THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN XE tự ĐỘNG

xi Danh sách các hình ..... Xử lý nh vƠ đ h a đóng vai trò quan tr ng trong tư ng lai ngƠnh ô tô.. Quá trình xử lý nh đư c xem như lƠ quá trình thao tác nh đầu vào nhằm cho ra k t qu mon

M CăL C

Quy t đ nh giao đ tƠi

Xác nh n c a cán b hướng d n

Lý l ch khoa h c ii

L i cam đoan iii

L i c m n iv

Tóm tắt v

Astract vi

M c l c vii

Danh sách các ch vi t tắt xi

Danh sách các hình xii

Danh sách các b ng xv

Chư ng 1.T NG QUAN 1

1.1 T ng quan chung v lĩnh v c nghiên c u 1

1.1.1 Khái ni m v xe t hƠnh 1

1.1.2 Nh ng ưu th vư t tr i c a xe t lái 2

1.1.3 Xu hướng phát tri n c a xe t lái 2

1.1.4 Các k t qu nghiên c u v ô tô t đ ng 3

1.2 M c đích c a đ tƠi 4

1.3 Nhi m v vƠ giới h n c a đ tƠi 5

1.3.1 Nhi m v c a đ tƠi 5

1.3.2 Giới h n c a đ tƠi 5

1.4 Phư ng pháp nghiên c u 5

Chư ng 2 C S Lụ THUY T 6

2.1 Lý thuy t t ng quan v xử lý nh 6

2.1.1 Giới thi u chung v xử lý nh 6

2.1.2 Các bước xử lý nh 7

2.1.2.1 Thu nh n nh 7

2.1.2.2 Ti n xử lý nh 7

2.1.2.3 Phơn tích nh 7

2.1.2.4 Bi u di n nh 7

2.1.2.5 Nh n d ng vƠ n i suy 8

2.1.2.6 C s tri th c 8

2.1.2.7 Mô t nh 8

2.1.3 Biên vƠ các phư ng pháp phát hi n biên 9

2.2 Bi n đ i hough (Hough transform) 9

2.2.1 Bi n đ i Hough cho đư ng thẳng 10

2.2.2 Bi n đ i Hough cho đư ng thẳng trong t a đ c c 11

2.3 Mô hình lƠn đư ng (Lane Model) 14

2.4 Lý thuy t đi u khi n t đ ng 16

2.4.1 Khái ni m đi u khi n t đ ng 16

2.4.2 Phơn lo i phư ng th c đi u khi n t đ ng 18

2.5 Lý thuy t chung v đi u khi n đ ng c 19

2.5.1 Đ ng c DC 19

2.5.2 Phư ng pháp đi u khi n t c đ đ ng c (đi u khi n t c đ ) 20

2.6 Thu t toán đi u khi n đ ng c 20

2.6.1 Khái ni m 20

2.6.2 Đi u khi n PID đ ng c DC 21

2.6.3 Phư ng pháp đi u ch nh các h s gain trong PID 26

2.6.3.1 Đi u ch nh th công 26

2.6.3.2 Phư ng pháp Ziegler ậ Nichols 26

2.7 Công c xử lý nh vƠ đi u khi n góc lái, đi u khi n v n t c trong LabVIEW 26 2.7.1 LabVIEW 26

2.7.2 ng d ng c a Lab VIEW 28

2.7.3 L p trình với Lab VIEW 28

2.7.4 M t s hƠm thư ng sử d ng trong Lab VIEW 29

Chư ng 3 THI T K , L P TRỊNH H TH NG ĐI U KHI N XE T Đ NG 32

3.1 Thi t k , lắp đặt h th ng đi u khi n xe t đ ng 32

3.1.1 S đ kh i h th ng đi u khi n 32

3.1.2 Các thƠnh phần c b n c a h th ng 32

3.1.2.1 Camera Colorvis 32

3.1.2.2 Máy tính Acer Aspire E1-572G 33

3.1.2.3 Card đi u khi n 9090 I/O 33

3.1.2.4 Motor driver 43

3.1.2.5 Motor đi u khi n bẻ lái vƠ ch y xe 44

3.1.2.6 Encoder 46

3.1.3 S đ b trí các b ph n 47

3.1.4 B n v thi t k 47

3.1.5 Mô hình th c t 48

3.1.6 S đ m ch đi n h th ng đi u khi n xe t đ ng 49

3.2 Nh n d ng, xử lý vƠ xuất tín hi u đi u khi n bẻ lái vƠ đi u khi n t c đ trong Lab VIEW 50

3.2.1 Mô hình h th ng đi u khi n xe t đ ng 50

3.2.2 Nguyên lý ho t đ ng h th ng đi u khi n xe t đ ng 51

3.2.3 Lưu đ thu t toán đi u khi n 51

3.2.3.1 Thu t toán xử lý nh vƠ đi u khi n góc lái, đi u khi n t c đ xe 51 3.2.3.2 Thu t toán đi u khi n góc lái vƠ t c đ theo v trí c a xe so với v ch s n đư ng 52

3.3 Thi t l p chư ng trình đi u khi n góc lái vƠ v n t c xe bằng thu t toán đi u khi n PID trong LabVIEW 52

3.3.1 Thi t l p chư ng trình đi u khi n góc lái bằng thu t toán đi u khi n PID.52 3.3.2 Thi t l p chư ng trình đi u khi n t c đ xe bằng thu t toán đi u khi n PID 55

3.3.3 Giao di n ngư i dùng 56

Chư ng 4 KH O SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ K T QU NGHIểN C U 59

4.1 Phư ng án kh o sát 59

4.1.1 Môi trư ng vƠ đi u ki n kh o sát 59

4.1.2 K t qu th c nghi m 60

4.2 K t qu th c nghi m 60

4.2.1 K t qu th c nghi m trong lần ch y I 60

4.2.2 K t qu th c nghi m trong lần ch y II 64

4.2.3 K t qu th c nghi m trong lần ch y III 67

4.3 So sánh đánh giá k t qu ch y th c nghi m 70

Chư ng 5 K T LU N 73

5.1 K t lu n 73

5.2 Hướng phát tri n đ tƠi 74

TÀI LI U THAM KH O 75

DANH SÁCH CÁC CH VI T T T

WHO : World Health Organization - T ch c y t th giới

WB : World Bank - Ngân hàng th giới

LM : Lane Model - Mô hình lƠn đư ng

TCP : Transmission Control Protocol - Giao th c đi u khi n truy n v n

IP : Internet Protocol - Là m t nhãn hi u s đư c gán cho m i thi t b

tham gia vào m t m ng máy tính có sử d ng các giao th c Internet

đ liên l c

PCI : Pripheral Component Interconnect - Chuẩn đ truy n d li u gi a

các thi t b ngo i vi đ n m t bo m ch ch

BD : Block Diagram - Cửa s dùng đ vi t các thu t toán cho ng d ng

FP : Front Panel - Cửa s giao di n ngư i dùng

LabVIEW : Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench ậ Phần

m m l p trình ngôn ng đ h a

PID : Propotional Integral Derivative ậ B đi u khi n vi tích phân tỷ l

AMP : Amplifier ậ B khu ch đ i

DC : Direct Current ậ Dòng đi n m t chi u

AC : Alternating Current ậ Dòng đi n xoay chi u

USB : Univeral Serial Bus ậ Chuẩn k t n i các thi t b đi n tử

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 Xe t lái Lexus RX450h c a Google 1

Hinh 2.1: Các bước c b n trong xử lý nh 6

Hinh 2.2: B ng tr s giá tr 0 11

Hình 2.3: Đư ng thẳng Hough trong t a đ c c 11

Hình 2.4: ng d ng bi n đ i Hough phát hi n góc 13

Hình 2.5: Mô hình c a lƠn đư ng đánh dấu trong mặt phẳng nh 14

Hình 2.6: Mô hình lƠn đư ng trong th c t , lưu ý rằng kho ng cách d1 vƠ d2 đư c th hi n bằng mm 15

Hình2.7: Cấu trúc c b n c a h th ng đi u khi n 16

Hình 2.8: S đ t ng quát h th ng đi u khi n t đ ng 18

Hình 2.9: S đ kh i b đi u khi n PID 21

Hình 2.10: S đ đi u khi n đ ng c DC theo thu t toán PID 21

Hình 2.11: S đ h th ng đi u khi n lái 22

Hình2.12: B PID đi u khi n v trí góc lái c a xe 22

Hình 2.13: Các thông s chất lư ng c a đáp ng quá đ 25

Hình 2.14: Cách th c hi n xây d ng chư ng trình trong Lab VIEW 27

Hình 2.15: Môi trư ng lƠm vi c trong LabVIEW; (a) cửa s Front Panel, (b) cửa s Block Diagram 28

Hình 2.16: Vòng lặp While Loop 29

Hình 2.17: Cấu trúc trư ng h p Case Structure 30

Hình 2.18: Vòng lặp For Loop 31

Hình 2.19: Hai cách th hi n c a cấu trúc chu i 31

Hinh 2.20: Đo n chư ng trình Y=x3 +3x+2 vi t theo hai cách 31

Hình 3.1: S đ kh i h th ng đi u khi n 32

Hình 3.2: Camera colorvis 33

Hình 3.3: Máy tính HP Elitebook 8840p 33

Hình 3.4: Card đi u khi n HDL 9090 I/O 34

Hình 3.5: Hàm Hocdelam USB 9090 36

Hình 3.6: Motor driver 43

Hình 3.7: S đ các c ng k t n i trên m ch suất 43

Hình 3.8: Motor đi u khi n bẻ lái và motor ch y xe 45

Hình 3.9: Mô t tư ng quan gi a góc quay đ ng c vƠ góc xoay c a bánh d n hướng Hình 3.10: Encoder đo góc quay đ ng c 46

Hình 3.11: S đ b trí các b ph n 47

Hình 3.12: B n v thi t k mô ph ng trí các b ph n 48

Hình 3.13: Mô hình b trí các b ph n h th ng đi u khi n trên xe 49

Hình 3.14: S đ m ch đi n h th ng đi u khi n xe t đ ng 50

Hinh 3.15: S đ nguyên lý c a h th ng đi u khi n xe t đ ng 51

Hình 3.16: Lưu đ thu t toán đi u khi n góc lái vƠ theo v trí c a xe so với lƠn đư ng trong môi trư ng th c t 52

Hình 3.17: Lưu đ thu t toán đi u khi n góc lái và t c đ theo v trí c a xe so với v ch s n đư ng 53

Hình 3.18: S đ h th ng đi u khi n lái theo góc quay đ ng c 54

Hình 3.19: M i quan h gi a góc quay đ ng c vƠ góc xoay bánh d n hướng 54

Hình 3.20: Chư ng trình đi u khi n góc lái với thu t toán đi u khi n PID 55

Hình 3.21: S đ h th ng ch y xe 56

Hình3.22: Chư ng trình đi u khi n v n t c với thu t toán đi u khi n PID 57

Hình 3.23: Giao di n ngư i dùng chư ng trình đi u khi n h th ng xe t đ ng 57

Hình 4.1: Mô hình đư ng ch y thử nghi m 59

Hình 4.2: Đ th đi u khi n góc lái vƠ v n t c khi xe r ph i lần ch y I 60

Hình 4.3: Đ th đi u khi n đánh lái qua ph i khi xe r ph i trong lần ch y I 60

Hình 4.4: Đ th đi u khi n tr lái sau khi xe r ph i lần ch y I 61

Hình 4.5: Đ th đi u khi n đánh lái qua trái vƠ tr lái khi xe r trái lần ch y I 62

Hình 4.6: Đ th đi u khi n đánh lái qua trái khi xe r trái lần ch y I 62

Hình 4.7: Đ th đi u khi n tr lái khi xe r trái lần ch y I 63

Hình 4.8: Đ th đi u khi n góc lái vƠ v n t c khi xe r ph i lần ch y II 64

Hình 4.9: Đ th đi u khi n đánh lái qua ph i khi xe r ph i lần ch y II 64

Hình 4.10: Đ th đi u khi n tr lái khi xe r ph i lần ch y II 65

Hình 4.11: Đ th đi u khi n góc lái vƠ v n t c khi xe r trái lần ch y II 65

Hình 4.12: Đ th đi u khi n đánh lái qua trái khi xe r trái lần ch y II 66

Hình 4.13: Đ th đi u khi n tr lái khi xe r trái lần ch y II 66

Hình 4.14: Đ th đi u khi n góc lái vƠ v n t c khi xe r ph i lần ch y III 67

Hình 4.15: Đ th đi u khi n đánh lái qua ph i khi xe r ph i lần ch y III 67

Hình 4.16: Đ th đi u khi n tr lái khi xe r ph i lần ch y III 68

Hình 4.17: Đ th đi u khi n góc lái vƠ v n t c khi xe r trái lần ch y III 68

Hình 4.18: Đ th đi u khi n đánh lái qua trái khi xe r trái lần ch y III 69

Hình 4.19: Đ th đi u khi n tr lái khi xe r trái lần ch y III 69

Hình 4.20: Đ th đi u khi n góc lái khi xe r ph i m t góc 350 70

Hình 4.21: Đ th đi u khi n tr lái sau khi xe r ph i m t góc 350 70

Hình 4.22: Đ th đi u khi n tr lái sau khi xe r trái m t góc 350 71

Hình 4.23: Đ th đi u khi n tr lái sau khi xe r trái m t góc 350 71

DANHăSÁCHăCÁCăB NG

B ng 2.1: Tìm thông s b PID bằng phư ng pháp Ziegler ậ Nichols 25

B ng 3.1: Các chân tín hi u c a Card đi u khi n HDL 9090 I/O 34

B ng 3.2: Các chân tín hi u c a Card đi u khi n HDL 9090 I/O 35

B ng 3.3: Các chân hàm Hocdelam USB 9090 36

Ch ngă1

T NG QUAN

1.1ăT ngăquanăchungăv lƿnhăv cănghiênăc u

1.1.1 Kháiăni măv ăxeăt ăhƠnh

Ch đ t hƠnh đã có từ lâu máy bay, tàu th y, tàu ngầm nhưng xe t hành là

vấn đ ph c t p h n nhi u Cho đ n nay, xe t lái t n t i hầu h t d ng thử nghi m, nhưng chúng s đư c ph bi n tư ng lai không xa

Xe t lái, xe robot hay xe không ngư i lái (autonomous, robotic, driverless hoặc self-driving car) Nó có kh năng th c hi n các kh năng v n chuy n như m t chi c

xe truy n th ng Xe t lái có kh năng nh n th c môi trư ng xung quanh và t đ ng

đi u hướng mà không cần s tác đ ng tr c ti p c a con ngư i

V c b n xe t hành bao g m nh ng thành phần chính sau:

• H th ng các c m ng (sensor: Radars, SICK, GPS, cameras… ): Chúng có

ch c năng đ nh v v trí c a xe, xác đ nh các xe vƠ chướng ng i v t xung quanh

• H th ng đi u khi n: Xử lý thông tin thu đư c đ xác đ nh chuy n hướng chính xác, cũng như phát hi n các chướng ng i v t và các bi n báo giao thông

• C cấu chấp hành (Các mô t trên bánh lái vƠ cần gia t c ): Th c thi các

l nh đi u khi n từ h th ng t hành

Hình 1.1 Xe t lái Lexus RX450h c a Google [1]

M t s xe t hành tiêu bi u: xe t lái Lexus RX450h c a Google, xe t lái Leaf

c a Nissan, xe t hành Fusion Hybrid c a Ford…

1.1.2ăNh ngă uăth ăv tătr iăc aăxeăt ălái

Không ch h n ch tắc ngh n giao thông, nh ng chi c xe t lái còn h a hẹn nhi u ưu th vư t tr i khác [2]:

- Ít va ch m giao thông h n (các máy tính th c hi n t t h n con ngư i các thao tác t p trung và có tính lặp đi lặp l i như lái xe)

- Tăng lưu lư ng giao thông và gi m tắc ngh n

- Gi m s tham gia c a con ngư i vào công vi c lái

- M i ngư i có th tham gia giao thông bất chấp năng l c th chất c a h , như

tu i tác hoặc m t s h n ch v c th

- Gi m tình tr ng khan hi m n i đ xe đ xe (chi c xe s th hành khách

xu ng vƠ sau đó t đi tìm ch đ cho tới khi hành khách ra hi u cho xe quay l i đón)

- Hi u qu nhiên li u đư c c i thi n nh gi m s lần dừng xe

- Các d ch v chia sẻ vƠ dùng chung xe như Zipcar (m t d ch v dùng chung

xe đang đư c tri n khai t i Mỹ) s tr nên th c t h n

- Gi m s lư ng c nh sát giao thông, các camera, đèn đ và các bi n pháp tăng

cư ng an toàn giao thông khác

1.1.3 Xuăh ngăphátătri năc aăxeăt ălái

NgƠy nay, ô tô lƠ phư ng ti n không th thi u c a nhi u ngành công nghi p và giao thông v n t i b i nh ng l i ích mà nó mang l i Nhưng bên c nh đó lƠ s thi t

h i v v t chất và nhân m ng do tai n n giao thông gây ra Theo báo cáo c a T

ch c y t th giới (WHO) và Ngân hàng th giới (WB) thì m i năm, th giới có h n 1,2 tri u ngư i ch t vì tai n n giao thông đư ng b Th ng kê còn cho thấy, kho ng

50 tri u ngư i b thư ng trong các tai n n giao thông [3] Nguyên nhân chính là do không ki m soát đư c t c đ , say xin khi lái xe… Bên c nh đó s h n ch v tình

tr ng c a ngư i lái xe như: ngư i chưa đ tu i, ngư i giƠ, ngư i mù, ngư i b say

xn… Chính nh ng thi t h i và s h n ch đó đã d n tới s ra đ i c a nh ng chi c

xe t lái Với nh ng ưu đi m n i b t c a mình, xe t lái s là xu th phát tri n c a

n n công nghi p ô tô trong tư ng lai

1.1.4ăCácăk tăqu ănghiênăc uăv ăôătôăt ăđ ng

1.1.4.1ăTh ăgi i

Choi, S.B and Devlin [4] trình bày tóm tắt các thi t k b đi u khi n k t h p chân ga và phanh và làm thử nghi m ch đ làm vi c c a b đi u khi n theo phư ng d c c a xe t hành Nghiên c u trình bày m t ch đ trư t d a trên quy

lu t đi u khi n trư t d c, h th ng phanh ph , lu t ki m soát phanh và m t thu t toán chuy n đ i ga / phanh Các chi n lư c ki m soát đã đư c phát tri n đư c áp

d ng trên m t chi c xe thử nghi m và ti n hành thử nghi m s k t h p các đi u khi n theo phư ng d c trên cùng m t chi c xe duy nhất Chi c xe sử d ng m t quỹ

đ o đ nh trước với t c đ mong mu n theo hàm th i gian Nh ng k t qu thử nghi m ban đầu cho thấy chất lư ng theo dõi, lái xe t t chuy n đ i suôn sẻ gi a ga

và phanh

Kyongsu Yi, Youngjoo Cho, Sejin Lee, Joonwoong Lee, and Namkyoo Ryoo [5] đ xuất cách đi u khi n h th ng ga / phanh thông qua van đi u khi n đi n từ chơn không tăng áp (EVB), mô t bước Mô hình máy tính phi tuy n cho ng chân không đi n tử đã đư c phát tri n và các mô ph ng đư c th c hi n bằng cách sử

d ng m t mô hình xe phi tuy n hoàn ch nh Nghiên c u đưa ra quy lu t ki m soát bao g m m t thu t toán thi t l p cấu hình tăng t c / gi m t c mong mu n trong m t tình hu ng ICC (đi u khi n chân ga t đ ng), m t chuy n m ch logic ga / phanh và thu t toán ki m soát ga và phanh d a trên đ ng l c h c xe Vi c th c hi n ki m soát đã đư c nghiên c u thông qua mô ph ng máy tính và thí nghi m K t qu cho thấy các lu t ki m soát ICC ga / phanh đ xuất có th cung cấp th a đáng kho ng cách xe đ n xe và th c hi n ki m soát t c đ

Allen [6] đ xuất m t mô hình đi u khi n gần như tuy n tính đa vòng lặp đ xác

đ nh góc lái bánh xe phía trước Nghiên c u th c hi n đi u khi n xe trên m t ph m

vi đi u khi n, bao g m c các gi đ nh liên quan đ n tránh tai n n đ h n ch hi u

suất xử lý c a ngư i lái xe Chi c xe đư c bi u di n như mô hình ba b c t do bao

g m góc xoay, v n t c bên và lắc ngang gắn với m t k t cấu đi u khi n c a xe S

n đ nh cho h th ng đa vòng lặp đư c phân tích t c đ 96km/h d a trên các gi thi t, hình nh và s chuy n đ ng ch m tr th i gian ph n h i đư c xem như n

đ nh và k t h p đ ng l c h c thần kinh c đ mang l i m t th i gian tr t ng th cho ngư i lái xe

Xiaobo Yang [7] đ xuất vấn đ an toƠn trên đư ng cao t c có liên quan đ n

ho t đ ng c a xe trên đư ng và s tư ng tác gi a ngư i lái với xe Đi u ki n môi trư ng ho t đ ng nh hư ng tới đ ng l c h c c a xe b i Vấn đ nguy hi m, mất an toƠn liên quan đ n giới h n đi u khi n n đ nh vƠ đ nh hướng c a xe, mà còn giới

h n đi u khi n c a ngư i lái xe Theo quan đi m c a giới h n n đ nh, đ ng l c h c

c a các lo i xe đã đư c nghiên c u r ng rãi cũng như s thích ng c a ngư i lái xe hoàn h o cho s chuy n đ ng c a xe Trong nghiên c u này, m t s mô hình phân tích c a s thay đ i ph c t p đư c phát tri n đ nghiên c u các sai l ch bên, s l ch hướng vƠ các đặc tính k t n i c a xe

1.1.4.1ăTrongăn c

Cho đ n nay trên th giới, xe t hƠnh đ t đư c nh ng thành t u nhất đ nh Nhưng Vi t Nam, xe t lái v n còn lƠ đ tài khá mới mẻ vƠ chưa đư c đầu tư nghiên c u Trong nh ng năm gần đơy có các đ tài nghiên c u v xử lý nh nh n

di n lƠn đư ng và phát hi n chướng ng i v t cho xe ch y t đ ng Vì v y đ tài

“Thi t k h th ng đi u khi n xe t đ ng ” lƠ vấn đ nghiên c u th t s cần thi t và cấp bách

1.2ăM căđíchăc aăđ ătƠi

Với nh ng thành t u đ t đư c và l i ích mà xe t đ ng mang l i, xe t đ ng s

đư c ph bi n trong tư ng lai không xa.Với xu hướng ti p c n với nh ng công ngh mới c a th giới, thu hẹp kho ng cách v trình đ , công ngh với th giới thì

vi c nghiên c u, thi t k h th ng đi u khi n xe t đ ng là nhu cầu cần thi t và cấp bách

Do s giới h n v công ngh trong nước nên trước h t có th nghiên c u ng

d ng h th ng đi u khi n xe t đ ng đ v n chuy n hƠng hóa trong công xư ng

theo v ch s n đư ng v sẵn Sau đó trên c s nh ng thành qu đ t đư c và s phát tri n công ngh trong nước từng bước ng d ng thử nghi m trên xe t đ ng lưu thông trên đư ng

1.3 Nhi m v và gi i h năđ tài

1.3.1ăNhi măv ăc aăđ ătƠi

- Tìm hi u v c s lý thuy t đi u khi n t đ ng

- Tìm hi u v c s lý thuy t xử lý nh v phát hi n lƠn đư ng

- Xây d ng thu t toán đi u khi n góc lái vƠ đi u khi n v n t c theo v trí c a

xe so với lƠn đư ng trong môi trư ng th c t

- Thi t k h th ng đi u khi n xe t đ ng

- Sử d ng phần m m Lab VIEW đ xây d ng chư ng trình t đ ng đi u khi n góc lái và t c đ theo v trí c a xe so với lƠn đư ng

- Cho ch y thử nghi m vƠ đánh giá k t qu đ t đư c

1.3.2ăGi iăh năc aăđ ătƠi

Đ đ n gi n hóa nh ng y u t tác đ ng bên ngoài, đ tài nghiên c u trong

ph m vi:

- Nghiên c u d a trên mô hình

- Xe ch y trên đư ng nh a có dấu phơn cách lƠn đư ng là v ch s n thẳng

- Đi u ki n môi trư ng ánh sáng t t

- Thi t k mô hình và xây d ng thu t toán đi u khi n góc lái vƠ đi u khi n t c

đ theo v trí c a xe so với lƠn đư ng trong mô hình gi l p

- Phư ng pháp th c nghi m vƠ đánh giá k t qu

xử lý nh vƠ đ h a phát tri n m t cách m nh m và có nhi u ng d ng trong cu c

s ng Xử lý nh vƠ đ h a đóng vai trò quan tr ng trong tư ng lai ngƠnh ô tô

Quá trình xử lý nh đư c xem như lƠ quá trình thao tác nh đầu vào nhằm cho

ra k t qu mong mu n K t qu đầu ra c a m t quá trình xử lý nh có th là m t nh

“t t h n” hay m t k t lu n Dưới đơy lƠ mô t các bước c b n trong xử lý nh

Hinh 2.1: Các bước c b n trong xử lý nh [8,9]

