Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Thiết kế phần mềm mô phỏng chuyển động của xe tự hành

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Phát triển một phần mềm mô phỏng chuyển động của xe tự hành: Mục tiêuchính là xây dựng một môi trường mô phỏng trong phần mềm Unity, cho phép môphỏng chuyề

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TÍNH

CAO PHAN TIEN DUNG - 19521387

KHOA LUAN TOT NGHIEP

THIET KE PHAN MEM MO PHONG CHUYEN DONG

CUA XE TU HANH

DESIGN PLATFORM FOR SIMULATION OF AUTONOMOUS

VEHICLES

KY SU KY THUAT MAY TINH

GIANG VIEN HUONG DAN ThS PHAM MINH QUAN

TP HO CHÍ MINH, 2023

LOI CAM ON

Kính gửi các thầy cô khoa Kỹ Thuật Máy Tính, Dai học Công Nghệ Thông

Tin Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh,

Em là Cao Phan Tiến Dũng, sinh viên của khoa Kỹ Thuật Máy Tính, xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến quý thầy cô đã tạo điều kiện và hỗ trợ cho em

trong quá trình thực hiện khóa luận của em.

Đầu tiên, em muốn gửi lời cảm ơn đến thầy Phạm Minh Quân - người đã

đồng hành và hướng dẫn tận tâm, kiên nhẫn trong suốt quá trình nghiên cứu và thực

hiện khóa luận Sự chỉ bảo và những lời khuyên quý giá của thầy đã giúp em vượt qua những khó khăn và hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất.

Em cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Kỹ

Thuật Máy Tính, những người đã tạo môi trường học tập và nghiên cứu chuyên

nghiệp, giúp em tiếp thu kiến thức và phát triển kỹ năng trong suốt quãng thời gian tại trường Sự am hiều, hỗ trợ và sự quan tâm tận tụy của các thầy cô đã giúp em có

đủ động lực và tự tin dé vượt qua những thách thức trong quá trình thực hiện khóa luận Không thể không đề cập đến sự giúp đỡ và hỗ trợ của các thầy cô bạn bè và

các anh chi sinh viên trong khoa.

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thẻ thầy cô và bạn bè

đã đồng hành và ủng hộ em trong suốt thời gian thực hiện Đó là những người đã

cho em niềm tin và khích lệ để không ngừng có gắng và đạt được kết quả tốt.

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa và tất cả những

người đã giúp đỡ, hỗ trợ em trong quá trình thực hiện khóa luận Em rất biết ơn và

tự hào vì được học tập và trưởng thành dưới sự hướng dẫn của các thầy cô trong khoa Xin chân thành cảm on và chúc sức khỏe, thành công cho tat cả quý thay cô.

Trân trọng,

Cao Phan Tiến Dũng

Sinh viên khoa Kỹ Thuật Máy Tính

MỤC LỤC

Chương 1 GIỚI THIỆU -: -2222222+222EEEES2++etttEEEEEvvrrrrrrrrrrvrer 4

1.1 Tính cấp thiết của đề tải 222222222222 EEvrrrtEEEEErrrrrrrrrrrrrrree 4

1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài -¿222+zcccccrrecrrrrrscee 5 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của để tài -¿¿2222++222EEErEEEEEerrrrrkrrrrrrkrcee 6

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu ¿-222Vcvv+ceetttrrrkrrrrrrrrrrrrrree 7

1.4.2 _ Phạm vi nghiên cứu nghiên cứu

1.5 Cấu trúc của đồ án tốt nghiỆp -:¿-++++22++++t2EEE+rrrtrrxrrrrrrkrvee § Chương 2 TONG QUAN NGHIÊN CỨU DE TÀI

2.1 Trong nước BAA sếp À 9

2.2 Ngoài nước.

Chương 3 CO SỞ LÝ THUYÊT -¿:-222++22VS++++tEESvzetvvvvrrrrrvsree 21 3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển xe tự hành - : z522ssc+ccvsccz+ex 21 3.1.1 Khái niệm và đặc điểm của xe tự hành : -.cc:cccsscc2 21

3.1.2 Quy trình xử lý của một xe tự hành - c5 55+5+s+cec+xzxe+ 21

3.4 Những nghiên cứu có liên quan ¿ 5-5552 5++++++++sexzzxexsxerr+ 28

3.5 Phương pháp nghiên CỨU - ¿+ + kk tk 32

Chương 4 PHƯƠNG ÁN VÀ GIẢI PHÁP ccc:¿©2222vscccrtrvccvvsee 33

4.1 Mục tiêu

4.2 Phương pháp mô phỏng ¿+ + St Sk*k*kEk£EEEEkEkEEEEEkrkrkekrkrtkrkrie 33

4.3 Các yếu tố quan trọng

4.4 Các giải pháp kỹ thuật - cà rntetieterrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrser 35

4.5 Đối tượng người dùng.

Chương 5 THIẾT KE VÀ TÍNH TOÁN -:+222+ccvccvserrrrrvecrrrrvecc.vŸ7 5.1 Giới thiệu về thành phần của một đối tượng 3D

5.2 Giới thiệu về phầm mềm Blender -+©v+z2222++zvzcvvvveerrrx# 43

5.2.1 Giao diện làm vIỆC - ¿5c 2+2 St 2 St S+ + EEeEexeteereerrserrrrrrrsrsrree 43

5.22 Thiết KE Z⁄.-ấ À cv 44

5.3 Giới thiệu về phần mềm Unity 22¿+2+++++22E++zetttrxvererrrseerrrg 46

5.3.1 Giao diện lầm VISC wee eeesscseeseeeeseeseseeseeeseeeseeeeaeeseeecaeeeeaecseneeaeeeees! 46

5.3.2 Thiếtkế no 48

5.4 Tính toán mô phỏng ¿+ 5S S**t2EE#ESEErkekrkerrrkrkrrrrrrrrree 50

5.4.1 Tính toán kích thước mô phỏng - ¿+ - <2 + ++s+x+£++e++ 50

5.4.2 _ Tính toán tốc độ và gia tốc mô phỏng -: z+cssc+2 51 Chương 6 MÔ HÌNH DIEU KHIEN SOCKET PROTOCAL - - 53 6.1 Phan mềm mô phỏng -¿:¿ ©2V222++222EEEEE+++rtttEEEEEvvrrrrrrrrrrrree 53

6.2 Người dùng điều khiển -22¿-©2222+c222122122221121222112 22221 ccrrree 56 Chương 7 KẾT LUẬN 2 22222¿+22EE+2CEE2EEE222221122222112222112 E2 58

7.1 Kết quả đạt được

7.1.1 — Thiếtkế

7.1.2 Đánh giá thiết kế :52222c2222SzttSEEEvrrerrrtrrrrrrrrvee 58

7.1.3 _ Tính năng c- 5S tre 62 7.1.4 Hoạt động

7.1.5 Hiệu suất ccc2222cccEECEErrreErtrrrrrrrtrrrrrrve 62

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1 Quy trình xử lý của xe tự hành 55 + Sscctersrterrrerrerrrerrree 21

Hình 5.1 Mô tả đỉnh của một đối tượng 3D cccccccsssesssssssescsssssesessssecsesssuescessseescessees 37 Hình 5.2 Mô tả cạnh của một đối tượng 3D cac ưưn 38 Hình 5.3 Mô tả mặt của một đối tượng 3D -222++z+2222vvvvrrrrrrrrrrrree 39 Hình 5.4 Mô tả đối tượng đa giác của một mô hình 3D - 40 Hình 5.5 Mô tả khái niệm về cấu trúc ccccccccccvvvvvvrrrrrrrrrrrrrrrrirrrrrre 4I

