Luận văn Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NGÀNH: 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

LÝ 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

LỜI 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

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 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

TÓM 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

ASTRACT

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

MỤC 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

2.1.2.1 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

Chương 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

Chương 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

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

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

DANH 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

Hình 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

Hình 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

DANH 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

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

Hình 1.1 Xe tự lái Lexus RX450h của Google [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…

1.1.2 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

1.1.3 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

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

1.1.4 Các kết quả nghiên cứu về ô tô tự động

1.1.4.1 Thế giới

Choi, S.B 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

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

1.1.4.1 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

1.2 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

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

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài

1.3.1 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

1.3.2 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

1.4 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

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết tổng quan về xử lý ảnh

2.1.1 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 Những năm trở lại đây với sự phát triển của phần cứng máy tính,

xử lý ảnh và đồ họa phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống Xử lý ảnh và đồ họa đóng vai trò quan trọng trong tương lai ngành ô tô

Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho

ra kết quả mong muốn Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh

“tốt hơn” hay một kết luận Dưới đây là mô tả các bước cơ bản trong xử lý ảnh

Hinh 2.1: Các bước cơ bản trong xử lý ảnh [8,9]

2.1.2 Các bước xử lý ảnh

2.1.2.1 Thu nhận ảnh (Image Acquisition)

Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc đen trắng Thường ảnh nhận qua camera

là ảnh tương tự (loại camera ống chuẩn CCIR với tần số1/25, mỗi ảnh 25 dòng), cũng có loại camera đã số hoá (như loại CCD – Change Coupled Device) là loại photodiot tạo cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh

Camera thường dùng là loại quét dòng, ảnh tạo ra có dạng hai chiều Chất lượng một ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng, phong cảnh)

2.1.2.2 Tiền xử lý (Image Processing)

Sau bộ thu nhận, ảnh có thể nhiễu do độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất lượng Chức năng chính của bộ tiền xử lý là lọc nhiễu, nâng độ tương phản để làm ảnh rõ hơn, nét hơn

2.1.2.3 Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh

Phân vùng ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn, phân tích, nhận dạng ảnh Ví dụ: để nhận dạng chữ (hoặc mã vạch) trên phong bì thư cho mục đích phân loại bưu phẩm, cần chia các câu, chữ về địa chỉ hoặc tên người thành các từ, các chữ, các số (hoặc các vạch) riêng biệt để nhận dạng Đây là phần phức tạp khó khăn nhất trong xử lý ảnh và cũng dễ gây lỗi, làm mất độ chính xác của ảnh Kết quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn này

2.1.2.4 Biểu diễn ảnh (Image Representation)

Đầu ra ảnh sau phân đoạn chứa các điểm ảnh của vùng ảnh (ảnh đã phân đoạn) cộng với mã liên kết với các vùng lận cận Việc biến đổi các số liệu này thành dạng thích hợp là cần thiết cho xử lý tiếp theo bằng máy tính Việc chọn các tính chất để thể hiện ảnh gọi là trích chọn đặc trưng (Feature Selection) gắn với việc tách các đặc tính của ảnh dưới dạng các thông tin định lượng hoặc làm cơ sở để phân biệt

lớp đối tượng này với đối tượng khác trong phạm vi ảnh nhận được Ví dụ: trong nhận dạng ký tự trên phong bì thư, chúng ta miêu tả các đặc trưng của từng ký tự giúp phân biệt ký tự này với ký tự khác

2.1.2.5 Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation)

Nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh Quá trình này thường thu được bằng cách so sánh với mẫu chuẩn đã được học (hoặc lưu) từ trước Nội suy là phán đoán theo ý nghĩa trên cơ sở nhận dạng Ví dụ: một loạt chữ số và nét gạch ngang trên phong bì thư có thể được nội suy thành mã điện thoại Có nhiều cách phân loai ảnh khác nhau về ảnh Theo lý thuyết về nhận dạng, các mô hình toán học về ảnh được phân theo hai loại nhận dạng ảnh cơ bản:

