Một trong những lĩnh vực quan trọng của trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) là thị giác máy tính (Computer Vision). Thị giác máy tính là một lĩnh vực bao gồm các phương pháp thu nhận, xử lý ảnh kỹ thuật số, phân tích và nhận dạng các hình ảnh, phát hiện các đối tượng, tạo ảnh, siêu phân giải hình ảnh và nhiều hơn. Nhận dạng vật thể (Object Detection) có lẽ là khía cạnh sâu sắc nhất của thị giác máy tính do số lần sử dụng trong thực tế.
Nhận dạng vật thể là lĩnh vực thuộc “Machine Learning” nguyên cứu khả năng của hệ thống máy tính cũng như phần mềm để định vị các đối tượng trong một hình ảnh, video cho trước và xác định từng đối tượng trong đó. Sự phát triển khoa học kỹ thuật công nghệ đã thúc đẩy đưa bài toán nhận dạng đối tượng vào ứng dụng thực tiễn với mức độ tinh vi ngày càng cao. Có thể thấy nhận dạng vật thể đã được sử dụng rộng rãi để phát hiện khuôn mặt, phát hiện xe, đếm số người đi bộ, hệ thống bảo mật và xe không người lái, công nghệ robot,...Vì vậy, nhận dạng vật thể là một lĩnh vực đang được quan tâm và có tính ứng dụng cao.
Thị giác máy tính – Computer Vision
Hình 2.10 Thị giác máy tính
Nhìn vào một bức ảnh, một người với thị giác bình thường có thể dễ dàng mô tả nội dung, nhận biết và phát hiện các đối tượng được thể hiện trong bức ảnh cũng như vị trí chính xác của chúng. Tuy nhiên, việc này (đọc và hiểu một bức ảnh) khó khăn hơn nhiều đối với máy tính khi “nó” “nhìn” mỗi bức ảnh chỉ đơn thuần là một ma trận số (tập hợp các điểm ảnh - pixel biểu diễn dưới dạng số theo một hệ cụ thể thường là RGB (Red - Green - Blue). Mục tiêu chính của thị giác máy tính – một nhánh của trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) là tìm ra đầu nối giữa ma trận số này và thông tin ngữ nghĩa chứa trong ảnh. Thị giác máy tính tập trung giải quyết những bài toán như:
- Phân loại ảnh, miêu tả ảnh,
- Phát hiện vật thể trong ảnh: Xe, làn đường, con người, biển báo giao thông, …
- Tạo ảnh với những phong cách khác nhau: Hiển thị nội dung ngữ nghĩa của ảnh gốc theo những phong cách khác nhau.
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU XE ĐIỆN RENAULT TWIZY 3.1. Giới thiệu tổng quan về xe điện Renault Twizy
Renault Twizy là một chiếc xe điện nhỏ gọn với 4 bánh xe, hai cửa, và 2 chỗ ngồi. Được thiết kế và sản xuất bởi hãng xe nổi tiếng và lâu đời của Pháp – hãng xe Renault. Twizy ra mắt dưới dạng xe ý tưởng tại Triển lãm Ô tô Frankfurt năm 2009 và được thiết kế bởi Françoise Leboinne và Luciano Bove. Vào tháng 11 năm 2010, Nissan đã công bố một biến thể cải tiến cho Twizy, được gọi là New Mobility Concept. Vào tháng 5 năm 2011, Renault thông báo họ sẽ sản xuất Twizy và bắt đầu nhận đặt trước. Vào tháng 3 năm 2012, Twizy được phát hành cho thị trường Pháp, một tháng sau đó là một số quốc gia châu Âu khác. Vào năm 2020, tại Vương quốc Anh, Twizy hiện có sẵn dưới dạng mua trực tiếp.
Hình 3.1 Xe Renault Twizy
Renault Twizy là chiếc xe được thiết kế để đi trong thành phố với hai chỗ ngồi chạy bằng điện với tổng công suất lớn 17 mã lực, có thể đạt tốc độ tối đa 50 mph và mô-men xoắn cực đại 57 Nm. Được trang bị hệ thống phanh đĩa cho cầu trước và sau, hệ thống lái sử dụng thước lái và sử dụng Pseudo MacPherson cho hệ thống treo.
