Hệ thống Điệu khiển tự Động ô tô bài tập lớn mô hình hệ thống xe chạy tự Động

DANH SÁCH NHÓM THAM GIA VIẾT TIỂU LUẬNHỌC KÌ I, NĂM HỌC 2024-2025 Tên đề tài: MÔ HÌNH HỆ THỐNG XE CHẠY TỰ ĐỘNG: Dùng camera lấy hình ảnh đưa Python xử lí nhận diện lane đường, gửi thông

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

    

MÔN HỌC HỆ THỐNG ĐIỆU KHIỂN TỰ ĐỘNG Ô TÔ :

BÀI TẬP LỚN

MÔ HÌNH HỆ THỐNG XE CHẠY TỰ ĐỘNG

GVHD: TS LÊ THANH PHÚC SVTH: NHÓM 5

1 HỒ DŨNG 22145334

2 LA VĂN VŨ 22145520

3 NGUYỄN LỘC TRƯỜNG 22145501

4 ĐINH THANH DŨNG 22145333

Mã học phần: AUTC340533

TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2024

DANH SÁCH NHÓM THAM GIA VIẾT TIỂU LUẬN

HỌC KÌ I, NĂM HỌC 2024-2025 Tên đề tài: MÔ HÌNH HỆ THỐNG XE CHẠY TỰ ĐỘNG: Dùng camera lấy hình ảnh đưa Python xử lí nhận diện lane đường, gửi thông tin qua ardunio để điều khiển xe chạy đúng lane đường được lập trình sẵn.

Bảng phân công nhiệm vụ:

VIÊN

TỶ LỆ HOÀN THÀNH (%)

Nhận xét của giảng viên:

Ngày , tháng , năm 2024 Điểm của giảng viên

TS LÊ THANH PHÚC MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, xu hướng phát triển công nghệ tự động hóa và trí tuệ nhân tạo đang ngàycàng phát triển mạnh mẽ Trong đó, xe điều khiển tự động đang trở thành xu hướng củatương lai, nhằm giảm thiểu rủi ro và tăng cường sự an toàn khi tham gia giao thông Xeđiều khiển tự động có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như vận chuyển hàng hóa,giao thông công cộng, và các phương tiện cá nhân Việc nghiên cứu và phát triển xe điềukhiển tự động sẽ đóng góp vào việc tạo ra các giải pháp giao thông thông minh và bềnvững Với hệ thống điều khiển tự động, xe có thể giữ làn đường, nhận diện và tránhchướng ngại vật, giúp giảm thiểu tai nạn giao thông do lỗi con người gây ra, đặc biệt làcác tai nạn liên quan đến việc mất tập trung hoặc thiếu kỹ năng lái xe Việc nghiên cứu vàphát triển xe điều khiển tự động yêu cầu kiến thức về nhiều lĩnh vực như lập trình, xử lýảnh, điều khiển thiết bị và tích hợp hệ thống Việc chọn đề tài này giúp cho nhóm tác giả

có khả năng cao khả năng lập trình ardunio, kỹ thuật xử lý ảnh Python và có kiến thức về

hệ thống điều khiển tự động Mô hình điều khiển tự động không chỉ mang tính chất ứngdụng thực tế mà còn đóng góp nhiều về quá trình học hỏi cũng như nghiên cứu khoa họctrong lĩnh vực công nghệ thông tin và điều khiển tự động, đồng thời tạo nền tảng cho cácnghiên cứu phát triển tiếp theo

1.2 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của đề tài

* Giới hạn đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu vào mô hình xe chạy tự động xử lý ảnh bằng camera.Bằng cách sử dụng các ngôn ngữ lập trình đơn giản của Python và Arduino giúp cho xe

có thể đi đúng trên line đường đã cho

* Phạm vi nghiên cứu đề tài

Đề tài được nghiên cứu dựa trên các kiến thức đã học, từ các tài liệu, giáo trình chođến các thông tin từ bạn bè, thầy cô hướng dẫn Ngoài ra còn được vẽ mô phỏng trên cácphần mềm, sau đó bắt đầu vào chế tạo dựa trên các thông tin đã thu nhập được

