Nghiên cứu ,thiết kế ,chế tạo bộ điều khiển cho xe điện có tính năng tự động

Bộ Giáo Dục và Đào Tạo
ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
Khoa Cơ Khí Động Lực

Cộng Hịa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU – THIẾT KẾ - CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO XE ĐIỆN CĨ
TÍNH NĂNG TỰ ĐỘNG

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN BÁ HẢI
SINH VIÊN THỰC HIỆN:

I.

II.

III.

1. PHAN VĂN THIỆN

MSSV: 13145251

2. NGUYỄN TRỌNG NGHĨA

MSSV: 13145171

Nội dung :

1. Tìm hiểu về xe điện tự hành.
2. Đề xuất mơ hình thu nhỏ.
3. Thiết kế - Chế tạo mơ hình đã đề xuất.
4. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết giải thuật điều khiển lái theo hình học phẳng.
5. Thiết kế bộ điều khiển lái.
Trình bày :
1. Thyết minh đề tài: 1 cuốn thuyết minh
2. 1 đĩa CD ghi nội dung của đề tài “Nghiên cứu ,thiết kế ,chế tạo bộ điều khiển cho
xe điện có tính năng tự động ”
3. Video thực nghiệm.
Thời gian thực hiện :
1. Ngày bắt đầu :
16/10/2017
2. Ngày hoàn thành : 08/01/2018
Tp. Hồ Chí Minh, ngày…,tháng…,năm 201

TRƯỞNG BỘ MƠN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
i


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển cho xe điện có tính năng tự động
Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Trọng Nghĩa
Phan Văn Thiện

MSSV: 13145171
MSSV: 13145251

Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật ơ tơ
I. NHẬNXÉT
1. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
2. Về nội dung (đánh giá chất lượng tiểu luận, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (Cho phép bảo vệ hay không): . ..............................................................
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): .... ..............................................................

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 20

Giảng viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)
ii


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển cho xe điện có tính năng tự động
Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Trọng Nghĩa
Phan Văn Thiện

MSSV: 13145171
MSSV: 13145251

Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật ơ tơ
I. NHẬNXÉT
3. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
4. Về nội dung (đánh giá chất lượng tiểu luận, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)

......................................................................................................................................

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (Cho phép bảo vệ hay không): . ..............................................................
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): .... ..............................................................

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 20

Giảng viên phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)
iii


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HỒN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển cho xe điện có tính năng tự động

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Trọng Nghĩa

MSSV: 13145171

Phan Văn Thiện

MSSV: 13145251

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện
và các thành viên trong Hội đồng bảo về. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng theo
yêu cầu về nội dung và hình thức.
Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 20
iv


LỜI CÁM ƠN
Đã 4 năm trôi qua, chúng em đã được ngồi trên ghế giảng đường đại học, được nhiều quý
thầy cô truyền đạt lại những kiến thức kỹ thuật và những kiến thức, kỹ năng liên quan Trong
suốt thời gian nghiên cứu, tìm tịi chúng em đã học thêm nhiều kiến thức mới và những kỹ

năng làm hành trang cần thiết bước vào xã hội.
Để có được những điều đó chũng em xin chân thành cảm ơn tới:
Lời đâu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn tới toàn thể quý thầy cô trường đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến
thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Sự giúp đỡ của các q thầy cơ Khoa Cơ Khí Động Lực đã đem những kiến tinh túy về nghề
chỉ bảo cho chúng em một cách đam mê và nhiệt huyết. Đặc biệt, là thầy TS. Nguyễn Bá Hải
một người thầy đi trước với nhiều năm kinh nghiệm nhưng đã luôn đứng phía sau động viên,
chỉ bảo và định hướng con đường đi cho chúng em những lúc khó khăn.
Các anh trong Khoa Đổi Mới Sáng Tạo và Khởi Nghiệp – những đàn anh đi trước đã đem
những kinh nghiệm từ những lần vấp ngã của bản thân chia sẽ lại cho chúng em.
Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn và kính chúc q thầy cơ Trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh dồi dào sức khỏe , niềm vui và nhiệt huyết với nghề
nghề giáo để góp phần vào sư nghiệp trăm năm trồng người. Và đặc bệt, là q thầy cơ Khoa
Cơ Khí Động Lực lời chúc sức khỏe, hạnh phúc và thành cơng.
Cuối cùng, để có được ngày hơm nay, khơng thể qn cơng lao to lớn của gia đình và bạn bè
đã ln động viên, khuyến khích chúng em tự tin trong cuộc sống cũng như cố gắng vươn lên
trong học tập.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Tp,HCM, ngày 08 tháng 01 năm 2018
Nhóm thực hiện đề tài