Điểm nổi bật của xe điện Renault Twizy là thiết kế nhỏ gọn, xe chạy 100% từ điện nên rất êm dịu, không có tiếng ồn phát ra từ động cơ như xe chạy bằng nhiên liệu xăng, dầu. Với hộp số tự động, người lái chỉ cần nhấn nút và đạp ga là xe có thể di chuyển về phía trước
hoặc phía xe. Ngoài ra, với công nghệ cửa cắt kéo giúp chiếc xe trở nên sang trọng hơn. Tuy vậy, xe còn một vài nhược điểm như không có trợ lực lái, không có hệ thống ABS, dễ bị ướt khi trời mưa, …
3.2. Khảo sát xe điện Renault Twizy
Tuy đã có đề tài được thực hiện sau khi xe điện Renault Twizy về trường, nhưng vẫn chưa có đề tài nào khảo sát cụ thể về xe. Sau khi nhóm tìm hiểu, nghiên cứu kỹ về quy trình tháo – lắp xe điện Renault Twizy và được sự đồng ý của ban chủ nhiệm khoa Cơ khí Động lực cùng với giảng viên hướng dẫn, nhóm đã tiến hành tháo – lắp đúng quy trình một số chi tiết trên xe nhằm khảo sát đường truyền công suất và hệ thống điện thân xe, đồng thời đo đạc kích thước xe để lấy thông số phục vụ cho giải thuật cảnh báo chệch làn đường trên xe.
Hình 3.2 Xe Renault Twizy sau khi tháo một số chi tiết
3.2.1. Đo đạc kích thước xe
Trước khi tiến hành tháo lắp, chúng em tiến hành đo kiểm lại các thông số kích thước xe để phục vụ cho bài toán cảnh báo chệch làn đường. Đặc biệt, cần đo chính xác tổng chiều rộng của xe, đây là thông số để tính toán độ lệch xe với làn đường.
Hình 3.3 Kích thước của xe điện Renault Twizy Bảng 3.1 Thông số kích thước xe Renault Twizy
3.2.2. Đường truyền công suất
Sau khi tiến hành tháo một số chi tiết trên xe, nhóm đã nghiên cứu, tìm hiểu cách thức hoạt động và tra cứu thông số kỹ thuật của các bộ phận của đường truyền công suất và tiến hành vẽ lại sơ đồ khối như hình dưới.
Hình 3.4 Sơ đồ khối đường truyền công suất trên xe điện Renault Twizy
Xe điện Renault Twizy sử dụng cầu sau chủ động, lấy nguồn chính từ ắc quy kéo để chuyển đến bộ điều khiển SEVCON Gen4, tại đây bằng cách trao đổi mạng CAN giữa bộ điều khiển với hệ thống quản lý pin (BMS) trong ắc quy kéo, dòng điện cho phép của pin có thể tự động thay đổi để cấp cho motor xoay chiều ba pha hoạt động. Motor này được gắn cố định với hộp số tự động bằng liên kết bu lông, khi motor quay sẽ truyền động đến hộp số rồi qua bán trục đến bánh xe, giúp bánh xe quay và kéo xe chuyển động. Đồng thời, motor sẽ gửi lại tín hiệu phản hồi cho bộ điều khiển thông qua cảm biến, encoder,...
Vì lý do điều kiện an toàn, cơ sở vật chất, thời gian thực hiện cũng như không có sự đồng ý của giảng viên hướng dẫn nên nhóm không tiến hành tháo rời các bộ phận trong đường truyền công suất ra khỏi khung xe để tiến hành nguyên cứu. Thay vào đó, nhóm chỉ lấy thông tin có sẵn để tra cứu thông số kỹ thuật trên mạng.
Ắc quy kéo là nguồn năng lượng chính cấp điện cho motor điện xoay chiều 3 pha hoạt động để kéo xe di chuyển. Ắc quy kéo được đặt ngay phía dưới ghế của tài xế. Ắc quy kéo được cấu tạo từ các pin lithium – ion và được bảo vệ bằng một khung kim loại bên ngoài. Ắc quy kéo được tích hợp một hệ thống quản lý (BMS) để giao tiếp với bộ điều khiển thông qua mạng CAN.
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của bình ắc – quy kéo trên xe Renault Twizy
3.2.2.2. Ắc quy 12V
Ắc – quy dùng để cấp điện cho các thiết bị điện trên xe như gạt mưa – rửa kính, các đèn chiếu sáng, …. Ắc quy được sạc khi xe chạy, hoặc được sạc chung với bình ắc – quy kéo bởi bộ sạc. Vị trí của bình ắc quy 12V như hình bên dưới.
Hình 3.6 Bình ắc – quy 12V trên xe điện Renault Twizy 3.2.2.3. Bộ sạc (Charger)
Charger là bộ sạc giúp biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều để cung cấp cho bình ắc – quy 12V và bình ắc – quy kéo. Bộ sạc được đặt ở vị trí dưới chân của tài xế.
