Tải bản đầy đủ (.pdf) (105 trang)

Nghiên cứu giải thuật ước lượng quỹ đạo phương tiện trên mặt phẳng bằng camera ống kính đơn

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.1 MB, 105 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

PHẠM TIẾN ĐẠT

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ƯỚC LƯỢNG QUỸ ĐẠO
PHƯƠNG TIỆN TRÊN MẶT PHẲNG BẰNG CAMERA ỐNG
KÍNH ĐƠN
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 8520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 7 năm 2023


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP_____________________________________________

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Trần Đăng Long
Chữ ký:…………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS. Lê Tất Hiển
Chữ ký:…………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Nguyễn Văn Trạng
Chữ ký:…………………………………………………………………
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 15 tháng 7 năm 2023.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)


1. Chủ tịch: TS. Trần Hữu Nhân
2. Thư ký: TS. Hồng Đức Thông
3. Phản biện 1: PGS.TS. Lê Tất Hiển
4. Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Trạng
5. Ủy viên: TS. Võ Tấn Châu
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

i


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên : PHẠM TIẾN ĐẠT

MSHV : 2070439


Ngày, tháng, năm sinh : 06/02/1997

Nơi sinh : Tây Ninh

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực

Mã số : 8520116

I. TÊN ĐỀ TÀI : Nghiên Cứu Giải Thuật Ước Lượng Quỹ Đạo Phương Tiện Trên
Mặt Phẳng Bằng Camera Ống Kính Đơn (Tên đề tài tiếng Anh : Study On The
Algorithm For Estimating Vehicle Trajectory On The Ground Using A Mono
Camera).
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
- Tìm hiểu về chụp ảnh và hiệu chuẩn ảnh sử dụng thư viện cv2 trên python.
- Tìm hiểu về tiền xử lý ảnh.
- Nghiên cứu sử dụng các phương pháp trích xuất và bắt cặp các điểm đặc trưng của
ảnh.
- Xây dựng hàm chi phí để tính tốn các giá trị biến thiên góc, độ dài phương x và
phương y bằng giải thuật tìm nghiệm tối ưu hóa.
- Kiểm chứng khả năng ước lượng quỹ đạo của mơ hình bằng phương pháp encoder.
- Phân tích và đánh giá đồ thị quỹ đạo của 2 phương pháp đã xây dựng từ đó đưa ra
những nhận xét và rút ra kết luận về kết quả đã phân tích được.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023
IV. NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ : 15/7/2023
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. TRẦN ĐĂNG LONG
Tp. HCM, ngày 15 tháng 7 năm 2023


CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
(Họ tên và chữ ký)

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

ii


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS. Trần Đăng Long đã tận tình
chỉ dẫn, giúp đỡ và định hướng trong suốt thời gian làm đồ án và luận văn, tạo điều
kiện thuận lợi để hoàn thành đề tài luận văn này. Thầy đã luôn đồng hành và hỗ trợ
tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, tận tình chỉ bảo và giải đáp những thắc mắc của
tôi với tinh thần trách nhiệm cao và kiến thức chuyên môn sâu rộng. Những đóng góp
của thầy đã giúp tơi hồn thành tốt hơn đề tài và đạt được kết quả như mong đợi.
Tôi cũng xin cảm ơn anh Hồ Nam Hoa, anh Nguyễn Ngọc Trực đã nhiệt tình hỗ trợ,
tư vấn tơi hồn thành phần xử lý tín hiệu của 2 encoder và một số kiến thức về code
liên quan.
Bên cạnh đó xin cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Kỹ Thuật Ơ Tơ đã
trang bị cho em những kiến thức nền tảng, bổ ích trong khoảng thời gian học tập tại

trường. Những kiến thức này sẽ tiếp tục hỗ trợ tôi trong tương lai.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, anh chị trong gia đình ln ủng hộ, sát
cánh và là nguồn động lực vơ cùng to lớn để tơi có thể hồn thành tốt khoảng thời
gian học tập và nghiên cứu tại trường.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến các bạn chung bộ mơn đã có những sự hỗ trợ nhiệt
tình trong quá trình thực nghiệm đề tài để đề tài luận văn có thể hồn thành tốt.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 7 năm 2023