- Nhận dạng theo tham số

- Nhận dạng theo cấu trúc

Một số đối tượng nhận dạng khá phổ biến hiện nay đang được áp dụng trong khoa học và công nghệ là: nhận dạng ký tự (chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử), nhận dạng văn bản (Text), nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch, nhận dạng mặt người…

2.1.2.6 Cơ sở tri thức (Knowledge Base)

Như đã nói ở trên, ảnh là một đối tượng khá phức tạp về đường nét, độ sáng tối, dung lượng điểm ảnh, môi trường để thu ảnh phong phú kéo theo nhiễu Trong nhiều khâu xử lý và phân tích ảnh ngoài việc đơn giản hóa các phương pháp toán học đảm bảo tiện lợi cho xử lý, người ta mong muốn bắt chước quy trình tiếp nhận

và xử lý ảnh theo cách của con người Trong các bước xử lý đó, nhiều khâu hiện nay đã xử lý theo các phương pháp trí tuệ con người Vì vậy, ở đây các cơ sở tri thức được phát huy

2.1.2.7 Mô tả (biểu diễn ảnh)

Ảnh sau khi số hoá sẽ được lưu vào bộ nhớ hoặc chuyển sang các khâu tiếp theo

để phân tích Nếu lưu trữ ảnh trực tiếp từ các ảnh thô, đòi hỏi dung lượng bộ nhớ cực lớn và không hiệu quả theo quan điểm ứng dụng và công nghệ Thông thường, các ảnh thô đó được đặc tả (biểu diễn) lại (hay đơn giản là mã hoá) theo các đặc

điểm của ảnh được gọi là các đặc trưng ảnh (Image Features) như: biên ảnh (Boundary), vùng ảnh (Region) Một số phương pháp biểu diễn thường dùng:

- Biểu diễn bằng mã chạy (Run-Length Code)

- Biểu diễn bằng mã xích (Chaine -Code)

- Biểu diễn bằng mã tứ phân (Quad-Tree Code)

2.1.3 Biên và các phương pháp phát hiện biên

Biên là vấn đề quan trọng trong trích chọn đặc điểm nhằm tiến tới hiểu ảnh Cho đến nay chưa có định nghĩa chính xác về biên, trong mỗi ứng dụng người ta đưa ra các độ đo khác nhau về biên, một trong các độ đo đó là độ đo về sự thay đổi đột ngột về cấp xám Ví dụ: Đối với ảnh đen trắng, một điểm được gọi là điểm biên nếu nó là điểm đen có ít nhất một điểm trắng bên cạnh Tập hợp các điểm biên tạo nên biên hay đường bao của đối tượng Xuất phát từ cơ sở này người ta thường sử dụng hai phương pháp phát hiện biên cơ bản:

- Phát hiện biên trực tiếp: Phương pháp này làm nổi biên dựa vào sự biến

thiên mức xám của ảnh Kỹ thuật chủ yếu dùng để phát hiện biên ở đây là dựa vào

sự biến đổi cấp xám theo hướng Cách tiếp cận theo đạo hàm bậc nhất của ảnh dựa trên kỹ thuật Gradient, nếu lấy đạo hàm bậc hai của ảnh dựa trên biến đổi gia ta có

kỹ thuật Laplace

- Phát hiện biên gián tiếp: Nếu bằng cách nào đó ta phân được ảnh thành các

vùng thì ranh giới giữa các vùng đó gọi là biên Kỹ thuật dò biên và phân vùng ảnh

là hai bài toán đối ngẫu nhau vì dò biên để thực hiện phân lớp đối tượng mà khi đã phân lớp xong nghĩa là đã phân vùng được ảnh và ngược lại, khi đã phân vùng ảnh

