Luận văn Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa (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 ĐINH VĂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP TÁI TẠO CẢM GIÁC XÚC GIÁC TRONG ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ, MÁY KÉO - 605246 S KC 0 0 4 0 5 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH VĂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP TÁI TẠO CẢM GIÁC XÚC GIÁC TRONG ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 602546 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN BÁ HẢI Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Đinh Văn Cường Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 18/08/1985 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán: Hành Nhân, Nghĩa Hành, Quảng Ngãi Dân tộc:Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Hành Nhân, Nghĩa Hành, Quảng Ngãi Điện thoại nhà riêng: 0979 276 477 E-mail:cuongckd83@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Cao đẳng chính quy Thời gian đào tạo từ tháng 9/2004 đến tháng 9/2007 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ khí động lực 2. Đại học: Hệ đào tạo: Đại học chính quy Thời gian đào tạo từ tháng 10/2008 đến tháng 10/2010 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ khí động lực Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Khảo sát động học và động lực học xe VOLVO 760 Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Tháng 8/2010, Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: Msc. Đặng Quý III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/2010 đến Công ty THHH Hệ thống Thiết bị Nhân viên kinh doanh phụ tùng 1/2012 UMW Việt Nam xe nâng Toyota i
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 và ghi rõ họ tên) Đinh Văn Cường ii
5. CẢM TẠ Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy, Cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, những người đã trực tiếp giảng dạy, truyền đạt những kiến thức bổ ích cho em, đó là những kiến thức nền tảng về xã hội cũng như những kiến thức về chuyên ngành đào tạo để làm hành trang bước tiếp trên con đường tương lai phía trước. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Thầy - Tiến sĩ Nguyễn Bá Hải – Người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Nhờ đó, em mới hoàn thành được luận văn cao học này. Sau cùng, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn toàn thể bạn bè lớp cao học khóa 2011 – 2013 B, ngành kỹ thuật cơ khí động lực – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, các thành viên trong Câu Lạc Bộ Sáng Tạo Kỹ Thuật – số 6 Bác Ái, quận Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh đã đóng góp ý kiến và hỗ trợ để tác giả hoàn thành luận văn cao học này. iii
6. TÓM TẮT Đề tài “Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa” được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Bá Hải.Trong đề tài này, tác giả đã thực hiện tổng hợp và phân tích các công trình nghiên cứu đã công bố trong và ngoài nước có liên quan tới vấn đề cần nghiên cứu, phân tích các tương tác xúc giác giữa người điều khiển và ô tô trong trường hợp điều khiển ô tô trực tiếp. Trên cơ sở đó, tác giả trình bày các phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa. Để chứng minh cho những kết quả đã tìm được trong quá trình phân tích và nghiên cứu, tác giả đã sử dụng một bộ thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác và tiến hành ba thí nghiệm để tái tạo cảm giác xúc giác về áp suất (cứng, mềm), rung, nhiệt độ cho người điều khiển ô tô.Qua kết quả thí nghiệm đạt được, tác giả đã chứng minh được những lý thuyết đã tìm thấy trong quá trình nghiên cứu và rút ra kết luận về các phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa. ABSTRACT