Luận văn Nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều khiển xe từ xa trong trường hợp không phản hồi hình ảnh dựa trên công nghệ haptic (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều khiển xe từ xa trong trường hợp không phản hồi hình ảnh dựa trên công nghệ haptic (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUANG SANG NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE TỪ XA TRONG TRƯỜNG HỢP KHÔNG PHẢN HỒI HÌNH ẢNH DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ HAPTIC NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 602546 S KC 0 0 4 0 6 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ H Ồ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUANG SANG NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE TỪ XA TRONG TRƢỜNG HỢP KHÔNG PHẢN HỒI HÌNH ẢNH DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ HAPTIC NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 602546 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN BÁ HẢI Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013 i
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: NGUYỄN QUANG SANG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 21/09/1982 Nơi sinh: Tây Ninh Quê quán: Bến Tre Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: Tổ 8 ấp Tua hai, Đồng khởi, Châu thành, Tây Ninh Đơn vị công tác: Trường Cao Đẳng Nghề số 8 (BQP), đường Bùi Huy Hòa, Kp 3, phường Long Bình Tân, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai Điện thoại đơn vị: 0613.930.082 Điện thoại riêng: 0933.137.400 Fax: 0613.937.379 E-mail: sangcko@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung cấp: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 08/2004 đến 08/ 2006 Nơi học: Trường Trung Cấp Nghề Tây ninh Ngành học: Sửa chữa ô tô 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2006 đến 09/ 2010 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ khí động lực Tên đồ án tốt nghiệp: “Viết chuyên đề về đầu kéo Detroit Diesel” Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 07/2010, tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Giảng viên hướng dẫn: Bùi Quang Dũng III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ Trường cao đẳng nghề số 8 07/2011 Giảng viên khoa cơ khí động lực (BQP) Tp. Biên hòa, T. Đồng nai đến nay ii
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 9 năm 2013 Ký tên iii
5. CẢM TẠ Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nổ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ. Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Tiến sĩ Nguyễn Bá Hải, người thầy đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này. Xin gởi lời tri ân sâu sắc nhất của tôi đối với những điều mà Thầy đã dành cho tôi. Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài luận văn. Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đã không ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn. Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các anh chị và các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013 Học viên thực hiện iv
6. TÓM TẮT Đề tài: “Nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều khiển xe từ xa trong trƣờng hợp không phản hồi hình ảnh dựa trên công nghệ haptics” được nghiên cứu tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM. Thời gian thực hiện từ 02/2013 đến 08/2013 là một trong những nghiên cứu và giải pháp đầu tiên trên thế giới được trình bày trong luận văn này. Điểm mới của đề tài là quá trình xây dựng thuật toán dẫn đường cho xe tránh các chướng ngại vật và chuyển hướng đúng dựa trên tín hiệu duy nhất là xúc giác. Từ đó, người lái sẽ điều khiển xe đến được mục tiêu bằng cách sử dụng một giao diện haptics. Với mô