Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế thi công hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông thông qua xử lý ảnh

Chia sẻ: Xylitol Lime Mint | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:116

Thêm vào BST

Báo xấu

166
lượt xem 34
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu này nhằm mục tiêu phát triển giải thuật điều khiển hệ thống đèn giao thông cho một giao lộ, với chu kỳ đèn tín hiệu tùy thuộc vào tình trạng xe lưu thông trên hai tuyến đường quan sát được bởi 2 camera. Giải thuật đếm số lưu lượng xe trên đường được xây dựng để quyết định thời gian của chu kỳ đèn xanh kế tiếp cho tuyến đường tương ứng. Hình ảnh thu được từ camera sẽ được phần mềm mô phỏng giả lập để kiểm chứng giải thuật điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy tuyến đường nào có lưu lương xe lớn hơn thì chu kỳ đèn xanh của tuyến đường đó dài hơn và ngược lại.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế thi công hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông thông qua xử lý ảnh

TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp. HCM, ngày 16 tháng 07 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thái Dương Duy MSSV: 13141040 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử Truyền Thông Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 01 Khóa: 2013 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG QUA XỬ LÝ ẢNH. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Video đầu vào: 6 video, 2 video khi đường ít xe, 2 video khi làn nhiều xe. - Matlab phiên bản 2017a. - Kit điều khiển chính: Arduino Mega 2560, 2 Module Led 7 đoạn đôi, 6 led đơn (2 đỏ, 2 vàng, 2 xanh). 2. Nội dung thực hiện: Đề tài thực hiện nội dung xây dựng hệ thống đếm đối tượng qua hình ảnh với đầu vào là từ video là ảnh chứa các đối tượng (phương tiện giao thông). Kết quả đếm được sẽ được gửi xuống kit Arduino để điều khiển 2 cặp module led 7 đoạn và led đơn. Nhóm sẽ thực hiện các nội dung như sau:  Tìm hiểu về kit Arduino Mega 2560.  Tìm hiểu về phần mềm matlab.  Cài đặt nguồn thư viện cho kit Arduino, cách kết nối Arduino với Matlab.  Tìm hiểu các thuật toán phát hiện phương tiện giao thông.  Xây dựng quá trình xử lý ảnh đầu vào.  Xây dựng hệ thống đếm phương tiện trong ảnh, lập trình giao diện sử dụng để mô phỏng quá trình thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu xuống kit Arduino.  Xây dựng chương trình điều khiển điều tín hiệu đèn giao thông trên kit Arduino.  Đánh giá kết quả thực hiện. ii
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/03/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Võ Đức Dũng. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh Tp. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 07 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thái Dương Duy. Lớp: 13141DT3A MSSV: 13141040 Tên đề tài: THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG QUA XỬ LÝ ẢNH. Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD - Gặp giáo viên hướng dẫn để phổ biến quy định: thực hiện chọn đề tài, tên đề tài, thời gian 1 làm việc. (19-25/3) - Duyệt đề tài. - Viết đề cương cho đề tài. 2 - Tìm hiểu hoạt động Arduino và Matlab. (26/3-1/4) - Cài đặt Matlab, Arduino. 3 - Lập trình Arduino với các chân I/O để nhúng (2/4-8/4) dữ liệu. - Tìm hiểu các thuật toán xử lý ảnh đầu vào. 4 - Các hàm cơ bản xử dụng cho việc sử lý ảnh (9/4-15/4) đầu vào. - Thiết kế sơ đồ khối giải thuật xử lý ảnh đêm 5 đối tượng ảnh đầu vào. (16/4-22/4) - Tìm hiểu cách giao tiếp Arduino với module 6 Led 7 đoạn 2 digit. (23/4-29/4) - Tính toán các thông số dòng và áp. Để lựa iv
chọn các linh kiện phù hợp. - Viết lưu đồ chương trình đèn giao thông. 7 - Tiến hành viết chương trình và hiệu chỉnh (30/4-6/5) chương trình. 8 - Tìm hiểu cách kết nối giữa matlab và adruino. (7/5-13/5) - Tiến hành gửi dữ liệu từ Matlab sang arduino. - Xây dựng mô hình. 9 - Kiểm tra, hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa (14/5-20/5) lỗi. Viết báo cáo. - Kiểm tra, hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa 10 lỗi. (21/5-27/5) - Viết báo cáo. 11 - Hoàn thiện, chỉnh sửa báo cáo gửi cho GVHD (28/5-3/6) để xem xét góp ý lần cuối trước khi in báo cáo. 12 - Nộp quyển báo cáo và làm Slide báo cáo. (4/6-10/6) GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) v
LỜI CAM ĐOAN Chúng tôi cam đoan đồ án tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của thạc sĩ Võ Đức Dũng. Các kết quả công bố trong đồ án tốt nghiệp “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông thông qua xử lý ảnh” là trung thực và không sao chép từ công trình nào khác. Người thực hiện đề tài. Nguyễn Thái Dương Duy vi
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được rất nhiều sự ủng hộ, giúp đỡ đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè. Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.S Võ Đức Dũng - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo trong suốt thời gian làm luận án tốt nghiệp. Thầy đã tạo nhiều điều kiện và cho những lời khuyên quý báu giúp chúng em hoàn thành tốt khóa luận. Xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trong Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM nói chung, các thầy cô trong Bộ môn Điện tử Công Nghiệp – Y Sinh nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu và tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình học tập trong những năm học vừa qua, giúp chúng em có được cơ sở lý thuyết vững vàng. Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, ủng hộ, giúp đỡ, động viên chúng em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài. Nguyễn Thái Dương Duy. vii
MỤC LỤC Trang bìa .................................................................................................................... i Nhiệm vụ đồ án ......................................................................................................... ii Lịch trình ................................................................................................................ iv Cam đoan ................................................................................................................ vi Lời cảm ơn .............................................................................................................. vii Mục lục .................................................................................................................. viii Liệt kê hình vẽ ......................................................................................................... xi Liệt kê bảng vẽ ....................................................................................................... xiv Tóm tắt ................................................................................................................... xv CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................... 1 1.1 Đặt vấn đề........................................................................................................ 1 1.2 Mục tiêu .......................................................................................................... 3 1.3 Nội dung nghiên cứu........................................................................................ 3 1.4. Giới hạn .......................................................................................................... 3 1.5 Bố cục ............................................................................................................. 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................. 6 2.1 Giới thiệu xử lý ảnh......................................................................................... 6 2.2 Tổng quan về Matlab....................................................................................... 7 2.3 Giới thiệu về lịch xử hình thành Arduino ........................................................ 8 2.4 Giới thiệu phần cứng ..................................................................................... 10 2.4.1 Kit arduino mega 2560 ............................................................................... 10 2.4.2 Led quét 7 đoạn loại 2 digit ........................................................................ 13 2.4.2.1 Led 7 đoạn............................................................................................... 13 2.4.2.2 Led quét 7 đoạn loại 2 digit ..................................................................... 14 2.4.3 Led đơn ...................................................................................................... 15 2.5 Quy trình xử lý ảnh ....................................................................................... 15 2.5.1 Xử lý ảnh là gì? .......................................................................................... 15 2.5.2 Quá trình thu nhận ảnh ............................................................................... 16 2.5.3 Quá trình tiền xử lý ảnh ............................................................................. 16 2.5.4 Quá trình phân đoạn ảnh............................................................................. 16 2.5.5 Biểu diễn và mô tả...................................................................................... 17 viii
2.5.6 Nhận dạng và nội suy ảnh........................................................................... 17 2.5.7 Cơ sở tri thức.............................................................................................. 18 2.6 Các phương pháp xử lý cơ bản với một đối tượng ảnh đầu vào ..................... 18 2.6.1 Chuyển đổi ảnh màu sang ảnh màu xám ..................................................... 18 2.6.2 Nhị phân hóa ảnh ....................................................................................... 20 2.6.3 Các phương pháp lọc nhiễu ảnh nhằm cải thiện ảnh ................................... 21 2.6.4 Làm trơn nhiễu bằng lọc tuyến tính ............................................................ 21 2.6.5 Làm trơn nhiễu bằng lọc phi tuyến ............................................................. 24 2.6.6 Phân vùng ảnh ............................................................................................ 24 2.7 Các hàm cơ bản được sử dụng trong quá trình phát hiện và đếm số lượng phương tiện trong đề tài ................................................................................ 25 2.7.1 Hàm imread() ............................................................................................. 25 2.7.2 Hàm imshow() và imagesc() ....................................................................... 25 2.7.3 Hàm rgb2gray() .......................................................................................... 26 2.7.4 Hàm imadjust() .......................................................................................... 27 2.7.5 Hàm tự tính ngưỡng để chuyển sang ảnh nhị phân graythresh(), và hàm chuyển đổi ảnh nhị phân imbinarize() ........................................................... 28 2.7.6 Hàm imdilate() ........................................................................................... 28 2.7.7 Hàm imerode() ........................................................................................... 29 2.7.8 Hàm bwareaopen() ..................................................................................... 30 2.7.9 Hàm bwlable .............................................................................................. 31 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. ............................................... 32 3.1 Giới thiệu....................................................................................................... 32 3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống ........................................................................ 32 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ....................................................................... 32 3.2.2 Thiết kế các khối hệ thống................................................................................. 33 3.2.3 Thiết kế mô hình đèn giao thông ................................................................. 40 3.2.4 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ................................................................... 41 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................... 43 4.1 Giới thiệu. ...................................................................................................... 43 4.2 Thi công hệ thống............................................................................................ 43 4.2.1 Thi công bo mạch ......................................................................................... 43 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ....................................................................................... 44 ix
4.2.3 Thiết kế giao diện cho người điều khiển ....................................................... 45 4.3 Đóng gói và thi công mô hình .................................................................................... 45 4.4 Lập trình hệ thống ........................................................................................... 46 4.4.1 Lập trình trên phần mềm matlab ................................................................... 46 4.4.1.1 Lưu đồ tổng quát trên matlab ..................................................................... 46 4.4.1.2 Chi tiết về hệ thống.................................................................................... 46 4.4.2 Lập trình trên kit arduino mega 2560 ............................................................ 53 4.4.2.1 Lưu đồ tổng quát trên arduino.................................................................... 53 4.4.2.2 Chương trình điều khiển trên arduino ........................................................ 54 4.5 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, tháo tác ......................................................... 60 4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng .................................................................... 60 4.5.2 Quy trình thao tác trên giao diện................................................................... 60 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................ 61 5.1 Kết quả ............................................................................................................ 61 5.2 Nhận xét .......................................................................................................... 72 5.3 Đánh giá .......................................................................................................... 73 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. .......................... 74 6.1 Kết luận........................................................................................................... 74 6.2 Hướng phát triển ............................................................................................. 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC ........................................................................................................... x
LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1 Máy in 3D Makerbot điều khiển bằng Arduino Mega 2560 ................... 9 Hình 2.2: Xe tự hành ............................................................................................ 10 Hình 2.3: Ambilight dùng Arduino uno ............................................................... 10 Hình 2.4: Sơ đồ và chức năng chân Arduino Mega 2560 ...................................... 11 Hình 2.5: Giao tiếp 2 hệ thống dùng chuẩn UART ............................................... 13 Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động chuẩn UART ....................................................... 13 Hình 2.7 Sơ đồ chân LED 7 thanh Anode ............................................................. 14 Hình 2.8: Cấu tạo thanh led 7 đoạn 2 digit ............................................................ 14 Hình 2.9: Sơ đồ chân Led 7 đoạn loại 2 digit. ....................................................... 15 Hình 2.10: Led đơn sắc......................................................................................... 15 Hình 2.11: Sơ đồ chân led đơn sắc........................................................................ 15 Hình 2.12: Kết quả đầu ra của quá trình xử lý ảnh ................................................ 16 Hình 2.13: Sơ đồ quá trình xử lý ảnh .................................................................... 16 Hình 2.14: Chuyển ảnh màu thành ảnh xám ......................................................... 19 Hình 2.15: Lược đồ xám....................................................................................... 20 Hình 2.16: Ảnh xám và ảnh nhị phân ................................................................... 20 Hình 2.17: Ví dụ bộ lọc trung bình ....................................................................... 22 Hình 2.18: Hiển thị ảnh bằng hàm imshow() ......................................................... 26 Hình 2.19: Hiển thị ảnh bằng hàm imagesc() ........................................................ 26 Hình 2.20: Chuyển đổi ảnh màu thành ảnh xám ................................................... 27 Hình 2.21: Tăng cường độ tương phản của anh bằng hàm imadjust() ................... 27 Hình 2.22: Chuyển đổi ảnh xám sang ảnh nhị phân .............................................. 28 Hình 2.23: Ảnh đầu vào........................................................................................ 29 Hình 2.24: Ảnh sau khi giản nở ............................................................................ 29 Hình 2.25: Ảnh đầu vào........................................................................................ 30 Hình 2.26: Ảnh sau khi xói mòn ........................................................................... 30 Hình 2.27: So sánh ảnh gốc và ảnh sau khi xử lý bằng hàm bwareaopen() ........... 31 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống .............................................................................. 32 Hình 3.2: Sơ đồ nối dây vi điều khiển trong Broad Arduino Mega ....................... 34 Hình 3.3: Sơ đồ nối dây mạch nạp trong Arduino Mega ....................................... 35 xi
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý led 7 đoạn 2 digit anode chung ................................... 36 Hình 3.5: Led 7 đoạn 2 digit thực tế ..................................................................... 36 Hình 3.6: Led đơn màu xanh, đỏ, vàng thực tế ..................................................... 38 Hình 3.7 Sơ đồ kết nối led đơn với điện trở .......................................................... 38 Hình 3.8 Sơ đồ kết nối led 7 đoạn với điện trở...................................................... 38 Hình 3.9: Mặt trên của mô hình sau khi thiết kế ................................................... 40 Hình 3.10: Mặt dưới của mô hình sau khi thiết kế ................................................ 41 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ................................................................. 42 Hình 4.1 Mô hình sau khi thi công........................................................................ 43 Hình 4.2. Hỉnh ảnh thực tế sau khi thi công .......................................................... 44 Hình 4.3. Giao diện điều khiển chính trên PC ....................................................... 45 Hình 4.4. Mô hình sau khi thi công....................................................................... 46 Hình 4.5. Sơ đồ khối tổng quát chính của hệ thống đếm đối tượng trên matlab .... 46 Hình 4.6. Lưu đồ xử lý ảnh đầu vào...................................................................... 48 Hình 4.7. Ảnh đầu vào .......................................................................................... 49 Hình 4.8. Ảnh nền ................................................................................................ 49 Hình 4.9. Ảnh được nhị phân................................................................................ 50 Hình 4.10. Ảnh sau khi giản nở điểm ảnh ............................................................. 51 Hình 4.11. Ảnh sau khi lấp lỗ trống ...................................................................... 51 Hình 4.12. Ảnh sau khi sói mòn ........................................................................... 52 Hình 4.13. Ảnh sau xóa các đối tượng nhỏ ........................................................... 52 Hình 4.14. Kết quả sau khi xử lý .......................................................................... 53 Hình 4.15. Sơ đồ khối chương trình nhận dữ liệu từ Matlab sang Aruduino ......... 53 Hình 4.16. Lưu đồ chương trình điều khiển ứng dụng trên Arduino ..................... 54 Hình 4.17. Quy trình thao tác với thuật toán đếm số lượng phương tiện ............... 60 Hình 5.1 Giao diện điều khiển chính .................................................................... 61 Hình 5.2. Giao diện lựu chọn lưu lượng phương tiện để quan sát ......................... 61 Hình 5.3. Kết quả quan sát trên giao diện làn 1 khi ít xe ....................................... 62 Hình 5.4. Kết quả quan sát trên mô hình làn 1 khi ít xe ........................................ 63 Hình 5.5. Kết quả quan sát trên giao diện làn 2 khi ít xe ....................................... 63 Hình 5.6. Kết quả quan sát trên mô hình làn 2 khi ít xe ........................................ 64 Hình 5.7. Kết quả quan sát trên giao diện làn 1 khi vừa xe ................................... 65 Hình 5.8. Kết quả quan sát trên mô hình làn 1 khi vừa xe ..................................... 66 xii
Hình 5.9. Kết quả quan sát trên giao diện khi làn 2 vừa xe ................................... 66 Hình 5.10. Kết quả quan sát trên mô hình khi làn 2 vừa xe ................................... 67 Hình 5.11. Kết quả quan sát trên giao diện làn 1 khi đông xe ............................... 68 Hình 5.12. Kết quả quan sát trên mô hình làn 1 khi đông xe ................................. 69 Hình 5.13. Kết quả quan sát trên giao diện làn 2 khi đông xe ............................... 69 Hình 5.14. Kết quả quan sát trên mô hình làn 2 khi đông xe ................................. 70 Hình 5.15. Kết quả điều khiển bằng tay làn 1 ....................................................... 71 Hình 5.16. Kết quả điều khiển bằng tay làn 2 ....................................................... 71 xiii
LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 3.1: Mã hiển thị từ 0 – 9 loại anode chung .....................................................37 Bảng 3.2 Số giây đèn xanh ứng với số xe đếm được ................................................39 Bảng 3.3 Liệt kê điện áp và dòng các linh kiện sử dụng trong mạch ........................39 Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện ............................................................................47 Bảng 5.1 Kết quả đếm xe làn 1 khi ít xe ..................................................................64 Bảng 5.2 Kết quả đếm xe làn 2 khi ít xe ..................................................................65 Bảng 5.3 Thống kê kết quả đếm xe làn 1 khi vừa xe ................................................67 Bảng 5.4 Thống kê kết quả đếm xe làn 2 khi vừa xe ................................................68 Bảng 5.5 Kết quả đếm xe làn 1 khi đông xe .............................................................70 Bảng 5.6 Kết quả đếm xe làn 2 khi đông xe .............................................................71 xiv
TÓM TẮT Sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và lượng dân cư đông đúc. Nhu cầu đi lại, vận chuyển cũng tăng lên nhanh chóng đi kèm theo nó là bài toán tắc nghẽn ùn tắc giao thông. Ùn tắc giao thông gây thiệt hại không nhỏ cho sự phát triển kinh tế quốc gia, giảm hiệu suất lao động và tăng các chi phí không cần thiết trong quá trình sản xuất. Trong bối cảnh kinh tế lạm phát và khó khăn như hiện nay, lãng phí trong giao thông lại đặt thêm một gánh nặng đối với đời sống kinh tế của người dân. Nguyên nhân của vấn đề này một phần là do cơ sở hạ tầng chưa đáp ứng được nhu cầu lưu thông hiện nay, một phần là do việc phân chia, định thời gian của hệ thống đèn giao thông hiện tại ở các giao lộ chưa hợp lý khiến cho số lượng phương tiện giao thông bị ùn tắc theo thời gian rồi dẫn đến tắc nghẽn giao thông. Qua thực trạng đó, nhóm muốn xây dựng một hệ thống điều thiết giao thông tự động, phân luồng trực tiếp và hiệu quả hơn phần nào đó giảm bớt tình trạng ùn tắc giao thông. Đồng thời tiêu tiếp cận, bổ sung các kiến thức mới, cũng như củng cố lại những kỹ năng kiến thức trong suốt quá trình học tập tại trường. Do đó, nhóm thực hiện đồ án chọn đề tài: “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông thông qua xử lý ảnh”. Nghiên cứu này nhằm mục tiêu phát triển giải thuật điều khiển hệ thống đèn giao thông cho một giao lộ, với chu kỳ đèn tín hiệu tùy thuộc vào tình trạng xe lưu thông trên hai tuyến đường quan sát được bởi 2 camera. Giải thuật đếm số lưu lượng xe trên đường được xây dựng để quyết định thời gian của chu kỳ đèn xanh kế tiếp cho tuyến đường tương ứng. Hình ảnh thu được từ camera sẽ được phần mềm mô phỏng giả lập để kiểm chứng giải thuật điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy tuyến đường nào có lưu lương xe lớn hơn thì chu kỳ đèn xanh của tuyến đường đó dài hơn và ngược lại. Người thực hiện đề tài. Nguyễn Thái Dương Duy. xv
xvi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN. 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ. Trong những năm gần đây, mặc dù còn mới mẻ trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nhưng xử lý ảnh đang được nghiên cứu và phát triển với tốc độ nhanh chóng bởi các trung tâm nghiên cứu, trường đại học và học viện… với rất nhiều ứng dụng trên các lĩnh vực khác nhau [1]. Việc áp dụng công nghệ xử lý ảnh để tạo ra các thiết bị điện tử tự động hóa, phần nào đó thay thế được số lượng các cảm biến cần sử dụng giúp nhà đầu tư và người sử dụng vừa tiết kiệm được chi phí và nâng cao hiệu suất làm việc. Trên thực tế các có rất nhiều bài toán đa dạng về các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, an ninh thậm chí là y tế được giải quyết nhờ việc áp dụng công nghệ xử lý ảnh. Hiện nay với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế nước nhà và lượng dân cư đông đúc. Nhu cầu đi lại, vận chuyển cũng tăng lên nhanh chóng đi kèm theo nó là bài toán tắc nghẽn ùn tắc giao thông. Ùn tắc giao thông gây thiệt hại không nhỏ cho sự phát triển kinh tế quốc gia, giảm hiệu suất lao động và tăng các chi phí không cần thiết trong quá trình sản xuất. Trong bối cảnh kinh tế giảm phát và khó khăn như hiện nay, lãng phí trong giao thông lại đặt thêm một gánh nặng đối với đời sống kinh tế của người dân. Nguyên nhân của vấn đề này một phần là do cơ sở hạ tầng chưa đáp ứng được nhu cầu lưu thông hiện nay, một phần là do việc phân chia, định thời gian của hệ thống đèn giao thông hiện tại ở các nút giao thông chưa hợp lý khiến cho số lượng phương tiện giao thông bị ùn tắc theo thời gian rồi dẫn đến tắc nghẽn giao thông. Hiện tại có rất nhiều giải pháp để nâng cao hiểu phia chia thời gian các làn đường ở các nút giao thông trọng điểm. Như lập trình bộ điều khiển tín hiệu theo khung giờ cao điểm, hay trực tiếp phân luồng bởi con người. Tuy vậy các giải pháp chỉ mang tính tương đối và tốn tài nguyên về con nguời. Ở các quốc gia tiên tiến, giải pháp đưa ra là lắp đặt các hệ thống camera để tự động điều tiết giao thông tại các giao lộ trọng yếu. Trong quá trình phát triển hệ thống kiểm soát giao thông, đã có rất nhiều công bố về việc nghiên cứu thông BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN qua mô phỏng và thực nghiệm nhằm tối ưu hóa các bộ điều khiển đèn tín hiệu. Trong đó, các nghiên cứu điển hình về việc sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh kết hợp với điều khiển mờ (fuzzy control) đèn tín hiệu đã được áp dụng thành công [6- 9]. Các hệ thống này có giá rất cao, ví dụ một hệ thống đèn giao thông thông minh thương mại sử dụng máy tính công nghiệp và các camera giám sát được giới thiệu bởi AdvanTech lên đến hàng tỉ đồng cho mỗi chốt giao thông[10]. Ở nước ta, hầu hết các hệ thống đèn giao thông hiện đại đều được nhập khẩu với giá thành cao và kèm theo hàng loạt các vấn đề cần khắc phục, do chúng ta chưa làm chủ được công nghệ. Chẳng hạn, để lắp đặt 121 trụ đèn giao thông do Tây Ban Nha sản xuất, trong dự án “Tăng cường năng lực giao thông thành phố Hồ Chí Minh”, cần đến 3,5 triệu USD. Tuy nhiên, chưa đầy một năm sử dụng, chúng ta đã “phơi nắng” số tiền khổng lồ này, do các trụ đèn giao thông trên không hoạt động được[11]. Năm 2007, Sở Giao Thông Công Chánh thành phố Hồ Chí Minh triển khai lắp đặt 48 chốt đèn gắn cảm biến để điều tiết giao thông tự động, bằng