LINK TẢI LUẬN VĂN MIỄN PHÍ CHO AE KET-NOI
TÓM TẮT
Các dòng xe hiện đại ngày nay có rất nhiều nút nhấn hay giao diện cảm ứng để người dùng thao tác với các tiện nghi ô tô. Từ đó dẫn đến việc tài xế bị mất tập trung lái xe khi vừa rời mắt để thao tác với nút nhấn vừa lái xe đặc biệt là sử dụng chức năng điều hòa. Để giải quyết vấn đề trên đề tài đã sử dụng nhiều phương pháp: nghiên cứu cơ sở lý thuyết về trợ lý ảo và hệ thống điều hòa, phương pháp thu thập dữ liệu các chỉ số và phương pháp định lượng để đo lường và đánh giá các thông số thu thập. Từ đó xây dựng trợ lý ảo hệ thống điều hòa ô tô và đạt được các kết quả như sau: (1) người dùng tương tác với hệ thống điều hòa thông qua giọng nói hoàn toàn, (2) thiết kế và ứng dụng thành công giao diện người dùng với mục đích để tương tác khi người dùng không thể ra lệnh bằng giọng nói, (3)thực nghiệm thành công phương pháp giảm nhiệt độ trong xe,(4) ứng dụng thành công tín hiệu CAN Bus vào chức năng tiết kiệm nhiên liệu thụ động và (5) phát triển thành công chức năng nhớ vị trí điều hòa với mục đích giúp người dùng giảm các thao tác ban đầu với hệ thống điều hòa. Sau kết quả nghiên cứu đã đạt được những mục tiêu đề ra nhưng còn rất nhiều vấn đề cần giải quyết như: mở rộng phạm vi nhận dạng giọng nói của các địa phương, nâng cấp phương pháp điều khiển nhiệt độ, đánh giá sự hài lòng của người dùng tới chức năng tiện nghi...Đề tài đã đạt được mục tiêu là tương tác không chạm giữa người dùng với tiện nghi và phát triển thành công các chức năng hiện đại.
ii
MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................... i TÓM TẮT .......................................................................................................................... ii MỤC LỤC......................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIÊT TẮT VÀ KÝ HIỆU ................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................................. viii DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. xii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ........................................................................................ xiii
Chương 1: TỔNG QUAN..................................................................................................1 1.1. Lý do chọn đề tài.....................................................................................................1 1.2. Mục tiêu đề tài ........................................................................................................1 1.3. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................2 1.4. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................2 1.5. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................2 1.6. Nghiên cứu trong và ngoài nước ...........................................................................2
1.6.1. Tình hình nghiên cứu trong nước......................................................................2
1.6.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước .....................................................................3 1.7. Các vấn đề tập trung giải quyết ............................................................................4 1.8. Nội dung đề tài ........................................................................................................4
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................................5 2.1. Cơ sở hệ thống điều hòa xe Toyota Vios 2007 .....................................................5 2.1.1. Các thành phần hệ thống điều hòa ....................................................................5 2.1.2. Hệ thống điều khiển điều hòa [12]....................................................................6 2.2. Cơ sở lý thuyết xây dựng trợ lý ảo......................................................................16 2.2.1. Khái niệm trợ lý ảo theo TechTarget ..............................................................16 2.2.2. Cấu trúc trợ lý ảo thuần túy ............................................................................16
2.2.3. Sử dụng Google Speech Recognition nhận dạng giọng nói tiếng Việt và chuyển thành văn bản................................................................................................17 2.2.4. Sử dụng thư viện playsound để phản hồi bằng âm thanh ...............................19 2.2.5. Khối xử lý đưa ra kết quả phản hồi (Logic engine) ........................................20
2.3. Cơ sở giao diện người dùng sử dụng thư viện Tkinter .....................................22 2.4. Cơ sở giao tiếp giữa Raspberry Pi với Arduino và ESP32 với Arduino .........25 2.4.1. Tự động chạy chương trình khi khởi động Raspberry Pi 3 Model B+ [24] ...25 2.4.2. Tự động shutdown Raspberry Pi với ngôn ngữ Python..................................27 2.4.3. Phương pháp giao tiếp Raspberry Pi với Arduino ..........................................28 2.4.4. Phương pháp giao tiếp giữa Arduino Mega và ESP32 ...................................29
2.5. Giao thức CAN Bus được sử dụng giao tiếp thông tin giữa các hộp điều khiển..............................................................................................................................30 2.6. Cơ sở lý thuyết về điều khiển nhiệt độ điều hòa ô tô.........................................33
iii
2.6.1. Khái niệm về điều khiển nhiệt độ theo Technical Explanation for
Temperature Controllers [34]...................................................................................33 2.6.2. Nhiệt độ thiết bị bay hơi được điều khiển bởi van tiết lưu ............................33 2.6.3. Vị trí các cảm biến nhiệt độ trong cabin và ngoài xe. ....................................34 2.6.4. Vai trò quạt gió trong điều khiển nhiệt độ ......................................................35 2.6.5. Cơ chế điều khiển nhiệt độ theo tài liệu đào tạo Toyota [36].........................36 2.6.6. Cơ chế điều khiển nhiệt độ ON/OFF theo tài liệu Technical Explanation for Temperature Controllers ...........................................................................................37
Chương 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ....................38 3.1. Xây dựng trợ lý ảo hệ thống điều hòa và giao diện tương tác người dùng trên Raspberry Pi ................................................................................................................38
3.1.1. Xây dựng thuật toán nhận dạng câu lệnh phạm vi hệ thống điều hòa ............38 3.1.2. Xây dựng thuật toán điều hòa để đưa ra quyết định phản hồi và điều khiển..40 3.1.2.1. Chương trình xử lý chức năng tắt và mở quạt gió...................................40 3.1.2.2. Chương trình xử lý chức năng thay đổi tốc độ quạt gió..........................41 3.1.2.3. Chương trình xử lý tắt và mở điều hòa....................................................45 3.1.2.4. Chương trình xử lý tăng và giảm nhiệt độ...............................................47 3.1.2.5. Chương trình xử lý các chế độ hướng gió ...............................................54 3.1.2.6. Chương trình xử lý chế độ gió trong hay gió ngoài ..............................55 3.1.3. Phát triển chức năng tiện nghi ghi nhớ vị trí điều hòa của trợ lý ảo...............56 3.1.4. Ứng dụng giao diện người dùng trên trợ lý ảo................................................58 3.1.4.1. Giới thiệu các chức năng của giao diện người dùng ..............................58 3.1.4.2. Chức năng hiển thị thông tin nhiệt độ trong xe .......................................59 3.1.4.3. Chức năng thay đổi nhiệt độ và tốc độ quạt gió......................................60
3.1.4.4. Chức năng thao tác thay đổi chế độ hướng gió ảnh hưởng đến chế độ lấy gió trong/ngoài .....................................................................................................61 3.1.4.5. Chức năng nhớ vị trí điều hòa được phát triển giúp người dùng giảm thao tác .................................................................................................................62
3.2. Ứng dụng tín hiệu CAN Bus vào chức năng thông minh hệ thống nhằm tiết kiệm nhiên liệu thụ động.............................................................................................63 3.2.1. Kết quả thu thập data CAN và đoán tín hiệu trạng thái cửa xe .................63 3.2.2. Xây dựng chương trình xử lý tín hiệu CAN và trợ lý ảo để thông báo nhằm tiết kiệm nhiên liệu thụ động trong sử dụng điều hòa.....................................................64
3.2.2.1. Xây dựng chương trình truyền nhận trạng thái cửa xe từ ESP32 đến Arduino .................................................................................................................64 3.2.2.2. Xây dựng chương trình thông báo thụ động cửa mở khi điều hòa đang hoạt động của trợ lý ảo.........................................................................................65
3.3. Nghiên cứu và thiết kế mạch điện, cơ cấu chấp hành trên hệ thống trợ lý ảo66 3.3.1. Nghiên cứu và thiết kế mạch điện cho các chức năng hệ thống.....................66 3.3.1.1. Thiết kế sơ đồ mạch điện cung cấp nguồn hệ thống................................66 3.3.1.2. Nghiên cứu, thiết kế mạch điện và cách điều khiển quạt gió .....67