This research is done at University of Technical Education Ho Chi Minh City under the scientific guidance of Dr. Nguyen Ba Hai.In this study, the author has made synthesis and analysis of researches published by domestic and international journals and conferences related to haptic interactions between the operator and vehicle. From this basis, the authors present methods to recreate the sense of touch in vehicle teleoperation. To demonstrate the results found during analysis and research, the authors have used experiments to create the sense of touch, and conducted three experiments to reproduce the tactile sensation of pressure (hard, soft), vibration, and temperature. Experimental results have shown that the theory was found in the research is significant to reproduce the senses of haptic feedback for human operators. iv
7. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách các từ viết tắt x Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xv Chương 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1 1.2 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước 3 1.2.1 Nghiên cứu trong nước 3 1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước 6 1.3 Mục đích của đề tài 10 1.4 Giới hạn của đề tài 10 1.5 Phương pháp nghiên cứu 10 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Tổng quan về tương tác người và xe 12 2.2 Cảm giác là gì? 13 2.2.1 Khái niệm 13 2.2.2 Các loại cảm giác 14 2.3 Vai trò của các giác quan trong điều khiển xe trực tiếp 15 v
8. 2.4 Xúc giác là gì? 17 2.4.1 Khái niệm 17 2.4.2 Cơ chế tạo cảm giác xúc giác 18 2.4.3 Những cảm giác xúc giác mà tay người có thể cảm nhận được khi tương tác với một vật thể 22 2.4.3.1 Cảm giác về chuyển động ngang (thô, nhám) 22 2.4.3.2 Cảm giác về áp suất (cứng, mềm ) 22 2.4.3.3 Cảm giác về nhiệt độ 23 2.4.3.4 Cảm giác về trọng lượng 23 2.4.3.5 Cảm giác về đường biên, thể tích 24 2.4.3.6 Cảm giác về sức bén đường biên 24 2.4.4 Vai trò của xúc giác 25 2.4.4.1 Vai trò của xúc giác trong hoạt động của con người 25 2.4.4.2 Vai trò của xúc giác trong lái xe trực tiếp 27 2.5 Xúc giác trên xe là gì? 28 2.5.1 Khái niệm 28 2.5.2 Một số cảm giác xúc giác mà con người cảm nhận được khi điều khiển xe 28 2.5.2.1 Tương tác với vô lăng 28 2.5.2.2 Tương tác với bàn đạp ga 28 2.5.2.3 Tương tác với bàn đạp phanh 29 2.5.2.4 Tương tác với cần sang số 30 2.5.2.5 Tương tác với ghế ngồi 30 2.5.2.6 Tương tác với nút nhấn 31 2.6 Giới thiệu công nghệ Haptics 32 2.7 Các ứng dụng của công nghệ Haptics 34 2.7.1 Các ứng dụng với haptics trên ô tô 34 vi
9. 2.7.2 Ứng dụng haptics trong y học 35 2.7.3 Haptic cho người mù 37 2.7.4 Ứng dụng haptics trong quân sự 38 2.7.5 Ứng dụng trong công nghiệp 38 2.7.6 Ứng dụng haptics trong giáo dục 39 2.7.8 Ứng dụng haptic trong công nghệ thông tin 40 2.8 Lực phản hồi từ môi trường lên robot di động dựa trên phương pháp Logic mờ 41 2.8.1 Tổng quan về điều khiển từ xa robot di động 41 2.8.2 Lực phản hồi từ môi trường 42 2.8.3 Quy tắc mờ trong việc biểu diễn lực phản hồi 43 2.8.4 Phân tích ổn định của hệ thống điều khiển từ xa robot di động 45 2.8.5 Haptics trong điều khiển từ xa robot di động 50 2.8.5.1 Sự tương tác ảo giữa người điều khiển, khối lượng ảo và môi trường 53 2.8.5.2 Lực ảo tạo ra bởi môi trường 53 2.8.5.3 Tương tác với người điều khiển 55 2.9 Tạo cảm giác lái cho hệ thống SBW bằng phương pháp sử dụng cảm biến dòng điện. 57 2.9.1 Giới thiệu hệ thống SBW 57 2.9.2Tái tạo cảm giác lái bằng phương pháp đo dựa trên cường độ dòng điện 58 2.9.2.1Hoạt động của phương pháp dựa trên cảm biến dòng 58 2.10 Giới thiệu phần mềm LabVIEW 62 2.10.1 LabVIEW là gì 62 2.10.2 Ứng dụng LabVIEW trong thực tế 62 2.10.3 Lập trình với LabVIEW 64 2.11 Thuật toán PID và ứng dụng vào điều khiển động cơ DC 65 vii