1.3 Mục tiêu đạt được

Việc “Chế tạo mô hình xe chạy tự động theo làn đường ” đang ngày càng thu hút sựquan tâm của các nhà nghiên cứu, sinh viên và cả những người đam mê công nghệ Đây làmột dự án thú vị kết hợp giữa cơ khí, điện tử và lập trình Mục đích chính của việc chế tạo

mô hình xe chạy tự động theo làn đường xác định trước là mô phỏng và nghiên cứu các

kỹ thuật điều khiển tự động, đặc biệt là trong lĩnh vực xe tự lái Thông qua việc chế tạo vàthử nghiệm mô hình, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của xe tự động,cảm biến và xử lý tín hiệu Mô hình này giúp người học hiểu rõ cách thức các cảm biến(camera) thu thập thông tin về môi trường xung quanh, cách xử lý tín hiệu thu được vàđưa ra quyết định điều khiển Viết code lập trình điều khiển cho mô hình giúp người họcnắm vững các thuật toán điều khiển, ví dụ như python, arduino và cách áp dụng chúngvào thực tế để điều khiển vận tốc, hướng di chuyển của xe Mô hình xe chạy tự động cũngđòi hỏi phải nhận dạng, xử lý và phân tích hình ảnh Đặc biệt mô hình này chú trọng vàoviệc nhận dạng các vạch kẻ đường và đưa ra quyết định điều khiển phù hợp để giữ xetrong làn đường Qua đó việc chế tạo và thử nghiệm mô hình này, người học có thể hiểu

rõ hơn về các nguyên lý điều khiển tự động, phát triển kỹ năng lập trình và giải quyết vấn

đề Arduino, MATLAB và Python đóng vai trò quan trọng trong việc hiện thực hóa dự án,tương ứng với việc điều khiển phần cứng, xử lý ảnh và thiết kế thuật toán

1.4 Kế hoạch thực hiện.

Tuần 13 (11/11 đến 17/11 năm

2024)

Làm phần 1 bài báo cáo:

 Lý do chọn đề tài (Đinh Thanh Dũng)

 Giới hạn, phạm vi đề tài (La Văn Vũ)

 Mục tiêu đạt được (Nguyễn Lộc Trường)

 Kế hoạch thực hiện (Hồ Dũng)

 Tổng hợp và check lại thông tin (Hồ

Tuần 14 (18/11 đến 23/11 năm

2024)

- Làm bài báo cáo chương 2:

 Nội dung mục 2.1 Trường

Tuần 15 (22/4 đến 28/4 năm 2024) Làm phần còn lại kiểm tra thiếu sót Cả nhóm

cùng thực hiện làm lý thuyết cho bài báo cáo trên Google Meet Phân công sau tuần 14

Tuần 16 (7/12 năm 2024) Báo cáo mô hình trước lớp

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về xe điều khiển tự động

2.1.1 Khái niệm và vai trò của hệ thống xe điều khiển tự động

Hệ thống mô hình xe điều khiển tự động là một cấu trúc tổng thể bao gồm phần cứng

và phần mềm được thiết kế để cho phép xe tự động di chuyển mà không cần sự can thiệpcủa con người Nó sử dụng các cảm biến, camera, và thuật toán điều khiển để nhận diệnmôi trường xung quanh, từ đó đưa ra quyết định điều khiển hướng đi, tốc độ và hành vikhác của xe

Vai trò của hệ thống mô hình xe điều khiển tự động

 Tăng cường an toàn giao thông: Một trong những vai trò nổi bật nhất của hệ

thống này là cải thiện an toàn giao thông Xe tự động giảm thiểu lỗi do conngười gây ra, như thiếu tập trung hay lái xe trong tình trạng say rượu

 Thúc đẩy hiệu quả vận tải: Xe điều khiển tự động tối ưu hóa lộ trình đi lại,

giúp tiết kiệm thời gian và nhiên liệu Điều này rất có lợi cho ngành logistics

và vận tải hàng hóa

 Giảm ô nhiễm môi trường: Bằng cách tối ưu hóa quá trình di chuyển và giảm

lượng khí thải nhờ vào việc sử dụng năng lượng hiệu quả hơn, hệ thống nàygóp phần giảm ô nhiễm môi trường