hình hệ thống điều khiển xe từ xa sử dụng một giao diện điều khiển phản hồi xúc giác, bộ thu GPS, cảm biến khoảng cách và thiết bị truyền dữ liệu không dây có băng thông thấp. Các thông tin này được xử lý, lập trình bằng phần mềm LabVIEW và tương tác với người điều khiển thông qua giao diện điều khiển phản hồi xúc giác. Kết quả, người lái đã điều khiển xe đi đến được mục tiêu trong trường hợp không phản hồi hình ảnh. Nghiên cứu này đã được kiểm tra, so sánh kết quả với 18 lần thực nghiệm tại khuôn viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM với ba trường hợp: 1- Điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh. 2- Điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh và haptics. 3- Trường hợp đặc biệt, điều khiển xe từ xa chỉ có haptics (không có hình ảnh). Việc thực nghiệm thành công trường hợp 3 đã tạo ra bước ngoặt và cơ sở chế tạo các phương tiện tham dò, khảo sát, v.v., đi đến được những vùng không có hoặc thiếu ánh sáng và thiếu hình ảnh do đường truyền băng thông thấp gây ra. v
7. ABSTRACT This research “A study of haptic technology-based vehicle teleoperation without vision feedback” is done at The University of Technical Education in HCM city. It started in february and finished in august, 2013. A novel haptics-based control method of vehicle teleoperation without vision feedback is proposed in this research. The main contributions of this study are the control strategies to produce haptic feedback to a human operator. Therefrom the teleoperator drive vehicle go to the target using a haptic interface. The vehicle teleoperation system using a haptic interface, a GPS receiver, a distance sensor and a wireless router with low bandwidth. This signals are processed and programmed by the LabVIEW software and interact with a human operator by the haptics interface. As a result, the operator drove the vehicle moved on the target without vision feeback. This study has been tested and compared with results of experiment 18 experiments at the campus of University of Technical Education. There are three main control methods are used in experiments includy: 1 - Vehicle teleoperation with vision feedback. 2 - Vehicle teleoperation with vision feedback and haptics feedback. 3 - Vehicle teleoperation with only haptic feedback (no vision). The results has show that the proposed solution can help the operator navigate the vehicle with only haptic feedback. This is a significant contributions to the new reseach direction of low vision vehicle teleoperation. vi
8. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận của cán bộ hướng dẫn Lý lịch khoa học ii Lời cam đoan iii Cảm tạ iv Tóm tắt v Abstract vi Mục lục vii Danh sách các chữ viết tắt x Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xiii Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1 1.2 Mục đích của đề tài 3 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 4 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 4 1.3.2 Giới hạn của đề tài 4 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 4 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 2.1 Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác 5 2.1.1 Haptics 5 2.1.2 Giao diện haptics và ứng dụng 8 2.2. Giới thiệu các phƣơng pháp điều khiển xe từ xa 10 2.2.1 Phương pháp điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh 10 2.2.2 Phương pháp điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh và xúc giác 12 vii