10. 2.11.1 Khái niệm về thuật toán PID 65 2.11.2 Điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán PID 66 Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁI TẠO CẢM GIÁC XÚC GIÁC TRÊN Ô TÔ 68 3.1 Phân loại phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trên ô tô 68 3.2 Tái tạo cảm giác xúc giác áp suất (cứng, mềm) 68 3.3 Tái tạo cảm giác xúc giác rung xóc cho người điều khiển ô tô 71 3.4 Tái tạo cảm giác xúc giác nhiệt độ cho người điều khiển ô tô 74 Chương 4: THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 77 4.1 Thí nghiệm 77 4.1.1 Giới thiệu mô hình thí nghiệm 77 4.1.2 Thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác áp suất (cứng, mềm) 79 4.1.3 Thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác rung 80 4.1.4 Thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác nhiệt độ (nóng, lạnh) 82 4.2 Kết quả thí nghiệm 84 4.2.1 Kết quả thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác áp suất 84 4.2.2 Kết quả thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác nhiệt độ 85 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 87 5.1 Kết luận 87 5.2 Hướng phát triển 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 PHỤ LỤC 91 Phụ lục A: Một số khối (hàm thức) phổ biến trong LabVIEW 91 A1 Cấu trúc một số vòng lặp 91 A2 Một số hàm Delay thời gian 93 A3 Cách lấy các hàm tính toán và so sánh 95 viii
11. Phụ lục B: Kết quả lập trình PID cho động cơ DC với LabVIEW 96 B1 Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu P 96 B2 Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PI 98 B3 Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PID 99 ix
12. DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT DC ( Direct Current) :Dòng điện một chiều IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) :Kỹ sư điện và điện tử LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) :Ngôn ngữ lập trình đồ họa PDA (Personal Digital Asistant) :Thiết bị hỗ trợ cá nhân PID (Proportional–Integral–Derivative) :Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân SW (Switch) :Công tắc USB (Universal Serial Bus) :Chuẩn kết nối tuần tự VCC :Nguồn 5V lấy từ USB XBW (X-by-Wire) :Hệ thống điều khiển bằng dây SBW (Steering – By – Wire) :Hệ thống lái bằng dây RW (Road – Wheel) :Bánh xe HW (Hand – Wheel) :Vô lăng LAN (Wireless Local Area Network) :Mạng nội bộ PCI (Peripheral Component Interconnect) :Chuẩn để truyền dữ liệu giữa các thiết bị ngoại vi đến bo mạch chủ. x
13. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Các giác quan bên ngoài của con người 14 Hình 2.2: Cấu trúc da 18 Hình 2.3: Đường truyền xúc giác qua da 21 Hình 2.4: Cảm giác chuyển động ngang 22 Hình 2.5: Cảm giác về áp suất 23 Hình 2.6: Cảm giác về nhiệt độ 23 Hình 2.7: Cảm giác về trọng lượng 24 Hình 2.8: Cảm giác đường biên 24 Hình 2.9: Cảm nhận sức bén đường biên 25 Hình 2.10: Tương tác với vô lăng 28 Hình 2.11: Tương tác với bàn đạp ga 29 Hình 2.12: Tương tác với bàn đạp phanh 30 Hình 2.13: Tương tác với cần sang số 30 Hình 2.14: Tương tác với ghế ngồi 31 Hình 2.15: Tương tác với nút nhấn 32 Hình 2.16: Tương tác với thế giới ảo 33 Hình 2.17: Cơ cấu Haptic một bậc tự do 34 Hình 2.18: Giao diện Haptics dùng trong điều khiển xe từ xa 35 Hình 2.19: Bảng điều khiển bằng xúc giác iDrive Touch của BMW 35 Hình 2.20: Tương tác với hình ảnh ba chiều thông qua cánh tay robot 36 Hình 2.21:Tương tác với hình ảnh 3D để phẫu thuật từ xa 37 Hình 2.22:Tiến sĩ Garnette Sutherland đang giới thiệu neuroArm tại Đại học Calgary 37 xi