nguồn vốn ODA[12]. Tuy vậy, mới sau một thời gian ngắn sử dụng, các chốt đèn giao thông này đã bị bệnh “nan y”. Ủy Ban Nhân Dân thành phố Hồ Chí Minh phải chi hơn 8.456USD để mời chuyên gia nước ngoài “chẩn bệnh”[13]. Rõ ràng làm chủ công nghệ đèn giao thông là nhu cầu thiết thực mà xã hội đã và đang đặt ra. Nghiên cứu này hướng tới việc kiểm chứng giải pháp thiết kế đèn giao thông có thể thay đổi được số giây đèn xanh cho mỗi làn đường để điều tiết lưu lương cho hợp lý dựa trên công nghệ xử lý ảnh. Hệ thống dùng 2 camera hồng ngoại để quan sát 2 tuyến đường của 1 giao lộ. Tuyến đường nào có lưu lượng xe cao hơn thì chu kì đèn xanh tương ứng cho tuyến đường đó sẽ dài hơn tuyến đường còn lại. Do đó, nhóm thực hiện đồ án chọn đề tài: “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông thông qua xử lý ảnh”. Nhằm góp phần vào việc xây dựng một phương pháp điều khiển đèn tín hiệu giao thông một cách hợp lý hơn, giúp tình trạng giao thông tại các ngã tư ở nước ta được ổn định hơn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.2 MỤC TIÊU. Mục tiêu của đề tài là xây dựng hệ thống đếm đối tượng (phương tiện) qua hình ảnh với đầu vào là ảnh có chứa đối tượng cần đếm từ ảnh chụp. Thông qua quá trình xử lý ảnh sẽ cho ra kết quả là số lượng phương tiện của mỗi làn đường từ đó sẽ gửi dữ liệu xuống kít điều khiển arduino để điều khiển tín hiệu đèn giao thông điều tiết giao thông. 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. Mục tiêu xây dựng đề tài: “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông thông qua xử lý ảnh” nhóm sẽ thực hiện những nội dung như sau:  NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về kit Arduino Mega 2560.  NỘI DUNG 2: Tìm hiểu về phần mềm matlab.  NỘI DUNG 3: Cài đặt thư viện cho kit Arduino, cách kết nối Arduino với Matlab.  NỘI DUNG 4: Tìm hiểu các thuật phát hiện phương tiện giao thông, nguyên lý hoạt động của đèn giao thông ở ngoài thực tế.  NỘI DUNG 5: Xây dựng quá trình xử lý ảnh đầu vào.  NỘI DUNG 6: Xây dựng hệ thống đếm phương tiện trong ảnh, lập trình giao diện sử dụng để mô phỏng quá trình thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu xuống kit Arduino.  NỘI DUNG 7: Xây dựng chương trình điều khiển điều tín hiệu đèn giao thông trên kit Arduino.  NỘI DUNG 8: Đánh giá kết quả thực hiện. 1.4 GIỚI HẠN.  Mô hình gồm có kit Arduino Mega 2560, 2 Module led 7 đoạn loại 2 digit, 6 led đơn hiển thị đèn đỏ, xanh, vàng, máy tính laptop để thực hiện hệ thống đếm đối tượng qua hình ảnh trên phần mềm Matlab sau đó gửi dữ liệu xuống kit Arduino điêu khiển mô hình đèn giao thông. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN  Hệ thống đếm đối tượng ảnh đầu vào với ngõ vào là ảnh chụp từ camera, sau đó được xử lý bằng các phương pháp tiền xử lý ảnh đầu vào, thuật toán dán nhãn đối tượng, phát hiện và đếm số lương phương tiện có trong ảnh. Do điều kiện phải đặt camera ở trên cột đèn giao thông ngoài thực tế, điều đó là bất khả thi với nhóm thực hiện đề tài. Nên trong đề tài này nhóm thực hiện sẽ quay video của 2 làn đường ngoài thực tế bằng điện thoại. Với mật độ vừa phải trong điều kiện ánh sáng, thời tiết tốt vào ban ngày, sau đó nhúng vào Matlab được cài đặt trên PC để mô phỏng camera quay 2 làn đường. 1.5 BỐ CỤC. Đồ án tốt nghiệp: “Ứng dụng xử lý ảnh thiết kế thi công hệ thống hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thông” trình bày trong 6 chương với bố cục như sau:  Chương 1: Tổng quan. Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.  Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Giới thiệu về phần Matlab, giới thiệu về Arduino, giới thiệu về xử lý ảnh Giới thiệu về kit Arduino, Module led 7 đoạn đôi. Giới thiệu về các phương pháp trong quá trình xử lý ảnh đầu vào. Giới thiệu về thuật toán phát hiện và đếm số lượng phương tiện.  Chương 3: Thiết kế và tính toán. Phân tích, xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ phần cứng, thiết kế chương trình cho hệ thống đếm phương tiện qua hình ảnh được viết trên phần mềm Matlab. Thiết kế giao diện mô phỏng quá trình thực hiện việc lấy ảnh và gửi dữ liệu qua Arduino. Thiết kế chương trình nhận dữ liệu và điều khiển hệ thống đèn giao thông trên Arduino.  Chương 4: Thi công hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Xây dựng chương trình hoàn chỉnh cho toàn hệ thống, các hàm, các lưu đồ, các chương trình được sử dụng. Lắp ráp và chạy chương trình. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, quy trình thao tác.  Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá. Nêu các kết quả đạt được khi thực hiện chương trình, phân tích, nhận xét, đánh giá kết quả thực thi được.  Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Tóm tắt những kết quả đạt được, những hạn chế và nêu lên các hướng phát triển trong tương lai. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5