đã được phân lớp thành các đối tượng, do đó có thể phát hiện được biên

Phương pháp phát hiện biên trực tiếp tỏ ra khá hiệu quả và ít chịu ảnh hưởng của nhiễu, song nếu sự biến thiên độ sáng không đột ngột, phương pháp tỏ ra kém hiệu quả, phương pháp phát hiện biên gián tiếp tuy khó cài đặt, song lại áp dụng khá tốt trong trường hợp này

2.2 Biến đổi hough (Hough transform)

Rút gọn số lượng điểm biểu diễn là kỹ thuật thuộc phần hậu xử lý Kết quả của phần dò biên thu được một dãy các điểm liên tiếp Vấn đề đặt ra là hiệu có thể bỏ bớt các điểm thu được để giảm thiểu không gian lưu trữ và thuận tiện cho việc đối sách hay không

2.2.1 Biến đổi Hough cho đường thẳng

Bằng cách nào đó ta thu được một số điểm, vấn đề đặt ra là cần phải kiểm tra

xem các điểm có là đường thẳng hay không

Bài toán: Cho n điểm (xi, yi) i = 1, n và ngưỡng θ hãy kiểm tra n điểm có tạo thành đường thẳng hay không?

số a, b giao nhau tại một điểm và điểm giao chính là a, b Chính là hệ số xác định phương trình của đường thẳng mà các điểm nằm vào

Ví dụ:

Cho 5 điểm (0, 1); (1, 3); (2, 5); (3, 5); (4, 9) và θ = 80% Hãy kiểm tra xem 5 điểm đã cho có nằm trên cùng một đường thẳng hay không? Hãy cho biết phương trình đường thẳng nếu có?

2.2.2 Biến đổi Hough cho đường thẳng trong tọa độ cực

Hình 2.3: Đường thẳng Hough trong tọa độ cực [12]

Mỗi điểm (x,y) trong mặt phẳng được biểu diễn bởi cặp (r,φ) trong tọa độ cực Tương tự mỗi đường thẳng trong mặt phẳng cũng có thể biểu diễn bởi một cặp (r,φ) trong tọa độ cực với r là khoảng cách từ gốc tọa độ tới đường thẳng đó và φ là góc tạo bởi trục 0x với đường thẳng vuông góc với nó, hình 2.3 biểu diễn đường thẳng Hough trong tọa độ Decard

Ngược lại, mỗi một cặp (r,φ) trong toạ độ cực cũng tương ứng biểu diễn một đường thẳng trong mặt phẳng

Giả sử M(x,y) là mộ điểm thuộc đường thẳng được biểu diễn bởi (r,φ), gọi H(X,Y) là hình chiếu của gốc toạ độ O trên đường thẳng ta có:

X= r cos φ và Y= r.sin φ (2.4) Mặt khác, ta có: OH.HA = 0

Từ đó ta có mối liên hệ giữa (x,y) và (r, φ) như sau:

x.cos φ +y.sin φ = r (2.5) Xét n điểm thẳng hàng trong tọa độ Decard có phương trình x.cosφ0+y.sinφ0=

r0 Biến đổi Hough ánh xạ n điểm này thành n đường sin trong tọa độ cực mà các đường này đều đi qua (r0, φ0) Giao điểm (r0, φ0) của n đường sin sẽ xác định một đường thẳng trong hệ tọa độ Decard Như vậy, những đường thẳng đi qua điểm (x,y) sẽ cho duy nhất một cặp ((r, φ) và có bao nhiêu đường qua (x,y) sẽ có bấy nhiêu cặp giá trị (r, φ)

 Áp dụng biến đổi Hough trong phát hiện góc nghiêng văn bản

Ý tưởng của việc áp dụng biến đổi Hough trong phát hiện góc nghiêng văn bản

là dùng một mảng tích luỹ để đếm số điểm ảnh nằm trên một đường thẳng trong không gian ảnh Mảng tích luỹ là một mảng hai chiều với chỉ số hàng của mảng cho biết góc lệch φ của một đường thẳng và chỉ số cột chính là giá trị r khoảng cách từ gốc toạ độ tới đường thẳng đó Sau đó tính tổng số điểm ảnh nằm trên những đường thẳng song song nhau theo các góc lệch thay đổi Góc nghiêng văn bản tương ứng với góc có tổng gía trị mảng tích luỹ cực đại