 Tiện ích và trải nghiệm người dùng: Xe tự động cung cấp nhiều tiện ích cho

người dùng, chẳng hạn như khả năng tương tác với các dịch vụ trực tuyến, tìmkiếm địa điểm, và thậm chí là giải trí trong suốt quá trình di chuyển

 Cải thiện khả năng tiếp cận giao thông: Hệ thống mô hình xe điều khiển tự

động mở ra cơ hội cho những người có khuyết tật hoặc người cao tuổi khôngthể tự lái xe, giúp họ có thể di chuyển dễ dàng hơn

2.1.2 Phân loại hệ thống xe điều khiển tự động

Trong xu thế phát triển của công nghệ 4.0, các mô hình xe tự động đang ngày càng đadạng và phức tạp Việc phân loại giúp chúng ta hiểu rõ hơn về đặc điểm và ứng dụng củatừng loại

Phân loại theo mức độ tự động hóa: Xe tự động được chia thành 5 cấp độ, từ cấp độ 0

(không có tự động hóa) đến cấp độ 5 (tự động hoàn toàn) Mỗi cấp độ đại diện cho mộtmức độ can thiệp khác nhau của con người vào quá trình điều khiển xe Các hệ thống hỗtrợ lái xe như kiểm soát hành trình thích ứng (ACC) và hệ thống cảnh báo chệch lànđường thuộc cấp độ 1 và 2 Trong khi đó, các xe tự lái hoàn toàn với khả năng tự đưa raquyết định trong mọi tình huống thuộc cấp độ 4 và 5

Phân loại theo công nghệ cảm biến và điều khiển: Các mô hình xe tự động có thể được

phân loại dựa trên loại cảm biến chính được sử dụng Một số xe sử dụng hệ thống cameralàm cảm biến chính, trong khi các mô hình khác dựa vào LiDAR hoặc kết hợp nhiều loạicảm biến Công nghệ điều khiển cũng là một tiêu chí phân loại quan trọng Các hệ thống

có thể sử dụng điều khiển dựa trên quy tắc, điều khiển thích nghi hoặc các phương pháphọc sâu hiện đại

Phân loại theo mục đích sử dụng: Xe tự động được thiết kế cho nhiều mục đích khác

nhau, từ xe chở khách đến xe vận tải hàng hóa Mỗi loại có những yêu cầu và thách thứcriêng về thiết kế và vận hành Xe tự động trong môi trường công nghiệp như nhà máy,kho bãi có những đặc điểm và yêu cầu khác với xe tự động trên đường phố Điều này dẫnđến sự khác biệt trong thiết kế và cài đặt hệ thống điều khiển

2.2 Các thành phần chính trong điều khiển tự động

2.2.1 Cảm biến (Sensors)

Cảm biến là một trong những thành phần không thể thiếu trong hệ thống điều khiển

tự động Nó có nhiệm vụ thu thập thông tin về trạng thái của quá trình, sau đó xử lí thôngtin đó thành các tín hiệu điện để bộ điều khiển xử lý

Cảm biến là một thiết bị điện tử có khả năng cảm nhận những trạng thái hay cácbiến đổi vật lý, hóa học hay sinh học của môi trường xung quanh, hay còn được xem làthiết bị trung gian có thể thu nhập thông tin về nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, không gian, vịtrí… sau đó biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về xử lý quá trình đó Từ đóphục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học hay học tập như đo đạc, xử lý thông tin haytrong việc điều khiển các thiết bị…

Cấu tạo chung của bộ cảm biến sensor thường gồm 3 phần: bộ cảm biến, bộ xử lý tínhiệu và bộ giao tiếp

+ Bộ phận cảm biến (Sensor Element): là phần quan trọng nhất của bộ cảm biến, sẽ tiếpxúc trực tiếp với môi trường để đo các biến đổi lý hóa sinh trong môi trường Tùy vào loạisensor mà bộ phận cảm biến sẽ có cấu tạo và nguyên lý hoạt động khác nhau