Phạm Tiến Đạt

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

iii


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu này nhằm đạt được hai mục tiêu chính. Thứ nhất, xây dựng mơ
hình ước lượng quỹ đạo của phương tiện trên mặt phẳng đường từ hình ảnh của
camera ống kính đơn (mono camera). Thứ hai, thực nghiệm khảo sát để đánh giá sai
số của mơ hình ước lượng.
Nghiên cứu này bao gồm một số nhiệm vụ chính. Đầu tiên, tiến hành xây dựng
mơ hình mối quan hệ về quỹ đạo của phương tiện theo hệ trục O cố định nếu biết
chuyển vị tương đối của camera. Tiếp theo là ước lượng chuyển vị tương đối của
camera dựa trên 2 khung ảnh liên tiếp. Cuối cùng là thực nghiệm kiểm chứng, sản
phẩm mơ hình phần cứng và cơng cụ lập trình python.
Kết quả thử nghiệm thể hiện tính ứng dụng của hệ thống định vị xe bằng
camera được trình bày trong nghiên cứu này. Có thể dùng phương pháp Mono Camera
để xác định vị trí với tốc độ ổn định 1HZ và sai số trung bình là 20 mm/m ở đường

thẳng và khi di chuyển ở đường cong tròn sai số thường tập trung ở chỗ vị trí xoay
vịng với sai lệch khoảng 90mm/phương x và 67mm/ phương y.
Ngoài ra, kết quả thử nghiệm cũng cho thấy những hạn chế của hệ thống định
vị bằng camera và một số nguyên nhân dẫn đến sai số được trình bày. Những ngun
nhân đó là: Tốc độ di chuyển của mơ hình q nhanh; giải thuật Gradient Descent;
tốc độ bắt hình của camera chưa nhanh; di chuyển trên địa hình quá phức tạp. Để
khắc phục các vấn đề này cần thay đổi camera phù hợp hơn có tích hợp sẵn chức năng
xử lý ảnh.
Tóm lại, hệ thống được phát triển cho thấy tiềm năng đáng kể cho các ứng
dụng trong ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là trong lĩnh vực Advanced Driver
Assistance Systems (ADAS).

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

iv


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

ABSTRACT
This study aims to achieve two main goals. First, build a model to estimate the
vehicle's trajectory on the road plane from the image of a single lens camera (mono
camera). Second, experimental survey to evaluate the error of the estimated model.
This study includes several main tasks. First, proceed to build a relationship
model of the vehicle's trajectory according to the fixed O-axis system if the relative
displacement of the camera is known. The next step is to estimate the relative
displacement of the camera based on two consecutive frames. Finally, there are
experimental tests, hardware modeling products and python programming tools.
The test results demonstrating the applicability of the vehicle navigation
system by camera are presented in this study. The Mono Camera method can be used

to determine the position with a steady speed of 1 HZ and an average error of 20
mm/m in a straight line and when moving in a circular curve the error is usually
concentrated in the rotation position. with an error of about 90 mm/x-direction and
67 mm/y-direction.
In addition, the test results also show the limitations of the camera navigation
system and some causes of errors are presented. Those reasons are: The model's
movement speed is too fast; Gradient Descent algorithm; the camera's capture speed
is not fast; Moving over difficult terrain. To overcome these problems, it is necessary
to change to a more suitable camera with built-in image processing function.
In summary, the developed system shows considerable potential for
applications in the automotive industry, especially in the area of Advanced Driver
Assistance Systems (ADAS).

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

v


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi thực hiện dưới sự
hướng dẫn khoa học của TS. Trần Đăng Long. Các số liệu và kết quả phân tích trong
luận văn là hoàn toàn trung thực.
Tp. HCM, ngày 15 tháng 7 năm 2023

Phạm Tiến Đạt

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT


vi


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ..................................................................2
1.1 Đặt vấn đề ..........................................................................................................3
1.1.1 Phương pháp IMU .......................................................................................3
1.1.2 Phương pháp GPS .......................................................................................6
1.1.3 Phương pháp GPS-RTK ..............................................................................8
1.1.4 Phương pháp băng thông siêu rộng (UWB) ..............................................10
1.1.5 Phương pháp dùng Stereo Camera ............................................................11
1.1.6 Phương pháp dùng Mono Camera .............................................................14
1.1.7 Phương pháp dùng Encoder + Bánh xe .....................................................16
1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước ...............................................................18
1.3 Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................19
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................19
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu ................................................................................19
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................19
1.5 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................20
1.5.1 Phương pháp phân tích tư liệu sẵn có .......................................................20
1.5.2 Phương pháp tốn học ...............................................................................20
1.5.3 Phương pháp lập trình ...............................................................................21
1.6 Các nội dung nghiên cứu .................................................................................21
1.7 Ý nghĩa của nghiên cứu ...................................................................................21
1.8 Ý tưởng/ Giải pháp thực hiện ..........................................................................25
1.8.1 Mơ hình camera .........................................................................................25
1.8.2 Ước lượng qng đường di chuyển bằng camera .....................................27


HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

vii


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

1.8.3 Quá trình xử lý...........................................................................................27
1.8.4 Hiệu chỉnh camera .....................................................................................29
1.8.5 Kiểm nghiệm mơ hình ...............................................................................29
1.8.6 Thử nghiệm định vị ...................................................................................30
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................32
2.1 Xác định các điểm đặc trưng ...........................................................................32
2.2 Theo dõi các điểm đặc trưng ...........................................................................37
2.3 Hệ tọa độ và các phép biến đổi tọa độ .............................................................38
2.4 Phương pháp tìm nghiệm bằng giải thuật tối ưu hóa .......................................40
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ƯỚC LƯỢNG QUỸ ĐẠO ........................................42
3.1 Phần mềm ........................................................................................................42
3.2 Phần cứng ........................................................................................................50
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ............................................................51
4.1 Hệ thống thực nghiệm......................................................................................51
4.1.1 Phương án dùng đai răng và puly ..............................................................51
4.1.2 Phương án dùng trục Encoder chịu lực thân xe ........................................52
4.1.3 Phương án dùng ổ bi..................................................................................54
4.1.4 Chọn phương án ........................................................................................57
4.1.5 Thiết kế mơ hình định vị bằng Mono Camera ..........................................58
4.1.6 Thiết kế bộ kiểm nghiệm mơ hình bằng Encoder .....................................59
4.2 Thiết bị sử dụng ...............................................................................................64
4.3 Các trường hợp khảo sát ..................................................................................65

4.4 Xử lý kết quả thực nghiệm ..............................................................................66
5.1 Kết quả .............................................................................................................68

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

viii


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

5.1.1 Trường hợp 1. ............................................................................................68
5.1.2 Trường hợp 2 .............................................................................................69
5.1.3 Trường hợp 3 .............................................................................................73
5.1.4 Trường hợp 4 .............................................................................................76
5.2 Phân tích nguyên nhân sai số ...........................................................................81
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................83
6.1 Kết luận ............................................................................................................83
6.2 Định hướng phát triển ......................................................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................86

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

ix


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Cấu tạo IMU [4] ..........................................................................................4
Hình 1. 2 IMU cổ điển được gắn trên tên lửa IRBM S3[4] ........................................5

Hình 1. 3 Mạng lưới GPS trên tồn cầu ......................................................................7
Hình 1. 4 UWB có thể xác định vị trí tương đối của các thiết bị khác trong phạm vi
lên đến 200m [Nguồn: Internet] ................................................................................10
Hình 1. 5 Bảng mạch tích hợp Stereo Camera [Nguồn: Internet] .............................12
Hình 1. 6 Minh họa cách giải tìm ra khoảng cách Z từ điểm P đến vị trí 2 máy ảnh
[Nguồn: Internet] .......................................................................................................12
Hình 1. 7 Mono camera Raspberry Pi [Nguồn: Internet] ..........................................15
Hình 1. 8 Encoder của hãng Omron - 1000 xung/vịng [Nguồn: Internet] ...............17
Hình 1. 9 Robot được gắn mono camera để ước lượng vận tốc [9] ..........................19
Hình 1. 10 Robot giao hàng của cơng ty Startship [11] ............................................22
Hình 1. 11 Hàn Quốc tiếp tục thử nghiệm dịch vụ giao hàng bằng robot [12] .........23
Hình 1. 12 Robot đang lấy hàng trong các nhà kho của Amazon [13] .....................24
Hình 1. 13 Hệ thống máy ảnh tọa độ tiêu chuẩn [9] .................................................25
Hình 1. 14 Thiết lập hệ thống camera [9] .................................................................27
Hình 1. 15 Tóm tắt q trình xử lý để đưa ra các thơng số cho việc xác định vị trí
robot ..........................................................................................................................28
Hình 1. 16 Robot gắn 2 encoder để xác định vị trí ...................................................30
Hình 1. 17 Hình chiếu cạnh bên của robot xác định vị trí ........................................30
Hình 2. 1 Sự khác biệt giữa ba đặc trung là mặt phẳng, cạnh và góc [Nguồn: Internet]
...................................................................................................................................34
Hình 2. 2 Phép quay có tâm quay khơng phải trục tọa độ [10].................................39
Hình 3. 1 Quy trình xử lý ảnh và bắt cặp các điểm đặc trưng để xác định vị trí ......42
Hình 3. 2 Xác định chiều dài khung hình bằng thước ..............................................43
Hình 3. 3 Khởi tạo ứng dụng hiệu chuẩn máy ảnh trong Matlab..............................44
Hình 3. 4 Nhập kích thước thực tế của 1 ơ cờ vua ....................................................45
Hình 3. 5 Các góc của 1 ơ cờ được phát hiện trong từng ảnh ...................................45

