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

Ô tô hiện tại không còn là một cỗ máy biết di chuyển, vận chuyện hàng hóa mà ngày càng có nhiều thiết bị tiện nghi phục vụ nhu cầu con người, không gây ô nhiễm môi trường và dần dần thay

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN BÁ HẢI

SINH VIÊN THỰC HIỆN: 1 PHAN VĂN THIỆN MSSV: 13145251

2 NGUYỄN TRỌNG NGHĨA MSSV: 13145171

I Nội dung :

1 Tìm hiểu về xe điện tự hành

2 Đề xuất mô hình thu nhỏ

3 Thiết kế - Chế tạo mô hình đã đề xuất

4 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết giải thuật điều khiển lái theo hình học phẳng

5 Thiết kế bộ điều khiển lái

II Trình bày :

1 Thyết minh đề tài: 1 cuốn thuyết minh

2 1 đĩa CD ghi nội dung của đề tài “Nghiên cứu ,thiết kế ,chế tạo bộ điều khiển cho

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Bộ Giáo Dục và Đào Tạo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

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

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Trọng Nghĩa MSSV: 13145171

Ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

I NHẬNXÉT

1 Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

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

II NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG

III ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ 1 Đề nghị(Cho phép bảo vệ hay không):

2 Điểm đánh giá(theo thang điểm 10):

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20

Giảng viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

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

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Trọng Nghĩa MSSV: 13145171

Ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

I NHẬNXÉT

3 Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

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

II NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG

III ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ 1 Đề nghị(Cho phép bảo vệ hay không):

2 Điểm đánh giá(theo thang điểm 10):

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20

Giảng viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN

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

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Trọng Nghĩa MSSV: 13145171

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện

và các thành viên trong Hội đồng bảo về Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20

LỜI CÁM ƠN

Đã 4 năm trôi qua, chúng em đã được ngồi trên ghế giảng đường đại học, được nhiều quý thầy cô truyền đạt lại những kiến thức kỹ thuật và những kiến thức, kỹ năng liên quan Trong suốt thời gian nghiên cứu, tìm tòi chúng em đã học thêm nhiều kiến thức mới và những kỹ năng làm hành trang cần thiết bước vào xã hội

Để có được những điều đó chũng em xin chân thành cảm ơn tới:

Lời đâu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn tới toàn thể quý thầy cô trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường

Sự giúp đỡ của các quý thầy cô Khoa Cơ Khí Động Lực đã đem những kiến tinh túy về nghề chỉ bảo cho chúng em một cách đam mê và nhiệt huyết Đặc biệt, là thầy TS Nguyễn Bá Hải một người thầy đi trước với nhiều năm kinh nghiệm nhưng đã luôn đứng phía sau động viên, chỉ bảo và định hướng con đường đi cho chúng em những lúc khó khăn

Các anh trong Khoa Đổi Mới Sáng Tạo và Khởi Nghiệp – những đàn anh đi trước đã đem những kinh nghiệm từ những lần vấp ngã của bản thân chia sẽ lại cho chúng em

Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn và kính chúc quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh dồi dào sức khỏe , niềm vui và nhiệt huyết với nghề nghề giáo để góp phần vào sư nghiệp trăm năm trồng người Và đặc bệt, là quý thầy cô Khoa

Cơ Khí Động Lực lời chúc sức khỏe, hạnh phúc và thành công

Cuối cùng, để có được ngày hôm nay, không thể quên công lao to lớn của gia đình và bạn bè

đã luôn động viên, khuyến khích chúng em tự tin trong cuộc sống cũng như cố gắng vươn lên trong học tập

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Tp,HCM, ngày 08 tháng 01 năm 2018

Nhóm thực hiện đề tài

PHAN VĂN THIỆN NGUYỄN TRỌNG NGHĨA

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Hiện nay khoa học công nghệ trên thế giới nói chung và ngành công nghiệp ô tô nói riêng đạt đạt được những thành tựu lớn đưa ngành công nghiệp ô tô lên vị thế cao Ô tô hiện tại không còn là một cỗ máy biết di chuyển, vận chuyện hàng hóa mà ngày càng có nhiều thiết bị tiện nghi phục vụ nhu cầu con người, không gây ô nhiễm môi trường và dần dần thay thể con người thực hiện một, một vài, hay toàn bộ chức năng của con người bên trong xe –

đó chính là xe điện tự hành Nghiên cứu tập trung xây dựng các các thiết bị để mô tả thể giới quan xung quanh xe để xe có thể phát hiện vật cản, chướng ngại vật đơn giản và điều khiển lái tránh vật cản sau đó trở về làn đường cũ

Hệ thống gồm nhiều cảm biến đặt ở các vị trí cần thiết của xe để cung cấp các số liệu cho

bộ điều khiển, từ đó xử lí tín hiệu và điều khiển cơ cấu chấp hành thực hiện chức năng đánh lái

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này, nhưng ở Việt Nam có rất

ít đề tài, dự án nghiên cứu Nhóm hy vọng với đề tài này có thể giúp cho mọi người biết thêm

về xe điện tự hành, những ưu điểm vượt trội của nó trong cuộc sống và đặc biệt có thể làm cơ

sở nghiên cứu về sau

MỤC LỤC

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp……… i

Xác nhận của giáo viên hướng dẫn……… ii

Nhận xét của giáo viện phản biện……… iii

Lời cảm ơn……… iv

Tóm tắt……… v

Mục lục……… vi

Danh mục các hình……… ix

Danh mục các bảng……… xii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài: 1

1.2 Mục đích của đề tài : 1

1.3 Nhiệm vụ: 1

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

1.4.1 Đối tượng: 2

1.4.2 Phạm vi: 2

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu: 2

1.5 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước: 2

1.5.1 Ngoài nước: 2

1.5.2 Trong nước: 3

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

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Tổng quan về xe điện tự hành: 5

2.1.1 Giới thiệu xe tự hành: 5

2.1.2 Xe tự hành của google: 8

2.2 Lý thuyết điều khiển tự động: 21

2.2.1 Khái niệm điều khiển tự động: 21

2.2.2 Phân loại phương thức điều khiển tự động: 23

2.3 Lý thuyết điều khiển động cơ: 24

2.3.1 Động cơ DC : 24

2.3.2 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ: 25

2.4 Điều khiển động cơ theo thuật toán PID: 26

2.4.1 Khái niệm: 26

2.4.2 Điều khiển PID động cơ DC: 27

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

2.5 Lập trình LabVIEW: 29

2.5.1 Giới thiệu LabVIEW: 29

2.5.2 Ứng dụng của LabVIEW: 31

2.5.3 Lập trình với LabVIEW: 33

2.5.4 Một số hàm thường sử dụng trong LabVIEW: 33

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

Chương 3: THIẾT KẾ - CHẾ TẠO XE ĐIỆN CÓ TÍNH NĂNG TỰ ĐỘNG 41

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

3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển: 41

3.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống: 41

3.1.3 Sơ đồ bố trí các bộ phận: 50

3.1.4 Bản vẽ thiết kế: 51

3.1.5 Mô hình thực tế: 52

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

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

3.2.1 Mô hình hệ thống điều khiển xe tự động: 53

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

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

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

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

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

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

4.1 Môi trường và điều kiện khảo sát: 59

4.2 Kết quả thực nghiệm: 59

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

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 65

5.1 Kết luận: 65

5.2 Những vấn đề tồn tại: 65

5.3 Hướng phát triển: 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.3: Các thành phân chính của bộ điều khiển xe điện tự hành 8

