Luận văn Xây dựng giao diện thân thiện điều khiển ô tô từ xa (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Xây dựng giao diện thân thiện 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 PHẠM HỮU NGHĨA XÂY DỰNG GIAO DIỆN THÂN THIỆN ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ, MÁY KÉO - 605246 S KC 0 0 4 0 3 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 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 PHẠM HỮU NGHĨA XÂY DỰNG GIAO DIỆN THÂN THIỆN ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô TÔ MÁY KÉO - 605246 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN BÁ HẢI Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9/2013
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: PHẠM HỮU NGHĨA Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12-7-1983 Nơi sinh: An Giang Quê quán: An Giang Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 88 Cư Xá Lam Sơn P.17 Gò Vấp TPHCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: Email: nghia_auto@yahoo.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2001 đến 02/2006 Nơi học (trường, thành phố): TP. Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ Khí Động Lực Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: THIẾT KẾ GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ GIẢNG DẠY MÔN HỌC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ Ô TÔ Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 02/2006 Người hướng dẫn: Ths. TRẦN ĐÌNH QUÝ III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2006 Công ty Western Ford Kỹ thuật viên Điện-Điện Lạnh 2008 Công ty Citi Ford Cố vấn dịch vụ 2011 Cao đẳng nghề KTCN TPHCM Giáo viên 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 06 tháng 9 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii
5. LỜI CẢM ƠN Trải qua 5 tháng nghiên cứu và tiến hành thực hiện đề tài này tôi đã gặp rất nhiều khó khăn. Nếu không có sự giúp đỡ và hỗ trợ từ nhiều phía trong suốt thời gian qua thì có lẽ tôi đã không thể hoàn thành tốt được đề tài này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt chân thành đến: . TS. Nguyễn Bá Hải là người đã trực tiếp hướng dẫn, tư vấn và hỗ trợ tôi giải quyết được rất nhiều vấn đề khó khăn trong suốt quá trình thực hiện đề tài. . Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu nhà trường, Phòng Đào Tạo và Ban Chủ Nhiệm Khoa Cơ Khí Động Lực trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo điều kiện tối đa cho tôi hoàn thành tốt được luận văn này. . Cảm ơn Trung tâm nghiên cứu và ứng dụng Học Để Làm đã giúp đỡ cho tôi các thiết bị phần cứng và tư vấn thuật toán trong quá trình thực hiện đề tài. . Cảm ơn gia đình và các đồng nghiệp đã không ngừng động viên, khích lệ tinh thần và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong thời gian qua. TP.HCM, ngày 06 tháng 9 năm 2013 PHẠM HỮU NGHĨA. iii
6. XÂY DỰNG GIAO DIỆN THÂN THIỆN ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA Tóm tắt Công nghệ điều khiển xe từ xa không ngừng phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Ngoài các trang thiết bị phần cứng và phần mềm phải mạnh, thuật toán tối ưu thì bên cạnh đó một giao diện điều khiển thân thiện với các thao tác của con người cũng sẽ góp phần nâng cao được hiệu quả cho quá trình điều khiển xe từ xa. Chính vì vậy đề tài này đưa ra một giao diện đề xuất khác với các kiểu giao diện thông thường trước đó, giúp cho người điều khiển cảm nhận được rõ như đang điều khiển xe trực tiếp. Sau 5 tháng nghiên cứu, tác giả đã thiết kế chế tạo thành công giao diện mới điều khiển xe từ xa qua mạng không dây có phản hồi cảm giác lái sát thực. Khi điều khiển xe từ xa qua mạng không dây, các tín hiệu về tốc độ xe, góc quay rẽ trái, phải và tín hiệu từ cảm biến khoảng cách gắn trên thân xe sẽ được phản hồi về phía giao diện. Từ các tín hiệu này bộ xử lý sẽ tính toán tạo ra các phản hồi lực tương ứng lên giao diện giúp cho người điều khiển cảm nhận rõ hoạt động của xe. Qua quá trình thiết kế chế tạo và thực nghiệm, giao diện đề xuất trong đề tài đã cho thấy