự hành cấp độ 3-4 lên những chiếc xe của họ.
Những gã khổng 16 về công nghệ như Google hay Amazon ít lâu sau cũng rục rịch trình làng các mẫu xe tự hành có khả năng di chuyển trong nội thành mà không cần sự giám sát của con người, nhằm khang định vị thé của họ cùng với mục tiêu xây dựng thành phó thông minh và di chuyền an toàn. Đây không chỉ là cuộc đua của ông lớn Công nghệ mà làn sóng về xe tự hành còn len lỏi tới các phòng nghiên cứu nhỏ trên khắp thé giới. Hiện nay rất nhiều tính năng tự động xuất hiện trên các dòng xe hiện đại được tích hợp trong hệ thống trợ lái (Advanced driver-assistance systems — ADAS [1]) như hỗ trợ chuyển làn, hỗ trợ bám làn, đỗ xe tự động, thắng khẩn cấp. Với những hệ thống được tích hợp sẵn này sẽ giúp các nhóm nghiên cứu dé dang hơn trong việc tích hợp các hệ thống và giải thuật điều khiển xe tự hành bởi vì toàn bộ các phần cứng cần thiết đã được tích hợp sẵn trên xe.
Tuy nhiên những chiếc xe có tích hợp hệ thống ADAS thường có giá thành và chi phí rat cao không phù hợp cho các nhóm nghiên cứu nhỏ. Do đó nhóm đưa ra giải pháp chuyền đổi chiếc xe điện 6 chỗ bằng cách tích hợp các cảm biến, bộ điều khiển đánh lái, động cơ, thắng,. các bộ điều khiển tầng thấp. Đó là nền tảng dé cho các nhóm nghiên cứu cho ra đời các dé tài mới phát triển các giải thuật xe tự hành trên các thiết bị, cảm biến ở tầng cao.
Tinh hình nghiên cứu hiện nay Khởi nguồn của cuộc đua công nghệ nay bắt nguồn từ cuộc thi DARPA Grand Challenge [2] với thử thách là xây dựng một chiếc xe tự hành không người lái di chuyển trong đô thị. Từ đó gây ra sự bùng né về số lượng bài báo, nghiên cứu, cuộc thi về xe tự hành với da dang quy mô trên toàn thé giới. Hiện trên thế giới chia khả năng tự hành của xe theo 6 cấp độ chính dựa theo chuẩn SAE J3016 [3] bởi SAE (Society of Automotive Engieer International) như Hình 1.1 FE SAE JZ016”LEVELS OF DRIVING AUTOMATION SE LEVEL 4 9 LEVELS ving l What does the Lâu j human in the Ì driver's seat i have to do? H { These are driver support features These are automated driving features |i | What do these i features do? H | i ị sư | Example ị Features | i Fora more complete description, please downloada tree copy of SAE 18016: https-/www sae.ora/tandards/content/15016 201806, Hình 1.1 Các cấp độ xe tự hành Trong đó -_ Cấp độ 0 (No automation — Không hỗ trợ): Xe không có tính năng tự hành nào.