14. Hình 2.23:Một người mù trong hội người mù Thủ Đức đang thử nghiệm chiếc nón mắt thần 38 Hình 2.24: Sử dụng haptics để lắp ráp bom hạt nhân 38 Hình 2.25: Ứng dụng haptics điều khiển robot từ xa 39 Hình 2.26: Thực hành lái máy xúc trong môi trường thực tế ảo 39 Hình 2.27: Axon Logic ra mắt chiếc tablet Haptics 40 Hình 2.28: Công nghệ phản hồi xúc giác trên điện thoại màn hình cảm ứng 41 Hình 2.29: Thiết bị chủ và robot di động 41 Hình 2.30: Sơ đồ biểu diễn lực phản hồi dựa trên thông tin phạm vi vật cản 43 Hình 2.31: Robot di động trong không gian hoạt động rộng và hẹp 43 Hình 2.32: Cấu trúc điều khiển từ xa robot di động với phương pháp đề xuất biểu diễn lực phản hồi 44 Hình 2.33: Sơ đồ tổng quát hệ thống điểu khiển robot di động từ xa với lực phản hồi 47 Hình 2.34: Kết quả mô phỏng cho hệ thống điều khiển từ xa với hằng số và hệ số phản hồi thay đổi 49 Hình 2.35: Tổng quan hệ thống điều khiển từ xa robot di động 50 Hình 2.36: Sự tương tác ảo với vật cản 50 Hình 2.37: Sơ đồ của chiến lược điều khiển robot từ xa 51 Hình 2.38: Sự chuyển đổi vận tốc ẋ của khối lượng thành vận tốc điểm đặt 52 Hình 2.39: Mô hình của sự tương tác giữa người vận hành, khối lượng ảo và môi trường 53 Hình 2.40: Vị trí của thiết bị Haptics và sự tính toán của ẋtrong khung tham chiếu Robot di động 56 Hình 2.41: Mô hình động lực học hệ thống SBW 57 Hình 2.42: Sơ đồ kết nối cảm biến dòng 60 Hình 2.43: Khả năng kết hợp các phần cứng của LabVIEW 63 xii
15. Hình 2.44: Các lĩnh vực ứng dụng của LabVIEW 63 Hình 2.45: Một robot dưới nước (Spider) được phát triển dựa trên lập trình LabVIEW 64 Hình 2.46: Cửa sổ Front Panel 64 Hình 2.47: Cửa sổ Block Diagram 65 Hình 2.48: Sơ đồ điều khiển động cơ DC theo thuật toán PID 66 Hình 2.49: Thuật toán điều khiển động cơ DC theo vị trí bằng PID 66 Hình 3.1: Mô hình tính toán phản hồi lực 69 Hình 3.2: Sự rung do lực quán tính ly tâm 72 Hình 3.3: Cơ cấu báo nguy áp suất dầu bôi trơn 73 Hình 3.4: Cơ cấu báo nguy nhiệt độ nước làm mát động cơ 74 Hình 3.5: Mô hình phương pháp tái tạo nhiệt 75 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác: áp suất, nhiệt độ, rung 77 Hình 4.2: Mô hình thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác áp suất, rung, nhiệt độ 79 Hình 4.3: Lưu đồ thuật toán lập trình tạo cảm giác xúc giác áp suất 79 Hình 4.4: Giao diện điều khiển tạo cảm giác áp suất 80 Hình 4.5: Lưu đồ thuật toán lập trình tạo cảm giác xúc giác rung 81 Hình 4.6: Giao diện thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác rung 81 Hình 4.7: Lưu đồ thuật toán lập trình tạo cảm giác xúc giác nhiệt độ 82 Hình 4.8: Giao diện điều khiển tạo cảm giác xúc giác nhiệt độ 83 Hình 4.9: Chương trình lập trình mô hình thí nghiệm 83 Hình 4.10: Đáp ứng của lực F và dòng i theo góc α 84 Hình 4.11: Đồ thị nhiệt độ của bộ tạo nhiệt theo thời gian t 85 Hình 4.12: Biên độ rung theo thời gian 86 Hình A1.1: Lấy vòng lặp 91 xiii
16. Hình A1.2: Khối While Loop 91 Hình A1.3: Khối Case Structure 92 Hình A1.4: Khối Flat Sequence 92 Hình A1.5: Khối While Loop 93 Hình A2.1: Cách lấy hàm delay thời gian 93 Hình A2.2: Khối Flat Sequence 94 Hình A2.3: Hàm While Until Next ms Multiple 94 Hình A3.1: Các hàm tính toán trong LabVIEW 95 Hình A3.2: Các hàm so sánh trong LabVIEW 95 Hình B1.1: Kết quả lập trình P control cho động cơ DC 96 Hình B1.2:Sơ đồ khối chương trình điều khiển P control 96 Hình B1.3: Giao diện người dùng điều khiển P cho động cơ DC 97 Hình B1.4: Đáp ứng của vị trí động cơ DC 97 Hình B2.1: Điều khiển khâu PI vị trí động cơ DC 99 Hình B2.2: Điều khiển khâu PID vị trí động cơ DC 100 xiv
17. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 4.1: Các linh kiện điện và điện tử sử dụng trong mô hình thí nghiệm 78 xv
18. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Ngày nay, công nghệ thông tin và phần mềm đã phát triển mạnh mẽ và không ngừng vươn tới những đỉnh cao của khoa học. Những thành tựu đã đạt được của nó góp phần rất lớn vào nhiều lĩnh vực khác nhau trong đời sống cũng như trong kỹ thuật, giúp cho việc điều khiển các thiết bị kỹ thuật dễ dàng và chính xác hơn. Quan trọng hơn, đó là việc điều khiển từ xa giúp cho con người điều khiển các thiết bị, phương tiện thực hiện các nhiệm vụ nguy hiểm mà con người không thể trực tiếp tham gia, ví dụ như hoạt động dò phá bom mìn, làm sạch các nhà máy hạt nhân, lắp ráp chế tạo bom hạt nhân Bên cạnh đó, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử đã can thiệp rất nhiều vào các hệ thống trên ô tô và dần dần thay thế các chi tiết cơ khí vốn cồng kềnh, dễ hư hỏng, giúp cho ô tô ngày càng thông minh hơn. Ví dụ, công nghệ điều khiển bướm ga bằng điện tử đã thay thế dây cáp nối từ bàn đạp ga xuống trụ ga, hay hệ thống lái không trục lái đã bỏ đi được trục lái và làm cho không gian cabin rộng hơn tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế nội thất. Ngoài ra, ngành công nghiệp ô tô cũng kế thừa một thành tựu quan trọng của công nghệ điện tử, truyền thông đó là kỹ thuật điều khiển từ xa. Trong việc điều khiển ô tô từ xa, người điều khiển không trực tiếp điều khiển chiếc xe mà phải thông qua giao diện người dùng. Do đó, cảm giác khi điều khiển xe thông qua giao diện người dùng sẽ có rất nhiều hạn chế như không cảm nhận được các lực tác động từ môi trường lên chiếc xe mà ta đang điều khiển như sự rung lắc khi xe đi vào đường mấp mô, không cảm nhận được lực quán tính khi phanh hay khi tăng, giảm tốc độ đột ngột, tầm nhìn bị hạn chế, nhiệt độ môi trường xe đang làm việc. Chúng ta cũng dễ nhận thấy là khi thay thế các chi tiết cơ khí trong một số hệ thống thì cảm giác khi điều khiển sẽ không giống như khi ta trực tiếp điều khiển, dẫn đến hiệu quả điều khiển sẽ không cao. Để nâng cao hiệu quả điều khiển từ xa ô 1
19. tô thì cần có một công nghệ mà phải tái tạo một phần hay toàn bộ trạng thái đang hoạt động của chiếc xe hay cảm giác khi gián tiếp tương tác với hệ thống của xe, làm cho người điều khiển có cảm giác như khi trực tiếp điều khiển xe, nghĩa là cần phải có sự phản hồi thông tin từ chiếc xe đến người điều khiển hay tương tác giữa người và xe hoặc là tương tác giữa người điều khiển và các thiết bị trên ô tô. Thông tin phản hồi này có thể là hình ảnh, âm thanh, lực tác động Trong số các thông tin phản hồi đó, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu thông tin phản hồi xúc giác bởi vì thông tin này chiếm vị trí quan trọng các các thông tin như hình ảnh, âm thanh. Một trong những công nghệ có thể tái tạo được cảm giác xúc giác này chính là công nghệ Haptics. Có thể nói, công nghệ Haptics là công nghệ của ô tô trong tương lai mà thế giới đang hướng tới. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Haptisc trên ô tô sẽ giúp cho việc điều khiển ô tô từ xa chính xác hơn. Hơn nữa, công nghệ tái tạo cảm giác xúc giác cũng góp phần quan trọng về các mặt như: + Về kinh tế xã hội: Việc nghiên cứu công nghệ tái tạo cảm giác xúc giác thành công sẽ giúp cho Việt Nam không bị lệ thuộc vào việc mua công nghệ này từ nước ngoài mà chúng ta sẽ là người làm chủ công nghệ này trong tương lai không xa, do đó sẽ giảm được chi phí cho xã hội. + Về khoa học kỹ thuật: Nó giúp cho các ngành y học, công nghiệp chế tạo lắp ráp phát triển lên một bậc cao. Ví dụ như nó có thể giúp cho các bác sĩ tiến hành phẫu thuật từ xa một cách chính xác mà không cần phải trực tiếp đến phòng mổ, điều này rất thuận tiện trong những trường hợp khẩn cấp mà bác sĩ phẩu thuật ở cách xa bệnh nhân cả ngàn cây số. Hay trong việc lắp ráp các thiết bị mang tính chất nguy hiểm, nó sẽ giúp cho chúng ta thực hiện công việc này từ xa tương đối chính xác mà không cần phải trực tiếp làm việc trong những môi trường nguy hiểm này. + Về giáo dục: Chúng ta có thể ứng dụng công nghệ tái tạo xúc giác vào mục đích đào tạo, huấn luyện. Ví dụ, ta có thể tạo ra một mô hình cabin ô tô trên đó có gắn các thiết bị cần thiết cho việc điều khiển ô tô như: vô lăng, ghế ngồi, bàn đạp 2