3.3.1.3. Nghiên cứu, thiết kế mạch điện và cách điều khiển relay cấp nguồn Raspberry Pi và ESP .................................................................................70
iv
3.3.1.4. Nghiên cứu, thiết kế mạch điện và cách điều khiển motor kéo dây cáp thay đổi hướng gió vào cabin và thay đổi cánh lấy gió.................................72 3.3.1.5. Mạch điện trong điều khiển nhiệt độ .......................................................74
3.3.2. Nghiên cứu và thiết kế bộ phận thay thế cơ cấu liên kết cụm dây cáp...........75 3.3.2.1. Thiết kế và chế tạo cơ cấu in 3D trong thay đổi hướng gió vào cabin ...75 3.3.2.2. Thiết kế và chế tạo cơ cấu in 3D trong thay đổi cánh lấy gió.................77
3.4. Xây dựng chương trình Arduino điều khiển hệ thống cơ cấu chấp hành.......79 3.4.1. Vai trò, chức năng và nhiệm vụ các thành phần đầu vào và đầu ra Arduino phục vụ điều khiển cơ cấu chấp hành .......................................................................79 3.4.2. Chương trình xử lý chính trên Arduino ..........................................................81 3.4.3. Chương trình xử lý tiền điều khiển cơ cấu chấp hành ....................................82 3.4.4. Chương trình điều khiển tốc độ quạt gió ........................................................84 3.4.5. Chương trình điều khiển cơ cấu lấy gió và hướng gió vào cabin ...................85 3.4.6. Chương trình reset trạng thái trước khi tắt hệ thống.......................................87
3.5. Kết quả nghiên cứu điều khiển giảm nhiệt độ ...................................................87 3.5.1. Kết quả thu thập nhiệt độ để xác định nhiệt độ tối thiểu cabin.......................87 3.5.2. Đánh giá kết quả thử nghiệm sự ảnh hưởng nhiệt độ dàn lạnh đến nhiệt độ cabin bằng phương pháp đóng ngắt tín hiệu A/C .....................................................88 3.5.3. Kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng thời điểm đóng/ngắt tín hiệu A/C đối với nhiệt độ đặt ................................................................................................................90 3.5.4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ quạt gió đến thời gian đạt đáp ứng nhiệt độ......................................................................................................................95 3.5.5. Xây dựng thuật toán điều khiển giảm nhiệt độ cho trợ lý ảo..........................96
Chương 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .....................................................99 4.1. Tổng quát hệ thống trợ lý ảo ...............................................................................99 4.1.1. Mô hình hóa hệ thống trợ lý ảo.......................................................................99 4.1.2. Các chức năng được nghiên cứu và thực hiện trong đề tài...........................100 4.2. Đánh giá kết quả nghiên cứu trợ lý ảo và giao diện........................................101
4.2.1. Đánh giá thời gian gửi data từ Raspberry Pi đến Arduino qua giao thức UART ......................................................................................................................101 4.2.2. Đánh giá thời gian trợ lý ảo xử lý các câu lệnh ............................................103 4.2.3. Kết luận về trợ lý ảo và giao diện .................................................................104
4.3. Đánh giá kết quả của chức năng thông báo mở cửa khi điều hòa đang hoạt động.............................................................................................................................104 4.4. Đánh giá mô hình phần cứng trợ lý ảo .............................................................105
4.4.1. Đánh giá thông số dòng điện tải hệ thống hoạt động tất cả các chế độ ........105
4.4.2. Đánh giá bộ phận chấp hành in 3D...............................................................106 4.5. Đánh giá thời gian xử lý của Arduino ..............................................................107 4.6. Đánh giá kết quả điều khiển giảm nhiệt độ thay đổi các mức độ liên tục.....108
Chương 5: KẾT LUẬN .................................................................................................109 5.1. Kết luận ...............................................................................................................109 5.2. Đóng góp mới đối với chuyên ngành và phạm vị ứng dụng đề tài.................109 5.3. Hạn chế ................................................................................................................109
v
5.4. Đề xuất hướng phát triển...................................................................................110 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................111 PHỤ LỤC........................................................................................................................113
vi
STT: TTS: NLP: IoT: ECC: ECM: TAO: R&D :
Speech to text
Text to speech
Natural language processing
Internet of Thing
Google text to speech
Electronic control module
Temperature air output
RESEARCH AND DELVELOPMENT
DANH MỤC CÁC CHỮ VIÊT TẮT VÀ KÝ HIỆU
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Các thành phần và vị trí hệ thống điều hòa....................................................5
Hình 2.2. Sơ đồ mạch điện hệ thống điều hòa .................................................................8
Hình 2.3. Sơ đồ hóa khối tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống điều khiển..........11
Hình 2.4. Núm xoay quạt gió ở vị trí 0...........................................................................12
Hình 2.5. Vị trí công tắc núm xoay quạt gió ở LOW ....................................................12
Hình 2.6. Vị trí công tắc núm xoay quạt gió ở M1........................................................12
Hình 2.7. Vị trí công tắc núm xoay quạt gió ở M2........................................................12
Hình 2.8. Vị trí công tắc núm xoay quạt gió ở H1 ........................................................13
Hình 2.9. Sơ đồ hoạt động trợ lý ảo giọng nói thuần túy .............................................16
Hình 2.10. Lưu đồ giải thuật bộ não logic để xác định câu lệnh từ người dùng ........20
Hình 2.11. Lưu đồ giải thuật kết hợp giao tiếp giọng nói và cảm ứng........................22
Hình 2.12. Hiển thị nút nhấn (button) trên Tkinter .....................................................23
Hình 2.13. Hiển thị một lable trên Tkinter ....................................................................23
Hình 2.14. Vị trí một đối tượng trong giao diện Tkinter .............................................24
Hình 2.15. Config (thay đổi) biểu tượng button trong Tkinter ...................................25
Hình 2.16. Khởi tạo chương trình khởi động một file Python.....................................26
Hình 2.17. Lưu đồ xử lý tín hiệu OFF khóa điện và giao tiếp với Raspberry Pi để tự động tắt hệ thống..............................................................................................................27
Hình 2.18. Sơ đồ kết nối Arduino Mega với Raspberry Pi qua giao thức UART .....28 Hình 2.19. Sơ đồ kết nối giữa Arduino Mega với ESP32 PICO D4 qua giao thức
UART ................................................................................................................................30 Hình 2.20. Mạng giao tiếp các hộp điều khiển trên xe thông qua giao thức CAN ....32
Hình 2.21. Sơ đồ kết nối phần cứng giữa ESP32 với module TJA1050 và cổng OBDII................................................................................................................................33
Hình 2.22. Vị trí cảm biến nhiệt độ ngoài xe .................................................................34
Hình 2.23. Quạt tích hợp cảm biến nhiệt độ trong xe(cabin) ......................................35
Hình 2.24. Sơ đồ mạch công tắc và điện trở thay đổi tốc độ quạt...............................35
Hình 2.25. Mosfet công suất điều khiển tốc độ quạt trên Camry 2006.......................35
Hình 2.26. Vị trí Mosfet công suất điều khiển quạt được đặt phía sau quạt gió Camry 2006.......................................................................................................................36
Hình 2.27. Công thức tính TAO theo tài liệu đào tạo Toyota......................................36 Hình 2.28. Đồ thị biểu diễn % cánh trộn gió theo nhiệt độ không khí đầu ra ...........37
viii
Hình 2.29. Tín hiệu điều khiển và đầu ra hệ thống lò nhiệt được điều khiển bằng phương pháp đóng/ngắt bộ sưởi [34] .............................................................................37
Hình 3.1. Lưu đồ giải thuật nhận lệnh hai lớp của trợ lý ảo .......................................38
Hình 3.2. Lưu đồ giải thuật xử lý mở quạt gió ..............................................................40
Hình 3.3. Lưu đồ giải thuật xử lý tắt quạt gió...............................................................41
Hình 3.4. Lưu đồ giải thuật xử lý yêu cầu tăng mức độ quạt gió ................................42
Hình 3.5. Lưu đồ giải thuật xử lý yêu cầu giảm mức độ quạt gió ...............................43
Hình 3.6. Lưu đồ giải thuật xử lý yêu cầu mức quạt chỉ định cụ thể..........................45
Hình 3.7. Lưu đồ giải thuật xử lý mở điều hòa .............................................................46
Hình 3.8. Lưu đồ giải thuật xử lý tắt điều hòa ..............................................................47
