Công nghệ SOC (system on chip) ứng dụng vào giám sát và điều khiển tín hiệu giao thông dùng logic mờ

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nội dung chương 2 trình bày các lý thuyết liên quan đến nội dung thực hiện đề tài gồm lý thuyết về logic mờ, lý thuyết hệ thống điều khiển mờ, lý thuyết phần cứ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 07/2005

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ TIẾN THƯỜNG

Cán bộ chấm nhận xét 1: GS.TS ĐẶNG LƯƠNG MÔ

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM, ngày 22 tháng 07 năm 2005

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHAN VĂN CA Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 18/06/1979 Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến- Điện tử MSHV: 01403307

I TÊN ĐỀ TÀI:

Công nghệ SoC (system on chip) ứng dụng vào giám sát và điều khiển tín hiệu giao thông dùng logic mờ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

− Nghiên cứu lý thuyết logic mờ, hệ thống điều khiển mờ, nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thông

− Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển mờ dùng trong hệ thống điều khiển đèn giao thông thích nghi với lưu lượng giao thông tại giao lộ điều khiển

− Nghiên cứu mô phỏng hệ thống đèn tín hiệu giao thông điều khiển mờ trên máy tính

− Nghiên cứu cài đặt phần cứng hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông trên công nghệ FPGA

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2005

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ TIẾN THƯỜNG

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày tháng năm 2005

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc đến Thầy Giáo Hướng dẫn PGS-TS LÊ TIẾN THƯỜNG hiện đang công tác tại Khoa Điện-Điện tử, trường ĐH Bách khoa, ĐH Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này

Xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn và giúp đỡ tôi tron quá trìnhg học tập và nghiên cứu khoa học

Chân thành cảm ơn Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, trường ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện tốt cho tôi trong suốt khóa học

Chân thành cám ơn các đồng nghiệp trường ĐH GTVT Tp.HCM, bạn bè và gia đình đã ủng hộ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2005

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nội dung trình bày của luận văn thạc sĩ “CÔNG NGHỆ SOC (SYSTEM ON CHIP) ỨNG DỤNG VÀO GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THÔNG DÙNG LOGIC MỜ” bao gồm sáu chương như sau:

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Chương một trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu của đề tài, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, giới thiệu tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới có liên quan đến đề tài, nội dung và phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nội dung chương 2 trình bày các lý thuyết liên quan đến nội dung thực hiện đề tài gồm lý thuyết về logic mờ, lý thuyết hệ thống điều khiển mờ, lý thuyết phần cứng FPGA, lý thuyết hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông

Chương 3: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ

Nội dung chương 3 trình bày phần phân thích và thiết kế hệ thống điều khiển mờ tín hiệu giao thông cho một giao lộ độc lập Đề tài đi vào phân tích và thiết kế ba mô hình điều khiển mờ đèn tín hiệu giao thông gồm hệ thống điều khiển nguyên lý, hệ thống điều khiển theo chu kỳ pha và hệ thống điều khiển theo chu kỳ pha mở rộng Mỗi hệ thống được phân tích và thiết kế ở mức chi tiết từ phần thiết hệ hệ thống điều khiển cho đến mô hình phần cứng cài đặt Chương 4: MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM

Nội dung chương 4 trình bày về các chương trình thực hiện mô phỏng và thiết kế trên máy tính Trong đó, trọng tâm là chương trình cài đặt khởi tạo nội dung ROM cho hệ thống điều khiển Ngoài ra, đề tài cũng xây dựng được một chương trình mô phỏng hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thông trên giao lộ với hai chức năng điều khiển mờ và điều khiển theo chu kỳ cố định

Chương 5: THỰC HIỆN MÔ HÌNH PHẦN CỨNG

Nội dung chương 5 bao gồm các phần liên quan đến việc thực hiện một mô hình phần cứng cụ thể cho hệ thống điều khiển Giải pháp chọn thiết kế mô hình phần cứng là tiếp cận công nghệ SoC và mô hình phần cứng được xây dựng trên nền chip FPGA Phần này trình bày về ngôn ngữ HDL, phần cứng FPGA, chương trình CAD FPGA, sơ đồ thiết kế và toàn bộ qui trình thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển mờ tín hiệu giao thông được thiết kế trong chương 3 và kết quả mô hình

Chương 6: KẾT LUẬN

Nội dụng chương 6 trình bày tóm lược các kết quả đạt được cũng như phần nhận xét đánh giá các kết quả đạt được và đề xuất hướng phát triển tiếp theo của đề tài

MỤC LỤC

C HƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 4

1.1 GIỚI THIỆU 4

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 4

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 4

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 5

1.3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5

1.3.1 Mục tiêu của đề tài 5

1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

1.4 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 6

1.4.1 Nội dung nghiên cứu 6

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 6

1.5 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI 7

1.5.1 Ý nghĩa khoa học 7

1.5.2 Ý nghĩa kinh tế xã hội 7

C HƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 LOGIC MỜ 8

2.1.1 Biến ngôn ngữ 9

2.1.2 Tập mờ và hàm thuộc 10

2.1.3 Các phép toán trên tập mờ 13

2.1.4 Luật hợp thành If-Then 14

2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỜ 16

2.2.1 Mờ hoá 16

2.2.2 Cơ sở luật mờ 17

2.2.3 Hệ suy diễn mờ 17

2.2.4 Giải mờ 18

2.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THÔNG 18

2.3.1 Chu kỳ tín hiệu giao thông 18

2.3.2 Nguyên tắc điều khiển giao thông 19

2.4 FPGA 24

2.4.1 Giới thiệu 24

2.4.2 Kiến trúc FPGA 25

2.4.3 Phát triển ứng dụng trên FPGA 28

C HƯƠNG 3 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ 29

3.1 MÔ HÌNH TỔNG THỂ HỆ THỐNG 29

3.1.1 Hàm thuộc 30

3.1.2 Luật hợp thành 31

3.1.3 Xử lý mờ 31

3.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO CHU KỲ PHA 36

3.2.1 Các tiêu chuẩn và ràng buộc thiết kế 37

3.2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển theo chu kỳ pha 37

3.3 HỆ THỐNG MỜ ĐIỀU KHIỂN THEO CHU KỲ PHA MỞ RỘNG 41

3.3.1 Các tiêu chuẩn và ràng buộc thiết kế 42

3.3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển theo chu kỳ pha mở rộng 42

3.4 T HIẾT KẾ PHẦN CỨNG TRÊN FPGA 44

C HƯƠNG 4 MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM 46

4.1 CHƯƠNG TRÌNH TẠO BẢNG LUT CHO PHẦN CỨNG 46

4.1.1 Giới thiệu 46

4.1.2 Cài đặt chương trình hệ điều khiển theo chu kỳ pha 47

4.1.3 Cài đặt chương trình hệ điều khiển theo chu kỳ pha mở rộng 55

4.2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 56

4.2.1 Giao diện chương trình 56

4.2.2 Thuật toán cài đặt 56

4.2.3 Kết quả mô phỏng 57

C HƯƠNG 5 THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 59

5.1 GIỚI THIỆU 59

5.2 NGÔN NGỮ MÔ TẢ PHẦN CỨNG (HDL) 59

5.2.1 Giới thiệu 59

5.2.2 Sơ đồ luồng thiết thế tổng quát với ngôn ngữ HDL 60

5.3 BOARD PHÁT TRIỂN FPGA 64

5.3.1 Kiến trúc họ Spartan 3 64

5.3.2 Board phát triển Spartan 3 65

5.4 CÔNG CỤ TỔNG HỢP VHDL ISE 67

5.4.1 Giới thiệu 67

5.4.2 Module tạo CORE 69

5.5 CÀI ĐẶT MÔ HÌNH PHẦN CỨNG 70

5.5.1 Mô hình tổng thể phần cứng cài đặt 70

5.5.2 Module bộ nhớ ROM 71

5.5.3 Sơ đồ mạch ở mức chuyển thanh ghi RTL 72

5.5.4 Sơ đồ mạch hệ thống ở mức cổng trong thư viện công nghệ 77

5.5.5 Tóm lược thiết kế 82

C HƯƠNG 6 KẾT LUẬN 83

6.1 K ẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI 83

6.2 Đ ÁNH GIÁ KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI 85

6.3 H ƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

The most desired factor in a traffic controller at an intersection is that it should be adaptive to any changes in the traffic flow In case of the traffic controllers that are normally used, the relative durations of the red and green phases are determined by computer programming based on the traffic pattern at an intersection But these trafficcontrollers are not adaptive because the settings can only be altered manually or by computer commands sent by the traffic control center This problem is solved by using afuzzy traffic controller, which is capable of signaling adaptively at an intersection The intent of this study is to propose a design methodology for modeling fuzzy controllers burned on FPGAs

In recent years, the interest in implementing fuzzy logic controllers using FPGAs and ASICs technologies has been steadily increasing There have been attempts to combine VHDL for design capture and VHDL-based logic synthesis for designing complex hardware This thesis suggests the use of state diagrams for capturing a rule base of a fuzzy control system The advantage of using this high- level approach is that the design time is reduced significantly and different ways of designing a rule base can be explored The fuzzifier and defuzzifier components of the fuzzy system are described using VHDL code as it involves considerable amount of mathematical computations A rule base for the controller is described using the state diagrams and this rule base is obtained by using matlab code The output of matlab code is stored in ROM which is used in VHDL code A complete description of the system is assembled in VHDL and is synthesized using VHDL-based logic synthesis

Chương 1 GIỚI THIỆU

1.1 GIỚI THIỆU

Giám sát và điều khiển lưu lượng giao thông đô thị là một trong những vấn đề lớn của nhiều quốc gia Đặc biệt trong vài thập niên trở lại đây, tình trạng ách tắc giao thông trong các đô thị là một trong những vấn đề nan giải của những đô thị lớn nhỏ trên toàn thế giới Tình trạng này chỉ có thể được cải thiện khi có một hệ thống giám sát và điều khiển lưu lượng giao thông hiệu quả

Hệ thống đèn tín hiệu giao thông được lắp đặt trên các giao lộ để điều khiển lưu lượng giao thông đã phần nào mạng lại những kết quả thiết thực Tuy nhiên, hệ thống đèn tín hiệu hiện nay được hoạt động theo một chu kỳ định sẵn trong khi đó lưu lượng giao thông trên mỗi con đường lại phụ thuộc vào từng thời điểm trong ngày và do vậy, hệ thống này vẫn tồn tại nhiều khuyết điểm như thời gian chờ của các phương tiện giao thông tại các giao lộ khá lâu, điều này làm tăng chi phí vận chuyển, gây ô nhiễm môi trường và có thể gây ách tắc giao thông Chính vì thế, hệ thống điều khiển này cần được làm thông minh hơn để có thể thích nghi với những tình huống cụ thể