Hình 2.18: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động 24

Hình 2.20: Sơ đồ điều khiển động cơ DC theo thuật toán PID 27 Hình 2.21: Sơ đồ khối điều khiển động cơ DC theo thuật toán PID 27 Hình 2.22: Cách thực hiện xây dụng chương trình trong Lab VIEW 30 Hình 2.23: Thu thập dữ liệu tại cơ quan hàng không vũ trụ NASA 31 Hình 2.24: Thu thập dữ liệu từ cảm biến đo gió trong ô tô và thí nghiệm 32

Hình 2.27: Môi trường làm việc trong LabVIEW; (a) cửa sổ Front Panel, (b) cửa sổ Block

Hình 2.33: Sơ đồ động học quay vòng của ô tô có hai bánh dẫn hướng phía trước 37

Hình 3.9: Nguyên lý hoạt động cảm biến khoảng chánh Sharp 46

Hình 3.11: Mối quan hệ giữa điện áp với nghịch đảo khoảng cách 47

Hình 3.19: Mô hình thực tế 52

Hình 3.22: Lưu đồ thuật toán thu thập tín hiệu cảm biến và điều khiển vị trí góc lái xe 55

Hình 3.24: Mối quan hệ giữa góc quay động cơ và góc quay bánh dẫn hướng 57 Hình 3.25: Chương trình điều khiển động cơ DC theo thuật toán PID 58

Hình 4.2 : Thông số cảm biến khoảng cách 59

Hình 4.9 : Đồ thị giá trị đặt và giá trị đáp ứng 63 Hình 4.10 : Đồ thị giá trị đặt và giá trị đáp ứng 63 Hình 4.11 : Đồ thị giá trị đặt và giá trị đáp ứng 63

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Điều chỉnh các hệ số gain theo phương pháp Ziegler – Nichols 29

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài

Cùng với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ, ngành ô tô cũng có nhiều bước tiến vượt bậc đưa ngành công nghệ ô tô lên tầm cao Ngành ô tô hiện tai đang có những bước đi nhanh và vững chắc Một chiếc ô tô được sản xuất không những chỉ đáp ứng nhu cầu đi lại và vận chuyển hàng hóa của con người mà còn đáp ứng nhu cầu tiện nghi, thoải mái của con người và được xem là ngôi nhà thứ hai Và đến thời điểm này ô

tô đã đạt được thành công vang dội khi cho ra đời những chiếc xe tự hành lăn bánh lần đầu trên những con đường tại Mỹ… Nhưng đối với những nước đang phát triển chẳng hạn Việt Nam không thể bắt kịp khoa học công nghệ tiến tiến trên thế giới nên đây là một thiệt thòi cho ngành ô tô Việt Nam Ở Việt Nam xe tự hành vẫn còn là một cái tên khá

mới mẻ và lạ lẫm với người dân, vì vậy đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều

khiển cho xe điện có tính năng tự động” là thực sự cần thiết

1.2 Mục đích của đề tài

Với những thành tựu đạt được và lợi ích mà xe tự động mang lại, xe tự động sẽ được phổ biến trong tương lai không xa.Với xu hướng tiếp cận với những công nghệ mới của thế giới, thu hẹp khoảng cách về trình độ, công nghệ với thế giới thì việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển xe điện có tính năng tự động là thực sự cần thiết

Do sự giới hạn về thời gian, kinh phí và công nghệ trong nước nên trước hết có thể nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển xe điện có tính năng tự động di chuyển trên đoạn đường ngắn kết hợp với một vài vật cản đừng yên Sau đó trên cơ sở những thành quả đạt được và sự phát triển công nghệ trong nước từng bước ứng dụng thử nghiệm thực tế trên

xe tự động lưu thông trên đường Đề tài nghiên cứu giải pháp tự động tránh vật cản và tự động trả lái đúng vị trí sau khi đánh lái Đây là một phần nhỏ trong các tính năng của xe

tự lái hiện đại

1.3 Nhiệm vụ

- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết điều khiển tự động

- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết thu thập tín hiệu và điều khiển né vật cản

- Tìm hiểu giải thuật điều khiển lái theo hình học phẳng

- Xây dựng thuật toán điều khiển chính xác vị trí góc lái

- Thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động

- Sử dụng phần mềm Lab VIEW để xây dựng chương trình tự động điều khiển góc lái

- Cho chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả đạt được

1.4 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Để đơn giản hóa những yếu tố tác động bên ngoài, đề tài nghiên cứu trong phạm vi:

 Nghiên cứu dựa trên mô hình thu nhỏ

 Xe chạy trên đường nhựa phẳng thẳng

 Với những vật cản đứng yên(với đường kính vật cản là 1m, cao 2m)

 Tự động đánh lái tránh vật cản và tự động trả lái

Đây không phải là một xe tự động lái hoàn toàn mà chỉ tự tránh vật cản và trở lại đường

cũ (đã cho trước) sau khi tránh vật cản theo giải thuật điều khiển lái theo hình học phẳng

với giả thuyết kích thước đường kính vật cản là 1m, cao 2m

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành mục tiêu nghiên cứu “Nghiên cứu-Thiết kế-Chế tạo bộ điều khiển cho xe điện có tính năng tự động”, người nghiên cứu dự kiến sử dụng những phương pháp nghiên cứu:

 Phương pháp tham khảo tài liệu và phân tích, phân loại hệ thống hóa tài liệu tài liệu trong nước và nước ngoài từ đó xây dựng cơ sở lý thuyết về thu thập và xử lý tín hiệu cảm biến điều khiển cơ cấu chấp hành

 Thiết kế mô hình xe tự động và xây dựng thuật toán điều khiển góc lái

 Thực nghiệm và xử lí kết quả

 Đánh giá và cải tiến

1.5 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.5.1 Công trình ngoài nước

Allen đề xuất một mô hình điều khiển gần như tuyến tính đa vòng lặp để xác định góc lái bánh xe phía trước Nghiên cứu thực hiện điều khiển xe trên một phạm

vi điều khiển, bao gồm cả các giả định liên quan đến tránh tai nạn để hạn chế hiệu suất xử lý của người lái xe Chiếc xe được biểu diễn như mô hình ba bậc tự do bao 4 gồm góc xoay, vận tốc bên và lắc ngang gắn với một kết cấu điều khiển của xe Sự

ổn định cho hệ thống đa vòng lặp được phân tích ở tốc độ 96km/h dựa trên các giả thiết, hình ảnh và sự chuyển động chậm trễ thời gian phản hồi được xem như ổn định và kết hợp động lực học thần kinh cơ để mang lại một thời gian trễ tổng thể cho người lái xe