PHAN VĂN THIỆN
NGUYỄN TRỌNG NGHĨA

v


TĨM TẮT ĐỀ TÀI

Hiện nay khoa học cơng nghệ trên thế giới nói chung và ngành cơng nghiệp ơ tơ nói
riêng đạt đạt được những thành tựu lớn đưa ngành cơng nghiệp ơ tơ lên vị thế cao. Ơ tơ hiện
tại khơng cịn là một cỗ máy biết di chuyển, vận chuyện hàng hóa mà ngày càng có nhiều
thiết bị tiện nghi phục vụ nhu cầu con người, không gây ô nhiễm môi trường và dần dần thay
thể con người thực hiện một, một vài, hay toàn bộ chức năng của con người bên trong xe –
đó chính là xe điện tự hành. Nghiên cứu tập trung xây dựng các các thiết bị để mô tả thể giới
quan xung quanh xe để xe có thể phát hiện vật cản, chướng ngại vật đơn giản và điều khiển
lái tránh vật cản sau đó trở về làn đường cũ.
Hệ thống gồm nhiều cảm biến đặt ở các vị trí cần thiết của xe để cung cấp các số liệu cho
bộ điều khiển, từ đó xử lí tín hiệu và điều khiển cơ cấu chấp hành thực hiện chức năng đánh
lái.
Trên thế giới đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về vấn đề này, nhưng ở Việt Nam có rất
ít đề tài, dự án nghiên cứu. Nhóm hy vọng với đề tài này có thể giúp cho mọi người biết thêm
về xe điện tự hành, những ưu điểm vượt trội của nó trong cuộc sống và đặc biệt có thể làm cơ
sở nghiên cứu về sau.

vi


MỤC LỤC

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp……………………………………………………………....... i
Xác nhận của giáo viên hướng dẫn……………………………………………………….. ii
Nhận xét của giáo viện phản biện………………………………………………………...iii
Lời cảm ơn………………………………………………………………………….......... iv
Tóm tắt…………………………………………………………………............................. v
Mục lục…………………………………………………………………........................... vi
Danh mục các hình…………………………………………………………………......... ix
Danh mục các bảng…………………………………………………………………....... xii
Chương 1 TỔNG QUAN..................................................................................................... 1

1.1

Lý do chọn đề tài:................................................................................................... 1

1.2

Mục đích của đề tài : .............................................................................................. 1

1.3

Nhiệm vụ: ............................................................................................................... 1

1.4

Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu: ................................................. 2

1.4.1.

Đối tượng: ....................................................................................................... 2

1.4.2.

Phạm vi:........................................................................................................... 2

1.4.3.

Phương pháp nghiên cứu:................................................................................ 2

1.5

Các cơng trình nghiên cứu trong và ngoài nước: ................................................... 2

1.5.1.

Ngoài nước: ..................................................................................................... 2

1.5.2.

Trong nước: ..................................................................................................... 3

1.6

Những vấn đề mà đề tài cần tập trung giải quyết: ................................................. 4

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................ 5
2.1.

Tổng quan về xe điện tự hành: ............................................................................... 5

2.1.1.

Giới thiệu xe tự hành: ...................................................................................... 5

2.1.2.

Xe tự hành của google:.................................................................................... 8

2.2.

Lý thuyết điều khiển tự động: .............................................................................. 21

2.2.1.

Khái niệm điều khiển tự động: ...................................................................... 21

2.2.2.

Phân loại phương thức điều khiển tự động: .................................................. 23
vii


2.3.

Lý thuyết điều khiển động cơ: ............................................................................. 24

2.3.1.

Động cơ DC : ................................................................................................ 24

2.3.2.

Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ: ...................................................... 25

2.4.

Điều khiển động cơ theo thuật toán PID: ............................................................. 26

2.4.1.

Khái niệm: ..................................................................................................... 26

2.4.2.

Điều khiển PID động cơ DC: ........................................................................ 27

2.4.3.

Phương pháp điều chỉnh hệ số Gain trong PID:............................................ 29

2.5.

Lập trình LabVIEW: ............................................................................................ 29

2.5.1.

Giới thiệu LabVIEW: .................................................................................... 29

2.5.2.

Ứng dụng của LabVIEW: ............................................................................. 31

2.5.3.

Lập trình với LabVIEW: ............................................................................... 33

2.5.4.

Một số hàm thường sử dụng trong LabVIEW: ............................................. 33

2.6.

Giải thuật điều khiển lái theo hình học phẳng: .................................................... 36

Chương 3: THIẾT KẾ - CHẾ TẠO XE ĐIỆN CĨ TÍNH NĂNG TỰ ĐỘNG. ................ 41
3.1.

Thiết kế, lắp đặt bộ điều khiển xe tự động:.......................................................... 41

3.1.1.

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển:.................................................................... 41

3.1.2.

Các thành phần cơ bản của hệ thống: ............................................................ 41

3.1.3.

Sơ đồ bố trí các bộ phận: ............................................................................... 50

3.1.4.

Bản vẽ thiết kế: .............................................................................................. 51

3.1.5.

Mơ hình thực tế: ............................................................................................ 52

3.1.6.

Sơ đồ mạch điện hệ thống điều khiển xe tự động: ........................................ 53

3.2.

Thu thập xử lí tín hiệu điều khiển bẻ lái trong LabVIEW: .................................. 53

3.2.1.