Hình 3.9. Lưu đồ giải thuật xử lý yêu cầu tăng nhiệt độ..............................................48
Hình 3.10. Lưu đồ giải thuật xử lý yêu cầu giảm nhiệt độ ...........................................50
Hình 3.11. Lưu đồ giải thuật yêu cầu nhiệt độ chỉ định ...............................................52
Hình 3.12. Lưu đồ giải thuật tăng và giảm nhiệt độ theo tình huống thực tế ............53
Hình 3.13. Lưu đồ xử lý yêu cầu thay đổi các hướng gió vào cabin............................54
Hình 3.14. Lưu đồ giải thuật xử lý yêu cầu lấy gió .......................................................55
Hình 3.15. Lưu đồ xử lý chức năng nhớ và đọc vị trí điều hòa ...................................57
Hình 3.16. Các thành phần của giao diện người dùng .................................................58
Hình 3.17. Lưu đồ xử lý hiển thị nhiệt độ......................................................................59
Hình 3.18. Lưu đồ thể hiện mối quan hệ chức năng điều chỉnh nhiệt độ và mức quạt gió trên giao diện..............................................................................................................60
Hình 3.19. Trạng thái giữa chế độ điều chỉnh nhiệt và chế độ điều chỉnh quạt ........61
Hình 3.20. Sự ảnh hưởng chế độ sưởi kính chắn gió đến chế độ lấy gió.....................62
Hình 3.21. Lưu đồ giải thuật xử lý đọc tín hiệu CAN và giao tiếp với Arduino ........64
Hình 3.22. Lưu đồ giải thuật xử lý cánh mở cửa trong khi điều hòa hoạt động........65
Hình 3.23. Sơ đồ mạch điện cung cấp nguồn điện cho hệ thống .................................66
Hình 3.24. Sơ đồ mạch nguyên lý hoạt động MOSFET BLOWER ............................68
Hình 3.25. Đồ thị thể hiện %(duty cycle) theo cấp quạt gió xe của Camry 2006 ......68
Hình 3.26. Sơ đồ mạch điện điều khiển quạt gió...........................................................68
Hình 3.27. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ % (duty cycle) chân 46 và Si phụ theo mức quạt gió..............................................................................................................................70
Hình 3.28. Sơ đồ mạch điện cấp nguồn Raspberry Pi và ESP32.................................70 Hình 3.29. Sơ đồ mạch điện điều khiển 2 motor encoder ............................................72
ix
Hình 3.30. Sơ đồ mạch điện điều khiển giảm nhiệt độ .................................................74 Hình 3.31. Sơ đồ nút nhấn A/C nguyên bản xe Vios ....................................................75
Hình 3.32. Vị trí các chế độ trên núm xoay thay đổi chế độ gió vào cabin trên thực tế ............................................................................................................................................76
Hình 3.33. Bản vẽ thiết kế cơ cấu liên kết cơ cấu kéo dây cáp thay đổi chế độ gió vào cabin ..................................................................................................................................76
Hình 3.34. Cơ cấu liên kết sau khi thiết kế ....................................................................77 Hình 3.35. Cơ cấu liên kết sau khi lắp ráp vào cơ cấu kéo dây cáp thay đổi hướng
gió.......................................................................................................................................77
Hình 3.36. Độ chia cơ cấu thay đổi cánh lấy gió trên thực tế ......................................78
Hình 3.37. Bản vẽ chi tiết và 3D cơ cấu liên kết chế độ lấy gió....................................78
Hình 3.38. Cơ cấu liên kết sau khi lắp ráp vào cơ cấu kéo dây cáp cánh lấy gió.......79
Hình 3.39. Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý chính trên Arduino........................81
Hình 3.40. Lưu đồ giải thuật xử lý tiền điều khiển cơ cấu chấp hành ........................83
Hình 3.41. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển tốc độ quạt gió ......................84
Hình 3.42. Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý vị trí động cơ tương ứng với yêu cầu vị trí hướng gió ..........................................................................................................85
Hình 3.43. Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý vị trí động cơ tương ứng với yêu cầu vị trí cánh lấy gió.......................................................................................................85
Hình 3.44. Lưu đồ chương trình điều khiển vị trí motor encoder thay đổi hướng gió ............................................................................................................................................86
Hình 3.45. Lưu đồ giải thuật chương trình reset các cơ cấu chấp hành.....................87 Hình 3.46. Đồ thị biểu diễn nhiệt độ cabin giảm theo thời gian ..................................88
Hình 3.47. Đồ thị biểu diễn nhiệt độ cabin theo thời gian thể hiện sự ảnh hưởng dàn lạnh đến nhiệt độ cabin....................................................................................................89
Hình 3.48. Đồ thị biểu diễn nhiệt độ cabin theo thời gian của quá trình đóng/ngắt tín hiệu A/C tại 23,05oC.........................................................................................................91
Hình 3.49. Đồ thị biểu diễn nhiệt độ cabin theo thời gian của quá trình đóng/ngắt tín hiệu A/C tại 25,1oC...........................................................................................................92
Hình 3.50. Đồ thị biểu diễn nhiệt độ cabin theo thời gian của quá trình đóng/ngắt tín hiệu A/C tại 27,15oC.........................................................................................................93
Hình 3.51. Đồ thị biểu diễn ES theo nhiệt độ đặt..........................................................94 Hình 3.52. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ % (duty cycle) theo sai số hệ thống
(ERROR) ..........................................................................................................................95
Hình 3.53. Đồ thị biểu diễn nhiệt độ cabin 23oC, 25oC và 27oC theo thời gian khi áp dụng công thức 3.4 ...........................................................................................................96 x
Hình 3.54. Sơ đồ các khối tín hiệu, điều kiện đầu vào và đầu ra xử lý điều khiển nhiệt độ..............................................................................................................................97
Hình 3.55. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển giảm nhiệt độ ........................98 Hình 4.1. Mô hình hóa hệ thống trợ lý ảo......................................................................99
xi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Câu lệnh và mã tương ứng lệnh của hệ thống điều hòa ..............................40
Bảng 3.2. Kết quả thu thập tất cả các gói tín hiệu trên mạng CAN bus.....................63
Bảng 3.3. Kết quả thu thập data trạng thái cửa xe với ID 620 ....................................64
Bảng 3.4. Kết nối sơ đồ mạch điện và chức năng điều khiển motor encoder.............73
Bảng 3.5. Các trường hợp điều khiển động cơ encoder ...............................................73
Bảng 3.6. Vị trí tương ứng với bước encoder phục vụ lập trình điều khiển ..............76
Bảng 3.7. Các biến cập nhật các data gửi từ Raspberry Pi..........................................79
Bảng 3.8. Mối quan hệ giữa các tín hiệu đầu vào quyết định đầu ra của Arduino ...80
Bảng 3.9. Điều kiện thu thập nhiệt độ thấp nhất xe Vios.............................................88
Bảng 3.10. Điều kiện thu thập nhiệt độ thấp nhất xe Vios để đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ dàn lạnh đến nhiệt độ cabin .............................................................................88
Bảng 3.11. So sánh các thông số giữa nhiệt độ đặt 23oC và 27oC................................93 Bảng 4.1. So sánh các chức năng điều hòa hệ thống nguyên bản với trợ lý ảo ........100 Bảng 4.2. Thông số lý thuyết và thực tế về giao thức UART 9600baud ...................102
xii
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 4.1. Thời gian gửi data từ Raspberry Pi đến Arduino .................................102 Biểu đồ 4.2. Thời gian trợ lý ảo xử lý câu lệnh............................................................103 Biểu đồ 4.3. Dòng điện hệ thống trong tất cả chế độ hoạt động ................................105 Biểu đồ 4.4. Thời gian xử lý các chế độ hoạt động trên Arduino ..............................107
xiii
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài
Các dòng xe hiện nay tuy rất hiện đại về mặt công nghệ và mang lại nhiều trải nghiệm
cho người dùng nhưng kèm theo đó là các thao tác với tiện nghi trên xe cũng tăng lên thông qua các nút nhấn. Từ đó dẫn đến việc tài xế phải dành một phần tập trung của việc lái xe vào việc sử dụng các tiện nghi ô tô [1] [2]. Từ vấn đề trên cho thấy các tiện nghi ô tô hiện đại là một trong những nguyên nhân làm tài xế bị mất tập trung và dẫn đến tai nạn giao thông.
Khi khoa học, công nghệ và kỹ thuật phát triển đặc biệt là các công nghệ tự động thông minh như trợ lý ảo. Trợ lý ảo ngoài giúp người dùng tra cứu thông tin một cách nhanh chóng, hiện nay trợ lý ảo còn can thiệp và điều khiển các thiết bị người dùng chính xác. [3] [4] [5].