Kyongsu Yi, Youngjoo Cho, Sejin Lee, Joonwoong Lee, and Namkyoo Ryoo đề xuất cách điều khiển hệ thống ga / phanh thông qua van điều khiển điện từ chân không tăng áp (EVB), mô tơ bước Mô hình máy tính phi tuyến cho ống chân không điện tử đã được phát triển và các mô phỏng được thực hiện bằng cách sử dụng một mô hình xe phi tuyến hoàn chỉnh Nghiên cứu đưa ra quy luật kiểm soát bao gồm một thuật toán thiết lập cấu hình tăng tốc / giảm tốc mong muốn trong một tình huống ICC (điều khiển chân ga tự

thuật toán kiểm soát ga và phanh dựa trên động lực học xe Việc thực hiện kiểm soát đã được nghiên cứu thông qua mô phỏng máy tính và thí nghiệm Kết quả cho thấy các luật kiểm soát ICC ga / phanh đề xuất có thể cung cấp thỏa đáng khoảng cách xe đến xe và thực hiện kiểm soát tốc độ

Xiaobo Yang đề xuất vấn đề an toàn trên đường cao tốc có liên quan đếnhoạt động của xe trên đường và sự tương tác giữa người lái với xe Điều kiện môi trường hoạt động ảnh hưởng tới động lực học của xe bởi Vấn đề nguy hiểm, mất an toàn liên quan đến giới hạn điều khiển ổn định và định hướng của xe, mà còn giới hạn điều khiển của người lái xe Theo quan điểm của giới hạn ổn định, động lực học của các loại xe đã được nghiên cứu rộng rãi cũng như sự thích ứng của người lái xe hoàn hảo cho sự chuyển động của xe Trong nghiên cứu này, một số mô hình phân tích của sự thay đổi phức tạp được phát triển để nghiên cứu các sai lệch bên, sự lệch hướng và các đặc tính kết nối của xe

1.5.2 Công trình trong nước

Cho đến nay trên thế giới, xe tự hành đạt được những thành tựu nhất định Nhưng ở Việt Nam, xe tự lái vẫn còn là đề tài khá mới mẻ và chưa được đầu tư nghiên cứu Ở Việt Nam có rất ít đề tài nghiên cứu, mô hình với các đề tài đồ án tốt nghiệp hoặc các luận văn thạc sĩ Đặc biệt những năm gần đây có FPT sofware có đầu tư nghiên cứu, áp dụng và cũng đã phần nào thành công, nhóm tập trung xoay quanh 2 vấn đề chính là: xử lý ảnh nhận diện làn đường và phát hiện chướng ngại vật điều khiển cho xe chạy tự động., Vì vậy sự ra đời và phát triển nhiều hơn nữa là vấn đề nghiên cứu thật sự cần thiết và cấp bách, đây cũng chính là lý do đề tài “Nghiên cứu-Thiết kế-Chế tạo bộ điều khiển cho xe điện có tính năng tự động ” được ra đời

1.6 Những vấn đề mà đề tài cần tập trung giải quyết

 Nghiên cứu xe tự hành của google và đề xuất mô hình thu nhỏ

 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xe tự hành với mô hình đề xuất

 Thiết kế bộ điều khiển PID (điều khiển vị trí góc lái)

 Phát hiện và tránh vật cản và trở về làn đường cũ

 Áp dụng LabVIEW trong quá trình thực hiện đề tài

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về xe điện tự hành

2.1.1 Giới thiệu xe tự hành

Tự hành là khả năng một cỗ máy thực hiện một nhiệm vụ mà không cần điều lệnh của con người Vì vậy, “hệ thống tự hành” (autonomous system) là một cỗ máy, phần cứng hoặc phần mềm, mà khi được kích hoạt sẽ tự thực hiện một số nhiệm vụ hoặc tự hoạt động Một cách khái quát, nó có khả năng cảm nhận và phản ứng với môi trường xung quanh

Những hệ thống tự hành không chỉ giới hạn ở các phương tiện không người điều khiển như robot mà còn được tích hợp lên nhiều hệ thống có người điều khiển như máy bay, xe hơi… Nhiều xe hơi đã được trang bị những hệ thống hỗ trợ lái tự động một, một vài chức năng hoặc có thể tự động hoàn toàn.Cho đến nay, xe tự lái tồn tại hầu hết ở dạng thử nghiệm, nhưng chúng sẽ được phổ biến tương lai không xa

Xe tự lái, xe robot hay xe không người lái (autonomous, robotic, driverless hoặc driving car) Nó có khả năng thực hiện các khả năng vận chuyển như một chiếc xe truyền thống Xe tự lái có khả năng nhận thức môi trường xung quanh và tự động điều hướng

self-mà không cần sự tác động trực tiếp của con người

Về cơ bản xe tự hành bao gồm những thành phần chính sau:

• Hệ thống các cảm ứng (sensor: Radars,laser, SICK, GPS, cameras… ): Chúng có chức năng định vị vị trí của xe, xác định các xe,chướng ngại vật xung quanh và định ra đường đi

• Hệ thống điều khiển: Thu thập thông tin, cũng như phát hiện các chướng ngại vật và các biển báo giao thông, để xác định chuyển hướng chính xác

• Cơ cấu chấp hành (Các mô tơ trên bánh lái và cần gia tốc ): Thực thi các lệnh điều khiển từ hệ thống tự hành

Các nghiên cứu về công nghệ trên xe tự hành tập trung vào 2 lĩnh vực chính: phát hiện làn đường và nhận dạng đối tượng

 Phát hiện làn đường: Vấn đề này đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua

Phần lớn các hệ thống phát hiện làn đường đã được phát triển và ứng dụng trong nhiều loại xe sang

 Nhận dạng đối tượng: Đây là một thành phần quan trọng của hệ thống xe tự hành

Gần đây, công nghệ này đã có những bước tiến bộ lớn như nhận dạng được đối tượng tĩnh như xe đạp, người đi bộ, ô tô, biển báo giao thông, cột đèn giao thông… và đang tiến tới việc nhận dạng đối tượng động như xe/người đang di chuyển trên đường thật

Hình 2.1: Xe tự hành Google

Hình 2.2 : Xe tự lái Autopilot Tesla

Một số xe tự hành tiêu biểu: xe tự lái Lexus RX450h, Toyota Prius của Google, xe tự lái Autopilot của Tesla, xe tự lái Leaf của Nissan, xe tự hành Fusion Hybrid của Ford, F015 Luxury in Motion của Mercerdec…

- Tăng lưu lượng giao thông và giảm tắc nghẽn

- Giảm sự tham gia của con người vào công việc lái

- Mọi người có thể tham gia giao thông bất chấp năng lực thể chất của họ, như tuổi tác hoặc một số hạn chế về cơ thể

- Giảm tình trạng khan hiếm nơi đỗ xe đỗ xe (chiếc xe sẽ thả hành khách xuống và sau đó

tự đi tìm chỗ đỗ cho tới khi hành khách ra hiệu cho xe quay lại đón)

- Hiệu quả nhiên liệu được cải thiện nhờ giảm số lần dừng xe

- Giảm số lượng cảnh sát giao thông, các camera, đèn đỏ và các biện pháp tăng cường an toàn giao thông khác