9. 2.3 Động lực học haptics và điều khiển phƣơng tiện từ xa 15 2.3.1 Khái quát hệ thống điều khiển phương tiện từ xa 15 2.3.2 Động lực học haptics trong điều khiển phương tiện từ xa 15 2.3.3 Mối quan hệ giữa động lực học haptics và tín hiệu điện tử 17 2.4 Động học xe ba bánh 20 2.4.1 Mô hình xe ba bánh 20 2.4.2 Động học xe ba bánh khi kéo 22 2.4.3 Động học xe ba bánh khi đẩy 23 2.5 Động lực học xe ba bánh 24 2.5.1 Động lực học xe ba bánh khi kéo 25 2.5.2 Động lực học xe ba bánh khi đẩy 26 2.6 Hệ thống định vị toàn cầu GPS 28 2.6.1 Giới thiệu 28 2.6.2 Cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu GPS 28 2.6.3 Định vị tuyệt đối và định vị tương đối 29 2.6.4 Nguyên nhân sai số 32 2.6.5 Bộ thu GPS Holux GR – 213 33 2.7 Phần mền LabVIEW 34 2.7.1 LabVIEW 34 2.7.2 Ứng dụng LabVIEW trong thực tế 35 2.7.3 Lập trình với LabVIEW 36 2.8 Thuật toán PID và PWM 37 Chƣơng 3. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE TỪ XA BẰNG CÔNG NGHỆ HAPTICS TRONG TRƢỜNG HỢP KHÔNG PHẢN HỒI HÌNH ẢNH 39 3.1 Tổng quan về các giải pháp điều khiển xe từ xa không phản hồi hình ảnh 39 3.1.1 Phương pháp bản đồ đường đi 40 3.1.2 Phương pháp chia ô 41 3.1.3 Phương pháp trường thế năng 42 viii
10. 3.1.4 Phương pháp vị trí tăng dần 45 3.2. Phân tích và đề xuất giải pháp điều khiển xe từ xa tránh vật cản và tìm đƣờng đến mục tiêu bằng công nghệ haptics trong trƣờng hợp không phản hồi hình ảnh 46 3.2.1 Tổng quan về giải pháp tránh vật cản và tìm đường đến mục tiêu 46 3.2.2 Thuật toán tránh vật cản và tìm đường đến mục tiêu 50 Chƣơng 4. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 53 4.1 Sơ đồ tổng quan và nguyên lý hoạt động hệ thống thực nghiệm 53 4.1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 53 4.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động hệ thống 54 4.2 Các trƣờng hợp thực nghiệm 57 4.3 Phƣơng tiện thực nghiệm 57 4.3.1 Mô hình xe ba bánh 57 4.3.2 Giao diện điều khiển và thuật toán tạo phản hồi xúc giác 59 4.3.3 Các thiết bị khác 61 4.4 Môi trƣờng thực nghiệm 62 4.5 Thực nghiệm và kết quả 63 4.5.1 Kiểm tra hệ thống thực nghiệm 63 4.5.2 Trường hợp thực nghiệm 1 64 4.5.3 Trường hợp thực nghiệm 2 66 4.5.4 Trường hợp thực nghiệm 3 68 4.6 So sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm 70 Chƣơng 5. KẾT LUẬN 73 5.1 Kết luận 73 5.2 Hƣớng phát triển đề tài 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 Phụ lục 77 ix
11. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DHA : Direct Haptic Aid – Hỗ trợ xúc giác trực tiếp. IHA : Indirect Haptic Aid – Hỗ trợ xúc giác gián tiếp. TCP/IP : Transfer Control Protocol/Internet Protocol – Bộ giao thức kiểm soát truyền tải và giao thức internet. UDP : User Datagram Protocol – Giao thức truyền tải dữ liệu giữa các người dùng. RS-232 : Recommended Standard-232 – Chuẩn giao tiếp nối tiếp giữa thiết bị ngoại vi với máy tính. LabVIEW : Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench – Phần mềm lập trình ngôn ngữ đồ họa. PID : Propotional Integral Derivative – Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ. PWM : Pulse Width Modulation – Bộ điều chế độ rộng xung. AMP : Amplifier – Bộ khuếch đại. DC : Direct Current – Dòng điện một chiều. AC : Alternating current – Dòng điện xoay chiều. GPS : Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu. WGS84 : World Geodetic Spheroid 1984 – Hệ thống tọa độ trắc địa năm 1984. WAAS : Wide Area Augmentation System – Hệ thống giãn rộng vùng. DGPS : Differential Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu vi sai. INS : Inertial Navigation System – Hệ thống dẫn đường quán tính. x
12. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Giao diện haptics trong điều khiển ô tô từ xa 8 Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh 10 Hình 2.3: Sơ đồ góc quan sát của một camera và góc quan sát kết hợp hai cameras 11 Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh và xúc giác 12 Hình 2.5: Vị trí lắp đặt cảm biến khoảng cách trên phương tiện từ xa 13 Hình 2.6: Nguyên lý đo khoảng cách 13 Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển phương tiện từ xa 15 Hình 2.8: Mô hình động lực học của thiết bị chủ/nô 15 Hình 2.9: Sơ đồ động lực học haptics trong điều khiển phương tiện từ xa 17 Hình 2.10: Mô hình chuyển đổi tín hiệu cơ khí thành tín hiệu điện 17 Hình 2.11: Sơ đồ điều khiển từ xa với hai cổng kết nối 18 Hình 2.12: Mô hình giao diện haptics trong điều khiển phương tiện từ xa 19 Hình 2.13: Mô hình xe ba bánh 20 Hình 2.14: Mô hình động học của bánh xe 21 Hình 2.15: Mô hình đơn giản xe ba bánh trong hai trường hợp kéo và đẩy 21 Hình 2.16: Sơ đồ động học xe ba bánh khi kéo 22 Hình 2.17: Sơ đồ động học xe ba bánh khi đẩy 23 Hình 2.18: Mô hình động lực học xe ba bánh 24 Hình 2.19: Quỹ đạo các vệ tinh và cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu GPS 29 Hình 2.20: Các lĩnh vực ứng dụng của LabVIEW 35 Hình 2.21: Mã nguồn viết bằng LabVIEW 36 Hình 2.22: Sơ đồ điều khiển thuâṭ toán PID 37 Hình 2.23: Sơ đồ xung điện áp thuật toán PWM 38 Hình 3.1: Phương pháp đồ thị trực quan và phương pháp sơ đồ Voronoi 40 xi
13. Hình 3.2: Phương pháp chia ô chính xác và phương pháp chia ô gần đúng 41 Hình 3.3: Trường thế năng và trường lực đẩy biểu diễn dưới dạng biểu đồ điểm 42 Hình 3.4: Tổng hợp lực ảo tác động lên xe 44 Hình 3.5: Minh họa phương pháp định vị tăng dần 45 Hình 3.6: Trường lực ảo và đường di chuyển của xe 47 Hình 3.7: Sơ đồ khoảng cách từ xe đến mục tiêu 48 Hình 3.8: Đường di chuyển của xe khi gặp một vật cản và gặp nhiều vật cản 49 Hình 3.9: Lưu đồ thuật tránh vật cản và tìm đường đến mục tiêu 50 Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển xe từ xa 53 Hình 4.2: Cấu trúc mô hình hệ thống điều khiển xe từ xa bằng công nghệ haptics 54 Hình 4.3: Mô hình xe ba bánh 57 Hình 4.4: Giao diện điều khiển phản hồi xúc giác 59 Hình 4.5: Cấu trúc giao diện điều khiển phản hồi xúc giác 60 Hình 4.6: Sơ đồ điều khiển tạo xúc giác trên vòng đeo tay và vành tay lái 60 Hình 4.7: Sơ đồ môi trường thực nghiệm 62 Hình 4.8: Giao diện thu thập số liệu và đồ thị bằng LabVIEW trong trường hợp 1 64 Hình 4.9: Giao diện thu thập số liệu và đồ thị bằng LabVIEW trong trường hợp 2 66 Hình 4.10: Đường đi của xe trong trường hợp 3 vẽ bằng LabVIEW 68 Hình 4.11: Biểu đồ kết quả thời gian, quãng đường xe di chuyển đến mục tiêu và số lần xe gặp vật cản trong 3 trường hợp thực nghiệm 70 Hình 4.12: Biểu đồ các kết quả thời gian xe di chuyển đến mục tiêu trong trường hợp 1 và trường hợp 2 72 xii
14. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Các dạng cảm nhận về trạng thái vật thể. 6 Bảng 2.2: Các ứng dụng công nghệ haptics 9 Bảng 2.3: Một ví dụ tin nhắn bộ thu GPS Holux GR – 213. 33 Bảng 3.1: Nhiệm vụ người lái điều khiển xe đến mục tiêu trong trường hợp không phản hồi hình ảnh 46 Bảng 3.2: Thông số kỳ vọng các tín hiệu điều khiển 52 Bảng 4.1: Thông số kỳ vọng các tín hiệu điều khiển trong thực nghiệm 56 Bảng 4.2: Bảng các trường hợp thực nghiệm 57 Bảng 4.3: Đặc tính kỹ thuật của mô hình xe ba bánh 58 Bảng 4.4: Danh sách các thiết bị khác hỗ trợ trong quá trình thực nghiệm 61 Bảng 4.5: Số liệu kiểm tra chất lượng hệ thống thực nghiệm 63 Bảng 4.6: Số liệu thu thập trong thực nghiệm trường hợp 1 65 Bảng 4.7: Số liệu thu thập trong thực nghiệm trường hợp 2 67 Bảng 4.8: Số liệu thu thập trong thực nghiệm trường hợp 3 69 xiii
15. Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Chúng ta đang sống trong thế kỷ 21, thế kỷ của nền tri thức và nền khoa học kỹ thuật vượt bật. Trong thế kỷ này, khoa học công nghệ cao đã và đang dần khẳng định vị trí của mình trong tất cả các mặt của đời sống con người. Với tốc độ phát triển nhanh chóng của các ngành khoa học kỹ thuật, ngành kỹ thuật điều khiển phương tiện từ xa đang có những bước đột phá mới thông qua ứng dụng công nghệ haptics (công nghệ phản hồi xúc giác). Việc ứng dụng công nghệ này không những giúp cho con người điều khiển các phương tiện từ xa thực hiện các nhiệm vụ đặc biệt khó khăn, nguy hiểm, độc hại trong các môi trường công nghiệp, y học, quân sự, hàng không vũ trụ, v.v., mà còn năng cao khả năng tương tác giữa con người và phương tiện từ xa đạt hiệu quả thiết thực. Đặc biệt, công nghệ haptics đã và đang xuất hiện trong nhiều hệ thống trên xe, trong đó ứng dụng công nghệ haptics vào hệ thống điều khiển xe từ xa là đề tài nghiên cứu mang tính thời đại. Nicola Diolaiti và Claudio Melchiorri [01] đã trình bày việc sử dụng một giao diện haptics để năng cao khả năng cảm nhận của người điều khiển với môi trường làm việc của phương tiện từ xa, bằng cách sử dụng một hệ thống tương tác ảo được tính dựa trên lực cản xung quanh tác dụng lên phương tiện để ngăn chặn các tiếp xúc nguy hiểm. Sự thụ động của toàn bộ hệ thống được bảo tồn. Do đó, sự tương tác ảo được đảm bảo. Khoảng cách từ các chướng ngại vật được đo bằng máy quét laser gắn kết trên phương tiện, để sử dụng tính toán lực phản hồi lên giao diện haptics. Stephen Hughes, Ian Oakley, Andy Brady và Sile O’Modhrain [02] đã đưa ra một hệ thống tính toán gia tốc của xe, từ đó tạo tín hiệu động lực học tác động lên người điều khiển dưới dạng thông tin xúc giác, bằng cách so sánh các biểu đồ động học của xe đã được cài đặt trước với biểu đồ mà hệ thống tính toán được. Hệ thống này được thiết kế để hỗ trợ vận hành, kiểm soát vận tốc xe từ xa. 1
16. M. Rank, Z. Shi, H. J. Muller và S. Hirche [03] đã nghiên cứu các vấn đề gây ra thời gian trễ thông tin phản hồi xúc giác trong điều khiển phương tiện từ xa. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã thực hiện thí nghiệm tạo môi trường xúc giác dưới dạng lực tác động lên người điều khiển trên ngưỡng phát hiện sự chậm trễ thông tin xúc giác và kết quả nghiên cứu đã xác định được nguyên nhân gây ra sự chậm trễ thông tin phản hồi xúc giác phụ thuộc rất lớn vào độ lớn của tần số và biên độ chuyển động. J.H. Ryu [04], [05], [06] đã nghiên cứu, phát triển động lực học haptic và xây dựng phương pháp điều khiển phương tiện từ xa bằng haptics. Các nghiên cứu của tác giả, trình bày các phương trình động lực học haptics với mô hình điều khiển đa khâu, đa khớp và đa bậc tự do. Xây dựng các thuật toán chuyển đổi tín hiệu haptics thành tín hiệu điện tử và ngược lại. Samantha M. C. Alaimo, Lorenzo Pollini, Jean-Pierre Bresciani và Heinrich H. Bulthoff [07] đã nghiên cứu và thực nghiệm so sánh, đánh giá hiệu quả hai phương pháp điều khiển phương tiện từ xa, điều khiển phản hồi xúc giác trực tiếp (DHA) và điều khiển phản hồi xúc giác gián tiếp (IHA). Kết quả nghiên cứu đã xác định được hiệu quả điều khiển IHA rất cao, đây là bước ngoặt mới cho công nghệ điều khiển phương tiện từ xa trong tương lai. B.H. Nguyen, J.H. Ryu [08] đã nghiên cứu và chế tạo giao diện điều khiển xe từ xa với 3 bậc tự do kiểm soát và cảm nhận xúc giác các hoạt động tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, đặc biệt giao diện điều khiển này phản hồi được cảm giác quay vòng của xe. B.H. Nguyen, J.H. Ryu [09] đã nghiên cứu phương pháp tái tạo cảm giác lái (xúc giác) của xe từ xa trong hệ thống lái không trục lái (SBW), bằng cách sử dụng dòng điện đo trực tiếp từ cơ cấu chấp hành. Nghiên cứu này có giải pháp đơn giản, chi phí thấp và sự ổn định hệ thống lái được cải thiện. Trần Xuân Trình và Nguyễn Bá Hải [10] đã nghiên cứu, phát triển và thiết kế, thực nghiệm hệ thống ga trong điều khiển ô tô từ xa. Nghiên cứu đã đánh giá được mức độ đáp ứng về sự tăng tốc của xe và đo đạc được thời gian trễ khi truyền qua mạng 3G. 2