Vì những lý do trên nên đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo module trợ lý ảo hệ thống điều hòa ô tô Toyota Vios 2007” thật sự cần thiết để giải quyết vấn đề kép đó là vừa góp phần giúp tài xế tập trung lái xe an toàn và đáp ứng sự tiện nghi thông minh trên ô tô thông qua giải pháp điều khiển tác vụ trên điều hòa ô tô bằng giọng nói trong lúc lái xe. Đặc biệt đề tài điều khiển nhiệt độ tự động trong xe giúp tài xế hạn chế các thao tác liên quan đến nhiệt độ. Song song đó đề tài giải quyết được vấn đề nếu người dùng không thể ra lệnh bằng giọng nói thì có thể hoàn toàn sử dụng các thao tác thủ công trên màn hình cảm ứng.
1.2. Mục tiêu đề tài
- Mục tiêu tổng quát: nghiên cứu, thiết kế và chế tạo module trợ lý ảo hệ thống điều
hòa ô tô Toyota Vios 2007. - Mục tiêu cụ thể:
+ Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng trợ lý ảo tương tác với tiện nghi điều hòa bằng giọng nói.
+ Nghiên cứu, xây dựng và thực nghiệm phương pháp điều khiển giảm nhiệt độ.
+ Ứng dụng đọc tín hiệu CAN bus vào việc thông báo thụ động nhằm mục đích tiết kiệm nhiên liệu.
1
+ Nghiên cứu và lập trình chức năng nhớ vị trí điều hòa phục vụ mục đích tiện nghi. 1.3. Đối tượng nghiên cứu
- Hệ thống điều hòa ô tô Toyota Vios 2007.
- Trợ lý ảo giao tiếp hai chiều với người dùng.
1.4. Phạm vi nghiên cứu
- Về không gian: đề tài được thực hiện trên xe Toyota Vios 2007 tại khoa Cơ khí
Động lực của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
- Thời gian thực hiện đề tài: 30/10/2022 đến 13/02/2023.
- Phạm vi về nội dung thực hiện:
+ Giao tiếp các câu lệnh cơ bản giữa người dùng và trợ lý ảo trong phạm vi tiện nghi điều hòa ô tô, ngôn ngữ giới hạn sử dụng giọng nói phổ thông.
+ Điều khiển các cơ cấu chấp hành theo hệ thống nguyên bản, thử nghiệm điều khiển giảm nhiệt độ cabin trong điều kiện động cơ chạy cầm chừng và phát triển một số tiện nghi hiện đại.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
-Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu: đề tài phân tích tài liệu về trợ lý ảo được
sử dụng phổ biến hiện nay kết hợp cơ sở lý thuyết hệ thống điều hòa ô tô từ tài liệu chuyên ngành. Từ đó đưa ra phương pháp kết hợp các cơ sở lý thuyết để giải quyết vấn đề.
- Phương pháp thực nghiệm kết hợp thu thập số liệu: đề tài thực nghiệm và kết hợp các cảm biến cùng các công cụ có sẵn trong môi trường lập trình để thu thập các số liệu cần thiết để phục vụ đánh giá hệ thống.
- Phương pháp định lượng: phương pháp được sử để tổng kết và phân tích các số liệu thu thập từ các phương pháp trước, để đưa ra nhận xét và đánh giá kết quả có phù hợp với đáp ứng của hệ thống.
1.6. Nghiên cứu trong và ngoài nước 1.6.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Trợ lý ảo Vivi VinFast [6]
Được bắt đầu với câu lệnh “Hey VinFast”, trợ lý ảo ViVi được xây dựng trên nền tảng Trí tuệ nhân tạo kết hợp với công nghệ Xử lý ngôn ngữ tự nhiên. Khi tích hợp trên xe, 2
ứng dụng cho phép người lái dùng giọng nói thực hiện nhiều tác vụ như dẫn đường, gọi điện, nhắn tin, nghe nhạc, đọc tin tức, hay điều khiển các chức năng trên xe... Hơn nữa, ViVi còn có thể trò chuyện ngẫu hứng, kể chuyện cười cũng như giải đáp các câu hỏi thường ngày, giúp người lái có những phút giây thư giãn và vui vẻ. Hệ thống có khả năng hỗ trợ người dùng hỏi đáp thông tin và thực hiện nhiều tác vụ khi đang di chuyển, mà không ảnh hưởng đến độ tập trung và thao tác lái xe của tài xế.
Trợ lý ảo Kiki [7]
Ra mắt từ cuối năm 2020, trợ lý tiếng Việt Kiki trên ô tô giúp người lái xe thực hiện một số tác vụ phổ biến như tìm đường, mở nhạc, đọc tin tức... thông qua câu lệnh giọng nói rất thuận tiện và tiết kiệm thời gian. Theo đó, người lái xe không cần dùng tay để chạm vào điện thoại hay màn hình ô tô, thay vào đó chỉ cần nói ra yêu cầu, Kiki sẽ hỗ trợ thực hiện. Nhờ vậy, người cầm vô lăng có thể tận hưởng cảm giác rảnh tay, tập trung điều khiển phương tiện an toàn hơn.
Trợ lý ảo VAV [8]
VAV là ứng dụng trợ lý ảo dành riêng cho người Việt để giúp người dùng di động có thể giao tiếp với điện thoại của mình bằng các khẩu lệnh một cách tiện dụng nhất có thể. Cụ thể hơn, VAV cho phép người dùng tương tác với smartphone bằng giọng nói hoàn toàn tiếng Việt để thực hiện các tác vụ cần thiết hàng ngày. Với VAV, bạn có thể dễ dàng hẹn chuông báo thức, đặt lịch cho một cuộc họp, bật/tắt định vị, gọi điện, nhắn tin cho ai đó, gọi taxi, mở một ứng dụng trên máy, duyệt web, tìm đường trên bản đồ, tìm cây ATM gần bạn, tra từ điển, tra cứu Wikipedia, hay mở một bản nhạc yêu thích ... chỉ đơn giản bằng các mệnh lệnh hay câu hỏi hết sức tự nhiên.
1.6.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Designing a virtual assistant for in-car child entertainment [9]
PANDA là một trung tâm giải trí ảo trong ô tô có thể di chuyển xung quanh ô tô để tương tác với người lái xe là cha mẹ hay với trẻ em ngồi ở ghế sau. PANDA hỗ trợ phụ huynh-người lái xe thông qua giao diện giọng nói, giúp gián tiếp tương tác với trẻ em ở ghế sau và để giảm bớt sự phân tâm cho người lái xe đồng thời thu hút, giải trí và giáo dục trẻ em.
3
Send destinations, start or select the temperature of your Hyundai using Google Home and Bluelink. [10]
Sử dụng Google Assistant và Hyundai Blue Link, bạn có thể gửi các điểm đến phương tiện của mình một cách thuận tiện, khởi động, đặt nhiệt độ, v.v. Để bắt đầu, hãy liên kết tài khoản MyHyundai của bạn bằng tên người dùng và mật khẩu MyHyundai của bạn. Để truy cập các chức năng từ xa, bạn cần cung cấp bằng lời nói mã PIN Blue Link của mình.
Virtual Assistants and Self-Driving Cars [11]
Bài báo phân tích và thảo luận về trợ lý ảo chỉ nên hỗ trợ con người hay thay thế họ khi cần thiết? Phạm vi hành động của trợ lý ảo có nên được giới hạn trong các nhiệm vụ lái xe liên quan đến an toàn hay bất kỳ hoạt động nào được thực hiện trong ô tô hay được điều khiển từ ô tô không? Mặc dù ở giai đoạn rất sớm của quá trình phát triển thương mại hóa, bài báo sẽ xem xét tình trạng thực tế của các trợ lý ảo trong ô tô, nhấn mạnh vai trò và chức năng của chúng trong hệ sinh thái lái xe được kết nối và tự động. Bằng cách rút ra từ những phản ánh trước đó về tự động hóa, rô-bốt và tác nhân thông minh, sau đó nó sẽ xác định một loạt vấn đề cần giải quyết bởi cộng đồng khoa học, các nhà hoạch định chính sách và các bên liên quan trong ngành ô tô.
1.7. Các vấn đề tập trung giải quyết
Vấn đề 1: giao tiếp với chức năng tiện nghi điều hòa bằng giọng nói.
Vấn đề 2: điều khiển giảm nhiệt độ bằng phương pháp đóng/ngắt tín hiệu A/C. Vấn đề 3: đọc tín hiệu CAN bus để ứng dụng vào trợ lý ảo.
Vấn đề 4: phát triển chức năng tiện nghi nhớ vị trí điều hòa.