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

x



LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

Hình 3. 6 13 tấm ảnh đã được xử lý và nhận dạng thành công cho quá trình hiệu chuẩn
...................................................................................................................................46
Hình 3. 7 Các thơng số nội tại của camera sau khi được hiệu chuẩn........................47
Hình 3. 8 Mơ hình tính tốn chuyển vị tương đối giữa 2 khung hình liên tiếp ........48
Hình 3. 9 Các bộ phận trên xe mơ hình thực nghiệm ...............................................50
Hình 4. 1 Mơ hình dùng puly và đai răng .................................................................52
Hình 4. 2 Mơ hình sử dụng trục của Encoder chịu lực cho thân xe ..........................54
Hình 4. 3 Mơ hình sử dụng ổ bi chịu lực thân xe_1..................................................56
Hình 4. 4 Mơ hình sử dụng ổ bi chịu lực thân xe_2..................................................56
Hình 4. 5 Lựa chọn phương án thiết kế cuối cùng cho mơ hình ...............................57
Hình 4. 6 Mơ tả cách bố trí camera ...........................................................................58
Hình 4. 7 Sơ đồ khối phần cứng mơ hình .................................................................60
Hình 4. 8 Sơ đồ mơ tả mơ hình khi rẽ phải_1 ...........................................................61
Hình 4. 9 Sơ đồ mơ tả mơ hình khi rẽ phải_2 ...........................................................62
Hình 4. 10 Sơ đồ mơ tả mơ hình khi rẽ trái_1...........................................................63
Hình 4. 11 Sơ đồ mơ tả mơ hình khi rẽ trái_2...........................................................63
Hình 4. 12 Ảnh thực tế các chi tiết phần cứng mơ hình thực nghiệm ......................65
Hình 4. 13 Hình mơ tả 2 hệ trục tọa độ trên xe, hệ trục C là tâm camera, hệ trục G là
tâm 2 bánh xe ............................................................................................................66
Hình 5. 1 Kết quả ước lượng quỹ đạo của mơ hình trên địa hình nền nhà khi xe đi
thẳng. Tại vị trí cuối cùng encoder ước lượng được là (1382mm) theo phương x và (96mm) theo phương y, bộ ước lượng camera đo được là (1358mm) theo phương x và
(-66mm) theo phương y. Suy ra khi di chuyển theo đường thẳng thì sai số là
(17mm/m) theo phương x và (21mm/m) theo phương y. .........................................69
Hình 5. 2 Kết quả ước lượng quỹ đạo của mơ hình trên địa hình nền nhà khi xe đi
thẳng và xoay vịng. Tại vị trí cuối cùng encoder đo được là 1236mm phương x và
1140mm theo phương y, camera đo được là 1285mm theo phương x và 1016mm theo

phương y. Khoảng cách lệch lớn nhất là 50mm theo phương x và 124mm theo phương
y. ................................................................................................................................73

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

xi


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

Hình 5. 3 Kết quả ước lượng quỹ đạo của mơ hình trên địa hình đường xi măng theo
đường thẳng. Tại vị trí cuối cùng encoder đo được là 1148mm phương x và -84mm
theo phương y, camera đo được là 1117mm theo phương x và -54mm theo phương y.
Suy ra khi di chuyển theo đường thẳng thì sai số là 27mm/m theo phương x và 26mm
theo phương y. ...........................................................................................................76
Hình 5. 4 Kết quả ước lượng quỹ đạo của mơ hình trên địa hình đường xi măng theo
đường thẳng và xoay vịng. Tại vị trí cuối cùng encoder đo được là 1178mm phương
x và -1264mm theo phương y, camera đo được là 1193mm theo phương x và 1253mm theo phương y. Tuy nhiên tại vị trí xoay vịng, 2 đường đang bị lệch nhau
khoảng cách lớn nhất là 90mm. ................................................................................80
Hình 5. 5 Lỗi bắt đặc trưng sai vị trí khi kéo xe q nhanh ......................................81
Hình 5. 6 Các kết quả dx, dy và danpha có thể chưa tối ưu......................................81

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

xii


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1. Thông số phần cứng các chi tiết của mơ hình ..........................................64
Bảng 4.2. Ma trận thực nghiệm .................................................................................66
Bảng 5.1. Dữ liệu đường đi khi mơ hình chạy đường thẳng .....................................68
Bảng 5.2. Dữ liệu đường đi khi mơ hình chạy theo đường cong ..............................70
Bảng 5.3. Dữ liệu đường đi khi mơ hình chạy theo đường thẳng .............................73
Bảng 5.4. Dữ liệu đường đi khi mô hình chạy theo đường cong ..............................76

