Nghiên cứu hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn chủ động ứng dụng GPS trên xe máy

Điểm mới của đề tài là xây dựng phương pháp xác định vị trí đường có tốc độ giới hạn để cảnh báo chính xác và thực nghiệm trên các tuyến đường có các tốc độ giới hạn khác nhau.Từ việc xá

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ NGUYÊN VŨ

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CẢNH BÁO TỐC ĐỘ

AN TOÀN CHỦ ĐỘNG ỨNG DỤNG GPS TRÊN XE MÁY

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246

S KC 0 0 4 1 9 0

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: LÊ NGUYÊN VŨ Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 07/04/1988 Nơi sinh: Đà Nẵng Quê quán: Quảng Nam Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 31 Lê Đại, Hòa Cường Bắc, Hải Châu, Đà Nẵng

Điện thoại riêng: 0975105224 Email:lenguyenvu74@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố):

“ Khảo sát và xây dựng mô hình hệ thống nhiên liệucommon rail động cơ

e-VGT R2.2 trên xeHyundai Santafe 2010”

Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 06/2011, tại Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng Người hướng dẫn: TS Dương Việt Dũng

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

iii

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 … năm 201…

Ký tên

CẢM TẠ

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện nhiệt tình và quý báu của nhiều cá nhân và tập thể

Trước tiên, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Bá Hải

đã tận tâm hướng dẫn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô đã giảng dạy chương trình cao học ngành kĩ thuật cơ khí động lực, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức hữu ích về chuyên ngành, làm cơ sở để tôi thực hiện tốt luận văn

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đã luôn ở bên cạnh tôi, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Cuối cùng tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các bạn đồng nghiệp đã

hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập và thực hiện đề tài luận văn hoàn chỉnh

Trong thời gian thực hiện luận văn, mặc dù tôi đã cố gắng nhiều để hoàn thành tốt tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014

Học viên thực hiện

Lê Nguyên Vũ

Địa điểm nghiên cứu tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM

Thời gian thực hiện từ 08/2013 đến 02/2014

Một trong những nghiên cứu và giải pháp đầu tiên ở Việt Nam được trình bày trong luận văn Điểm mới của đề tài là xây dựng phương pháp xác định vị trí đường

có tốc độ giới hạn để cảnh báo chính xác và thực nghiệm trên các tuyến đường có các tốc độ giới hạn khác nhau.Từ việc xác định chính xác vị trí, hệ thống sẽ cảnh báo cho người điều khiển biết thông qua hình ảnh, âm thanh nhằm đảm bảo an toàn chủ động Mô hình hệ thống cảnh báo sử dụng giao diện cảnh báo lắp trên xe, thiết

bị thu tín hiệu định vị toàn cầu (GPS), kênh truyền nhận dữ liệu qua sóng 3G Các thông tin này được sẽ xử lý bằng phần mềm LabVIEW Từ mô hình này người điều khiển xe có thể chủ động hơn trong việc kiểm soát tốc độ của mình cũng như đảm bảo an toàn cho bản thân Nghiên cứu đã được kiểm tra và thực nghiệm trên phạm

vi một số tuyến đường chọn thử nghiệm trong khu vực Quận Thủ Đức Kết quả thực nghiệm thành công với việc cảnh báo đúng tuyến đường được chọn cũng như tín hiệu GPS ổn định

ABSTRACT

Thesis subject

A study of active safety speed warning system

applying GPS for motorcycle

Study location: University of Technical Education Ho Chi Minh City

Study time: August, 2013 to February, 2014

This paper is the first method giving speed warnings for motorbike in Vietnam Its new point is to establish a method locating restricted roads to give an accurate caution and conduct experiments on roads requiring the different speed limitation After detecting the precise location, the system will provide drivers with

an alert through images and sound in order to ensure a proactive safety The simulator consist of the warning system using alert interface installed in motorcycle, the global positioning system receiver,and that transmit, receive data over 3G networks Accordingly, all of the data will be processed by LabVIEW From this simulator, motorcycle drivers can actively control their speed and protect themselves The research was tested in several of chosen lanes of Thu Duc District,

Ho Chi Minh City The test result showed success in warning exactly selected lanes

as well as the stability of GPS signal

vii

MỤC LỤC

Lý lịch khoa học ii

Lời cam đoan iii

Cảm tạ iv

Tóm tắt v

Abstract vi

Mục lục vii

Danh sách các chữ viết tắt x

Danh sách các hình xi

Danh sách các bảng xii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.3 Mục đích của đề tài 5