1.8. Nội dung đề tài
Chương 1: TỔNG QUAN
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG Chương 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Chương 5: KẾT LUẬN
4
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Cơ sở hệ thống điều hòa xe Toyota Vios 2007
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
TÓM TẮT
Các dòng xe hiện đại ngày nay có rất nhiều nút nhấn hay giao diện cảm ứng để người dùng thao tác với các tiện nghi ô tô. Từ đó dẫn đến việc tài xế bị mất tập trung lái xe khi vừa rời mắt để thao tác với nút nhấn vừa lái xe đặc biệt là sử dụng chức năng điều hòa. Để giải quyết vấn đề trên đề tài đã sử dụng nhiều phương pháp: nghiên cứu cơ sở lý thuyết về trợ lý ảo và hệ thống điều hòa, phương pháp thu thập dữ liệu các chỉ số và phương pháp định lượng để đo lường và đánh giá các thông số thu thập. Từ đó xây dựng trợ lý ảo hệ thống điều hòa ô tô và đạt được các kết quả như sau: (1) người dùng tương tác với hệ thống điều hòa thông qua giọng nói hoàn toàn, (2) thiết kế và ứng dụng thành công giao diện người dùng với mục đích để tương tác khi người dùng không thể ra lệnh bằng giọng nói, (3)thực nghiệm thành công phương pháp giảm nhiệt độ trong xe,(4) ứng dụng thành công tín hiệu CAN Bus vào chức năng tiết kiệm nhiên liệu thụ động và (5) phát triển thành công chức năng nhớ vị trí điều hòa với mục đích giúp người dùng giảm các thao tác ban đầu với hệ thống điều hòa. Sau kết quả nghiên cứu đã đạt được những mục tiêu đề ra nhưng còn rất nhiều vấn đề cần giải quyết như: mở rộng phạm vi nhận dạng giọng nói của các địa phương, nâng cấp phương pháp điều khiển nhiệt độ, đánh giá sự hài lòng của người dùng tới chức năng tiện nghi...Đề tài đã đạt được mục tiêu là tương tác không chạm giữa người dùng với tiện nghi và phát triển thành công các chức năng hiện đại.
ii
MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................... i TÓM TẮT .......................................................................................................................... ii MỤC LỤC......................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIÊT TẮT VÀ KÝ HIỆU ................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................................. viii DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. xii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ........................................................................................ xiii
Chương 1: TỔNG QUAN..................................................................................................1 1.1. Lý do chọn đề tài.....................................................................................................1 1.2. Mục tiêu đề tài ........................................................................................................1 1.3. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................2 1.4. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................2 1.5. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................2 1.6. Nghiên cứu trong và ngoài nước ...........................................................................2
1.6.1. Tình hình nghiên cứu trong nước......................................................................2
1.6.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước .....................................................................3 1.7. Các vấn đề tập trung giải quyết ............................................................................4 1.8. Nội dung đề tài ........................................................................................................4
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................................5 2.1. Cơ sở hệ thống điều hòa xe Toyota Vios 2007 .....................................................5 2.1.1. Các thành phần hệ thống điều hòa ....................................................................5 2.1.2. Hệ thống điều khiển điều hòa [12]....................................................................6 2.2. Cơ sở lý thuyết xây dựng trợ lý ảo......................................................................16 2.2.1. Khái niệm trợ lý ảo theo TechTarget ..............................................................16 2.2.2. Cấu trúc trợ lý ảo thuần túy ............................................................................16
2.2.3. Sử dụng Google Speech Recognition nhận dạng giọng nói tiếng Việt và chuyển thành văn bản................................................................................................17 2.2.4. Sử dụng thư viện playsound để phản hồi bằng âm thanh ...............................19 2.2.5. Khối xử lý đưa ra kết quả phản hồi (Logic engine) ........................................20
2.3. Cơ sở giao diện người dùng sử dụng thư viện Tkinter .....................................22 2.4. Cơ sở giao tiếp giữa Raspberry Pi với Arduino và ESP32 với Arduino .........25 2.4.1. Tự động chạy chương trình khi khởi động Raspberry Pi 3 Model B+ [24] ...25 2.4.2. Tự động shutdown Raspberry Pi với ngôn ngữ Python..................................27 2.4.3. Phương pháp giao tiếp Raspberry Pi với Arduino ..........................................28 2.4.4. Phương pháp giao tiếp giữa Arduino Mega và ESP32 ...................................29
2.5. Giao thức CAN Bus được sử dụng giao tiếp thông tin giữa các hộp điều khiển..............................................................................................................................30 2.6. Cơ sở lý thuyết về điều khiển nhiệt độ điều hòa ô tô.........................................33
iii
2.6.1. Khái niệm về điều khiển nhiệt độ theo Technical Explanation for
Temperature Controllers [34]...................................................................................33 2.6.2. Nhiệt độ thiết bị bay hơi được điều khiển bởi van tiết lưu ............................33 2.6.3. Vị trí các cảm biến nhiệt độ trong cabin và ngoài xe. ....................................34 2.6.4. Vai trò quạt gió trong điều khiển nhiệt độ ......................................................35 2.6.5. Cơ chế điều khiển nhiệt độ theo tài liệu đào tạo Toyota [36].........................36 2.6.6. Cơ chế điều khiển nhiệt độ ON/OFF theo tài liệu Technical Explanation for Temperature Controllers ...........................................................................................37
Chương 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ....................38 3.1. Xây dựng trợ lý ảo hệ thống điều hòa và giao diện tương tác người dùng trên Raspberry Pi ................................................................................................................38
3.1.1. Xây dựng thuật toán nhận dạng câu lệnh phạm vi hệ thống điều hòa ............38 3.1.2. Xây dựng thuật toán điều hòa để đưa ra quyết định phản hồi và điều khiển..40 3.1.2.1. Chương trình xử lý chức năng tắt và mở quạt gió...................................40 3.1.2.2. Chương trình xử lý chức năng thay đổi tốc độ quạt gió..........................41 3.1.2.3. Chương trình xử lý tắt và mở điều hòa....................................................45 3.1.2.4. Chương trình xử lý tăng và giảm nhiệt độ...............................................47 3.1.2.5. Chương trình xử lý các chế độ hướng gió ...............................................54 3.1.2.6. Chương trình xử lý chế độ gió trong hay gió ngoài ..............................55 3.1.3. Phát triển chức năng tiện nghi ghi nhớ vị trí điều hòa của trợ lý ảo...............56 3.1.4. Ứng dụng giao diện người dùng trên trợ lý ảo................................................58 3.1.4.1. Giới thiệu các chức năng của giao diện người dùng ..............................58 3.1.4.2. Chức năng hiển thị thông tin nhiệt độ trong xe .......................................59 3.1.4.3. Chức năng thay đổi nhiệt độ và tốc độ quạt gió......................................60
3.1.4.4. Chức năng thao tác thay đổi chế độ hướng gió ảnh hưởng đến chế độ lấy gió trong/ngoài .....................................................................................................61 3.1.4.5. Chức năng nhớ vị trí điều hòa được phát triển giúp người dùng giảm thao tác .................................................................................................................62
3.2. Ứng dụng tín hiệu CAN Bus vào chức năng thông minh hệ thống nhằm tiết kiệm nhiên liệu thụ động.............................................................................................63 3.2.1. Kết quả thu thập data CAN và đoán tín hiệu trạng thái cửa xe .................63 3.2.2. Xây dựng chương trình xử lý tín hiệu CAN và trợ lý ảo để thông báo nhằm tiết kiệm nhiên liệu thụ động trong sử dụng điều hòa.....................................................64
3.2.2.1. Xây dựng chương trình truyền nhận trạng thái cửa xe từ ESP32 đến Arduino .................................................................................................................64 3.2.2.2. Xây dựng chương trình thông báo thụ động cửa mở khi điều hòa đang hoạt động của trợ lý ảo.........................................................................................65
3.3. Nghiên cứu và thiết kế mạch điện, cơ cấu chấp hành trên hệ thống trợ lý ảo66 3.3.1. Nghiên cứu và thiết kế mạch điện cho các chức năng hệ thống.....................66 3.3.1.1. Thiết kế sơ đồ mạch điện cung cấp nguồn hệ thống................................66 3.3.1.2. Nghiên cứu, thiết kế mạch điện và cách điều khiển quạt gió .....67