Theo biến đổi Hough, mỗi một đường thẳng trong mặt phẳng tương ứng được biểu diễn bởi một cặp (r, φ) Giả sử ta có một điểm ảnh (x,y) trong mặt phẳng, vì

qua điểm ảnh này có vô số đường thẳng, mỗi đường thẳng lại cho một cặp (r, φ) nên với mỗi điểm ảnh ta sẽ xác định được một số cặp (r, φ) thoả mãn phương trình Hough

Hình 2.4: Ứng dụng biến đổi Hough phát hiện góc [13]

Hình 2.4 minh hoạ cách dùng biến đổi Hough để phát hiện góc nghiêng văn bản Giả sử ta có một số điểm ảnh, đây là những điểm giữa đáy các hình chữ nhật ngoại tiếp các đối tượng đã được lựa chọn từ các bước trước Ở đây, ta thấy trên mặt phẳng có hai đường thẳng song song nhau Đường thẳng thứ nhất có ba điểm ảnh nên giá trị mảng tích luỹ bằng 3, đường thẳng thứ hai có gia trị mảng tích luỹ bằng 4 Do đó, tổng giá trị mảng tích luỹ cho cùng góc φ trường hợp này bằng 7 Gọi Hough [360][Max] là mảng tích lũy, giả sử M và N tương ứng là chiều rộng và chiều cao của ảnh, ta có các bước chính trong quá trình áp dụng biến đổi Hough phát hiện góc nghiêng văn bản như sau:

+ Bước 1: Khai báo mảng chỉ số Hough[φ][r] với 0 ≤ φ ≤ 3600

và 0 ≤ r ≤ √

+ Bước 2: Gán giá trị khởi tạo bằng 0 cho các phần tử của mảng

+ Bước 3: Với mỗi cặp (x,y) là điểm giữa đáy của hình chữ nhật ngoại tiếp một đối tượng

- Với mỗi φi từ 0 đến 360 tính giá trị ri theo công thức

ri = x.cos φi +y.sinφ

- Làm tròn giá trị ri thành số nguyên gần nhất là r0

- Tăng giá trị của phần tử mảng Hough[φi][ r0] lên một đơn vị y

+ Bước 4: Trong mảng Hough[φ][r] tính tổng giá trị các phần tử theo từng dòng

và xác định dòng có tổng giá trị lớn nhất

Do số phần tử của một phần tử mảng Hough[φ0][r0] chính là số điểm ảnh thuộc đường thẳng x.cosφ0+y.sin φ0= r0 vì vậy tổng số phần tử của một hàng chính là tổng

số điểm ảnh thuộc các đường thẳng tương ứng được biểu diễn bởi góc φ của hàng

đó Do đó, góc nghiêng của toán văn bản chính là hàng có tổng giá trị các phần tử mảng lớn nhất

2.3 Mô hình làn đường (Lane Model)

Một máy ảnh được gắn bên hông trước thân xe với một khu vực diện tích được quan sát trên mặt đất tương ứng với một khu vực dài 90 cm rộng 120 cm Nó cũng được coi là vị trí tương đối của máy ảnh so với mặt đất và cố định trong suốt quá trình di chuyển của xe Mặc dù điều giả định này có hạn chế khi hệ thống treo cho phép thân xe ô tô cho thể nghiêng khi chuyển động, phương pháp này là được chứng minh là khá mạnh mẽ khi có sự thay đổi tương đối nhỏ trong các vị trí và hướng của máy ảnh đối với mặt đất Giả định thêm rằng các phần của làn đường đánh dấu (LM) trong hình là tương đối nhỏ, độ cong của làn đường đánh dấu có thể được bỏ qua, và nó có thể tham khảo một mô hình làn đường gồm một cặp đường biên của vạch sơn đường song song với hằng số bù đắp Trong khung ảnh tham chiếu S, biểu thị bằng P1= (ρ1,φ1), P2= (ρ2,φ2) Các thông số cực của hai đường L1,