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài 5

1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài 5

1.4.2 Giới hạn của đề tài 6

1.5 Phương pháp nghiên cứu 6

1.6 Lý do chọn đề tài 6

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ AN TOÀN CHỦ ĐỘNG 7

2.1 Khái niệm, phân loại những nghiên cứu về an toàn chủ động cho xe máy 7

2.1.1 Khái niệm 7

2.1.2 Phân loại 7

2.2 Những vấn đề quan tâm và đang nghiên cứu, phát triển về an toàn chủ động cho xe máy 8

2.2.1 Tình hình an toàn giao thông ở Việt Nam và trên thế giới 8

2.2.2 Những vấn đề quan tâm về hệ thống an toàn cho xe máy 9

2.2.3 Các tiêu chuẩn đặt ra cho hệ thống an toàn trên xe máy 10 2.2.4 Xu hướng phát triển của một số nước về an toàn chủ động cho xe máy 11

2.3 Lựa chọn công nghệ an toàn chủ động cho xe máy 16

2.3.1 Phân loại hệ thống điều chỉnh tốc độ thông minh (ISA) 16

2.3.2 Những công nghệ áp dụng cho hệ thống điều chỉnh tốc độ thông minh 17 2.3.3 Những dự án thử nghiệm của hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn chủ động trên thế giới 19

2.4 Lý thuyết chung về hệ thống GPS 24

2.4.1 Vài nét về lịch sử phát triển công nghệ GPS 25

2.4.2 Cấu trúc hệ thống GPS 25

2.4.3 Các trị đo GPS 26

2.4.4 Nguyên lý định vị GPS 26

2.4.5 Các nguồn sai số trong đo GPS 29

2.4.6 Những kỹ thuật đo GPS 30

2.4.7 Tọa độ và hệ qui chiếu 31

2.4.8 ChuẩnNMEA0183 32

2.5 Giới thiệu thuật toán khớp bản đồ 33

2.5.1 Tổng quan về thuật toán khớp bản đồ 33

2.5.2 Bài toán điểm trong đa giác 33

2.6 Phần mềm LabVIEW 35

2.6.1 LabVIEW và ứng dụng trong thực tế 35

2.6.2 Lập trình với LabVIEW 35

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG AN TOÀN CHỦ ĐỘNG CHO XE MÁY 38

3.1 Hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn ứng dụng hệ thống định vị GPS 38

3.1.1 Chức năng 38

3.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 38

3.1.3 Phần cứng hệ thống 40

3.1.4 Lập trình hệ thống 42

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 49

4.1 Mục tiêu thực nghiệm 49

4.2 Kịch bản thực nghiệm 49

ix

4.2.1 Tuyến đường thực nghiệm 49

4.2.2 Điều kiện thực nghiệm 52

4.3 Kết quả thực nghiệm 53

4.4 Đánh giá và phân tích hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn chủ động 54

4.4.1 Thiết bị định vị dành cho xe máy 55

4.4.2 Hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn chủ động ứng dụng công nghệ GPS 55

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 56

5.1 Kết luận 56

5.2 Hạn chế của đề tài 56

5.3 Hướng phát triển của đề tài 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

LabVIEW: Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench- Bàn công nghệ đo lường ảo dùng cho phòng thí nghiệm

GPS:Global Positioning System- Hệ thống định vị toàn cầu

TCP/IP: Transfer Control Protocol/Internet Protocol- Bộ giao thức liên mạng WGS84: World Geodetic Spheroid 1984-Hệ thống trắc địa toàn cầu

PIP: Point in Polygon-Điểm trong đa giác

ISA: Intelligent Speed Adaptation- Điều chỉnh tốc độ thông minh

NMEA: National Marine Electronics Association- Hiệp hội điện tử hàng hải quốc gia DRLs: Daytime running lights- Đèn chiếu sáng ban ngày

xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống GPS 26

Hình 2.2: Cách xác định vị trí của GPS 28

Hình 2.3: Nguồn sai số do tầng ion và đối lưu 29

Hình 2.4: Số giao điểm của một tia kể từ điểm bên ngoài đa giác 34

Hình 2.5: Mã nguồn chương trình để viết LabVIEW 36

Hình 3.1: Cấu trúc mô hình hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn chủ động ứng dụng GPS 38