3.3.1.3. Nghiên cứu, thiết kế mạch điện và cách điều khiển relay cấp nguồn Raspberry Pi và ESP .................................................................................70
iv
3.3.1.4. Nghiên cứu, thiết kế mạch điện và cách điều khiển motor kéo dây cáp thay đổi hướng gió vào cabin và thay đổi cánh lấy gió.................................72 3.3.1.5. Mạch điện trong điều khiển nhiệt độ .......................................................74
3.3.2. Nghiên cứu và thiết kế bộ phận thay thế cơ cấu liên kết cụm dây cáp...........75 3.3.2.1. Thiết kế và chế tạo cơ cấu in 3D trong thay đổi hướng gió vào cabin ...75 3.3.2.2. Thiết kế và chế tạo cơ cấu in 3D trong thay đổi cánh lấy gió.................77
3.4. Xây dựng chương trình Arduino điều khiển hệ thống cơ cấu chấp hành.......79 3.4.1. Vai trò, chức năng và nhiệm vụ các thành phần đầu vào và đầu ra Arduino phục vụ điều khiển cơ cấu chấp hành .......................................................................79 3.4.2. Chương trình xử lý chính trên Arduino ..........................................................81 3.4.3. Chương trình xử lý tiền điều khiển cơ cấu chấp hành ....................................82 3.4.4. Chương trình điều khiển tốc độ quạt gió ........................................................84 3.4.5. Chương trình điều khiển cơ cấu lấy gió và hướng gió vào cabin ...................85 3.4.6. Chương trình reset trạng thái trước khi tắt hệ thống.......................................87
3.5. Kết quả nghiên cứu điều khiển giảm nhiệt độ ...................................................87 3.5.1. Kết quả thu thập nhiệt độ để xác định nhiệt độ tối thiểu cabin.......................87 3.5.2. Đánh giá kết quả thử nghiệm sự ảnh hưởng nhiệt độ dàn lạnh đến nhiệt độ cabin bằng phương pháp đóng ngắt tín hiệu A/C .....................................................88 3.5.3. Kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng thời điểm đóng/ngắt tín hiệu A/C đối với nhiệt độ đặt ................................................................................................................90 3.5.4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ quạt gió đến thời gian đạt đáp ứng nhiệt độ......................................................................................................................95 3.5.5. Xây dựng thuật toán điều khiển giảm nhiệt độ cho trợ lý ảo..........................96
Chương 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .....................................................99 4.1. Tổng quát hệ thống trợ lý ảo ...............................................................................99 4.1.1. Mô hình hóa hệ thống trợ lý ảo.......................................................................99 4.1.2. Các chức năng được nghiên cứu và thực hiện trong đề tài...........................100 4.2. Đánh giá kết quả nghiên cứu trợ lý ảo và giao diện........................................101
4.2.1. Đánh giá thời gian gửi data từ Raspberry Pi đến Arduino qua giao thức UART ......................................................................................................................101 4.2.2. Đánh giá thời gian trợ lý ảo xử lý các câu lệnh ............................................103 4.2.3. Kết luận về trợ lý ảo và giao diện .................................................................104
4.3. Đánh giá kết quả của chức năng thông báo mở cửa khi điều hòa đang hoạt động.............................................................................................................................104 4.4. Đánh giá mô hình phần cứng trợ lý ảo .............................................................105
4.4.1. Đánh giá thông số dòng điện tải hệ thống hoạt động tất cả các chế độ ........105
4.4.2. Đánh giá bộ phận chấp hành in 3D...............................................................106 4.5. Đánh giá thời gian xử lý của Arduino ..............................................................107 4.6. Đánh giá kết quả điều khiển giảm nhiệt độ thay đổi các mức độ liên tục.....108
Chương 5: KẾT LUẬN .................................................................................................109 5.1. Kết luận ...............................................................................................................109 5.2. Đóng góp mới đối với chuyên ngành và phạm vị ứng dụng đề tài.................109 5.3. Hạn chế ................................................................................................................109
v
5.4. Đề xuất hướng phát triển...................................................................................110 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................111 PHỤ LỤC........................................................................................................................113
vi
STT: TTS: NLP: IoT: ECC: ECM: TAO: R&D :
Speech to text
Text to speech
Natural language processing
Internet of Thing
Google text to speech
Electronic control module
Temperature air output
RESEARCH AND DELVELOPMENT
DANH MỤC CÁC CHỮ VIÊT TẮT VÀ KÝ HIỆU
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Các thành phần và vị trí hệ thống điều hòa....................................................5
Hình 2.2. Sơ đồ mạch điện hệ thống điều hòa .................................................................8
Hình 2.3. Sơ đồ hóa khối tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống điều khiển..........11
Hình 2.4. Núm xoay quạt gió ở vị trí 0...........................................................................12
Hình 2.5. Vị trí công tắc núm xoay quạt gió ở LOW ....................................................12
Hình 2.6. Vị trí công tắc núm xoay quạt gió ở M1........................................................12
Hình 2.7. Vị trí công tắc núm xoay quạt gió ở M2........................................................12
Hình 2.8. Vị trí công tắc núm xoay quạt gió ở H1 ........................................................13
Hình 2.9. Sơ đồ hoạt động trợ lý ảo giọng nói thuần túy .............................................16
Hình 2.10. Lưu đồ giải thuật bộ não logic để xác định câu lệnh từ người dùng ........20
Hình 2.11. Lưu đồ giải thuật kết hợp giao tiếp giọng nói và cảm ứng........................22
Hình 2.12. Hiển thị nút nhấn (button) trên Tkinter .....................................................23
Hình 2.13. Hiển thị một lable trên Tkinter ....................................................................23
Hình 2.14. Vị trí một đối tượng trong giao diện Tkinter .............................................24
Hình 2.15. Config (thay đổi) biểu tượng button trong Tkinter ...................................25
Hình 2.16. Khởi tạo chương trình khởi động một file Python.....................................26
Hình 2.17. Lưu đồ xử lý tín hiệu OFF khóa điện và giao tiếp với Raspberry Pi để tự động tắt hệ thống..............................................................................................................27
Hình 2.18. Sơ đồ kết nối Arduino Mega với Raspberry Pi qua giao thức UART .....28 Hình 2.19. Sơ đồ kết nối giữa Arduino Mega với ESP32 PICO D4 qua giao thức
UART ................................................................................................................................30 Hình 2.20. Mạng giao tiếp các hộp điều khiển trên xe thông qua giao thức CAN ....32
Hình 2.21. Sơ đồ kết nối phần cứng giữa ESP32 với module TJA1050 và cổng OBDII................................................................................................................................33
Hình 2.22. Vị trí cảm biến nhiệt độ ngoài xe .................................................................34
Hình 2.23. Quạt tích hợp cảm biến nhiệt độ trong xe(cabin) ......................................35
Hình 2.24. Sơ đồ mạch công tắc và điện trở thay đổi tốc độ quạt...............................35
Hình 2.25. Mosfet công suất điều khiển tốc độ quạt trên Camry 2006.......................35
Hình 2.26. Vị trí Mosfet công suất điều khiển quạt được đặt phía sau quạt gió Camry 2006.......................................................................................................................36
Hình 2.27. Công thức tính TAO theo tài liệu đào tạo Toyota......................................36 Hình 2.28. Đồ thị biểu diễn % cánh trộn gió theo nhiệt độ không khí đầu ra ...........37
viii
Hình 2.29. Tín hiệu điều khiển và đầu ra hệ thống lò nhiệt được điều khiển bằng phương pháp đóng/ngắt bộ sưởi [34] .............................................................................37
Hình 3.1. Lưu đồ giải thuật nhận lệnh hai lớp của trợ lý ảo .......................................38
Hình 3.2. Lưu đồ giải thuật xử lý mở quạt gió ..............................................................40
Hình 3.3. Lưu đồ giải thuật xử lý tắt quạt gió...............................................................41
Hình 3.4. Lưu đồ giải thuật xử lý yêu cầu tăng mức độ quạt gió ................................42
Hình 3.5. Lưu đồ giải thuật xử lý yêu cầu giảm mức độ quạt gió ...............................43
Hình 3.6. Lưu đồ giải thuật xử lý yêu cầu mức quạt chỉ định cụ thể..........................45
Hình 3.7. Lưu đồ giải thuật xử lý mở điều hòa .............................................................46