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

xiii


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết đầy đủ

STT

Ký hiệu chữ viết tắt

1

IMU

Inertial Measurement Unit

2

GPS


Global Positioning System

3

GPS-RTK

4

LIDAR

5

ROS

6

SLAM

7

DOF

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

Real-Time Kinematic Global Positioning System
Light Detection And Ranging
Robot Operating System
Simultaneous localization and mapping
Degree of Fredom


xiv


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP_____________________________________________

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, khoa học và kỹ thuật đang phát triển một cách nhanh chóng trên thế giới,
đặc biệt là lĩnh vực công nghệ thông tin và khoa học máy tính. Sự ra đời của máy tính
là một bước tiến lớn và càng ngày, con người càng tạo ra và khai thác sâu hơn về
những khả năng mà một chiếc máy tính có thể mang lại trong hầu hết tất cả các ngành.
Có thể nói, máy tính là một cơng cụ hỗ trợ đắc lực trong công việc, từ các quốc gia
chưa phát triển cho đến các quốc gia đã và đang phát triển. Trong đó, lĩnh vựa thị giác
máy tính đang phát triển rất mạnh mẽ trong bối cảnh xe điện và xe tự hành đang phát
triển và dần thay thế các loại xe chạy xăng và diesel truyền thống. Luận văn của tôi
mang tựa đề "Nghiên Cứu Giải Thuật Ước Lượng Quỹ Đạo Phương Tiện Trên Mặt
Phẳng Bằng Camera Ống Kính Đơn". Đề tài này tập trung vào việc sử dụng mono
camera để chụp ảnh vng góc với mặt đường, từ đó xác định các điểm đặc trưng của
vật thể cố định. Thông qua việc phân tích các điểm đặc trưng này, chúng ta có thể
tính tốn, ước lượng, xác định vị trí của vật thể một cách chính xác và đáng tin cậy.
Quá trình nghiên cứu của tơi đã được tiến hành trong thời gian kéo dài 6 tháng. Trong
q trình này, tơi đã tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu, thu thập tài liệu, các bài báo khoa
học có kiến thức liên quan đến ước lượng chuyển động bằng mono camera sử dụng
thị giác máy tính. Tơi đã áp dụng các phương pháp xử lý ảnh và thuật toán để xác
định các điểm đặc trưng của vật thể dưới mặt đường và theo dõi chuyển động. Từ đó,
tơi đã phân tích và tính tốn được vị trí của mơ hình xe trong thời gian thực.
Luận văn của tôi không chỉ tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển phương pháp,
mà còn đánh giá độ chính xác và hiệu quả của phương pháp so với bộ đo lường bằng
2 encoder đặt ở 2 bánh xe của mơ hình. Tơi hy vọng rằng luận văn này có thể đóng
góp một phần nhỏ vào việc ước lượng, xác định vị trí trên đường, đồng thời đóng góp

vào lĩnh vực nghiên cứu và học tập, làm tiền đề cho các nghiên cứu và các đề tài có
liên quan trong tương lai.

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Cuộc cách mạng công nghiệp là những bước phát triển vượt bậc của con người, cuộc
cách mạng cho phép ứng dụng rộng rãi các robot trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.
Yếu tố này phù hợp với nhận thức về vấn đề an tồn trong cơng việc, robot thay thế
cho con người trong sản xuất, trong lao động, trong các nhà máy… điều đó đã góp
phần vào sự xuất hiện nhu cầu sử dụng các robot. Ngày nay trong đời sống có rất
nhiều cơng việc do tính chất cơng việc nặng nhọc, mơi trường làm việc khó khăn độc
hại, nguy hiểm và tác hại trực tiếp đối với con người. Một số nơi địa hình q khó
khăn để di chuyển (vùng rừng núi, sa mạc, vùng có lở núi, động đất, vùng bị cháy
rừng, vùng nhiễm phóng xạ, khu vực bị khủng bố…). Ở những nơi này con người rất
cần tới sự hỗ trợ của robot để do thám và xác định vị trí. [1]
Để đạt được hiệu suất hoạt động tối ưu, các robot phải được trang bị các công nghệ
tiên tiến để xác định vận tốc và định vị vị trí một cách chính xác. Trong đó, sử dụng
mono camera là một trong những phương pháp. Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu và
phát triển một hệ thống xác định vị trí cho robot bằng cách sử dụng một mono camera
đơn giản. Với các thuật toán tiên tiến và phương pháp xử lý ảnh, hệ thống này có thể
đo được quãng đường di chuyển của robot một cách chính xác và đáng tin cậy. Qua
đề tài này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các khái niệm cơ bản về xử lý ảnh, thuật toán và
phương pháp để xác định vị trí của robot bằng mono camera. Đồng thời, sẽ có sự
trình bày về q trình phát triển và kiểm thử hệ thống xác định vị trí cho robot.