+ Xu hướng

Ngày nay, ô tô là phương tiện không thể thiếu của nhiều ngành công nghiệp và giao thông vận tải bởi những lợi ích mà nó mang lại Nhưng bên cạnh đó là sự thiệt hại về vật chất và nhân mạng do tai nạn giao thông gây ra Theo báo cáo của Tổ chức y tế thế giới (WHO) và Ngân hàng thế giới (WB) thì mỗi năm, thế giới có hơn 1,24 triệu người chết vì tai nạn giao thông đường bộ Thống kê còn cho thấy, khoảng 50 triệu người bị thương trong các tai nạn giao thông, gây thiệt hại hàng tỉ USD cho thế giới, cho các quốc gia cho các gia đình bị nạn và nỗi đau không bao giờ bù đắp được Nguyên nhân chính là do không kiểm soát được tốc độ, say xin khi lái xe, mất tập trung… Bên cạnh đó sự hạn chế

về tình trạng của người lái xe như: người chưa đủ tuổi, người già, người khiếm thị… Chính những thiệt hại và sự hạn chế đó đã dẫn tới sự ra đời của những chiếc xe tự lái Với những ưu điểm nổi bật của mình, xe tự lái sẽ là xu thế phát triển của nền công nghiệp

ô tô trong tương lai

Giờ đây xe không người lái không còn là lãnh địa bất khả xâm phạm của Ford, Daimler, Toyota, Nissan… mà dần dịch chuyển thành lãnh địa của các công ty phần mềm Việc phát triển xe không người lái thì phần mềm đóng vai trò quan trọng nhất Nó được ví như não bộ, đảm bảo sự vận hành cho xe Nếu trước đây, ô tô đặc trưng

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

+ Hệ thống LIDAR (Light Detection And Ranging also LADAR)

- Hệ thống LIDAR được coi là phần quang trọng nhất trong xe tự lái LIDAR là một công nghệ cảm biến quang học từ xa có thể đo khoảng cách, hoặc các thuộc tính khác của một vật thể bằng cách chiếu ánh sáng vào vật thể đó,ánh sang chiếu vào vật thể là ánh sang laser hay xung từ laser Công nghệ LIDAR có ứng dụng trong các hình học, khảo

cổ, địa lý, địa chất, địa mạo, địa chấn học, lâm nghiệp, viễn thám và vật lý không khí, cũng như trong bản đồ lướt sóng bằng laser không khí (ALSM), đo độ cao bằng laze và LIDAR Contour

- LIDAR sử dụng ánh sáng hồng ngoại cực tím, có thể nhìn thấy, hoặc không nhìn thấy, có thể được sử dụng với một loạt các mục tiêu, bao gồm các vật không phải kim loại, đá, mưa, các hợp chất hóa học, aerosols, mây và thậm chí các phân tử đơn lẻ Một mũi tên laserbeam có thể được sử dụng để lập bản đồ các tính năng vật lý với độ phân giải rất cao LIDARđã được sử dụng rộng rãi cho nghiên cứu khí quyển và khí tượng học Ngoài ra, LIDAR đã được NASA xác định là một công nghệ then chốt cho phép hạ cánh

an toàn chính xác tự động của robot tương lai và phi hành đoàn xuống mặt trăng Các bước sóng ở khoảng từ 10 micromet đến tia cực tím (ca 250 nm) được sử dụng để phù hợp với mục tiêu Có một số thành phần chính cho một hệ thống LIDAR đó là :

- Laser 6001000 nm là một loại laser tương đối phổ biến với các ứng dụng phi khoa học Laser thường tập trung thành một chùng sáng và dễ bị mắt hấp thụ và ảnh hưởng tới mắt nên để đảm bảo độ an toàn cho mắt và đủ công suất sử dụng thì người ta chọn một loại laser khác cho hệ thống LIDAR là laser 1550 nm Laser 1550 nm có tính phổ biến hơn và có độ an toàn cho người sử dụng đặc biệt là mắt của mọi người xung quanh khi

hệ thống quét xung quanh chiếc xe và có mức công suất cao hơn nhiều laser 6001000 nm

vì bước sóng này không được hấp thụ bởi mắt, nhưng công nghệ dò không tiên tiến và do

đó các bước sóng thường được sử dụng ở các phạm vi dài hơn và độ chính xác thấp hơn Chúng cũng được sử dụng cho ứng dụng quân sự Laser 1550 nm không được nhìn thấy trong kính nhìn đêm, không giống như laser hồng ngoại 1000 nm ngắn hơn Các bản đồ

vẽ bản đồ hàng không nói chung sử dụng laser YAG 1064 nm diode, trong khi các hệ thống đo đạc biển thường sử dụng 570 nm tần số gấp đôi diode bơm YAG lasers vì 532

nm thâm nhập nước với độ suy giảm ít hơn nhiều so với 1064nm

Chính vì vậy cho nên người ta xẽ sử dụng laser 1550 nm

Hình 2.5: Lidar

- Máy quét quang học là máy quét cho ra những hình ảnh nhanh nhất trong thời gian ngắn Việc quét hành ảnh của máy quét bị ảnh hưởng bởi tốc độ mà nó có thể được quét vào hệ thống Có một số lựa chọn để quét góc phương vị và độ cao, bao gồm gương phẳng dao động kép, kết hợp với gương đa giác, một máy quét trục kép Khi ta chọn máy quét quang học nó ảnh hưởng đến góc độ phân giải và phạm vi có thể được phát hiện Chính vì giới hạn vậy nên ta chọn một tấm gương hố hoặc một bộ tách chùm là các tùy chọn để thu thập một tín hiệu phản hồi hình ảnh

- Máy dò Hoto gồm hai thiết bị điện tử phát và nhận dò tìm hình ảnh là hai thiết bị chính được sử dụng trong nắp gạt: máy dò trạng thái vật rắn, chẳng hạn như photodiod đi qua silicon, hoặc các bộ nhận hình ảnh Độ nhạy của máy thu là một tham số khác mà phải được cân bằng trong một thiết kế LIDAR

Hình 2.6: Hình ảnh nhận diện sau khi xử lí

- Hệ thống định vị và hệ thống định vị LIDAR được gắn trên điện thoại di động Nó

có các nền tảng như hệ thống định vị của máy bay hoặc vệ tinh để thiết bị đo xác định vị trí chính xác tuyệt đối và hướng của cảm biến Các thiết bị như vậy bao gồm một Bộ nhận Hệ thống định vị Toàn cầu và Bộ Đo lường Inertial (IMU) 3D hình ảnh có thể đạt được bằng cách sử dụng cả hai hệ thống quét và không quét "3D radar laze gatedview "là một hệ thống không quét laser khác nhau, áp dụng một laser lõm và máy ảnh gated nhanh

