Đề án Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe

Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 5 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ............................................................................................ 5 MỤC TIÊU ............................................................................................................... 6 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU .................................................................................. 6 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................ 6 KẾT QUẢ DỰ KIẾN ................................................................................................ 6 BỐ CỤC LUẬN VĂN .............................................................................................. 6 CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................... Error! Bookmark not defined. 1.1. NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ LOGIC MỜError! Bookmark not defined. Tập mờ ........................................................ Error! Bookmark not defined. 1.1.1. 1.1.1.1. Khái niệm tập mờ .................................. Error! Bookmark not defined. 1.1.1.2. Các dạng hàm thuộc tiêu biểu ............... Error! Bookmark not defined. Các khái niệm liên quan ............................. Error! Bookmark not defined. 1.1.2. Các phép toán trên tập mờ .......................... Error! Bookmark not defined. 1.1.3. 1.1.3.1. Quan hệ bao hàm ................................... Error! Bookmark not defined. 1.1.3.2. Các phép toán mở rộng .......................... Error! Bookmark not defined. 1.1.3.3. Quan hệ mờ ........................................... Error! Bookmark not defined. 1.2. SỐ MỜ ............................................................. Error! Bookmark not defined. Định nghĩa .................................................. Error! Bookmark not defined. 1.2.1. Các phép toán ............................................. Error! Bookmark not defined. 1.2.2. Nguyên lý suy rộng của Zadeh ................... Error! Bookmark not defined. 1.2.3. 1.3. LOGIC MỜ ...................................................... Error! Bookmark not defined. Biến ngôn ngữ ............................................. Error! Bookmark not defined. 1.3.1. Mệnh đề mờ ................................................ Error! Bookmark not defined. 1.3.2. 1.3.2.1. Các phép toán mệnh đề mờ ................... Error! Bookmark not defined. 1.3.2.2. Phép toán kéo theo mờ .......................... Error! Bookmark not defined. 1.4. ĐIỀU KHIỂN MỜ ........................................... Error! Bookmark not defined. Cấu trúc bộ điều khiển mờ .......................... Error! Bookmark not defined. 1.4.1. Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe Bộ mờ hóa ................................................... Error! Bookmark not defined. 1.4.2. 1.4.2.1. Mờ hoá đơn trị ....................................... Error! Bookmark not defined. 1.4.2.2. Mờ hoá Gaus ......................................... Error! Bookmark not defined. 1.4.2.3. Mờ hoá tam giác .................................... Error! Bookmark not defined. Cơ sở luật mờ .............................................. Error! Bookmark not defined. 1.4.3. Bộ suy diễn mờ ........................................... Error! Bookmark not defined. 1.4.4. 1.4.4.1. Trƣờng hợp một đầu vào và một luật .... Error! Bookmark not defined. 1.4.4.2. Trƣờng hợp hai đầu vào và một luật ..... Error! Bookmark not defined. 1.4.4.3. Trƣờng hợp nhiều đầu vào và nhiều luậtError! Bookmark not defined. Bộ giải mờ .................................................. Error! Bookmark not defined. 1.4.5. 1.4.5.1. Phƣơng pháp lấy max ............................ Error! Bookmark not defined. 1.4.5.2. Phƣơng pháp lấy trọng tâm ................... Error! Bookmark not defined. 1.4.5.3. Phƣơng pháp lấy trung bình tâm ........... Error! Bookmark not defined. 1.5. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ .................. Error! Bookmark not defined. 1.6. LẬP TRÌNH WINDOWS PHONE 8 ............... Error! Bookmark not defined. Môi trƣờng làm việc ................................... Error! Bookmark not defined. 1.6.1. Một số hộp công cụ làm việc ...................... Error! Bookmark not defined. 1.6.2. Một số thiết lập ........................................... Error! Bookmark not defined. 1.6.3. Chọn kích thƣớc cho màn hình máy ảo ...... Error! Bookmark not defined. 