LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài, Tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của Ban giám hiệu, Bộ phận sau Đại học, Khoa cơ khí Động lực, cán bộ các phòng, ban chức
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
Trang 2NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116
Hướng dẫn khoa học:
TS LÊ THANH PHÚC
Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
Trang 3LÝ LỊCH KHOA HỌC
I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: HÀ QUỐC BẢO Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 02/02/1987 Nơi sinh: Kiên Giang
Quê quán: Thái Bình Dân tộc: Kinh
Địa chỉ liên lạc: 114/34 Phú Thọ Hòa - P Phú Thọ Hòa - Q.Tân Phú - TP.HCM Đơn vị công tác: Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Lý Tự Trọng TP Hồ Chí MInh, 390 Hoàng Văn Thụ, Phường 4, Q Tân Bình, TP Hồ Chí Minh
Điện thoại đơn vị: Điện thoại riêng: 0933.651.943
Fax: E-mail: haquocbao22@yahoo.com.vn
II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1 Đại học
Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2010 đến 09/ 2012 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế ghế Haptic
Ngày & nơi thi tốt nghiệp: 09/2012, tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh
Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Bá Hải
2 Trình độ ngoại ngữ: Anh Văn B1
III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm
Tân Bình, TP Hồ Chí Minh
Giảng viên khoa cơ khí động lực
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015
Ký tên
Hà Quốc Bảo
Trang 5LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài, Tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của Ban giám hiệu, Bộ phận sau Đại học, Khoa cơ khí Động lực, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy TS Lê Thanh Phúc đã hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này
Bên cạnh đó tôi chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp của tôi và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và các bạn
Xin chúc quý thầy cô cùng toàn thể các bạn luôn dồi dào sức khoẻ và thành
công!
Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
Học viên thực hiện
Hà Quốc Bảo
Trang 6TÓM TẮT
Công nghệ tự động đang phát triển và đạt nhiều thành tựu trên thế giới Đặc biệt, về lĩnh vực xe tự động đã có những bước đột phá trong những năm gần đây Nghiên cứu này nhằm thiết kế một hệ thống điều khiển tự động cho mô hình xe, làm phương tiện để khảo sát và đánh giá hiệu quả quá trình điều khiển chạy tự động của
xe theo làn đường cho trước Quá trình thu thập xử lý ảnh, điều khiển bẻ góc lái và tốc độ của xe được thực hiện thông qua phần mềm LabVIEW
Đề tài sử dụng một camera làm bộ phận thu thập hình ảnh của làn đường phía trước xe, từ đó, xác định vị trí của xe so với làn đường trong môi trường thực tế Khi sai số giữa xe và tâm làn đường vượt quá giới hạn quy định (giá trị cài đặt), hệ thống điều khiển PID sẽ xuất tín hiệu điều khiển mô tơ lái quay Mô tơ lái hoạt động làm bánh dẫn hướng xoay sang trái hoặc phải để giữ xe chạy theo làn đường phía trước đồng thời giảm tốc độ xe khi đánh lái
Kết quả thực nghiệm đã cho thấy, xe có khả năng tự điều khiển góc lái và tốc độ theo làn đường thực tế Khả năng tự điều khiển góc lái và tốc độ của xe là một trong những thành công lớn nhất của đề tài Từ đó làm cơ sở khoa học cho việc hoàn thiện mô hình hệ thống điều khiển xe chạy tự động sau này Đồng thời đề tài có thể góp phần phát triển và ứng dụng hệ thống điều khiển xe tự động vào thực tế ở Việt Nam trong tương lai
Trang 7ASTRACT