+ RADAR

- Radar là một hệ thống phát hiện đối tượng sử dụng sóng điện từ đặc biệt sóng vô tuyến điện để xác định phạm vi, độ cao, hướng hoặc tốc độ của cả hai vật chuyển động và

cố định như máy bay, tàu, phi thuyền, tên lửa dẫn đường, động cơ phương tiện, thời tiết

và địa hình Các đĩa rađa, hoặc ăng-ten, truyền xung của sóng vô tuyến hoặc vi sóng mà khi bật lên chiếu vào bất kỳ đối tượng trong đường dẫn của họ Đối tượng trả về là một phần nhỏ của năng lượng sóng phát đi hoặc là ăng ten phát hiện một năng lượng nhỏ do vật thể như máy bay, tên lửa phát ra Việc sử dụng radar hiện đại rất đa dạng, bao gồm kiểm soát giao thông, thiên văn radar, hệ thống phòng không, hệ thống chống sạt lở; đo hải lý… Radar dùng để định vị các điểm mốc và các tàu; máy bay chống va chạm hệ thống; hệ thống giám sát đại dương, hệ thống giám sát không gian ngoài trời và hệ thống hẹn giờ; theo dõi lượng mưa khí tượng; máy đo độ cao và hệ thống kiểm soát bay; tên lửa dẫn đường hệ thống định vị mục tiêu; và radar thâm nhập mặt đất để quan sát địa chất

Hình 2.7: Radar

- Hệ thống radar công nghệ cao có liên quan đến xử lý tín hiệu số và có khả năng chiết xuất vật thể từ mức độ ồn rất cao.Hệ thống radar có một máy phát phát ra sóng vô tuyến gọi là tín hiệu radar định hướng xác định Khi chúng tiếp xúc với một vật thể thường được phản ánh hoặc phân tán sóng vô tuyến theo nhiều hướng Các tín hiệu radar được phản hồi đặc biệt tốt bằng với các vật liệu dẫn điện - đặc biệt là hầu hết các kim loại, nước biển, đất ướt và đất ngập nước Một số trong số này có thể sử dụng cho việc máy đo

độ cao radar Các tín hiệu radar phản ánh lại đối với máy phát là những thứ mong muốn Nếu đối tượng đang di chuyển gần hoặc xa hơn, có một sự thay đổi nhỏ về tần suất sóng radio, do hiệu ứng Doppler

- Máy thu Radar thường, nhưng không phải lúc nào cũng ở cùng vị trí với máy phát Mặc dù tín hiệu radar phản xạ thu được bởi ăng-ten thu là thường là rất yếu, những tín hiệu này có thể được tăng cường bởi bộ khuếch đại điện tử rằng tất cả các bộ radar chứa

nó Các phương pháp xử lý tín hiệu phức tạp hơn luôn luôn được sử dụng để phục hồi tín hiệu radar hồi đáp

- Sự hấp thụ yếu của sóng vô tuyến bởi môi trường mà nó đi qua là những gì cho phép các bộ radar phát hiện các vật ở các dải dài tương đối mà ở đó các bước sóng điện từ, chẳng hạn như ánh sáng khả kiến, ánh sáng hồng ngoại, và tia cực tím ánh sáng, bị suy yếu quá nhiều Những thứ như sương, mây, mưa, tuyết rơi,và bóng mờ mà chặn ánh sáng nhìn thấy được thường minh bạch cho sóng vô tuyến điện Một số, tần số vô tuyến điện

cụ thể được hấp thụ hoặc phân tán bởi hơi nước, giọt mưa, hoặc khí quyển khí quyển (đặc biệt là oxy) được tránh trong việc thiết kế radar ngoại trừ khi phát hiện này là dự định

- Cuối cùng, radar dựa vào truyền sự truyền phát thu tín hiệu của riêng mình, thay vì ánh sáng từ mặt trời hoặc Mặt trăng, hoặc từ sóng điện từ phát ra từ các vật thể, chẳng hạn như bước sóng hồng ngoại (nhiệt) Quá trình chỉ đạo sóng vô tuyến nhân tạo đối với vật thể được gọi là ánh sáng, bất kể thực tế là sóng vô tuyến điện là hoàn toàn vô hình đối với mắt người hoặc máy ảnh Hệ thống radar công nghệ cao là kết hợp với xử lý tín hiệu

số và có khả năng trích xuất các đối tượng từ mức ồn rất cao

- Từ các đặc tính đó của radar các nhà sản xuất đã chon ra cho mình loại ra đa thích hợp cho việc gắn vào xe google của mình

- Ở đây các nhà sản xuất sử dụng MA COM SRS Radar Chống chịu được thời tiết xấu

và điều kiện môi trường khắc nghiệt, cảm biến radar 24GHz (UWB) cung cấp phát hiện

và theo dõi đối tượng Hỗ trợ đỗ xe có thể được cung cấp bởi phía sau gắn các cảm biến với dải 1,8 m có thể phát hiện các vật nhỏ ở phía trước của đối tượng lớn và đo hướng đi đến Bộ cảm biến có khả năng quét đến 30 m và cung cấp cảnh báo của vụ va chạm sắp xảy ra để túi khí có thể được vũ trang và ghế an toàn

+ Hệ thống định vị GPS (Global Positioning System)

- Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) là một Hệ thống vệ tinh Điều hướng Toàn cầu (GNSS) dựa trên không gian cung cấp thông tin vị trí và thời gian trong mọi thời tiết, bất

cứ nơi nào trên hoặc gần Trái Đất, nơi có một đường ngắm không bị cản trở đến bốn hoặc nhiều vệ tinh GPS Máy thu tín hiệu GPS được gắn tại một vị trí và nó thu chính xác thời gian các tín hiệu được gửi bởi vệ tinh GPS ngoài trái đất

- Mỗi vệ tinh liên tục truyền các tin nhắn bao gồm thời gian thông báo được truyền đi, thông tin quỹ đạo chính xác (ephemeris), tình trạng vệ tinh và quỹ đạo thô của tất cả các

vệ tinh GPS

- Người nhận sử dụng các thông điệp nhận được bằng cách xác định thời gian vận chuyển của mỗi tin nhắn và tính toán khoảng cách cho mỗi vệ tinh Những khoảng cách cùng với các vị trí vệ tinh được sử dụng với sự trợ giúp có thể của trilateration, tùy thuộc

về thuật toán được sử dụng, để tính vị trí của máy thu Vị trí này sau đó được hiển thị, có thể với một bản đồ di chuyển đang di chuyển hoặc vĩ độ và kinh độ;thông tin độ cao có thể được bao gồm nhiều đơn vị GPS hiển thị thông tin có nguồn gốc chẳng hạn như hướng và tốc độ, được tính từ thay đổi vị trí Ba vệ tinh có thể dường như đủ để giải

quyết vị trí vì không gian có ba chiều và một vị trí gần bề mặt trái đất có thể được giả định Tuy nhiên để đảm bảo chính xác người nhận sử dụng bốn hoặc nhiều vệ tinh để giải quyết cho vị trí của người nhận và thời gian Chính xác thời gian tính toán được giấu kín hiệu quả bởi hầu hết các ứng dụng GPS, chỉ sử dụng địa điểm Một vài ứng dụng GPS chuyên dụng tuy nhiên sử dụng thời gian; những bao gồm chuyển thời gian, thời gian tín hiệu giao thông và đồng bộ hóa cơ sở điện thoại di động trạm

- Từ những đặc điểm trên nhóm nguyên cứu của google đã chọn máy định vị Novatel / INS

+ Cảm biến vị trí

- Một cảm biến là thiết bị cho phép đo vị trí một cách chính xác Ở đây nhà sản xuất sử dụng một bộ mã hoá rotator còn được gọi là bộ mã hoá trục, là một thiết bị điện cơ chuyển đổi vị trí góc hoặc chuyển động của trục hoặc trục thành dạng tương tự hoặc số

mã Đầu ra của bộ mã hoá gia tăng cung cấp thông tin về chuyển động của trục mà thường được xử lý ở những nơi khác trong thông tin như vậy như tốc độ, khoảng cách, RPM và vị trí

- Đầu ra của bộ mã hóa tuyệt đối cho biết vị trí hiện tại của trục, làm cho chúng trở thành các đầu dò góc Bộ mã hoá quay được sử dụng trong nhiều ứng dụng đòi hỏi trục chính xác không giới hạn vòng xoay bao gồm kiểm soát công nghiệp, robot, ống kính chụp ảnh đặc biệt, thiết bị đầu vào máy tính (chẳng hạn như chuột cơ và trackball), và nền tảng radar quay

+ Camera

- Google đã sử dụng ba loại máy ảnh gắn trên xe hơi trong quá khứ để xem ảnh trên đường đi Các thế hệ máy ảnh 1, 3 đã được sử dụng để chụp ảnh ở Hoa Kỳ, các quốc gia khác Thế hệ đầu tiên nhanh chóng bị thay thế và hình ảnh được thay thế bằng hình ảnh chụp bằng máy ảnh thế hệ thứ 2 và thứ 3 Máy ảnh thế hệ thứ hai đã được sử dụng để chụp ảnh ở Úc

Hình 2.8: Camera

Hệ thống là một chiếc hình cầu của 15 chiếc máy ảnh nhỏ nhìn ra bên ngoài bằng cách sử dụng 5megapixel CMOS cảm biến hình ảnh và tùy chỉnh, thấp-flare, kiểm soát-bóp méo ống kính Bóng tối gây ra bởi các máy ảnh thế hệ 1, 2 và 4 thỉnh thoảng có thể xem được trong các hình ảnh chụp vào buổi sáng và buổi tối Thế hệ thứ 4 của máy ảnh HD sẽ được

sử dụng để thay thế hoàn toàn tất cả các hình ảnh chụp bằng thế hệ trướcmáy ảnh

Vì vậy, tổng số các thành phần cảm biến có thể được giải thích bằng cách sử dụng con số trên lắp ráp trên xe

+ Bộ sử lý

- Bộ vi xử lý Xeon là một bộ vi xử lý đa lõi dành cho doanh nghiệp được xây dựng trên công nghệ xử lý 32 nm, nó có đến 8 lõi xử lý Mỗi lõi hỗ trợ hai luồng (Intel Hyper-Threading) Các tính năng chính của bộ xử lý Xeon là: địa chỉ vật lý 46-bit và địa chỉ ảo 48-bit, Chỉ dẫn 32-KB và bộ nhớ cache mức đầu tiên 32-KB (L1) cho mỗi lõi) A

- Bộ nhớ cache chia sẻ 256-KB cấp dữ liệu trung bình (L2) cho mỗi lõi

Nhóm nguyên cứu sử dụng hai bộ vi xử lý ở đây để xử lý giá trị cảm biến thời gian thực

và điều khiển các cơ cấu chấp hành làm việc

- Ngoài ra nhóm nguyên cứu còn sử dụng hai bộ vi xử lý Cortex-A9 riêng biệt được

sử dụng cho ,chỉ đạo và phanh, ARM Cortex-A9 MPCore là một bộ xử lý đa lõi 32-bit cung cấp đến 4 lõi Cortex-A9 có bộ nhớ cache kết hợp, mỗi bộ thực hiện tập lệnh ARM v7 kiến trúc Nó là bộ vi xử lý ARM hiệu suất cao với phiên bản lõi 1-4 Nó hoạt động trên kiến trúc Bus Bộ vi xử lý Tiên tiến Tốc độ cao của AXI Chính của nó là tính năng tăng cao nhất cho hầu hết các ứng dụng đòi hỏi tốc độ và độ chính xác

Tổng hợp các thiết bị và bộ phần trên và kết hợp một vài thiết bị khác không được tiết

lộ, google đã tạo hệ một hệ thống được gọi là trí tuệ nhân tạo Trí tuệ nhân tạo là sự thông minh của máy móc và ngành máy tính khoa học nhằm mục đích tạo ra nó Các nhà nguyên cứu AI xác định lĩnh vực này là "nghiên cứu và thiết kế của các hệ thống thông minh, nơi một hệ thống thông minh là một hệ thống nhận thức môi trường của nó và có hành động tối đa hóa cơ hội thành công John McCarthy, người đã đặt ra thuật ngữ vào năm 1956, định nghĩa nó là "khoa học và kỹ thuật làm máy thông minh " Các thành phần phần cứng được đặt trong bộ khởi động xe và thể hiện dưới đây

Hình 2.9: Bộ xử lí

2.1.2.2 BỘ CHẤP HÀNH

Hình 2.10: Sơ đồ tổng quan cơ cấu chấp hành

ồn, tiết kiệm không gian, thời gian phản hồi nhanh, giời thời gian phanh Tuy nhiên đê áp dụng rộng rãi và phổ biến thì cần được nguyên cứu thêm để giảm chí phí, giá thành sản xuất, trong quá trình hoạt động thì có thể bị ảnh hưởng

 Để đảm bảo tính an toàn trong quá trình sử dụng và có thể trong qua trình hoạt động gặp lỗi thì giải pháp đưa ra là cần thêm một hệ thống phanh phụ truyền thống thay thế khi hệ thống chính bị lỗi

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

 Đầu vào cảm biến bàn đạp phanh được tính bằng radar và lidar sử dụng thuật toán

Nó phụ thuộc vào khoảng cách đối tượng và phanh khẩn cấp

 Hệ thống phanh điện tử xẽ giúp người sủ dụng không cần phải phanh

- Bướm ga điện tử (ECT)

 Bướm ga điện tử là một công nghệ tiên tiến trên ô tô dùng để thay thế àn đạp cơ khí Hầu hết các xe ô tô sử dụng một cảm biến vị trí bướm ga (TPS) để điều khiển, antilock phanh, phun nhiên liệu, và các hệ thống khác, nhưng bằng cách kết nối cáp trưc tiếp với bàn đạp cơ khí bướm ga Thay vào đó ECT xác định vị trí bướm ga bằng cách tính toán các tính hiệu cảm biến vị trí bàn đạp ga, vị trí bướm ga, cảm biến tốc độ xe, cảm biến tốc độ động cơ …sau đó được điều khiển đến một vị trí nào đó theo yêu cầu bằng một ECU thông qua một thuật toán được kiểm soát bằng ECU