L2 được giải thích trong hình 2.5

Hình 2.5: Mô hình của làn đường đánh dấu trong mặt phẳng ảnh [14]

Lưu ý rằng các thông số ρ1, ρ2, ρ được thể hiện bằng pixel

Vị trí P = (ρ,φ) có thể được định nghĩa như sau;

Trong đó: ρ là khoảng cách trung bình của ρ1 và ρ2 (giữa gốc tọa độ tham chiếu với tâm hai đường biên của vạch sơn đường) φ là góc trung bình của φ1 và φ2

Ngoài ra, các điểm đánh dấu làn đường được đặc trưng bởi một cường độ định mức Im, đó là định nghĩa mức xám trung bình của các điểm ảnh bao gồm giữa biên giới đường đánh dấu Thông tin thế giới thực có thể thu được với độ chính xác tốt từ

dữ liệu hình ảnh bằng cách kỹ thuật biến đổi ngược, và các mô hình LM thể được định nghĩa trong thế giới thực hình 2.6

ρ = ρ1+ ρ2

2 (2.6)

φ = φ1+ φ2

2 (2.7)

Hình 2.6: Mô hình làn đường trong thực tế, lưu ý rằng khoảng cách d1 và d2

được thể hiện bằng mm [15]

Trị tuyệt đối của quan hệ và góc giữa các đường biên L1w và L2w

𝛳 = │𝛳1– 𝛳2│ (2.8)

ϴ1, ϴ2, là hướng của xe đối với các đường biên L1w và L2w tương ứng

Trị tuyệt đối của độ rộng vạch sơn đường W tương ứng

W = │d1 – d2│ (2.9)

d1, d2 là khoảng cách ngắn nhất từ trọng tâm xe đến L1w và L2w

Phạm vi dao động của 𝛳 và W đã được quy định trong các bộ luật về giao thông Chính điều này tạo ra hai ràng buộc có thể được khai thác và dùng vào việc nhận diện làn đường, nghĩa là

𝛳 = ϴ̇, W = ̇ (2.10) Lưu ý: nếu 𝛳 = 0 thì L1w và L2w song song và W nằm trong khoảng 150 mm ÷

200 mm tùy thuộc loại đường

2.4 Lý thuyết điều khiển tự động

2.4.1 Khái niệm điều khiển tự động

Khái niệm điều khiển tự động được hiểu là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá trình nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình

đó Hệ thống điều khiển mà không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá

trình điều khiển được gọi là điều khiển tự động Một hệ thống ĐKTĐ được xây dựng từ ba bộ phận chủ yếu theo sơ đồ sau:

Hình2.7: Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển [16]

Trong đó:

O: đối tượng điều khiển

C: bộ điều khiển, hiệu chỉnh

M: thiết bị đo

Các loại tín hiệu trong hệ thống gồm:

r(t): tín hiệu vào, chuẩn tham chiếu ( reference input), giá trị đặt trước y(t): tín hiệu ra (output), biến/đại lượng cần điều khiển, giá trị thực

yht(t) : tín hiệu hồi tiếp

e(t): tín hiệu sai lệch, sai số

u(t): tín hiệu điều khiển

z(t): tín hiệu nhiễu

Đối tượng điều khiển là hệ thống vật lý cần điều khiển để có thể đáp ứng

mong muốn ĐTĐK bao gồm đa dạng các loại máy, thiết bị kỹ thuật, quá trình công nghệ ĐTĐK là thiết bị thường được đặc trưng bằng các cơ cấu chấp hành như đông cơ, xy lanh, hệ bàn trượt với tín hiệu ra là chuyển động vật lý như vận tốc, vị trí, góc quay, gia tốc, lực