Để xây dựng một hệ thống hồn thiện thì đây là một đề tài khá rộng và cần có những
người có kiến thức, kinh nghiệm để có thể phát triển một hệ thống ổn định, hoạt động
trôi chảy trên nhiều điều kiện mơi trường khác nhau. Vì tính ứng dụng rộng lớn và
tính phức tạp của vấn đề, luận văn chỉ ở mức tìm hiểu thuật tốn và ứng dụng các
thuật tốn cơ bản để có thể xây dựng được mơ hình tính tốn vận tốc và xác định vị
trí của robot.

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

1.1 Đặt vấn đề
Định vị là khả năng xác định vị trí và phương hướng của robot trong mơi trường
khơng gian ba chiều hoặc hai chiều. Đó là một nhu cầu cơ bản của robot tự động vì
nếu robot khơng biết vị trí của nó trong khơng gian, nó sẽ khơng thể hoạt động hiệu
quả [2]. Ví dụ trên xe tự lái, hệ thống định vị cho phép xe đi đúng làn đường, tránh
né vật cản và đến đích chính xác. Trên robot bay, khả năng giữ cân bằng trên không
và bay bám quỹ đạo phụ thuộc rất nhiều vào tín hiệu phản hồi góc và vị trí. Từ quỹ
đạo di chuyển ta có thể tính tốn vận tốc của robot hoặc của xe di chuyển.
SLAM (simultaneous localization and mapping) là một phương pháp được sử dụng
cho các phương tiện tự hành, cho phép xây dựng bản đồ và định vị phương tiện trong
bản đồ đó cùng một lúc. Thuật toán SLAM cho phép phương tiện vạch ra bản đồ môi
trường không xác định. Các kỹ sư sử dụng thông tin bản đồ để thực hiện các nhiệm
vụ như lập kế hoạch đường đi và tránh chướng ngại vật. [3]
Trong quá trình SLAM, một hệ thống di chuyển, chẳng hạn như một robot hoặc một
phương tiện tự hành, sử dụng các cảm biến như camera, lidar (laser range finder),
hoặc bộ cảm biến với IMU (Inertial Measurement Unit) để thu thập dữ liệu về mơi

trường xung quanh nó. Hệ thống sử dụng dữ liệu này để đồng thời xác định vị trí của
mình và xây dựng bản đồ của môi trường.
Các phương pháp định vị thông dụng như sau:
1.1.1 Phương pháp IMU
IMU là viết tắt của Inertial Measurement Unit. Đây là thiết bị kết hợp giữa cảm biến
Gyroscope còn gọi là cảm biến con quay hồi chuyển và cảm biến Accelerometer còn
gọi là cảm biến gia tốc. Thiết bị này có chức năng là cung cấp thơng tin về độ nghiêng
và góc quay để giúp hệ thống cân bằng một cách tự động.
Phương pháp định vị IMU là một phương pháp định vị robot dựa trên cảm biến IMU,
bao gồm các cảm biến gia tốc và cảm biến góc quay. Cảm biến gia tốc đo lường gia
tốc của robot, trong khi cảm biến góc quay đo lường vị trí góc của robot. Thơng qua

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

tích hợp và xử lý dữ liệu từ các cảm biến này, phương pháp định vị IMU có thể xác
định vị trí và hướng của robot trong không gian.
IMU bao gồm một cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc theo 3 trục. Lúc này
IMU có 6 bậc tự do. Cảm biến gia tốc được sử dụng để đo gia tốc theo 3 trục và cảm
biến vận tốc góc được sử dụng để đo vận tốc góc theo 3 trục. Trong đó mỗi cảm biến
gia tốc là một hệ lò xo – gia trọng và mỗi cảm biến vận tốc góc chính là một con quay
hồi chuyển.

Hình 1. 1 Cấu tạo IMU [4]

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT


4


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

Hình 1. 2 IMU cổ điển được gắn trên tên lửa IRBM S3[4]
Chức năng chính của IMU trên xe đó chính là phát hiện chuyển động cũng như hướng
chuyển động của chiếc xe thông qua khả năng tiếp nhận thông tin từ các cảm biến.
IMU sẽ dựa vào 6 hướng chính khi điều khiển xe như lùi về sau, tăng tốc về phía
trước, rẽ trái, rẽ phải và hướng từ trên xuống dưới để tính tốn hướng di chuyển. Với
IMU, vị trí được tính tốn bằng cách tích phân hai lần giá trị đo gia tốc.
Ngồi ra, một số IMU cịn tích hợp thêm cảm biến từ trường theo 3 trục, lúc này IMU
có 9 bậc tự do. Cảm biến từ trường được đưa vào nhằm sử dụng từ trường (thường là
từ trường trái đất) để làm tham chiếu cho hướng của cảm biến. [4]
Ưu điểm:
-

Khi robot di chuyển nhanh hoặc đổi hướng, khả năng đo góc tốc độ cao của
IMU phát huy tác dụng với độ chính xác cao. Phương pháp định vị IMU có
thể đo lường chính xác chuyển động của robot trong khơng gian, bao gồm cả
vận tốc và gia tốc.

