Luận văn Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động

93 489 3
  • Loading ...
1/93 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 03/10/2016, 01:03

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ QUỐC BẢO THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE TỰ ĐỘNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ QUỐC BẢO THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE TỰ ĐỘNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Hướng dẫn khoa học: TS LÊ THANH PHÚC Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: HÀ QUỐC BẢO Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02/02/1987 Nơi sinh: Kiên Giang Quê quán: Thái Bình Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: 114/34 Phú Thọ Hòa - P Phú Thọ Hòa - Q.Tân Phú - TP.HCM Đơn vị công tác: Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Lý Tự Trọng TP Hồ Chí MInh, 390 Hoàng Văn Thụ, Phường 4, Q Tân Bình, TP Hồ Chí Minh Điện thoại đơn vị: Điện thoại riêng: 0933.651.943 Fax: E-mail: haquocbao22@yahoo.com.vn II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2010 đến 09/ 2012 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế ghế Haptic Ngày & nơi thi tốt nghiệp: 09/2012, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Bá Hải Trình độ ngoại ngữ: Anh Văn B1 III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Từ 04/2013 đến Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Lý Tự Trọng TP Hồ Chí MInh, 390 Hoàng Văn Thụ, Phường 4, Q Tân Bình, TP Hồ Chí Minh ii Giảng viên khoa khí động lực LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng Ký tên Hà Quốc Bảo iii năm 2015 LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đề tài, Tôi nhận nhiều giúp đỡ, tạo điều kiện Ban giám hiệu, Bộ phận sau Đại học, Khoa khí Động lực, cán phòng, ban chức Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành giúp đỡ Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy TS Lê Thanh Phúc hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho hoàn thành luận văn Bên cạnh chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp gia đình động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ suốt trình thực hoàn thành luận văn Một lần xin chân thành cảm ơn quý thầy cô bạn Xin chúc quý thầy cô toàn thể bạn dồi sức khoẻ thành công! Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 Học viên thực Hà Quốc Bảo iv TÓM TẮT Công nghệ tự động phát triển đạt nhiều thành tựu giới Đặc biệt, lĩnh vực xe tự động có bước đột phá năm gần Nghiên cứu nhằm thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho mô hình xe, làm phương tiện để khảo sát đánh giá hiệu trình điều khiển chạy tự động xe theo đường cho trước Quá trình thu thập xử lý ảnh, điều khiển bẻ góc lái tốc độ xe thực thông qua phần mềm LabVIEW Đề tài sử dụng camera làm phận thu thập hình ảnh đường phía trước xe, từ đó, xác định vị trí xe so với đường môi trường thực tế Khi sai số xe tâm đường vượt giới hạn quy định (giá trị cài đặt), hệ thống điều khiển PID xuất tín hiệu điều khiển mô tơ lái quay Mô tơ lái hoạt động