1.6.4. Chạy thử trên máy ảo .................................. Error! Bookmark not defined. 1.6.5. CHƢƠNG 2. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNGError! Bookmark not defined. 2.1. PHÂN TÍCH THUẬT TOÁN XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO XE. ................................................................. Error! Bookmark not defined. Một số thuật toán suy diễn mờ ................... Error! Bookmark not defined. 2.1.1. 2.1.1.1. Thuật toán suy diễn Max-Min (Phƣơng pháp Mamdani) .............. Error! Bookmark not defined. 2.1.1.2. Thuật toán suy diễn Max-Prod (Phƣơng pháp Larsen) ................. Error! Bookmark not defined. Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra cũng chính là các tín hiệu 2.1.2. vào/ra của bộ điều khiển. ...................................... Error! Bookmark not defined. Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe 2.1.2.1. Các biến đầu vào ................................... Error! Bookmark not defined. 2.1.2.2. Biến đầu ra ............................................. Error! Bookmark not defined. Mờ hóa (Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ ra)Error! Bookmark 2.1.3. not defined. 2.1.3.1. Hàm phụ thuộc của Temperature .......... Error! Bookmark not defined. 2.1.3.2. Hàm phụ thuộc của Cover ..................... Error! Bookmark not defined. 2.1.3.3. Hàm phụ thuộc của wind ....................... Error! Bookmark not defined. 2.1.3.4. Hàm phụ thuộc của Speed ..................... Error! Bookmark not defined. Xác định các luật mờ .................................. Error! Bookmark not defined. 2.1.4. Chọn phƣơng pháp suy diễn ....................... Error! Bookmark not defined. 2.1.5. Chọn phƣơng pháp giải mờ ........................ Error! Bookmark not defined. 2.1.6. Tối ƣu hóa hệ luật và thử nghiệm mô hình . Error! Bookmark not defined. 2.1.7. 2.2. CÀI ĐẶT CHƢƠNG TRÌNH .......................... Error! Bookmark not defined. Lấy vị trí hiện tại của ngƣời dùng sử dụng GPSError! Bookmark not 2.2.1. defined. Lấy thông tin thời tiết tƣơng ứng với vị trí hiện tại của ngƣời dùng .. Error! 2.2.2. Bookmark not defined. Tính tốc độ an toàn cho xe .......................... Error! Bookmark not defined. 2.2.3. Tính tốc độ hiện tại của xe đang chạy ........ Error! Bookmark not defined. 2.2.4. Bản đồ theo dõi lộ trình xe chạy ................. Error! Bookmark not defined. 2.2.5. CHƢƠNG 3. TRIỂN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .......................................... 8 3.1. CÁC CÔNG CỤ ................................................................................................ 8 Công cụ viết chƣơng trình ............................................................................ 8 3.1.1. Công cụ viết báo cáo ..................................................................................... 8 3.1.2. 3.2. THIẾT KẾ GIAO DIỆN .................................................................................... 8 Giao diện chính chƣơng trình ....................................................................... 8 3.2.1. Giao diện các chức năng khác ...................................................................... 9 3.2.2. 3.3. CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH CỦA CHƢƠNG TRÌNH .................................. 10 Chức năng tính tốc độ an toàn cho xe ........................................................ 10 3.3.1. Chức năng theo dõi tốc độ hiện tại của xe và đƣa ra cảnh báo cho ngƣời 3.3.2. điều khiển .............................................................................................................. 10 Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe Chức năng bản đồ theo dõi lộ trình di chuyển ............................................ 11 3.3.3. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................ 11 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC ......................................................................................... 11 HẠN CHẾ ............................................................................................................... 12 HƢỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................................................... 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................... Error! Bookmark not defined. Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe DANH LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.2 : Nhóm hàm hình chuông ........................... Error! Bookmark not defined. Hình 1.3: Hàm thuộc của tập mờ “nhiệt độ cao” ..... Error! Bookmark not defined. Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển mờ .................. Error! Bookmark not defined. Hình 2.1: Các dạng hàm phụ thuộc (membership function) phổ biến .............. Error! Bookmark not defined. Hình 2.2: Hàm thuộc của nhiệt độ ............................ Error! Bookmark not defined. Hình 2.3: Hàm thuộc của độ bao phủ ........................ Error! Bookmark not defined. Hình 2.4: Hàm thuộc của tốc độ gió ......................... Error! Bookmark not defined. Hình 2.2: Hàm thuộc của tốc độ xe ........................... Error! Bookmark not defined. Hình 3.1: Giao diện chính của chƣơng trình ............................................................... 9 Hình 3.2: Giao diện các chức năng khác..................................................................... 9 Hình 3.3: Chức năng tính tốc độ an toàn .................................................................. 10 Hình 3.4: Chức năng theo dõi tốc độ hiện tại ........................................................... 11 Hình 3.5: Chức năng bản đồ ..................................................................................... 11 Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, với sự phát triển rất nhanh của khoa học và công nghệ, các loại xe oto đời mới đƣợc trang bị rất nhiều thiết bị hỗ trợ giúp cho ngƣời lái xe dễ dàng hơn trong việc điều khiển nhƣ hệ thống kiểm soát hành trình (cruise control), camera hành trình, hệ thống dẫn đƣờng (hệ thống định vị) có thể giúp cho ngƣời lái xe an toàn hơn khi lƣu thông trên đƣờng. Trong những năm gần đây, lý thuyết logic mờ đã có nhiều áp dụng thành công trong lĩnh vực điều khiển. Bộ điều khiển dựa trên lý thuyết logic mờ gọi là bộ điều khiển mờ. Trái với kỹ thuật điều khiển kinh điển, kỹ thuật điều khiển mờ thích hợp với các đối tƣợng phức tạp, không xác định mà ngƣời vận hành có thể điều khiển bằng kinh nghiệm. Kể từ năm 1980, logic mờ đạt đƣợc nhiều thành công trong các ứng dụng ra quyết định và phân tích dữ liệu ở Châu Âu. Nhiều kỹ thuật logic mờ cao cấp đƣợc nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này. Các hệ dùng logic mờ đơn giản và dễ hiểu. Sự “thông minh” của hệ không nằm trong các hệ phƣơng trình vi phân hay mã nguồn. Cũng nhƣ việc các kỹ sƣ Nhật thƣờng làm việc theo tổ, đòi hỏi phải có một giải pháp để mọi ngƣời trong tổ đều hiểu đƣợc hành vi của hệ thống, cùng chia sẽ ý tƣởng để tạo ra hệ. Logic mờ cung cấp cho họ một phƣơng tiện rất minh bạch để thiết kế hệ thống. Và cũng do nền văn hóa, ngƣời Nhật không quan tâm đến logic Boolean hay logic mờ; cũng nhƣ trong tiếng Nhật , từ “mờ’ không mang nghĩa tiêu cực. Do đó, logic mờ đƣợc dùng nhiều trong các ứng dụng thuộc lĩnh vực điều khiển thông minh hay xử lý dữ liệu. Máy quay phim và máy chụp hình dùng logic mờ để chứa đựng sự chuyên môn của ngƣời nghệ sĩ nhiếp ảnh. Misubishi thông báo về chiếc xe đầu tiên trên thế giới dùng logic mờ trong điều khiển, cũng nhƣ nhiều hãng chế tạo xe khác của Nhật dùng logic mờ trong một số thành phần. Trong lĩnh vực tự động hóa, Omron Corp. có khoảng 350 bằng phát minh về logic mờ. Ngoài ra, logic mờ cũng đƣợc dùng để tối ƣu nhiều quá trình hóa học và sinh học. Đến nay, có khoảng 200 sản phẩm bán trên thị trƣờng và vô số ứng dụng trong điều khiển quá trình – tự động hóa dùng logic mờ. Từ những thành công đạt đƣợc, logic mờ đã trở thành một kỹ thuật thiết kế “chuẩn” và đƣợc chấp nhận rộng rãi trong cộng đồng. Vì những lý do nhƣ trên, tôi đề xuất chọn đề tài tốt nghiệp: “Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe” với mong muốn giúp cho ngƣời lái xe an toàn hơn khi tham gia giao thông. Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe MỤC TIÊU • Tìm hiểu tổng quan về các kiến thức của logic mờ. • Tìm hiểu về cách xây dựng hệ thống logic mờ. • Phân tích các yếu tố thời tiết môi trƣờng bên ngoài có thể làm ảnh hƣởng an toàn đến phƣơng tiện tham gia giao thông. Từ đó đánh giá để phân tích xây dựng hệ thống. • Xây dựng các tập luật để tính ra đƣợc tốc độ an toàn cho xe. • Nghiên cứu công nghệ lập trình Window Phone 8, từ đó ứng dụng để viết chƣơng trình ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đồ án kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và áp dụng vào bài toán cụ thể trong thực tiễn, phân tích và xây dựng hệ thống theo lý thuyết logic mờ • Nghiên cứu lý thuyết: - Tìm hiểu, nghiên cứu các tài liệu về logic mờ và các ứng dụng của