Hệ thống điều khiển mờ được xây dựng trên công cụ logic mờ là một trong những công nghệ đang được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực Hệ thống điều khiển bằng logic mờ có nhiều điểm ưu việt so với các hệ thống điều khiển theo logic cổ điển Hệ thống mờ cho phép điều khiển thích nghi theo các tham số của biến vào Chính vì vậy, hệ thống này thông minh hơn và thích nghi hơn so với các hệ thống điều khiển cổ điển [14] Luận văn này đi vào nghiên cứu và xây dựng một hệ thống điều khiển mờ tín hiệu giao thông trên công nghệ phần cứng SoC (System on a chip) Hệ thống này cho phép tự động giám sát và điều khiển lưu lượng giao thông tại các giao lộ một cách hoàn toàn thích nghi với lưu lượng giao thông trên đường

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Vào năm 2000 công trình luận văn Thạc sỹ “Nghiên cứu và ứng dụng Fuzzy Logic và Neural Networks trong điều khiển đèn giao thông”õ của Nguyễn Văn Sơn đã đi vào tìm hiểu mạng neural và logic mờ để xây dựng một hệ thống điều khiển đèn giao thông Đề tài đã có những kết luận bước đầu về tính ưu việt của hệ thống Tuy nhiên, đề tài mới chỉ dùng lại ở việc nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng trên phần mềm và chưa đưa ra được một phương án khả thi trong việc giám sát lưu lượng giao thông cũng như phương pháp xây dựng hệ điều khiển mờ và chưa thiết kế một mô hình phần cứng phù hợp [8] Đề tài nghiên cứu khoa học cấp thành phố “Nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động đèn tín hiệu giao thông cho một khu vực Tp.HCM” của TS Nguyễn Thị Phương Hà, bộ môn Điều khiển Tự động, Trường đại học Bách khoa Tp.HCM đã đạt được một số kết quả Đề tài nghiên cứu xử lý tín hiệu từ các cảm biến đo lưu lượng giao thông, xây dựng hệ thống điều khiển bằng tay, làn sóng xanh, tự động Ngoài ra, hệ thống cho phép giao

tiếp với máy tính và có thể can thiệp trực tiếp trong việc giải toả các điểm nóng gây ùn tắc giao thông [18]

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Đề tài “Mô phỏng lưu lượng giao thông được điều phối bằng logic mờ” của nhóm tác giả Bing W Kwan, Khue Ngo-Quoc, Vijayanand Lakshminarayan và Leonard J Tung tại khoa Kỹ thuật Máy tính và Điện tử, đại học bang Florida đã đi đến kết luận là hệ thống điều khiển mờ có thể giảm thiểu đáng kể thời gian chờ của các phương tiện lưu thông tại các giao lộ [15]

Đề tài “Bộ điều khiển tín hiệu giao thông bằng logic mờ” của tác giả Jarkko Niittymaški công bố tại hội nghị quốc tế về hệ thống của IEEE vào năm 2000 Đề tài này đã triển khai thực nghiệm tại một số giao lộ ở Vantaa, Phần Lan Từ kết quả mô phỏng và thực nghiệm đề tài đi đến kết luận là bộ điều khiển bằng logic mờ làm việc hiệu quả hơn rất nhiều so với các hệ thống điều khiển cổ điển qua việc giảm tối đa thời gian chờ cho các phương tiện giao thông [11], [12], [13]

Đề tài “Tín hiệu điều khiển thông minh sử dụng logic mờ” của tác giả Sanal.R.P công bố tại hội nghị khoa học Kerala diễn ra tại Idukky, Kerala, Ấn độ năm 1999 Đề tài này đã phát triển hệ thống điều khiển mờ tại một giao lộ độc lập trên hai đường một chiều Hệ thống điều khiển được thiết kế gồm ba biến mờ ngõ vào gồm thời gian đèn xanh hiện tại, lưu lượng xe đến trên hướng đèn xanh và lưu lượng xe chờ trên hướng đèn đỏ Ngõ ra là thời gian đèn xanh mở rộng Mỗi ngõ vào ra được mã hoá bằng ba hàm thuộc hình chuông Đề tài này đã xây dựng được một quy trình thiết kế hệ thống mờ điều khiển tín hiệu giao thông và mô hình phần cứng cho thiết kế[9]

Đề tài “Điều khiển đèn tín hiệu giao thông thông minh dùng logic mờ” của nhóm tác giả Tan Kok Khiang, Marzuky Khalid va Rubiyah Yusof ở trung tâm Trí tuệ Nhân tạo Và Rôbốt, Đại học Teknologi, Malaysia Đề tài này đi vào thiết kế và thực hiện một hệ thống điều khiển đèn tín hiệu thông minh tại một giao lộ độc lập sử dụng logic mờ Kết quả của đề tài được xây dựng thành một phần mềm mô phỏng Kết quả mô phỏng của đề tài chỉ ra rằng hệ thống điều khiển mờ hoạt động tốt hơn và có lợi ích về chi phí hơn hệ thống điều khiển theo chu kỳ cố định [10]

1.3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.3.1 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông dùng logic mờ trên phần cứng SoC Trong đó, hệ thống điều khiển mờ dựa trên những thông số về lưu lượng giao thông thực tế trên giao lộ để xác định chu kỳ đèn tín hiệu thích nghi với lưu lượng nhằm tối ưu hoá hệ thống điều khiển Phần cứng hệ thống điều khiển được thực hiện trên công nghệ SoC sử dụng phần cứng FPGAs như là một bước đệm trong quá trình thương mại hoá sản phẩm trên các chip VLSI chuyên dụng

1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài gồm hai phần cơ bản sau: hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông dùng logic mờ và thực hiện hệ thống điều khiển này trên công nghệ thiết kế phần cứng SoC (System on Chip) Hệ thống điều khiển mờ đèn tín hiệu giao thông được thiết kế cho một giao lộ ngã tư độc lập Hệ thống sử dụng lưu lượng giao thông trên hai hướng để xác định chu kỳ tín hiệu đèn xanh trên cơ sở sử dụng cơ chế điều khiển dùng logic mờ Sau khi thiết kế xong, hệ thống điều khiển được thực hiện trên phần cứng FPGAs thay cho các phần cứng sử dụng các chip vi điều khiển thông thường Với thiết kế này, hệ thống có thể dễ dàng được phát triển thành các chip chuyên dụng cho hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thông dùng logic mờ

Đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi nghiên cứu và mô phỏng hệ mờ điều khiển tín hiệu giao thông theo lưu lượng giao thông trên một giao lộ độc lập, nghĩa là chu kỳ đèn tín hiệu được xác định dựa trên tình trạng giao thông tại giao lộ Đề tài không đi vào thiết kế mạng điều khiển đèn tín hiệu giao thông trong đó chu kỳ đèn tín hiệu giao thông được xác định dựa vào tình trạng giao thông tại giao lộ đó và tình trạng giao thông tại các giao lộ xung quanh

Mô hình phần cứng chỉ tập trung thiết kế bộ điều khiển xử lý mờ với đầu vào là lưu lượng giao thông và đầu ra là các mức tín hiệu tương ứng với các khoảng thời gian điều khiển đèn giao thông Hệ thống xem như đã có sẵn bộ phận kiểm tra lưu lượng và bộ phận đèn báo hiệu Đề tài sử dụng công nghệ SoC trong việc nghiên cứu thiết kế phần cứng và giới hạn cụ thể là công nghệ FPGA

1.4 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.4.1 Nội dung nghiên cứu

Đề tài bao gồm các nội dung nghiên cứu:

1 Nghiên cứu, cơ sở lý thuyết về logic mờ, hệ thống điều khiển mờ, công nghệ thiết kế phần cứng và một số phương pháp điều khiển đèn tín hiệu giao thông được sử dụng tại các giao lộ

2 Nghiên cứu hệ thống điều khiển thích nghi sử dụng logic mờ, cấu trúc hệ thống điều khiển mờ

3 Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển mờ tín hiệu đèn giao thông tại các giao lộ ngã tư

4 Nghiên cứu phương pháp thực hiện hệ thống điều khiển mờ tín hiệu đèn giao thông trên phần cứng FPGA

5 Nghiên cứu xây dựng chương trình mô phỏng hệ thống điều khiển mờ tín hiệu đèn giao thông trên máy tính

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài tiếp cận các phương pháp cứu sau đây:

1 Phương pháp nghiên cứu dựa trên việc tiếp cận lý thuyết logic mờ và hệ thống điều khiển mờ làm nền tảng cho việc thiết kế hệ thống điều khiển mờ thích nghi

2 Phương pháp nghiên cứu dựa trên việc tiếp cận lý thuyết phân tích và thiết kế hệ thống

3 Phương pháp chia nhỏ để thực hiện, trong đó, hệ thống được phân tích thành từng phần riêng biệt để xử lý

4 Phương pháp mô phỏng bằng các phần mềm trên máy tính bằng cách sử dụng các công cụ CAD trong việc phân tích và đánh giá kết quả

5 Phương pháp thiết kế phần cứng hiện đại theo công nghệ SoC Từ kết quả này, ứng dụng có thể phát triển thành các sản phẩm thương mại nhanh chóng

1.5 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI

1.5.1 Ý nghĩa khoa học

Ý nghĩa khoa học của đề tài nằm ở chỗ đề tài đã tiếp cận các lý thuyết điều khiển mờ để xây dựng một hệ thống điều khiển thích nghi với sự biến đổi của các yếu tố đầu vào thay thế cho hệ thống điều khiển theo chu kỳ thời gian cố định

Đề tài cũng hướng đến việc cài đặt các hệ thống điều khiển trên các phần cứng sử dụng cộng nghệ SoC Việc này có khả năng làm giảm chi phí và thời gian trong việc thiết kế các hệ thống điều khiển mờ

Ý nghĩa tiếp theo của đề tài là xây dựng một phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển mờ trên công nghệ FPGAs, trong đó, việc kết hợp giữa ngôn ngữ cấp cao và ngôn ngữ mô tả phần cứng HDL đã làm đơn giản quá trình thiết kế

1.5.2 Ý nghĩa kinh tế xã hội

Kết quả hướng đến của đề tài là xây dựng được một hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thông thích nghi với lưu lượng giao thông trên đường Hệ thống này có khả năng làm cho việc điều phối tín hiệu giao thông được tối ưu hơn Nhờ vậy, đề tài mang một ý nghĩa kinh tế xã hội nhất định Đặt biệt trong giai đoạn hiện nay, vấn đề ách tắc giao thông đang là một trong những vấn đế lớn của các thành phố ở nước ta nói riêng và trên toàn thế giới nói chung

Hệ thống này được phát triển trên công nghệ thiết kế chip tiên tiến Với thiết kế này, kết quả của đề tài có thể dễ dàng được thương mại hoá với một chi phí thấp Hiện tại các khu công nghệ cao đang được chú trọng phát triển, trong đó công nghệ bán dẫn là một trong những ưu tiên của nhà nước Do vậy, đề tài thiết kế theo hướng sử dụng công nghệ bán dẫn tiên tiến có ý nghĩa rất quan trọng trong thời gian tới

Kết quả nghiên cứu của đề tài có khả năng ứng dụng vào các hệ thống điều khiển đèn giao thông đô thị Trước mắt đề tài sẽ dự kiến phát triển thành một đề tài khoa học cấp thành phố để có thể triển khai trên phạm vi thành phố Hồ Chí Minh và các đô thị lớn trên phạm vi cả nước

