Luận văn Thạc sĩ Hệ thống thông tin: Tiếp cận chướng ngại vật di chuyển (Block-Moving) để điều khiển tốc độ xe trong mô hình theo xe (Car-Following)

Chia sẻ: Matroinho | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:44

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn “Tiếp cận chướng ngại vật di chuyển (Block-moving) để điều khiển tốc độ xe trong mô hình theo xe (Car-Following)” là xây dựng giải thuật cho thiết bị kiểm soát tốc độ xe dựa trên tốc độ đang di chuyển và khoảng trống trước xe.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hệ thống thông tin: Tiếp cận chướng ngại vật di chuyển (Block-Moving) để điều khiển tốc độ xe trong mô hình theo xe (Car-Following)

UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT ------- HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN THỤY ĐOAN TRANG TIẾP CẬN CHƯỚNG NGẠI VẬT DI CHUYỂN (BLOCK-MOVING) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ XE TRONG MÔ HÌNH THEO XE (CAR-FOLLOWING) CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ: 8480104 LUẬN VĂN THẠC SỸ BÌNH DƯƠNG – 2019
UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT ------- HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN THỤY ĐOAN TRANG TIẾP CẬN CHƯỚNG NGẠI VẬT DI CHUYỂN ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ XE TRONG MÔ HÌNH XE THEO SAU CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ: 8480104 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN VĨNH PHƯỚC BÌNH DƯƠNG – 2019
Tôi là Nguyễn Thụy Đoan Trang, mã số học viên là 1694801040027, là học viên cao học lớp CH16HT, Khoa Kỹ thuật - Công nghệtrường Đại học Thủ Dầu Một tỉnh Bình Dương, chuyên ngành hệ thống thông tin. Bản Tóm tắt Kết quả nghiên cứu của luận văn Trên những đường cao tốc và quốc lộ, các phương tiện di chuyển nối tiếp nhau, mọi hành vi của xe trước đều tác động trực tiếp đến xe sau. Khi xe trước di chuyển tốc độ đều (không đổi) thì xe sau có thể di chuyển tốc độ đều và giữ khoảng cách với xe trước một khoảng bảo đảm. Khi xe trước tăng tốc độ cung cấp cho xe sau một khoảng trống phía trước dài để có thể tăng tốc nếu muốn. Khi xe trước giảm tốc, khoảng trống phía trước xe sau ngắn lại, người lái xe sau phải giảm tốc cho phù hợp. Tuy nhiên, người lái xe sau cần một khoảng thời gian để xử lý, chuyển thông tin từ nhận biết tình huống đến quyết định và thực hiện giảm tốc phù hợp. Những chủ quan của người lái xe sau như phát hiện chậm, ngủ gật, xử lý chậm đều có thể dẫn đến tai nạn. Cá biệt, cũng có những trường hợp người lái xe sử dụng nhầm chân ga và chân phanh gây tai nạn. Hiện nay, mặc dù nhiều dòng xe cao cấp đắt tiền đã trang bị các hệ thống hỗ trợ lái xe (Driver Assistance System) tự động xử lý các tình huống nguy hiểm, nhưng thực tế vẫn còn nhiều triệu xe đang lưu hành được sản xuất trước đây cũng như những dòng xe cấp thấp mới sản xuất chưa được trang bị các thiết bị hỗ trợ lái xe an toàn. Do đó, một thiết bị hỗ trợ kiểm soát tốc độ xe sao cho phù hợp với khoảng trống phía trước xe là cần thiết. Thiết bị hỗ trợ này cần có khả năng tự động kiểm soát tốc độ bằng cách tác động chân phanh. Luận văn “Tiếp cận chướng ngại vật di chuyển để điều khiển tốc độ xe trong mô hình theo xe” đã xây dựng sơ đồ khối hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ xe để có thể thiết kế như một thiết bị ngoại vi lắp thêm vào các xe đang sử dụng. Trong đó, luận văn đã nghiên cứu tính toán quan hệ toán học giữa tốc độ di chuyển của xe và khoảng trống phía trước cần có để xe có thể di chuyển an toàn. Trên cơ sở quan hệ toán học này, luận văn đã xây dựng giải thuật xử lý dữ liệu tốc độ và khoảng trống hiện có phía trước theo thời gian thực để điều khiển bộ phận phát sinh lực tác động vào chân phanh điều chỉnh tốc độ xe phù hợp.
LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Thụy Đoan Trang, mã số học viên là 1694801040027, là học viên cao học lớp CH16HT, Khoa Kỹ thuật - Công nghệtrường Đại học Thủ Dầu Một tỉnh Bình Dương, chuyên ngành hệ thống thông tin. Tôi xin cam đoan luận văn “Tiếp cận chướng ngại vật di chuyển (Block-Moving) để điều khiển tốc độ xe trong mô hình theo xe (Car-Following)” là do tôi thực hiện trên cơ sở những kết quả khoa học do nhóm chúng tôi cùng nghiên cứu và phát triển dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần Vĩnh Phước. Kết quả nghiên cứu đã được công bố như một bài báo khoa học trong hội nghị khoa học quốc tế ICCASA 2017 indexed Scopus. Những hình ảnh trong luận văn do tôi tự chụp hình thực tế, hoặc mượn từ tài liệu khác thì có nghi rõ nguồn gốc. Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan này. Bình Dương, ngày tháng năm 2019 Nguyễn Thụy Đoan Trang i
LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành khóa học, lời đầu tiên tôi xin trân trọng gửi lời cám ơn đến các quý Thầy/Cô ở Khoa Kỹ thuật - Công nghệtrường Đại học Thủ Dầu Một tỉnh Bình Dương, những giảng viên đã giảng dạy và cung cấp những kiến thức khoa học quý báu trong suốt thời gian học gian học tập để tôi có nền tảng kiến thức hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tiếp theo tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn tôi là PGS.TS. Trần Vĩnh Phước, người đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện mọi mặt cho tôi hoàn thành luận văn này một cách tốt nhất. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn Sở giáo dục và đào tạo tỉnh Bình Dương, ban giám hiệu trường trung học phổ thông Trịnh Hoài Đức tỉnh Bình Dương, Cha Mẹ và Chồng con, các bạn học viên trong lớp CH16HT luôn ở bên cạnh, tạo điều kiện tối đa để tôi có thời gian học tập tốt nhất và hoàn thành khóa học này. Bình Dương, ngày tháng năm 2019 Nguyễn Thụy Đoan Trang ii
TÓM TẮT Trên những đường cao tốc và quốc lộ, các phương tiện di chuyển nối tiếp nhau, mọi hành vi của xe trước đều tác động trực tiếp đến xe sau. Khi xe trước di chuyển tốc độ đều (không đổi) thì xe sau có thể di chuyển tốc độ đều và giữ khoảng cách với xe trước một khoảng bảo đảm. Khi xe trước tăng tốc độ cung cấp cho xe sau một khoảng trống phía trước dài để có thể tăng tốc nếu muốn. Khi xe trước giảm tốc, khoảng trống phía trước xe sau ngắn lại, người lái xe sau phải giảm tốc cho phù hợp. Tuy nhiên, người lái xe sau cần một khoảng thời gian để xử lý, chuyển thông tin từ nhận biết tình huống đến quyết định và thực hiện giảm tốc phù hợp. Những chủ quan của người lái xe sau như phát hiện chậm, ngủ gật, xử lý chậm đều có thể dẫn đến tai nạn. Cá biệt, cũng có những trường hợp người lái xe sử dụng nhầm chân ga và chân phanh gây tai nạn. Hiện nay, mặc dù nhiều dòng xe cao cấp đắt tiền đã trang bị các hệ thống hỗ trợ lái xe (Driver Assistance System) tự động xử lý các tình huống nguy hiểm, nhưng thực tế vẫn còn nhiều triệu xe đang lưu hành được sản xuất trước đây cũng như những dòng xe cấp thấp mới sản xuất chưa được trang bị các thiết bị hỗ trợ lái xe an toàn. Do đó, một thiết bị hỗ trợ kiểm soát tốc độ xe sao cho phù hợp với khoảng trống phía trước xe là cần thiết. Thiết bị hỗ trợ này cần có khả năng tự động kiểm soát tốc độ bằng cách tác động chân phanh. Luận văn “Tiếp cận chướng ngại vật di chuyển để điều khiển tốc độ xe trong mô hình theo xe” đã xây dựng sơ đồ khối hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ xe để có thể thiết kế như một thiết bị ngoại vi lắp thêm vào các xe đang sử dụng. Trong đó, luận văn đã nghiên cứu tính toán quan hệ toán học giữa tốc độ di chuyển của xe và khoảng trống phía trước cần có để xe có thể di chuyển an toàn. Trên cơ sở quan hệ toán học này, luận văn đã xây dựng giải thuật xử lý dữ liệu tốc độ và khoảng trống hiện có phía trước theo thời gian thực để điều khiển bộ phận phát sinh lực tác động vào chân phanh điều chỉnh tốc độ xe phù hợp. iii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................................... i LỜI CÁM ƠN .................................................................................................................................... ii TÓM TẮT ......................................................................................................................................... iii MỤC LỤC......................................................................................................................................... iv DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................................... vi Chương 1 GIỚI THIỆU .................................................................................................................... 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................................................ 1 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI .............................................................................................................. 4 1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ..................................................................... 4 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................................................ 4 1.5 CẤU TRÚC LUẬN VĂN ...................................................................................................... 4 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ LÁI XE ......................................................... 6 2.1 GIỚI THIỆU ......................................................................................................................... 6 2.2 MÔ HÌNH XE THEO SAU (CAR-FOLLOWING) ........................................................... 8 2.3 HỆ THỐNG HỖ TRỢ LÁI XE TỪNG PHẦN .................................................................. 9 2.3.1 Hệ thống quan trắc và cảnh báo ..................................................................................... 10 2.3.2 Hệ thống kiểm soát hành trình ....................................................................................... 11 2.3.3 Hệ thống cảnh báo chệch làn đường............................................................................... 12 2.3.4 Hệ thống cảnh báo điểm mù............................................................................................ 12 2.3.5 Hệ thống hỗ trợ chuyển làn đường ................................................................................. 12 2.3.6 Hệ thống hỗ trợ khởi hành giữa dốc............................................................................... 13 2.3.7 Hệ thống hỗ trợ đỗ xe....................................................................................................... 13 2.3.8 Hệ thống nhận dạng biển báo giao thông....................................................................... 14 2.4 HỆ THỐNG HỖ TRỢ LÁI XE V2V và V2X ................................................................... 14 2.5 KẾT LUẬN .......................................................................................................................... 15 Chương 3 HỆ THỐNG HỖ TRỢ KIỂM SOÁT TỐC ĐỘ .......................................................... 16 3.1 GIỚI THIỆU ....................................................................................................................... 16 3.2 ĐỊNH LUẬT NEWTON ..................................................................................................... 17 3.2.1 Định luật Newton II ......................................................................................................... 17 3.2.2 Khoảng trống phía trước cần thiết cho xe di chuyển .................................................... 17 iv
3.2.3 Các trạng thái di chuyển của xe ...................................................................................... 19 3.3 TRƯỜNG HỢP ÁP DỤNG ................................................................................................ 20 3.3.1 Trường hợp 1: Vận tốc không đổi ................................................................................... 20 3.3.2 Trường hợp 2: Tốc độ tăng .............................................................................................. 21 3.3.3 Trường hợp 3: Tốc độ giảm ............................................................................................. 21 3.4 HỆ THỐNG HỖ TRỢ KIỂM SOÁT TỐC ĐỘ................................................................ 22 3.3.1 Sơ đồ hệ thống .................................................................................................................. 22 3.3.2 Luồng dữ liệu .................................................................................................................... 23 3.5 KẾT LUẬN .......................................................................................................................... 24 Chương 4 GIẢI THUẬT KIỂM SOÁT TỐC ĐỘ ........................................................................ 25 4.1 GIỚI THIỆU ....................................................................................................................... 25 4.1.1 Mục tiêu ............................................................................................................................ 25 4.1.2 Mô tả.................................................................................................................................. 25 4.2 GIẢI THUẬT ...................................................................................................................... 26 4.2.1 Qui trình............................................................................................................................ 26 4.2.2 Lưu đồ ............................................................................................................................... 27 4.3 MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN: ........................................................................................... 29 4.4 KẾT LUẬN .......................................................................................................................... 31 Chương 5 KẾT LUẬN .................................................................................................................... 32 5.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ...................................................................................................... 32 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN...................................................................................................... 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................. 34 v
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Tính năng của hệ thống phanh tự động khẩn cấp AEB ......................... trang 2 Hình 1.2: Hình chân ga và chân phanh .................................................................. trang 3 Hình 2.1: Hệ thống các cảm biến được lắp xung quanh các xe có các hệ thống hỗ trợ lái xe ...........................................................................................................................................trang 7 Hình 2.2: Mô hình car-following ..................................................................................... trang 9 Hình 2.3: Màn hình của hệ thống quan trắc và cảnh báo xung quanh xe ........................trang 11 Hình 3.1: Sơ đồ khối hỗ trợ kiểm soát tốc độ ..................................................................trang 23 Hình 4.1: Lưu đồ xử lý dữ liệu của hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ xe ........................trang 28 vi
Chương 1GIỚI THIỆU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trên những đường cao tốc và quốc lộ, các phương tiện di chuyển nối tiếp nhau, mọi hành vi của xe trước đều tác động trực tiếp đến xe sau. Khi xe trước di chuyển tốc độ đều (không đổi) thì xe sau có thể di chuyển tốc độ đều và giữ khoảng cách với xe trước một khoảng bảo đảm. Khi xe trước tăng tốc độ cung cấp cho xe sau một khoảng trống phía trước dài để có thể tăng tốc nếu muốn. Khi xe trước giảm tốc, khoảng trống phía trước xe sau ngắn lại, người lái xe sau phải giảm tốc cho phù hợp. Tuy nhiên, người lái xe sau cần một khoảng thời gian để xử lý, chuyển thông tin từ nhận biết tình huống đến quyết định và thực hiện giảm tốc phù hợp. Nếu thời gian xử lý của người lái xe nhiều và/hoặc khoảng trống phía trước ngắn có thể xảy ra va chạm của xe sau với xe trước. Trong thực tế, thời gian xử lý của người lái xe phụ thuộc vào đặc tính sinh học của từng chủ thể lái xe và đặc tính này thay đổi theo thời gian. Liên quan đến thời gian xử lý, những yếu tố khách quan do thời tiết như mưa to, sương mù, v.v… cũng làm cho thời gian xử lý dài hơn do người lái xe chậm phát hiện. Liên quan đến khoảng trống phía trước xe sau, khoảng trống này nhanh chóng bị thu hẹp khi xe trước giảm tốc độ đột ngột. Cả hai trường hợp, thời gian xử lý chậm của người lái xe sau hoặc tốc độ xe trước giảm đột ngột, đều làm cho xe sau nhanh chóng tiến gần đến xe trước và tai nạn có thể xảy ra. Những tai nạn va chạm từ xe sau đến xe trước có thể được hạn chế bằng cách kiểm soát thời gian xử lý của người lái xe sau hoặc kiểm soát khoảng trống phía trước xe sau. Hiện nay, nhiều hiệu xe đã được trang bị các hệ thống hỗ trợ lái xe (Driver- Assistance System = DAS) để cảnh báo lệch làn đường, cảnh báo va chạm, cảnh báo điểm mù, kiểm soát hành trình. Một số hệ thống còn dành quyền của người lái xe khi có tình huống bất thường như xe Subaru, v.v... Trong các hệ thống đó, cảm biến, camera, radar gắn phía trước, phía sau, và bên hông để tính toán khoảng cách giữa xe và các vật thể chung quanh xe, phát ra tín hiệu cảnh báo cho người lái. Công nghệ này 1
giúp giảm thiểu va chạm khi người lái xe vẫn tập trung công việc lái xe. Trái lại, nếu người lái xe không tập trung, chậm xử lý hoặc không xử lý tình huống thì tai nạn hoặc va chạm vẫn có thể xảy ra. Trong khi đó, các hệ thống hỗ trợ lái xe áp dụng cho những dòng xe cao cấp còn có chức năng dành quyền của người lái xe khi cần thiết để tránh tai nạn xảy ra. Hình 1.1: Tính năng của hệ thống phanh tự động khẩn cấp AEB (Nguồn: https://video.vnexpress.net/tin-tuc/cuoc-song-4-0/he-thong-phanh-tu-dong-dung-oto- tai-trong-vai-giay-3863630.html) Hệ thống phanh tự động khẩn cấp AEB (Autonomous Emergency Braking System) vừa được giới thiệu ra thị trường có khả năng tự dừng một chiếc xe tải đang chạy với vận tốc 80km/h trong vài giây khi gặp tình huống khẩn cấp (Hình 1.1). Như được nhìn thấy trình diễn trên internet, hệ thống AEB áp dụng cho xe tải chở nặng, phát tín hiệu về phía trước một cách liên tục để phát hiện chướng ngại vật. Khi phát hiên chướng ngại vật, hệ thống AEB dành quyền của người lái xe phanh gấp lại để 2
tránh va chạm dù xe đang chở nặng chạy với vận tốc cao đến 80km/g. Trong thực tế, việc phanh gấp một xe có kích thước lớn chở nặng và chạy nhanh đến 80km/g là không an toàn cho bản thân xe đó và xe chạy phía sau xe đó. Hình 1.2: Hình chân ga và chân phanh của xe Trong thực tế, tại Việt Nam, không chỉ trên đường cao tốc mà trên những quốc lộ, nhiều tai nạn xảy ra do nguyên nhân chủ quan của người lái xe không phối hợp được tốc độ của xe với khoảng trống phía trước xe. Trong đó, cũng có những trường hợp tai nạn gây ra do người lái xe sau ngủ gật hoặc tăng tốc độ không phù hợp với khoảng trống phía trước xe. Đặc biệt, cũng có những trường hợp người lái xe sử dụng nhầm chân ga và chân phanh (Hình 1.2) dẫn đến nhiều tai nạn thương tâm. Do đó, một thiết bị hỗ trợ kiểm soát tốc độ xe sao cho phù hợp với khoảng trống phía trước xe là cần thiết. Hiện nay, hàng nhiều triệu xe đang lưu hành trên toàn cầu được sản xuất trước đây chưa được tích hợp hệ thống hỗ trợ lái xe an toàn. Một thiết bị hỗ trợ kiểm soát tốc độ là cần thiết trong tình trạng số lượng xe ngày càng gia tăng, tốc độ di chuyển ngày càng nhanh, đặc biệt là tại Việt Nam. Trong tất cả các loại xe, chân ga được điểu khiển bởi người lái xe để tăng tốc độ, chân phanh được dùng để giảm tốc độ. Một thiết bị hỗ trợ người lái xe kiểm soát chân ga và chân phanh sao cho tốc độ xe phù hợp với khoảng trống phía trước xe có khả năng hạn chế tai nạn do lỗi thao tác của người lái xe. 3
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Mục tiêu của luận văn “Tiếp cận chướng ngại vật di chuyển (Block-moving) để điều khiển tốc độ xe trong mô hình theo xe (Car-Following)” là xây dựng giải thuật cho thiết bị kiểm soát tốc độ xe dựa trên tốc độ đang di chuyển và khoảng trống trước xe. 1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Xe di chuyển nối đuôi nhau trong từng làn đường cao tốc phẳng ngang (không dốc) và thẳng. 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp vật lý: được áp dụng để khảo sát quan hệ giữa tốc độ và lực tác động lên xe, gồm lực đẩy và lực phanh. - Phương pháp toán: được áp dụng để tính quan hệ giữa khoảng trống an toàn với tốc độ di chuyển. - Phương pháp phân tích: được áp dụng để phân tích các thao tác, thời gian xử lý thông tin của người lái xe. 1.5 CẤU TRÚC LUẬN VĂN Luận văn được cấu trúc thành 5 chương, có nội dung như sau: Chương 1: Chương giới thiệu trình bày mục tiêu, động lực để nghiên cứu hệ thống kiểm soát tốc độ xe, cũng như đối tượng, phạm vi, và phương pháp nghiên cứu. Chương 2: Tổng quan về hệ thống hỗ trợ lái xe. Luận văn đã tiếp cận mô hình theo xe (car-following) và các hệ thống hỗ trợ lái xe, từ những hệ thống hỗ trợ từng phần như những hệ thống quan trắc và cảnh báo, hệ thống kiểm soát hành trình, hệ thống cảnh báo chệch làn đường, hệ thống cảnh báo điểm mù, hệ thống hỗ trợ chuyển làn đường, hệ thống hỗ trợ khởi hành giữa dốc, hệ thống hỗ trợ đỗ xe, hệ thống nhận dạng 4
biển báo giao thông; đến những hệ thống hỗ trợ cộng tác dựa vào công nghệ truyền thông, truyền thông giữa 2 xe V2V(vehicle-to- vehicle), truyền thông qua mạng của hệ thống giao thông thông minh V2X(vehicle-to-network). Chương 3: Chương hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ đề xuất sơ đồ khối hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ di chuyển của xe gồm 3 phần: phần cảm biến, phần xử lý, và phần chấp hành. Trong chương này, định luật Newton II được triển khai để xây dựng quan hệ toán học giữa tốc độ di chuyển của xe và khoảng trống cần thiết phía trước để xe di chuyển an toàn. Chương 4: Trong chương giải thuật kiểm soát tốc độ, luận văn đã xây dựng lưu đồ triển khai kết quả quan hệ toán học giữa tốc độ di chuyển của xe và khoảng trống cần thiết phía trước xe cũng như quan hệ với khoảng trống đang có trước xe để cho tín hiệu điều khiển chân ga và chân phanh. Chương 5: Trong chương kết luận này, luận văn đã tóm tắt các kết quả đạt được của luận văn là đề xuất mô hình hệ thống hỗ trợ kiểm soát tốc độ xe, xây dựng quan hệ toán học giữa tốc độ di chuyển của xe và khoảng trống phía trước cần có, và xây dựng giải thuật xử lý dữ liệu tốc độ và khoảng trống hiện có phía trước theo thời gian thực. Luận văn cũng đề xuất hướng phát triền là áp dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo AI(Artificial Intelligence). 5
Chương 2TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ LÁI XE 2.1 GIỚI THIỆU Sự phát triển giao thông đường bộ (giao thông) làm phát sinh ra nhiều tai nạn thương tâm. Thống kê tại nhiều quốc gia cho biết hầu hết các tai nạn xảy ra trên đường là do lỗi con người, trong đó phần lớn là do người lái xe gây ra. Một số trường hợp do người lái xe chưa có kỹ năng tốt khi điều khiển xe trên đường trong những tình huống khác nhau như xe chạy tốc độ cao, xe gặp chướng ngại vật phía trước, đường khúc quanh, hoặc xe trước giảm tốc hoặc dừng lại. Nếu người lái xe không giữ khoảng trống an toàn phía trước, thời gian trễ do chậm xử lý khi phát hiện tình huống có chướng ngại hoặc xe trước giảm tốc hoặc xe trước dừng đột ngột, tai nạn đụng xe dễ dàng xảy ra. Không ít trường hợp, người lái xe mệt mỏi, lờ đờ ngủ hoặc ngủ gật khi xe đang chạy đã gây ra tai nạn nhiều tai nạn thương tâm. Sự phát triển của công nghệ thông tin đã thu hút nhiều nhà khoa học nghiên cứu các hệ thống hỗ trợ lái xe (Driver AssistanceSystems = DAS). Hệ thống hỗ trợ lái xe là một hệ thống kỹ thuật được thiết kế để thu thập và xử lý dữ liệu về tình trạng giao thông trên đường, dữ liệu về sự di chuyển của xe để thông báo cho người lái xe những tình huống nguy hiểm hoặc giành quyền điều khiển của người lái xe nhằm giữ an toàn, tránh đụng xe. Các hệ thống hỗ trợ lái xe sử dụng các cảm biến như thiết bị radar, thiết bị hồng ngoại,vàcamera để thu thập dữ liệu hình ảnh về tình hình giao thông xung quanh xe và/hoặc đo khoảng cách từ xe đến các thực thể xung quanh xe (Hình 2.1). Tùy theo mục tiêu hoặc chức năng của hệ thống hỗ trợ lái xe, dữ liệu cần thu thập theo thời gian thực có thể được thu bởi tất cả hoặc một số cảm biến được lắp đặt trên thân xe. 6
Hình 2.1: Hệ thống các cảm biến được lắp xung quanh các xe có các hệ thống hỗ trợ lái xe (Nguồn: http://docbao.vn/oto-xe-may/bi-mat-cac-cong-nghe-ho-tro-lai-xe-tintuc367791) Tai nạn giao thông tăng theo sự phát triển của phương tiện giao thông, sự quá tải của cơ sở hạ tầng giao thông, và nhu cầu đi lại đã thúc đẩy các nhà khoa học hợp tác với các nhà sản xuất xe nghiên cứu các hệ thống lái xe an toàn. Bên cạnh đó, sự chủ quan của người lái xe như lơ đểnh hoặc ngủ gật trong lúc lái xe đã hướng đến bài toán nghiên cứu là lái xe an toàn và tự động. Những ý tưởng vể kiểm soát hành trình đã được thực hiện trên các thiết bị điện tử từ đầu thập niên 1960nhưng không được đưa ra sản xuất lớn [1]. Mãi đến giữa thập niên 1980[1, 2], công nghệ hỗ trợ lái xe đã phát triển từ mục tiêu ban đầu là ổn định động học của xe, rồi đến cung cấp thông tin cảnh báo những tình huống nguy cơ xảy ra tai nạn và nâng cao nội thất. Từ nay đến khoảng năm 2030, với sự phát triển của công nghệ thông tin thúc đẩy các nhà nghiên cứu tập trung vào những hệ thống lái xe tự động và lái xe cộng tác giữa người và máy [2]. Sự phát triển của công nghệ cảm biến cũng là một yếu tố để phát triển của các hệ thống hỗ 7
trợ lái xe. Sự phát triển của công nghệ cảm biến, từ những cảm biến những thông số bên trong xe như tốc độ, vòng quay của máy, nhiên liệu, … đến những cảm biến thu thập thông tin từ bên ngoài như khoảng cách, tình trạng giao thông xung quanh xe, …đã giúp cho những nghiên cứu hỗ trợ lái xe phát triển. Từ mục tiêu của bài toán đặt ra, hoặc từ những chức năng của hệ thống hỗ trợ lái xe, và từ những kỹ thuật được áp dụng khác nhau, các nhà khoa học đã tiếp cận nhiều hướng khác nhau để thiết kế các hệ thống hỗ trợ lái xe khác nhau từ mức đơn giản đến phức tạp. Đến nay, nhiều tiếp cận đã và đang được các nhà khoa học nghiên cứu phát triển và các hảng sản xuất xe cũng bắt đầu áp dụng cho nhiều dòng xe thế hệ mới như hệ thống hỗ trợ lái xe từng phần, hệ thống hỗ trợ lái xe V2V, hệ thống hỗ trợ lái xe V2X. 2.2 MÔ HÌNH XE THEO SAU (CAR-FOLLOWING) Mô hình xe theo sau (Car-following) là mô hình khảo sát dòng giao thông ở mức vi mô. Trong đó, sự di chuyển của dòng giao thông được khảo sát trên từng xe chạy nối đuôi theo xe trước (Hình 2.2). Trong khi đó, mô hình dòng giao thông mức vĩ mô khảo sát trên một đoàn xe, nhiều xe đang di chuyển. Các mô hình xe theo sau (Car-following) được