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn 39

Hình 3.4: Thiết bị định vị Microsoft Pharos GPS-360 40

Hình 3.5: Mô hình thiết bị gắn trên xe 42

Hình 3.6: Đoạn code lập trình thu thập và xử lý tín hiệu GPS 42

Hình 3.7:Đoạn Code lập trình nhận dạng tuyến đường và hiển thị cảnh báo 43

Hình 3.8: Đoạn code lập trình hiển thị cảnh báo với hình ảnh và âm thanh 44

Hình 3.9: Đoạn code lập trình này lưu trữ thông tin vận tốc hiện tại, tọa độ của xe .44

Hình 3.10: Đoạn code lập trình truyền nhận dữ liệu với máy server qua giao thức TCP/IP 45

Hình 3.11: Giao diện hiển thị cảnh báo sau khi lập trình 46

Hình 3.12: Đoạn code lập trình nhúng bản đồ theo dõi vị trí xe trên máy server 46

Hình 3.13: Đoạn code lập trình nhận và truyền dữ liệu với máy client qua giao thức TCP/IP 47

Hình 3.14: Giao diện quản lý trên máy server 48

Hình 4.1: Tuyến đường thực nghiệm 50

Hình 4.2: Đoạn Code đo thời gian thực hiện chương trình 54

DANH SÁCH CÁC BẢNG

TRANG

Bảng2.1:DiễngiảicủabảntinGPRMC 33

Bảng 3.1: Thông số card giao tiếp NI 6008 40

Bảng 4.1: Tọa độ điểm các con đường trên tuyến đường chọn thực nghiệm 51

Bảng 4.2: Giá trị thời gian đáp ứng của hệ thống cảnh báo tốc độ 54

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

An toàn là điều kiện cần thiết đối với mọi phương tiện khi tham gia giao thông Trong thực tế với điều kiện giao thông Việt Nam, tỉ lệ xe máy lưu thông nhiều hơn so với ô tô.Cùng với đó là tai nạn giao thông ngày một tăng cao, số liệu thống kê hàng năm về tai nạn giao thông thì xe máy luôn chiếm tỉ lệ cao về vụ tai nạn cũng như số vụ va chạm hơn so với ô tô

Hệ thống an toàn với tính năng chủ động, bị động lần lượt được nghiên cứu

và ứng dụng trên các phương tiện giao thông Hệ thống an toàn chủ động hiện nay giá thành cao chủ yếu được ứng dụng trên ô tô, còn trên xe máy vẫn chưa được trang bị.Vấn đề nghiên cứu an toàn chủ động chủ yếu dành cho ô tô còn xe máy chưa được quan tâm nhiều Từ đó cho thấy việc tăng cường hệ thống an toàn cho xe máy là cần thiết, trong đó hệ thống an toàn chủ động là quan trọng

Cùng với việc phát triển hệ thống an toàn chủ động thì việc phát triển hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn cũng là điều cần thiết Hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn chủ động đã được nghiên cứu và thử nghiệm ở một số quốc gia, tuy nhiên ở Việt Nam vẫn chưa có nghiên cứu về hệ thống này Từ đó đặt ra vấn đề nghiên cứu, phát triển hệ thống cảnh báo tốc độ an toàn chủ động phù hợp với điều kiện giao thông Việt Nam

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Tên đề tài:Molife – hazard detection in a cooperative assistance system

formotorcycles(Molife- hệ thống phát hiện cảnh báo trong hệ thống hỗ trợ lẫn nhau

cho xe máy)thực hiện bởi Benedikt Lattke, Frank Sperber, Tobias Müller, Hermann Winner thuộc viện kĩ thuật ô tô, Đại học kĩ thuật Darmstadt CHLB Đứcvà Richard

Eberlein,Rainer Hoffmann thuộc công ty carhs.communication CHLB Đức [9]

- Đề tài nghiên cứu vấn đề giao tiếp giữa các phương tiện với nhau (vehicle

to vehicle) Các loại cảm biến này sẽ cung cấp thông tin về trạng thái động học xe khi tham gia giao thông

- Nghiên cứu hệ thống cảnh báo dựa trên nên tảng giao tiếp cho xe máy Hệ thống này hình thành các trạm cảm biến hoặc những tin nhắn nguy hiểm và gửi chúng đến người điều khiển xe máy khác có thiết bị giao tiếp không dây Bằng cách này, những người lái xe khác sẽ nhận được cảnh báo sớm

về những nguy hiểm trên đường

Tên đề tài: Advanced Rider Assistance Systems for Powered

Two-Wheelers (ARAS PTW-Hệ thống cao cấp hỗ trợ người lái xe máy) thực hiện bởi

Dr.-Ing Achim Kuschefski, Dipl.-Päd và Matthias Haasper, B.A AndréVallese, viện für Zedweirad CHLB Đức [6]