Thiết bị đo (cảm biến) thực hiện chức năng đo và chuyển đổi đại lượng của hệ

thống thành dạng tín hiệu phù hợp để thuận tiện so sánh, xử lý, hiển thị Sự chuyển đổi là cần thiết khi các tín hiệu vào ra không cùng bản chất vật lý: Tín hiệu ra có thể

z(t)

Bộ so

là vận tốc, vị trí, nhiệt độ, lực trong khi tín hiệu vào đa phần là tìn hiệu điện Nguyên tắc chung để đo các đại lượng không điện bằng phương pháp điện là biến đổi chúng thành tín hiệu điện ( điện áp hoặc dòng điện)

Một số thiết bị đo điển hình:

 Đo vận tốc: bộ phát tốc ( DC tachometer, AC tachometer, optical tachometer)

 Đo góc quay: chiết áp xoay, bộ mã hóa góc quay ( rotary encoder)

 Đo lượng dịch chuyển: chiết áp ( Potentiometer), thước mã hóa

 Đo nhiệt độ: cặp nhiệt ngẫu (thermocouple), đện trở nhiệt (themistor, RTD)

 Đo lưu lượng, áp suất: các bộ chuyển đổi lưu lượng, áp suất

 Đo lực: cảm biến lực (loadcell,…)

Bộ so: So sánh và phát hiện độ sai lệch e giữa tín hiệu vào chuẩn và tín hiệu hồi

tiếp (hay tín hiệu đo được của tín hiệu ra) Trong thực tế bộ so thường được ghép chung vào bộ điều khiển

Bộ điều khiển: Dùng thông tin về độ sai lệch e để tạo tín hiệu điều khiển u

thích hợp, từ đó tác động lên đối tượng Thuật toán xác định hàm u(t) gọi là thuật toán điều khiển hay luật điều khiển Bộ điều khiển liên tục có thể thực hiện bằng cơ cấu cơ khí, thiết bị nén, mạch điện RLC, mạch khuếch đại thuật toán Bộ điều khiển thực chất là các chương trình phần mềm chạy trên vi xử lý hay máy tính

Nhiễu: Các tác động lên hệ thống gây nên các ảnh hưởng không mong muốn

được gọi chung là nhiễu nhiễu luôn tồn tại và có thể tác động bất cứ phần nào của

hệ thống, nhưng thường được quan tâm nhiều nhất là các nhiễu tác đọng lên đối tương điều khiển, loại này thường gọi là nhiễu đầu ra hay nhiễu phụ tải

2.4.2 Phân loại phương thức điều khiển tự động

Có ba phương thức điều khiển [17] :

• Phương thức điều khiển theo chương trình

• Phương thức bù nhiễu

• Phương thức điều khiển theo sai lệch

Trong phương thức điều khiên theo chương trình, tín hiệu điều khiển được phát

ra do một chương trình định sẵn trong thiết bị điều khiển Với phương thức bù nhiễu, tín hiệu điều khiển được hình thành khi xuất nhiễu loạn tác động lên hệ thống, tín hiệu điều khiển phát ra nhằm bù lại sự tác động của nhiễu loạn để giữ cho giá trị ra của đại lượng cần điều khiển không đổi Vì vậy hệ bù nhiễu còn gọi là hệ bất biến

Trong kỹ thuật thường sử dụng phương thức điều khiển theo sai lệch, trong đó tín hiệu điều khiển là sự sai lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị đo được của đại lượng cần điều khiển Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động theo sai lệch được

mô tả trên hình 2.8

Hình 2.8: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động [18]

Các loại tín hiệu có trong hệ thống

- r(t) tín hiệu vào

- e(t) Sai lệch điều khiển

- u(t) Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (O)