làm bánh dẫn hướng xoay sang trái phải để giữ xe chạy theo đường phía trước đồng thời giảm tốc độ xe đánh lái Kết thực nghiệm cho thấy, xe có khả tự điều khiển góc lái tốc độ theo đường thực tế Khả tự điều khiển góc lái tốc độ xe thành công lớn đề tài Từ làm sở khoa học cho việc hoàn thiện mô hình hệ thống điều khiển xe chạy tự động sau Đồng thời đề tài góp phần phát triển ứng dụng hệ thống điều khiển xe tự động vào thực tế Việt Nam 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 cán hướng dẫn Lý lịch khoa học ii Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Astract vi Mục lục vii Danh sách chữ viết tắt xi Danh sách hình xii Danh sách bảng xv Chương 1.TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 1.1.1 Khái niệm xe tự hành 1.1.2 Những ưu vượt trội xe tự lái 1.1.3 Xu hướng phát triển xe tự lái 1.1.4 Các kết nghiên cứu ô tô tự động 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ đề tài 1.3.2 Giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết tổng quan xử lý ảnh 2.1.1 Giới thiệu chung xử lý ảnh 2.1.2 Các bước xử lý ảnh vii 2.1.2.1 Thu nhận ảnh 2.1.2.2 Tiền xử lý ảnh 2.1.2.3 Phân tích ảnh 2.1.2.4 Biểu diễn ảnh 2.1.2.5 Nhận dạng nội suy 2.1.2.6 Cơ sở tri thức 2.1.2.7 Mô tả ảnh 2.1.3 Biên phương pháp phát biên 2.2 Biến đổi hough (Hough transform) 2.2.1 Biến đổi Hough cho đường thẳng 10 2.2.2 Biến đổi Hough cho đường thẳng tọa độ cực 11 2.3 Mô hình đường (Lane Model) 14 2.4 Lý thuyết điều khiển tự động 16 2.4.1 Khái niệm điều khiển tự động 16 2.4.2 Phân loại phương thức điều khiển tự động 18 2.5 Lý thuyết chung điểu khiển động 19 2.5.1 Động DC 19 2.5.2 Phương pháp điều khiển tốc độ động (điều khiển tốc độ) 20 2.6 Thuật toán điều khiển động 20 2.6.1 Khái niệm 20 2.6.2 Điều khiển PID động DC 21 2.6.3 Phương pháp điều chỉnh hệ số gain PID 26 2.6.3.1 Điều chỉnh thủ công 26 2.6.3.2 Phương pháp Ziegler – Nichols 26 2.7 Công cụ xử lý ảnh điều khiển góc lái, điều khiển vận tốc LabVIEW 26 2.7.1 LabVIEW 26 2.7.2 Ứng dụng Lab VIEW 28 2.7.3 Lập trình với Lab VIEW 28 2.7.4 Một số hàm thường sử dụng Lab VIEW 29 viii Chương THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE TỰ ĐỘNG 32 3.1 Thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển xe tự động 32 3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 32 3.1.2 Các thành phần hệ thống 32 3.1.2.1 Camera Colorvis 32 3.1.2.2 Máy tính Acer Aspire E1-572G 33 3.1.2.3 Card điều khiển 9090 I/O 33 3.1.2.4 Motor driver 43 3.1.2.5 Motor điều khiển bẻ lái chạy xe 44 3.1.2.6 Encoder 46 3.1.3 Sơ đồ bố trí phận 47 3.1.4 Bản vẽ thiết kế 47 3.1.5 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 xuất tín hiệu điều khiển bẻ lái điều khiển tốc độ 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 điều khiển góc lái, điều khiển tốc độ xe 51 3.2.3.2 Thuật toán điều khiển góc lái tốc độ theo vị trí xe so với vạch sơn đường 52 3.3 Thiết lập chương trình điều khiển góc lái vận tốc xe thuật toán điều khiển PID LabVIEW 52 3.3.1 Thiết lập chương trình điều khiển góc lái thuật toán điều khiển PID.52 3.3.2 Thiết lập chương trình