Hình 5.6 Mô tả khái niệm về VA LGU 42

Hình 5.7 Giao diện làm việc của Blender eeceeeseesesseseeseseeeeaeeseecseeeeaeesenenseeeeee! 44

Hình 5.8 Mô hình xe thiết kế bằng Blender - 2:-2¿222222z+222vvzzrsrrvseee 44 Hình 5.9 Mô hình xe thiết kế bằng Blender ¿:-22¿2222v2z+22cvvvcscrvscez 45 Hình 5.10 Mô hình xe thiết kế bằng Blender . ¿22++z++22+zz+czsseez 45 Hình 5.11 Mô hình xe thiết kế bằng Blender -:-¿222+2z++22+zze+czvscez 46

Hình 5.12 Giao diện làm việc của nity - - + 5+6 + ‡E‡Ekekekekekrrkrkekerrree 47

Hình 5.13 Mô hình thành phó nhìn từ trên cao -:: cccz222cvsssccce2 48

Hình 5.14 Mô hình thành phố (Ô Zh MT 48 5.15 Mô hình thành phó nhìn ngang -:¿¿222Vvv+++z+t2EEEvvvrvrrrrrrrrree 49 Hình 5.16 Thiết kế xe trong môi trường Unity ¿2©c++22++z+:zssce2 49

Hình 5.17 Thiết kế cầu hình các chỉ tiết xe trong môi trường Unity 50

Hình 6.2 So đồ giải thuật quy trình điều khiển và giao tiếp giữa code giải thuật va

Xe trOng HI(Y + ST HH HH HH HH 54

Hình 6.3 Sơ đồ giải thuật quá trình nhận tính hiệu và điều khiển xe di chuyển vn 55

Hình 6.4 Quy trình kết nối của client thông qua socket - -cccc+2 56 Hình 7.1 Kết quá đánh giá thiết kế - 1 (đánh giá thực tế) -: -.-+ 58 Hình 7.2 Kết quá đánh giá thiết kế - 4 (đánh giá thực té)

Hình 7.3 Kết quá đánh giá thiết kế - 2 (đánh giá thực tế) -: + 59

Hình 7.4 Kết quá đánh giá thiết kế (đánh giá thực tế) -. -+cccccczxscee 59 Hình 7.5 Kết quá đánh giá thiết kế - 5 (đánh giá mô phỏng) - 59

Hình 7.7 Kết quá đánh giá thiết kế - 7 (đánh giá mô phỏng) - 60

Hình 7.9 Kết quá đánh giá thiết kế - 9 (đánh giá mô phỏng) - 60

Hình 7.8 Kết quá đánh giá thiết kế - 8 (đánh giá mô phỏng) - 60

Hình 7.6 Kết quá đánh giá thiết kế - 6 (đánh giá mô phỏng) - 60

Hình 7.10 Kết quá đánh giá thiết kế - 10 (đánh giá mô phỏng) - 61

Hình 7.11 Kết quá đánh giá thiết kế - 11 (đánh giá từ ảnh ngẫu nhiên từ môi trường) 61

Hình 7.13 Mô phỏng carla chạy ở máy cấu hình cao :-ccz+ccssce2 63 Hình 7.12 Mô phỏng carla không chạy được ở những máy có câu hình thấp 63

Hình 7.14 Mô phỏng Unity chạy ở máy câu hình thấp „63

Hình 7.15 Mô phỏng unity chạy ở máy cấu hình cao 03

DANH MỤC BANG

Bang 3.1 Tóm tắt các tinh năng chính của các phần mềm mô phỏng dành cho robot

Bảng 3.2 Tóm tắt các cảm biến của các phần mềm mô phỏng dành cho robot A Vs30Bảng 3.3 Tóm tắt các đặt điểm cơ bản của nền tảng mô phỏng cho robot tự hành

DANH MỤC TU VIET TAT

AVs Autonomous Vehicles

ECU Electronic Control Unit

EKF Extended Kalman Filter

GPS Global Positioning System IMU Inertial Measurement Unit IPS Indoor Positioning System MCU Micro Controller Unit PID Proportional Integral Derivative

TÓM TÁT KHÓA LUẬN

Trong những năm gan đây, phát triển các phương tiện tự hành đã thu hút sự quan tâm và đầu tư đáng kể trên toàn thế giới Với sự gia tăng nhu cầu về an toàn, hiệu quả và bền vững, nhiều quốc gia đã đầu tư vào nghiên cứu và phát triển để biến

ý tưởng xe tự lái thành hiện thực Việt Nam cũng có cơ hội để trở thành một người chơi quan trọng trong việc phát triển công nghệ xe tự hành, với một ngành công nghiệp công nghệ mạnh mẽ và ha tang giao thông ngày càng phát triển.

Trong lĩnh vực công nghệ xe tự hành, đã có sự phát triển nhanh chóng, với

sự đầu tư mạnh mẽ từ các nhà sản xuất ô tô và công ty công nghệ lớn Các lợi ích

tiềm năng của xe tự hành bao gồm tăng cường an toàn, giảm tắc đường, nâng cao

hiệu suất nhiên liệu và tăng cường khả năng tiếp cận vận chuyển cho người khuyết tật Các công ty lớn như Tesla, Google và Uber đang dẫn đầu trong việc phát triển

công nghệ xe tự hành Việt Nam đã có một ngành công nghiệp công nghệ phát triển nhanh chóng, với sự gia tăng của các công ty khởi nghiệp và các công ty chuyên về

phát triển phần mềm, robot và tự động hóa Chính phủ cũng đã đưa ra các biện pháp

để thúc đây phát trién công nghệ xe tự hành, bao gồm việc ban hành một khung

pháp lý cho việc thử nghiệm và vận hành xe tự hành trên đường công cộng Việt

Nam cũng đang có một hạ tang giao thông ngày càng phát triển, với việc xây dựng

các đường cao tốc mới, sân bay và cảng đang được trién khai Việc phát triển công nghệ xe tự hành mang lại cơ hội đáng kể cho ngành công nghiệp công nghệ và hạ

tầng giao thông của Việt Nam Với dân số đông đảo và nhu cầu vận chuyển ngày

càng tăng, thị trường xe tự lái tại Việt Nam có tiềm năng lớn Chỉ phí lao động tương đối thấp và nguồn nhân lực kỹ thuật ngày càng tăng của Việt Nam làm cho đây trở thành địa điểm hấp dẫn cho các công ty muốn phát triển và thử nghiệm công

nghệ xe tự hành Tuy nhiên, cần vượt qua những thách thức như đầu tư hạ tang và quy định để đảm bảo an toàn và bảo mật trên đường.