Mơ hình hệ thống điều khiển xe tự động: ..................................................... 53

3.2.2.

Nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển xe tự động: ................................. 54

3.2.3.

Lưu đồ thuật tốn thu thập tín hiệu cảm biến và điều khiển vị trí góc lái xe.
……………………………………………………………………………...55

3.3. Thiết lập chương trình điều khiển vị trí góc lái xe bằng thuật toán điều khiển PID
trong LabVIEW: ............................................................................................................. 55
3.3.1.

Nguồn nhiễu và phường pháp lọc nhiễu cho cảm biến: ................................ 55

3.3.2.

Thiết lập chương trình điều khiển góc lái bằng thuật toán điều khiển PID:
……………………………………………………………………………...56
viii

Chương 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU. .................... 59
4.1.

Môi trường và điều kiện khảo sát: ....................................................................... 59

4.2.

Kết quả thực nghiệm: ........................................................................................... 59

4.3.

So sánh và đánh giá kết quả chạy thực nghiệm. .................................................. 62

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ. ............................................................................ 65
5.1.

Kết luận: ............................................................................................................... 65

5.2.

Những vấn đề tồn tại: ........................................................................................... 65

5.3.

Hướng phát triển: ................................................................................................. 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 67

ix


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1: Xe tự hành Google.

6

Hình 2.2 : Xe tự lái Autopilot Tesla.

6

Hình 2.3: Các thành phân chính của bộ điều khiển xe điện tự hành.

8

Hình 2.4: Cơ cấu điều khiển

8

Hình 2.5: Lidar

10

Hình 2.6: Hình ảnh nhận diện sau khi xử lí.

10

Hình 2.7: Radar

11

Hình 2.8: Camera

13

Hình 2.9: Bộ xử lí

15

Hình 2.10: Sơ đồ tổng quan cơ cấu chấp hành

15

Hình 2.11: Cơ cấu chấp hành

16

Hình 2.12: Sơ đồ khối hệ thống tự động trên xe tự hành google.

17

Hình 2.13: Drive-By-Wire

18

Hình 2.14: Hệ thống lái khơng trục lái

19

Hình 2.15: Tổng quan ơ tơ

19

Hình 2.16: Các cảm biến trên xe tự hành google

20

Hình 2.17: Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển

22

Hình 2.18: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động

24

Hình 2.19: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

26

Hình 2.20: Sơ đồ điều khiển động cơ DC theo thuật tốn PID

27

Hình 2.21: Sơ đồ khối điều khiển động cơ DC theo thuật tốn PID

27

Hình 2.22: Cách thực hiện xây dụng chương trình trong Lab VIEW

30

Hình 2.23: Thu thập dữ liệu tại cơ quan hàng không vũ trụ NASA

31

Hình 2.24: Thu thập dữ liệu từ cảm biến đo gió trong ơ tơ và thí nghiệm.

32

Hình 2.25: Hệ thống lái khơng trục lái.

32

Hình 2.26: Điều khiển động cơ DC theo thuật toán PID.

32
x


Hình 2.27: Mơi trường làm việc trong LabVIEW; (a) cửa sổ Front Panel, (b) cửa sổ Block
Diagram
33
Hình 2.28: While loop

34

Hình 2.29: Case structure

34

Hình 2.30: For loop

35

Hình 2.31: Cấu trúc chuỗi

35

Hình 2.32 : Điều khiển lái theo hình học phẳng

36

Hình 2.33: Sơ đồ động học quay vịng của ơ tơ có hai bánh dẫn hướng phía trước.

37

Hình 2.34: Giải thuật điều khiển lái

39

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

41

Hình 3.2: Máy tính dell vostro 5568

41

Hình 3.3: Sơ đồ chân Card HDL 9090.

42

Hình 3.4: Chức năng các chân Card HDL 9090

42

Hình 3.5: Hàm HDL USB 9090 trong LabVIEW

43

Hình 3.6: Chức năng các chân của hàm HDL USB 9090

43

Hình 3.7: Cảm biến khoảng cách Sharp

45

Hình 3.8: Sơ đồ cấu tạo cảm biến khoảng cách Sharp

45

Hình 3.9: Nguyên lý hoạt động cảm biến khoảng chánh Sharp

46

Hình 3.10: Mối quan hệ giữa điện áp với khoảng cách.

47

Hình 3.11: Mối quan hệ giữa điện áp với nghịch đảo khoảng cách.

47

Hình 3.12: Biến trở.

48

Hình 3.13: Motor Drive KHT

48

Hình 3.14: Sơ đồ chân Motor Drive KHT

49

Hình 3.15: Motor giảm tốc DCM 555

49

Hình 3.16: Motor chạy xe

50

Hình 3.17: Sơ đồ bố trí các bộ phận

50

Hình 3.18: Bản vẽ thiết kế a) Hình chiếu cạnh b) Hình chiếu bằng

51
xi


Hình 3.19: Mơ hình thực tế

52

Hình 3.20: Sơ đồ nối chân hệ thống điều khiển tự động

53

Hình 3.21: Mơ hình hệ thống điều khiển xe tự động

54

Hình 3.22: Lưu đồ thuật tốn thu thập tín hiệu cảm biến và điều khiển vị trí góc lái xe 55
Hình 3.23: Sơ đồ điều khiển lái theo góc quay động cơ

57

Hình 3.24: Mối quan hệ giữa góc quay động cơ và góc quay bánh dẫn hướng

57

Hình 3.25: Chương trình điều khiển động cơ DC theo thuật tốn PID

58

Hình 3.26: Giao diện người dùng

58

Hình 4.1: Điều khiển lái theo hình học phẳng.