-

Không cần định vị ngoại vi: Phương pháp định vị IMU không yêu cầu phải có
kết nối với các đối tượng ngoại vi như GPS hoặc các cảm biến đo khoảng cách,

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT


5


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

do đó có thể được sử dụng trong mơi trường khơng có tín hiệu hoặc khơng có
điều kiện để cài đặt các cảm biến ngoại vi.
-

Độ ổn định cao: Phương pháp định vị IMU có khả năng ổn định cao vì nó
khơng phụ thuộc vào tín hiệu từ các cảm biến bên ngồi.

Nhược điểm:
-

Do sự tích lũy sai số trong q trình tích hợp và xử lý dữ liệu, định vị bằng
IMU thường có độ chính xác thấp hơn so với các phương pháp định vị khác.

-

Phương pháp định vị IMU thường được kết hợp với các phương pháp định vị
khác như GPS hoặc định vị bằng camera để nâng cao độ chính xác và độ tin
cậy của quá trình định vị.
1.1.2 Phương pháp GPS

GPS là viết tắt của Global Positioning System, là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị
trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành
và quản lý. GPS là một hệ thống định vị toàn cầu bao gồm một tập hợp các vệ tinh
được đưa vào quỹ đạo quanh Trái đất và các trạm địa kiểm tra được đặt tại các vị trí
trên tồn thế giới. Các vệ tinh GPS bay vịng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày

theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thơng tin xuống Trái Đất. Các máy
thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí
của người dùng. [5], [6]

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

6


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

Hình 1. 3 Mạng lưới GPS trên toàn cầu
Bản chất của GPS là so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian
nhận được chúng. Độ sai lệch thời gian cho biết máy thu GPS cách vệ tinh bao xa,
với nhiều quãng đường đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của
người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy. Để tính ra được vị trí 2 chiều (kinh
độ và vĩ độ) thì máy thu phải nhận được tín hiệu ít nhất là 3 vệ tinh, với ít nhất 4 vệ
tinh thì có thể tính được vị trí 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người
dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác như tốc độ, hướng
chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình…
Ưu điểm:
-

Độ chính xác cao: GPS có độ chính xác cao, đặc biệt là với các thiết bị GPS
chất lượng cao và được đặt trong điều kiện thuận lợi.

-

Độ phủ rộng: GPS có thể định vị ở mọi vị trí trên Trái Đất, giúp định vị tồn
cầu và dễ dàng sử dụng.


-

Khơng cần dây kết nối: GPS có khả năng kết nối khơng dây với các thiết bị
khác như điện thoại thơng minh hoặc máy tính bảng.

-

Chi phí phù hợp: Mặc dù giá thành của các thiết bị GPS có thể dao động tùy
thuộc vào chất lượng và tính năng của thiết bị, nhưng trong tổng thể, chi phí

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

7


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

của việc sử dụng GPS là khá phù hợp và có thể được sử dụng rộng rãi trong
các lĩnh vực khác nhau.
Nhược điểm:
-

Ảnh hưởng của môi trường: GPS có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố mơi
trường như sự che khuất của tịa nhà, trong phịng kín, địa hình, mây mù, cây
cối hay các vật thể trên bề mặt đất khác.

-

Thời gian đáp ứng chậm: GPS có thể mất một thời gian khá lâu để xác định vị

trí của mình, đặc biệt là khi nó đang ở trong mơi trường khó khăn hoặc khơng
có tín hiệu.

-

Bảo mật: Một số dữ liệu GPS có thể bị tấn cơng và chiếm đoạt, gây mất an
tồn cho người sử dụng.
1.1.3 Phương pháp GPS-RTK

GPS-RTK là viết tắt từ Real-Time Kinematic Global Positioning System, là phương
pháp đo động xử lý tức thời trên nguyên tắc sử dụng một trạm cơ sở thơng qua việc
thu định vị vệ tinh nhân tạo tính tốn ra một số ngun đa trị N (có thể hiểu đơn giản
là số gia cải chính). Số gia cải chính này sẽ được phát ra và mang tới vị trí đặt các
máy di động (Rover) nhằm mục đích hiệu chỉnh vị trí các máy di động để đạt được
độ chính xác cao. Bộ phận phát mang số cải chính đi là tín hiệu dạng sóng vơ tuyến
UHF (Radio) cơng suất 25W với 9 kênh tương ứng với các tần số khác nhau Phạm vị
hoạt động của máy Rover so với máy Base lên tới 12 km trong điều kiện thuận lợi.
Ưu điểm:
-

Độ chính xác cao: Phương pháp định vị GPS RTK cho phép định vị với độ
chính xác rất cao, thường chỉ trong khoảng vài cm đến vài mm.