 ETC tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp các tính năng như kiểm soát hành trình, kiểm soát lực kéo, kiểm soát độ ổn định, và các hệ thống chống sét và những hệ thống khác đòi hỏi phải quản lý mô-men xoắn vì có thể di chuyển van tiết lưu bất kể vị trí của người lái xe bàn đạp ga ETC cung cấp một số lợi ích trong các lĩnh vực như kiểm

soát tỷ lệ không khí-nhiên liệu, lượng khí thải và giảm tiêu thụ nhiên liệu

bộ làm mát và chân không servo và xi lanh tổng thể được loại bỏ khỏi xe

- Để đảm bảo cho quá trình hoạt động an toàn cho hệ thống lái nhóm google car đã nghiên cứu chọn các hệ thống ổn định điện tử ESC, hệ thống hành trình thích ứng và hỗ trợ kiểm soát Lane

+ Hệ thống lái không trục

- Hệ thống lái không trục có thể được giải thích cơ bản là sự trợ giúp của công nghệ được điều khiển bằng điện tử Hầu hết các hệ thống lái trên ô tô hiện nay đều trang bị hệ thống trợ lực điện tử EPS Các hệ thống điện tử EPS giúp cung cấp thêm lực khi tốc độ của một chiếc xe giảm xuống và ít hỗ trợ ở tốc độ cao hơn hệ thống ít tiêu tốn năng lượng Vì lý do này, chúng tiết kiệm năng lượng hơn các hệ thống thủy lực nên đựa đưa vào hệ thống lái không trục

Hình 2.14: Hệ thống lái không trục lái

- Bộ điều khiển điện tử EPS (ECU) tính toán công suất trợ giúp cần thiết dựa trên mô men xoắn được điều khiển vô lăng bởi tài xé, vị trí vô lăng và tốc độ xe Động cơ DC được EPS ( ECU) điều khiển quay một bánh lái với một lực đẩy làm giảm momen xoắn yêu cầu từ người lái xe Góc lái và mô-men xoắn thu được từ hệ thống lái và động cơ quay trợ lực giúp người lái xe điều khiển dễ dàng Động cơ được điều khiển bởi bộ điều khiển động cơ bằng cách kiểm tra tốc độ xe

2.1.2.3 THIẾT KẾ Ô TÔ

Hình 2.15: Tổng quan ô tô

Hình 2.16: Các cảm biến trên xe tự hành Google

Quá trình thiết kế xe ô tô tự hành của Google dựa trên các phiên bản xe thương mại ngoài thị trường và mẫu xe được google lựa chọn là xe Leus dòng SUV

Việc thiết kế lắp đặt gồm nhiều bộ phận như máy tính ( trung tâm sử lý ) , bộ thu tín hiệu cảm biến, hệ thống giao tiếp không người lái, hệ thống lái Drive-by-wire

+ Hệ thống máy tính MULTICORE HETROGENOUS

- Hệ thống máy tính MULTICORE HETROGENOUS là hệ hệ thống gồm hai máy tính chủ hai lõi HP Việc sử dụng hai máy tính HP để ứng dụng phần mềm LabVIEW sử lý các tín hiệu cảm biến và hình ảnh cũng như để chạy mô hình hoạch định và lập kế hoạch Ngoài ra còn có sự kết hệ của hệ thống Rio để quản lý các dao diện của xe Trong xe của mình google đã sử dụng một màn hình cảm ứng liên kết với máy tính và hệ thống Rio để chuyển đỏi chế dộ tự động hoặc chế độ thường tùy thuộc vào người sủ dụng

- Hệ thống máy tính MULTICORE HETROGENOUS được đồng nhất với các hệ thống vì mỗi hệ thống xẽ là một đơn vị khác nhau như bộ sử lý tổng quát GPP, bộ sử lý đặc biêt DSP, bộ sử lý đồ họa GPU, bộ sử lý đồng bộ, mạch tích hợp ASCI, chúng xẽ được đồng bộ lại với nhau và hệ thống máy tính xẽ sử lý thu thập sử lý tín hiệu

+ Thu thập dữ liệu cảm biến

- Thu thập dữ liệu cảm biến có nghĩa là thu thập dữ liệu mà các bộ cảm biến đang cung cấp được thu thập từ môi trường hiện tại, sau đó thu thập được dữ liệu được xử lý.Việc thu thập tín hiệu cảm biến được thực hiện trên phầm mềm LabVIEW và chạy trên các máy chủ đa lõi với Linux và Windows OSs được xử lý và phân tích dữ liệu từ ba IBEO ALASCA LIDARs đa năng, bốn LABS SICK LMS, hai IEEE 1394 camera, và một máy định vị Novatel / INS Người ta sử dụng cáp Ethernet để kết nối với tất cả các cảm biến

+ Hệ thống giao tiếp không người lái JAUS ( Joint Architecture for Unmanned Systems )

- Hệ thống không người lái JAUAS trước đây còn được gọi là hệ thống mặt đất không người dân JAUGS Ban đầu nó là một sáng kiến bắt đầu 1998 của bộ quốc phòng Hoa

Kỳ để phát triển hệ thống không người lái trên máy bay sau đó được sự trợ giúp của LaVIEW đã phát triển, triển khai một công cụ cho JAUS đó là xe cớ giới tự hành thông qua việc gửi tin nhắn và thông tin trạng thái giữa các xe với nhau Sau đó người ta phát triển SAEAS-4 JAUS ứng dụng tốt hơn cho xe tự hành và google car cũng sủ dụng ứng dụng này

+ Hệ thống lái không trục

- Hệ thống lái không trục là hệ hống lái tiên tiến trong ô tô, nó thay thế cho các hệ thống lái truyền thống, Do đó, các thành phần truyền thống như cột lái, trục trung gian, máy bơm, ống, đai, bộ làm mát, chân không, xy lanh được loại bỏ khỏi xe

- Người lái tác động vào vô-lăng thì góc quay của vô-lăng sẽ được đo đạc bởi bộ phận

đo góc lái và gửi dữ liệu đến ECU của hệ thống Sau đó tín hiệu từ đây sẽ được xử lý để điều khiển dòng thủy lực xuống thước lái để bánh xe dịch chuyển theo sự mong muốn của hệ thống Do việc điều khiển bằng cách truyền tín hiệu nên quá trình tác động sẽ diễn

ra nhanh hơn so với các hệ thống lái dẫn động cơ khí hiện nay.Việc trang bị camera trên các xe sử dụng hệ thống lái không trục giúp quan sát đường phía trước và phát hiện các vật thể trên nền đường Khi xe bắt đầu đi chệch đường ECU của hệ thống sẽ đưa ra những điều chỉnh nhỏ cần thiết để duy trì vị trí của xe ở vị trí thích hợp trên đường

2.2 Lý thuyết điều khiển tự động

2.2.1 Khái niệm điều khiển tự động

Khái niệm điều khiển tự động được hiểu là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá trình nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình đó Hệ thống điều khiển mà không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển được gọi là điều khiển tự động Một hệ thống ĐKTĐ được xây dựng từ ba bộ phận chủ yếu theo sơ đồ sau:

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

Trong đó:

r(t): tín hiệu vào, chuẩn tham chiếu ( reference input), giá trị đặt trước

e(t): tín hiệu sai lệch, sai số

U(t): tín hiệu điều khiển

y(t): tín hiệu ra (output), biến/đại lượng cần điều khiển, giá trị thực

Z(t): tín hiệu hồi tiếp

n(t): tín hiệu nhiễu

Bộ so: So sánh và phát hiện độ sai lệch e giữa tín hiệu vào(giá trị đặt) và tín hiệu hồi

tiếp (giá trị đáp ứng) Trong thực tế bộ so thường được ghép chung vào bộ điều khiển