Kết quả nghiên cứu của đề tài có khả năng phát triển thành các dự án sản xuất thiết bị trong nước thay thế các thiết bị nhập ngoại trong việc xây dựng các hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông hiện tại Ngoài ra, kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được phát triển theo hướng cải tiến các hệ thống điều khiển đèn giao thông hiện có theo hướng thích nghi với lưu lượng giao thông và tăng cường hiệu quả kinh tế

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 LOGIC MỜ

Trong các vấn đề kỹ thuật, thông tin có thể được phân thành thông tin ngôn ngữ và thông tin số học Thông tin số đề cập đến thông tin đối tượng được trích lọc từ các mô hình toán học, các định luật vật lý, hoặc dữ liệu số được thu thập từ các cảm biến trong các quá trình vật lý Thông tin ngôn ngữ đề cập đến thông tin chủ thể được mô tả bằng các luật hoặc các thuật ngữ ngôn ngữ dựa vào kinh nghiệm và kiến thức được thu thập từ các chuyên gia

Vào năm 1965, Lotfi A Zadeh đã đưa ra các khái niệm và thuật ngữ về logic mờ Điều này đã gây ra một sự chú ý trong giới khoa học lúc đó Trong bài báo này Zadeh đã giới thiệu tập mờ, hàm thuộc và nhiều định nghĩa mở rộng về các phép toán lý thuyết tập trên tập mờ Tuy nhiên, những ý tưởng cơ bản về những lập luận thiếu chính xác đã được đề cập bởi các nhà logic học và triết học trong những năm cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX [1]

Trong logic hai giá trị hay logic nhị phân, giá trị thật sự của một mệnh đề là 0 (sai) hoặc

1 (đúng) Trong logic nhiều giá trị, các giá trị thật sự của một mệnh đề có thể được giả thiết gồm nhiều giá trị, ví dụ: 0, ½, và 1 Đối với logic mờ, một giá trị thật sự có thể giả thiết là một giá trị thực bất kỳ nằm giữa 0 và 1 Theo nghĩa hẹp, logic mờ có thể được xem là một logic đa trị Theo nghĩa rộng hơn, logic mờ là sự mở rộng của logic đa trị và đề cập đến những phương pháp khác nhau trong việc mô hình các khái niệm mập mờ Tập mờ là công cụ cho phép thể hiện các thuật ngữ trong ngôn ngữ tự nhiên mang tính mập mờ theo toán học một cách cụ thể Tập mờ là một sự tổng quát hoá của một lớp hay một tập rõ nghĩa là một tập mờ có thể chứa một phần các phần tử của nó Ngược lại, một phần tử x của một tập rõ có thể thuộc hoặc không thuộc tập đó Hàm đặc tính

},

A x,0)

Trong đó, mỗi phần tử được ấn định với một độ thuộc trong S, được xác định bởi

∈]1,0[:U →

Độ mập mờ trong một tập mờ S được mô tả một cách chính xác bởi µS Trong đó, từ chính xác cần chú ý: trên thực tế, hàm thuộc định nghĩa sự không chính xác gắn liền với

S Hàm thuộc µS càng giống hàm đặc tính thì S càng ít mờ Tương tự, tập S được xem như mờ hơn nếu µS (x) càng khác nhiều với giá trị 0 hoặc 1

Phép suy diễn mờ liên quan đến các mệnh đề “Nếu X là S, thì Y là T” Trong đó, X và

Y là các biến ngôn ngữ, S và T là các giá trị ngôn ngữ Biến ngôn ngữ là một biến mà nó mang các giá trị ngôn ngữ Ví dụ, “tuổi” có thể là một biến ngôn ngữ mang các giá trị ngôn ngữ như “trẻ”, “trung niên” và “già” Mỗi giá trị biến ngôn ngữ này có thể được mô tả bởi một tập mờ có hàm thuộc µ Một người có thể thuộc một phần của một hoặc nhiều tập mờ này ở cùng một thời điểm Ví dụ, một người 25 tuổi thì vẫn còn trẻ với một vài độ thuộc nhưng cũng là trung niên với một vài độ thuộc, … Việc chia không gian nền “tuổi” thành những phần không giao nhau hay thành những tập rõ sẽ rất khó khăn và phi thực tế

Hệ thống logic mờ cung cấp cơ chế xấp xỉ trong đó cả hai dạng thông tin này có thể được kết hợp một cách có hệ thống Lý thuyết tập mờ và logic mờ thiết lập một ánh xạ phi tuyến giữa dữ liệu số và thông tin ngôn ngữ liên kết

Logic mờ là một hệ logic tổng quát hoá dạng logic hai giá trị cổ điển cho việc lập luận dưới góc độ không chắc chắn Đây là hệ thống tính toán và suy luận gần đúng dựa vào một tập các lý thuyết và kỹ thuật để xây dựng nên các tập mờ là những lớp của đối tượng không có đường bao hình dạng Hai đặc trưng chính của logic mờ:

1 Một mô hình toán thể hiện tri thức của con người liên quan đến các khái niệm mập mờ

2 Một cơ chế tự nhiên và hiệu quả cho các giải pháp có tính hệ thống của các vấn đề phức tạp được mô tả bởi thông tin không chắc chắn và thiếu chính xác

Logic mờ khá phù hợp trong việc điều khiển một quá trình hoặc một hệ thống có tính phi tuyến hoặc quá phức tạp khi sử dụng các phương pháp điều khiển truyền thống Ngoài ra, logic mờ cho phép các kỹ sư điều khiển thực hiện các cơ chế điều khiển một cách có hệ thống của các chuyên gia

2.1.1 Biến ngôn ngữ

Biến ngôn ngữ đề cập đến những từ cũng như các giá trị của nó có tính chất biến đổi trong ngôn ngữ tự nhiên Nói cách khác, biến ngôn ngữ là các thuật ngữ ngôn ngữ, không lấy giá trị số và được mô tả một cách mập mờ bằng các từ Các từ như “rất nhỏ”,

“nhỏ”, “vừa”,… là những ví dụ về biến ngôn ngữ được sử dụng trong đời sống hằng ngày Những giá trị của biến ngôn ngữ đưa đến khái niệm về các tập mờ

Biến ngôn ngữ X là một ánh xạ từ không gian nền U vào một không gian con RX của tập số thực R

U : X →RX R ⊂ (2.4)

2.1.2 Tập mờ và hàm thuộc

2.1.2.1 Các khái niệm cơ bản

Tập cổ điển hay tập rõ là một tập có biên Tập rõ thích hợp với nhiều ứng dụng khác nhau và là một công cụ quan trọng của toán học và các khoa học khác Tuy nhiên, tập rõ không phù hợp với các bản chất và suy nghĩ của con người vốn trừu tượng và thiếu chính xác

Ngược lại, tập mờ là một tập không có biên rõ ràng Sự chuyển tiếp giữa mức thuộc về và không thuộc về một tập không xảy ra đột ngột Sự chuyển tiếp trơn này được biểu thị bằng các hàm thuộc có khả năng mô hình những biểu đạt bằng ngôn ngữ của con người một cách uyển chuyển

Cho X là không gian nền chứa tất cả các phần tử x trong một ứng dụng cụ thể Tập mờ S trong không gian nền X được định nghĩa như sau:

Trong đó, µS (x) được gọi là hàm thuộc của tập mờ S

Thông thường, một hàm thuộc chuẩn hoá µS (x) ánh xạ mỗi phần tử x thuộc S thành một độ liên thuộc trong khoảng đơn vị [0,1]

]1,0[:x ∈ S →

Hình 2.1 Hàm thuộc của các số âm, zero và dương

Tập mờ S hay hàm thuộc µS tương ứng là bình thường nếu tồn tại x∈U sao cho

S

α

S

+

|{ µ α

})(

|{ µ α

α + = >

x x

2.1.2.2 Các loại hàm thuộc

Các loại hàm thuộc thường được sử dụng nhiều nhất trong thực tế là: hàm thuộc tam giác, hàm thuộc hình thang, hàm thuộc Gauss và hàm thuộc hình chuông tổng quát hoá[2]

− Hàm thuộc tam giác:

],(,

],[,

),,

;

(

3 1

3 2 2

3 3

2 1 1

2 1

3 2 1

p p x

p p x p p

p x

p p x p p

p x

p p p

,,,

(

2 3

3 1 2

1 3

2 1

p p

x p p p

p x p

p p

x

Trong đó, các tham số p1, p2, p3 xác định toạ độ của x tại ba góc của tam giác

− Hàm thuộc hình thang

],(,

],(,1

],[,)

,,,

;

(

4 1

4 3 3

4 4

3 2

2 1 1

2 1

4 3 2 1

p p x

p p x p p

p x

p p x

p p x p p

p x

p p p p

,,,

;

(

3 4

4 1 2

1 4

3 2 1

p p

x p p p

p x p

p p p

x

Trong đó, những tham số [p1, p2, p3, p4] xác định các toạ độ x của bốn góc hình thang Trường hợp đặc biệt khi p1 = p2 và p3 = p4 thì hàm thuộc hình thang trở thành hàm thuộc

dạng chữ nhật và nó tương ứng với hàm đặc tính χ của tập rõ: giá trị của hàm thuộc bằng 1 đối với các phần tử thuộc tập và bằng 0 đối với các phần tử còn lại Hay nói cách khác, hàm thuộc hình chữ nhật là hàm thuộc của các khái niệm rõ

Một trường hợp đặc biệt khác của hàm thuộc hình thang là hàm thuộc tam giác Hàm thuộc hình thang thường dễ điều chỉnh hơn hàm thuộc tam giác vì nó có nhiều hơn một tham số Trong thực tế, hai dạng hàm thuộc này được dùng phổ biến hơn do việc tính toán chúng đơn giản Tuy nhiên, các dạng hàm thuộc này được hình thành từ các đoạn thẳng nên chúng không được trơn tại các điểm ghép [p1, p2, p3, p4] Do vậy, các hàm thuộc phi tuyến và phức tạp hơn như Gauss, hình chuông tổng quát hoá, hình sigmoid cũng được sử dụng để có sự chuyển biến trơn

− Hàm thuộc Gauss:

( ) 2 2

2

),

Các tham số [c,σ] xác định tâm và độ rộng của hàm thuộc

− Hàm thuộc hình chuông tổng quát hoá:

b

a

c x c

b a

1

1)

,,

;

(

−+

1

1)

,

;

( a x c

e c

2.1.2.3 Xây dựng hàm thuộc

Hàm thuộc đại diện các giá trị ngôn ngữ của một biến ngôn ngữ phải mô tả bản chất và tính chất của biến ngôn ngữ Các phương pháp xây dựng hàm thuộc có thể chia thành hai nhóm: phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp Cả hai nhóm này đều sử dụng kiến thức chuyên gia về các biến ngôn ngữ và các giá trị ngôn ngữ trong việc đặt vấn đề xây dựng hàm thuộc