-

Độ tin cậy cao: GPS RTK sử dụng hai anten để đo đạc khoảng cách giữa
chúng, do đó, độ tin cậy cao hơn so với phương pháp định vị GPS thông
thường.

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT


8


LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

-

Thời gian định vị nhanh: Phương pháp này cho phép định vị trong thời gian
thực, trong khi phương pháp định vị GPS thơng thường có thể mất nhiều giờ
để xử lý dữ liệu.

-

Có thể sử dụng trong điều kiện khó khăn: GPS RTK có thể sử dụng trong điều
kiện khó khăn như trong khu rừng hay trong môi trường đô thị.

-

Được sử dụng trong các ứng dụng chuyên nghiệp: Do độ chính xác và độ tin
cậy cao, phương pháp định vị GPS RTK được sử dụng chủ yếu trong các ứng
dụng chuyên nghiệp như định vị và xác định tọa độ của các đối tượng như tòa
nhà, cây cối, đường bộ, đường ray, hệ thống thoát nước, đường ống, các cơng
trình xây dựng, cơng trình cầu đường, các hệ thống kiểm sốt máy móc, robot
và thiết bị tự động hóa.

Nhược điểm:
-

Chi phí đầu tư cao: Phương pháp định vị GPS RTK yêu cầu sự kết hợp giữa

thiết bị GPS RTK và phần mềm xử lý dữ liệu định vị đặc biệt, do đó, chi phí
đầu tư cho phương pháp này khá cao.

-

Khả năng định vị bị giảm: Phương pháp định vị GPS RTK phụ thuộc vào độ
phân giải của thiết bị GPS, do đó, trong mơi trường có nhiễu hoặc chắn ngang,
khả năng định vị có thể bị giảm.

-

Khả năng định vị bị ảnh hưởng bởi khí quyển: GPS RTK có thể bị ảnh hưởng
bởi sự thay đổi của khí quyển, đặc biệt là trong điều kiện thời tiết xấu.

-

Khả năng định vị bị giới hạn trong khu vực có thế giới tầm nhìn trực tiếp:
Phương pháp định vị GPS RTK yêu cầu đường truyền tín hiệu trực tiếp giữa
các bộ phận GPS RTK, do đó khả năng định vị có thể bị giới hạn trong khu
vực này.

-

Khả năng định vị bị giới hạn trong môi trường đơ thị: Trong mơi trường đơ thị
có nhiều tịa nhà, cây cối và các vật thể khác, tín hiệu GPS có thể bị tắt và giảm
độ chính xác của định vị.

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

9



LUẬN VĂN THẠC SĨ_________________________________________________

-

Khả năng định vị bị ảnh hưởng bởi sự di chuyển: Trong quá trình di chuyển,
phương pháp định vị GPS RTK yêu cầu thời gian để tính tốn và xử lý dữ liệu,
do đó, khả năng định vị có thể bị ảnh hưởng bởi sự di chuyển.
1.1.4 Phương pháp băng thơng siêu rộng (UWB)

Ultra Wideband (cịn được gọi là UWB, băng thông siêu rộng hay Ultraband) là một
giao thức giao tiếp khơng dây tầm ngắn. Nó sử dụng sóng vơ tuyến để cho phép các
thiết bị giao tiếp với nhau.
Giống như Bluetooth và WiFi, Ultra-Wideband là một giao thức giao tiếp khơng dây
sử dụng sóng vơ tuyến. Một thiết bị phát UWB gửi hàng tỷ xung vô tuyến trên tần số
phổ rộng và thiết bị thu UWB sau đó chuyển các xung thành dữ liệu. Giống như cách
dơi sử dụng định vị bằng tiếng vang để cảm nhận mơi trường của chúng, xung UWB
có thể được sử dụng để cảm nhận khoảng cách giữa hai thiết bị phát. Thời gian tác
động càng ngắn thì phép đo khoảng cách càng chính xác. UWB đạt được độ chính
xác theo thời gian thực vì nó gửi tới 1 tỷ xung mỗi giây (khoảng 1 xung mỗi nano
giây).

Hình 1. 4 UWB có thể xác định vị trí tương đối của các thiết bị khác trong phạm vi
lên đến 200m [Nguồn: Internet]

HVTH: PHẠM TIẾN ĐẠT

10



×