Mục tiêu của dé tài là phát trién phần mềm mô phỏng chuyền động của xe tự hành, nhằm hỗ trợ các đơn vị phát triển xe tự hành trong việc thử nghiệm và chọn

12

lựa giải thuật điều khiển xe Dé tài mong muốn giải quyết van đề chi phí trong quá

trình nghiên cứu và phát triển xe tự hành Phần mềm mô phỏng sẽ được xây dựng

bằng công cụ Unity, với khả năng mô phỏng hành vi của xe tự hành trong nhiều

kịch bản khác nhau Ngoài ra, đề tài cũng đặt mục tiêu tạo ra một môi trường môphỏng đủ các tinh năng cần thiết dé phát triển xe tự hành

Phương pháp thực hiện của đề tài bao gồm thiết lập môi trường mô phỏngdựa trên nền tang Unity, thiết kế xe mô phỏng và môi trường mô phỏng dé chạy xe

Đề tài này nhằm phát triển phan mềm mô phỏng chuyển động của xe tựhành, để hỗ trợ các đơn vị phát triển và thử nghiệm các giải thuật điều khiển xe tựhành Dé tài mong muốn giải quyết van đề chi phí và tạo ra một môi trường môphỏng đáng tin cậy và chính xác Đề tài cũng đặt mục tiêu tăng tốc độ xử lý củaphần mềm mô phỏng để đạt được sự tương thích cao hơn với xe thực tế Kết quảcủa dé tài sẽ cung cấp một công cụ hữu ích cho việc phát triển và kiểm thử các thuậttoán điều khién xe tự hành

Tuy nhiên, đề tài cũng có giới hạn, bao gồm tốc độ xử lý hạn chế của các nền

tảng mô phỏng hiện có như CARLA, Morai.ai và APOLLO Mục tiêu là cải thiện

tốc độ xử lý, nhưng vẫn còn hạn chế so với tốc độ xử lý của xe thực tế Đánh giá đềtài dựa trên độ tương thích với thực tế dé đánh giá mức độ phù hợp trong quá trình

phát triển Trên cơ sở các nội dung và giới hạn đã nêu, đề tài sẽ tiến hành thiết lậpmôi trường mô phỏng, thiết kế xe mô phỏng và môi trường mô phỏng chạy xe, tích

hợp các cảm biến và tạo giao diện người dùng Cuối cùng, đề tài sẽ kiểm thử vàđánh giá phần mềm mô phỏng, và xuất bản dự án mã nguồn mở để chia sẻ và đónggóp cho cộng đồng nghiên cứu và phát triển xe tự hành

13

Chương 1 GIỚI THIỆU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh phát triển xe tự hành ngày nay, việc tối ưu hóa chi phi pháttriển là rất cần thiết Đưa đến việc phát triển phần mềm mô phỏng xe tự hành là nhu

cầu cần phải có Việc phát triển các phương tiện tự hành đã thu hút được sự chú ý

và đầu tư đáng kê trên toàn thé giới trong những năm gần đây Với nhu cau an toàn,hiệu quả và bền vững ngày càng tăng, nhiều quốc gia đang đầu tư vào nghiên cứu

và phát trién dé đưa xe tự lái trở thành hiện thực Đề tài này cung cấp một công cụ

mô phỏng chuyền động của xe tự hành, giúp định hình và kiểm tra các thuật toán vàgiải pháp điều khiến trước khi triển khai trên các phương tiện thực tế Tiềm năng thi

trường xe tự lái: Việt Nam có một ngành công nghiệp công nghệ mạnh mẽ và hạ

tang giao thông ngày càng phát triển Với dân số đông đảo và nhu cầu vận chuyênngày càng tăng, thị trường xe tự lái tại Việt Nam có tiềm năng phát triển Đề tài này

đáp ứng nhu cầu phát triển công nghệ xe tự hành trong ngành công nghiệp và hạ

tầng giao thông của Việt Nam, tạo ra một công cụ hữu ích cho các doanh nghiệp vànhà nghiên cứu trong lĩnh vực này Chi phí và tài nguyên là bất cập lớn Một số đơn

vị nghiên cứu và phát triển xe tự hành dang gặp khó khăn về phần cứng đắt đỏ déxây dựng mô hình thực tế Dé tài này giải quyết vấn dé chi phí bằng cách cung cấpmột phần mềm mô phỏng chuyên động của xe tự hành, giúp các nhà nghiên cứu tiếtkiệm chi phí và tài nguyên trong quá trình nghiên cứu và phát trién Một phan quantrọng trong phát triển xe tự hành là kiểm thử và đánh giá các giải pháp và thuật toán

điều khiển Mô phỏng chuyển động của xe tự hành cung cấp một môi trường an

toàn và hiệu qua dé tiến hành các thử nghiệm, đánh giá hiệu suất và tối ưu hóa cácthuật toán điều khiển Điều này giúp dam bảo tinh an toàn và hiệu quả của xe tựhành trước khi triển khai trên đường thực tế Đề tài có tiềm năng trở thành một dự

án mã nguồn mở, cho phép các nhà nghiên cứu và nhà phát triển khác sử dụng và

đóng góp vào dự án Việc chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm trong lĩnh vực mô

14

phỏng xe tự hành sẽ tạo ra sự hợp tác và phát triển chung trong cộng đồng nghiên

cứu và phát triển

1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tai

Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn khoa học rất quan trọng và có sự ứng dụng rộngtrong lĩnh vực phát triển công nghệ xe tự hành Với sự phát triển nhanh chóng củacông nghệ xe tự hành trên toàn thế giới, việc có một môi trường mô phỏng chuyền

động xe tự hành trở nên cân thiệt và hữu ích.

Đầu tiên, đề tài này giúp nghiên cứu và phát triển công nghệ xe tự hành thông

qua việc thiết kế và kiểm thử trên môi trường mô phỏng Nhờ vào mô phỏng chuyền

động, các nhà nghiên cứu có thé đánh giá hiệu suất và tối ưu hóa các thuật toán vàgiải pháp điều khién trước khi triển khai trên các phương tiện thực tế Điều này giúp

tăng tính chính xác, an toàn và hiệu quả của công nghệ xe tự hành.

Thứ hai, mô phỏng chuyên động xe tự hành cung cấp một môi trường an toàn

dé tiến hành các thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của các giải pháp và thuật toánđiều khién Nhờ đó, nhà nghiên cứu có thé xác định các điểm mạnh và điểm yếu của

các giải pháp, từ đó đưa ra các cải tiến và điều chỉnh dé tăng cường tính ổn định và

đáng tin cậy của hệ thong xe tu hanh

Thứ ba, sử dung phần mềm mô phỏng chuyền động của xe tự hành giúp tiết

kiệm chi phí và tài nguyên trong quá trình phát triển công nghệ Thay vì xây dựng

mô hình thực tế đắt đỏ, nhà nghiên cứu có thể sử dụng môi trường mô phỏng để thử

nghiệm và kiểm tra các giải pháp điều khiển trước khi triển khai lên các phươngtiện thực tế Điều này giúp tiết kiệm thời gian, tiền bạc và tài nguyên đồng thờigiảm rủi ro trong quá trình phát triển

Đề tài này có ý nghĩa thực tiễn trong việc nghiên cứu, phát triển, kiểm tra và

đánh giá công nghệ xe tự hành Nó giúp tăng tính chính xác và hiệu quả của công

nghệ, tạo điêu kiện cho chia sẻ kiên thức và hợp tác trong cộng đông nghiên cứu và

15

phát triển, đồng thời có ứng dụng thực tế trong việc cải thiện an toàn và hiệu quả

của giao thông đô thị.