Đối với các phương pháp trực tiếp, chuyên gia hoặc nhóm các chuyên gia ấn định một độ thuộc µS (x)của một giá trị x∈U vào giá trị ngôn ngữ S Chuyên gia có thể đưa ra một công thức toán học của một hàm thuộc phù hợp hoặc thông thường đưa ra những ví dụ về những giá trị của µS (x) đối với một vài giá trị x Trong trường hợp này, chuyên gia trả lời các câu hỏi như là “Độ thuộc của x trong S là gì?” hoặc “Phần tử nào có độ

được sử dụng để xây dựng các hàm thuộc bằng cách sử dụng một vài phương pháp điều chỉnh đồ thị Thỉnh thoảng, loại hàm thuộc được quyết định trước và các cặp {x,µS(x)}

được dùng để chọn các tham số của hàm thuộc

Đối với các phương pháp gián tiếp, chuyên gia thực hiện so sánh từng đôi một giữa các phân tử x1, x2, …, xn của tập nền U để xem xét chúng thuộc bao nhiêu trong tập S Thông thường, việc so sánh độ thuộc giữa các phần tử thuộc S dễ hơn việc đưa ra một độ thuộc thật sự cho mỗi phần tử như trong phương pháp trực tiếp Kết quả của các phép

so sánh này là một ma trận trong đó mỗi phần tử ( ) ( )

j S i S

Pij Sau đó những cặp giá trị {x,µS(x)} này được dùng để xây dựng hoàn chỉnh hàm thuộc cần thiết lập

2.1.3 Các phép toán trên tập mờ

Các phép toán phổ biến trên tập mờ bao gồm phép lấy bù, phép giao và phép hội Tất cả các phép toán này đều có nhiều cách biểu diễn toán học khác nhau [2]

2.1.3.1 Phép lấy bù:

Phần bù Sc của một tập mờ S có hàm thuộc như sau:

)(1)

Độ mờ trong tập S được xác định dựa trên hàm thuộc µS Khái niệm phần bù dẫn đến một cách đo chính xác về độ mờ Một tập S là mờ nếu và chỉ nếu giao của tập S với phần bù của nó là không rỗng Ngược lại, đối với các tập rõ, phần giao này là rỗng Xét trên khía cạnh hàm thuộc, tập S là mờ nếu min của µS (x) và µS c (x) khác 0 với mọi x hay nói cách khác nếu S là tập mờ thì min của µS (x) và 1-µS (x) phải khác 0 với mọi x

2.1.3.2 Phép giao của các tập mờ

Phép giao giữa các tập mờ có thể được biểu diễn theo nhiều công thức toán học khác nhau Phép toán Min là phép toán kinh điển trong việc thực hiện phép giao giữa các tập mờ Phép giao n icủa các tập mờ S

S =∩=1 i, i=1,…,n, là một tập mờ có hàm thuộc được cho bởi công thức sau:

}, ,min{

S

Trong đó:

i S

µ là hàm thuộc của tập mờ Si, i=1,…,n Phép min cũng là phép toán giao giữa các tập cổ điển Giao của hai tập mờ S1 và S2 có hàm thuộc được xác định theo phép toán min như sau:

X S

S S

n

i

k S

S S S

i S

i S i

n

e

e soft

1

1

}, ,min{ 1

µ

µ

µµ

µ

Trong đó k là tham số Phép min mềm tiến tới tiệm cận của phép min khi k→∞ Khi k quá nhỏ, phép toán min mềm tạo ra những kết quả không mong muốn tại những giá trị nhỏ của hàm thuộc

Phép kết hợp tích là một phép toán cho kết quả trơn đối với phép giao giữa hai tập mờ Hàm thuộc của tập mờ giao giữa các những tập mờ Si được định nghĩa như sau:

2.1.3.3 Phép hội giữa các tập mờ

Phép hội giữa các tập mờ cũng có nhiều cách mô tả khác nhau về mặt toán học Thông thường phép hội giữa các hai tập mờ được thực hiện bằng phép toán max Hàm thuộc của tập mờ n i được xác định như sau:

S= U =1

}, ,max{

S S

2.1.4 Luật hợp thành If-Then

Trong các hệ thống điều khiển mờ, tri thức con người được mô tả trong các luật mờ THEN Luật mờ IF-THEN là một phát biểu điều kiện được biểu diễn như sau:

IF-IF <Mệnh đề mờ> THEN <Mệnh đề mờ>

Mệnh đề mờ phía sau từ khoá IF được gọi là mệnh đề điều kiện và mệnh đề đứng sau từ khoá THEN được gọi là mệnh đề kết quả

2.1.4.1 Các loại mệnh đề mờ

− Mệnh đề mờ đơn

Mệnh đề mờ đơn là một phát biểu đơn nhất gồm chủ thể là biến ngôn ngữ và vị thể là giá trị của biến ngôn ngữ đó

X is A

Trong đó X là biến ngôn ngữ và A là giá trị ngôn ngữ của X (tập mờ)

− Mệnh đề mờ kép

Mệnh đề mờ kép là một kết hợp của nhiều mệnh đề mờ đơn bằng cách sử dụng các từ nối: AND, OR, và NOT tương ứng với các mô tả về phần giao, phần hợp và phần bù mờ

2.1.4.2 Phép suy diễn mờ

Trong logic cổ điển những quan hệ được mô tả qua các bảng chân trị Logic mờ cũng sử dụng nguyên tắc này để diễn dịch các quan hệ của nó Tuy nhiên, các phép toán logic được thay bằng các phép toán mờ AND, OR và NOT Gọi p là một quan hệ mờ được định nghĩa trên U =U1×U2× ×U n và q là quan hệ mờ được định nghĩa trên

n

V V

V

V = 1× 2× × và X, Y là các biến ngôn ngữ trên các không gian U và V tương ứng Khi đó, luật mờ IF p THEN q được diễn dịch như một quan hệ mờ Q trên U×V với hàm thuộc µQ ( y x, ) Luật mờ IF-THEN có thể được xem như một mệnh đề mờ hoặc một quan hệ mờ có dạng:

q p Q q or p not

− Phép suy diễn Godel

)()(,1),(

y x

y

y x

y x

q p

q

q p

µ µ

− Phép suy diễn Mamdami

{ ( ), ( )}min

),

)()

(),

2.1.4.3 Phép hợp thành

Cho P là quan hệ mờ trên không gian XxY và Q là quan hệ mờ trên không gian YxZ [6], [7] Hợp thành của P và Q là quan hệ mờ trên không gian XxZ có hàm thuộc được xác định như sau:

),(x z = y P x y Q y z ∀ ∈

),(x z = y P x y Q y z ∀ ∈

Q

2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỜ

Suy diễn mờ là quá trình ánh xạ từ một ngõ vào thành một ngõ ra sử dụng logic mờ Quá trình suy diễn mờ bao gồm tất cả các khái niệm về các hàm thuộc, luật IF-THEN và các phép toán mờ Các thành phần cốt lõi của một hệ thống mờ gồm: bộ mờ hoá, hệ suy diễn mờ, cơ sở luật mờ và bộ giải mờ (Hình 2.2)

Hệ suy diễn mờMờ hoá

Cơ sở luật mờ

Giải mờ x⊂U

µ(y)⊂Y µ(x)⊂U

y⊂V

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ

2.2.1 Mờ hoá

Mờ hoá là quá trình được định nghĩa như một ánh xạ từ một điểm mang giá trị thực

thành một tập mờ Dạng phổ biến của khâu mờ hoá là khâu mờ hoá hàm thuộc hình thang Trong đó x được ánh xạ thành một tập mờ A có hàm thuộc dạng hình thang Các tiêu chuẩn thiết kế khâu mờ hoá gồm:

n

U U

U

U

A'⊂

1 Tập mờ A phải có một giá trị liên thuộc rộng trên không gian nền x

2 Hàm thuộc sử dụng không quá phức tạp đối với phép toán suy diễn và giải mờ

2.2.2 Cơ sở luật mờ

Cơ sở luật mờ bao gồm các luật hợp thành IF-THEN kinh điển có dạng như sau:

IF x1 is A1(t) AND … AND xn is An(t) THEN y is B(t)

x x

x=( 1, 2, , n)T ∈

l∈1,2, ,

0)(

2.2.3 Hệ suy diễn mờ

Hệ suy diễn mờ có nhiệm vụ kết hợp và định giá trị các luật mờ IF-THEN trong cơ sở luật mờ Các luật IF-THEN được đưa ra bởi các chuyên gia Tất cả các thành phần khác của hệ mờ được sử dụng để thực hiện các luật này trong một hệ thống hiệu quả và hợp lý

Trong hệ suy diễn mờ, các luật IF-THEN được kết hợp lại để thực hiện một ánh xạ từ các tập mờ trong không gian vào U =U1 ×U2 × ×U n =U ⊂R n thành các tập mờ trong không gian ngõ ra V ⊂R Một cơ sở dữ liệu liên quan đến hệ suy diễn mờ định nghĩa các hàm thuộc được sử dụng trong các luật mờ Việc kết hợp các luật mờ có thể xem như một ánh xạ từ tập mờ A'⊂U thành tập mờ B'⊂V[3]

Trong nhiều ứng dụng thực tiễn, các cơ sở luật mờ thường gồm nhiều luật mờ Thực tế có hai cách suy diễn một tập các luật mờ: phép suy diễn dựa trên sự hợp nhất và phép suy diễn dựa trên từng luật riêng rẽ

Phép suy diễn dựa trên cơ sở hợp nhất: tất cả các luật mờ trong cơ sở luật mờ được kết hợp thành một quan hệ mờ đơn nhất trong U×V

Phép suy diễn dựa trên từng luật mờ đơn lẻ thì mỗi luật mờ trong cơ sở luật mờ xác định một tập mờ ở ngõ ra Ngõ ra của hệ suy diễn mờ là sự kết hợp của M tập mờ riêng lẽ bằng phép hội hoặc phép giao

Hình 2.3 Mô hình hệ suy diễn mờ Mamdani

Hệ suy diễn mờ Mamdami sử dụng cơ chế suy diễn dựa trên từng luật mờ đơn lẻ Hình 2.3 minh hoạ một phương thức xác định ngõ ra y khi được đưa vào một ngõ vào x của hệ thống suy diễn mờ Mamdami luật đơn

Giả thiết 1 (thực tế): x is A’ (tập mờ A'⊂ X)

Giả thiết 2 (luật): IF x is A THEN y is B (Quan hệ mờ A→B trong không gianX×Y) Kết luận: y is B’ (tập mờ B'⊂Y)

Tác động của đầu vào thực tế A’ lên hệ là phép hợp thành sẽ cho ở đầu ra là một tập mờ trên không gian nền Y ký hiệu B’ (Hình 2.3)

)(

('

V

2.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THÔNG

2.3.1 Chu kỳ tín hiệu giao thông

Chu kỳ tín hiệu giao thông chuẩn tại một giao lộ bao gồm pha đỏ, pha xanh và pha vàng được kích hoạt một cách tuần tự theo thời gian để điều khiển lưu lượng giao thông Pha vàng được kích hoạt khi tín hiệu chuyển từ pha xanh về pha đỏ Thông thường, khoảng thời gian của pha vàng cố định Khoảng thời gian của pha đỏ và pha xanh được xác định thông qua các điều kiện lưu thông hiện hữu