59

Hình 4.2 : Thơng số cảm biến khoảng cách

59

Hình 4.3 : Thơng số cảm biến khoảng cách

60

Hình 4.4 : Thơng số cảm biến khoảng cách

60

Hình 4.5 : Thơng số cảm biến khoảng cách

61

Hình 4.6 : Thơng số cảm biến khoảng cách

61

Hình 4.7 : Thơng số cảm biến khoảng cách

62

Hình 4.8 : Thơng số cảm biến khoảng cách

62

Hình 4.9 : Đồ thị giá trị đặt và giá trị đáp ứng

63

Hình 4.10 : Đồ thị giá trị đặt và giá trị đáp ứng

63

Hình 4.11 : Đồ thị giá trị đặt và giá trị đáp ứng

63

Hình 4.12: Đồ thị xe thực tế đi được.

64

xii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Điều chỉnh các hệ số gain theo phương pháp Ziegler – Nichols.

29

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Card HDL 9090

44

xiii


Chương 1 TỔNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài.
Cùng với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ, ngành ơ tơ cũng có nhiều
bước tiến vượt bậc đưa ngành công nghệ ô tô lên tầm cao. Ngành ô tô hiện tai đang có
những bước đi nhanh và vững chắc. Một chiếc ô tô được sản xuất không những chỉ đáp
ứng nhu cầu đi lại và vận chuyển hàng hóa của con người mà cịn đáp ứng nhu cầu tiện
nghi, thoải mái của con người và được xem là ngôi nhà thứ hai. Và đến thời điểm này ô
tô đã đạt được thành công vang dội khi cho ra đời những chiếc xe tự hành lăn bánh lần
đầu trên những con đường tại Mỹ… Nhưng đối với những nước đang phát triển chẳng
hạn Việt Nam không thể bắt kịp khoa học công nghệ tiến tiến trên thế giới nên đây là một
thiệt thịi cho ngành ơ tơ Việt Nam. Ở Việt Nam xe tự hành vẫn còn là một cái tên khá
mới mẻ và lạ lẫm với người dân, vì vậy đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều
khiển cho xe điện có tính năng tự động” là thực sự cần thiết.
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, cơng nghệ với thế giới thì việc nghiên cứu,
thiết kế, chế tạo bộ điều khiển xe điện có tính năng tự động là thực sự cần thiết.
Do sự giới hạn về thời gian, kinh phí và cơng nghệ trong nước nên trước hết có thể
nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển xe điện có tính năng tự động di chuyển trên đoạn
đường ngắn kết hợp với một vài vật cản đừng yên. Sau đó trên cơ sở những thành quả đạt
được và sự phát triển công nghệ trong nước từng bước ứng dụng thử nghiệm thực tế trên
xe tự động lưu thông trên đường. Đề tài nghiên cứu giải pháp tự động tránh vật cản và tự

động trả lái đúng vị trí sau khi đánh lái. Đây là một phần nhỏ trong các tính năng của xe
tự lái hiện đại.
1.3 Nhiệm vụ.
- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết điều khiển tự động.
- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết thu thập tín hiệu và điều khiển né vật cản.
- Tìm hiểu giải thuật điều khiển lái theo hình học phẳng.
- Xây dựng thuật tốn điều khiển chính xác vị trí góc lái.
- 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.
1


- Cho chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả đạt được.
1.4 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu.
1.4.1. Đối tượng.
 Cảm biến khoảng cách.
 Phần mềm LabVIEW.
 Card HDL 9090.
 Motor DC.
 Drive motor.
 Reylay
 Biến trở.
1.4.2. Phạm vi.
Để đơn giản hóa những yếu tố tác động bên ngoài, đề tài nghiên cứu trong phạm vi:





Nghiên cứu dựa trên mơ hình thu nhỏ.

Xe chạy trên đường nhựa phẳng thẳng.
Với những vật cản đứng yên(với đường kính vật cản là 1m, cao 2m)
Tự động đánh lái tránh vật cản và tự động trả lái.