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Phát triển một phần mềm mô phỏng chuyển động của xe tự hành: Mục tiêuchính là xây dựng một môi trường mô phỏng trong phần mềm Unity, cho phép môphỏng chuyền động của xe tự hành trong nhiều kịch bản khác nhau Phan mềm mô

phỏng này sẽ được thiết kế sao cho có tính chính xác và thực tế cao, đồng thời đápứng được các yêu cau cần thiết dé phát triển và kiểm tra các thuật toán và giải pháp

điêu khiên của xe tự hành.

Tạo một mô hình động cơ vật lý chân thực: Mục tiêu là thiết kế một mô hìnhđộng cơ vật lý trong phần mềm mô phỏng, dé mô phỏng chính xác các chuyển động

và xử lý của xe tự hành Mô hình này sẽ bao gồm các thông số về vận tốc, gia tốc,góc lái, hệ thống phanh và các yếu tố khác ảnh hưởng đến chuyền động của xe

Tích hợp các cảm biến và giao điện người dùng: Mục tiêu là tích hợp các cảmbiến khác nhau vào phần mềm mô phỏng dé mô phỏng tác động của chúng lên

chuyền động của xe tự hành Ngoài ra, cũng sẽ thiết kế một giao diện người dùng

thân thiện dé điều khiển mô phỏng, cho phép người dùng điều chỉnh các tham số và

kịch bản khác nhau.

Kiểm thử và đánh giá phần mềm mô phỏng, là kiêm tra và xác nhận tính chính

xác của phần mềm mô phỏng bằng cách so sánh với đữ liệu thực tế Sẽ thực hiện

các kiểm tra và đánh giá phần mềm theo các tiêu chí như độ chính xác của chuyênđộng xe, khả năng ứng phó với các tình huống đường, và tương thích với các giảithuật điều khiển Mục tiêu cuối cùng là đánh giá hiệu suất và khả năng của phần

mêm mô phỏng và xác định các lĩnh vực tiêm năng đê cải thiện.

16

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

Đôi tượng nghiên cứu gôm: Phân mêm mô phỏng, xe tự hành và các cảm biên

cân thiết.

Phần mềm mô phỏng: Đối tượng chính là phần mềm mô phỏng được pháttriển trong môi trường Unity Nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế và xây dựng

một môi trường mô phỏng chính xác và thực tế cho chuyên động của xe tự hành

Xe tự hành: Đối tượng nghiên cứu cũng bao gồm xe tự hành, nghiên cứu

những đặc tính của xe tự hành Mục tiêu là tạo ra một mô hình xe tự hành đơn giản

trong phần mềm mô phỏng đề phục vụ cho mục đích nghiên cứu và kiểm thử

Các cảm biên: Nghiên cứu đê cập đên tích hợp các cảm biên khác nhau trong

phân mêm mô phỏng Các cảm biên bao gôm máy ảnh, có thê mở rộng cho các cảm

biên khác Đôi tượng nghiên cứu hướng đên là cách tích hop và tương tác giữa các

cảm biến này trong quá trình mô phỏng

1.4.2 Pham vi nghiên cứu nghiên cứu

Thiết kế và phát triển phần mềm mô phỏng: Phạm vi nghiên cứu tập trung vào

việc thiết kế và phát triển phần mềm mô phỏng trong môi trường Unity Các tính

năng chính bao gồm mô hình chuyên động của xe tự hành, xe có thé di chuyên vớivận tốc, gia tốc tương tự thực tế, mô hình động cơ vật lý và tích hợp mô phỏng cáccảm biến có trong thực tế

Xử lý dữ liệu cảm biến: Phạm vi nghiên cứu bao gồm xử lý dữ liệu từ các cảmbiến, bao gồm máy ảnh và các cảm biến khoảng cách Mục tiêu là mô phỏng quátrình thu thập đữ liệu cảm biến xử lý tính hiệu cảm biến thu thập được từ xe và đảm

bảo tính chính xác của dữ liệu mô phỏng.

Kiểm thử và đánh giá: Phạm vi nghiên cứu cũng bao gồm kiểm thử và đánhgiá phần mềm mô phỏng Điều này đòi hỏi so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu

thực tê đê đảm bảo tính chính xác và hiệu suât của phân mêm.

17

1.5 Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp

Cấu trúc đồ án tốt nghiệp gồm 7 chương Trong đó chương đầu sẽ giới thiệu

về đề tài, giới thiệu khái quát về xe tự hành, các công nghệ có liên quan Các cách

tiếp cận để xây dựng nên phần mềm mô phỏng xe tự hành Chương 2 sẽ giới thiệu

về những nghiên cứu liên quan về trong và ngoài nước Chương 3 đề cập đến cơ sở

lý thuyết xe tự hành và việc mô phỏng xe tự hành Chương 4 sẽ mô tả hướng tiếp

cận, các phương án và và giải pháp thiết kế phần mềm mô phỏng dự trên Blender

3D va Unity với Unity engine là cốt lõi Chương 5 sẽ là chương nói về van đề thiết

kế xe, thiết kế phần mềm mô phỏng Chương 6 sẽ là mô hình giao tiếp giữ sẽ và

người dùng theo các thông thường và sử dụng giải thuật, thuật toán dé điều khiển

xe Chương 7 cũng là chương cuối cùng, tổng quát lại những kết qua dat được thông

qua đê tài, tóm tac các két quả và nội dung so sánh đánh gia hiệu xuat.

18

Chuong 2 TONG QUAN NGHIÊN CỨU DE TÀI

nước.

Mặc dù có sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp công nghệ và cónhiều công ty khởi nghiệp và công ty chuyên về công nghệ và ứng dụng xe tự hànhtại Việt Nam, những nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực mô phỏng xe tự hànhvẫn còn hạn chế Các nghiên cứu chuyên sâu về mô phỏng xe tự hành chưa được

thực hiện rộng rãi và không có nhiêu nghiên cứu công khai về đê tài này.

2.2 Ngoài nước

Trên thế giới, nghiên cứu về xe tự hành và phần mềm mô phỏng chuyên độngcủa xe tự hành đã nhận được sự quan tâm và đầu tư đáng kể từ các quốc gia hàngđầu và các công ty công nghệ lớn Các quốc gia như Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản,Đức và Anh đã đi đầu trong việc phát triển công nghệ xe tự hành và các mô hình

Các phần mềm mô phỏng chuyền động của xe tự hành đã được phát triển dé

thử nghiệm và đánh giá các thuật toán lái tự động trong một môi trường ảo Các nềntang mô phỏng nổi tiếng như CARLA, Morai.ai và Apollo Simulator đã được sử

dụng rộng rãi và đánh giá cao trong cộng đông nghiên cứu.