20. ga, bàn đạp phanh, bàn đạp ly hợp, cần số và một màn hình quan sát mô phỏng ô tô và môi trường hoạt động của nó. Ca bin này sẽ cho người tập lái cảm giác gần giốngnhư đang ngồi trên ca bin thật của ô tô. Do đó, ta có thể ngồi tập lái trên cabin này trước khi tập lái trên ô tô thật nhằm tiết kiệm nhiên liệu, giảm chi phí đào tạo, giảm ô nhiễm môi trường, tránh những rủi ro do thao tác thiếu chính xác của những người mới tập lái ô tô. Vì những lý do trên mà tác giả quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa” để thực hiện đề tài cao học. 1.2 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước 1.2.1 Nghiên cứu trong nước Liên quan đến vấn đề tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa, hiện đã có nhiều công trình nghiên cứu của các sinh viên, kỹ sư trong các trường Đại học tại Việt Nam đã công bố. Sau đây là một số công trình tiêu biểu: Đề tài “Điều khiển phương tiện từ xa với mô hình xe thực tế” và đề tài Điều khiển xe ba bánh từ xa có phản hồi cảm giác lái” của Nguyễn Trường Giang, Lê Thanh Phong , hướng dẫn bởi TS. Nguyễn Bá Hải, đã nghiên cứuhaiđề tài thành công trong việc điều khiển xe qua sóng wifi trong khuôn viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM. Đề tài “Hệ thống lái gián tiếp điện tử (Steer-by-wire)” của KS. Chu Văn Sinh dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Bá Hải. Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra hệ thống lái không trục lái (lái gián tiếp) cho xe quân sự. Cảm giác lái được tái tạo theo phương pháp đơn giản là lực của một lò xo ảo. Đề tài “Nghiên cứu giao diện haptics phục vụ điều khiển phương tiện từ xa”, đề tài nghiên cứu khoa học trọng điểm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM do TS Nguyễn Bá Hải chủ trì. Đề tài đã nghiên cứu và chế tạo thành công với các cảm giác xúc giác ở 3 trục của cơ cấu điều khiển (hai joystick đơn và một vô lăng). 3
21. Đề tài “Nghiên cứu thiết kế giao diện Haptics điều khiển xe ôtô từ xa qua mạng wifi” của Nguyễn Thành Tuyên và Lê Thiện Tịnh, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2011. - Đề tài mô tả cách thức tạo cảm giác lái thông qua điều khiển xe từ xa. - Nghiên cứu thuật toán PID điều khiển cảm giác lái cho giao diện Haptics. - Thực hiện phương pháp truyền nhận dữ liệu thông qua mạng nội bộ - Hạn chế của đề tài là chưa tạo ra cảm giác xác thực và điều khiển thông qua mạng khác nhau. Đề tài “Nghiên cứu và phát triến hệ thống điều khiển ga phục vụ điều khiển ô tô từ xa” thông qua mạng 3G” của Trần Xuân Trình được thực hiện tại phòng nghiên cứu của trung tâm bồi dưỡng giáo viên và đào tạo nhân lực công nghệ cao Trường Đại Học Sư Phạm dưới sự hướng dẫn của TS.Nguyễn Bá Hải, 2012.Trong đề tài này, người thực hiện đã thực hiện được các công viêc như sau: - Thiết kế được cơ cấu điều khiển ga. - Lập trình điều khiển được hệ thống ga điều khiển từ xa qua mạng 3G. - Đo đạc được độ trễ của tín hiệu khi truyền qua mạng thông qua mạng 3G. - Đo được độ đáp ứng về sự tăng tốc của xe khi truyền qua mạng. - So sánh độ đáp ứng giữa viêc điều khiển trực tiếp và điều khiển từ xa qua. Hạn chế của đề tài : - Đề tài chì có thể điều khiển ga gián tiếp trên một chiếc xe chở 4 người, và chỉ đạt vận tốc tối đa 30km/h. - Xe mang tính chất thí nghiệm nên chưa thể chạy ra lộ mà chỉ được thử nghiệm trong khuôn viên trường. - Xe chỉ có thể điều khiển được trong vòng bán kính 100m. - Do tốc độ truyền dữ liệu qua mạng có một độ trễ nhất định nên cơ cấu được điều khiển sẽ có một độ trễ nhất định so với thực tế. 4