Về cơ bản, hai loại hệ thống điều khiển đèn giao thông được sử dụng Loại thứ nhất sử dụng một chu kỳ thời gian đặt trước để thay đổi tín hiệu đèn Loại điều khiển thứ hai kết hợp chu kỳ thời gian đặt trước với các cảm biến trạng thái gần cho phép kích hoạt một sự thay đổi chu kỳ thời gian hoặc các đèn Trường hợp đường phố với lưu lượng

giao thông nhỏ có thể không cần chu kỳ đèn xanh đều đặn, các cảm biến trạng thái gần sẽ kích hoạt một sự thay đổi đèn tín hiệu khi có xe cộ hiện diện Loại điều khiển này phụ thuộc vào sự hiểu biết về tình trạng lưu lượng giao thông tại giao lộ để có thể thiết lập các chu kỳ thời gian cho tín hiệu và đặt các cảm biến trạng thái gần tại giao lộ một cách hợp lý

Điều khiển đèn giao thông mờ khác biệt rất nhiều so với điều khiển đèn giao thông thông thường và có thể được sử dụng cho những tình huống giao thông rộng hơn tại một giao lộ Hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng logic mờ sử dụng các cảm biến để đếm số phương tiện giao thông thay vì sử dụng các cảm biến trạng thái gần để chỉ sự hiện diện của chúng Điều này cho phép bộ điều khiển có thể điều khiển theo mật độ giao thông trong các làn đường và cho phép đánh giá theo sự thay đổi tình trạng giao thông tốt hơn Khi sự phân bố giao thông dao động thì bộ điều khiển mờ có thể thay thay đổi tín hiệu đèn theo cho phù hợp

2.3.2 Nguyên tắc điều khiển giao thông

2.3.2.1 Giao lộ độc lập

Mạng lưới giao thông là một mạng phức tạp bao gồm nhiều đoạn được liên kết với nhau qua các giao lộ Về nguyên tắc, giao lộ có thể gồm nhiều đoạn đường nối kết lại với nhau và được liên kết với nhiều giao lộ khác xung quanh Việc điều khiển tín hiệu giao thông trên giao lộ này sẽ có một sự tác động nhất định đến các giao lộ khác Tuy nhiên, trong khuôn khổ đề tài này không xét đến các yếu tố ảnh hưởng của các giao lộ kế cận Hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông được thiết kế cho một giao lộ độc lập, không tính đến các ảnh hưởng của các giao lộ khác Hệ thống thiết kế dựa trên một số giả định như sau:

1 Giao lộ gồm bốn lối đi: lối 1, 2, 3 và 4 tương ứng với các hướng lưu thông Bắc, Đông, Nam và Tây

2 Với mỗi hướng, tín hiệu xanh cho phép rẽ trái, đi thẳng và rẽ phải Tín hiệu đỏ báo hiệu dừng các phương tiện lưu thông Để tránh xung đột, giữa khoảng thời gian tín hiệu xanh và tín hiệu đỏ được chèn thêm tín hiệu vàng

3 Lưu lượng giao thông trên mỗi lối đi là ngẫu nhiên và độc lập với nhau

2.3.2.2 Nguyên tắc điều khiển tín hiệu giao thông

Cơ chế điều khiển lưu thông hiệu quả khi lưu lượng giao thông được cân bằng Phương tiện giao thông ở lối đi có lưu lượng nhiều hơn được quyền băng qua giao lộ trong khoảng thời gian dài hơn so với các phương tiện trên lối đi có lưu lượng ít hơn Khi lưu lượng trên các lối đi bằng nhau thì khoảng thời gian tương ứng để được phép băng qua đường là như nhau

Vấn đề chính của quản lý giao thông thường được tập trung vào sự chuyển động của các phương tiện giao thông Động cơ giới thiệu hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông sớm nhất là việc đảm bảo an toàn tại các giao lộ bằng cách giữ cho việc xung đột giữa các luồng giao thông không xảy ra Ngày nay, việc thiết kế tín hiệu giao thông có thể được xem như một thước đo tiêu chuẩn hoạt động của một giao lộ Vì vậy, việc giảm độ trễ, số lần dừng, mức độ tiêu hao nhiên liệu, ô nhiễm tiếng ồn, các chi phí vận hành phương

tiện giao thông, chiều dài hàng đợi, việc tăng số lượng khách bộ hành, xe hai bánh và các phương tiện vận tải công cộng cũng như tính an toàn đang làm phát sinh nhiều vấn đề cần giải quyết

Thông thường, thước đo chính trong việc xác định tính hiệu quả của việc điều khiển tín hiệu giao thông là việc giảm thời gian trễ và số lần dừng của các phương tiện giao thông Các khía cạnh khác như tính thuận tiện và an toàn cho khách bộ hành, độ ưu tiên xe buýt thường được kết hợp vào trong hệ thống sau đó theo sự phát triển cũng như căn cứ vào thực tế yêu cầu trên đường, nhưng thường không được sử dụng như một thước đo để đánh giá tính hiệu quả trong việc phát triển và tối ưu hệ thống điều khiển tín hiệu

Điều khiển nhóm tín hiệu được sử dụng như nguyên lý điều khiển phổ biến tại các quốc gia Bắc Âu và gần đây nó cũng đã được mở rộng sang các quốc gia khác Điều khiển nhóm tín hiệu linh động hơn điều khiển pha tín hiệu và vì thế, nó có thể thích nghi tốt hơn với các điều kiện giao thông Trong điều khiển pha, các nhóm tín hiệu được chia thành một số pha Mỗi nhóm tín hiệu thuộc về ít nhất một pha Các pha được đặt theo tuần tự, với một thời gian đèn xanh tối thiểu cho mỗi pha Với điều khiển nhóm tín hiệu, các pha không được định nghĩa theo cách thông thường này, nhưng thay vào đó, chúng được tượng trưng bằng các hình ảnh pha sơ cấp Bộ điều khiển hình thành các hình ảnh pha thứ cấp theo thời gian thực từ các hình ảnh pha sơ cấp này Các khoảng thời gian của tín hiệu xanh chỉ được cho đối với mỗi nhóm tín hiệu, cho phép những sự chuyển dịch nhanh giữa các hình ảnh pha Mỗi nhóm tín hiệu hoạt động riêng lẽ, và hướng đến xanh khi được yêu cầu bởi việc lưu thông và được phép bởi các nhóm khác Trong điều khiển nhóm tín hiệu, điều quan trọng là việc kiểm tra sự xung đột giữa các nhóm, không thể để cho các nhóm cùng phát tín hiệu xanh tại cùng thời điểm và cũng chỉ có một biên thời gian hiệu đủ để giữa các nhóm không xung đột Khi có thời gian tín hiệu xanh bắt đầu, một nhóm tín hiệu sẽ xác định thời gian đèn xanh của chính nó theo các mode điều khiển và tín hiệu mở rộng

Điều khiển nhóm tín hiệu ở mức cục bộ thường cho là một chiến lược điều khiển phi tập trung Phương pháp này khó xử lý về mặt toán học hơn cách điều khiển pha cố định truyền thống Điều này bởi vì điều khiển nhóm tín hiệu tự do hơn làm cho các tác động qua lại khó mô hình hơn so với điều khiển pha Vì lý do này, các bộ định thời nhóm tín hiệu hiện có đều dựa trên các giải thuật logic khá đơn giản như nguyên lý mở rộng

2.3.2.3 Phương pháp điều khiển định thời cố định

Phương pháp điều khiển đơn giản nhất sử dụng các chu kỳ thời gian cố định đặt trước Chu kỳ thời gian tối ưu thường được tính theo công thức Webster, trong đó tối thiểu hoá tổng các khoảng trễ cho một điều kiện giao thông biết trước Chu kỳ thời gian tối ưu được chia sẽ với các khoảng thời gian tín hiệu xanh theo các mức chiếm giữ của mỗi pha Công thức Webster như sau:

F C

max1

55

Trong đó:

C: chu kỳ thời gian tối ưu (s)

F: tổng các khoảng thời gian mất mát (s)

qi: lưu lượng giao thông trên mỗi hướng tại pha thứ I (số lượng xe/h)

si: lưu lượng bão hoà của mỗi hướng tại pha thứ I (số lựơng xe/h)

2.3.2.4 Phương pháp điều khiển theo lưu lượng xe

Trong nhiều trường hợp, đối với các giao lộ cô lập, điều khiển thời gian cố định không được sử dụng và được thay bằng điều khiển theo lưu lượng hiện thời của các phương tiện lưu thông Điều khiển theo lưu lượng của các phương tiện giao thông truyền thống cho một giao lộ độc lập thực hiện hiệu chỉnh các khoảng thời gian tín hiệu xanh một cách liên tục và thỉnh thoảng hiệu chỉnh thứ tự pha Nhược điểm chính của giải thuật điều khiển này là chỉ xem xét lưu lượng xe trên hướng tín hiệu xanh và không tham chiếu đến lượng xe đang đợi trên hướng tín hiệu đỏ

Từ cuối tập niên 70, kỹ thuật LHOVRA được phát triển từ sự khởi đầu bằng thực nghiệm bởi trung tâm giám sát đường bộ quốc gia Thuỵ Điển sau đó đến kỹ thuật ít nhiều được tiêu chuẩn tại các giao lộ điều khiển tín hiệu trên các đường cao tốc tại Bắc Âu Kỹ thuật LHOVRA dựa trên sự chọn lọc việc mở rộng tìm kiếm kẽ hở truyền thống Kỹ thuật này xét đến thông tin nhiều hơn về thành phần, tốc độ, mật độ xe dọc theo một quãng đường dài hơn nhiều so với thông tin được xét đến trong phương pháp truyền thống Điều này đạt được bằng cách sử dụng nhiều bộ cảm biến nhận dạng được đặt cách nhau khoảng 200-300m trên mỗi làn đường [14]

2.3.2.5 Phương pháp điều khiển thích nghi dựa trên tối ưu toán học

Với sự xuất hiện của các bộ điều khiển vi xử lý, các giải thuật điều khiển cao hơn dựa trên các mô hình toán học được phát triển Các hàm tối ưu được chọn nhằm đạt đến mục tiêu định trước mà thường là cực tiểu các khoảng thời gian trễ của các phương tiện giao thông Miller (1963) đề nghị một cơ chế tự tối ưu dựa trên tiêu chuẩn cực tiểu tổng các khoảng trễ các phương tiện xe cộ Theo mô hình này, việc quyết định mở rộng một pha được thực hiện tại các khoảng đều nhau bằng cách xem xét hàm điều khiển

Hàm Miller mô tả sự khác nhau trong các khoảng trễ của các phương tiện giao thông tính bằng giây giữa độ lợi có được bởi việc tăng thêm lượng xe vuợt qua giao lộ trong khoảng thời gian mở rộng và khoảng thời gian mất mát đối với lượng xe chờ trên giao lộ trong khoảng thời gian mở rộng đó:

NS NS

S S S S

S

N N N N

N S N

q q

n n h

l r a

s q

s q

s q

s q T

1 1

)(

1

1

1

1 δ δδ

δ

(2.38)

Trong đó:

T: hàm điều khiển, sự sai khác khoảng trễ (s)

h: khoảng mở rộng ước lượng (s)