điều khiển tốc độ xe thuật toán điều khiển PID 55 3.3.3 Giao diện người dùng 56 ix Hình 4.7: Đồ thị điều khiển trả lái xe rẽ trái lần chạy I Trong trường hợp xe cần đánh lái qua trái góc -400, hệ thống điều khiển PID xuất tín hiệu điều khiển mô tơ hoạt động làm bánh xe dẫn hướng xoay qua trái góc từ 00 tới -400, thể đường liền mảnh màu vàng Đường liền mảnh màu đỏ thể giá trị góc lái thực tế đo Sau rẽ trái, hệ thống điều khiển PID xuất tín hiệu điều khiển để thực trả lái từ -400 00 Đồng thời trình điều khiển đánh lái trả lái, hệ thống điều khiển giảm tốc độ xe.Với hệ số Kp = 3.2, Ki = 1E-5, Kd = 8, hình 4.6, sai lệch giá trị góc lái đặt góc lái đo thực tế đánh lái qua trái ~ 30 Trong hình 4.7 Sai lệch giá trị góc lái đặt góc lái đo thực tế trả lái ~20 Sai lệch vận tốc ~3 km/h 63 4.2.2 Kết thực nghiệm lần chạy II  Xe đánh lái qua phải lần chạy II (a) Đánh lái qua phải Hình 4.8: Đồ thị điều khiển góc lái vận tốc xe rẽ phải lần chạy II Hình 4.9: Đồ thị điều khiển đánh lái qua phải xe rẽ phải lần chạy II 64 Hình 4.10: Đồ thị điều khiển trả lái xe rẽ phải lần chạy II Trong lần chạy thứ II, với hệ số Kp = 4.2, Ki = 1E-5, Kd = 8, hình 4.9, sai lệch giá trị góc lái đặt góc lái đo thực tế đánh lái qua phải ~ 40 Trong hình 4.10, sai lệch giá trị góc lái đặt góc lái đo thực tế trả lái ~10 Sai lệch vận tốc ~0.2 km/h  Xe đánh lái qua trái lần chạy II (b) Trả lái (a) Đánh lái qua trái Hình 4.11: Đồ thị điều khiển góc lái vận tốc xe rẽ trái lần chạy II 65 Hình 4.12: Đồ thị điều khiển đánh lái qua trái xe rẽ trái lần chạy II Hình 4.13: Đồ thị điều khiển trả lái xe rẽ trái lần chạy II Trong lần chạy thứ II, với hệ số Kp = 4.2, Ki = 1E-5, Kd = 8, hình 4.12, sai lệch giá trị góc lái đặt góc lái đo thực tế đánh lái qua phải ~ 20 Trong hình 4.13 sai lệch giá trị góc lái đặt góc lái đo thực tế trả lái ~ 60 Sai lệch vận tốc ~ 0.2 km/h 66 4.2.3 Kết thực nghiệm lần chạy III  Xe đánh lái qua phải lần chạy III (a) Đánh lái qua phải Hình 4.14: Đồ thị điều khiển góc lái vận tốc xe rẽ phải lần chạy III Hình 4.15: Đồ thị điều khiển đánh lái qua phải xe rẽ phải lần chạy III 67 Hình 4.16: Đồ thị điều khiển trả lái xe rẽ phải lần chạy III Trong lần chạy thứ III, với hệ số Kp = 4.2, Ki = 1E-6, Kd = 8, hình 4.15, sai lệch giá trị góc lái đặt góc lái đo thực tế đánh lái qua phải ~ 90 Trong hình 4.16, sai lệch giá trị góc lái đặt góc lái đo thực tế trả lái ~150 Sai lệch vận tốc ~0.2 km/h  Xe đánh lái qua trái lần chạy III (a) Đánh lái qua phải (b) Trả lái Hình 4.17: Đồ thị điều khiển góc lái vận tốc xe rẽ trái lần chạy III 68 Hình 4.18: Đồ thị điều khiển đánh lái qua trái xe rẽ trái lần chạy III Hình 4.19: Đồ thị điều khiển trả lái xe rẽ trái lần chạy III Trong lần chạy thứ III, với hệ số Kp = 4.2, Ki = 1E-6, Kd = 8, hình 4.18, sai lệch giá trị góc lái đặt góc lái đo thực tế đánh lái qua phải ~ 100 Trong hình 4.19, sai lệch giá trị góc lái đặt góc lái đo thực tế trả lái ~100 Sai lệch vận tốc ~3 km/h 69 4.3 So sánh đánh giá kết chạy thực nghiệm Kết thực nghiệm nhằm đánh giá khả tự đánh lái điều khiển giảm tốc xe đánh lái qua