Đây không phải là một xe tự động lái hoàn toàn mà chỉ tự tránh vật cản và trở lại đường
cũ (đã cho trước) sau khi tránh vật cản theo giải thuật điều khiển lái theo hình học phẳng
với giả thuyết kích thước đường kính vật cản là 1m, cao 2m
1.4.3. Phương pháp nghiên cứu.
Để hoàn thành mục tiêu nghiên cứu “Nghiên cứu-Thiết kế-Chế tạo bộ điều khiển cho xe
điện có tính năng tự động”, người nghiên cứu dự kiến sử dụng những phương pháp
nghiên cứu:
 Phương pháp tham khảo tài liệu và phân tích, phân loại hệ thống hóa tài liệu tài
liệu trong nước và nước ngồi từ đó xây dựng cơ sở lý thuyết về thu thập và xử lý
tín hiệu cảm biến điều khiển cơ cấu chấp hành.
 Thiết kế mơ hình xe tự động và xây dựng thuật toán điều khiển góc lái.
 Thực nghiệm và xử lí kết quả.
 Đánh giá và cải tiến.
1.5 Các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước.
1.5.1. Cơng trình ngồi nước.
Allen đề xuất một mơ hình điều khiển gần như tuyến tính đa vịng lặp để xác
định góc lái bánh xe phía trước. Nghiên cứu thực hiện điều khiển xe trên một phạm
2


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 mơ hình ba bậc tự do bao 4
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 vịng 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.
Kyongsu Yi, Youngjoo Cho, Sejin Lee, Joonwoong Lee, and Namkyoo Ryoo đề xuất
cách điều khiển hệ thống ga / phanh thông qua van điều khiển điện từ chân không tăng áp
(EVB), mơ tơ bước. Mơ 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 mơ hình xe phi tuyến
hồn chỉnh. Nghiên cứu đưa ra quy luật kiểm soát bao gồm một thuật tốn 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 thơng qua mơ 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 .
Xiaobo Yang đề xuất vấn đề an toàn trên đường cao tốc có liên quan đếnhoạt 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 mơ 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.
1.5.2. Cơng trình 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. Ở Việt
Nam có rất ít đề tài nghiên cứu, mơ hình với các đề tài đồ án tốt nghiệp hoặc các luận văn
thạc sĩ. Đặc biệt những năm gần đây có FPT sofware có đầu tư nghiên cứu, áp dụng và
cũng đã phần nào thành công, nhóm tập trung xoay quanh 2 vấn đề chính là: xử lý ảnh
nhận diện làn đường và phát hiện chướng ngại vật điều khiển cho xe chạy tự động., . Vì
vậy sự ra đời và phát triển nhiều hơn nữa là vấn đề nghiên cứu thật sự cần thiết và cấp
bách, đây cũng chính là lý do đề tài “Nghiên cứu-Thiết kế-Chế tạo bộ điều khiển cho xe
điện có tính năng tự động ” được ra đời
.
3


1.6 Những vấn đề mà đề tài cần tập trung giải quyết.
 Nghiên cứu xe tự hành của google và đề xuất mơ hình thu nhỏ.
 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xe tự hành với mơ hình đề xuất.
 Thiết kế bộ điều khiển PID (điều khiển vị trí góc lái).
 Phát hiện và tránh vật cản và trở về làn đường cũ.
 Áp dụng LabVIEW trong quá trình thực hiện đề tài.

4


Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng quan về xe điện tự hành.
2.1.1. Giới thiệu xe tự hành.
Tự hành là khả năng một cỗ máy thực hiện một nhiệm vụ mà khơng cần điều lệnh
của con người. Vì vậy, “hệ thống tự hành” (autonomous system) là một cỗ máy, phần
cứng hoặc phần mềm, mà khi được kích hoạt sẽ tự thực hiện một số nhiệm vụ hoặc tự
hoạt động. Một cách khái quát, nó có khả năng cảm nhận và phản ứng với môi trường

xung quanh.
Những hệ thống tự hành không chỉ giới hạn ở các phương tiện không người điều
khiển như robot mà cịn được tích hợp lên nhiều hệ thống có người điều khiển như máy
bay, xe hơi… Nhiều xe hơi đã được trang bị những hệ thống hỗ trợ lái tự động một, một
vài chức năng hoặc có thể tự động hồn tồn.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 selfdriving 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 mơi 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,laser, SICK, GPS, cameras… ): Chúng có
chức năng định vị vị trí của xe, xác định các xe,chướng ngại vật xung quanh và định ra
đường đi.
• Hệ thống điều khiển: Thu thập thông tin, cũng như phát hiện các chướng ngại vật và
các biển báo giao thơng, để xác định chuyển hướng chính xác.
• 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.
Các nghiên cứu về công nghệ trên xe tự hành tập trung vào 2 lĩnh vực chính: phát
hiện làn đường và nhận dạng đối tượng.
Phát hiện làn đường: Vấn đề này đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua.
Phần lớn các hệ thống phát hiện làn đường đã được phát triển và ứng dụng trong nhiều
loại xe sang.


5


Nhận dạng đối tượng: Đây là một thành phần quan trọng của hệ thống xe tự hành.
Gần đây, công nghệ này đã có những bước tiến bộ lớn như nhận dạng được đối tượng
tĩnh như xe đạp, người đi bộ, ô tô, biển báo giao thông, cột đèn giao thông… và đang tiến

tới việc nhận dạng đối tượng động như xe/người đang di chuyển trên đường thật.