I

δ : số lượng xe mong đợi vượt qua trong suốt khoảng mở rộng h(s)

qI: lưu lượng xe đến trong h(s) kế tiếp (xe/s)

sI: lưu lượng bảo hoà trong h(s) kế tiếp (xe/s)

a: chiều dài thời gian pha xanh (s)

rI: chiều dài thời gian của pha đỏ kế tiếp (s)

lI: khoảng thời gian mất mát do tăng tốc sau khi kết thúc pha đỏ (s)

nI: số xe đợi trên làn đường đỏ

KI: thời gian giải phóng hàng đợi (s)

I: chỉ số làn đường (N(Bắc), S(Nam), W(Tây), E(Đông))

Bång (1976) đã phát triển hệ thống TOL (Traffic Optimisation Logic) dựa trên các kết quả của Milller như sau:

)(

)(

)(

Bp p Bv v Bp p Bb b Bv v

Ap p Av v Ap p Ab b Av v A

A

n b n b n

a n a n a h

b b

a a

a r

∆+

∆

−+

+

−

−+

++

+

φ

(2.39) Trong đó:

A

φ : hàm điều khiển

rA: khoảng thời gian cho đến khi pha A phát tín hiệu xanh trở lại nếu nó bị chấm dứt đột ngột

a: chi phí do trễ

δ : số lượng xe hơi (v), buýt (b), khách bộ hành (p), …tăng thêm có thể vượt qua

giao lộ nếu tín hiệu xanh được mở rộng thêm h (s)

b: chi phí vận hành cho một xe để phục hồi lại tốc độ bình thường sau khi dừng hoàn toàn

h: khoảng thời gian giữa các lần tính toán của hàm điều khiển

n: số lượng xe xếp hàng trên mỗi làn khi có tín hiệu đỏ được phép tăng lên một khoảng h(s), nếu tín hiệu xanh hiện hành được mở rộng

∆n: số xe bị dừng hoàn toàn tăng thêm nếu tín hiệu xanh hiện hành được mở rộng h(s)

Hệ thống MOVA, được phát triển bởi Phòng Nghiên Cứu Giao Thông Anh, được ứng dụng trong điều khiển giao thông tại các giao lộ cô lập dựa vào tối ưu toán học MOVA sử dụng hai bộ cảm biến nhận dạng xe trên mỗi làn xe, cảm biến thứ nhất được đặt cách 40m và cảm biến thứ hai được đặt cách 100m trước vạch dừng Ban đầu, mỗi làn nhận đủ tín hiệu xanh để giải phóng hết hàng xe xếp hàng phía sau bộ cảm biến 40m Cơ chế điều khiển của MOVA là kết hợp tối ưu toán học và giải thuật thử và sai Khi một pha bắt đầu phát tín hiệu, 4 bước liên tiếp sau được thực hiện:

Trên mỗi pha có một khoảng thời gian xanh tối thiểu (thường khoảng 7s) và trên mỗi nhóm tín hiệu cũng có một khoảng thời gian xanh tối thiểu

Sự thay đổi thời gian tín hiệu xanh được xem xét dựa trên lượng xe giữa bộ cảm biến thứ nhất và vạch dừng

Pha xanh được giữ trong lúc làn đường tương ứng đang giải phóng lưu lượng bão hoà Để kiểm tra lưu lượng bão hoà, MOVA kiểm tra khoảng trống hiện thời và thỉnh thoảng kiểm tra tổng của khoảng trống hiện thời và khoảng trống trước đó để tránh các giá trị khoảng trống tới hạn

Khi điểm cuối của lưu lượng bão hoà được nhìn thấy trên tất cả các hướng tương ứng, quá trình tối ưu sẽ bắt đầu Lý do việc chờ để bắt đầu quá trình tối ưu cho đến khi kết thúc lưu lượng bão hoà trên mỗi hướng là kết quả mô phỏng TRL chỉ ra rằng thời gian trễ cực tiểu thường đạt được nếu việc giải phóng lưu lượng bão hoà nhận đủ thời gian tín hiệu xanh để xoá bỏ hoàn toàn hàng đợi Giải thuật tối ưu dựa trên công thức Miller nhưng phức tạp hơn Trong quá trình tối ưu, MOVA sử dụng một mô hình giao thông rất nhỏ Vị trí của mỗi xe được dự đoán nằm giữa bộ cảm biến 100m và vạch dừng Cứ mỗi

½ giây, MOVA thực hiện 1 tính toán xem xét tổng độ trễ có được cực tiểu nếu tình trạng hiện thời tiếp tục là tín hiệu xanh trong khoảng 0,5s, 1,0s, 1,5s, … MOVA nhận ra các điều kiện quá bão hoà một cách tự động, và, thay vì dùng giải thuật Miller, một giải thuật cực đại dung lượng thử và sai được sử dụng

Kronborg et al (1997) đã phát triển hệ thống điều khiển SOS (Điều khiển tín hiệu tự tối ưu: Self Optimizing Signal Control) ở Thuỵ Điển và đã được thử nghiệm trên thực địa Sau khi pha xanh bắt đầu, phương pháp SOS bắt đầu tính chi phí độ trễ, dừng, ô nhiễm môi trường và độ an toàn đối với việc thay đổi pha đỏ Các tính toán được thực hiện bằng hàm chi phí Các chi phí này được so sánh với các chi phí tương ứng khi các pha đỏ đợi pha xanh Các tính toán dựa trên sự ước lượng giao thông trong tương lai gần (0.5-20s) và được thực hiện bằng mô hình giao lộ với các điều kiện giao thông Nếu việc tiếp tục pha hiện thời có chi phí thấp hơn tại một vài điểm trong tương lai, thì pha này sẽ không thay đổi Ngược lại pha này sẽ được thay đổi Các tính toán và dự đoán được cập nhật hai lần trong mỗi giây Hàm này cũng mô tả sự khác nhau giữa độ lợi có được bằng cách tăng thêm lượng xe chạy qua giao lộ trong khoảng thời gian mở rộng và lượng tiêu tốn đối với lượng xe xếp hàng chờ trong khoảng thời gian mở rộng đó [14]

2.3.2.6 Kết luận

Khó khăn của tiến trình điều khiển giao thông nằm ở chỗ nó phải được lặp lại với các khoảng thời gian rất ngắn Thứ hai, vì các điều kiện giao thông trong tương lai gần không thể ước lượng được một cách chính xác, hành động điều khiển dựa trên tối ưu chỉ cho trạng thái hiện thời; kết quả là các hành động điều khiển riêng lẽ không mạng lại các điều kiện tối ưu cần thiết trong dài hạn Thứ ba, các bộ cảm biến nhận dạng không thể cảm nhận chi tiết các điều kiện hiện hành trên mỗi hướng Ví dụ như từng loại xe và tốc độ của nó Khi giao lộ phức tạp về mặt thiết kế hình học, phân tuyến, và các loại xe được điều khiển, quá trình điều khiển phải xem xét nhiều đối tượng xung đột lẫn nhau và tính an toàn là yêu cầu quan trọng nhất

Theo thực tiễn từ sự điều khiển SOS, vấn đề chính của điều khiển tối ưu là số bộ cảm biến khá lớn, sự khó khăn trong việc tìm hiểu quá trình điều khiển và các thông số của nó, và độ nhạy của sai số bộ cảm biến

Trọng số của các đối tượng cũng là một vấn đề Điều khiển tín hiệu liên quan đến một vấn đề đa đối tượng và đa ràng buộc phức tạp trong đó vấn đề tối ưu thực hiện dựa trên thông tin cận kề là chính Tất cả điều này đồng nghĩa với việc tính phức tạp của hệ thống tăng lên, khả năng thực hiện chính xác và các phát biểu quan trọng về hành vi của nó giảm xuống, tính quan trọng và tính phức tạp gần như trở thành các đặc tính loại trừ lẫn nhau Điều này là sự thật trong điều khiển tín hiệu giao thông đặc biệt là tại các

giao lộ phức tạp Giải pháp tốt hơn sẽ là một cơ chế suy nghĩ của con người với các giá trị mờ của biến ngôn ngữ [14]

2.4 FPGA

2.4.1 Giới thiệu

FPGA (Field programmable gate arrays) là sản phẩm dung hoà giữa một bên là những thiết bị ASICs cứng nhắc, tốc độ cao và công suất thấp, và một bên là những bộ vi xử lý linh động nhưng tiêu thụ công suất cao hơn và tốc độ chậm hơn FPGA là một loại thiết

bị có thể lập trình, được phát triển từ các thiết bị có thể lập trình sớm hơn như PROM (Programmabl Read-Only Memory), PLD (Programmable Logic Device) và MPGA (Mask Porgrammble Gate Array) FPGA là một IC (Integrated Circuit) chứa một dãy các tế bào (cell) có thể lập trình được Mỗi tế bào có thể được cấu hình để lập trình cho một hàm logic bất kỳ Các tế bào được nối với nhau bằng cách sử dụng các tế bào nhớ truy xuất ngẫu nhiên tĩnh (SRAM: Static Random Access Memory) có thể xoá bằng điện và cấu hình lại để thay đổi cấu trúc kết nối bên trong của FPGA Giống như một chương trình phần mềm xác định các hàm được thực thi bởi vi xử lý, cấu hình của FPGA xác định chức năng của nó Các hàm mới có thể được lập trình vào FPGA bằng cách tải xuống một cấu hình mới, tương tự như cách một vi xử lý có thể được lập trình lại bằng cách tải xuống một mã phần mềm mới Tuy nhiên, ngược lại với các chức năng của vi xử lý, FPGA chạy trong phần cứng, do vậy, không có các lệnh liên quan của phần mềm

ở phía trên Điều này làm cho FPGA có tốc độ nhanh hơn và tiêu thụ công suất ít hơn các bộ vi xử lý

FPGA cung cấp một phương pháp mới để thực hiện các mạch ASIC (Application Speccific Integrated Circuit) với cả hai khía cạnh nổi bật là mật độ tích hợp lớn và khả năng lập trình đối với người sử dụng Thời gian quay vòng ngắn và chi phí sản xuất thấp đã làm cho công nghệ FPGA trở nên phổ biến trong việc thực hiện mẫu các hệ thống nhanh và các sản phẩm cỡ nhỏ đến trung bình Các lợi thế của FPGA là có thể cấu hình dễ dàng và với một số lượng lớn các core cứng cho bộ nhớ, quản lý clock và I/O được phát triển kết hợp với các core mềm linh động, FPGAs cung cấp một khả năng linh động cao cho việc phát triển các hệ thống có thể lập trình được Mặc dù, thiết kế ASIC vẫn là sự lựa chọn bắt buộc và có chi phí thấp nhất đối với các sản phẩm cỡ lớn, nhưng việc cấu hình lại trong các tầng thực hiện mẫu không dễ dàng FPGA cung cấp một khả năng lập trình phần cứng và khả năng linh động để nghiên cứu nhiều thiết kế mới trong các kiến trúc phần cứng Khái niệm hệ thống trên chip (SoC: System on chip) có thể dễ dàng đạt được với việc cấu hình phần cứng Khi một thiết kế hoàn thiện, thiết kế FPGA có thể được chuyển một cách dễ dàng thành hệ thống trên một một chip để sản xuất đồng loạt Việc tăng tính phức tạp của FPGAs trong những năm gần đây làm cho nó có thể thực hiện các hệ thống phần cứng phức tạp hơn mà trước đây cần phải dùng ASIC Tóm lại, FPGAs là một dạng logic có thể lập trình được, cho phép một sự linh động trong thiết kế giống như phần mềm, nhưng tốc độ thực thi gần với mạch ASICs Với khả năng được tái cấu hình với số lần không hạn chế sau khi được sản xuất, trước đây, FPGAs thường được sử dụng như một công cụ thực hiện mẫu cho các nhà thiết kế phần cứng Tuy nhiên, khi sự phát triển các dung lượng tích hợp sẵn của FPGAs tăng theo thời

gian thì việc sử dụng chúng trong các ứng dụng tính toán cho phép thay đổi cấu hình cũng dần gia tăng