trái qua phải trường hợp rẽ phải, trái xe chạy thực nghiệm Hình 4.20: Đồ thị điều khiển góc lái xe rẽ phải góc 350 Hình 4.21: Đồ thị điều khiển trả lái sau xe rẽ phải góc 350 Nhận xét:  Thời gian đáp ứng (quá độ): ~ 2s  Độ vọt lố nhỏ: ~ 2.2% 70  Sai số xác lập tương đối nhỏ Hình 4.22: Đồ thị điều khiển trả lái sau xe rẽ trái góc 350 Hình 4.23: Đồ thị điều khiển trả lái sau xe rẽ trái góc 350 Nhận xét:  Thời gian đáp ứng (quá độ): ~ 2s  Độ vọt lố nhỏ: ~ 2.3%  Sai số xác lập tương đối nhỏ Kết thực nghiệm cho thấy xe có khả tự điều khiển đánh lái qua trái, phải, trả lái giảm tốc độ phát có thay đổi vị trí xe đường môi trường thực tế 71 Đồng thời hệ thống điều khiển góc lái bánh dẫn hướng vận tốc PID đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển góc lái, vận tốc theo giá trị đặt mong muốn tương ứng với trường hợp cho trước Khi thay hệ số Kd, Ki, Kd khả đáp ứng điều khiển góc lái thay đổi Khả đáp ứng tốt trường hợp II Kd = 4.2, Ki = 1E-5, Kd = 72 Chương KẾT LUẬN 5.1 Kết luận Qua đề tài thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động Dựa kiến thức trang bị ôtô kiến thức liên quan đến đề tài mà tác giả hoàn thành nhiệm vụ đề tài đề Qua trình nghiên cứu thiết kế xây dựng mô hình hệ thống điều khiển xe tự động, xây dựng thuật toán điều khiển góc lái tốc độ theo vị trí tương đối xe vạch sơn Kết đạt đóng góp đề tài chủ yếu gồm: - Thiết kế thi công hoàn thành mô hình hệ thống điều khiển xe tự động - Xây dựng thuật toán điều khiển góc lái tốc độ theo vị trí tương đối xe vạch sơn - Thí nghiệm, khảo sát hoạt động hệ thống điều khiển xe tự động - So sánh đánh giá khả điều khiển tự động xe Khả điều khiển góc lái tốc độ xe rẽ phải trái tương đối đáp ứng yêu cầu đề Việc so sánh đánh giá khả điều khiển lái tốc độ xe theo vị trí tương đối xe với đường thành công lớn đề tài làm sở khoa học giúp hoàn thiện mô hình hệ thống điều khiển xe tự động sau này, để bước áp dụng vào thực tế Bên cạnh kết đóng góp đề tài mặc hạn chế sau: - Chưa đáp ứng môi trường thực tế đường vạch sơn đường - Mức độ đáp ứng hiệu điều khiển góc lái xe mô hình chưa thật tốt xe chạy nhanh - Chưa phát tránh vật cản 5.2 Hướng phát triển đề tài Mặc dù có nhiều cố gắng nhiên với trình độ, kinh phí điều kiện khảo sát thời gian có nhiều hạn chế nên đề tài có phạm vi giới hạn định Trong tương lai tác giả nghiên cứu hoàn thiện phần sau: 73 - Nghiên cứu phát triển mô hình hệ thống điều khiển xe tự động môi trường phức tạp như: đường có vạch sơn đứt quãng, có bóng đổ điều kiện ánh sáng yếu, khả đáp ứng điều khiển lái tốc độ nhanh chuẩn xác Xe chạy với tốc độ cao nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế - Hoàn thiện mô hình thiết kế thi công xe tự động sản phẩm động, bền, hoạt động ổn định, xác nhằm ứng dụng vào thực tiễn - Nâng cao hiệu tự động điều khiển lái xe chương trình, thuật toán có độ phức tạp nhằm giúp xe chạy tự động có khả xử lý tình phức tạp gần với điều kiện hoạt động thực tế 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PV, Xe tự lái Google sẵn sàng lăn bánh, Internet: http://www.pcworld.com.vn/articles/cong-nghe/song-va-congnghe/2015/05/1239148/xe-tu-lai-google-san-sang-lan-banh/ [2] Mai Trang, Xe tự lái phổ biến Mỹ từ năm 2015?, Internet: http://haingoaiphiemdam.com/Xe-tu-lai-se-pho-bien-o-My-tu-nam-2015-3476# [3] Tường Minh, Tai nạn giao thông giới số báo động, Internet: http://vietbao.vn/The-gioi/Tai-nan-giao-thong-tren-the-gioi-va-nhung-con-so-baodong/45152016/162/ [4] Choi, S.B and Devlin, P., “Throttle and Brake Combined Control for Intelligent Vehicle Highway Systems”, SAE 951897, 1995 [5] Kyongsu Yi, Youngjoo Cho, Sejin Lee, Joonwoong Lee, and Namkyoo Ryoo, “A Throttle/Brake Control Law for Vehicle Intelligent Cruise Control, F2000I398, 2000 [6] Allen, R W., Szostak, H T., and Rosenthal, T J., “Analysis and Computer Simulation of DriverNehicIe Interaction, SAE Transactions”, 871 086, 1987 Nagai M and Mitschke [7] Xiaobo Yang, “ A Closed-Loop DriverNehicle Directional Dynamics Predicto” , Trường đại học Concordia, 1999 [8] PGS.TS Nguyễn Quang Hoan, “Xử lý ảnh”, Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, 2006 [9] Hồ Văn Thu, “Ứng dụng xử lý ảnh nhận dạng đường cho ô tô chạy tự động”, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chi Minh, TP.HCM, 2014 [10] TS.Đỗ Toàn, TS.Phạm Việt Bình, “Giáo trình Xử lý ảnh”, Đại học Thái Nguyên, 2007 [11] Văn Ánh Dương, “Nghiên cứu thu thập xử lý ảnh để hỗ trợ ô tô chạy tự động”, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chi Minh, TP.HCM, 2015 [12] TS.Đỗ Toàn, TS.Phạm Việt Bình, “Giáo trình Xử lý ảnh”, Đại học Thái Nguyên, 2007 75 [13] TS.Đỗ Toàn, TS.Phạm Việt Bình, “Giáo trình Xử lý ảnh”, Đại học Thái Nguyên, 2007 [14] Giulio Reina, Annalisa Milella, “FLane: An Adaptive Fuzzy LogicLane Tracking System for DriverAssistance”, DOI: 10.1115/1.4003091 [15] Giulio Reina, Annalisa Milella, “FLane: An Adaptive Fuzzy LogicLane Tracking System for DriverAssistance”, DOI: 10.1115/1.4003091 [16] Nguyễn Thế Hùng, “Điều khiển tự động”, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chi Minh, TP.HCM, 2006 [17] “Cơ sở điều khiển tự động”, Hoc viện công nghệ bưu viễn thông, HN,2006 [18] “Cơ sở điều khiển tự động”, Hoc viện công nghệ bưu viễn thông, HN,2006 [19] Động điện chiều, Internet: https://vi.wikipedia.org/wiki/ Động_cơ_điện_một_chiều [20] “Cơ sở điều khiển tự động”, Hoc viện công nghệ bưu viễn thông, HN,2006 [21] (Nguồn: https://vi.wikipedia.org/wiki/Bộ_điều_khiển_PID) [22] Nguyễn Bá Hải, ”Lập trình LAbVIEW bản”,TP.HCM,2012 [23] Nguyễn Bá Hải, ”Lập trình LAbVIEW bản”,TP.HCM,2012 [24] Nguyễn Thế Hùng, “Điều khiển tự động”, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chi Minh, TP.HCM, 2006 [25] National Instruments Corporatio, “LabVIEW TM Basics I Development Course Manual”, Part Number 320628N-01 76 S K L 0
- Xem thêm -

Xem thêm: Luận văn Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động, Luận văn Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động, Luận văn Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động

Từ khóa liên quan

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn