BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

ĐỖ TÂN KHOA

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ
HỆ THỐNG CẢNH BÁO NGỦ GẬT
TRÊN XE Ô TÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HCM 12- 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

ĐỖ TÂN KHOA

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ
HỆ THỐNG CẢNH BÁO NGỦ GẬT
TRÊN XE Ô TÔ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

2

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, tuy gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ sự hướng
dẫn tận tình của TS. Nguyễn Minh Thạnh, tôi đã hoàn thành luận văn đúng thời gian
quy định. Để hoàn thành cuốn luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với
TS. Nguyễn Minh Thạnh, thầy là người tận tâm hết lòng vì học viên, hướng dẫn nhiệt
tình và cung cấp cho tôi những tài liệu vô cùng quý giá trong thời gian thực hiện luận
văn.
Xin chân thành cám ơn tập thể thầy cô giáo trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
TP. Hồ Chí Minh, đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi, giúp tôi học tập và
nghiên cứu trong quá trình học cao học tại trường.
Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý khoa học - Đào tạo sau đại
học trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP. Hồ Chí Minh, đã giúp đỡ, tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn cao học tại trường.
Xin chân thành cảm ơn các anh, chị đồng nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ cho tôi trong
quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các anh, chị học viên cao học ngành “Tự động hóa” đã
đóng góp ý kiến cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013
Người Thực hiện

Đỗ Tân Khoa


3

MỤC LỤC



1.6.

Phương pháp luận ...........................................................................................13

1.7.

Phương pháp nghiên cứu ................................................................................14

1.8.

Nội dung luận văn ...........................................................................................14

Chƣơng 2: Tổng quan về LabVIEW ................................................................ 15
2.1.

LabVIEW là gì? ..................................................................................... 15

2.2.

Các ứng dụng của LabVIEW .................................................................. 17

2.3.

Toolkits thu thập hình ảnh NI Vision Acquisition Software .................. 20


4

2.4.

Lý thuyết điều khiển PID ........................................................................ 35

3.4.1.

Khái niệm .......................................................................................... 35

3.4.2.

Hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID dùng phương pháp Ziegler-

Nichols .................................................................................................... 37
Chƣơng 4: Thiết kế hệ thống cảnh báo ngủ gật trên xe ô tô ........................ 39
4.1.

Tổng quan về hệ thống ........................................................................... 39

4.2.

Các thiết bị trong hệ thống ...................................................................... 40
4.2.1 Thiết bị ngõ vào ............................................................................ 40
4.2.2 Thiết bị xử lý tính hiệu ngõ ra ...................................................... 41

4.3. Thiết kế vị trí lắp đặt ............................................................................... 57
4.4. Thiết kế mô hình ..................................................................................... 59
Chƣơng 5: Xây dựng mô hình hệ thống cảnh báo ngủ gật trên xe ôtô ....... 60
5.1

Thiết kế mô hình .................................................................................... 61

5.2


Analog to Digital Converter

DAC

Digital to Analog Converter

LabVIEW

Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbend

NI

National Instruments

NHTSA

National Highway Traffic Safety Administration

PID

Proportional Integral Derivative Controller

PWM

Pulse Width Modulation

VDM

Vision Development Module


16

Hình 2.3: Giao diện điều khiển trong LabVIEW

16

Hình 2.4: Hệ thống đọc code tự động trong các dây chuyền sản
xuất
Hình 2.5: Hệ thống quét bằng lưới để phân tích dòng chảy cho sản
phẩm nhựa.
Hình 2.6: Hệ thống phân loại sản phẩm trong sản xuất của công ty
Bosch.

17

18

18

Hình 2.7: Lưu đồ xử lý ảnh trong LabVIEW

19

Hình 2.8: Sơ đồ kết nối các khối xử lý ảnh trong LabVIEW

19

Hình 2.9: Thực hiện hàm Vision Acquisition


Hình 2.17: Giao diện module Vision Assistant

25

Hình 2.18: Xử lý ảnh đầu vào

26

Hình 2.19: Kết quả sau khi xử lý ảnh đầu vào ở không gian đỏ

27

Hình 2.20: Chọn lựa tín hiệu đầu ra

28

Hình 2.21: Giao diện VBAI

28

Hình 2.22: Ứng dụng VBAI trong hệ thống xử lý sản phẩm

29

Hình 3.1: Sơ đồ quá trình xử lý ảnh

30


9


40

Hình 4.4: Card NI USB 6008/6009

41

Hình 4.5: Card USB HDL 9090

42

Hình 4.6: Cài đặt driver cho card USB HDL 9090

43

Hình 4.7: Chọn loại kết nối là cổng USB

44

Hình 4.8: Chọn loại thiết bị

44

Hình 4.9: Xác nhận cài đặt

45

Hình 4.10: Cài đặt thông số cổng USB

45


50

Hình 4.19: Thiết kế giao diện điều khiển

51

Hình 4.20: Điều khiển động cơ

51

Hình 4.21: Đảo chiều động cơ

52

Hình 4.22: Thuật toán của bộ điều khiển PID

52

Hình 4.23: Giao diện người dùng điều khiển vị trí DC MOTOR

53


10

Hình 4.24: Thông số cho bộ điều khiển PID điều khiển vị trí DC
MOTOR

53

Hình 4.32: Quy trình hoạt động của mô hình

59

Hình 5.1: Trạng thái ngủ gật của người tham gia giao thông

60

Hình 5.2: Thiết bị phần cứng của mô hình

60

Hình 5.3: Mô hình thực tế

61

Hình 5.4: Sơ đồ thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ DC

62

Hình 5.5: Hàm truyền điều khiển động cơ bám đối tượng

62

Hình 5.6: Hình ảnh của người có dấu hiệu ngủ gật

63

Hình 5.7: Hình ảnh sau khi xử lý


giải cao và tốc độ lấy ảnh nhanh, với giá cả phù hợp tùy hãng sản xuất và tùy mức
độ thông minh của thiết bị, chất lƣợng hình ảnh, từ đó đã cho phép xử lý ảnh đƣợc
ứng dụng nhiều hơn vào công nghiệp, nhất là trong lĩnh vực quản lý chất lƣợng,
nhận dạng lỗi sản phẩm và phân loại sản phẩm dựa vào các đặc tính có thể nhận
dạng đƣợc bằng mắt thƣờng và những đặc điểm bề ngoài không thể nhận dạng bằng
mắt thƣờng. Với những đặc tính không thể nhận dạng bằng mắt thƣờng do đặc điểm
cần nhận dạng quá nhỏ hoặc hình dạng quá phức tạp, hoặc yêu cầu nhận diện nhiều
vị trí ở cùng một thời điểm, xử lý ảnh là một công cụ vô cùng hiệu quả với độ chính
xác và độ tin cậy cao.
Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay, xử lý ảnh trong công nghiệp vẫn còn là một
lĩnh vực khá mới mẻ và đang bắt đầu phát triển. Vì vậy, việc nghiên cứu, khai thác


12

các ứng dụng của xử lý ảnh sẽ mở ra nhiều cơ hội hơn trong việc phát triển với các
nƣớc phát triển khác trên thế giới.
Vấn đề tự động hóa trong điều khiển và giám sát các thiết bị nói chung là
một trong những giải pháp hàng đầu trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại
hóa ở Việt Nam hiện nay. Do đó, luận văn này đƣa ra một mô hình cảnh báo ngủ
gật trên xe ô tô trong khi tham gia giao thông bằng các thuật toán, hàm truyền xử lý
ảnh trong LabVIEW.
1.3. Nguyên nhân và các dấu hiệu của trạng thái ngủ gật
Theo số liệu thống kê, tổng hợp từ một số Phòng Cảnh sát Giao thông
(CSGT) Đƣờng bộ-Đƣờng sắt khu vực miền Trung thời gian qua cho thấy, 20% số
vụ tai nạn xảy ra về đêm đều rơi vào khoảng từ 2 đến 5 giờ sáng. Đây là thời gian
mà nhịp sinh học cơ thể đòi hỏi đƣợc nghỉ ngơi nhất khi đã căng sức gần 20 tiếng
trong ngày. Đó cũng là múi giờ mà nghiều lái xe đƣờng dài thú nhận là rất khó
cƣỡng lại đƣợc cảm giác thèm ngủ bởi họ đã phải căng sức trong suốt một ngày
đƣờng (rất cần đƣợc nghỉ ngơi để phục hồi sức khỏe).

1.5. Nội dung nghiên cứu
-

Nghiên cứu các thuật toán xử lý ảnh khác nhau rồi so sánh, lựa chọn thuật

toán.
-

Nghiên cứu phần mềm LabVIEW và các công phƣơng pháp thu thập ảnh.

-

Dấu hiệu của hiện tƣợng ngủ gật.

-

Thiết kế mạch điều khiển và vị trí đặt webcam quan sát.

-

Thiết kế PID cho động cơ DC để tự động tìm, xác định khuôn mặt ngƣời láy

xe bằng LabVIEW.
-

Thiết kế hàm truyền để thu thập, xử lý hình ảnh, triệt nhiễu và kiểm nghiệm

thực tế.
1.6. Phương pháp luận
-


-

Xây dựng hàm truyền điều khiển hệ thống bằng phần mềm LabVIEW

-

Lập trình phần mềm, kết nối phần cứng và chạy thử.

-

Đánh giá hiệu quả của việc điều khiển hệ thống.