+ Bộ xử lý tín hiệu (Signal Processing Circuit): bộ phận này sẽ có chức năng khuếch đại,lọc và xử lý tín hiệu thu được từ bộ phận cảm biến Thường sẽ bao gồm các mạch điện tửnhư: mạch khuếch đại, mạch lọc, mạch chỉnh lưu…

+ Bộ giao tiếp (Communication Interface): có chức năng truyền tín hiệu đã xử lý đến bộphận điều khiển hoặc hiển thị Bộ giao tiếp có thể sử dụng các chuẩn giao tiếp nhưannalog, digital… để truyền tín hiệu

Nguyên lí hoạt động: dùng để thu thập dữ liệu, cảm biến cần được cấp nguồn và đặttrong môi trường cần đo, cảm biến sẽ phát ra một từ trường điện xoay chiều có cường độnhỏ, có khả năng tương tác với môi trường Sau khi lan truyền trong môi trường, từ

trường này quay trở lại và được phần tử cảm biến thu nhận Tín hiệu điện tương ứng vớithông tin đã thu thập được chuyển đến bộ phận xử lý tín hiệu Sau đó các tín hiệu sẽ đượcchuyển đổi thành dữ liệu số hóa hoặc tín hiệu điện tương thích với các thiết bị khác trong

hệ thống

Cảm biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống.Chẳng hạn như trong ngành y tế, cảm biến được sử dụng để theo dõi các chỉ số sức khỏecủa bệnh nhân như nhịp tim, huyết áp và mức độ oxy trong máu, giúp bác sĩ có thể chẩnđoán và điều trị bệnh kịp thời Trong công nghiệp, cảm biến được dùng trong các hệthống tự động hóa, giúp giám sát và điều khiển quá trình sản xuất, từ việc đo lường nhiệt

độ, áp suất, độ ẩm và đặc biệt là có thể phát hiện sự cố sớm để đảm bảo an toàn lao động

và nâng cao hiệu quả sản xuất Còn trên xe hơi, chúng ta sẽ có rất nhiều các cảm biến nhưcảm biến đo góc lái, cảm biến nhớt…

2.2.2 Bộ điều khiển (Controller)

Bộ điều khiển (controller) là một thiết bị không thể thiếu trong nhiều hệ thống tựđộng Chức năng chính của bộ điều khiển là điều khiển, giám sát và quản lý hoạt độngcủa các thiết bị khác Bộ điều khiển thu nhập dữ liệu từ các cảm biến, thiết bị đầu vào, sau

đó dựa trên thông tin đã thu nhập được sẽ đưa ra các lệnh toán, so sánh để xử lý thông tin,đánh giá tình hình và đưa ra các quyết định để điều khiển các hệ thống hoạt động theo ýmuốn

Thông thường, cấu tạo bộ điều khiển sẽ bao gồm:

+ CPU: nhận dữ liệu từ các cảm biến, sau đó sẽ xử lý dữ liệu và đưa ra các thuật toán để

so sánh và gửi tín hiệu ra OUTPUT

+ Bộ nhớ: dùng để lưu trữ lại chương trình điều khiển, lưu trữ tạm thời lại quá trình hoạtđộng

+ INPUT: nhận tín hiệu từ các cảm biến, công tắc… sau đó sẽ gửi cho CPU để xử lý

+ OUTPUT: đầu ra của bộ điều khiển, gửi tín hiệu đến các thiết bị làm cho hệ thống cóthể hoạt động được.

+ HMI: thông thường là màn hình LED, bảng điều khiển… giúp người dùng có thể tươngtác với bộ điều khiển, từ đó có thể thay đổi thông số cho chính xác nhất

Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động của bộ điều khiển

Trong thời kỳ 4.0 hiện nay, bộ điều khiển đã trở thành một thành phần không thể thiếutrong các thiết bị điều khiển tự động Trong công nghiệp, chúng ta hay bắt gặp bộ điềukhiển trên các robot, dây chuyền sản xuất hiện đại… nó đóng vai trò quan trọng trongviệc tiết kiệm năng lượng, điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, lưu lượng Trong đời sống hằngngày, bộ điều khiển xuất hiện trên các ô tô, nó là thành phần chính trong hệ thống phanhABS, hệ thống treo, hệ thống cân bằng điện tử giúp người lái khi phanh gấp không bị bócứng, giữ xe luôn trong tình trạng an toàn, giảm thiểu được tối đa sự cố có thể xảy ra