Trên thế giới ngày nay phố biến ba nền tảng trên Tuy nhiên, các phần mềmtrên gặp một số vấn đề bất cập Morai.ai là một phần mềm mô phỏng xe tự hànhthương mại của Hàn Quốc Nó cung cấp một môi trường mô phỏng chất lượng cao

với các chức năng phức tạp, bao gồm hỗ trợ mô hình xe, các loại cảm biến và các

tình huống giao thông phức tạp Nhưng vì tính đóng của nó, nghĩa là phải trả phí

mới có thế sử dụng lâu dai được nên morai.ai chưa thể phát triển đến với đa số các

phòng thí nghiệm nhỏ hay các cơ sở nghiên cứu nhỏ Về Apollo Simulator, là một

nền tảng mô phỏng xe tự hành của Baidu tại Trung Quốc phát triển Tương tựmorai.ai, Apollo có thé bị hạn chế với các nghiên cứu có nguồn tài chính hạn chế

Các công ty vừa và nhỏ, các cơ sở nghiên cứu bị giới hạn kinh phí có thé khó tiếp

cận với các nền tảng này Còn về CARLA, một phần mềm mã nguồn mở dành cho

xe tự hành được phát triên bởi Đại học Bologna, Italy Carla cũng dùng đề đánh giácác giải thuật điều khién xe và hệ thong điều khiến xe tự hành Tuy nhiên, đối vớiCarla yêu cầu người dùng phải có máy tính cá nhân đủ mạnh để có thế sử dụng.Theo tìm hiểu, cau hình máy tình tối thiêu dé sử dụng phai Intel i7/i9 gen 9° — gen1I° hoặc AMD ryzen 7/9 và có card đồ họa Nvidia RTX 2070 / 2080 / 3070 / 3080

hoặc tương đương trở 1én!"!, Tùy vào mức độ cấu hình thi Carla sẽ đưa về hiệu suất

làm việc khác nhau.

Việc nghiên cứu đề tài "Thiết kế phần mềm mô phỏng chuyên động của xe tự

hành" trong ngữ cảnh quốc tế sẽ có ý nghĩa trong việc học hỏi và áp dụng những

thành tựu và phương pháp tiên tiến từ các nghiên cứu nước ngoài Điều này đảm

bảo răng nghiên cứu trong nước sẽ tiến bộ và phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế và

đóng góp vào sự phát triển toàn cầu của công nghệ xe tự hành và phần mềm môphỏng chuyên động

20

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYET

3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển xe tự hành

3.1.1 Khái niệm và đặc điểm của xe tự hành

Xe tự hành là loại xe có khả năng tự điều khiển và hoạt động mà không cần sự

can thiệp của người lái Đề thực hiện điều này, xe tự hành sử dụng các hệ thốngđiện tử, cảm biến và thuật toán dé phân tích và đáp ứng đúng với môi trường xung

quanh phân tích và xử lý thông tin này và đưa ra các quyết định về cách điều khiển

xe sao cho an toàn và hiệu quả.

Xe tự hành có khả năng thực hiện các chức năng lái xe mà không cần sự can

thiệp, hướng dẫn hoặc chịu phần ít tác động từ người lái Nó có thể tự động điều

khiển hướng di, tốc độ và phanh Xe tự hành sẽ có trang bị các loại cảm biến như

radar, lidar, camera và bộ đo khoảng cách để phát hiện và thu thập thông tin về các

đối tượng và điều kiện môi trường xung quanh Xe tự hành phải có khả năng nhận

biết và hiểu các yếu tố trong môi trường như các vật cản, biển báo giao thông, dong

xe xung quanh và điều chỉnh chuyên động và hành vi lái xe dựa trên thông tin thu

Thu thập dữ liệu: Xe tự hành được trang bị nhiều cảm biến như camera, radar,

lidar, và các cảm biến khác Các cảm biến này giúp xe "nhìn thấy" và thu thập thôngtin về môi trường xung quanh bao gồm các vật thé, làn đường, biển báo giao thông

và các điêu kiện đường.

21

Xử lý thông tin: Dữ liệu từ các cảm biến sẽ được đưa vào bộ xử lý MCU hoặc

máy tính nhúng trên xe Bộ xử lý sẽ xử lý và phân tích dit liệu từ các cảm biến dé

xác định vi trí, hướng di chuyển của xe và vật thé xung quanh, đánh giá tình trạng

đường, nhận dạng biên báo và các yếu tổ khác của môi trường

Đưa ra quyết định: Dựa trên thông tin từ các cảm biến và xử lý thông tin, bộ

xử lý sẽ đánh giá tình huống giao thông và xác định những quyết định cần thiết dé

lái xe an toàn và thông minh; Các quyết định này bao gồm tốc độ di chuyền, quỹ

đạo di chuyên, đánh lái, phanh, và các tác động khác vào hệ thống điều khiến xe.

Điều khiển chuyển động của xe: Các quyết định được truyền tải từ bộ xử lýđến hệ thống điều khiển xe Hệ thống điều khiển xe sẽ điều khiển các động cơ, hệthống lái, và hệ thống phanh dé thực hiện những quyết định đã đưa ra Xe tự hành

sẽ di chuyển và thích ứng với môi trường xung quanh dựa trên các quyết định vàđiều khiển từ hệ thống này

Có nhiều phương pháp và thuật toán được sử dung dé điều khiển xe tự hành

Một trong những phương pháp phổ biến là điều khiển dựa trên học máy va trí tuệnhân tạo Thuật toán học máy được sử dụng dé xử lý dữ liệu từ các cảm biến và họccác mô hình và quy tắc để đưa ra quyết định điều khiển Một phương pháp khác làđiều khiến dựa trên lập kế hoạch và dự đoán Thuật toán sẽ dự đoán tinh huống giaothông và lập kế hoạch di chuyền phù hợp dé đạt được mục tiêu an toàn và hiệu quả

Ngoài ra, điều khiển dựa trên phản hồi và điều khiển tương tác cũng là các

phương pháp quan trọng trong điều khiển xe tự hành Thuật toán sẽ phản ứng và

điều chỉnh chuyên động của xe dựa trên thông tin phản hồi từ môi trường và hệthống điều khiến

b) Mô phỏng

Dựa vào thực tế xây dựng mô hình xe ô tô và cung cấp các cảm biến, camera

dé các nhà nghiên cứu có thé làm việc trên mô hình xe tương tự xe thật tế, có thé áp

dụng các tính hiệu thu thập được từ môi trường điều khiển xe

Điêu khiên tôc độ và hướng di chuyên: Điêu khiên tôc độ của xe mô phỏng đê

di chuyển nhanh hoặc chậm tùy thuộc vào thông tin từ môi trường hoặc lệnh điều

22

khiến Điều khiển hướng di chuyển của xe mô phỏng dé thay đổi hướng di chuyên

dựa trên thông tin từ các cảm biên hoặc lệnh điêu khiên.

Mô phỏng chuyên động: Cân có mô hình chuyên động và vận tôc của xe mô

phỏng đê ước lượng quãng đường di chuyên và tôc độ dự kiên của xe trong môi

trường 3D.

Bộ điều khiến tự động: Tích hợp bộ điều khiển tự động để xe mô phỏng có thê

tự động điều chỉnh tốc độ và hướng di chuyền dựa trên thông tin từ cảm biến và môi

trường xung quanh.

Mô phỏng cảm biến: Tạo mô phỏng các cảm biến như camera, radar, lidar vàcác cảm biến khác để xe mô phỏng có thể "nhìn thấy" và thu thập thông tin về môi

trường xung quanh.

Xử ly dit liệu cảm biến: Điều khiển xe mô phỏng cần có bộ xử lý dữ liệu cảmbiến dé phân tích thông tin từ các cảm biến và đưa ra quyết định điều khiển xe phù

hợp.

3.1.3 Tiền đề hình thành xe tự hành

a) Trí tuệ nhân tạo

Các thuật toán học máy, học tăng cường và học có giám sát được sử dụng dégiúp xe tự hành học từ dữ liệu và cai thiện hiệu suất lái xe qua thời gian

Trí tuệ nhân tạo cũng giúp xe tự hành làm quen và thích nghi với các tình

huống giao thông phức tạp và khó lường

b) Xử lý tín hiệu và thị giác máy tính

Sử dụng các cảm biến như camera, radar, lidar dé thu thập thông tin về môi

trường xung quanh và các vật thê

Áp dụng xử lý tín hiệu và thị giác máy tính để phân tích dữ liệu từ các cảmbiến và xác định vị trí, hướng di chuyền của xe và các vật thé xung quanh

c) Định vị và lập kế hoạch

23

Sử dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS) va các công nghệ định vị khác dé

xác định vi trí của xe trong không gian 3D.