logic mờ - Tìm hiểu về hệ thống các thiết bị an toàn và điều khiển tốc độ trên xe oto. • Nghiên cứu thực nghiệm: - Phân tích các yếu tố ảnh hƣởng đến tốc độ xe oto. - Đánh giá và ứng dụng logic mờ để dự báo điều khiển tốc độ xe oto dựa trên các thông tin của môi trƣờng. - Xây dựng chƣơng trình và triển khai thử nghiệm. - Đánh giá kết quả. KẾT QUẢ DỰ KIẾN • Xây dựng đƣợc chƣơng trình hoàn thiện trên nền tảng window phone 8 • Xây dựng đƣợc hệ thống điều khiển tốc độ xe ứng dụng lý thuyết về logic mờ. • Đƣa vào sử dụng thử nghiệm chƣơng trình điều khiển tốc độ xe trên nền tảng Window Phone 8. BỐ CỤC LUẬN VĂN Chƣơng 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe Giới thiệu tổng quan về lý thuyết Logic mờ. Trong chƣơng này, tôi sẽ giới thiệu về các khái niệm và các phép toán liên quan đến tập mờ, Logic mờ, và cấu trúc của hệ mờ. 1.1. Tập mờ 1.2. Số mờ 1.3. Logic mờ 1.4. Điều khiển mờ 1.5. Thiết kế bộ điều khiển mờ 1.6. Lập trình Window Phoen 8 Chƣơng 2. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG Trong chƣơng này, tôi sẽ trình bày các bƣớc thiết kế hệ thống logic mờ 2.1 Phân tích thuật toán xây dựng điều khiển mờ cho xe 2.2 Cài đặt chƣơng trình Chƣơng 3. TRIỂN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 1.1 Các công cụ 1.2 Thiết kế giao diện 1.3 Các chức năng chính KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe TRIỂN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 0.1. CÁC CÔNG CỤ Công cụ viết chƣơng trình 0.1.1. - Window 8.1 64 BIT. - Microsoft Visual Studio Ultimate 2013 Version 12.0.30501.00 Update 2 - Microsoft .NET Framework Version 4.5.51641 - Windows Phone SDK 8.0 - ENU 06181-004-0449004-02280 - Windows Phone SDK 8.0 - ENU Công cụ viết báo cáo 0.1.2. - Microsoft Office Professional Plus 2010 - Paint.NET version 3.0 0.2. THIẾT KẾ GIAO DIỆN Giao diện chính chƣơng trình 0.2.1. Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe Hình 3.1: Giao diện chính của chƣơng trình Giao diện các chức năng khác 0.2.2. Hình 3.2: Giao diện các chức năng khác Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe 0.3. CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH CỦA CHƢƠNG TRÌNH Chức năng tính tốc độ an toàn cho xe 0.3.1. Yêu cầu ngƣời dùng phải bật tính năng GPS trên điện thoại. Chƣơng trình sẽ sử dụng hệ thống GPS của điện thoại để lấy vị trí hiện tại và thông tin về thời tiết. Sau đó sẽ tính tốc độ an toàn cho xe và hiển thị thông tin lên màn hình Hình 3.3: Chức năng tính tốc độ an toàn Chức năng theo dõi tốc độ hiện tại của xe và đƣa ra cảnh báo cho 0.3.2. ngƣời điều khiển Chƣơng trình sẽ tính tốc độ hiện thời của xe. Nếu ngƣời dùng chạy vƣợt quá tốc độ an toàn chƣơng trình sẽ đƣa ra cảnh báo cho ngƣời dùng Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe Hình 3.4: Chức năng theo dõi tốc độ hiện tại Chức năng bản đồ theo dõi lộ trình di chuyển 0.3.3. Khi ngƣời dùng di chuyển vị trí của ngƣời dùng sẽ đƣợc hiển thị trên bản đồ. Hình 3.5: Chức năng bản đồ KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC • Tìm hiểu và làm rõ lý thuyết về logic mờ, mệnh đề mờ, luật mờ, số mờ • Ứng dụng logic mờ để dự báo điều khiển tốc độ xe trên môi trƣờng window phone 8. • Xây dựng đƣợc chƣơng trình mô phỏng điều khiển tốc độ xe với dữ liệu thông tin lấy từ internet hoặc 3G. • Chƣơng trình chạy trên nền tảng window phone 8 rất phổ biến hiện nay, phù hợp với nhu cầu của ngƣời sử dụng. • Chức năng tính tốc độ hiện tại của xe và đƣa ra cảnh báo cho ngƣời dùng nếu tốc độ hiện tại vƣợt quá tốc độ an toàn. • Bản đồ ghi lại lộ trình của của xe giúp cho ngƣời sử dụng dễ dàng hơn trong việc di chuyển. Ứng dụng logic mờ xây dựng chương trình điều khiển tốc độ xe • Giao diện trực quan, ít thao tác rất dễ dàng cho ngƣời sử dụng. HẠN CHẾ • Chƣơng trình chỉ mới phân tích các yếu tố đầu vào đơn giản dựa vào thông tin thời tiết môi trƣờng bên ngoài (nhiệt độ, độ bao phủ và tốc độ gió) để tính ra tốc độ an toàn cho xe. • Chƣơng trình ứng dụng còn mang tính chất minh họa, để áp dụng đƣợc trong thực tiễn phải nhờ các chuyên gia có kinh nghiệm trong lĩnh vực giao thông đƣờng bộ đánh giá và xây dựng tập luật chính xác hơn HƢỚNG PHÁT TRIỂN • Thêm các yếu tố đầu vào phức tạp hơn để xác định tốc độ an toàn cho xe hiệu quả hơn đáp ứng nhu cầu của thực tiễn (độ tốt xấu của đƣờng đi, lƣu lƣợng xe trên đƣờng ) • Nhờ các chuyên gia có kinh nghiệm đánh giá và khảo sát để có thể đƣa ra tập luật chính xác hơn để có thể áp dụng vào thực tế • Triển khai chƣơng trình trên nhiều nền tảng hơn nhƣ (iOS, android...)