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của bộ sạc trên xe Renault Twizy
Hình 3.7 Bộ sạc trên xe điện Renault Twizy 3.2.2.4. Bộ điều khiển Sevcon gen4
Bộ điều khiển Sevcon gen4 là bộ điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha trên xe. Bộ điều khiển này lấy dòng điện từ ắc quy kéo (giao tiếp mạng CAN với hệ thống quản lý pin của ắc quy kéo), thay đổi dòng điện đầu ra như mong muốn và cấp cho motor xoay chiều 3 pha. Đồng thời bộ điều khiển này cũng tiếp nhận các tín hiệu phản hồi từ motor để tiến hành điều khiển dòng diện đầu ra như tín hiệu cảm biến nhiệt độ, tín hiệu Absolute UVW encoder, tín hiệu Absolute Sin/Cos encoder, tín hiệu Incremental AB encoder, …
Tính năng bảo vệ của Sevcon gen4:
Tự động giảm nếu hoạt động ngoài phạm vi nhiệt độ bình thường. Tự động giảm tùy thuộc vào thời gian tải lên bộ điều khiển.
Nó cũng sẽ tự bảo vệ nếu được nối dây không chính xác.
Bảo vệ ngược pha motor khi khởi động nguồn và khi hoạt động. Khi bật Gen4 kiểm tra tải đầu ra hợp lệ trước khi xuất dòng.
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của Sevcon gen4 trên xe Renault Twizy
Hình 3.8 Bộ điều khiển Sevcon gen4 trên xe điện Renault Twizy 3.2.2.5. Động cơ điện và hộp số
Động cơ điện trên xe Renault Twizy là loại động cơ điện xoay chiều 3 pha, được gắn chặt với hộp số tự động loại giảm tốc bằng liên kết bu-lông.
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của động cơ điện trên xe Renault Twizy
Hình 3.9 Động cơ điện gắn với hộp số trên xe điện Renault Twizy
3.2.3. Hệ thống điện thân xe
Do hạn chế về thời gian thực hiện và tình hình dịch covid – 19 diễn biến căng thẳng, bên cạnh đó giáo viên hướng dẫn cũng không cho phép nhóm tháo bó dây, rút giắc để đo kiểm nên nhóm chỉ tiến hành vẽ lại sơ đồ khối của hệ thống điện thân xe như hình bên dưới. Đồng thời, để không làm rối sơ đồ, nhóm chúng em đã không thể hiện sự nối mass của các thiết bị điện, nên ta ngầm hiểu các thiết bị đã được cấp mass.
CHƯƠNG 4 SƠ LƯỢC VỀ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM 4.1. Phần cứng
4.1.1. Laptop
Cấu hình máy tính được sử dụng để thử nghiệm các source code trong đề tài được thể hiện trong hình 3.1. Tuy nhiên, cộng đồng DeepLearning không ưa chuộng loại card đồ họa này vì sự tương thích về trình điều khiển của card đồ họa đối với các nền tảng DeepLearning hiện hành. Và đó là một trong những lý do khiến chúng em không sử dụng thuật toán DeepLearning trong đồ án này.
Hình 4.1 Cấu hình của laptop
4.1.2. Máy tính nhúng AI
Song hành cùng với sự phát triển của các dòng máy tính nhúng thông thường là sự phát triển của các máy tính nhúng cho phép phát triển các ứng dụng liên quan đến trí tuệ nhân tạo như Machine Learning, Computer Vision, Edge Computing, Speech Recognition & NLP, Neural Networks Acceleration, … Một số dòng tiêu biểu như máy tính nhúng Raspberry Pi, máy tính nhúng LattePanda, máy tính nhúng AI Coral Dev Board, … trong đó phải kể đến dòng máy tính nhúng AI NVIDIA Jetson vô cùng mạnh mẽ cho phép người dùng chạy song
song nhiều mạng Neural sử dụng cho các ứng dụng như Image Classification, Object Detection, Image Segmentation, Speech Processing, …
Hiện nay trên thị trường, dòng máy tính nhúng AI NVIDIA Jetson cho ra mắt một số loại máy tính nhúng khác nhau như Jetson Nano Developer Kit, Jetson TX2 Developer Kit, Jetson Xavier NX Developer Kit và Jetson AGX Xavier Developer Kit, … với các thông số như sau:
Hình 4.2 Thông số các loại máy tính nhúng dòng NVIDIA Jetson Dev Kit
Do mục tiêu của đồ án là thiết lập một hệ thống cảnh báo chệch làn đường trên xe điện Renaul Twizy nên cần một chiếc máy tính nhúng nhỏ gọn, nhưng vẫn đủ mạnh mẽ để xử lý các thuật toán phức tạp của hệ thống, đồng thời vẫn nằm trong phạm vi tài chính của nhóm.