Dựa vào thông tin vị trí và môi trường xung quanh, lập kế hoạch cho quãng

đường di chuyên an toàn và hiệu quả

d) Điều khiển và điều hướng

Sử dụng hệ thống điều khiển và điều hướng dé điều khiển chuyên động của xe

dựa trên kế hoạch và quyết định từ hệ thống lập kế hoạch và từ bộ xử lý dữ liệu cảm

biến

e) Học tăng cường và tối ưu hóa

Áp dụng học tăng cường để xe tự hành tương tác với môi trường và học từ

kinh nghiệm để cải thiện hiệu suất lái xe.

Sử dụng các phương pháp tôi ưu hóa để tối đa hóa hiệu suất lái xe, tiết kiệm

năng lượng và đảm bảo an toàn.

f) Mô phỏng và kiểm thử ảo

Sử dụng mô phỏng và kiểm thử ảo đề thử nghiệm và đánh giá xe tự hành trongcác tình huống giao thông phức tạp mà không cần đưa ra thực tế Đảm bảo xe tựhành hoạt động an toàn và hiệu quả trong môi trường mô phỏng trước khi triển khaithực tế

Đề tài thực hiện nhẫn mạnh quá trình mô phỏng xe tự hành trong thực tế, việc

điều khiển và đảm bảo an toàn của xe trong quá trình mô phỏng cung cấp phần lớn

lời giải cho quá trình phát triển bộ điều khiển và tính an toàn của xe trong thực thé

Mô phỏng là quá trình tạo ra một mô hình số hóa của môi trường và các thànhphần liên quan, trong trường hợp này là môi trường giao thông và xe tự hành Trong

mô phỏng, sử dụng dữ liệu từ các cảm biến thực tế và các thông số kỹ thuật của xe

để tái tạo môi trường 3D chính xác và chỉ tiết Điều này cho phép thử nghiệm và

kiểm tra hiệu suất của hệ thống xe tự hành trong nhiều tình huống giao thông khác

Mô phỏng dựa trên các nguyên tắc vật lý và động lực dé mô phỏng sự di

24

chuyền của xe tự hành và các vật thể khác trong môi trường Các nguyên lý này bao

gồm các quy tắc vận tốc, gia tốc, ma sát, quán tính và tương tác giữa các vật thể

Mô phỏng và kiểm thử ảo cho phép bạn kiểm tra và cải tiến hệ thống xe tự

hành mà không ảnh hưởng đến môi trường thực tế hoặc tiềm tàng các tình huốngnguy hiểm Nó giúp giảm rủi ro và đảm bảo tính an toàn khi thử nghiệm hệ thống xe

tự hành.

3.1.4 Cac yếu tố ảnh hướng đến điều khiến xe tự hành

Trong thức tế, xe tự hành phải đối mặc với rất nhiều yếu tố ảnh hưởng khácnhau: điều kiện thời tiết, tình huống giao thông, tương tác với người lái, điều kiệnđường, biển báo giao thông, tác động của môi trường bên ngoài không mong muốn,tính an toàn và luật giao thông, điều đặc biệt là phần cứng phần mềm cấu thành nên

xe tự hành.

Đảm bao rằng một xe tự hành có thé hoạt động tốt trong môi trường thực tế thivan đề kiểm thử ảo là van dé đáng được nhắc đến Quá trình kiểm thử ảo, phát triển

ảo có thé làm giảm thời gian và chi phí trong việc phát triển hoàn thiện xe tự hành

có thé đáp ứng hau hết các điều kiện thực tế

Phát triên công nghệ xe tự hành dự trên môi trường ảo có thê cho được kêt quả

mà xe tự hành có thê hoạt động tôt trong điêu kiện cụ thê mong muôn Tín hiệu cảm

biên, camera, radar, lidar, có thê thu được với sai sô có thê kiêm soát được Du

trên các điều kiện thực tế có thể mô phỏng tương đồng các tình trạng giao thông

Điều khién xe tự hành phải xem xét nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hành vi và

quyết định của xe Ngoài ra, còn có yếu tố về an toàn và khả năng ứng phó với sự

có Điều khiến xe tự hành phải dam bảo an toàn cho hành khách và môi trường

xung quanh Nó cũng phải có khả năng xử lý các tình huống đột ngột và sự cỗ như

phanh gap, tránh va chạm và trạng thái khan cấp

Cơ sở lý thuyết điều khiến xe tự hành cung cấp nền tảng kiến thức và nguyên

ly dé hiểu và phát triển các thuật toán và hệ thống điều khiển cho xe tự hành Hiểu

25

rõ cơ sở này là cơ bản đê thực hiện nghiên cứu và phát triên “mô phỏng chuyên

động của xe tự hành".

3.2 Hệ thống điều khiển xe tự hành

3.2.1 Kiến trúc hệ thống điều khiến xe tự hành

Hệ thống điều khiển xe tự hành bao gồm các thành phần quan trọng để thuthập thông tin, xử lý dữ liệu và điều khiển chuyển động của xe Các thành phanchính của hệ thống bao gồm:

Cảm biến: Hệ thống sử dụng các cảm biến như máy ảnh, lidar, radar, cảmbiến tiếp xúc và cảm biến khác dé thu thập thông tin về môi trường xung quanh và

công nghệ định vị như GPS, hệ thống định vị trong nhà và các phương pháp khác.

Hệ thống quyết định: Dựa trên thông tin thu thập được, hệ thống quyết định

sẽ đưa ra các quyết định điều khiên như tốc độ, hướng di chuyên, phanh và các hành

vi khác của xe.

Hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển sẽ thực hiện các quyết định điều

khiển bằng cách điều chỉnh các thành phan của xe như hệ thống lái, hệ thống phanh,

hệ thống ga và các hệ thống khác dé đảm bảo chuyên động an toàn và chính xác của

xe.

3.2.1 Cac giải thuật điều khiến xe tự hành

Các thuật toán điều khiển xe tự hành đóng vai trò quan trọng trong quá trìnhđiều khiển và điều hướng chuyên động của xe tự hành Chúng giúp xe tự hành thựchiện các quyết định và hành động phù hợp dé đạt được mục tiêu điều khiến an toàn

26

và hiệu quả Dưới đây là một số thuật toán điều khiển xe tự hanh phô biến: thuật

toán điều khiển PID, thuật toán tìm đường đi A* (A-star), thuật toán tìm kiếm cây

và đồ thị, các thuật toán tránh vật cản và bám làn: Đây là nhóm thuật toán được sử

dụng để phát hiện và tránh vật cản trên đường đi của xe Các thuật toán này sử dụngthông tin từ cảm biến như lidar và máy anh đề phát hiện vật cản và tính toán đường

di an toàn và bám làn dé tránh va cham.