Automatic control technology has been developed and had achievements in worldwide Especially, in the field of automated vehicles, the results had breakthroughs in recent years This study aimed to design an automatic control system for a vehicle model as a mean to examine and evaluate the effectiveness of the automatic control of vehicles according to the path following The image processing, control of steering angle and vehicle speed are done by using LabVIEW software
The project uses a camera to collect images of the previous lane of the car Then, it determines the position of the car compared to the lane in the real environment When the distance between the vehicle and lane exceed the predetermined value, PID control system will send signals to control the driving motor The driving motor steers the wheels to turn left or right to keep the vehicle following the path At the same time, PID control system will send signals to reduce vehicle speed when steering car
The experimental results showed that the car has the ability of self-steering and self-speeding according to the actual lanes These result is one of the biggest successes of the research Then it is the basis for improving the autonomous car control system model later on At the same time, it contributes to develop and apply
of autonomous car control systems into reality in Vietnam
Trang 8MỤC LỤC
Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
Lý lịch khoa học ii
Lời cam đoan iii
Lời cảm ơn iv
Tóm tắt v
Astract vi
Mục lục vii
Danh sách các chữ viết tắt xi
Danh sách các hình xii
Danh sách các bảng xv
Chương 1.TỔNG QUAN 1
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1
1.1.1 Khái niệm về xe tự hành 1
1.1.2 Những ưu thế vượt trội của xe tự lái 2
1.1.3 Xu hướng phát triển của xe tự lái 2
1.1.4 Các kết quả nghiên cứu về ô tô tự động 3
1.2 Mục đích của đề tài 4
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 5
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 5
1.3.2 Giới hạn của đề tài 5
1.4 Phương pháp nghiên cứu 5
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6
2.1 Lý thuyết tổng quan về xử lý ảnh 6
2.1.1 Giới thiệu chung về xử lý ảnh 6
2.1.2 Các bước xử lý ảnh 7
Trang 92.1.2.1 Thu nhận ảnh 7
2.1.2.2 Tiền xử lý ảnh 7
2.1.2.3 Phân tích ảnh 7
2.1.2.4 Biểu diễn ảnh 7
2.1.2.5 Nhận dạng và nội suy 8
2.1.2.6 Cơ sở tri thức 8
2.1.2.7 Mô tả ảnh 8
2.1.3 Biên và các phương pháp phát hiện biên 9
2.2 Biến đổi hough (Hough transform) 9
2.2.1 Biến đổi Hough cho đường thẳng 10
2.2.2 Biến đổi Hough cho đường thẳng trong tọa độ cực 11
2.3 Mô hình làn đường (Lane Model) 14
2.4 Lý thuyết điều khiển tự động 16
2.4.1 Khái niệm điều khiển tự động 16
2.4.2 Phân loại phương thức điều khiển tự động 18
2.5 Lý thuyết chung về điểu khiển động cơ 19
2.5.1 Động cơ DC 19
2.5.2 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ (điều khiển tốc độ) 20
2.6 Thuật toán điều khiển động cơ 20
2.6.1 Khái niệm 20
2.6.2 Điều khiển PID động cơ DC 21
2.6.3 Phương pháp điều chỉnh các hệ số gain trong PID 26
2.6.3.1 Điều chỉnh thủ công 26
2.6.3.2 Phương pháp Ziegler – Nichols 26
2.7 Công cụ xử lý ảnh và điều khiển góc lái, điều khiển vận tốc trong LabVIEW 26 2.7.1 LabVIEW 26
2.7.2 Ứng dụng của Lab VIEW 28
2.7.3 Lập trình với Lab VIEW 28
2.7.4 Một số hàm thường sử dụng trong Lab VIEW 29
Trang 10Chương 3 THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE TỰ ĐỘNG 32
3.1 Thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển xe tự động 32
3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 32
3.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống 32
3.1.2.1 Camera Colorvis 32
3.1.2.2 Máy tính Acer Aspire E1-572G 33
3.1.2.3 Card điều khiển 9090 I/O 33