4.1.3. Camera
Camera Raspberry Pi NoIR V2 IMX219 8MP là phiên bản Camera Module tương thích với Jetson nano, với cảm biến IMX219 8-megapixel từ Sony, gồm 8 triệu điểm ảnh, độ phân giải 3280 x 2464 cho thấy sự vượt trội về cả chất lượng hình ảnh, video. Vì vậy nhóm quyết định chọnCamera Raspberry Pi NoIR V2 IMX219 8MPcho đồ án.
Hình 4.6 Camera Raspberry Pi NoIR V2 IMX219 8MP
4.1.4. Màn hình LCD
Màn hình 7inch IPS HDMI LCD(H) được nhập từ chính hãng Waveshare, màn hình sử dụng cổng kết nối HDMI với độ phân giải màn hình 1024 x 600 pixels cho chất lượng hình ảnh và chữ hiển thị rõ ràng
Trong đồ án của nhóm, màn hình LCD đóng vai trò quan trọng giúp nhóm thực hiện thao tác kiểm tra và theo dõi. Đồng thời xuất tín hiệu cảnh báo bằng hình ảnh cho tài xế.
4.1.5. Các thiết bị hỗ trợ khác
Bộ UPS Power Module và pin lithium – ion: dùng để cấp nguồn cho Jetson Nano khi hệ thống lắp đặt trên xe.
UPS là mô đun cung cấp nguồn liên tục của hãng Waveshare dành cho NVDIA Jetson Nano. Một giải pháp nguồn cho Jetson Nano với các tính năng đặc biệt như: bảo vệ quá dòng, ngược dòng, bảo vệ ngắn mạch và tính năng sạc cân bằng an toàn, ổn định. Ngoài ra còn được tích hợp màn hình OLED 0.91'' để theo dõi các thông số như điện áp pin, địa chỉ IP, mức sử dụng RAM, dung lượng pin …
USB wifi và thẻ nhớ 32GB: lần lượt dùng để thu sóng wifi và tăng lưu lượng bộ nhớ cho Jetson Nano.
Hình 4.10 USB wifi 802.11n và thẻ nhớ 32GB
Bàn phím mini: dùng để thao tác trên màn hình LCD
Hình 4.11 Bàn phím mini Qwerty không dây
Các linh kiện điện tử gồm led, nút nhấn, test board, điện trở 220 , …
Do tình hình dịch Covid 19 diễn biến phức tạp, cả nước tuân thủ chỉ thị 16 của chính phủ nên các cửa hàng điện tử cũng không hoạt động và nhóm không thể đi mua còi, động cơ rung để cảnh báo. Tận dụng các linh kiện sẵn có tại nhà, nhóm quyết định dùng đèn led màu vàng để thay thế còi, động cơ rung.
Led màu vàng sáng tương ứng với còi và động cơ rung sẽ hoạt động và ngược lại led màu vàng tắt tương ứng với còi và động cơ rung sẽ không hoạt động. Đồng thời khi nhấn nút nhấn thì led màu đỏ sẽ sáng, tương ứng với việc gạt công tắc xi nhan thì đèn xi-nhan sẽ sáng.
Hình 4.12 Các linh kiện điện tử
4.2. Phầm mềm
4.2.1. Hệ điều hành Ubuntu
Ubuntu là một hệ điều hành máy tính dựa trên Debian GNU/Linux, một bản phân phối Linux thông dụng. Tên của nó bắt nguồn từ "ubuntu" trong tiếng Zulu, có nghĩa là "tình người", mô tả triết lý ubuntu: "Tôi được là chính mình nhờ có những người xung quanh," một khía cạnh tích cực của cộng đồng. Mục đích của Ubuntu bao gồm việc cung cấp một hệ điều hành ổn định, cập nhật cho người dùng thường, và tập trung vào sự tiện dụng và dễ dàng cài đặt. Ubuntu đã được đánh xếp hạng là bản phân phối Linux thông dụng nhất cho máy tính để bàn, chiếm khoảng 30% số bản Linux được cài đặt trên máy tính để bàn năm 2007.
Ubuntu là phần mềm mã nguồn mở tự do, có nghĩa là người dùng được tự do chạy, sao chép, phân phối, nghiên cứu, thay đổi và cải tiến phần mềm theo điều khoản của giấy phép GNU GPL. Ubuntu được tài trợ bởi Canonical Ltd (chủ sở hữu là một người Nam Phi Mark Shuttleworth). Thay vì bán Ubuntu, Canonical tạo ra doanh thu bằng cách bán hỗ trợ kĩ thuật. Bằng việc để cho Ubuntu tự do và mở mã nguồn, Canonical có thể tận dụng tài năng của
những nhà phát triển ở bên ngoài trong các thành phần cấu tạo của Ubuntu mà không cần phải tự mình phát triển
Hình 4.13 Giao diện hệ điều hành Ubuntu trên NVIDIA Jetson Nano Developer Kit