Việc áp dụng các thuật toán trên vào thực tế có thể không được an toàn nếuđánh giá trực tiếp bằng thực nghiệm Để giải quyết các thách thức từ ngoại cảnh,việc sử dụng phần mềm mô phỏng xe tự hành kết hợp với thực nghiệm thực tế là

một phương pháp phô biến và hiệu quả Cụ thé, quá trình phát triển và kiểm tra hệ

thống xe tự hành trong môi trường ảo (mô phỏng) và thực tế có thể được thực hiện.Trong môi trường mô phỏng, hệ thông xe tự hành có thể được đào tạo và tối ưu hóathông qua học máy và học tăng cường Dữ liệu từ thực tế và mô phỏng được sửdụng để cải thiện khả năng quyết định và đáp ứng của xe tự hành trong các tìnhhuống phức tạp Điều chỉnh và cải tiến sẽ dựa trên kết quả thử nghiệm thực tẾ, cácthuật toán và hệ thống xe tự hành được điều chỉnh và cải tiến để tăng tính ôn định

và hiệu suất Quá trình này có thể được lặp đi lặp lại nhiều lần để đảm bảo đạt đượckết quả tốt nhất

3.3 Mô phỏng chuyền động của xe

Động lực học va cơ học: Cơ sở lý thuyêt vê động lực học va co học là rat quan

trọng đê hiéu các nguyên lý vận động, chuyên động và tương tác giữa các phân tử

của một xe Nó bao gôm các khái niệm về lực, mô-men quay, vận toc, gia toc va

quỹ đạo chuyền động của xe

Hệ thống toạ độ: Sử dụng các hệ thống toạ độ như hệ thống toa độ XYZ biểudiễn vị trí và chuyển động của xe trong không gian 3D Hệ thống toạ độ cho phépxác định vị trí, hướng di chuyên và tốc độ của xe

Các thông số vận hành của xe: Để mô phỏng chuyên động của xe, cần hiểu và

xác định các thông sô vận hành quan trọng như tôc độ, gia tôc, góc lái, lực cản, bán

27

kính quẹo, và hệ thống phanh Các thông số này quyết định cách mà xe di chuyển

và tương tác với môi trường.

Các nguyên tắc điều khiển: Các nguyên tắc điều khién là cơ sở lý thuyết dé

xác định cách mà xe tự hành đưa ra quyết định và điều khiển chuyển động củamình Điều này bao gồm việc sử dụng các thuật toán và phương pháp điều khiển

như điều khiến tuyến tính, điều khiển không tuyến tính, hay điều khiển phản hồi déđạt được mục tiêu điều khiển như bám làn đường, tránh vật can, và duy trì khoảng

cách an toàn.

Từ cơ sở lý thuyết này, việc mô phỏng chuyên động của xe tự hành trở nên

khả thi và chính xác hơn, giúp nghiên cứu và phát triển các thuật toán và hệ thốngđiều khiển hiệu quả hơn trong lĩnh vực xe tự hành

3.4 Những nghiên cứu có liên quan

Nghiên cứu về mô phỏng xe tự hành bằng phần mềm CARLA: CARLA là mộtnền tang mô phỏng phô biến cho xe tự hành được sử dung trong nghiên cứu trêntoàn cầu Nghiên cứu liên quan tập trung vào việc phát triển và áp dụng các giảithuật điều khiển trên nền tảng CARLA đề thử nghiệm và đánh giá hiệu suất củachúng Nền tảng mô phỏng CARLA, nơi nghiên cứu và phát triển các thuật toánđiều khiển và hệ thống xe tự hành Nền tang CARLA đã trở thành một công cụ quantrọng cho các nghiên cứu trong lĩnh vực này Một số tính năng quan trọng của

CARLA như hỗ trợ cho cả xe tự động và xe thủ công, môi trường 3D với địa hình

và các tình huống giao thông phong phú, tích hợp cảm biến như camera, lidar và

radar, và khả năng tùy chỉnh và mở rộng mã nguồn mở Ưu điểm của CARLA như

đa dạng và phức tạp về môi trường, khả năng phát triển mở và dễ dàng tùy chỉnh,

khả năng sử dung cho nhiều mục đích như học máy và kiểm thử xe tự động.!l

Nghiên cứu về hệ thống điều khiển xe tự hành dựa trên học máy: Các nghiên

cứu này tập trung vào sự kết hợp giữa trí tuệ nhân tạo và xe tự hành Các thuật toánhọc máy được áp dụng để phân tích dữ liệu cảm biến và đưa ra quyết định điều

28

khiển xe Mô phỏng chuyển động được sử dụng để đánh giá và tối ưu hóa hiệu suất

của các thuật toán này.

Đối thủ hàng đầu của CARLA trên thị trường còn có Apollo Simulator, nềntảng mô phỏng Apollo, được phát triển bởi Baidu, một trong những công ty côngnghệ hàng đầu tại Trung Quốc Nền tảng này cung cấp một môi trường an toàn vàđáng tin cậy cho việc phát triển và thử nghiệm các thuật toán xe tự lái Các tínhnăng chính của Apollo bao gồm hỗ trợ cho các cảm biến như lidar, radar, camera vàGPS, hệ thống điều khiển chuyên động, hệ thống nhận dạng và dự đoán, và tích hợpcác khung làm việc học máy dé đưa ra quyết định Kiến trúc tổng thé của Apollo,

bao gồm hệ thống phần mềm và phần cứng, điều khiển chuyển động và hệ thống

điều khiển người lái Quy trình phát triển và triển khai xe tự động trên nền tảng

Apollo, bao gồm thu thập dữ liệu, đào tạo và kiểm tra mô hình học máy, và kiểm trathử nghiệm trong môi trường thực tế Đánh giá các ưu điểm của Apollo có tích hợp

mở và linh hoạt, khả năng thích ứng với môi trường đa dạng, và khả năng tùy chỉnh

cao Tuy nhiên, nó cũng nhân mạnh các thách thức trong việc phát triển xe tự động,bao gồm tính an toàn và tuân thủ pháp luật giao thông.I°!

Nền tảng mô phỏng Morai, một công cụ mạnh mẽ cho việc phát triển và kiểmthử các thuật toán xe tự lái Nền tảng này cung cấp các tính năng như mô phỏng

cảm biến, điều kiện thời tiết và ánh sáng có thê tùy chỉnh Nền tảng này được thiết

kế dé hỗ trợ việc phát triển và thử nghiệm các thuật toán điều khiển xe thông minh

với tích hợp nhiều loại cảm biến và hệ thống điều khiến Các tính năng quan trọngcủa Morai như hỗ trợ cho nhiều loại cảm biến như lidar, radar, camera và GPS, hệthống điều khiển chuyển động, và tích hợp các khung làm việc học máy và trí tuệ

nhân tạo dé phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến Đánh giá các ưu điểm của

Morai như tích hợp mở và dễ dàng tùy chỉnh, khả năng thích ứng với môi trường đa

dạng, và khả năng phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến Nó cũng dé cập đến

các ứng dụng tiềm năng của Morai trong việc phát triển các hệ thống xe thông minh

trong tương lai #1

29

Các thách thức hiện tại trong mô phỏng xe tự động, bao gồm độ chính xác của

mô phỏng so với thực tế, đồng bộ hóa giữa mô phỏng và phần cứng thực tế, tích

hợp các yếu tô động vật, và tăng tốc quá trình mô phỏng Các công nghệ mới và tiến

bộ trong lĩnh vực mô phỏng xe tự động, bao gồm sử dụng học máy và trí tuệ nhân

tạo, tích hợp đữ liệu thực tế và mô phỏng, và phát triển các kỹ thuật tăng tốc mô

phỏng Tương lai của mô phỏng xe tự động và những hướng phát triển tiềm năng,

bao gồm mở rộng khả năng mô phỏng cho môi trường đa dạng, tối ưu hóa tính

chính xác và độ tin cậy, và đảm bảo tích hợp tốt với việc phát triển hệ thống xe tự