Hình 3.8. Lưu đồ giải thuật xử lý tắt điều hòa ..............................................................47
Hình 3.9. Lưu đồ giải thuật xử lý yêu cầu tăng nhiệt độ..............................................48
Hình 3.10. Lưu đồ giải thuật xử lý yêu cầu giảm nhiệt độ ...........................................50
Hình 3.11. Lưu đồ giải thuật yêu cầu nhiệt độ chỉ định ...............................................52
Hình 3.12. Lưu đồ giải thuật tăng và giảm nhiệt độ theo tình huống thực tế ............53
Hình 3.13. Lưu đồ xử lý yêu cầu thay đổi các hướng gió vào cabin............................54
Hình 3.14. Lưu đồ giải thuật xử lý yêu cầu lấy gió .......................................................55
Hình 3.15. Lưu đồ xử lý chức năng nhớ và đọc vị trí điều hòa ...................................57
Hình 3.16. Các thành phần của giao diện người dùng .................................................58
Hình 3.17. Lưu đồ xử lý hiển thị nhiệt độ......................................................................59
Hình 3.18. Lưu đồ thể hiện mối quan hệ chức năng điều chỉnh nhiệt độ và mức quạt gió trên giao diện..............................................................................................................60
Hình 3.19. Trạng thái giữa chế độ điều chỉnh nhiệt và chế độ điều chỉnh quạt ........61
Hình 3.20. Sự ảnh hưởng chế độ sưởi kính chắn gió đến chế độ lấy gió.....................62
Hình 3.21. Lưu đồ giải thuật xử lý đọc tín hiệu CAN và giao tiếp với Arduino ........64
Hình 3.22. Lưu đồ giải thuật xử lý cánh mở cửa trong khi điều hòa hoạt động........65
Hình 3.23. Sơ đồ mạch điện cung cấp nguồn điện cho hệ thống .................................66
Hình 3.24. Sơ đồ mạch nguyên lý hoạt động MOSFET BLOWER ............................68
Hình 3.25. Đồ thị thể hiện %(duty cycle) theo cấp quạt gió xe của Camry 2006 ......68
Hình 3.26. Sơ đồ mạch điện điều khiển quạt gió...........................................................68
Hình 3.27. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ % (duty cycle) chân 46 và Si phụ theo mức quạt gió..............................................................................................................................70
Hình 3.28. Sơ đồ mạch điện cấp nguồn Raspberry Pi và ESP32.................................70 Hình 3.29. Sơ đồ mạch điện điều khiển 2 motor encoder ............................................72
ix
Hình 3.30. Sơ đồ mạch điện điều khiển giảm nhiệt độ .................................................74 Hình 3.31. Sơ đồ nút nhấn A/C nguyên bản xe Vios ....................................................75
Hình 3.32. Vị trí các chế độ trên núm xoay thay đổi chế độ gió vào cabin trên thực tế ............................................................................................................................................76
Hình 3.33. Bản vẽ thiết kế cơ cấu liên kết cơ cấu kéo dây cáp thay đổi chế độ gió vào cabin ..................................................................................................................................76
Hình 3.34. Cơ cấu liên kết sau khi thiết kế ....................................................................77 Hình 3.35. Cơ cấu liên kết sau khi lắp ráp vào cơ cấu kéo dây cáp thay đổi hướng
gió.......................................................................................................................................77
Hình 3.36. Độ chia cơ cấu thay đổi cánh lấy gió trên thực tế ......................................78
Hình 3.37. Bản vẽ chi tiết và 3D cơ cấu liên kết chế độ lấy gió....................................78
Hình 3.38. Cơ cấu liên kết sau khi lắp ráp vào cơ cấu kéo dây cáp cánh lấy gió.......79
Hình 3.39. Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý chính trên Arduino........................81
Hình 3.40. Lưu đồ giải thuật xử lý tiền điều khiển cơ cấu chấp hành ........................83
Hình 3.41. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển tốc độ quạt gió ......................84
Hình 3.42. Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý vị trí động cơ tương ứng với yêu cầu vị trí hướng gió ..........................................................................................................85
Hình 3.43. Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý vị trí động cơ tương ứng với yêu cầu vị trí cánh lấy gió.......................................................................................................85
Hình 3.44. Lưu đồ chương trình điều khiển vị trí motor encoder thay đổi hướng gió ............................................................................................................................................86
Hình 3.45. Lưu đồ giải thuật chương trình reset các cơ cấu chấp hành.....................87 Hình 3.46. Đồ thị biểu diễn nhiệt độ cabin giảm theo thời gian ..................................88
Hình 3.47. Đồ thị biểu diễn nhiệt độ cabin theo thời gian thể hiện sự ảnh hưởng dàn lạnh đến nhiệt độ cabin....................................................................................................89
Hình 3.48. Đồ thị biểu diễn nhiệt độ cabin theo thời gian của quá trình đóng/ngắt tín hiệu A/C tại 23,05oC.........................................................................................................91
Hình 3.49. Đồ thị biểu diễn nhiệt độ cabin theo thời gian của quá trình đóng/ngắt tín hiệu A/C tại 25,1oC...........................................................................................................92
Hình 3.50. Đồ thị biểu diễn nhiệt độ cabin theo thời gian của quá trình đóng/ngắt tín hiệu A/C tại 27,15oC.........................................................................................................93
Hình 3.51. Đồ thị biểu diễn ES theo nhiệt độ đặt..........................................................94 Hình 3.52. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ % (duty cycle) theo sai số hệ thống
(ERROR) ..........................................................................................................................95
Hình 3.53. Đồ thị biểu diễn nhiệt độ cabin 23oC, 25oC và 27oC theo thời gian khi áp dụng công thức 3.4 ...........................................................................................................96 x
Hình 3.54. Sơ đồ các khối tín hiệu, điều kiện đầu vào và đầu ra xử lý điều khiển nhiệt độ..............................................................................................................................97
Hình 3.55. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển giảm nhiệt độ ........................98 Hình 4.1. Mô hình hóa hệ thống trợ lý ảo......................................................................99
xi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Câu lệnh và mã tương ứng lệnh của hệ thống điều hòa ..............................40
Bảng 3.2. Kết quả thu thập tất cả các gói tín hiệu trên mạng CAN bus.....................63
Bảng 3.3. Kết quả thu thập data trạng thái cửa xe với ID 620 ....................................64
Bảng 3.4. Kết nối sơ đồ mạch điện và chức năng điều khiển motor encoder.............73
Bảng 3.5. Các trường hợp điều khiển động cơ encoder ...............................................73
Bảng 3.6. Vị trí tương ứng với bước encoder phục vụ lập trình điều khiển ..............76
Bảng 3.7. Các biến cập nhật các data gửi từ Raspberry Pi..........................................79
Bảng 3.8. Mối quan hệ giữa các tín hiệu đầu vào quyết định đầu ra của Arduino ...80
Bảng 3.9. Điều kiện thu thập nhiệt độ thấp nhất xe Vios.............................................88
Bảng 3.10. Điều kiện thu thập nhiệt độ thấp nhất xe Vios để đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ dàn lạnh đến nhiệt độ cabin .............................................................................88
Bảng 3.11. So sánh các thông số giữa nhiệt độ đặt 23oC và 27oC................................93 Bảng 4.1. So sánh các chức năng điều hòa hệ thống nguyên bản với trợ lý ảo ........100 Bảng 4.2. Thông số lý thuyết và thực tế về giao thức UART 9600baud ...................102
xii
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 4.1. Thời gian gửi data từ Raspberry Pi đến Arduino .................................102 Biểu đồ 4.2. Thời gian trợ lý ảo xử lý câu lệnh............................................................103 Biểu đồ 4.3. Dòng điện hệ thống trong tất cả chế độ hoạt động ................................105 Biểu đồ 4.4. Thời gian xử lý các chế độ hoạt động trên Arduino ..............................107
xiii
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài
Các dòng xe hiện nay tuy rất hiện đại về mặt công nghệ và mang lại nhiều trải nghiệm
cho người dùng nhưng kèm theo đó là các thao tác với tiện nghi trên xe cũng tăng lên thông qua các nút nhấn. Từ đó dẫn đến việc tài xế phải dành một phần tập trung của việc lái xe vào việc sử dụng các tiện nghi ô tô [1] [2]. Từ vấn đề trên cho thấy các tiện nghi ô tô hiện đại là một trong những nguyên nhân làm tài xế bị mất tập trung và dẫn đến tai nạn giao thông.
Khi khoa học, công nghệ và kỹ thuật phát triển đặc biệt là các công nghệ tự động thông minh như trợ lý ảo. Trợ lý ảo ngoài giúp người dùng tra cứu thông tin một cách nhanh chóng, hiện nay trợ lý ảo còn can thiệp và điều khiển các thiết bị người dùng chính xác. [3] [4] [5].