2.2.3 Cơ cấu chấp hành (Actuators)

Cơ cấu chấp hành, hay còn gọi là Actuators, là một thành phần quan trọng trong hệthống tự động hóa Nó là một thiết bị truyền động, nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và

chuyển thành các chuyển động cơ học nhờ các năng lượng như điện, khí nén Qua đóhoàn thành tốt các nhiệm vụ được giao trong quá trình sản xuất.

Thành phần của cơ cấu chấp hành bao gồm:

+ Nguồn điện: cung cấp nguồn vào để điều khiển các thiết bị

+ Bộ chuyển đổi nguồn: là thiết bị trung gian giúp chuyển đổi năng lượng từ nguồn (điện,khí nén, dầu thủy lực…) thành một dạng năng lượng khác phù hợp với thiết bị

+ Thiết bị truyền động: các máy móc, thiết bị dùng để chuyển năng lượng nguồn thànhnăng lượng cơ học

+ Bộ điều khiển: giúp người dùng có thể điều khiển đúng với thông số đã cho

Cơ cấu chấp hành có một khả năng định vị chính xác, có thể thực hiện nhiệm vụ liêntục mà không giới hạn về số lần khởi động, đặc biệt là không có thời gian “chết” trongquá trình làm việc Hiệu quả mà nó đem lại vô cùng cao, độ tin cậy lớn hơn so với cácthiết bị thông thường giúp người dùng vô cùng an tâm

Có 4 loại cơ cấu chấp hành phổ biến hiện nay:

+ Cơ cấu chấp hành tuyến tính thủy lực

+ Cơ cấu chấp hành tuyến tính khí nén

+ Cơ cấu chấp hành áp điện

+ Cơ cấu chấp hành tuyến tính điện

2.2.4 Đường truyền tín hiệu

Đường truyền tín hiệu là con đường mà dữ liệu được truyền từ các cảm biến đến các

bộ xử lý thông tin và đến cơ cấu chấp hành

Các loại đường truyền tín hiệu phổ biến hiện nay:

+ CAN: truyền với một tốc độ cao, được sử dụng rộng rãi trên các ô tô hiện nay để kết nốicác bộ điều khiển với nhau

+ LIN: truyền với tốc độ thấp, được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày như đèn,cửa điện.

+ FlexRay: truyền với tốc độ cao, được sử dụng trong các hệ thống yêu cầu độ tin cậy caonhư hệ thống phanh ABS, hệ thống cân bằng điện tử…

+ Ethernet: được sử dụng rộng rãi trong mạng máy tính, xe tự lái… để truyền dữ liệu tốc

mệt mỏi và nguy cơ va chạm trong điều kiện giao thông đông đúc Hỗ trợ duy trì làn đường: Lane Keep Assist (LKA) giúp xe tự động điều chỉnh để giữ xe trong làn đường,

tránh tình huống xe chạy lệch làn, đặc biệt trong các chuyến đi dài

+ Tiện nghi và giảm căng thẳng, lái xe trong giao thông tắc nghẽn: Traffic Jam Pilot

giúp xe tự động lái trong điều kiện tắc nghẽn, kiểm soát phanh, tăng tốc và đánh lái, giúp

người lái giảm bớt căng thẳng trong những tình huống tắc đường Điều khiển tự động ở tốc độ cao: Adaptive Cruise Control không chỉ hoạt động ở tốc độ thấp mà còn có thể

điều chỉnh tốc độ trên cao tốc, giúp người lái thư giãn hơn mà không phải liên tục điềuchỉnh chân ga

+Tiết kiệm thời gian và năng lượng, tiết kiệm nhiên liệu: Khi hệ thống ACC và các

tính năng liên quan được sử dụng một cách hiệu quả, xe có thể điều chỉnh tốc độ và