1.8. Nội dung luận văn
Nội dung luận văn gồm 6 chƣơng:
Chƣơng 1 : Giới thiệu chung
Chƣơng 2 : Tổng quan LabVIEW
Chƣơng 3 : Xử lý ảnh và thuật toán điều khiển
Chƣơng 4 : Thiết kế hệ thống cảnh báo ngủ gật trên xe ô tô
Chƣơng 5 : Thiết kế hàm truyền hệ thống cảnh báo ngủ gật trên xe ô tô
Chƣơng 6 : Kết luận và hƣớng phát triển của luận văn


15

CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ LabVIEW
2.1 LabVIEW là gì
LabVIEW (viết tắt của Laboratory Virtual Instrumentation Engineering
Workbench) là môi trƣờng ngôn ngữ đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp đa kênh

17
2.2. Các ứng dụng của LabVIEW
LabVIEW đƣợc sử dụng trong các lĩnh vực đo lƣờng, tự động hóa, cơ điện
tử, robotics, vật lý, toán học, sinh học, vật lý, ôtô, ... Nhìn chung:
- LabVIEW giúp kỹ sƣ kết nối bất kỳ cảm biến và bất kỳ cơ cấu chấp hành
nào với máy tính.
- LabVIEW có thể đƣợc sử dụng để xử lý các kiểu dữ liệu nhƣ tín hiệu tƣơng
tự (analog), tín hiệu số (digital) hình ảnh (vision), âm thanh (audio).
- LabVIEW hỗ trợ các giao thức giao tiếp khác nhau nhƣ RS232, RS485,
TCP/IP, PCI, PXI, và nhƣ vậy.
- LabVIEW cũng có thể tạo ra các thực thi độc lập và các thƣ viện chia sẽ
(ví dụ nhƣ viên liên kết động DLL), bởi vì LabVIEW là một trình biên dịch 32 – bit.

Hình 2.4: Hệ thống đọc code tự động trong các dây chuyền sản xuất.


18

Hình 2.5: Hệ thống quét bằng lƣới để phân tích dòng chảy cho sản phẩm nhựa.

Hình 2.6: Hệ thống phân loại sản phẩm trong sản xuất của công ty Bosch.


19
 Với tất cả những ứng dụng trên thì phƣơng pháp xử lý ảnh trong
LabVIEW đều theo lƣu đồ sau:
THU NHẬN ẢNH
(Vision
Acquisition)


điều khiển vào cơ
cấu chấp hành.

Hình 2.7: Lƣu đồ xử lý ảnh trong LabVIEW

Hình 2.8: Sơ đồ kết nối các khối xử lý ảnh trong LabVIEW


20
2.3 . Toolkits thu thập hình ảnh NI Vision Acquisition Software
Việc thu nhận ảnh trong môi trƣờng LabVIEW đƣợc thực hiện riêng thông
qua module Vision Acquisition. Đây là một module mở rộng đƣợc lập trình với
chức năng thực hiện việc tìm kiếm camera đang liên kết với máy, thu nhận ảnh,
xuất ảnh nhận đƣợc về môi trƣờng LabVIEW và đƣa dữ liệu xuất sang môi trƣờng
xử lý ảnh (Vision Assistant). Trong LabVIEW, module này tƣơng ứng với hàm
Vision Acquisititon nằm trong thƣ viện Vision Express.

 Cách lấy hàm Vision Acquisition trong LabVIEW

Hình 2.9: Thực hiện hàm Vision Acquisition
Sau khi lấy hàm Vision Acquisition để lập trình thu nhận ảnh, double click vào
biểu tƣợng của hàm, giao diện lập trình sẽ mở ra và việc thực thi quá trình thu nhận
ảnh đƣợc thiết lập hoàn toàn riêng biệt trên module này.


21
Quá trình thu nhận ảnh đƣợc thực hiện qua 4 bƣớc:
CHỌN ẢNH
NGUỒN


các thông số về độ sáng, độ tƣơng phản, không gian màu... cho ảnh và kiểm tra các
thông số đã cài đặt bằng cách click vào nút test để xem ảnh và quyết định tiếp tục
hoặc quay lại chỉnh sửa các thông số cho thích hợp.

Hình 2.13: Cài đặt các thông số thu nhận ảnh.


23
- Bƣớc 4: là bƣớc cuối cùng và là bƣớc quan trọng nhất. Tại đây ngƣời lập
trình sẽ lựa chọn các thông số để thiết lập đầu vào/ra cho ảnh, Select
Control/Indicator . Các thông số đầu vào (control) chính là các thông số đã đƣợc
cài đặt ở bƣớc 3, khi lựa chọn nó, phần mềm sẽ cho phép sửa chữa các thông số này
ngay trên LabVIEW, nghĩa là có thể thay đổi các thông số này mà không cần quay
lại cửa sổ Vision Acquisition. Các thông số đầu ra (Indicator) là các yếu tố kết quả
của quá trình thu nhận ảnh mà ngƣời lập trình mong muốn lấy ra để tiếp tục xử lý,
trong đó, quan trọng nhất là image out đƣợc chọn mặc định vì đây sẽ là yếu tố liên
kết sang module xử lý ảnh và hiển thị ảnh lên trên giao diện khi chạy phần mềm.

Hình 2.14: Thiết lập các tín hiệu đầu vào/ra.

2.4 . Toolkits xử lý ảnh
2.4.1 Vision Development Module (VDM)
Đây là công cụ chung nhất cho việc tạo các hàm truyền xử lý các hình ảnh.
Ngoài ra VDM còn cho phép ngƣời dùng cài đặt thêm các công cụ xử lý ảnh mở
rộng thêm từ tất cả nhà cung cấp phần mềm của LabVIEW.