Mặc dù, FPGA cho phép một khả năng thực thi cao hơn so với các bộ xử lý có thể lập trình được, chúng vẫn còn nhiều bất cập khi so sánh với ASICs như việc phải cần đến khoảng ít nhất 20 transistor để thực hiện một việc mà ASIC chỉ làm với một transistor Điều này thêm vào sự chậm trễ và làm tăng công suất tiêu thụ trong thiết kế Thêm vào đó, FPGAs nhạy cảm hơn đối với cách thực hiện mã lập trình và thực hiện thiết kế Trong nhiều trường hợp, việc cải tiến cơ bản trong cách thực hiện mã lập trình có thể cải thiện khả năng thực thi từ 10% đến 100% Do vậy, đối với các thiết kế tốc độ cao và phức tạp, FPGA hiện tại vẫn còn chậm và tiêu hao nhiều công suất

Trong thời gian gần đây, công nghệ FPGA phát triển rất mạnh Mật độ tích hợp trên chip được tăng lên đáng kể và kích thước chip ngày càng nhỏ gọn Các thiết bị hiện tại trung bình chứa khoảng từ 200 ngàn đến hàng triệu cổng logic tương đương cộng với khoảng từ 100 ngàn đến hàng triệu bit RAM tĩnh Do vậy, các ứng dụng trên FPGA ngày càng phong phú và đa dạng [19] , [20]

2.4.2 Kiến trúc FPGA

Về mặt vât lý FPGAs bao gồm một dãy các phần tử không liên kết có thể được nối liền với nhau theo một cách chung và có thể lập trình được bởi người sử dụng Mỗi FPGA phải bao gồm ba khối cơ bản để đạt được một khả năng cấu hình lại bao gồm: các khối logic (logic block), các tài nguyên liên kết (interconnection) và các tế bào I/O (I/O cell) Những mạch logic số thiết kế bởi người sử dụng được thực hiện trên FPGA bằng cách chia logic thành các khối logic riêng biệt được định tuyến một cách phù hợp qua các tài nguyên liên kết Các chuyển mạch có thể lập trình được đặt xuyên qua các tài nguyên liên kết chỉ ra cách các khối logic và các tế bào I/O khác nhau được định tuyến chung với nhau Các tế bào I/O chỉ đơn giản là những phương tiện cho phép các tín hiệu lan truyền vào và ra của FPGA giao tiếp với phần cứng bên ngoài

Horizontal Routing Channel

Configurable Logic Block

Các khối logic, tài nguyên liên kết và tế bào I/O chỉ đơn thuần là các thuật ngữ chung được sử dụng để mô tả một FPGA bất kỳ, vì cấu trúc thật sự và kiến trúc của các thành phần này khác nhau tuỳ thuộc vào nhà sản xuất Cụ thể, Xilinx thường chế tạo họ FPGA dựa trên SRAM; sở dĩ gọi như vậy vì các tài nguyên có thể lập trình được đối với loại này của FPGA được điều khiển bằng các tế bào RAM tĩnh

Kiến trúc cơ bản của các FPGA hãng Xilinx được mô tả trong hình 2.4 và 2.5 Nó bao gồm một dãy hai chiều các khối logic có thể lập trình, được đề cập như những khối logic có thể cấu hình được (CLBs: Configurable Logic Blocks) Tài nguyên liên kết bao gồm các kênh định tuyến ngang và dọc được đặt tương ứng giữa các hàng và các cột của những khối logic Kiến trúc tế bào I/O thuộc quyền sở hữu của Xilinx chỉ đơn giản là một khối xuất nhập (IOB: Input/ Output Block)

Hình 2.5 Kiến trúc các khối trong một FPGA của Xilinx

CLB và các kiến trúc định tuyến khác nhau đối với mỗi thế hệ và mỗi họ FPGA của hãng Xilinx Ví dụ hình 2.6 mô tả kiến trúc của một CLB từ họ FPGAs Virtex-E của hãng Xilinx, trong đó chứa 4 tế bào logic (LC: logic cell) và được tổ chức thành hai phần tương tự nhau (slice) Mỗi LC bao gồm 1 bảng tra 4 ngõ vào (LUT: Look Up Table), chuyên dùng cho các logic tìm trước số nhớ nhanh trong các hàm số học và các phần tử lưu trữ (ví dụ: Flip-Flop) Ngược lại, một CLB từ họ FPGAs Vertex-II của Xilinx chứa nhiều hơn hai lần số logic so với một CLB Virtex-E Mỗi CLB Vertex-II chứa 4 slice, mỗi slice chứa 2 bộ LUT 4 ngõ vào, logic số nhớ, các cổng logic số học, các bộ ghép kênh chức năng mở rộng và hai phần tử nhớ [19], [20]

X LUT

DSPQ RC CE

XB YB

LUT

D SP Q

RC

CE BY

G1 G2 G3

G4

YQ Y

XB YB

Hình 2.6 Cấu trúc một khối CLBs của hãng Xilinx

Kiến trúc tế bào I/O thuộc quyền sở hữu của Xilinx chỉ đơn giản là một khối xuất nhập (IOB: Input/ Output Block) (Hình 2.7) Những khối này có chức năng tạo các ngõ ra giao tiếp kết nối giữa các khối bên trong với các chân ra trên chip

Hình 2.7 Kiến trúc khối I/O trên FPGA của hãng Xilinx

2.4.3 Phát triển ứng dụng trên FPGA

Thuận lợi của các chip VLSI chuyên dụng là tốc độ thực thi nhanh và chi phí sản xuất thấp Đối với loại chip này, một khi mặt nạ được tạo ra thì hàng triệu chip có thể được sản xuất với chi phí rất thấp Bất lợi trong việc thiết kế chip VLSI chuyên dụng là thời gian tạo ra chip đầu tiên và nhận phản hồi thiết kế thường kéo dài hàng tháng và nếu thiết kế không đúng thì chip không tốt và phải loại bỏ Thuận lợi của FPGA là thời gian lập trình ngắn thường chỉ khoảng vài giây, vì thế nếu một thiết kế sai thì việc sửa chương trình và lập trình lại tương đối dễ dàng Ngoài ra, nếu các ứng dụng không yêu cầu số lượng nhiều thì FPGA tương đối rẻ Tuy nhiên, FPGA thực thi chậm hơn chip VLSI chuyên dụng

Thật ra FPGA là một chip có thể lập trình được, nghĩa là bộ điều khiển sẽ thực thi như một mạch tích hợp chuyên dụng (ASIC) Khi một phần cứng được làm chuyên biệt cho một ứng dụng thì thiết kế có thể thực thi nhanh hơn các bộ vi xử lý cho mục đích tổng quát nghĩa là thực thi từ phần mềm được nạp vào trong đó FPGA được xây dựng từ các khối logic kết hợp (CLB) Những khối này được xây dựng từ một mảng các cổng NOT, AND và OR số Các CLB được thực hiện trên tất cả các chip FPGA và thường được sử dụng để thực hiện các phương trình luận lý bất đồng bộ bên trong chip So với chip vi xử lý dùng trong các hệ thống mờ thì FPGA có các lợi điểm chính như sau:

1 FPGA có khả năng lập trình lại khi chúng đang làm việc

2 Bộ điều khiển mờ sử dụng FPGA là một phần cứng bán chuyên dụng

3 FPGA thực thi nhanh hơn và tiêu tán công suất ít hơn so với chip vi xử lý

FPGA được lập trình bằng phần mềm hỗ trợ và cáp nạp được nối vào máy chủ Một khi chúng được lập trình, chúng có thể được ngắt khỏi máy tính và vẫn duy trì chức năng của chúng cho đến khi nguồn được ngắt hoàn toàn khỏi chip Một loại chip ROM được nối đến các ngõ vào có thể lập trình của FPGA cũng có thể lập trình cho FPGA khi cấp nguồn Điều này có nghĩa là khi một board mạch được đặt ở một nơi xa, thì chip có thể vẫn được giữ cho thực thi trong khi đó người thiết kế có thể cập nhật lại thiết kế tại phòng thí nghiệm Một khi thiết kế được cập nhật, người thiết kế có thể lập trình trên một ROM khác và mang nó ra thực địa để thay thế cho chip ROM cũ khi cấp nguồn lần kế tiếp thì chip sẽ được lập trình lại với thiết kế mới

Một khía cạnh khác của việc có thể được lập trình nóng là không cần thời gian thoát khỏi hệ thống Nếu một vi xử lý cần lập trình lại thì toàn bộ hệ thống phải ngừng hoạt động FPGA có thể được lập trình khi chúng đang thực thi vì thời gian lập trình lại chỉ chiếm khoảng vài micro giây Với khoảng thời gian ngắn này, hệ thống thậm chí không biết là chip được lập trình lại và có thể có một khoảng thời gian chờ nhỏ nhưng hệ thống không phải ngừng hoạt động

Chương 3 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ

3.1 MÔ HÌNH TỔNG THỂ HỆ THỐNG

Hệ thống điều khiển mờ đèn tín hiệu giao thông gồm một bộ điều khiển mờ thông thường và bộ giao tiếp điều khiển đèn tín hiệu giao thông [16] Bộ điều khiển mờ gồm có ngõ vào là lưu lượng giao thông theo hai hướng và ngõ ra là thời gian đèn xanh trên mỗi hướng thay đổi theo lưu lượng giao thông hiện thời Về tổng thể, bộ điều khiển mờ được thiết kế gồm hai ngõ vào và hai ngõ ra Hai ngõ vào được lấy từ lưu lượng trên bốn hướng Bắc-Nam và Đông-Tây Hai ngõ ra là thời gian pha đèn xanh trên hướng Bắc-Nam và hướng Đông-Tây Các ngõ ra này được đưa đến bộ giao tiếp điều khiển đèn tín hiệu giao thông

Hình 3.1 mô tả bộ điều khiển tín hiệu giao thông cơ bản gồm có bốn ngõ vào rõ (i=1,