17. Nguyễn Thanh Minh và Nguyễn Bá Hải [11] đã nghiên cứu, phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp trong điều khiển ô tô từ xa bằng cách sử dụng đông cơ DC để dẫn động cần chuyển số và các công tắc hành trình để xác định vị trí số. Nghiên cứu này đã được kiểm chứng bằng kết quả thực nghiệm trên một xe quân sự bốn chỗ được cải tạo từ xe sân golf. Nguyễn Trường Giang, Lê Thanh Phong và Nguyễn Bá Hải [12] đã nghiên cứu phương pháp tạo cảm giác lái trong điều khiển xe ba bánh từ xa bằng cách tạo cảm giác lực thông qua hệ thống tương tác lò xo ảo. Nguyễn Thanh Như Phúc và Nguyễn Bái Hải [13] đã nghiên cứu, phát triển hệ thống lái không trục lái có phản hồi cảm giác lái (xúc giác) trong điều khiển xe quân sự từ xa, bằng cách đo dòng điện trực tiếp trên cơ cấu chấp hành. Kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng bằng kết quả thực nghiệm trên một chiếc xe thật. Bên cạnh những thành tựu đã đạt được của các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống điều khiển phương tiện từ xa nói chung hay hệ thống điều khiển xe từ xa nói riêng thì còn nhiều mặt hạn chế. Trong đó, vấn đề điều khiển xe từ xa trong môi trường hoạt động của xe từ xa không có hoặc thiếu ánh sáng hay thiếu hình ảnh do đường truyền băng thông thấp gây ra là một bài toán rất khó chưa có lời giải đáp hoàn hảo. Vì vậy, đề tài: “Nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều khiển xe từ xa trong trƣờng hợp không phản hồi hình ảnh dựa trên công nghệ haptics” là vấn đề nghiên cứu thật sự cần thiết. 1.2 Mục đích của đề tài Giải bài toán điều khiển xe từ xa trong trường hợp không phản hồi hình ảnh do môi trường không có hoặc thiếu ánh sáng hoặc thiếu hình ảnh do đường truyền băng thông thấp gây ra. Nhằm hoàn thiện hệ thống điều khiển xe từ xa trong trường hợp không phản hồi hình ảnh. Nghiên cứu này làm cơ sở ứng dụng cho nhiều lĩnh vực như giám sát, khảo sát, dò tìm, v.v. Đặc biệt hỗ trợ cho người khiếm thị trong điều khiển xe. 3
18. 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài Tìm hiểu và nghiên cứu các phương pháp điều khiển xe từ xa. Nghiên cứu lý thuyết GPS và thu thập xử lý tín hiệu tọa độ GPS trong phần mềm LabVIEW. Xây dựng thuật toán điều khiển xe từ xa đi đến mục tiêu trong trường hợp không phản hồi hình ảnh và thuật toán tạo cảm giác xúc giác cho người điều khiển khi xe lệch hướng mục tiêu, xe gặp vật cản và xe đã đến mục tiêu. Thiết kế, thi công giao diện haptics. Thực nghiệm và đánh giá kết quả trong ba trường hợp: - Điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh. - Điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh và phản hồi xúc giác. - Điều khiển xe từ xa chỉ có phản hồi xúc giác (không có hình ảnh). So sánh các kết quả nghiên cứu với các công trình nghiên cứu đã thu thập được. 1.3.2 Giới hạn của đề tài Do điều kiện địa lý khu vực thực nghiệm, điều kiện kinh tế, trình độ có hạn và tính mới mẽ của đề tài nên: - Đề tài tập trung nghiên cứu, thực nghiệm điều khiển xe từ xa đi đến mục tiêu với mô hình xe ba bánh, các chướng ngại vật có hình dạng đơn giản cố định, mặt đường xe chuyển động tương đối bằng phẳng và diện tích khu vực xe hoạt động nhỏ. - Cảm giác xúc giác trên giao điện điều khiển chưa xác thực vì giới hạn bởi mô hình. - Độ chính xác tọa độ GPS tương đối lớn vì thử nghiệm trong vùng chưa có sự hỗ trợ hệ thống GPS ở phạm vi cục bộ (Local). 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu Thu thập dữ liệu và chọn lọc về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan. Thử nghiệm và đánh giá kết quả từ thực nghiệm. So sánh đánh giá với các công trình đã nghiên cứu. 4
19. Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác 2.1.1 Haptics Haptics:/'hap-tiks/ xuất hiện vào thập kỷ 90 của thế kỷ 19 là một từ gốc Hy lạp “Haptesthai” để chỉ cảm giác xúc giác (sense of touch). Haptics bao gồm cảm giác lực tác động (cứng, mềm), cảm giác về bề mặt (thô, nhám, sắc, trơn, v.v.) cảm giác về chuyển động mà con người có thể cảm nhận thông qua tiếp xúc, cầm, nắm, sờ, v.v. ( xem Bảng 2.1). Công nghệ haptics là công nghệ tái tạo lại các cảm giác xúc giác toàn bộ hay một phần cảm giác xúc giác của con người khi tiếp xúc với thiết bị. Công nghệ haptics chủ yếu mang lại 2 loại cảm giác tiếp xúc: - Cảm giác về lực (force feedback) mang lại cho con người cảm giác về lực tác động, nhằm tái tạo sự hiện diện của sự vật thông qua lực tác động của nó với tư cách đối tượng trong thế giới ảo với con người. - Cảm giác xúc giác (tactile) mang lại các cảm giác chi tiết hơn về bề mặt của vật, tái tạo các đặc tính thô, nhám, trơn, v.v. Trên thực tế không có sự khác biệt rõ ràng trong cách phân loại này, nhưng sự khác biệt chỉ nằm ở cách thực thi chúng. Cảm giác lực thông thường được thực hiện thông qua việc điều khiển một cơ cấu chấp hành sẽ tái tạo cảm giác về lực qua tác động với con người. Cơ cấu chấp hành có thể bao gồm các động cơ điện, động cơ khí nén, v.v. Cảm giác xúc giác thông thường được tạo ra bởi một trường tĩnh điện. Bằng cách sử dụng một lớp phủ trên bề mặt thiết bị cho phép gửi các khích thích nhẹ lên đầu ngón tay, làm cho người dùng cảm giác được các thao tác, cảm nhận được các bề mặt đối tượng. Một trường điện từ áp dụng lên bề mặt đối tượng (màn hình, v.v.), tương tác với tải trọng tự nhiên trên đầu ngón tay. Hai lực điện cùng dấu đẩy nhau, hai lực điện trái dấu hút nhau. Bằng cách điều biến trường điện tại từng pixel, chúng ta có thể tái tạo xúc giác một cách chính xác. 5
20. Bảng 2.1: Các dạng cảm nhận về trạng thái vật thể TT Dạng cảm nhận về trạng thái vật thể Hình minh họa Cảm giác về trọng lực hay cảm giác vật thể nặng, nhẹ khi con người khuân vác, xách mang, chống đỡ vật thể. Lực tương tác giữa vật thể với con người tính bởi FA công thức: P 1 F = P + FA Trong đó: F là lực tương tác giữa người với vật thể P là trọng lượng của vật thể FA là lực đẩy Archimedes Cảm giác về áp suất hay cảm giác độ cứng, mềm của vật thể phụ thuộc vào đặc tính đàn hồi của vật. Lực tác dụng lên người khi ấn, bẻ, bóp, véo, tựa vào vật thể có thể được xác định gần đúng theo định luật Hooke: F = −kx − F Trong đó: 2 F là lực đàn hồi k là hệ số đàn hồi x là độ biến dạng Định luật này chính xác với những vật thể có hình dạng lò xo đơn giản. Với những vật thể như miếng cao su hay chất dẻo thì sự phụ thuộc giữa lực đàn hồi vào biến dạng sẽ rất phức tạp. Cảm giác về sức bén của đường biên hay cảm giác về độ góc cạnh của vật thể khi cơ thể người tiếp xúc (sờ, 3 chạm, v.v.) với đường biên vật thể. Nó phụ thuộc vào hình dạng bề cạnh của vật. 6
21. Cảm giác về chuyển động ngang hay cảm giác về độ thô nhám, nhẵn mịn bề mặt của vật thể. Cảm giác này gây ra do sự ma sát giữa cơ thể người với vật thể. Lực ma sát có thể được tính xấp xỉ theo công thức: Fms = μF0 4 Fms Trong đó: Fms là lực ma sát gây ra cảm giác chuyển động ngang μ là hệ số ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc F0 là lực tác dụng lên bề mặt vật thể Cảm giác về đường biên thể tích hay cảm giác về kích thước, thể tích của vật thể. Cảm giác này có được thông qua sự cầm, nắm hoặc sờ, chạm toàn bộ 5 bề mặt bên trong, bên ngoài của vật thể. Từ đó, con người có thể nhận biết được hình dạng, kích thước, thể tích của vật. Cảm giác về nhiệt độ hay cảm giác sự nóng, lạnh của vật thể. Cảm giác này sinh ra khi con người sờ, chạm 6 hoặc tương tác ở cự ly gần với vật thể. Cảm giác vật thể nóng hay lạnh là giá trị chênh lệch nhiệt độ giữa cơ thể người với nhiệt độ vật thể. 7