động thực tế Vai trò và ứng dụng quan trọng của mô phỏng trong việc phát triển xe

tự động và đề xuất những hướng đi tiềm năng cho lĩnh vực này 5]

Bảng 3.1 Tóm tắt các tính năng chính của các phần mềm mô phỏng dành cho robot

AVs

Simulator License Simulation engine GraphicalEngine ExternalAgent

GPL/Open ODE, Bullet,

Gazebo Source Simbody Art Ogre3D Yes

GPL/Open

Source, ODE, Bullet,

V-Rep Commercial Vortex OpenGL Yes

Webots Commercial ODE - Yes

MRDS Commercial PhysX DirectX No

USARSim GPL Unreal Engine Karma Yes

Bang 3.2 Tóm tat các cảm biến của các phan mềm mô phỏng dành cho robot AVs

Simulation Graphical Scripting External

Simulator License Notes

Engine Engine Language Agent

CarcrafWaymo Restricted n/a n/a n/a Yes Driving

RADSim Commercial n/a n/a MATLAB n/a RADAR

Unreal Matlab, Driving/

PreScan Commercial GPU n/a

Engine C++ HIL, IL

Ba bảng tóm tat trên trích xuất thông tin tìm hiểu từ bài báo Autonomous

Vehicle Evaluation: A Comprehensive Survey on Modeling and Simulation

Approaches |!

Đánh giá so lược các phần mềm mô phỏng trên đa số là những phần mềmthương mại hay yêu cầu đăng ký thành viên để có thể xử dụng Những phần mềm

hỗ trợ nhà phát triển với tính năng open source thì lại yêu cầu cấu hình máy tương

đối cao người dùng hay các nhà nghiên cứu phô thông khó tiếp cận được Việc phát

triển một mô hình mô phỏng xe tự hành trên nền tảng unity là khá cần thiết Có thể

xây dựng nền tảng mô phỏng xe tự hành dự trên unity với tùy thuộc và các cấu hình

máy khác nhau, việc này giúp tối ưu hóa các hiệu năng máy tính cá nhân của các

nhà nghiên cứu hay tổ chức nhỏ

31

3.5 Phương pháp nghiên cứu

Cơ sở phương pháp nghiên cứu của đề tài "Thiết kế phần mềm mô phỏng

chuyên động của xe tự hành" bao gồm các hoạt động quan trọng Đầu tiên, nghiêncứu tiến hành phân tích và tìm hiểu về công nghệ xe tự hành, giải thuật điều khiến

và các công cụ phát triển phần mềm liên quan Tiếp theo, đề tài tập trung vào thiết

kế và xây dựng mô hình mô phỏng chuyên động của xe tự hành băng sử dụng môi

trường Unity, trong đó tái tạo chính xác các tương tac va tác động cua xe tự hành

với môi trường Mô hình cũng tích hợp các cảm biến như máy ảnh để mô phỏng tácđộng của chúng lên chuyển động của xe tự hành Sau đó, áp dụng giải thuật điềukhiển trên mô hình mô phỏng dé thử nghiệm và đánh giá hiệu suất Việc kiểm thử

và đánh giá phần mềm mô phỏng được tiến hành bang cách so sánh kết qua với dit

liệu thực tế và các phương pháp nghiên cứu khác dé xác định tính chính xác và hiệusuất của phần mềm Cuối cùng, mục tiêu của đề tài là xuất bản phần mềm mô phỏng

dưới dạng dự án mã nguồn mở, tạo ra một cộng đồng chia sẻ kiến thức và tiến bộ

trong lĩnh vực phát triển công nghệ xe tự hành Với cơ sở phương pháp này, đề tài

hướng đến việc phát triên một phần mềm mô phỏng chuyển động xe tự hành chính

xác và hiệu quả.

Trước tiên, nghiên cứu nắm vững kiến thức và hiểu rõ về các công nghệ, giải

thuật điều khiển và phần mềm mô phỏng hiện có trong lĩnh vực xe tự hành thôngqua việc phân tích tài liệu và nghiên cứu Tiếp theo, môi trường Unity được sử dụng

dé thiết kế và xây dựng mô hình mô phỏng chuyên động của xe tự hành Các cảmbiến như máy ảnh và lidar được tích hợp để mô phỏng tác động của chúng lênchuyên động của xe tự hành Các giải thuật điều khiển đã được nghiên cứu và thửnghiệm trên mô hình mô phỏng dé đánh giá hiệu suất và tính chính xác Kết quả

được so sánh và đánh giá dựa trên dữ liệu thực tế để xác định tính chính xác và hiệu

suất của phần mềm mô phỏng Cuối cùng, đề tài đề xuất tạo ra một dự án mã nguồn

mở của phần mềm mô phỏng, khuyến khích sự chia sẻ kiến thức và sự tiến bộ tron g

lĩnh vực phát triển công nghệ xe tự hành

32

Chương 4 PHƯƠNG ÁN VÀ GIẢI PHÁP

4.1 Mục tiêu

Mục tiêu là đề ra các phương án và giải pháp cụ thể nhằm đáp ứng yêu cầu

và thách thức của đề tải Các mục tiêu cụ thể được đặt ra nhằm đảm bảo rằng viéc

nghiên cứu va phat triển trong lĩnh vực nay sé đạt được kết quả mong đợi Mục tiêu

cơ bản bao gôm:

Xây dựng một hệ thống điều khiến xe tự hành có kha năng hoạt động an toàn

và hiệu quả Mục tiêu này đặt trọng tâm vào việc phát triển thuật toán điều khiển và

hệ thống phần cứng dé đảm bảo tính an toàn và đáng tin cậy của xe tự hành trongcác tình huống giao thông phức tạp

Tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng của hệ thống xe tự hành Mụctiêu này nhằm nghiên cứu và phát triển các phương pháp và thuật toán dé tối ưu hóa

sự tiêu thụ năng lượng của xe tự hành và đảm bảo hiệu suat vận hành tôi đa.

Tăng cường khả năng tương tác và giao tiếp của xe tự hành với môi trường

xung quanh Mục tiêu này đặt trọng tâm vào việc nghiên cứu và phát triển cácphương pháp nhận dạng, phân tích và tương tác với các yếu tố môi trường như biểnbáo giao thông, người đi bộ, và các phương tiện khác để đảm bảo tính an toàn và

hiệu quả trong quá trình vận hành.

Đảm bảo tính linh hoạt và mở rộng của hệ thống Mục tiêu này nhằm pháttriển một kiến trúc linh hoạt và mở rộng, cho phép tích hợp các công nghệ mới và

mở ra khả năng mở rộng và cập nhật hệ thống theo thời gian

4.2 Phương pháp mô phỏng

Trước hết, mô hình của môi trường giao thông, bao gồm các yêu t6 nhưđường, xe, biển báo giao thông và các tác nhân giao thông khác, được thiết kế trongBlender Blender là một phần mềm mạnh mẽ cho thiết kế mô hình 3D, cho phép tạo

ra các đôi tượng va môi trường chi tiết.

33