hiệu quả cao hơn so với kiểu giao diện điều khiển thông thường. Cùng một quãng đường cho trước, giao diện đề xuất giúp xe rút ngắn được thời gian di chuyển và số lần va chạm chướng ngại vật ít hơn so với giao diện thông thường. Các cảm biến khoảng cách gắn trên xe còn có tác dụng cảnh báo người lái khi xe ở gần vật cản. Do đó có thể hạn chế được các rủi ro về va chạm trong trường hợp người điều khiển không quan sát thấy vật cản. Ngoài ra các phản hồi lực theo góc lái và vận tốc xe của giao diện đề xuất cũng giúp tăng cao hiệu quả điều khiển xe so với các giao diện thông thường không có phản hồi cảm giác lái. iv
7. Abstract Technology for vehicle teleoperation is progressed continuously and applied widely in many fields. In addition to the hardware and software equipments have to be powerful and the optimal algorithms, an intuitive control interface with the human manipulations will contribute to enhance the effecacy for the teleoperation process. Therefore this thesis proposed an interface different from the ordinary interfaces before to support the operator for the effective feeling as driving directly. After five months for researching, the author designed and made the new teleoperation interface by a wireless network with the intuitive steering force feedback successfully. When take a teleoperation by a wireless network, the signal of the vehicle speed and turn-left, turn- right angle and distance sensor mounted on the vehicle will be returned to the interface. From this signals, the processor will calculate the force feedback generated corresponding to the interface to enable the operator get the effective feeling of vehicle's operating. Through the process of designing, manufacturing and testing, the proposed interface themes showed higher efficiency than the conventional normal console. Along a given distance, the proposed interface shortened the moving time and the number of collisions less obstacles than the conventional interface. The distance sensor mounted on the vehicle also work to alert the driver when the vehicle near obstructions. Therefore it could limit the risk of the collision in case of the driver is not observed the obstructions. In addition, the force feedback for steering angle and vehicle speed signals of the proposed interface also increase the efficiency compared with the conventional interfaces without feeling steering feedback. iv
8. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục v Thuật ngữ, ký hiệu viết tắt vi Danh sách các hình vii Danh sách các bảng và biểu đồ viii Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1 1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu 1 1.1.1. Giới thiệu 1 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 3 1.1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 4 1.2. Lý do chọn đề tài 7 1.3. Mục đích nghiên cứu 7 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu 8 1.5. Đối tƣợng nghiên cứu 8 1.6. Điểm mới của đề tài 8 1.7. Giới hạn của đề tài 9 1.8. Phƣơng pháp nghiên cứu 9 v
9. 1.9. Kế hoạch thực hiện 9 vi
10. Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG GIAO DIỆN THÂN THIỆN ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA 11 2.1. Điều khiển từ xa 11 2.1.1. Điều khiển từ xa là gì? 11 2.1.2. Các thành phần cơ bản trong điều khiển từ xa 11 2.2. Thiết kế giao diện 12 2.2.1. Giao diện đồ họa 12 2.2.2. Tiêu chuẩn và phương án thiết kế 14 2.2.3. Tương tác thông tin phản hồi từ hệ thống 15 2.2.4. Thiết kế ngõ vào và dòng lệnh 16 2.2.5. Cho phép xử lý linh hoạt 17 2.2.6. Làm việc với các vấn đề về lỗi, sửa lỗi và an toàn 18 2.3. Phân loại giao diện điều khiển từ xa 19 2.3.1. Phân loại 19 2.3.2. Giao diện Haptic 21 2.3.2.1. Chức năng giao diện Haptic 22 2.3.2.2. Các ứng dụng của giao diện Haptic 22 2.3.3. Khảo sát một số giao diện điều khiển từ xa 26 2.3.3.1. Khảo sát giao diện loại 2 với tay điều khiển Joystick 26 2.3.3.2. Khảo sát giao diện loại 3 điều khiển giám sát xe từ xa 30 2.3.3.3. Khảo sát giao diện loại 4 điều khiển xe từ xa có phản hồi Haptic 33 v
11. 2.4. Thuật toán tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển từ xa 36 2.4.1. Khái niệm về cảm giác xúc giác trong điều khiển từ xa 36 vi
12. 2.4.2. Hệ thống lái điều khiển từ xa 37 2.4.3. Các phương pháp tái tạo cảm giác lái 41 2.4.3.1. Đề xuất phương pháp dựa trên động học chuyển động lái 41 2.4.3.2. Đề xuất phương pháp dựa trên biểu đồ mô men lái 41 2.4.3.3. Đề xuất phương pháp dựa trên cảm biến mô men xoắn 43 2.4.3.4. Đề xuất phương pháp dựa trên cường độ dòng điện. 44 2.4.3.4.1. Giới thiệu phương pháp đo dòng điện 44 2.4.3.4.2. Sự tái tạo cảm giác lái 49 2.4.3.4.3. Điều khiển tự do vô lăng 51 2.5. Ngôn ngữ lập trình LabVIEW 51 2.5.1. Giới thiệu 51 2.5.2. Lập trình với LabVIEW 54 2.5.3. Lý thuyết điều khiển PID 58 2.5.4. Giao thức TCP/IP 61 Chƣơng 3. XÂY DỰNG GIAO DIỆN THÂN THIỆN ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA 63 3.1. Tổng quan về giao diện đề xuất trong đề tài 63 3.2. Yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật khi thiết kế 64 3.3. Thiết kế phần cơ khí 65 3.3.1. Mô hình xe điều khiển từ xa 65 3.3.2. Mô hình giao diện đề xuất 66 3.3.2.1. Thiết kế cơ bản 66 3.3.2.2. Hoàn chỉnh 69 v
13. 3.4. Thiết kế phần mạch điện 72 3.4.1. Giao diện điều khiển phía vô lăng 72 vi
14. 3.4.1.1. Sơ đồ khối 72 3.4.1.2. Sơ đồ mạch điện 73 3.4.2. Xe mô hình 78 3.4.2.1. Sơ đồ khối 78 3.4.2.2. Sơ đồ mạch điện 78 3.5. Thiết kế thuật toán điều khiển từ xa 80 3.5.1. Thuật toán tái tạo cảm giác lái trên vô lăng 80 3.5.2. Thuật toán trên xe mô hình 85 Chƣơng 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 87 4.1. Thực nghiệm 87 4.2. Kết quả 88 4.2.1. Kết quả thực nghiệm đối với giao diện ở trường hợp 1 88 4.2.2. Kết quả thực nghiệm đối với giao diện ở trường hợp 2 89 Chƣơng 5 : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 91 5.1. Kết luận 91 5.2. Hạn chế 91 5.3. Hƣớng phát triển đề tài 92 Tài liệu tham khảo 93 v
15. THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VIẾT TẮT Robot: là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Haptics: từ gốc Hy Lạp chỉ các cảm giác xúc giác. LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench): phần mềm máy tính được phát triển bởi hãng National Instrument, Hoa Kỳ. Camera: thiết bị điện tử dùng để ghi hình. Cabin: buồng lái bên trong xe. DC (Direct Current): động cơ điện một chiều. PID (Proportional Integral Derivative): bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ. HDL 9090: mạch giao tiếp máy tính Học Để Làm 9090. TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol): chuẩn giao thức điều khiển truyền dữ liệu. Modem (Modulator and Demodulator): thiết bị điều chế sóng tín hiệu tương tự để mã hóa thành dữ liệu số và ngược lại. Wireless LAN: mạng giao tiếp dữ liệu nội bộ không dây. Wifi: sóng thu phát không dây. 3G (Third-generation Technology): công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3. Menu: danh sách các tùy chọn chức năng điều khiển. Multi-media: các định dạng hình ảnh, âm thanh. DOF (Degrees Of Freedom): bậc tự do của một cơ cấu. Joystick: thiết bị điều khiển cầm tay. PWM (Pulse Width Modulated): phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra. A\V (Audio\Video): bộ thu phát hình ảnh, âm thanh. Bluetooth: công nghệ cho phép trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị không cần dây và cáp. Encoder: thiết bị chuyển đổi vị trí góc quay thành tín hiệu tương tự hoặc số. Drive By Wire: điều khiển lái bằng điện tử. UDP (User Datagram Protocol): giao thức cốt lõi của chuẩn giao tiếp TCP/IP. RW (Road Wheel): bánh xe. HW (Hand Wheel): vô lăng lái. vi
16. Motor: động cơ điện. ACS712: mạch đo dòng. vii
17. USB (Univeral Serial Bus): chuẩn kết nối các thiết bị điện tử. PCI (Peripheral Component Interconnect): chuẩn truyền dữ liệu giữa các thiết bị ngoại vi đến bo mạch chủ. Ethernet: công nghệ truyền tải dựa trên khung dữ liệu dành cho mạng nội bộ. Webcam: thiết bị thu phát hình ảnh. VI (Virtual Instrument): thiết bị ảo trong phần mềm LabVIEW. SubVI: là một VI được sử dụng trong một VI khác. Server: phía máy chủ. Client: phía máy trạm, máy chấp hành. vi
18. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Xe không người lái Guardium 1 Hình 1.2: Robot thăm dò sao hỏa Curiosity 2 Hình 1.3: Giao diện haptics được đề xuất 5 Hình 2.1: Sơ đồ khối điều khiển từ xa 12 Hình 2.2: Giao diện điều khiển từ xa có hiển thị định vị 13 Hình 2.3: Giao diện điều khiển trang bị laptop và giao tiếp âm thanh 20 Hình 2.4: Thiết bị Haptic Handshake hỗ trợ giao diện điều khiển chính 23 Hình 2.5: Giao diện trò chơi bắn súng có thiết bị Haptic 24 Hình 2.6: Mô phỏng cánh tay 3D với giao diện Haptic 6-DOF 24 Hình 2.7: Mô phỏng liên kết phân tử trong y học 25 Hình 2.8: Trang bị iDrive trên BMW series 7 26 Hình 2.9: Giao diện Joystick 27 Hình 2.10: Cơ chế hoạt động Joystick 28 Hình 2.11: Hoạt động điều khiển từ xa 29 Hình 2.12: Giao diện giám sát 30 Hình 2.13: Hoạt động của giao diện giám sát 33 Hình 2.14: Sơ đồ khối cấu tạo giao diện PHANTOM có phản hồi xúc giác 34 Hình 2.15: Sơ đồ hoạt động giao diện PHANTOM 35 Hình 2.16: Các cảm nhận Haptic 37 Hình 2.17: Sơ đồ khối hệ thống lái điều khiển từ xa qua mạng không dây 38 Hình 2.18: Sơ đồ động lực học hệ thống phía HW và RW 40 Hình 2.19: Sơ đồ điều khiển biểu đồ mô men xoắn 42 Hình 2.20: Sơ đồ điều khiển cảm biến mô men xoắn 44 Hình 2.21: Sơ đồ tái tạo cảm giác lái dùng cảm biến dòng 45 Hình 2.22: Sơ đồ kết nối của cảm biến dòng 48 Hình 2.23: Mối liên hệ giữa điện áp và dòng điện trong cảm biến ACS712 48 Hình 2.24: Kiểm soát nhiệt độ bằng ngôn ngữ lập trình LabVIEW 53 Hình 2.25: LabVIEW giao tiếp với phần cứng thiết bị 54 Hình 2.26: Giao diện làm việc chính của LabVIEW 56 vii
19. Hình 2.27: Tool Palette và Controls Palette 57 Hình 2.28: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 59 Hình 2.29: Giá trị đặt, giá trị đo được và diện tích sai lệch 61 viii
20. Hình 2.30: Sơ đồ truyền và nhận tín hiệu giữa vô lăng và xe 62 Hình 3.1: Giao diện đề xuất điều khiển xe từ xa qua mạng không dây có phản hồi cảm giác lái 63 Hình 3.2: Xe ba bánh sử dụng trong điều khiển từ xa 66 Hình 3.3: Mô phỏng hình dạng 3D giao diện đề xuất 67 Hình 3.4: Thông số cơ bản 68 Hình 3.5: Phần khung sườn 69 Hình 3.6: Phần vô lăng 70 Hình 3.7: Phần cơ cấu điều khiển vận tốc 71 Hình 3.8: Sơ đồ khối mạch điện trên vô lăng 73 Hình 3.9: Sơ đồ nối dây mạch điện trên vô lăng 74 Hình 3.10: Động cơ DC điều khiển rẽ trái phải 75 Hình 3.11: Động cơ DC điều khiển tiến lùi 75 Hình 3.12: Mạch công suất điều khiển động cơ trái phải 76 Hình 3.13: Mạch công suất điều khiển động cơ tiến lùi 76 Hình 3.14: Sơ đồ chân mạch công suất 77 Hình 3.15: Mạch giao tiếp máy tính HDL USB 9090 77 Hình 3.16: Sơ đồ khối mạch điện trên xe 3 bánh 78 Hình 3.17: Sơ đồ nối dây mạch điện trên xe 3 bánh 79 Hình 3.18: Lưu đồ thuật toán tái tạo cảm giác lái 81 Hình 3.19: Chiều các mô men 84 Hình 3.20: Lưu đồ thuật toán điều khiển vô lăng tự trả về vị trí cân bằng 85 Hình 3.21: Lưu đồ thuật toán điều khiển xe mô hình 86 Hình 4.1: Thực nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng không dây có phản hồi cảm giác lái sát thực 88 vii
21. DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ BIỂU ĐỒ BẢNG VÀ BIỂU ĐỒ TRANG TRANG Bảng 2.1: Tiêu chuẩn thiết kế giao diện theo Shneiderman và Nielsen 14 Bảng 2.2: Các thông số dùng trong mô phỏng 50 Bảng 3.1: Thông số thiết kế phần khung sườn 68 Bảng 3.2: Thông số cơ bản phần khung sườn 69 Bảng 3.3: Thông số cơ bản phần vô lăng 71 Bảng 3.4: Thông số cơ bản cơ cấu điều khiển vận tốc 72 Bảng 3.5: Góc đánh lái α và vận tốc thực tế của xe vtt 82 Bảng 4.1: Kết quả thí nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng không dây không có phản hồi cảm giác xúc giác 88 Biểu đồ 4.1: Kết quả thí nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng không dây không có phản hồi cảm giác xúc giác 89 Bảng 4.2: Kết quả thí nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng không dây có phản hồi cảm giác xúc giác 90 Biểu đồ 4.2: Kết quả thí nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng không dây có phản hồi cảm giác xúc giác 90 viii