Luận văn 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 0 4 7 3 8

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 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:

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
Từ
04/2013
đến nay

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

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.

ii

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

Ký tên

Hà Quốc Bảo

iii

năm 2015


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

iv


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.

v

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.

vi


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

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

vii


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

viii

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

ix


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

x


DANH 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

xi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

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

xii


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

xiii

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

xiv


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
TRANG
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

xv

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
1.1.1 Khái niệm về xe tự hành
Chế độ tự hành đã có từ lâu ở máy bay, tàu thủy, tàu ngầm nhưng xe tự hành là
vấn đề phức tạp hơn nhiều. Cho đến nay, xe tự lái tồn tại hầu hết ở dạng thử
nghiệm, nhưng chúng sẽ được phổ biến tương lai không xa.
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]

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

2


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

3

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

4


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.

5


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.
Thu nhận
ảnh

Tiền xử
lý ảnh

Phân
đoạn ảnh

Biểu diễn
và mô tả

Cơ sở tri thức

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

6

Nhận dạng
và nội suy


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

7


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

8


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)

9