3.1.2.4 Motor driver 43
3.1.2.5 Motor điều khiển bẻ lái và chạy xe 44
3.1.2.6 Encoder 46
3.1.3 Sơ đồ bố trí các bộ phận 47
3.1.4 Bản vẽ thiết kế 47
3.1.5 Mô hình thực tế 48
3.1.6 Sơ đồ mạch điện hệ thống điều khiển xe tự động 49
3.2 Nhận dạng, xử lý và xuất tín hiệu điều khiển bẻ lái và điều khiển tốc độ trong Lab VIEW 50
3.2.1 Mô hình hệ thống điều khiển xe tự động 50
3.2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển xe tự động 51
3.2.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển 51
3.2.3.1 Thuật toán xử lý ảnh và điều khiển góc lái, điều khiển tốc độ xe 51 3.2.3.2 Thuật toán điều khiển góc lái và tốc độ theo vị trí của xe so với vạch sơn đường 52
3.3 Thiết lập chương trình điều khiển góc lái và vận tốc xe bằng thuật toán điều khiển PID trong LabVIEW 52
3.3.1 Thiết lập chương trình điều khiển góc lái bằng thuật toán điều khiển PID.52 3.3.2 Thiết lập chương trình điều khiển tốc độ xe bằng thuật toán điều khiển PID 55
3.3.3 Giao diện người dùng 56
Trang 11Chương 4 KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 59
4.1 Phương án khảo sát 59
4.1.1 Môi trường và điều kiện khảo sát 59
4.1.2 Kết quả thực nghiệm 60
4.2 Kết quả thực nghiệm 60
4.2.1 Kết quả thực nghiệm trong lần chạy I 60
4.2.2 Kết quả thực nghiệm trong lần chạy II 64
4.2.3 Kết quả thực nghiệm trong lần chạy III 67
4.3 So sánh đánh giá kết quả chạy thực nghiệm 70
Chương 5 KẾT LUẬN 73
5.1 Kết luận 73
5.2 Hướng phát triển đề tài 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO 75
Trang 12DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
WHO : World Health Organization - Tổ chức y tế thế giới
WB : World Bank - Ngân hàng thế giới
LM : Lane Model - Mô hình làn đường
TCP : Transmission Control Protocol - Giao thức điều khiển truyền vận
IP : Internet Protocol - Là một nhãn hiệu số được gán cho mỗi thiết bị
tham gia vào một mạng máy tính có sử dụng các giao thức Internet
để liên lạc
PCI : Pripheral Component Interconnect - Chuẩn để truyền dữ liệu giữa
các thiết bị ngoại vi đến một bo mạch chủ
BD : Block Diagram - Cửa sổ dùng để viết các thuật toán cho ứng dụng
FP : Front Panel - Cửa sổ giao diện người dùng
LabVIEW : Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench – Phần
mềm lập trình ngôn ngữ đồ họa
PID : Propotional Integral Derivative – Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ
AMP : Amplifier – Bộ khuếch đại
DC : Direct Current – Dòng điện một chiều
AC : Alternating Current– Dòng điện xoay chiều
USB : Univeral Serial Bus – Chuẩn kết nối các thiết bị điện tử
Trang 13DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1 Xe tự lái Lexus RX450h của Google 1
Hinh 2.1: Các bước cơ bản trong xử lý ảnh 6
Hinh 2.2: Bảng trị số giá trị 0 11
Hình 2.3: Đường thẳng Hough trong tọa độ cực 11
Hình 2.4: Ứng dụng biến đổi Hough phát hiện góc 13
Hình 2.5: Mô hình của làn đường đánh dấu trong mặt phẳng ảnh 14
Hình 2.6: Mô hình làn đường trong thực tế, lưu ý rằng khoảng cách d1 và d2 được thể hiện bằng mm 15
Hình2.7: Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển 16
Hình 2.8: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động 18
Hình 2.9: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 21
Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển động cơ DC theo thuật toán PID 21
Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống điều khiển lái 22
Hình2.12: Bộ PID điều khiển vị trí góc lái của xe 22
Hình 2.13: Các thông số chất lượng của đáp ứng quá độ 25
Hình 2.14: Cách thực hiện xây dụng chương trình trong Lab VIEW 27
Hình 2.15: Môi trường làm việc trong LabVIEW; (a) cửa sổ Front Panel, (b) cửa sổ Block Diagram 28