2.1 2ăCácăb c x lý nh

2.1.2.1 Thu nh n nh (Image Acquisition)

nh có th nh n qua camera màu hoặc đen trắng Thư ng nh nh n qua camera

là nh tư ng t (lo i camera ng chuẩn CCIR với tần s 1/25, m i nh 25 dòng), cũng có lo i camera đã s hoá (như lo i CCD ậ Change Coupled Device) là lo i photodiot t o cư ng đ sáng t i m i đi m nh

Camera thư ng dùng là lo i quét dòng, nh t o ra có d ng hai chi u Chất lư ng

m t nh thu nh n đư c ph thu c vào thi t b thu, vƠo môi trư ng (ánh sáng, phong

c nh)

2.1.2.2 Ti n x lý (Image Processing)

Sau b thu nh n, nh có th nhi u do đ tư ng ph n thấp nên cần đưa vƠo b

ti n xử lý đ nâng cao chất lư ng Ch c năng chính c a b ti n xử lý là l c nhi u, nơng đ tư ng ph n đ làm nh rõ h n, nét h n

2.1.2.3 Phơnăđo n (Segmentation) hay phân vùng nh

Phân vùng nh là tách m t nh đầu vào thành các vùng thành phần đ bi u di n, phân tích, nh n d ng nh Ví d : đ nh n d ng ch (hoặc mã v ch) trên phong bì thư cho m c đích phơn lo i bưu phẩm, cần chia các câu, ch v đ a ch hoặc tên ngư i thành các từ, các ch , các s (hoặc các v ch) riêng bi t đ nh n d ng Đơy lƠ

phần ph c t p khó khăn nhất trong xử lý nh vƠ cũng d gây l i, làm mất đ chính xác c a nh K t qu nh n d ng nh ph thu c rất nhi u vƠo công đo n này

2.1.2.4 Bi u di n nh (Image Representation)

Đầu ra nh sau phơn đo n ch a các đi m nh c a vùng nh ( nh đã phơn đo n)

c ng với mã liên k t với các vùng l n c n Vi c bi n đ i các s li u này thành d ng thích h p là cần thi t cho xử lý ti p theo bằng máy tính Vi c ch n các tính chất đ

th hi n nh g i là trích ch n đặc trưng (Feature Selection) gắn với vi c tách các đặc tính c a nh dưới d ng các thông tin đ nh lư ng hoặc lƠm c s đ phân bi t

lớp đ i tư ng này với đ i tư ng khác trong ph m vi nh nh n đư c Ví d : trong

nh n d ng ký t trên phong bì thư, chúng ta miêu t các đặc trưng c a từng ký t giúp phân bi t ký t này với ký t khác

2.1.2.5 Nh n d ng và n i suy nh (Image Recognition and Interpretation)

Nh n d ng nh lƠ quá trình xác đ nh nh Quá trình nƠy thư ng thu đư c bằng cách so sánh với m u chuẩn đã đư c h c (hoặc lưu) từ trước N i suy lƠ phán đoán theo ý nghĩa trên c s nh n d ng Ví d : m t lo t ch s và nét g ch ngang trên phong bì thư có th đư c n i suy thƠnh mã đi n tho i Có nhi u cách phân loai nh khác nhau v nh Theo lý thuy t v nh n d ng, các mô hình toán h c v nh đư c phân theo hai lo i nh n d ng nh c b n:

2.1.2.6 C s tri th c (Knowledge Base)

Như đã nói trên, nh là m t đ i tư ng khá ph c t p v đư ng nét, đ sáng t i, dung lư ng đi m nh, môi trư ng đ thu nh phong phú kéo theo nhi u Trong nhi u khâu xử lý và phân tích nh ngoài vi c đ n gi n hóa các phư ng pháp toán

h c đ m b o ti n l i cho xử lý, ngư i ta mong mu n bắt chước quy trình ti p nh n

và xử lý nh theo cách c a con ngư i Trong các bước xử lý đó, nhi u khâu hi n nay đã xử lý theo các phư ng pháp trí tu con ngư i Vì v y, đơy các c s tri

th c đư c phát huy

2.1.2.7 Mô t (bi u di n nh)

nh sau khi s hoá s đư c lưu vƠo b nhớ hoặc chuy n sang các khâu ti p theo

đ phân tích N u lưu tr nh tr c ti p từ các nh thô, đòi h i dung lư ng b nhớ

c c lớn và không hi u qu theo quan đi m ng d ng và công ngh Thông thư ng, các nh thô đó đư c đặc t (bi u di n) l i (hay đ n gi n lƠ mã hoá) theo các đặc

đi m c a nh đư c g i lƠ các đặc trưng nh (Image Features) như: biên nh (Boundary), vùng nh (Region) M t s phư ng pháp bi u di n thư ng dùng:

- Bi u di n bằng mã ch y (Run-Length Code)

- Bi u di n bằng mã xích (Chaine -Code)

- Bi u di n bằng mã t phân (Quad-Tree Code)

2.1 3ăBiênăvƠăcácăph ngăphápăphátăhi n biên

Biên là vấn đ quan tr ng trong trích ch n đặc đi m nhằm ti n tới hi u nh Cho đ n nay chưa có đ nh nghĩa chính xác v biên, trong m i ng d ng ngư i ta đưa ra các đ đo khác nhau v biên, m t trong các đ đo đó lƠ đ đo v s thay đ i

đ t ng t v cấp xám Ví d : Đ i với nh đen trắng, m t đi m đư c g i lƠ đi m biên

n u nó lƠ đi m đen có ít nhất m t đi m trắng bên c nh T p h p các đi m biên t o nên biên hay đư ng bao c a đ i tư ng Xuất phát từ c s nƠy ngư i ta thư ng sử

d ng hai phư ng pháp phát hi n biên c b n:

- Phát hi n biên tr c ti p: Phư ng pháp nƠy lƠm n i biên d a vào s bi n

thiên m c xám c a nh Kỹ thu t ch y u dùng đ phát hi n biên đơy lƠ d a vào

s bi n đ i cấp xám theo hướng Cách ti p c n theo đ o hàm b c nhất c a nh d a trên kỹ thu t Gradient, n u lấy đ o hàm b c hai c a nh d a trên bi n đ i gia ta có

kỹ thu t Laplace

- Phát hi n biên gián ti p: N u bằng cách nƠo đó ta phơn đư c nh thành các

vùng thì ranh giới gi a các vùng đó g i là biên Kỹ thu t dò biên và phân vùng nh

lƠ hai bƠi toán đ i ng u nhau vì dò biên đ th c hi n phân lớp đ i tư ng mƠ khi đã phân lớp xong nghĩa lƠ đã phơn vùng đư c nh vƠ ngư c l i, khi đã phơn vùng nh

đã đư c phân lớp thƠnh các đ i tư ng, do đó có th phát hi n đư c biên

Phư ng pháp phát hi n biên tr c ti p t ra khá hi u qu và ít ch u nh hư ng

c a nhi u, song n u s bi n thiên đ sáng không đ t ng t, phư ng pháp t ra kém

hi u qu , phư ng pháp phát hi n biên gián ti p tuy khó cƠi đặt, song l i áp d ng khá

t t trong trư ng h p này

2.2 Bi năđ i hough (Hough transform)

Rút g n s lư ng đi m bi u di n là kỹ thu t thu c phần h u xử lý K t qu c a phần dò biên thu đư c m t dãy các đi m liên ti p Vấn đ đặt ra là hi u có th b

bớt các đi m thu đư c đ gi m thi u không gian lưu tr và thu n ti n cho vi c đ i sách hay không

Bằng cách nƠo đó ta thu đư c m t s đi m, vấn đ đặt ra là cần ph i ki m tra

xem các đi m có lƠ đư ng thẳng hay không

BƠi toán: Cho n đi m (xi, yi) i = 1, n vƠ ngưỡng θ hãy ki m tra n đi m có t o thƠnh đư ng thẳng hay không?

* ụ tư ng

Gi sử n đi m nằm trên cùng m t đư ng thẳng vƠ đư ng thẳng có phư ng trình

y = ax + b (2.1)

Vì (xi, yi) i = 1, n thu c đư ng thẳng nên

y1= ax1+ b 0 b = - xia + y1; với m i i = 1, n (2.2) Như v y, m i đi m (xi, yi) trong mặt phẳng s tư ng ng với m t s đư ng thẳng b = - xia + yi trong mặt phẳng tham s a, b n đi m (x1, y1) i = 1, n thu c

đư ng thẳng trong mặt phẳng tư ng ng với n đư ng thẳng trong mặt phẳng tham

s a, b giao nhau t i m t đi m vƠ đi m giao chính là a, b Chính là h s xác đ nh phư ng trình c a đư ng thẳng mƠ các đi m nằm vào

tư ng ng là ch s c a phần tử m ng có giá tr lớn nhất tìm đư c

Ví d :

Cho 5 đi m (0, 1); (1, 3); (2, 5); (3, 5); (4, 9) vƠ θ = 80% Hãy ki m tra xem 5

đi m đã cho có nằm trên cùng m t đư ng thẳng hay không? Hãy cho bi t phư ng trình đư ng thẳng n u có?

2.2.2 Bi năđ iăHoughăchoăđ ng thẳng trong t aăđ c c

Hình 2.3: Đư ng thẳng Hough trong t a đ c c [12]

M i đi m (x,y) trong mặt phẳng đư c bi u di n b i cặp (r,φ) trong t a đ c c

Tư ng t m i đư ng thẳng trong mặt phẳng cũng có th bi u di n b i m t cặp (r,φ) trong t a đ c c với r là kho ng cách từ g c t a đ tới đư ng thẳng đó vƠ φ là góc t o b i tr c 0x với đư ng thẳng vuông góc với nó, hình 2.3 bi u di n đư ng

thẳng Hough trong t a đ Decard

Ngư c l i, m i m t cặp (r,φ) trong to đ c c cũng tư ng ng bi u di n m t

đư ng nƠy đ u đi qua (r0, φ0) Giao đi m (r0, φ0) c a n đư ng sin s xác đ nh m t

đư ng thẳng trong h t a đ Decard Như v y, nh ng đư ng thẳng đi qua đi m (x,y) s cho duy nhất m t cặp ((r, φ) vƠ có bao nhiêu đư ng qua (x,y) s có bấy nhiêu cặp giá tr (r, φ)

 Áp d ng bi năđ i Hough trong phát hi năgócănghiêngăvĕnăb n

ụ tư ng c a vi c áp d ng bi n đ i Hough trong phát hi n góc nghiêng văn b n

là dùng m t m ng tích luỹ đ đ m s đi m nh nằm trên m t đư ng thẳng trong không gian nh M ng tích luỹ là m t m ng hai chi u với ch s hàng c a m ng cho

bi t góc l ch φ c a m t đư ng thẳng và ch s c t chính là giá tr r kho ng cách từ

g c to đ tới đư ng thẳng đó Sau đó tính t ng s đi m nh nằm trên nh ng đư ng thẳng song song nhau theo các góc l ch thay đ i Góc nghiêng văn b n tư ng ng

với góc có t ng gía tr m ng tích luỹ c c đ i

Theo bi n đ i Hough, m i m t đư ng thẳng trong mặt phẳng tư ng ng đư c

bi u di n b i m t cặp (r, φ) Gi sử ta có m t đi m nh (x,y) trong mặt phẳng, vì

qua đi m nh này có vô s đư ng thẳng, m i đư ng thẳng l i cho m t cặp (r, φ) nên với m i đi m nh ta s xác đ nh đư c m t s cặp (r, φ) tho mãn phư ng trình Hough

Hình 2.4: ng d ng bi n đ i Hough phát hi n góc [13]

Hình 2.4 minh ho cách dùng bi n đ i Hough đ phát hi n góc nghiêng văn

b n Gi sử ta có m t s đi m nh, đơy lƠ nh ng đi m gi a đáy các hình ch nh t ngo i ti p các đ i tư ng đã đư c l a ch n từ các bước trước đơy, ta thấy trên mặt phẳng có hai đư ng thẳng song song nhau Đư ng thẳng th nhất có ba đi m

nh nên giá tr m ng tích luỹ bằng 3, đư ng thẳng th hai có gia tr m ng tích luỹ

bằng 4 Do đó, t ng giá tr m ng tích luỹ cho cùng góc φ trư ng h p này bằng 7

G i Hough [360][Max] là m ng tích lũy, gi sử M vƠ N tư ng ng là chi u

r ng và chi u cao c a nh, ta có các bước chính trong quá trình áp d ng bi n đ i Hough phát hi n góc nghiêng văn b n như sau:

+ Bước 1: Khai báo m ng ch s Hough[φ][r] với 0 ≤ φ ≤ 3600

và 0 ≤ r ≤ √

+ Bước 2: Gán giá tr kh i t o bằng 0 cho các phần tử c a m ng

+ Bước 3: Với m i cặp (x,y) lƠ đi m gi a đáy c a hình ch nh t ngo i ti p m t

đ i tư ng

- Với m i φi từ 0 đ n 360 tính giá tr ri theo công th c

ri = x.cos φi +y.sinφ

- Làm tròn giá tr ri thành s nguyên gần nhất là r0

- Tăng giá tr c a phần tử m ng Hough[φi][ r0] lên m t đ n v y

+ Bước 4: Trong m ng Hough[φ][r] tính t ng giá tr các phần tử theo từng dòng

vƠ xác đ nh dòng có t ng giá tr lớn nhất

Do s phần tử c a m t phần tử m ng Hough[φ0][r0] chính là s đi m nh thu c

đư ng thẳng x.cosφ0+y.sin φ0= r0 vì v y t ng s phần tử c a m t hàng chính là t ng

s đi m nh thu c các đư ng thẳng tư ng ng đư c bi u di n b i góc φ c a hàng

đó Do đó, góc nghiêng c a toán văn b n chính là hàng có t ng giá tr các phần tử

m ng lớn nhất

2.3 Mô hìnhălƠnăđ ngă(LaneăModel)ă

M t máy nh đư c gắn bên hông trước thân xe với m t khu v c di n tích đư c quan sát trên mặt đất tư ng ng với m t khu v c dài 90 cm r ng 120 cm Nó cũng

đư c coi là v trí tư ng đ i c a máy nh so với mặt đất và c đ nh trong su t quá trình di chuy n c a xe Mặc dù đi u gi đ nh này có h n ch khi h th ng treo cho phép thân xe ô tô cho th nghiêng khi chuy n đ ng, phư ng pháp nƠy lƠ đư c

ch ng minh là khá m nh m khi có s thay đ i tư ng đ i nh trong các v trí và hướng c a máy nh đ i với mặt đất Gi đ nh thêm rằng các phần c a lƠn đư ng đánh dấu (LM) trong hình lƠ tư ng đ i nh , đ cong c a lƠn đư ng đánh dấu có th

đư c b qua, và nó có th tham kh o m t mô hình lƠn đư ng g m m t cặp đư ng biên c a v ch s n đư ng song song với hằng s bù đắp Trong khung nh tham chi u S, bi u th bằng P1= (ρ1,φ1), P2= (ρ2,φ2) Các thông s c c c a hai đư ng L1, L2 đư c gi i thích trong hình 2.5

Hình 2.5: Mô hình c a lƠn đư ng đánh dấu trong mặt phẳng nh [14]

Lưu ý rằng các thông s ρ1, ρ2, ρ đư c th hi n bằng pixel

V trí P = (ρ,φ) có th đư c đ nh nghĩa như sau;

Trong đó: ρ là kho ng cách trung bình c a ρ1 và ρ2 (gi a g c t a đ tham chi u với tơm hai đư ng biên c a v ch s n đư ng) φ là góc trung bình c a φ1 và φ2

NgoƠi ra, các đi m đánh dấu lƠn đư ng đư c đặc trưng b i m t cư ng đ đ nh

m c Im, đó lƠ đ nh nghĩa m c xám trung bình c a các đi m nh bao g m gi a biên

giới đư ng đánh dấu Thông tin th giới th c có th thu đư c với đ chính xác t t từ

d li u hình nh bằng cách kỹ thu t bi n đ i ngư c, và các mô hình LM th đư c

đ nh nghĩa trong th giới th c hình 2.6

ρ = ρ + ρ2 (2.6)

φ = φ + φ2 (2.7)

Hình 2.6: Mô hình lƠn đư ng trong th c t , lưu ý rằng kho ng cách d1 và d2

đư c th hi n bằng mm [15]

Tr tuy t đ i c a quan h và góc gi a các đư ng biên L1w và L2w

� = │�1ậ �2│ (2.8)

ϴ1, ϴ2, lƠ hướng c a xe đ i với các đư ng biên L1w và L2w tư ng ng

Tr tuy t đ i c a đ r ng v ch s n đư ng W tư ng ng

W = │d1 ậ d2│ (2.9) d1, d2 là kho ng cách ngắn nhất từ tr ng tơm xe đ n L1w và L2w

Ph m vi dao đ ng c a � vƠ W đã đư c quy đ nh trong các b lu t v giao thông Chính đi u này t o ra hai ràng bu c có th đư c khai thác và dùng vào vi c

nh n di n lƠn đư ng, nghĩa lƠ

� = ϴ̇, W = ̇ (2.10) Lưu ý: n u � = 0 thì L1w và L2w song song và W nằm trong kho ng 150 mm ÷

200 mm tùy thu c lo i đư ng

2.4 Lýăthuy tăđi uăkhi năt ăđ ng

2.4.1 Kháiăni măđi uăkhi năt ăđ ngă

Khái ni m đi u khi n t đ ng đư c hi u là t p h p tất c các tác đ ng mang tính t ch c c a m t quá trình nhằm đ t đư c m c đích mong mu n c a quá trình

đó H th ng đi u khi n mà không có s tham gia tr c ti p c a con ngư i trong quá

trình đi u khi n đư c g i lƠ đi u khi n t đ ng M t h th ng ĐKTĐ đư c xây

e(t): tín hi u sai l ch, sai s

u(t): tín hi u đi u khi n

z(t): tín hi u nhi u

Đ iă t ngă đi u khi n là h th ng v t lý cần đi u khi n đ có th đáp ng

mong mu n ĐTĐK bao g m đa d ng các lo i máy, thi t b kỹ thu t, quá trình công ngh ĐTĐK là thi t b thư ng đư c đặc trưng bằng các c cấu chấp hƠnh như đông c , xy lanh, h bƠn trư t với tín hi u ra là chuy n đ ng v t lý như v n t c, v trí, góc quay, gia t c, l c

Thi t b đoă(c m bi n) th c hi n ch c năng đo vƠ chuy n đ i đ i lư ng c a h

z(t)

B so

là v n t c, v trí, nhi t đ , l c trong khi tín hi u vƠo đa phần là tìn hi u đi n Nguyên tắc chung đ đo các đ i lư ng không đi n bằng phư ng pháp đi n là bi n

đ i chúng thành tín hi u đi n ( đi n áp hoặc dòng đi n)

M t s thi t b đo đi n hình:

 Đo v n t c: b phát t c ( DC tachometer, AC tachometer, optical tachometer)

 Đo góc quay: chi t áp xoay, b mã hóa góc quay ( rotary encoder)

 Đo lư ng d ch chuy n: chi t áp ( Potentiometer), thước mã hóa

 Đo nhi t đ : cặp nhi t ng u (thermocouple), đ n tr nhi t (themistor, RTD)

 Đo lưu lư ng, áp suất: các b chuy n đ i lưu lư ng, áp suất

 Đo l c: c m bi n l c (loadcell,…)

B so: So sánh và phát hi n đ sai l ch e gi a tín hi u vào chuẩn và tín hi u h i

ti p (hay tín hi u đo đư c c a tín hi u ra) Trong th c t b so thư ng đư c ghép chung vào b đi u khi n

B đi u khi n: Dùng thông tin v đ sai l ch e đ t o tín hi u đi u khi n u

thích h p, từ đó tác đ ng lên đ i tư ng Thu t toán xác đ nh hàm u(t) g i là thu t toán đi u khi n hay lu t đi u khi n B đi u khi n liên t c có th th c hi n bằng c

cấu c khí, thi t b nén, m ch đi n RLC, m ch khu ch đ i thu t toán B đi u khi n

th c chất lƠ các chư ng trình phần m m ch y trên vi xử lý hay máy tính

Nhi u: Các tác đ ng lên h th ng gây nên các nh hư ng không mong mu n

đư c g i chung là nhi u nhi u luôn t n t i và có th tác đ ng bất c phần nào c a

h th ng, nhưng thư ng đư c quan tâm nhi u nhất là các nhi u tác đ ng lên đ i

tư ng đi u khi n, lo i nƠy thư ng g i là nhi u đầu ra hay nhi u ph t i

2.4 2ăPhơnălo iăph ngăth căđi uăkhi năt ăđ ng

Có ba phư ng th c đi u khi n [17] :

• Phư ng th c đi u khi n theo chư ng trình

• Phư ng th c bù nhi u

• Phư ng th c đi u khi n theo sai l ch

Trong phư ng th c đi u khiên theo chư ng trình, tín hi u đi u khi n đư c phát

ra do m t chư ng trình đ nh sẵn trong thi t b đi u khi n Với phư ng th c bù nhi u, tín hi u đi u khi n đư c hình thành khi xuất nhi u lo n tác đ ng lên h

th ng, tín hi u đi u khi n phát ra nhằm bù l i s tác đ ng c a nhi u lo n đ gi cho giá tr ra c a đ i lư ng cần đi u khi n không đ i Vì v y h bù nhi u còn g i là h

- e(t) Sai l ch đi u khi n

- u(t) Tín hi u đi u khi n tác đ ng lên đ i tư ng (O)

- y(t) Tín hi u đầu ra

- yht(t) Tín hi u ph n h i

2.4 Lý thuy tăchungăv ăđi uăkhi năđ ngăc ăDC

2 4.1ăĐ ngăc ăDC:

Đ ng c đi n m t chi u (DC) [19] lƠ đ ng c đi n ho t đ ng với dòng đi n m t chi u Đ ng c đi n m t chi u ng d ng r ng rãi trong các ng d ng dân d ng cũng như công nghi p

M

yht(t) _

_

Cấu t o c a đ ng c g m có hai phần: stato đ ng yên và rotor quay so với stato Phần c m (phần kích từ - thư ng đặt trên stato) t o ra từ trư ng đi trong m ch từ, xuyên qua các vòng dây quấn c a phần ng (thư ng đặt trên rotor) Khi có dòng

đi n ch y trong m ch phần ng, các thanh d n phần ng s ch u tác đ ng b i các

l c đi n từ theo phư ng ti p tuy n với mặt tr rotor, làm rotor quay

Tùy thu c vào cách mắc cu n dây rotor và stato có th chia đ ng c DC thƠnh các lo i thông d ng sau:

- Đ ng c kích từ đ c l p: cu n dơy kích từ (cu n dơy stato) vƠ cu n dơy phần

ng (rotor) mắc riêng r nhau, có th cấp ngu n riêng bi t

- Đ ng c kích từ n i ti p: cu n dơy kích từ mắc n i ti p với cu n dơy phần

K: Hằng s , ph thu c vƠo cấu trúc đ ng c

ω: T c đ đ ng c (rad/s)

Rư: Đi n tr ph n ng (Ohm)

Iư: Dòng đi n ph n ng (A)

Φ: Từ thông trên m i c c (Wb)

M: Momen đ ng c (Nm)

V: Đi n áp ph n ng (V)

E: S c đi n đ ng ph n ng (V)

2.5 2ăPh ngăphápăđi uăkhi năt căđ ăđ ngăc :

Khi xem xét phư ng trình đặc tính c c a đ ng c đi n m t chi u kích từ đ c

l p, ta đã bi t quan h ω=f(M) ph thu c các thông s đi n U, φ, Rư S thay đ i các thông s này s cho nh ng h đặc tính c khác nhau Vì v y, với cùng m t mô men t i nƠo đó, t c đ đ ng c s khác nhau các đặc tính c khác nhau Như v y,

đ ng c đi n m t chi u kích từ đ c l p (hay kích từ song song) có th đư c đi u

ch nh t c đ bằng các phư ng pháp:

+ Đi u ch nh t c đ bằng cách thay đ i đi n tr m ch phần ng

+ Đi u khi n từ thông

+ Đi u khi n đi n áp phần ng

2.6 Thu tătoánăđi uăkhi năđ ngăc PID

2.6 1ăKháiăni m:

Theo ch c năng, b đi u khi n đư c phân thành các lo i là b đi u khi n t l (P-Proportional), b đi u khi n vi phân (I-Integration), b di u khi n t l -tích phân (PI), b đi u khi n t l -vi phân (PD- Proportional Derivative) và b đi u khi n t l

vi tích phân (PID) B đi u khi n đ n gi n nhất là b đi u khi n t l (P) , tác d ng

c a nó như m t khâu khuy ch đ i với h thay đ i đư c Thay đ i h s khu ch đ i

có th lƠm thay đ i sai l ch tĩnh nhưng không th tri t tiêu đư c nó H s khu ch

đ i càng lớn thì h càng mất kh năng n đ nh Trong phần này chúng ta s đ c p

tới b đi u khi n PID [20]