coi là mô hình nửa vi mô, nửa vĩ mô vì dữ liệu được sử dụng trong các mô hình không chỉ mô tả chuyển động của một phương tiện mà còn cả chuyển động của luồng giao thông của nhiều phương tiện [1-3]. Một số tác giả đã tiếp cận các mô hình theo xe để phân tích lưu lượng giao thông trên đường cao tốc ở cấp độ vĩ mô với dữ liệu liên quan đến từng phương tiện. Những người khác tiếp cận xe theo sau các mô hình để phân tích dữ liệu liên quan đến hai phương tiện liên tiếp để ngăn chặn các vụ va chạm gây ra bởi người theo sau. Mô hình General Motors, còn được gọi là mô hình phản ứng kích thích vì nó mô tả mối quan hệ giữa kích thích, đó là sự khác biệt về tốc độ của xe trước và xe sau, và phản ứng của người lái xe sau. Mối quan hệ của phản ứng kích thích được biểu diễn 8
dưới dạng phương trình động học đối với một hạt [2, 4]. Mô hình xem xét rằng các trình điều khiển theo dõi được thực hiện một khoảng thời gian để phản ứng chống lại một số biến thể của xe trước. Kết quả nghiên cứu, mô hình cung cấp xe sau có khả năng tăng tốc tại thời điểm khi thực hiện phản ứng. Việc tăng tốc phụ thuộc vào sự khác biệt về tốc độ giữa hai xe liên tiếp tại thời điểm thay đổi tốc độ của xe trước. Gia tốc của xe sau tại thời điểm phản ứng là tích cực nếu tại thời điểm xe trước thay đổi tốc độ, tốc độ của xe sau chậm hơn tốc độ của xe trước và ngược lại. Mô hình cho kết quả tương quan giữa tốc độ và gia tốc theo thời gian giữa hai xe liên tiếp [5]. Mô hình General Motors, đòi hỏi các thí nghiệm để có được các thông số cần thiết cho việc tính toán hệ số độ nhạy. T xe n - của gia F ian hông thờ đạo k v1L ig ỹ Qu t2 d dL  t1 v0F dF F L x1F x2F x1L x2L X Hình 2.2: Mô hình car-following, 2 xe di chuyển nối tiếp nhau. Xe trước L giảm tốc độ tại thời điểm t1, nhưng đến thời điểm t2, xe sau F mới giảm tốc độ. Thời gian đáp ứng chậm trễ của người lái xe sau là  = t2 − t1 . 2.3HỆ THỐNG HỖ TRỢ LÁI XE TỪNG PHẦN 9
Hệ thống hỗ trợ từng phần hỗ trợ người lái xe theo từng mục tiêu khác nhau như hệ thống cảnh báo va chạm, hệ thống cảnh báo điểm mù, hệ thống cảnh báo chệch làn đường, hệ thống điểu khiển hành trình, hệ thống hỗ trợ đỗ xe. Hệ thống hỗ trợ từng phần sử dụng các cảm biến lắp đặt xung quanh xe để phát hiện những tình huống bất thường và thông báo lại cho người lái xe bằng tín hiệu âm thanh, hoặc tín hiệu cơ học. Trong các hệ thống hỗ trợ từng phần, dữ liệu thu thập từ các cảm biến được xử lý để cảnh báo người lái xe. 2.3.1 Hệ thống quan trắc và cảnh báo Hệ thống quan trắc và cảnh báo cung cấp thông tin bằng hình ảnh về khoảng trống xung quanh xe, các phía trước sau trái phải (Hình 2.3). Cảnh vật về tình trạng thực xung quanh xe được hiển thị trên màn hình phía trước người lái xe theo thời gian thực. Những camera được lắp đặt xung quanh xe thu thập hình ảnh các phía trong phạm vi không gian định trước và kết nối thành một ảnh hiển thị trên màn hình cho thấy cảnh vật xung quanh xe theo thời gian thực. Hệ thống phát ra tín hiệu khi khung xe tiến sát đến một vật cản. Hệ thống quan trắc cũng cung cấp một yêu cầu khoảng trống cần thiết phía trước khi xe di chuyển tới và khoảng trống cần thiết phía sau khi xe lùi bằng vạch khung màu vàng. Khoảng trống cần thiết phía trước được hiển thị như một khung màu vàng, không thay đổi theo tốc độ di chuyển. Khoảng trống cần thiết phía trước và phía sau được liên kết với hệ thống tay lái, được bẻ cong theo hướng di chuyển khi hệ thống tay lái được chuyển sang phải hoặc sang trái. Hệ thống quan trắc và cảnh báo áp dụng tốt khi xe di chuyển chậm, di chuyển vào đường nhỏ hẹp, hoặc di chuyển lùi với sự chủ động điều khiển của người lái xe. Hệ thống quan trắc và cảnh báo không dành quyền thao tác của người lái xe. Hệ thống quan trắc và cảnh báo thực hiện chức năng quan trắc, cung cấp thông tin bằng hình ảnh, không can thiệp vào hệ thống điều khiển của xe. Nói cách khác, hệ thống quan 10