- Khảo sát sự hiểu biết của người lái xe về hệ thống hỗ trợ người lái cao cấp

và phân tích đặc tính riêng của hệ thống hỗ trợ người lái của xe máy so với

xe ô tô, thu thập những hệ thống tương tự trên thế giới

- Từ đó đưa ra định nghĩa chính xác quy chuẩn chung về hệ thống hỗ trợ người lái xe máy từ đó nhằm nâng cao nhận thức của người lái xe về việc trang bị và sử dụng hệ thống này khi tham gia giao thông đảm bảo an toàn cho bản thân

Tên đề tài: Driver assistance through lighting (hỗ trợ người lái thông qua ánh

sáng) thực hiện bởi Dr Burkard Wördenweber, công ty Hella KG Hueck & Co.[12]

- Đề xuất phương án cải tiến hệ thống đèn truyền thống sang hệ thống đèn tự điều chỉnh hay còn gọi là hệ thống chiếu sáng tương thích (adaptive light)

- Phân tích sự nhận biết của não đối với các loại ánh sáng như ánh sáng phát

ra từ các loại đèn trên xe khác, ánh sáng đường, ánh sáng trong xe, ánh sáng phát ra theo điều kiện thời tiết khác nhau,…

- Phân tích sự cần thiết khi có hệ thống chiếu sáng tương thích hỗ trợ người lái trong những điều kiện ánh sáng nêu trên để đảm bảo an toàn chủ động

Tên đề tài: Enhancing active safety of two-wheeled vehicles via electronic

stability control (Tăng cường hệ thống an toàn chủ động cho xe máy thông qua hệ

thống cân bằng điện tử) thực hiện bởi Pierpaolo De Filippi, Mara Tanelli, Sergio M Savaresi, Matteo Corno, thuộc trung tâm thông tin điện tử Milan, Italia và Trung tâm điều khiển hệ thống đại học kĩ thuật Delft, Hà Lan [7]

3

- Cải tiến hệ thống điều khiển cân bằng điện tử để không những tăng cường

an toàn chủ động cho xe mà vẫn đảm bảo cảm giác lái tốt nhất

- Mô phỏng toàn bộ hoạt động của người lái xe khi thực hiện điều khiển phương tiện ví dụ như đạp máy, phanh gấp,… trong khi chạy với tốc độ cao tại giao lộ

- Đề xuất xây dựng thuật toàn mới hiệu quả hơn để điều khiển hệ thống cân bằng

Tên đề tài: Advanced Rider Assistance Systems for Motorcycles (ARAS-

hệ thống chuyên nghiệp hỗ trợ cho người điều khiển xe máy) thực hiện bởi Roberto Lot, Francesco Biral, Vittore Cossalter, Matteo Massaro,Roberto Sartori, Stefano Rota,thuộc Phòng phát triển cơ khí và quản lý, Đại học Padova, Italia và phòng kĩ thuật kết cấu cơ khí, Đại học Trento, Italia [2] [3]

- Thực hiện việc thiết kế, thực nghiệm và logic hóa 3 thuật toán khác nhau cho hệ thống ARAS với chung 1 kiến trúc (cảnh báo đường quanh co, cảnh báo va chạm phía trước, hỗ trợ tại nơi cảnh báo và nơi giao nhau)

- Đề tài này đã được nhóm nghiên cứu mô hình hóa và thử nghiệm thực tế với kết quả tốt phù hợp với yêu cầu đặt ra

- Xây dựng thuật toán CW (Curve Warning) phát hiện hành động nguy hiểm của người lái khi vào đường vòng, và thuật toán FCW(Frontial Collosion Warning) để hỗ trợ người lái khi có nguy hiểm phía trước

- Một số các thiết bị hỗ trợ được xây dựng như găng tay rung, tay ga Haptics, mũ bảo hiểm dùng HMI, hệ thống định vị GPS trên xe, màn hình hiển thị trợ giúp, hệ thống camera sau và hệ thống scanner quét phía trước, cùng với đó là mô hình mô phỏng lái

Tên đề tài: MotoSafe-Active Safe System for Digital Forensics of

Motorcycle Rider with Android (Hệ thống an toàn chủ động cho việc thu thập

chứng cứ pháp lý của người lái xe với thiết bị dùng Android) thực hiện bởi Nowy Condro, Meng-Han Li, và Ray-I Chang, International Journal of Information and Electronics Engineering, Vol 2, No 4, July 2012 [9]