Hình 2.16: Vòng lặp While Loop 29
Hình 2.17: Cấu trúc trường hợp Case Structure 30
Hình 2.18: Vòng lặp For Loop 31
Hình 2.19: Hai cách thể hiện của cấu trúc chuỗi 31
Hinh 2.20: Đoạn chương trình Y=x3 +3x+2 viết theo hai cách 31
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 32
Hình 3.2: Camera colorvis 33
Hình 3.3: Máy tính HP Elitebook 8840p 33
Hình 3.4: Card điều khiển HDL 9090 I/O 34
Trang 14Hình 3.5: Hàm Hocdelam USB 9090 36
Hình 3.6: Motor driver 43
Hình 3.7: Sơ đồ các cổng kết nối trên mạch suất 43
Hình 3.8: Motor điều khiển bẻ lái và motor chạy xe 45
Hình 3.9: Mô tả tương quan giữa góc quay động cơ và góc xoay của bánh dẫn hướng Hình 3.10: Encoder đo góc quay động cơ 46
Hình 3.11: Sơ đồ bố trí các bộ phận 47
Hình 3.12: Bản vẽ thiết kế mô phỏng trí các bộ phận 48
Hình 3.13: Mô hình bố trí các bộ phận hệ thống điều khiển trên xe 49
Hình 3.14: Sơ đồ mạch điện hệ thống điều khiển xe tự động 50
Hinh 3.15: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển xe tự động 51
Hình 3.16: Lưu đồ thuật toán điều khiển góc lái và theo vị trí của xe so với làn đường trong môi trường thực tế 52
Hình 3.17: Lưu đồ thuật toán điều khiển góc lái và tốc độ theo vị trí của xe so với vạch sơn đường 53
Hình 3.18: Sơ đồ hệ thống điều khiển lái theo góc quay động cơ 54
Hình 3.19: Mối quan hệ giữa góc quay động cơ và góc xoay bánh dẫn hướng 54
Hình 3.20: Chương trình điều khiển góc lái với thuật toán điều khiển PID 55
Hình 3.21: Sơ đồ hệ thống chạy xe 56
Hình3.22: Chương trình điều khiển vận tốc với thuật toán điều khiển PID 57
Hình 3.23: Giao diện người dùng chương trình điều khiển hệ thống xe tự động 57
Hình 4.1: Mô hình đường chạy thử nghiệm 59
Hình 4.2: Đồ thị điều khiển góc lái và vận tốc khi xe rẽ phải lần chạy I 60
Hình 4.3: Đồ thị điều khiển đánh lái qua phải khi xe rẽ phải trong lần chạy I 60
Hình 4.4: Đồ thị điều khiển trả lái sau khi xe rẽ phải lần chạy I 61
Hình 4.5: Đồ thị điều khiển đánh lái qua trái và trả lái khi xe rẽ trái lần chạy I 62
Hình 4.6: Đồ thị điều khiển đánh lái qua trái khi xe rẽ trái lần chạy I 62
Hình 4.7: Đồ thị điều khiển trả lái khi xe rẽ trái lần chạy I 63
Hình 4.8: Đồ thị điều khiển góc lái và vận tốc khi xe rẽ phải lần chạy II 64
Trang 15Hình 4.9: Đồ thị điều khiển đánh lái qua phải khi xe rẽ phải lần chạy II 64
Hình 4.10: Đồ thị điều khiển trả lái khi xe rẽ phải lần chạy II 65
Hình 4.11: Đồ thị điều khiển góc lái và vận tốc khi xe rẽ trái lần chạy II 65
Hình 4.12: Đồ thị điều khiển đánh lái qua trái khi xe rẽ trái lần chạy II 66
Hình 4.13: Đồ thị điều khiển trả lái khi xe rẽ trái lần chạy II 66
Hình 4.14: Đồ thị điều khiển góc lái và vận tốc khi xe rẽ phải lần chạy III 67
Hình 4.15: Đồ thị điều khiển đánh lái qua phải khi xe rẽ phải lần chạy III 67
Hình 4.16: Đồ thị điều khiển trả lái khi xe rẽ phải lần chạy III 68
Hình 4.17: Đồ thị điều khiển góc lái và vận tốc khi xe rẽ trái lần chạy III 68
Hình 4.18: Đồ thị điều khiển đánh lái qua trái khi xe rẽ trái lần chạy III 69
Hình 4.19: Đồ thị điều khiển trả lái khi xe rẽ trái lần chạy III 69
Hình 4.20: Đồ thị điều khiển góc lái khi xe rẽ phải một góc 350 70
Hình 4.21: Đồ thị điều khiển trả lái sau khi xe rẽ phải một góc 350 70
Hình 4.22: Đồ thị điều khiển trả lái sau khi xe rẽ trái một góc 350 71
Hình 4.23: Đồ thị điều khiển trả lái sau khi xe rẽ trái một góc 350 71
Trang 16DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Tìm thông số bộ PID bằng phương pháp Ziegler – Nichols 25
Bảng 3.1: Các chân tín hiệu của Card điều khiển HDL 9090 I/O 34
Bảng 3.2: Các chân tín hiệu của Card điều khiển HDL 9090 I/O 35
Bảng 3.3: Các chân hàm Hocdelam USB 9090 36