PID là cách vi t tắc c a các từ P-Propotional (t l ), I-Integral (tích phân) và Derivative (đ o hƠm), đư c g i là b đi u khi n tỷ l vi tích phân Đơy lƠ m t trong

D-nh ng b đi u khi n ph bi n và quan tr ng D-nhất trong các thi t b và h th ng công nghi p từ đĩa CD tới v n t c xe ô tô đ u đư c th c hi n b i các thu t toán PID

B đi u khi n PID là m b hi u ch nh có ph n h i nhằm làm giá tr sai l ch

c a m t tín hi u đang đư c đi u khi n bằng không B đi u khi n PID bao g m 3 thành phần: Propotional (t l ), Integral (tích phơn) vƠ Derivative (đ o hàm) Đư c

th hi n như trong hình sau

Hình 2.9: S đ kh i b đi u khi n PID [21]

Trong đó, khâu tỷ l có tác d ng khuy ch đ i kh năng đáp ng c a h th ng

với h s thay đ i đư c Tác d ng c a khâu tích phân trong b đi u khi n là tri t tiêu sai l ch tĩnh, còn ch c năng c a phần tử vi phân (D) là c i thi n quá trình quá

đ n u xác đ nh đúng thông s c a nó

2.6.2 Đi uăkhi năPIDăđ ngăc ăDCă

Hình 2.10: S đ đi u khi n đ ng c DC theo thu t toán PID [22]

Ví d : Đi u khi n đ ng c trong hình trên gi sử đư c dùng đ đi u khi n góc lái c a bánh d n hướng xe ô tô qua ph i m t góc từ 00 tới 300

thông qua thanh d n hướng như hình 2.11

Hình 2.11: S đ h th ng đi u khi n lái

S đ c a h th ng trong hình trên đư c v l i thành hình

Hình 2.12: B PID đi u khi n v trí góc lái c a xe [23]

Trong b đi u khi n PID, sai l ch e đư c tính bằng hi u giá tr đặt hoặc đi m đặt ( setpoint �s) trừ cho giá tr th c t đo đư c (measuared value c a h th ng �m)

e = �s - �m (2.15)

Ho tăđ ng c a b đi u khi n v trí góc lái c a bánh d năh ng B PID này

s đ c và hi u giá tr mƠ ngư i đi u khi n mong mu n (g i là giá tr đặt, đơy lƠ góc lái c a bánh d n hướng có giá tr δ = 300 ) thư ng ngư i đi u khi n đưa giá tr đặt vào b đi u khi n thông qua GUI (Graphical user interface ậ giao di n ngư i dùng đ h a) B đi u khi n PID s tính sai l ch e, và qua b PID thành tín hi u

Encoder

B vào/ra (I/O)

Giá tr th c u(t) U(t)

Giá tr đặt

+

-

đi u khi n u(t) theo công th c 2.16, sai l ch sau tính toán đư c truy n ra ngoài h

th ng th c thông qua card vƠo/ra (I/O) như card HDL 9090 hoặc NI 6009, đơy tín

hi u lúc này là tín hi u đi n áp vƠ đư c g i lƠ u(t)2 Sau đó tín hi u nƠy đư c khu ch đ i nh m t b Driver ( Ví d Motor driver) đ tăng tín hi u đ công suất

đi u khi n c cấu chấp hành (đ ng c DC), g i là tín hi u U(t) Tín hi u đi u khi n

đ ng c s đi u khi n thanh d n hướng qua đó đi u khi n góc lái c a bánh d n hướng, khi đ ng c quay thì bánh răng trên thanh d n hướng xoay và d ch chuy n

dần qua trái (tư ng ng bánh d n hướng s xoay m t góc 300) Hoàn thành m t vòng đi u khi n Sau đó b đi u khi n PID s liên t c th c hi n l i vi c tính toán sai l ch c a góc lái đặt (δ) so với giá tr th c t (measured signal) c a bánh d n hướng ( nh vào b đo v trí gắn với đ ng c ) N u giá tr sai l ch v n còn thì b

đi u khi n PID ti p t c phát ra tín hi u đ quay đ ng c cho tới khi giá tr th c t

c a đ ng c trùng khớp với giá tr đặt t c khi đó sai l ch s bằng 0 Chừng nào sai

l ch còn thì b đi u khi n PID còn ho t đ ng đ đi u ch nh tín hi u đi u khi n B n

chất toán h c c a b đi u khi n PID s đư c gi i thích trong công th c 2.16 giá tr tín hi u đưa vƠo đ ng c s là:

u(t) = Kp e(t) + Ki ∫ + Kd

e(t) (2.16) Trong đó:

- Kp, Ki, Kd lần lư t là h s t l , tích phân, vi phân; Kp, Ki, Kd luôn dư ng

- e(t) sai l ch t i th i đi m hi n t i

- di n tích t o b i đư ng cong giá tr th c t vƠ đư ng thẳng giá tr đặt

- e(t) t c đ thay đ i c a sai l ch t i th i đi m hi n t i

ụănghƿaăcácăh s gainătrongăb ăPIDăkhiătĕngăcácăh ăs ăK p , K i , K d đ căl pă nhau

 Với cùng m t giá tr e(t), n u tăng Kp , thì tín hi u đi u khi n u(t) tăng, u(t) tăng đ ng nghĩa đi n áp tác đ ng vƠo đ ng c m t chi u tăng lên, đi n áp tăng s làm gi m e(t) nhanh h n, có nghĩa hi u giá tr đặt và giá tr đó đư c s gi m nhanh

h n Khi đó ta g i kh năng đáp ng c a h th ng nhanh Đáp ng c a h th ng

càng nhanh khi th i gian cần thi t đ tin hi u đầu ra c a h th ng đ t tới giá tr đặt càng nh Tuy nhiên, khi Kp quá lớn thì h th ng không n đ nh vì có hi n tư ng giá tr đo đư c c a h th ng vư t quá giá tr đặt, g i là v t l ( overshoot)

 Ki có tác d ng lƠm tăng t c đ đáp ng vì nó cũng lƠm tăng đi n áp U(t) đặt vƠo đ ng c Đ ng th i khâu này làm sai l ch tĩnh ( steaty- state error) tr v 0 nh vƠo đặc tính c ng d n sai l ch c a phép toán tích phân Sai l ch tĩnh lƠ sai l ch sau khi tín hi u đầu ra c a h th ng đã n đ nh

 Kd Khâu D có tác d ng làm n đ nh h th ng Khi e(t) t c giá tr ph n h i

lớn h n giá tr đặt setpoint, thì khâu D có tác d ng làm gi m tín hi u đi u khi n u(t)

Các ch tiêu ch ấtăl ng c a h th ng đi u khi n: yêu cầu đầu tiên c a h

th ng đi u khi n là n đ nh Tuy nhiên, yêu cầu nƠy chưa đ đ đ m b o h th ng

ho t đ ng t t Trong th c t , h th ng còn đ ng th i th a mãn nhi u yêu cầu khác, bao g m các ch tiêu chất lư ng c a đáp ng quá đ (chất lư ng đ ng h c) và sai s xác l p (chất lư ng tĩnh h c), kh năng ch ng nhi u…

Thông thư ng chất lư ng đ ng h c vƠ tĩnh h c c a các h th ng đi u khi n

đư c đánh giá thông qua đáp ng quá đ đ i với tín hi u vào b c thang đ n v vì d

th c hi n đ chính xác Khi tác đ ng vào h th ng m t tín hi u b c thang đ n v 1(t) thì đáp ng đầu ra s có d ng đi n hình lƠ dao đ ng tắt dần như hình 2.13

Hình 2.13: Các thông s chất lư ng c a đáp ng quá đ [21]

Th i gian quá đ ts hay tset ( setling time): là th i gian cần thi t đ tín hi u ra đ t

và duy trì giá tr xác l p y(∞) với sai s cho phép ±2% ( hoặc ±5%)

Đ v t l σ% hay POT ( đ quá đi u ch nh, Percent overshoot): là sai l ch gi a giá tr c c đ i và giá tr xác l p c a đáp ng, tính theo phần trăm:

Hai ch tiêu đ v t l và th i gian quá đ thư ng trái ngư c nhau: đ có đ v t

l nh thì th i gian quá đ s lớn vƠ ngư c l i

Sai s xác l p e(∞) hay ess (steaty- state error): là sai l ch gi a tín hi u vào và tín hi u h i ti p tr ng thái xác l p Sai s xác l p đặc trưng cho đ chính xác c a

h th ng đi u khi n

T ng quát:

Với h s h i ti p ơm đ n v và tín hi u vào là hàm 1(t) thì:

Ngoài các thông s trên ngư i ta còn xét đ n các thông s ph là

 Th i gian tăng trư ng tr ( rise time): là th i gian cần thi t đ đáp ng tăng từ 10% đ n 90% giá tr xác l p y(∞)

 Th i gian đ y(t) đ t 50% giá tr xác l p td (delay time)

 Th i gian lên đ nh tp hay tpeak : th i gian cần đ đáp ng đ t giá tr c c đ i

 S chu kỳ dao đ ng trước khi đáp ng đ t giá tr xác l p

2.6.3ăPh ngăphápăđi u ch nh các h s gain trong PID

2.6.3.1 Đi u ch nh th công:

Phư ng pháp đ nh b thông s Kp, Ki, Kd (các h s gain) th công thư ng

d a vƠo th c nghi m các thông s Ta xác l p các h Kp, Ki, Kd bằng không Tăng

dần Kp cho đ n khi v t l đ t bằng gần 1,5 lần giá tr đặt Hi u ch nh Ki cho sai

l ch bằng không Hi u ch nh Kd cho h th ng gi m rung lắc

2.6.3.2 Ph ngăphápăZieglerăậ Nichols:

POT = σ% = (− (∞) ∞) 100% (2.17)

e(∞) = lim →∞ ( ) = lim →0 �( ) (2.18) e(∞) = 1- y(∞) = 1- lim →∞ℎ( ) = 1- lim →0� ( ) (2.19)

B ng 2.1: Tìm thông s b PID bằng phư ng pháp Ziegler ậ Nichols

Pu : Kho ng th i gian dao đ ng c a tín hi u đo đư c

2.7 Công c x lý nhă vƠă đi u khi nă gócă lái,ă đi u khi n v n t c trong LabVIEW

mà các lu ng c a d li u quy t đ nh vi c th c thi LabVIEW sử d ng các kh i hình

nh sinh đ ng và các dây n i đ t o ra các l nh vƠ các hƠm như trong hình 2.14

Hình 2.14: Cách th c hi n xây d ng chư ng trình trong Lab VIEW

Cũng chính vì s khác bi t nƠy mƠ LabVIEW đã giúp cho vi c l p trình tr nên

đ n gi n h n bao gi h t, đặc bi t, LabVIEW rất phù h p với kỹ sư, nhƠ khoa h c, hay gi ng viên Chính s đ n gi n, d h c, d nhớ đã giúp cho LabVIEW tr thành

m t trong nh ng công c ph bi n trong các ng d ng thu th p d li u từ các c m

bi n, phát tri n các thu t toán, vƠ đi u khi n thi t b t i các phòng thí nghi m trên

th giới

V ý nghĩa kỹ thu t, LabVIEW cũng đư c dùng đ l p trình ra các chư ng trình (source code: mã ngu n) trên máy tính tư ng t các ngôn ng l p trình d a trên ch (text-based language) như C, Python, Java, Basic, v.v

Đ ng th i, LabVIEW h tr các kỹ sư, nhƠ khoa h c và sinh viên, v.v., xây

d ng (th c thi) các thu t toán m t cách nhanh, g n, sáng t o và d hi u nh các

kh i hình nh có tính g i nhớ và cách th c ho t đ ng theo ki u dòng d li u (dât flow) lần lư t từ trái qua ph i Các thu t toán nƠy sau đó đư c áp d ng lên các

m ch đi n vƠ c cấu chấp hành th c nh vào vi c k t n i h th ng th t với LabVIEW thông qua nhi u chuẩn giao ti p m ng TCP/IP, chuẩn GPIB, v.v Vì v y LabVIEW là m t ngôn ng giao ti p đa kênh

LabVIEW h tr hầu h t các h đi u hành Windows (2000, XP, Vista, 7, 8), Linux, MacOS, Window Mobile, Window Embedded Hi n t i, LabVIEW 2012 là phiên b n mới nhất M t s phiên b n cũ c a LabVIEW bao g m 2009, 2010, 2013, LabVIEW đư c sử d ng trong các lĩnh v c đo lư ng, t đ ng hóa, c đi n

tử, robotics, v t lý, sinh h c, v t li u, ô tô, v.v

LabVIEW đư c sử d ng trong các lĩnh v c đo lư ng, t đ ng hóa, c đi n tử, robotics, v t lý, toán h c, sinh h c, v t li u, ôtô, vv Nhìn chung:

- LabVIEW giúp kỹ sư k t n i bất kỳ c m bi n, và bất kỳ c cấu chấp hành nào với máy tính

- LabVIEW có th ñư c sử d ng đ xử lý các ki u d li u như tín hi u tư ng

t (analog), tín hi u s (digital) hình nh (vision), âm thanh (audio), vv

- LabVIEW h tr các giao th c giao ti p khác nhau như RS232, RS485, TCP / IP, PCI, PXI

2.7.3 L pătrìnhăv iăLabVIEW

Đ làm vi c với phần m m LabVIEW ta thao tác trên 2 cửa s là Front Panel và Block Diagram Hai cửa s này s xuất hi n sau khi ta kh i đ ng phần m m LabVIEW

Hình 2.15: Môi trư ng lƠm vi c trong LabVIEW; (a) cửa s Front Panel, (b) cửa s

Block Diagram

- Cửa s Front Panel hay còn g i là giao di n ngư i dùng Cửa s nƠy dùng đ

kh i t o các Control (Input): các s , các nút nhấn, m ng… vƠ các Indicator (ouput): leds, đ th … Nghĩa lƠ trên cửa s này ta có th thi t l p các thông s đầu vào c a

m t ng d ng nƠo đó vƠ có th thấy đư c k t qu kh o sát hay tính toán c a ng

d ng đó

- Cửa s Block Diagram là cửa s dùng đ vi t các thu t toán cho ng d ng Bao g m các hàm toán h c (c ng, trừ, nhơn, chia, đ o hàm, tích phân, ma tr n…), các hàm lặp (while loop, for loop, case tructure), các hàm t o tr … Nghĩa lƠ trên

cửa s Block Diagram ch a nh ng thu t toán gi i quy t các bài toán ng d ng mà ngư i l p trình kh i t o và có th đi u khi n và hi n th k t qu trên cửa s Front Panel

Vòng lặp, cấu trúc đi u ki n là m t thành phần không th thi u trong vấn đ l p trình Trong LabVIEW các vòng lặp, đi u ki n đư c tái hi n dưới d ng hình nh

cấu trúc Sử d ng các cấu trúc trong s đ kh i giúp lặp l i các ti n trình, đi u khi n

d a vƠo đi u ki n và cho các m c đích đặc bi t khác LabVIEW có 5 vòng lặp, cấu trúc c b n: vòng lặp While (While Loop), vòng lặp For (For Loop), cấu trúc Case (Case Structure), cấu trúc chu i (Sequence Structure), nút cách th c (Formula Node)

- Vòng lặp While loop: cho phép ch y chư ng trình mãi tới khi nào nút “Stop”

đư c nhấn thì dừng l i, kh i “i” s cho bi t có bao nhiêu vòng lặp đã đư c lặp Đ lấy While loop ta vào BD>Express>Execution> While loop như trình bƠy trong hình

Hình 2.16: Vòng lặp While Loop

- Cấu trúc trư ng h p Case Structure: tư ng đư ng m t hƠm đi u ki n (IF),

các trư ng h p trong mi n True s x y ra n u gi thi t đầu vƠo lƠ True, các trư ng

h p trong mi n False s x y ra n u gi thi t đầu vào là False Lấy vòng lặp For như

sau: BD>Express>Execution>Case Structure

Hình 2.17: Cấu trúc trư ng h p Case Structure

- Vòng lặp For Loop: vòng lặp For có ký hi u Vòng lặp For s th c thi chư ng trình N lần với bi n I tăng liên t c trong kho ng [0, N-1]

Hình 2.18: Vòng lặp For Loop

- C ấu trúc chu i: Cấu trúc chu i trong LabVIEW dùng đ t o ra các đo n

chư ng trình con trong các đo n chư ng trình chính, m c đích c a vi c dùng cấu trúc nƠy đ gói g n chư ng trình vƠ d dƠng đi u khi n vi c sử d ng các bi n, các ô

nhớ LabVIEW cung cấp hai d ng chu i có cùng ch c năng đó lƠ: Chu i phẳng (Flat Sequence) và chu i ngăn x p (Stacked Sequence)