2, 3, 4) tương ứng với các điều kiện của lưu lượng giao thông ở bờ Bắc, bờ Nam, bờ Đông và bờ Tây của một giao lộ Các đầu ra của bộ lấy giá trị cực đại được nhập vào mạch thực hiện hàm thuộc (MFC:membership function circuit) Mạch này sẽ tạo ra các tập mờ thích hợp theo yêu cầu của các phép suy luận mờ trong hệ suy diễn mờ Sau đó, toàn bộ tập mờ kết quả có được từ hệ suy diễn mờ được giải mờ để cho ra giá trị rõ

Bộ nhớ cơ sở luật mờ

Hệ suy diễn mờ

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ tín hiệu giao thông

Ngõ ra rõ

Bốn bộ phận chính cấu thành hệ thống điều khiển mờ tín hiệu giao thông gồm:

Khâu mờ hoá: Do các ngõ vào trong hầu hết các ứng dụng là những số thực, khâu mờ hoá đảm nhận chức năng như một giao tiếp thích hợp giữa hệ suy diễn mờ và thế giới thực Khâu mờ hoá có thể được xem như là một ánh xạ từ một điểm thành một tập mờ A’ trong không gian nền U Khâu mờ hoá phổ biến nhất là khâu mờ hoá Singleton Khâu mờ hoá Singleton ánh xạ một ngõ vào rõ thành một tập mờ duy nhất Ngoài ra còn có các khâu mờ hoá khác thường được sử dụng như khâu mờ hoá

Gaussian, khâu mờ hoá tam giác Trong đề tài này, tập rõ là điều kiện về lưu lượng giao thông ở giao lộ, để đơn giản, khâu mờ hoá sử dụng là singleton

Cơ sở luật mờ: Cơ sở luật mờ chứa một tập các luật mờ IF-THEN cấu thành bộ phận chính yếu của hệ suy diễn mờ Các luật mờ IF-THEN này được xây dựng bởi các chuyên gia con người Tất cả các bộ phận khác của hệ thống mờ được sử dụng để thực hiện những luật này một cách hợp lý và hiệu quả

Hệ suy diễn mờ: Trong một hệ suy diễn mờ, cơ sở logic mờ được sử dụng để kết hợp các luật mờ IF-THEN trong cơ sở luật mờ vào trong một một ánh xạ từ một tập mờ A’ trong không gian nền n-chiều X tới một tập mờ C’ trong không gian nền 1-chiều Y Một số phép giao mờ được sử dụng để mô tả luật IF-THEN khi nó được diễn dịch như một quan hệ mờ trong không gian tích vào-ra X×Y Thông thường, hệ suy diễn mờ Mamdani được sử dụng trong thiết kế các bộ điều khiển mờ

Khâu giải mờ: Giải mờ đề cập đến quá trình tách một giá trị rõ tiêu biểu từ một tập mờ ngõ ra Về mặt toán học, khâu giải mờ được định nghĩa như một ánh xạ từ một tập mờ C’ thành một điểm rõ Trong thực tế, có nhiều cơ chế giải mờ được sử dụng như trọng tâm vùng, trung bình trọng tâm, trung bình cực đại, cực đại lớn nhất, cực đại nhỏ nhất, phân giác vùng

Theo cách tự nhiên, các tập mờ của “lưu lượng giao thông” được gắn nhãn là Thấp (L), Vừa (M) và Nặng (H) Hàm thuộc được chọn cho các tập mờ Thấp (L), Vừa và Nặng (H) được chỉ trong hình 3.2 (a)

S

1Chu kỳ pha xanh

L(a) (b)

1

1

1Lưu lượng giao thông

Hình 3.2 Hàm thuộc cho hệ mờ điều khiển tín hiệu giao thông

Các tập mờ Ngắn (S) , Vừa (M) và Dài (L) được xem như những giá trị liên quan tới biến ngôn ngữ Chu kỳ pha xanh Hàm thuộc tương ứng được mô tả trong hình 3.2 (b) Hai tập hàm thuộc náy được xây dựng từ những hàm thuộc tam giác cân và hình thang nhằm giúp cho toàn bộ quá trình thực hiện đơn giản và hiệu quả

3.1.2 Luật hợp thành

Cơ sở tri thức của hệ thống điều khiển gồm 9 luật hợp thành thiết lập dựa trên việc mô tả tri thức của con người được mô tả trong bảng sau:

Tình trạng lưu lượng giao thông Lưu lượng hướng

Lưu lượng hướng

Pha xanh hướng

Pha xanh hướng

Thời gian tín hiệu pha xanh

Bảng 3.1 Cơ sở luật mờ của hệ thống

Các luật này được sử dụng để suy luận mờ trong bộ điều khiển tín hiệu giao thông Ví dụ, cơ chế điều khiển logic mờ ứng với các điều kiện lưu lượng giao thông cho trong cột tô đậm ở bản trên có dạng như sau:

IF NSF is M THEN NSG is M

IF EWF is L THEN EWG is S

3.1.3 Xử lý mờ

3.1.3.1 Mờ hoá các biến đầu vào

Bước đầu tiên là xác định mức độ phụ thuộc của các biến ngõ vào lên các tập mờ Giá trị ngõ vào luôn rõ và được giới hạn trong không gian nền Ngõ ra là độ mờ của hàm thuộc trong tập các biến ngôn ngữ được chọn Mờ hoá biến vào có thể dựa trên bảng tra hoặc việc ước lượng giá trị hàm

Trong trường hợp này, các ngõ vào được mờ hoá bằng 3 hàm thuộc Để đơn giản trong quá trình tính toán mô hình, ba hàm thuộc đối xứng với các giá trị “Thấp”, “Trung bình” và “Nặng” được sử dụng Mỗi luật mờ phụ thuộc vào việc tách các ngõ vào thành một tập biến ngôn ngữ khác nhau Trước khi các luật mờ được ước lượng, các ngõ vào phải được mờ hoá theo một tập biến ngôn ngữ Vì vậy, các phần khác nhau riêng biệt được tách thành các thành phần “Thấp”, “Trung bình” và “Nặng” với một độ thuộc cụ thểõ

3.1.3.2 Diễn dịch luật hợp thành

Thông thường các luật mờ có các trọng số không bằng nhau Trong trường hợp này vì các hàm đối xứng được sử dụng để đơn giản phương pháp Mamdani, các trọng số này được cho là bằng nhau Kết quả của quá trình diễn dịch luật hợp thành cho mỗi luật mờ là một tập mờ được mô tả bằng một hàm thuộc có trọng số đặc trưng với giá trị ngôn ngữ tương ứng Diễn dịch luật hợp thành được thực hiện cho mỗi luật theo dạng phép toán AND Trong phương pháp Mamdani: phép cực tiểu, xén tập mờ ngõ ra và phép nhân, lấy tỷ lệ ngõ ra được sử dụng

Luật suy diễn là luật giao giữa hai tập mờ biểu diễn mệnh đề điều kiện với mệnh đề kết quả Ví dụ: IF x is A THEN y is B Suy diễn luật IF-THEN: A∩B

3.1.3.3 Hội các luật hợp thành

Các quyết định được đưa ra phải dựa trên việc kiểm tra tất cả các luật trong hệ mờ, do vậy, các luật mờ phải được kết hợp với nhau Hội các luật hợp thành là quá trình kết hợp những tập mờ của tất cả các luật mờ thành một tập mờ đơn nhất Ngõ vào của phép hội các luật hợp thành này là tập tất cả các khối đã được xén trả về từ phép diễn dịch luật hợp thành

Zµ

Z µ

Z

Hình 3.3 Hệ suy diễn Mamdani với 3 luật mờ

Đây là quá trình kết hợp hình học các khối khác nhau với nhau Do vậy, phép hội các luật hợp thành này có tính giao hoán Dạng hội các luật hợp thành thường được sử dụng nhất là luật MAX Trong trường hợp này, giá trị cực đại của bất kỳ hai điểm chồng lên nhau được lấy để đại diện cho một giá trị đơn khi đưa tới một đầu ra rõ

3.1.3.4 Giải mờ

Đầu vào của quá trình giải mờ là một tập mờ và đầu ra là một giá trị rõ Theo lý thuyết, mục tiêu của việc giải mờ là tìm một giá trị đặc trưng cho một tập mờ Giải mờ có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp điểm trọng tâm, phương pháp moment,…Đề tài này sử dụng phương pháp moment trong khâu giải mờ

Phương pháp điểm trọng tâm được sử dụng để đối sánh kết quả giữa hai phương pháp giải mờ trong quá trình mô phỏng hệ thống điều khiển bằng phần mềm trên máy tính

− Giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm:

Phương pháp giải mờ điểm trọng tâm được sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống điều khiển mờ Ngõ ra của phương pháp giải mờ này được xác định theo công thức sau:

z

z z dz

z

zdz z Z

1

1

)(

)()

(

)(

µ

µ µ

µ

(3.1)

Phương pháp này khá đơn giản trong trường hợp hàm thuộc mờ có tính đối xứng Tuy nhiên, phép tính tích phân trong phương pháp này sẽ trở nên phức tạp khi ta xác định với chuỗi những luật mờ hỗn tạp

− Giải mờ bằng phương pháp moment:

Phương pháp này xử lý các tập mờ đơn lẽ với một vùng riêng biệt Giá trị toạ độ tâm và diện tích của mỗi tập mờ riêng biệt được sử dụng để tính ra moment Kết quả ngõ ra của khâu giải mờ sử dụng moment của các hàm thuộc là một giá trị rõ Giá trị giải mờ theo phương pháp moment được xác định theo công thức sau:

1

Trong đó:

Ai : diện tích của mỗi tập mờ đơn lẽ

Ci : giá trị toạ độ của tâm mỗi tập mờ

Đối với các tập mờ ngõ ra có hàm thuộc dạng tam giác cân này thì diện tích và tâm của mỗi thành phần riêng biệt tương ứng trong từng trường hợp cụ thể được xác định như sau: + Diện tích và trọng tâm hình thang của hàm thuộc thứ nhất (Hình 3.4):

2

)()(

2 1

A B h A C h

2

1

A C

+ Diện tích và trọng tâm hình thang của hàm thuộc thứ hai (Hình 3.5):

()

3

C E

2 2 1 1

2

A A

C A C A

3 3 2 2

3

A A

C A C A

Mô hình bề mặt thể hiện mối quan hệ giữa giá trị ngõ ra với các ngõ vào của hệ thống điều khiển mờ này là một mặt cong trơn (Hình 3.7)

b) Đáp ứng ngõ ra thời gian tín hiệu xanh theo hướng Đông Tây

a) Đáp ứng ngõ ra thời gian tín hiệu xanh theo hướng Bắc Nam

Hình 3.7 Đáp ứng các ngõ ra của bộ điều khiển mờ

Kết quả trên hình 3.7 cho thấy một sự chuyển tiếp trơn của thời gian đáp ứng ngõ ra khi thông số của các đầu vào thay đổi Hệ thống này cho phép điều khiển thời gian tín hiệu đèn xanh thích nghi với các yếu tố lưu lượng ngõ vào thay đổi Về mặt lý thuyết và mô phỏng, bộ điều khiển này sẽ cho kết quả tối ưu hơn các bộ điều khiển theo chu kỳ cố định do lưu lượng giao thông luôn thay đổi theo thời gian và phụ thuộc vào đặc điểm của từng giao lộ