- y(t) Tín hiệu đầu ra

M

r(t) (t

yht(t) _

_

Cấu tạo của động cơ gồm có hai phần: stato đứng yên và rotor quay so với stato Phần cảm (phần kích từ - thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rotor) Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rotor, làm rotor quay

Tùy thuộc vào cách mắc cuộn dây rotor và stato có thể chia động cơ DC thành các loại thông dụng sau:

- Động cơ kích từ độc lập: cuộn dây kích từ (cuộn dây stato) và cuộn dây phần ứng (rotor) mắc riêng rẽ nhau, có thể cấp nguồn riêng biệt

- Động cơ kích từ nối tiếp: cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng

Phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều:

E = K ω (2.11)

V = E + (Rư Iư) (2.12)

M = K Φ Iư (2.13) Trong đó:

K: Hằng số, phụ thuộc vào cấu trúc động cơ

2.5.2 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ:

Khi xem xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, ta đã biết quan hệ ω=f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Sự thay đổi các thông số này sẽ cho những họ đặc tính cơ khác nhau Vì vậy, với cùng một mô men tải nào đó, tốc độ động cơ sẽ khác nhau ở các đặc tính cơ khác nhau Như vậy,

động cơ điện một chiều kích từ độc lập (hay kích từ song song) có thể được điều chỉnh tốc độ bằng các phương pháp:

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng + Điều khiển từ thông

+ Điều khiển điện áp phần ứng

2.6 Thuật toán điều khiển động cơ PID

2.6.1 Khái niệm:

Theo chức năng, bộ điều khiển được phân thành các loại là bộ điều khiển tỉ lệ (P-Proportional), bộ điều khiển vi phân (I-Integration), bộ diều khiển tỉ lệ-tích phân (PI), bộ điều khiển tỉ lệ-vi phân (PD- Proportional Derivative) và bộ điều khiển tỉ lệ

vi tích phân (PID) Bộ điều khiển đơn giản nhất là bộ điều khiển tỉ lệ (P) , tác dụng của nó như một khâu khuyếch đại với hệ thay đổi được Thay đổi hệ số khuếch đại

có thể làm thay đổi sai lệch tĩnh nhưng không thể triệt tiêu được nó Hệ số khuếch đại càng lớn thì hệ càng mất khả năng ổn định Trong phần này chúng ta sẽ đề cập tới bộ điều khiển PID [20]

PID là cách viết tắc của các từ P-Propotional (tỉ lệ), I-Integral (tích phân) và Derivative (đạo hàm), được gọi là bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân Đây là một trong những bộ điều khiển phổ biến và quan trọng nhất trong các thiết bị và hệ thống công nghiệp từ ổ đĩa CD tới vận tốc xe ô tô đều được thực hiện bởi các thuật toán PID

Bộ điều khiển PID là mộ bộ hiệu chỉnh có phản hồi nhằm làm giá trị sai lệch của một tín hiệu đang được điều khiển bằng không Bộ điều khiển PID bao gồm 3 thành phần: Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) và Derivative (đạo hàm) Được thể hiện như trong hình sau

Hình 2.9: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID [21]

Trong đó, khâu tỷ lệ có tác dụng khuyếch đại khả năng đáp ứng của hệ thống với hệ số thay đổi được Tác dụng của khâu tích phân trong bộ điều khiển là triệt tiêu sai lệch tĩnh, còn chức năng của phần tử vi phân (D) là cải thiện quá trình quá

độ nếu xác định đúng thông số của nó

2.6.2 Điều khiển PID động cơ DC

Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển động cơ DC theo thuật toán PID [22]

Ví dụ: Điều khiển động cơ trong hình trên giả sử được dùng để điều khiển góc lái của bánh dẫn hướng xe ô tô qua phải một góc từ 00 tới 300 thông qua thanh dẫn hướng như hình 2.11

Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống điều khiển lái

Sơ đồ của hệ thống trong hình trên được vẽ lại thành hình

Hình 2.12: Bộ PID điều khiển vị trí góc lái của xe [23]

Trong bộ điều khiển PID, sai lệch e được tính bằng hiệu giá trị đặt hoặc điểm đặt ( setpoint 𝛳s) trừ cho giá trị thực tế đo được (measuared value của hệ thống 𝛳m)

e = 𝛳s - 𝛳m (2.15)

Hoạt động của bộ điều khiển vị trí góc lái của bánh dẫn hướng Bộ PID này

sẽ đọc và hiểu giá trị mà người điều khiển mong muốn (gọi là giá trị đặt, ở đây là góc lái của bánh dẫn hướng có giá trị δ = 300 ) thường người điều khiển đưa giá trị đặt vào bộ điều khiển thông qua GUI (Graphical user interface – giao diện người dùng đồ họa) Bộ điều khiển PID sẽ tính sai lệch e, và qua bộ PID thành tín hiệu

Encoder

Bộ vào/ra (I/O)

Bộ khuếch đại

Đối tượng điều khiển

Cảm biến đo giá trị thực ( tín hiệu phản hồi)

điều khiển u(t) theo công thức 2.16, sai lệch sau tính toán được truyền ra ngoài hệ thống thực thông qua card vào/ra (I/O) như card HDL 9090 hoặc NI 6009, ở đây tín hiệu lúc này là tín hiệu điện áp và được gọi là u(t)2 Sau đó tín hiệu này được khuếch đại nhờ một bộ Driver ( Ví dụ Motor driver) để tăng tín hiệu đủ công suất điều khiển cơ cấu chấp hành (động cơ DC), gọi là tín hiệu U(t) Tín hiệu điều khiển động cơ sẽ điều khiển thanh dẫn hướng qua đó điều khiển góc lái của bánh dẫn hướng, khi động cơ quay thì bánh răng trên thanh dẫn hướng xoay và dịch chuyển dần qua trái (tương ứng bánh dẫn hướng sẽ xoay một góc 300) Hoàn thành một vòng điều khiển Sau đó bộ điều khiển PID sẽ liên tục thực hiện lại việc tính toán sai lệch của góc lái đặt (δ) so với giá trị thực tế (measured signal) của bánh dẫn hướng ( nhờ vào bộ đo vị trí gắn với động cơ) Nếu giá trị sai lệch vẫn còn thì bộ điều khiển PID tiếp tục phát ra tín hiệu để quay động cơ cho tới khi giá trị thực tế của động cơ trùng khớp với giá trị đặt tức khi đó sai lệch sẽ bằng 0 Chừng nào sai lệch còn thì bộ điều khiển PID còn hoạt động để điều chỉnh tín hiệu điều khiển Bản chất toán học của bộ điều khiển PID sẽ được giải thích trong công thức 2.16 giá trị tín hiệu đưa vào động cơ sẽ là:

u(t) = Kp e(t) + Ki∫ ( ) + Kd

( ) e(t) (2.16) Trong đó:

- Kp, Ki, Kd lần lượt là hệ số tỉ lệ, tích phân, vi phân; Kp, Ki, Kd luôn dương

- e(t) sai lệch tại thời điểm hiện tại

- ( ) diện tích tạo bởi đường cong giá trị thực tế và đường thẳng giá trị đặt

-

( ) e(t) tốc độ thay đổi của sai lệch tại thời điểm hiện tại

nhau

 Với cùng một giá trị e(t), nếu tăng Kp , thì tín hiệu điều khiển u(t) tăng, u(t) tăng đồng nghĩa điện áp tác động vào động cơ một chiều tăng lên, điện áp tăng sẽ làm giảm e(t) nhanh hơn, có nghĩa hiệu giá trị đặt và giá trị đó được sẽ giảm nhanh hơn Khi đó ta gọi khả năng đáp ứng của hệ thống nhanh Đáp ứng của hệ thống