Bộ điều khiển (C): Dùng thông tin về độ sai lệch e để tạo tín hiệu điều khiển u thích

hợp, từ đó tác động lên đối tượng Thuật toán xác định hàm u(t) gọi là thuật toán điều khiển hay luật điều khiển Bộ điều khiển liên tục có thể thực hiện bằng cơ cấu cơ khí, thiết bị nén, mạch điện RLC, mạch khuếch đại thuật toán Bộ điều khiển thực chất là các chương trình phần mềm chạy trên vi xử lý hay máy tính

Đối tượng điều khiển (O): là hệ thống vật lý cần điều khiển để có thể đáp ứng mong

muốn ĐTĐK bao gồm đa dạng các loại máy, thiết bị kỹ thuật, quá trình công nghệ, là thiết bị thường được đặc trưng bằng các cơ cấu chấp hành như đông cơ, xy lanh, hệ bàn trượt với tín hiệu ra là chuyển động vật lý như vận tốc, vị trí, góc quay, gia tốc, lực

Cảm biến (M): thực hiện chức năng đo và chuyển đổi đại lượng của hệ thống thành

dạng tín hiệu phù hợp để thuận tiện so sánh, xử lý, hiển thị Sự chuyển đổi là cần thiết khi các tín hiệu vào ra không cùng bản chất vật lý: Tín hiệu ra có thể là vận tốc, vị trí, nhiệt

độ, lực trong khi tín hiệu vào đa phần là tìn hiệu điện Nguyên tắc chung để đo các đại

lượng không điện bằng phương pháp điện là biến đổi chúng thành tín hiệu điện ( điện áp hoặc dòng điện)

Một số thiết bị đo điển hình:

 Đo vận tốc: bộ phát tốc ( DC tachometer, AC tachometer, optical tachometer)

 Đo góc quay: chiết áp xoay, bộ mã hóa góc quay ( rotary encoder)

 Đo lượng dịch chuyển: chiết áp ( Potentiometer), thước mã hóa

 Đo nhiệt độ: cặp nhiệt ngẫu (thermocouple), đện trở nhiệt (themistor, RTD)

 Đo lưu lượng, áp suất: các bộ chuyển đổi lưu lượng, áp suất

 Đo lực: cảm biến lực (loadcell,…)

Nhiễu: Các tác động lên hệ thống gây nên các ảnh hưởng không mong muốn được gọi

chung là nhiễu nhiễu luôn tồn tại và có thể tác động bất cứ phần nào của hệ thống, nhưng thường được quan tâm nhiều nhất là các nhiễu tác đọng lên đối tương điều khiển, loại này thường gọi là nhiễu đầu ra hay nhiễu phụ tải

2.2.2 Phân loại phương thức điều khiển tự động

Có ba phương thức điều khiển :

 Phương thức điều khiển theo chương trình

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

Các loại tín hiệu có trong hệ thống

- r(t) tín hiệu vào

- e(t) Sai lệch điều khiển

- U(t) Tín hiệu điều khiển

- y(t) Tín hiệu đầu ra

Gồm có 3 phần chính stator( phần cảm), rotor ( phần ứng), và phần chỉnh lưu ( chổi than và cổ góp)

 Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện

 Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều

 Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.

Tùy thuộc vào cách mắc cuộn dây rotor và stato có thể chia động cơ DC thành các loại thông dụng sau:

 Động cơ kích từ độc lập: cuộn dây kích từ (cuộn dây stato) và cuộn dây phần ứng (rotor) mắc riêng rẽ nhau, có thể cấp nguồn riêng biệt

K: Hằng số, phụ thuộc vào cấu trúc động cơ

ω: Tốc độ động cơ (rad/s) Rư: Điện trở phản ứng (Ohm)

Iư: Dòng điện phản ứng (A)

Φ: Từ thông trên mỗi cực (Wb)

tự truyền thống bởi nhiều ưu điểm Về bộ điều khiển số, có rất nhiều phương pháp được

đề xuất như: PID số, Fuzzy logic, Lyapounov, Tuy nhiên, chiếm hơn 70% bộ điều khiển trong công nghiệp là PID

2.3.2 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

Khi xem xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, ta

đã biết quan hệ ω=f(M) phụ thuộc các thông số điện U, φ, Rư Sự thay đổi các thông số này sẽ cho những họ đặc tính cơ khác nhau Vì vậy, với cùng một mô men tải nào đó, tốc

độ động cơ sẽ khác nhau ở các đặc tính cơ khác nhau Như vậy,động cơ điện một chiều kích từ độc lập (hay kích từ song song) có thể được điều chỉnh tốc độ bằng các phương pháp:

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng

 Điều khiển từ thông

 Điều khiển điện áp phần ứng

 Điều chỉnh số xung PWM cấp cho động cơ

2.4 Điều khiển động cơ theo thuật toán PID

2.4.1 Khái niệm

Theo chức năng, bộ điều khiển được phân thành các loại là bộ điều khiển tỉ lệ Proportional), bộ điều khiển vi phân (I-Integration), bộ diều khiển tỉ lệ-tích phân (PI), bộ điều khiển tỉ lệ-vi phân (PD- Proportional Derivative) và bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân (PID) Bộ điều khiển đơn giản nhất là bộ điều khiển tỉ lệ (P) , tác dụng của nó như một khâu khuyếch đại với hệ thay đổi được Thay đổi hệ số khuếch đại có thể làm thay đổi sai lệch tĩnh nhưng không thể triệt tiêu được nó Hệ số khuếch đại càng lớn thì hệ càng mất khả năng ổn định Trong phần này chúng ta sẽ đề cập tới bộ điều khiển PID

(P-Hình 2.19: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

PID cái tên nghe rất quen thuộc,không còn xa lạ với mọi người và chắc hẳn được rất nhiều người biết đến Đây là một trong những bộ điều khiển phổ biến và quan trọng nhất trong các thiết bị và hệ thống công nghiệp từ ổ đĩa CD, hệ thống lò nhiệt, cho tới vận tốc

xe ô tô đều được thực hiện bởi các thuật toán PID

Bộ điều khiển PID là mộ bộ hiệu chỉnh có phản hồi nhằm làm giá trị sai lệch của một tín hiệu đang được điều khiển bằng không Bộ điều khiển PID bao gồm 3 thành phần:

Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) và Derivative (đạo hàm), ba thành phần này đều

có vai trò đưa sai lệch về không Tính chất tác động của mỗi thành phần có đặc điểm riêng Tín hiệu phản hồi (feedback signal) thường là tín hiệu được đo bằng cảm biến

PID là bộ điều khiển thông dụng nhất trong công nghiệp vì tính dễ áp dụng và mang lại chất lượng điều khiển ổn định cho hệ thống Cụ thể, bộ điều khiển PID thường sử dụng trong điều khiển động cơ DC, robot, các hệ thống ô tô, điều khiển áp suất, băng truyền, vv

2.4.2 Điều khiển PID động cơ DC

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

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