Hình 2.1: Xe tự hành Google.

Hình 2.2 : Xe tự lái Autopilot Tesla.
6


Một số xe tự hành tiêu biểu: xe tự lái Lexus RX450h, Toyota Prius của Google, xe tự
lái Autopilot của Tesla, xe tự lái Leaf của Nissan, xe tự hành Fusion Hybrid của Ford,
F015 Luxury in Motion của Mercerdec…..
+ Ưu thế.
Không chỉ hạn chế tắc nghẽn giao thông, những chiếc xe tự lái còn hứa hẹn nhiều ưu
thế vượt trội khác:
- Ít va chạm giao thơng 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 thơng 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.
- Giảm số lượng cảnh sát giao thông, các camera, đèn đỏ và các biện pháp tăng cường an
tồn giao thơng khác.
+ Xu hướng.
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 1,24 triệu người chết vì
tai nạn giao thơng đường bộ. Thống kê còn cho thấy, khoảng 50 triệu người bị thương
trong các tai nạn giao thông, gây thiệt hại hàng tỉ USD cho thế giới, cho các quốc gia cho
các gia đình bị nạn và nỗi đau không bao giờ bù đắp được. Ngun nhân chính là do
khơng kiểm sốt được tốc độ, say xin khi lái xe, mất tập trung… Bên cạnh đó sự hạn chế
về tình trạng của người lái xe như: người chưa đủ tuổi, người già, người khiếm thị…
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.
Giờ đây xe không người lái khơng cịn là lãnh địa bất khả xâm phạm của Ford,
Daimler, Toyota, Nissan… mà dần dịch chuyển thành lãnh địa của các công ty phần
mềm. Việc phát triển xe không người lái thì phần mềm đóng vai trị quan trọng nhất. Nó
được ví như não bộ, đảm bảo sự vận hành cho xe. Nếu trước đây, ô tô đặc trưng
7


bởi động cơ đốt trong, hộp số, bộ dẫn động, vơ lăng điều khiển, xăng dầu, chân ga, chân
phanh… thì ngày nay, nó giống như một chiếc máy tính. Phần mềm và điện đã thay thế
chức năng của các yếu tố cơ học, con người và nhiên liệu. Một chiếc xe hiện đại được
điều khiển bởi 80 tới 100 hệ thống nhúng, 90% sáng tạo của xe hơi hiện nằm ở phần
mềm, 100% xe sẽ kết nối với Cloud.
2.1.2. Xe tự hành của Google.
PHẦN CỨNG CỦA XE GOOGLE

Hình 2.3: Các thành phân chính của bộ điều khiển xe điện tự hành.
2.1.2.1. Bộ điều khiển.

Hình 2.4: Cơ cấu điều khiển
8

+ Hệ thống LIDAR (Light Detection And Ranging also LADAR)
- Hệ thống LIDAR được coi là phần quang trọng nhất trong xe tự lái. LIDAR là một
công nghệ cảm biến quang học từ xa có thể đo khoảng cách, hoặc các thuộc tính khác của
một vật thể bằng cách chiếu ánh sáng vào vật thể đó,ánh sang chiếu vào vật thể là ánh
sang laser hay xung từ laser. Công nghệ LIDAR có ứng dụng trong các hình học, khảo
cổ, địa lý, địa chất, địa mạo, địa chấn học, lâm nghiệp, viễn thám và vật lý khơng khí,
cũng như trong bản đồ lướt sóng bằng laser khơng khí (ALSM), đo độ cao bằng laze và
LIDAR Contour.
- LIDAR sử dụng ánh sáng hồng ngoại cực tím, có thể nhìn thấy, hoặc khơng nhìn
thấy, có thể được sử dụng với một loạt các mục tiêu, bao gồm các vật không phải kim
loại, đá, mưa, các hợp chất hóa học, aerosols, mây và thậm chí các phân tử đơn lẻ. Một
mũi tên laserbeam có thể được sử dụng để lập bản đồ các tính năng vật lý với độ phân
giải rất cao. LIDARđã được sử dụng rộng rãi cho nghiên cứu khí quyển và khí tượng học.
Ngồi ra, LIDAR đã được NASA xác định là một công nghệ then chốt cho phép hạ cánh
an tồn chính xác tự động của robot tương lai và phi hành đồn xuống mặt trăng. Các
bước sóng ở khoảng từ 10 micromet đến tia cực tím (ca. 250 nm) được sử dụng để phù
hợp với mục tiêu. Có một số thành phần chính cho một hệ thống LIDAR đó là :
- Laser 6001000 nm là một loại laser tương đối phổ biến với các ứng dụng phi khoa
học. Laser thường tập trung thành một chùng sáng và dễ bị mắt hấp thụ và ảnh hưởng tới
mắt nên để đảm bảo độ an tồn cho mắt và đủ cơng suất sử dụng thì người ta chọn một
loại laser khác cho hệ thống LIDAR là laser 1550 nm. Laser 1550 nm có tính phổ biến
hơn và có độ an tồn cho người sử dụng đặc biệt là mắt của mọi người xung quanh khi
hệ thống quét xung quanh chiếc xe và có mức cơng suất cao hơn nhiều laser 6001000 nm
vì bước sóng này khơng được hấp thụ bởi mắt, nhưng cơng nghệ dị khơng tiên tiến và do
đó các bước sóng thường được sử dụng ở các phạm vi dài hơn và độ chính xác thấp hơn.
Chúng cũng được sử dụng cho ứng dụng quân sự. Laser 1550 nm không được nhìn thấy
trong kính nhìn đêm, khơng giống như laser hồng ngoại 1000 nm ngắn hơn. Các bản đồ
vẽ bản đồ hàng khơng nói chung sử dụng laser YAG 1064 nm diode, trong khi các hệ
thống đo đạc biển thường sử dụng 570 nm tần số gấp đôi diode bơm YAG lasers vì 532