Vì những lý do trên nên đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo module trợ lý ảo hệ thống điều hòa ô tô Toyota Vios 2007” thật sự cần thiết để giải quyết vấn đề kép đó là vừa góp phần giúp tài xế tập trung lái xe an toàn và đáp ứng sự tiện nghi thông minh trên ô tô thông qua giải pháp điều khiển tác vụ trên điều hòa ô tô bằng giọng nói trong lúc lái xe. Đặc biệt đề tài điều khiển nhiệt độ tự động trong xe giúp tài xế hạn chế các thao tác liên quan đến nhiệt độ. Song song đó đề tài giải quyết được vấn đề nếu người dùng không thể ra lệnh bằng giọng nói thì có thể hoàn toàn sử dụng các thao tác thủ công trên màn hình cảm ứng.
1.2. Mục tiêu đề tài
- Mục tiêu tổng quát: nghiên cứu, thiết kế và chế tạo module trợ lý ảo hệ thống điều
hòa ô tô Toyota Vios 2007. - Mục tiêu cụ thể:
+ Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng trợ lý ảo tương tác với tiện nghi điều hòa bằng giọng nói.
+ Nghiên cứu, xây dựng và thực nghiệm phương pháp điều khiển giảm nhiệt độ.
+ Ứng dụng đọc tín hiệu CAN bus vào việc thông báo thụ động nhằm mục đích tiết kiệm nhiên liệu.
1
+ Nghiên cứu và lập trình chức năng nhớ vị trí điều hòa phục vụ mục đích tiện nghi. 1.3. Đối tượng nghiên cứu
- Hệ thống điều hòa ô tô Toyota Vios 2007.
- Trợ lý ảo giao tiếp hai chiều với người dùng.
1.4. Phạm vi nghiên cứu
- Về không gian: đề tài được thực hiện trên xe Toyota Vios 2007 tại khoa Cơ khí
Động lực của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
- Thời gian thực hiện đề tài: 30/10/2022 đến 13/02/2023.
- Phạm vi về nội dung thực hiện:
+ Giao tiếp các câu lệnh cơ bản giữa người dùng và trợ lý ảo trong phạm vi tiện nghi điều hòa ô tô, ngôn ngữ giới hạn sử dụng giọng nói phổ thông.
+ Điều khiển các cơ cấu chấp hành theo hệ thống nguyên bản, thử nghiệm điều khiển giảm nhiệt độ cabin trong điều kiện động cơ chạy cầm chừng và phát triển một số tiện nghi hiện đại.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
-Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu: đề tài phân tích tài liệu về trợ lý ảo được
sử dụng phổ biến hiện nay kết hợp cơ sở lý thuyết hệ thống điều hòa ô tô từ tài liệu chuyên ngành. Từ đó đưa ra phương pháp kết hợp các cơ sở lý thuyết để giải quyết vấn đề.
- Phương pháp thực nghiệm kết hợp thu thập số liệu: đề tài thực nghiệm và kết hợp các cảm biến cùng các công cụ có sẵn trong môi trường lập trình để thu thập các số liệu cần thiết để phục vụ đánh giá hệ thống.
- Phương pháp định lượng: phương pháp được sử để tổng kết và phân tích các số liệu thu thập từ các phương pháp trước, để đưa ra nhận xét và đánh giá kết quả có phù hợp với đáp ứng của hệ thống.
1.6. Nghiên cứu trong và ngoài nước 1.6.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Trợ lý ảo Vivi VinFast [6]
Được bắt đầu với câu lệnh “Hey VinFast”, trợ lý ảo ViVi được xây dựng trên nền tảng Trí tuệ nhân tạo kết hợp với công nghệ Xử lý ngôn ngữ tự nhiên. Khi tích hợp trên xe, 2
ứng dụng cho phép người lái dùng giọng nói thực hiện nhiều tác vụ như dẫn đường, gọi điện, nhắn tin, nghe nhạc, đọc tin tức, hay điều khiển các chức năng trên xe... Hơn nữa, ViVi còn có thể trò chuyện ngẫu hứng, kể chuyện cười cũng như giải đáp các câu hỏi thường ngày, giúp người lái có những phút giây thư giãn và vui vẻ. Hệ thống có khả năng hỗ trợ người dùng hỏi đáp thông tin và thực hiện nhiều tác vụ khi đang di chuyển, mà không ảnh hưởng đến độ tập trung và thao tác lái xe của tài xế.
Trợ lý ảo Kiki [7]
Ra mắt từ cuối năm 2020, trợ lý tiếng Việt Kiki trên ô tô giúp người lái xe thực hiện một số tác vụ phổ biến như tìm đường, mở nhạc, đọc tin tức... thông qua câu lệnh giọng nói rất thuận tiện và tiết kiệm thời gian. Theo đó, người lái xe không cần dùng tay để chạm vào điện thoại hay màn hình ô tô, thay vào đó chỉ cần nói ra yêu cầu, Kiki sẽ hỗ trợ thực hiện. Nhờ vậy, người cầm vô lăng có thể tận hưởng cảm giác rảnh tay, tập trung điều khiển phương tiện an toàn hơn.
Trợ lý ảo VAV [8]
VAV là ứng dụng trợ lý ảo dành riêng cho người Việt để giúp người dùng di động có thể giao tiếp với điện thoại của mình bằng các khẩu lệnh một cách tiện dụng nhất có thể. Cụ thể hơn, VAV cho phép người dùng tương tác với smartphone bằng giọng nói hoàn toàn tiếng Việt để thực hiện các tác vụ cần thiết hàng ngày. Với VAV, bạn có thể dễ dàng hẹn chuông báo thức, đặt lịch cho một cuộc họp, bật/tắt định vị, gọi điện, nhắn tin cho ai đó, gọi taxi, mở một ứng dụng trên máy, duyệt web, tìm đường trên bản đồ, tìm cây ATM gần bạn, tra từ điển, tra cứu Wikipedia, hay mở một bản nhạc yêu thích ... chỉ đơn giản bằng các mệnh lệnh hay câu hỏi hết sức tự nhiên.
1.6.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Designing a virtual assistant for in-car child entertainment [9]
PANDA là một trung tâm giải trí ảo trong ô tô có thể di chuyển xung quanh ô tô để tương tác với người lái xe là cha mẹ hay với trẻ em ngồi ở ghế sau. PANDA hỗ trợ phụ huynh-người lái xe thông qua giao diện giọng nói, giúp gián tiếp tương tác với trẻ em ở ghế sau và để giảm bớt sự phân tâm cho người lái xe đồng thời thu hút, giải trí và giáo dục trẻ em.
3
Send destinations, start or select the temperature of your Hyundai using Google Home and Bluelink. [10]
Sử dụng Google Assistant và Hyundai Blue Link, bạn có thể gửi các điểm đến phương tiện của mình một cách thuận tiện, khởi động, đặt nhiệt độ, v.v. Để bắt đầu, hãy liên kết tài khoản MyHyundai của bạn bằng tên người dùng và mật khẩu MyHyundai của bạn. Để truy cập các chức năng từ xa, bạn cần cung cấp bằng lời nói mã PIN Blue Link của mình.
Virtual Assistants and Self-Driving Cars [11]
Bài báo phân tích và thảo luận về trợ lý ảo chỉ nên hỗ trợ con người hay thay thế họ khi cần thiết? Phạm vi hành động của trợ lý ảo có nên được giới hạn trong các nhiệm vụ lái xe liên quan đến an toàn hay bất kỳ hoạt động nào được thực hiện trong ô tô hay được điều khiển từ ô tô không? Mặc dù ở giai đoạn rất sớm của quá trình phát triển thương mại hóa, bài báo sẽ xem xét tình trạng thực tế của các trợ lý ảo trong ô tô, nhấn mạnh vai trò và chức năng của chúng trong hệ sinh thái lái xe được kết nối và tự động. Bằng cách rút ra từ những phản ánh trước đó về tự động hóa, rô-bốt và tác nhân thông minh, sau đó nó sẽ xác định một loạt vấn đề cần giải quyết bởi cộng đồng khoa học, các nhà hoạch định chính sách và các bên liên quan trong ngành ô tô.
1.7. Các vấn đề tập trung giải quyết
Vấn đề 1: giao tiếp với chức năng tiện nghi điều hòa bằng giọng nói.
Vấn đề 2: điều khiển giảm nhiệt độ bằng phương pháp đóng/ngắt tín hiệu A/C. Vấn đề 3: đọc tín hiệu CAN bus để ứng dụng vào trợ lý ảo.
Vấn đề 4: phát triển chức năng tiện nghi nhớ vị trí điều hòa.
1.8. Nội dung đề tài
Chương 1: TỔNG QUAN
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG Chương 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Chương 5: KẾT LUẬN
4
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Cơ sở hệ thống điều hòa xe Toyota Vios 2007
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links