Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phát triển một số giải pháp hỗ trợ điều khiển xe tự hành

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:151

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu giải pháp vận hành hiệu quả xe tự hành thông qua điều khiển thông minh và tìm đường đi tối ưu, trong đó có tính đến yếu tố pháp lý và đạo đức, nhằm hỗ trợ điều khiển xe an toàn. Kết quả nghiên cứu của luận án có thể làm tiền đề để phát triển một số mô-đun trên xe tự hành, nhằm cải thiện hiệu suất, cải thiện tính năng an toàn trong quá trình hoạt động của xe tự hành.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phát triển một số giải pháp hỗ trợ điều khiển xe tự hành

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM QUÁCH HẢI THỌ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ GIẢI PHÁP HỖ TRỢ ĐIỀU KHIỂN XE TỰ HÀNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Hệ thống Thông tin Mã ngành: 9480104 ĐÀ NẴNG, NĂM 2022
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM QUÁCH HẢI THỌ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ GIẢI PHÁP HỖ TRỢ ĐIỀU KHIỂN XE TỰ HÀNH Ngành: Hệ thống Thông tin Mã ngành: 9480104 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS HUỲNH CÔNG PHÁP 2. TS PHẠM ANH PHƯƠNG ĐÀ NẴNG, NĂM 2022
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ GIẢI PHÁP HỖ TRỢ ĐIỀU KHIỂN XE TỰ HÀNH Ngành đào tạo: Hệ thống Thông tin Mã ngành: 9480104 Nghiên cứu sinh QUÁCH HẢI THỌ
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả được viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý của họ trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ trong công trình nào khác. Tác giả Quách Hải Thọ
TRANG THÔNG TIN LUẬN ÁN TIẾN SĨ Tên luận án: Nghiên cứu phát triển một số giải pháp hỗ trợ điều khiển xe tự hành Ngành: Hệ thống thông tin Mã ngành: 9480104 Họ và tên NCS: Quách Hải Thọ Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Huỳnh Công Pháp 2. TS. Phạm Anh Phương Cơ sở đào tạo: Khoa Tin học, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Trong quá trình nghiên cứu về lĩnh vực xe tự hành, với mục tiêu đặt ra là thiết kế các mô-đun như thế nào để xe tự hành có thể di chuyển đến đích trong môi trường phức tạp với các chướng ngại vật, với các quy định về luật giao thông và các vấn đề về đạo đức trong quá trình xử lý để có thể giảm thiểu tai nạn giao thông, mang lại hiệu quả an toàn trong quá trình hoạt động. Luận án đã tập trung giải quyết bài toán đưa ra một số giải pháp hỗ trợ điều khiển trong hoạt động của xe tự hành, với mô-đun lập kế hoạch chuyển động bằng phương pháp tiếp cận dựa trên kỹ thuật lấy mẫu, mô-đun này sẽ tạo ra quỹ đạo tối ưu từ tập các ứng viên quỹ đạo. Mô-đun lập kế hoạch chuyển động với mục tiêu không chỉ cải thiệu hiệu quả tính toán mà còn xử lý tính bất định trong dữ liệu môi trường và xây dựng mô-đun ra quyết định để giải quyết bài toán về pháp lý và đạo đức cho quá trình hoạt động của xe tự hành. Đồng thời nhằm nâng cao hiệu quả trong quá trình hoạt động, luận án cũng đã xây dựng giải pháp hỗ trợ điều khiển an toàn cho xe tự hành, với tập mô-đun gồm mô-đun hỗ trợ điều khiển chuyển động, mô- đun điều khiển theo dõi chuyển động và mô-đun lập kế hoạch chuyển động dự phòng. Kết quả nghiên cứu của luận án có thể làm tiền đề để phát triển hệ thống mô-đun trên xe tự hành, nhằm cải thiện hiệu suất, cải thiện tính năng an toàn trong quá trình hoạt động của xe tự hành trong thực tế. Từ khóa: Xe tự hành, lập kế hoạch đường đi, mạng nơ ron nhân tạo, điều khiển dự báo bằng mô hình, hệ thống tự hành thông minh.
INFORMATION PAGE OF DOCTORAL THESIS Name of thesis : Research develop several solutions for supporting the control of autonomous vehicles Major: Information system Code: 9480104 Full name of PhD student: Quach Hai Tho Supervisors: 1. Assoc. Prof. PhD Huynh Cong Phap 2. PhD Pham Anh Phuong Training institution: Faculty of Information Technology, University of Science and Education, the University of Danang Abstract: During research in the field of autonomous vehicles, our goal is to design modules helping autonomous vehicles can move to their destination in a complex environment with obstacles, legal regulations, traffic and ethical issues in the handling process so that traffic accidents can be minimized, bringing effective safety during operation. The thesis focuses on solving the problem of motion planning for autonomous vehicles, with the motion planning module using a sampling-based approach, to create optimal trajectories from the set of orbital candidates. The motion planning module aims to not only improve computing efficiency but also to address uncertainty in environmental data and build a decision-making module to solve the legal and ethical problem of autonomous vehicle operations. At the same time, in order to improve efficiency in the operation process, the thesis has also developed a solution to support safety control for autonomous vehicles, with a module set consisting of a motion control module, a motion tracking control module and a backup motion planning module. The results of the thesis can set the stage for the development of a modular system on autonomous vehicle to improve performance and safety features in the operation of autonomous vehicles in reality. Key words: Autonomous vehicle, Path planning, Neural Network, Model Prediction Control, Intelligent autonomous system.
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Huỳnh Công Pháp và TS. Phạm Anh Phương là người Thầy đã định hướng, hướng dẫn, truyền cảm hứng và khởi tạo niềm đam mê nghiên cứu khoa học để tôi vượt qua nhiều gian nan thử thách trên con đường đi đến nghiên cứu khoa học hàn lâm của hôm nay. Tôi xin gửi lời cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp, trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được rất nhiều góp ý về chuyên môn cũng như sự ủng hộ về các công tác tổ chức. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, các đồng nghiệp của tôi tại trường Đại học Nghệ thuật, Đại học Huế đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn các cán bộ đồng nghiệp tại khoa Tin học, trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể tập trung nghiên cứu khoa học và học tập tiếp thu kiến thức trong quá trình làm nghiên cứu sinh tiến sĩ. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, người thân – những người luôn dành cho tôi những tình cảm, luôn động viên và chia sẻ những khó khăn trong cuộc sống và tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành quá trình nghiên cứu của mình. TP.Huế, ngày 25 tháng 10 năm 2021 Tác giả Quách Hải Thọ
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................... i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU.................................................................................... iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... v PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 1. GIỚI THIỆU ........................................................................................................... 1 2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN ..................................................................... 2 3. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN ................................................................................. 3 4. CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN....................................................................... 5 5. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN ...................................................................................... 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN XE TỰ HÀNH ............................... 8 1.1 Tổng quan về xe tự hành ....................................................................................... 8 1.2 Những vấn đề tồn tại và hướng giải quyết đối với hệ thống mô-đun hỗ trợ điều khiển trong xe tự hành ...................................................................................... 12 1.2.1 Những vấn đề tồn tại ........................................................................................ 12 1.2.2 Hướng giải quyết những vấn đề đặt ra ............................................................. 17 1.3 Kiến thức chuẩn bị .............................................................................................. 23 1.3.1 Biểu diễn làn đường và xây dựng mô hình động học của xe ........................... 23 1.3.2 Phương pháp Monte Carlo và bộ lọc phần tử .................................................. 26 1.3.2.1 Phương pháp Monte Carlo ............................................................................ 27 1.3.2.2 Bộ lọc phần tử (Particle filter) ...................................................................... 30 1.3.3 Tổng quan về điều khiển dự báo theo mô hình ................................................ 31 1.3.3.1 Điều khiển dự báo theo mô hình và xây dựng hàm mục tiêu ....................... 32 1.3.3.2 Lập kế hoạch chuyển động dựa trên mô hình điều khiển dự báo ................. 35 1.4 Kết luận chương 1 ............................................................................................... 37 CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT TÌM ĐƯỜNG ĐI TỐI ƯU CHO XE TỰ HÀNH............................................................................................................... 39 2.1 Đánh giá tổng quan về kỹ thuật thiết lập đường đi cho xe tự hành .................... 39 2.1.1 Lập kế hoạch chuyển động dựa trên đồ thị tìm kiếm ....................................... 40 2.1.2 Lập kế hoạch chuyển động dựa trên mẫu......................................................... 41 2.1.3 Lập kế hoạch chuyển động bằng đường cong nội suy ..................................... 42 2.1.4 Lập kế hoạch chuyển động bằng phương pháp tối ưu ..................................... 45 2.1.5 So sánh ưu và nhược điểm trong các kỹ thuật lập kế hoạch chuyển động ...... 45 2.2 Xây dựng mô-đun lập kế hoạch chuyển động dựa trên kỹ thuật lấy mẫu........... 49 2.2.1 Phát biểu bài toán ............................................................................................. 50 2.2.2 Giải pháp lập kế hoạch chuyển động ............................................................... 50 2.2.3 Mô phỏng thực nghiệm mô-đun lập kế hoạch chuyển động ............................ 58
2.3 Kết luận chương 2 ............................................................................................... 62 CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT CHO VẤN ĐỀ PHÁP LÝ VÀ ĐẠO ĐỨC TRONG HOẠT ĐỘNG CỦA XE TỰ HÀNH................................................. 63 3.1 Xây dựng mô-đun hỗ trợ ra quyết định điều khiển ............................................. 63 3.1.1 Phát biểu bài toán ............................................................................................. 63 3.1.2 Xây dựng mô hình toán học cho mô-đun hỗ trợ ra quyết định điều khiển ...... 66 3.1.1.1 Mạng tiền đề của FNN .................................................................................. 68 3.1.2.2 Mạng hệ quả của FNN .................................................................................. 69 3.1.3 Thiết lập tham số của mô-đun .......................................................................... 70 3.1.4 Mô phỏng thực nghiệm mô-đun hỗ trợ ra quyết định điều khiển .................... 73 3.2 Xây dựng mô-đun thiết lập quỹ đạo chuyển động .............................................. 76 3.2.1 Phát biểu bài toán ............................................................................................. 76 3.2.2 Xây dựng mô hình dự báo ................................................................................ 77 3.2.3 Xác định hàm mục tiêu .................................................................................... 80 3.2.4 Mô phỏng thực nghiệm mô-đun thiết lập quỹ đạo chuyển động ..................... 81 3.3 Kết luận chương 3 ............................................................................................... 88 CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT HỖ TRỢ ĐIỀU KHIỂN AN TOÀN XE TỰ HÀNH............................................................................................................... 90 4.1 Cơ sở lý luận để xây dựng mô-đun ..................................................................... 90 4.2 Xây dựng mô-đun điều khiển theo dõi chuyển động .......................................... 94 4.2.1 Phát biểu bài toán ............................................................................................. 94 4.2.2 Giải pháp đề xuất ............................................................................................. 94 4.2.3 Mô phỏng thực nghiệm mô-đun theo dõi chuyển động ................................... 97 4.3 Xây dựng mô-đun hỗ trợ điều khiển chuyển động ........................................... 101 4.3.1 Phát biểu bài toán ........................................................................................... 101 4.3.2 Giải pháp đề xuất ........................................................................................... 102 4.3.3 Mô phỏng thực nghiệm mô-đun hỗ trợ điều khiển chuyển động................... 110 4.4 Xây dựng mô-đun lập kế hoạch chuyển động dự phòng .................................. 112 4.4.1 Phát biểu bài toán ........................................................................................... 112 4.4.2 Giải pháp đề xuất ........................................................................................... 113 4.4.3 Mô phỏng thực nghiệm mô-đun lập kế hoạch chuyển động dự phòng.......... 123 4.5 Kết luận chương 4 ............................................................................................. 125 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ..................................................... 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 132
i DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Minh họa phương án lập kế hoạch chuyển động dựa trên lấy mẫu ...........52 Bảng 2.2 So sánh thời gian xử lý và tỷ lệ thất bại với số lượng ứng cử viên quỹ đạo ..................................................................................................................62 Bảng 3.1 Quy định các chỉ số ảnh hưởng .................................................................70 Bảng 3.2 Bộ chỉ số của mô-đun ra quyết định ..........................................................71 Bảng 3.3 Tập biến đầu vào của mô-đun ra quyết định ............................................71 Bảng 3.4 Giá trị đầu ra của mô-đun quyết định điều khiển ......................................72 Bảng 3.5 So sánh kết quả dự báo của FNN và BPNN ..............................................75 Bảng 4.1 Thông tin các giá trị tham số sử dụng để mô phỏng................................100 Bảng 4.2 Kết quả mô phỏng của 3 bộ điều khiển ...................................................100
ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc điều khiển trong xe tự hành [19]. ................................................13 Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống mô-đun trong xe tự hành .................14 Hình 1.3 Mô hình hệ thống đường giao thông ..........................................................24 Hình 1.4 Mô hình xe và đường cong tham chiếu ......................................................24 Hình 1.5 Mô hình động học xe tự hành ....................................................................24 Hình 1.6 Minh họa định lý giới hạn trung tâm .........................................................29 Hình 1.7 Cấu trúc cơ bản của mô hình điều khiển dự báo (MPC) ............................32 Hình 1.8 Quá trình điều khiển của mô hình điều khiển dự báo (MPC) ....................33 Hình 1.9 Mô hình hệ thống vòng kín quá trình điều khiển xe ..................................35 Hình 1.10 Cấu trúc điều khiển dựa trên MPC ...........................................................36 Hình 2.1 Thiết lập đường đi bằng Thuật toán Dijkstra [55] .....................................40 Hình 2.2 Thiết lập đường đi bằng Thuật toán A* [5] ...............................................41 Hình 2.3 Thiết lập đường đi bằng Cây RRT [56] .....................................................41 Hình 2.4 Thiết lập đường đi bằng đường thẳng và đường tròn [29] .........................43 Hình 2.5 Thiết lập đường đi bằng đường cong Clothoid [59] ..................................43 Hình 2.6 Thiết lập đường đi bằng đường cong đa thức [6].......................................44 Hình 2.7 Thiết lập đường đi bằng đường cong Bezier [64] ......................................44 Hình 2.8 Thiết lập đường đi bằng đường cong Spline [52] ......................................45 Hình 2.9 Thiết lập đường đi bằng hàm tối ưu [35] ...................................................45 Hình 2.10 Mô hình về lập kế hoạch chuyển động ....................................................50 Hình 2.11 Minh họa thuật toán lập kế hoạch chuyển động dựa trên mẫu với tập ứng viên quỹ đạo và các mục tiêu chuyển động ............................................51 Hình 2.12 Kiến trúc tổng thể của hệ thống lập kế hoạch trong xe tự hành ...............52 Hình 2.13 Minh họa bước cập nhật thời gian của ứng viên quỹ đạo ........................54 Hình 2.14 Minh họa thông tin giới hạn tốc độ của kế hoạch không cố định ............55 Hình 2.15 Minh họa mô hình gia tốc không đổi .......................................................55 Hình 2.16 Trường khả năng thích ứng đối với chướng ngại vật ...............................56 Hình 2.17 Mô phỏng kịch bản di chuyển trên đường thẳng .....................................59 Hình 2.18 Mô phỏng kịch bản di chuyển trên đường cong ......................................59 Hình 3.1 Mô phỏng tình huống khẩn cấp khi tham gia giao thông ..........................64 Hình 3.2 Cấu trúc mô hình mạng kết hợp nơ-ron mờ (FNN) ...................................67 Hình 3.3 Các quyết định khả thi để điều hướng chuyển động ..................................72 Hình 3.4 Thống kê dữ liệu thực nghiệm ...................................................................74 Hình 3.5 Kết quả huấn luyện của mạng FNN và mạng BPNN .................................74 Hình 3.6 Kết quả so sánh lỗi của mạng FNN và mạng BPNN .................................75 Hình 3.7 Minh họa đoạn đường giới hạn tốc độ .......................................................79
iii Hình 3.8 Xe di chuyển qua đoạn đường giới hạn tốc độ ..........................................82 Hình 3.9 Kết quả sự thay đổi tốc độ khi di chuyển qua đoạn đường giới hạn tốc độ ....................................................................................................................83 Hình 3.10 Xe di chuyển vượt phải qua xe phía trước ...............................................83 Hình 3.11 Quỹ đạo tối ưu cục bộ với các chi phí khác nhau ....................................85 Hình 3.12 Vận tốc và gia tốc dọc, ngang của xe thay đổi .........................................85 Hình 3.13 Xe di chuyển vào giao lộ ..........................................................................85 Hình 4. 1 Mối quan hệ giữa độ lệch hướng, góc trượt và hướng chuyển động ........95 Hình 4. 2 Cấu trúc đường trong mô phỏng ...............................................................98 Hình 4. 3 Kết quả dự báo của các mô hình ...............................................................99 Hình 4.4 Mô hình hóa xe tự hành và các phương tiện khác ...................................102 Hình 4.5 Mô hình động học của xe .........................................................................104 Hình 4.6 Mô phỏng kịch bản 1................................................................................110 Hình 4.7 Kết quả mô phỏng với sự thay đổi về tốc độ, góc xoay thân xe và gia tốc xe ............................................................................................................111 Hình 4.8 Mô phỏng kịch bản 2................................................................................111 Hình 4.9 Kết quả mô phỏng trường hợp 1 ..............................................................112 Hình 4.10 Kết quả mô phỏng trường hợp 2 ............................................................112 Hình 4.11 Vết tiếp xúc hình elip được tạo ra từ lực kéo ngang và dọc xe ..............115 Hình 4.12 Phân phối chi phí trong vùng lân cận của chướng ngại vật ...................118 Hình 4.13 Kế hoạch chuyển động của xe dựa trên quỹ đạo hoạt động của phương tiện phía trước...............................................................................................119 Hình 4.14 Đánh giá điều kiện an toàn để thực hiện quá trình chuyển động ............120 Hình 4.15 Ràng buộc tránh chướng ngại vật ..........................................................121 Hình 4.16 Tạo quỹ đạo tối ưu .................................................................................121 Hình 4.17 Kết quả mô phỏng của kịch bản 1 ..........................................................123 Hình 4.18 Kết quả mô phỏng của kịch bản 2 ..........................................................124 Hình 4.19 Thông số đầu vào điều khiển 𝑢1 và 𝑢2 thay đổi với kịch bản 2............124 Hình 4.20 Kết quả mô phỏng của kịch bản 3 ..........................................................125 Hình 4.21 Thông số đầu vào điều khiển 𝑢1 và 𝑢2 thay đổi với kịch bản 3............125
iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Diễn giải nội dung 𝐹𝑦 Lực ngang bánh xe 𝐹 𝑦𝑓 Lực ngang bánh xe trên bánh xe trước 𝐹𝑦𝑟 Lực ngang bánh xe trên bánh xe sau 𝑉𝑥 Vận tốc dọc của xe tại thời điểm x 𝑉 Tổng vận tốc của xe 𝑉𝑦 Vận tốc ngang của xe 𝑚 Tổng khối lượng xe 𝐼𝑧 mô men quán tính của xe 𝑙𝑓 Khoảng cách dọc từ trọng tâm xe đến bánh xe trước 𝑙𝑟 Khoảng cách dọc từ trọng tâm xe đến bánh xe sau 𝐿 Tổng chiều dài cơ sở của xe 𝜓 Góc xoay xe trong hệ trục tổng quát 𝑟 Góc xoay xe 𝑋, 𝑌 Hệ trục toàn cục 𝛿 Góc tay lái 𝛿𝑓 Góc lái trước 𝛿𝑟 Góc lái sau 𝛿0 Góc lái của bánh xe bên ngoài 𝛿𝑖 Góc lái của bánh xe bên trong 𝑙𝑤 Chiều rộng đường 𝛼𝑓 Góc trượt bánh xe trước 𝛼𝑟 Góc trượt bánh xe sau 𝐶𝛼 Độ cứng chống xoay bánh xe 𝐹𝑧 Phản lực trên bánh xe 𝜇 hệ số ma sát bánh xe 𝜓̇ 𝑑𝑒𝑠 Hệ số trượt mong muốn từ đường 𝛽 Góc trượt tại trọng tâm xe (Trung tâm của lực hấp dẫn) 𝜃𝑣 Góc vận tốc (góc của vectơ vận tốc với trục dọc) 𝜙 Góc nghiên đường 𝑚 Khối lượng xe 𝑎 Chiều dài trục trước 𝑏 Chiều dài trục sau 𝐶𝛼𝑓 Độ cứng góc cua trước 𝐶𝛼𝑟 Độ cứng góc cua sau 𝐼 𝑧𝑧 Quán tính góc trượt 𝜇 Hệ số ma sát
v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký Diễn giải hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt BPN Back propagation network Mạng truyền ngược BPNN Back propagation neural network Mạng nơ-ron truyền ngược CAGD Computer Aided Geometric Design Thiết kế hình học bằng máy tính CNN Convolutional Neural Networks Mạng nơ-ron tích chập DMC Dynamic Matric Control Điều khiển ma trận động học DMC Dynamic Monte Carlo Phương pháp động lực DNN Deep Neural Networks Mạng nơ-ron sâu DSMC Direct Simulation Monte Carlo Phương pháp mô phỏng trực tiếp EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng Extended Prediction Selt Adaptive Điều khiển thích nghị tự dự báo mở EPSAC Control rộng GA Genetic Algorithm Giải thuật di truyền GMM Gaussian Mixture Model Mô hình Gauss hỗn hợp GPC Generalized Predictive Control Điều khiển dự báo chung GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu HMM Hidden Markov Model Mô hình Markov ẩn KMC Kinetic Monte Carlo Phương pháp động học k-NN k Nearest Neighbor k láng giềng gần nhất LP Linear programming Quy hoạch tuyến tính MAC Model Algorithmic Control Điều khiển thuật toán mô hình MAE Mean absolute error Sai số tuyệt đối trung bình MPC Model Prediction Control Điều khiển dự báo trên mô hình MPHC Model Predictive Heuristic Control Điều khiển thử nghiệm mô hình dự báo Điều khiển dự báo trên mô hình không NMPC Nonlinear Model Prediction Control tuyến tính NN Neural Network Mạng nơ-ron PCA Principal Component Analysis Phân tích thành phần chính PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PFC Predictive Functional Control Điều khiển hàm dự báo QMC Quantum Monte Carlo Phương pháp lượng tử RBF Radial Basis Function Hàm cơ sở bán kính RNG Random Number Generator Nguồn phát số ngẫu nhiên ROC Receiver Operator characteristic Đặc tính hoạt động của bộ thu nhận Kết nối giữa xe với hệ thống điện toán V2C Vehicle to Cloud đám mây V2H Vehicle to Home Kết nối giữa xe với nhà thông minh V2I Vehicle to Infrastructure Kết nối giữa xe với hạ tầng giao thông V2N Vehicle to Network Kết nối giữa xe với mạng di động V2P Vehicle to Pedestrian Kết nối giữa xe với người đi bộ V2V Vehicle to Vehicle Kết nối giữa xe với xe V2X Vehicle To Everything Kết nối giữa xe và vạn vật
1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. GIỚI THIỆU Cuộc cách mạng về khoa học công nghệ diễn ra từng ngày đang làm thay đổi toàn diện và sâu sắc cuộc sống cũng như quá trình sản xuất của con người. Sự phát triển về mặt công nghệ đã giúp con người làm được nhiều việc phi thường và máy tính ngày nay đã trở thành công cụ hỗ trợ đắc lực không chỉ trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học mà còn trợ giúp trong nhiều hoạt động đời sống của con người. Không dừng lại ở mức lưu trữ dữ liệu và hỗ trợ tìm kiếm thông tin, máy tính đã trở nên thông minh hơn và có thể tương tác với con người, thậm chí có thể thay con người đưa ra quyết định phù hợp với từng tình huống cụ thể. Trong bối cảnh ngày nay, với sự phát triển bùng nổ về công nghệ cảm biến, IoT, robotic, công nghệ dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo (AI), việc nghiên cứu và ứng dụng xe tự hành đã có các bước phát triển mạnh mẽ, đã và đang được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống như nông nghiệp thông minh, giao thông thông minh…Xe tự hành là lĩnh vực nghiên cứu đa ngành (cơ khí, tự động hoá, rô bốt và công nghệ học máy, trí tuệ nhân tạo), trong đó đặt ra nhiều bài toán như bài toán tạo ra quỹ đạo chuyển động tối ưu, bài toán điều khiển an toàn để đáp ứng được các hạn chế phát sinh trong quá trình hoạt động của xe như các quy định về luật giao thông đường bộ, các yếu tố môi trường bên ngoài và những tình huống đa dạng, phức tạp mà chúng ta thường gặp trong điều kiện môi trường giao thông…với nhiều thách thức đặt ra đối với các nhà nghiên cứu và ứng dụng. Trong bối cảnh đó, một số chủ đề nghiên cứu được luận án hướng đến như: hệ thống một số mô-đun trong xe tự hành nên được thiết kế như thế nào để có thể giúp xe tự hành thể di chuyển đến đích trong môi trường phức tạp với các chướng ngại vật, với các quy định về luật giao thông, với các trường hợp phát sinh trong quá trình tham gia giao thông ... và có thể thực hiện các phản ứng trong các trường hợp này nhằm giảm thiểu các tai nạn giao thông. Đây là các vấn đề được quan tâm nhiều trong cộng đồng nghiên cứu về ứng dụng AI gần đây, khi ngoài các yếu tố về tính an toàn cho hành khách thì các vấn đề đảm bảo pháp lý và đạo đức cho xe tự hành cũng là những vấn đề rất cấp thiết, được thảo luận nhiều tại các hội nghị hàng đầu trên thế giới về AI như: AAAI-22, NIPS, ICML, ACM SIGKDD, IJCAI, IEEE/CVF, ... Phần tiếp theo sẽ trình bày về tính cấp thiết, mục tiêu và khái quát về những đóng góp của luận án trong việc giải quyết bài toán này.
2 2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN Phát triển các hệ thống hỗ trợ điều khiển thông minh trong xe tự hành là chủ đề được quan tâm nhiều trong thời gian gần đây, cùng với sự phát triển của CMCN 4.0. Các hệ thống xe tự hành là các ôtô không người lái có tích hợp các tính năng tự động hóa phương tiện, có khả năng cảm nhận thông tin từ môi trường và di chuyển an toàn mà không cần có sự tham gia điều khiển của con người. Xe tự hành kết hợp nhiều loại cảm biến để nhận biết môi trường xung quanh, chẳng hạn như cảm biến nhiệt, cảm biến radar, lidar, GPS và các cảm biến đo lường quán tính nhằm xác định các hướng thích hợp, cũng như chướng ngại vật và biển báo có liên quan. Xe tự hành được quan tâm phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, như hệ thống xe tự hành cấp 4 của Toyota đã vận hành xung quanh Làng Olympic Tokyo 2020, hệ thống giao hàng thương mại tự động của Nuro ở California năm 2021, hệ thống của công ty AutoX - Baidu của Trung Quốc đã vận hành tại Công viên Shougang ở Bắc Kinh - một địa điểm sẽ tổ chức Thế vận hội Mùa đông 2022. Hãng Honda cũng bắt đầu cho thuê tại Nhật Bản một phiên bản giới hạn gồm 100 chiếc sedan Legend Hybrid EX được trang bị thiết bị lái xe tự động cấp độ 3 mới được chính phủ Nhật Bản cấp chứng nhận an toàn cho công nghệ lái xe tự động. Trong khoa học, từ khóa “Autonomous Vehicles” thu hút được sự quan tâm của cộng đồng với hơn 2 triệu bài báo trên các tạp chí và hội thảo uy tín từ 2015 cho đến nay. Nhiều vấn đề mở như “sự chấp nhận của khách hàng", “năng lượng bền vững”, “tính pháp lý và đạo đức”, “kiểm soát tốc độ an toàn”, “truyền thông giữa các xe”, “Quản lý định danh xe”, .. đã được thảo luận rộng rãi trong các bài báo gần đây [26,40]. Mặc dù đã đạt được một số kết quả ban đầu rất tốt nhưng để đạt đến mức độ tự động hoá cấp độ 5 là tự hành hoàn toàn (xe sẽ không yêu cầu bất cứ sự trợ giúp nào của người lái trong bất kỳ tình huống nào do đó xe cũng không cần có tay lái, hay chân ga và chân phanh) thì còn rất nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu giải quyết. Nhiều nghiên cứu về bài toán xe tự hành đã được thực hiện dựa trên các thành phần cơ bản như: hệ thống định vị, dữ liệu về môi trường, lập kế hoạch chuyển động và điều khiển [19]. Đây là các mô-đun quan trọng trong cấu trúc của xe tự hành, giúp cho xe tự hành đạt được sự tự chủ trong quá trình hoạt động. Trong đó, mô-đun lập kế hoạch chuyển động sẽ cung cấp cho xe tự hành một lộ trình đến các điểm mong muốn an toàn và tránh được va chạm. Tuy nhiên, để quá trình lập kế hoạch chuyển động đạt được hiệu suất tốt và an toàn khi di chuyển thì các vấn đề cần phải được tính toán và xem xét như: xác định đường đi, động lực học của xe, khả năng cơ động của xe khi gặp chướng ngại vật, các quy tắc và hệ thống đường giao thông, các yếu tố về pháp lý và đạo đức, cũng như những thay đổi của môi trường qua dữ liệu thu nhận được từ
3 hệ thống cảm biến nhằm đảm bảo độ tin cậy và an toàn khi tham gia giao thông. Trong các vấn đề này thì quá trình xử lý và ra quyết định hoạt động trong các môi trường phức tạp cần có các mô hình toán học phù hợp [22, 38]. Dù có nhiều vấn đề về mặt phương pháp luận đối với lĩnh vực nghiên cứu xe tự hành, nhưng những thách thức gặp phải và là nhiệm vụ đang được các nhà nghiên cứu quan tâm trong lĩnh vực xe tự hành là tạo ra quỹ đạo chuyển động tối ưu, quỹ đạo được tạo ra sẽ gồm có những tiêu chí nhất định như tạo nên quá trình di chuyển trơn và mịn, tạo được sự thoải mái và đạt hiệu suất năng lượng tốt, đồng thời phải đáp ứng được các hạn chế phát sinh trong quá trình hoạt động của xe như các quy định về luật giao thông đường bộ, các yếu tố môi trường bên ngoài và những tình huống đa dạng, phức tạp mà chúng ta thường gặp trong điều kiện môi trường giao thông. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu hướng đến chủ đề này, nhưng đây vẫn là những vấn đề nghiên cứu mở, có tính thời sự và thu hút được sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu. Ở Việt Nam, công nghệ tự hành được xếp vào danh mục công nghệ cao và được Chính phủ khuyến khích, tạo cơ chế để phát triển, tuy nhiên các kết quả đạt được còn hạn chế. Với việc phân tích tình hình thực tiễn, cùng với mong muốn đóng góp cho sự phát triển trong lĩnh vực công nghệ ôtô tự hành, tôi đã nghiên cứu và thực hiện luận án này. Thông qua đề tài “Nghiên cứu phát triển một số giải pháp hỗ trợ điều khiển xe tự hành” được thực hiện trong khuôn khổ luận án tiến sĩ chuyên ngành hệ thống thông tin, sẽ giải quyết một số vấn đề còn tồn tại nhằm nâng cao tính an toàn, đảm bảo được tính pháp lý và đạo đức trong hoạt động của xe tự hành. Cụ thể, luận án nghiên cứu phát triển một số giải pháp hỗ trợ điều khiển bằng việc xây dựng các mô-đun hỗ trợ ra quyết định điều khiển trong của xe tự hành. Chủ đề của luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, hướng tiếp cận giải quyết theo điểu khiển tối ưu toán học và tính toán mềm – là các công cụ phù hợp với bối cảnh nghiên cứu và điều kiện hiện có. 3. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu giải pháp vận hành hiệu quả xe tự hành thông qua điều khiển thông minh và tìm đường đi tối ưu, trong đó có tính đến yếu tố pháp lý và đạo đức, nhằm hỗ trợ điều khiển xe an toàn. Kết quả nghiên cứu của luận án có thể làm tiền đề để phát triển một số mô-đun trên xe tự hành, nhằm cải thiện hiệu suất, cải thiện tính năng an toàn trong quá trình hoạt động của xe tự hành. Mục tiêu cụ thể của luận án là nghiên cứu phát triển một số giải pháp hỗ trợ điều khiển an toàn cũng như đảm bảo các yếu tố pháp lý và đạo đức, với các mô-đun được
4 xây dựng gồm: mô-đun thiết lập kế hoạch chuyển động, mô-đun hỗ trợ ra quyết định điều khiển, mô-đun hỗ trợ điều khiển chuyển động, mô-đun điều khiển theo dõi chuyển động và mô-đun lập kế hoạch chuyển động dự phòng. Các giải pháp được đề xuất nghiên cứu phát triển như sau: - Đề xuất giải pháp lập kế hoạch chuyển động bằng phương pháp tiếp cận dựa trên kỹ thuật lấy mẫu, để tạo ra quỹ đạo tối ưu từ tập các ứng viên quỹ đạo. Giải quyết bài toán đặt ra của giải pháp này với mục tiêu không chỉ cải thiệu hiệu quả tính toán mà còn xử lý tính bất định trong dữ liệu môi trường. - Đề xuất giải pháp nhằm đảm bảo yếu tố pháp lý và đạo đức cho hoạt động của xe tự hành, với giải pháp thiết lập quỹ đạo chuyển động và mô hình ra quyết định điều khiển. Dựa trên yếu tố đạo đức và pháp lý, sẽ xây dựng 02 mô-đun bao gồm mô- đun thiết lập quỹ đạo chuyển động với tập ràng buộc là các luật giao thông đường bộ và mô-đun hỗ trợ ra quyết định điều khiển với các yếu tố về đạo đức của người lái xe để kiểm soát hoạt động của xe tự hành. Để giải quyết bài toán này cần phải lấy đặc tính hành vi của người lái xe làm nòng cốt, từ đó xây dựng mô hình học máy là chiến lược tạo nên mô hình ra quyết định điều hướng chuyển động của xe như thế nào và điều này đã góp phần bổ sung để tạo nên đặc tính cho xe hoạt động được chính xác. - Đề xuất giải pháp hỗ trợ điều khiển an toàn cho xe tự hành, gồm mô-đun hỗ trợ điều khiển chuyển động, mô-đun điều khiển theo dõi chuyển động và mô-đun lập kế hoạch chuyển động dự phòng. Trong đó: Mô-đun hỗ trợ điều khiển chuyển động được xây dựng với 02 mục tiêu chính: thứ nhất là can thiệp tối thiểu, nghĩa là hệ thống hỗ trợ điều khiển chuyển động này chỉ áp dụng kiểm soát tự trị khi cần thiết; thứ hai là đảm bảo an toàn, nghĩa là trạng thái không va chạm của xe được thực thi rõ ràng thông qua các ràng buộc tối ưu. Mô-đun điều khiển theo dõi chuyển động được xây dựng với mục tiêu kiểm soát điều hướng, với mong muốn quá trình chuyển động của xe tự hành được chính xác và ổn định, điều này cũng đóng một vai trò quan trọng trong nhiệm vụ điều khiển hoạt động chuyển động của xe, đặc biệt khi xe hoạt động ở tốc độ cao. Cuối cùng, mô-đun lập kế hoạch chuyển động dự phòng nhằm đảm bảo an toàn cho xe tự hành, bằng cách xây dựng một đường đi tối ưu dựa trên các đánh giá khả năng di chuyển của các đối tượng tham gia giao thông khác trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó với mỗi quỹ đạo di chuyển sẽ tính toán các thao tác khẩn cấp thích ứng.
5 Các mục tiêu liệt kê trên đây cũng mô tả phạm vi và đối tượng nghiên cứu của luận án. Cùng với đó thì phương pháp nghiên cứu được thực hiện trong luận án là phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, mô phỏng và đánh giá để đánh giá tính hiệu quả của giải pháp đề xuất. 4. CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN Đóng góp thứ nhất của luận án là đề xuất phương án lập kế hoạch chuyển động bằng phương pháp tiếp cận dựa trên kỹ thuật lấy mẫu, với mục tiêu cải thiệu hiệu quả tính toán và xử lý tính bất định trong dữ liệu môi trường, kỹ thuật này đơn giản, hiệu quả với thông tin thu nhận được từ tín hiệu cảm biến và hệ thống định vị. Đóng góp thứ hai của luận án là xây dựng mô-đun giải quyết bài toán hỗ trợ ra quyết định điều khiển cho xe tự hành với tập ràng buộc là các quy định về luật giao thông đường bộ và đạo đức của người lái xe. Mô-đun hỗ trợ điều khiển này gồm giải pháp thiết lập quỹ đạo chuyển động và mô hình ra quyết định điều khiển. Cụ thể là: - Mô-đun hỗ trợ ra quyết định đóng vai trò quan trọng trong việc tránh va chạm và tránh các chướng ngại vật khi chuyển động. Quá trình hoạt động của mô-đun này được tách thành 2 phần riêng biệt, gồm: mô hình lý thuyết và hệ thống thu thập dữ liệu. - Mô-đun thiết lập quỹ đạo chuyển động được xây dựng dựa trên phương pháp điều khiển mô hình dự báo. Để điều khiển dự báo cho một đối tượng, quá trình cần phải thực hiện các bước sau: Xây dựng mô hình dự báo, xác định hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc, cuối cùng là giải bài toán tối ưu. Trong đó, tập ràng buộc của mô-đun này gồm các ràng buộc về vấn đề pháp lý và đạo đức của hành vi tham gia giao thông. Cách tiếp cận này phù hợp với các điều kiện phức tạp của môi trường, vì các ràng buộc này có thể phát sinh từ các khía cạnh khác nhau của việc lập kế hoạch chuyển động, phải tuân thủ theo các quy tắc giao thông và quỹ đạo chuyển động được tạo ra với mục đích cải thiện hiệu suất, tăng cường khả năng tránh chướng ngại vật nhưng vẫn đảm bảo quỹ đạo tối ưu toàn cục. Đóng góp thứ ba của luận án là nâng cao tính năng an toàn cho xe tự hành bằng việc xây dựng tập mô-đun hỗ trợ ra quyết định điều khiển an toàn, bao gồm các mô- đun: mô-đun thứ nhất là điều khiển theo dõi chuyển động, mô-đun thứ hai là hỗ trợ điều khiển chuyển động và mô-đun cuối cùng là mô-đun lập kế hoạch chuyển động dự phòng, cụ thể như sau: - Mô-đun điều khiển theo dõi chuyển động với tính năng kiểm soát điều hướng, nhằm mục đích giúp xe chuyển động chính xác và ổn định. Cụ thể hơn cho giải pháp thiết kế mô-đun này là thực hiện việc kết hợp các yếu tố không chắc chắn biến đổi
6 theo thời gian đến các dự báo chướng ngại vật di động vào trong bài toán tối ưu, đồng thời đưa ra các ràng buộc cho giới hạn đường biên và chướng ngại vật di động mà vẫn duy trì được kế hoạch chuyển động của xe trong một khoảng thời gian giới hạn. - Mô-đun hỗ trợ điều khiển chuyển động nhằm giải quyết tình huống đa dạng và phức tạp mà chúng ta thường gặp trong điều kiện môi trường giao thông, giải pháp hỗ trợ điều khiển chuyển động sẽ tạo ra quỹ đạo chuyển động an toàn cho xe, việc thiết kế hệ thống hỗ trợ điều khiển này có 02 mục tiêu chính: thứ nhất là can thiệp tối thiểu, nghĩa là chỉ áp dụng kiểm soát tự trị khi cần thiết, thứ hai là đảm bảo an toàn, nghĩa là trạng thái không va chạm của xe được thực thi rõ ràng thông qua các ràng buộc tối ưu. Mô-đun này có đặc điểm là rút ngắn chu kỳ lập kế hoạch chuyển động nhằm giảm thiểu độ lệch so với đầu vào của dự báo, trong khi vẫn đảm bảo an toàn theo kế hoạch chuyển động và giải pháp hỗ trợ điều khiển này chỉ được thực hiện trong những tình huống mà kịch bản chuyển động của xe phức tạp có khả năng xảy ra va chạm với các yếu tố cảnh báo thực tế. - Mô-đun lập kế hoạch chuyển động dự phòng được xây dựng nhằm thực hiện và phát huy hiệu quả trong những trường hợp tham gia giao thông với vận tốc lớn thì thời giản xử lý còn lại quá ngắn để thực hiện thao tác phanh khẩn cấp nhằm tránh các chướng ngại vật. 5. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN Nội dung của luận án, ngoài phần mở đầu và kết luận thì nội dung được xây dựng thành 04 chương như sau: Chương 1. Tổng quan về điều khiển xe tự hành Trong chương này, để có cơ sở xây dựng giải pháp hỗ trợ điều khiển trong hoạt động của xe tự hành, nội dung trình bày ngoài phần giới thiệu tổng quan về xe tự hành, với quá trình xây dựng, phát triển và xác định mức độ phân cấp theo hoạt động của xe tự hành, sẽ trình bày các vấn đề tồn tại và từ đó đưa ra giải pháp xây dựng các mô-đun hỗ trợ, đó cũng là những mục tiêu cần thực hiện của luận án. Và để giải quyết các vấn đề đặt ra của luận án, nội dung trong chương này sẽ trình bày các kiến thức chuẩn bị làm cơ sở lý luận để giải quyết bài toán đặt ra, gồm: xây dựng mô hình toán học, những phương pháp giải quyết bài toán sẽ nghiên cứu và các kết quả đã được nghiên cứu liên quan. Nội dung chương này nằm trong bài báo số 3, số 4 và số 9 của tác giả Chương 2. Giải pháp đề xuất Tìm đường đi tối ưu cho xe tự hành