nm thâm nhập nước với độ suy giảm ít hơn nhiều so với 1064nm.
Chính vì vậy cho nên người ta xẽ sử dụng laser 1550 nm.

9


Hình 2.5: Lidar
- Máy quét quang học là máy quét cho ra những hình ảnh nhanh nhất trong thời gian
ngắn. Việc quét hành ảnh của máy quét bị ảnh hưởng bởi tốc độ mà nó có thể được quét
vào hệ thống. Có một số lựa chọn để quét góc phương vị và độ cao, bao gồm gương
phẳng dao động kép, kết hợp với gương đa giác, một máy quét trục kép. Khi ta chọn máy
quét quang học nó ảnh hưởng đến góc độ phân giải và phạm vi có thể được phát hiện.
Chính vì giới hạn vậy nên ta chọn một tấm gương hố hoặc một bộ tách chùm là các tùy
chọn để thu thập một tín hiệu phản hồi hình ảnh.
- Máy dị Hoto gồm hai thiết bị điện tử phát và nhận dị tìm hình ảnh là hai thiết bị
chính được sử dụng trong nắp gạt: máy dị trạng thái vật rắn, chẳng hạn như photodiod đi
qua silicon, hoặc các bộ nhận hình ảnh. Độ nhạy của máy thu là một tham số khác mà
phải được cân bằng trong một thiết kế LIDAR.

Hình 2.6: Hình ảnh nhận diện sau khi xử lí.
- Hệ thống định vị và hệ thống định vị LIDAR được gắn trên điện thoại di động . Nó
có các nền tảng như hệ thống định vị của máy bay hoặc vệ tinh để thiết bị đo xác định vị
trí chính xác tuyệt đối và hướng của cảm biến. Các thiết bị như vậy bao gồm một Bộ
nhận Hệ thống định vị Toàn cầu và Bộ Đo lường Inertial (IMU) .3D hình ảnh có thể đạt
được bằng cách sử dụng cả hai hệ thống quét và không quét. "3D radar laze gatedview "là
một hệ thống không quét laser khác nhau, áp dụng một laser lõm và máy ảnh gated
nhanh.
10

+ RADAR.
- Radar là một hệ thống phát hiện đối tượng sử dụng sóng điện từ đặc biệt sóng vơ
tuyến điện để xác định phạm vi, độ cao, hướng hoặc tốc độ của cả hai vật chuyển động và
cố định như máy bay, tàu, phi thuyền, tên lửa dẫn đường, động cơ phương tiện, thời tiết
và địa hình. Các đĩa rađa, hoặc ăng-ten, truyền xung của sóng vơ tuyến hoặc vi sóng mà
khi bật lên chiếu vào bất kỳ đối tượng trong đường dẫn của họ. Đối tượng trả về là một
phần nhỏ của năng lượng sóng phát đi hoặc là ăng ten phát hiện một năng lượng nhỏ do
vật thể như máy bay, tên lửa phát ra. Việc sử dụng radar hiện đại rất đa dạng, bao gồm
kiểm soát giao thơng, thiên văn radar, hệ thống phịng khơng, hệ thống chống sạt lở; đo
hải lý…. Radar dùng để định vị các điểm mốc và các tàu; máy bay chống va chạm hệ
thống; hệ thống giám sát đại dương, hệ thống giám sát khơng gian ngồi trời và hệ thống
hẹn giờ; theo dõi lượng mưa khí tượng; máy đo độ cao và hệ thống kiểm soát bay; tên lửa
dẫn đường hệ thống định vị mục tiêu; và radar thâm nhập mặt đất để quan sát địa chất.

