(Luận văn thạc sĩ) thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ QUỐC BẢO THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE TỰ ĐỘNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ QUỐC BẢO THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE TỰ ĐỘNG 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 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 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 Hồng 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: 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, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Bá Hải Trình độ ngoại ngữ: Anh Văn B1 III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Từ 04/2013 đến Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Lý Tự Trọng TP Hồ Chí MInh, 390 Hồng Văn Thụ, Phường 4, Q Tân Bình, TP Hồ Chí Minh ii Giảng viên khoa khí động lực LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng Ký tên Hà Quốc Bảo iii năm 2015 LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực đề tài, Tơi nhận nhiều giúp đỡ, tạo điều kiện Ban giám hiệu, Bộ phận sau Đại học, Khoa khí Động lực, cán phịng, ban chức Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành giúp đỡ Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy TS Lê Thanh Phúc hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn Bên cạnh tơi chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp tơi gia đình động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt q trình thực hồn thành luận văn Một lần xin chân thành cảm ơn quý thầy cô bạn Xin chúc quý thầy cô tồn thể bạn ln dồi sức khoẻ thành cơng! Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 Học viên thực Hà Quốc Bảo iv MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận cán 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 chữ viết tắt xi Danh sách hình xii Danh sách bảng xv Chương 1.TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 1.1.1 Khái niệm xe tự hành 1.1.2 Những ưu vượt trội xe tự lái 1.1.3 Xu hướng phát triển xe tự lái 1.1.4 Các kết nghiên cứu ô tô tự động 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ đề tài 1.3.2 Giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết tổng quan xử lý ảnh 2.1.1 Giới thiệu chung xử lý ảnh 2.1.2 Các bước xử lý ảnh vii 2.1.2.1 Thu nhận ảnh 2.1.2.2 Tiền xử lý ảnh 2.1.2.3 Phân tích ảnh 2.1.2.4 Biểu diễn ảnh 2.1.2.5 Nhận dạng nội suy 2.1.2.6 Cơ sở tri thức 2.1.2.7 Mô tả ảnh 2.1.3 Biên phương pháp phát biên 2.2 Biến đổi hough (Hough transform) 2.2.1 Biến đổi Hough cho đường thẳng 10 2.2.2 Biến đổi Hough cho đường thẳng tọa độ cực 11 2.3 Mơ hình 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 điểu khiển động 19 2.5.1 Động DC 19 2.5.2 Phương pháp điều khiển tốc độ động (điều khiển tốc độ) 20 2.6 Thuật toán điều khiển động 20 2.6.1 Khái niệm 20 2.6.2 Điều khiển PID động DC 21 2.6.3 Phương pháp điều chỉnh hệ số gain 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 điều khiển góc lái, điều khiển vận tốc LabVIEW 26 2.7.1 LabVIEW 26 2.7.2 Ứng dụng Lab VIEW 28 2.7.3 Lập trình với Lab VIEW 28 2.7.4 Một số hàm thường sử dụng Lab VIEW 29 viii Chương 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 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 chạy xe 44 3.1.2.6 Encoder 46 3.1.3 Sơ đồ bố trí phận 47 3.1.4 Bản vẽ thiết kế 47 3.1.5 Mơ 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 xuất tín hiệu điều khiển bẻ lái điều khiển tốc độ Lab VIEW 50 3.2.1 Mơ 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 điều khiển góc lái, điều khiển tốc độ xe 51 3.2.3.2 Thuật tốn điều khiển góc lái tốc độ theo vị trí xe so với vạch sơn đường 52 3.3 Thiết lập chương trình điều khiển góc lái vận tốc xe thuật toán điều khiển PID LabVIEW 52 3.3.1 Thiết lập chương trình điều khiển góc lái thuật tốn điều khiển PID.52 3.3.2 Thiết lập chương trình điều khiển tốc độ xe thuật toán điều khiển PID 55 3.3.3 Giao diện người dùng 56 ix Chương KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 59 4.1 Phương án khảo sát 59 4.1.1 Môi trường điều kiện khảo sát 59 4.1.2 Kết thực nghiệm 60 4.2 Kết thực nghiệm 60 4.2.1 Kết thực nghiệm lần chạy I 60 4.2.2 Kết thực nghiệm lần chạy II 64 4.2.3 Kết thực nghiệm lần chạy III 67 4.3 So sánh đánh giá kết chạy thực nghiệm 70 Chương KẾT LUẬN 73 5.1 Kết luận 73 5.2 Hướng phát triển đề tài 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 x Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 1.1.1 Khái niệm xe tự hành Chế độ tự hành có từ lâu máy bay, tàu thủy, tàu ngầm xe tự hành vấn đề phức tạp nhiều Cho đến nay, xe tự lái tồn hầu hết dạng thử nghiệm, chúng phổ biến tương lai không xa Xe tự lái, xe robot hay xe không người lái (autonomous, robotic, driverless self-driving car) Nó có khả thực khả vận chuyển xe truyền thống Xe tự lái có khả nhận thức mơi trường xung quanh tự động điều hướng mà không cần tác động trực tiếp người Về xe tự hành bao gồm thành phần sau: • Hệ thống cảm ứng (sensor: Radars, SICK, GPS, cameras… ): Chúng có chức định vị vị trí xe, xác định xe chướng ngại vật xung quanh • Hệ thống điều khiển: Xử lý thơng tin thu để xác định chuyển hướng xác, phát chướng ngại vật biển báo giao thơng • Cơ cấu chấp hành (Các mô tơ bánh lái cần gia tốc ): Thực thi lệnh điều khiển từ hệ thống tự hành Hình 1.1 Xe tự lái Lexus RX450h Google [1] ... 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 hệ thống. .. cho xe chạy tự động Vì đề tài ? ?Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động ” vấn đề nghiên cứu thật cần thiết cấp bách 1.2 Mục đích đề tài Với thành tựu đạt lợi ích mà xe tự động mang lại, xe tự động. .. 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 tốn xử lý ảnh điều khiển