Hình 2.7: Radar
- Hệ thống radar cơng nghệ cao có liên quan đến xử lý tín hiệu số và có khả năng chiết
xuất vật thể từ mức độ ồn rất cao.Hệ thống radar có một máy phát phát ra sóng vơ tuyến
gọi là tín hiệu radar định hướng xác định. Khi chúng tiếp xúc với một vật thể thường
được phản ánh hoặc phân tán sóng vơ tuyến theo nhiều hướng. Các tín hiệu radar được
phản hồi đặc biệt tốt bằng với các vật liệu dẫn điện - đặc biệt là hầu hết các kim loại,
nước biển, đất ướt và đất ngập nước. Một số trong số này có thể sử dụng cho việc máy đo
độ cao radar. Các tín hiệu radar phản ánh lại đối với máy phát là những thứ mong muốn.
Nếu đối tượng đang di chuyển gần hoặc xa hơn, có một sự thay đổi nhỏ về tần suất sóng
radio, do hiệu ứng Doppler.
- Máy thu Radar thường, nhưng không phải lúc nào cũng ở cùng vị trí với máy phát.
Mặc dù tín hiệu radar phản xạ thu được bởi ăng-ten thu là thường là rất yếu, những tín
hiệu này có thể được tăng cường bởi bộ khuếch đại điện tử rằng tất cả các bộ radar chứa
nó. Các phương pháp xử lý tín hiệu phức tạp hơn ln ln được sử dụng để phục hồi tín
hiệu radar hồi đáp.
11

- Sự hấp thụ yếu của sóng vơ tuyến bởi mơi trường mà nó đi qua là những gì cho phép
các bộ radar phát hiện các vật ở các dải dài tương đối mà ở đó các bước sóng điện từ,
chẳng hạn như ánh sáng khả kiến, ánh sáng hồng ngoại, và tia cực tím ánh sáng, bị suy
yếu quá nhiều. Những thứ như sương, mây, mưa, tuyết rơi,và bóng mờ mà chặn ánh sáng
nhìn thấy được thường minh bạch cho sóng vơ tuyến điện. Một số, tần số vơ tuyến điện
cụ thể được hấp thụ hoặc phân tán bởi hơi nước, giọt mưa, hoặc khí quyển khí quyển (đặc
biệt là oxy) được tránh trong việc thiết kế radar ngoại trừ khi phát hiện này là dự định.
- Cuối cùng, radar dựa vào truyền sự truyền phát thu tín hiệu của riêng mình, thay vì
ánh sáng từ mặt trời hoặc Mặt trăng, hoặc từ sóng điện từ phát ra từ các vật thể, chẳng
hạn như bước sóng hồng ngoại (nhiệt). Q trình chỉ đạo sóng vơ tuyến nhân tạo đối với
vật thể được gọi là ánh sáng, bất kể thực tế là sóng vơ tuyến điện là hồn tồn vơ hình đối
với mắt người hoặc máy ảnh. Hệ thống radar cơng nghệ cao là kết hợp với xử lý tín hiệu
số và có khả năng trích xuất các đối tượng từ mức ồn rất cao.
- Từ các đặc tính đó của radar các nhà sản xuất đã chon ra cho mình loại ra đa thích
hợp cho việc gắn vào xe google của mình.
- Ở đây các nhà sản xuất sử dụng MA COM SRS Radar Chống chịu được thời tiết xấu
và điều kiện môi trường khắc nghiệt, cảm biến radar 24GHz (UWB) cung cấp phát hiện
và theo dõi đối tượng. Hỗ trợ đỗ xe có thể được cung cấp bởi phía sau gắn các cảm biến
với dải 1,8 m có thể phát hiện các vật nhỏ ở phía trước của đối tượng lớn và đo hướng đi
đến. Bộ cảm biến có khả năng quét đến 30 m và cung cấp cảnh báo của vụ va chạm sắp
xảy ra để túi khí có thể được vũ trang và ghế an tồn.
+ Hệ thống định vị GPS (Global Positioning System)
Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) là một Hệ thống vệ tinh Điều hướng Tồn cầu
(GNSS) dựa trên khơng gian cung cấp thơng tin vị trí và thời gian trong mọi thời tiết, bất
cứ nơi nào trên hoặc gần Trái Đất, nơi có một đường ngắm khơng bị cản trở đến bốn hoặc
nhiều vệ tinh GPS. Máy thu tín hiệu GPS được gắn tại một vị trí và nó thu chính xác thời
gian các tín hiệu được gửi bởi vệ tinh GPS ngoài trái đất.
- Mỗi vệ tinh liên tục truyền các tin nhắn bao gồm thời gian thông báo được truyền đi,

thơng tin quỹ đạo chính xác (ephemeris), tình trạng vệ tinh và quỹ đạo thô của tất cả các
vệ tinh GPS.
- Người nhận sử dụng các thông điệp nhận được bằng cách xác định thời gian vận
chuyển của mỗi tin nhắn và tính tốn khoảng cách cho mỗi vệ tinh. Những khoảng cách
cùng với các vị trí vệ tinh được sử dụng với sự trợ giúp có thể của trilateration, tùy thuộc
về thuật tốn được sử dụng, để tính vị trí của máy thu. Vị trí này sau đó được hiển thị, có
thể với một bản đồ di chuyển đang di chuyển hoặc vĩ độ và kinh độ;thông tin độ cao có
thể được bao gồm nhiều đơn vị GPS hiển thị thơng tin có nguồn gốc chẳng hạn như
hướng và tốc độ, được tính từ thay đổi vị trí. Ba vệ tinh có thể dường như đủ để giải
12