Nghiên cứu giải pháp điều khiển xe từ xa bằng công nghệ haptics trong trường hợp không phản hồi hình ảnh

Nội dung text: Nghiên cứu giải pháp điều khiển xe từ xa bằng công nghệ haptics trong trường hợp không phản hồi hình ảnh

1. NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE TỪ XA BẰNG CÔNG NGHỆ HAPTICS TRONG TRƯỜNG HỢP KHÔNG PHẢN HỒI HÌNH ẢNH A STUDY OF HAPTIC TECHNOLOGY- BASED VEHICLE TELEOPERATION WITHOUT VISION FEEDBACK [1]TS. Nguyễn Bái Hải, [2]KS. Nguyễn Quang Sang Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM [1]bahai@hcmute.edu.vn, [2]sangcko@gmail.com Tóm tắt Một trong những nghiên cứu và giải pháp đầu tiên trên thế giới được lần đầu trình bày trong bài báo này. Điểm mới của đề tài này 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 điều khiển xe đến được mục tiêu bằng cách sử dụng một giao diện haptics. Nghiên cứu này đã được kiểm tra, so sánh kết quả với 18 lần thí nghiệm tại khuôn viên trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM thông qua ba trường hợp: 1- Điều khiển xe từ xa có phản hồi hinh 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, đi đến được những vùng không có hoặc thiếu ánh sáng và thiếu hình ảnh do đường truyền băng thông thấp gây ra. Từ khóa: Xúc giác, thiếu ánh sáng, thiếu hình ảnh, băng thông thấp, LabVIEW, giao diện phản hồi xúc giác, điều khiển từ xa, phương tiện, thuật toán Abstract A novel haptics-based control method of vehicle teleoperation without vision feedback is proposed in the research. The main contributions of this study are the control strategies to produce haptics feedback to human operator. Therefrom the teleoperator drive vehicle go to the target using a haptics interface. 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 haptics 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 Keywords: Haptics, low light, low vision, low bandwidth, LabVIEW, haptic interface, vehicle teleoperation, algorithms 1. Giới thiệu - Giảm chi phí và năng cao hiệu quả điều khiển xe từ xa Đề tài này trình bày một giải pháp điều khiển xe từ xa thông qua các tín hiệu thu và phát với băng thông truyền nhỏ trong trường hợp không phản hồi hình ảnh dựa trên công nghệ Vấn đề điều khiển phương tiện từ xa đã được nhiều nhóm haptics. Trong đó, sử dụng hệ thống cảm biến hồng ngoại nghiên cứu trên thế giới thực hiện với rất nhiều phương pháp tránh vật cản, xây dựng thuật toán tìm đường đến mục tiêu sử khác nhau và có những thành công nhất định bên cạnh các dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và thiết kế chế tạo mô nhược điểm của từng phương pháp. Trong đó, vấn đề độ rộng hình giao diện điều khiển phản hồi xúc giác. Khi đề tài thành băng thông truyền dữ liệu cũng như chất lượng thu nhận các công nó sẽ: thông tin về môi trường làm việc của phương tiện kém do - Giải quyết được bài toán điều khiển xe từ xa đi đến mục không có hoặc thiếu ánh sáng gây ra ảnh hưởng rất nhiều đến tiêu trong trường hợp không phản hồi hình ảnh chất lượng điều khiển và có thể không điều khiển được - Làm cơ sở chế tạo thiết bị, phương tiện dẫn đường cho phương tiện. các phương tiện di chuyển trong môi trường không có hoặc thiếu ánh sáng.
2. Để khắc phục nhược điểm này chúng tôi tiến hành thực Nhiệm Điều khiển xe từ xa đi đến mục tiêu, Chúng tôi nghiệm và đánh giá kết quả điều khiển xe từ xa với mô hình vụ 2: đề xuất sử dụng bộ thu tín hiệu GPS [02] để xác tổng quan hệ thống như hình 1.1. Di định tọa độ xe di chuyển và tọa độ mục tiêu. Từ chuyển đó, ta xác định được độ lệch hướng của xe e(ti) đúng tại mọi vị trí so với hướng đi ban đầu của nó Wireless router hướng (hướng từ điểm bắt đầu đến điểm mục tiêu). GPS Vòng đeo tay đến mục Thành phần sai lệch này sẽ tạo ra trường lực ảo tiêu kéo xe đi về đúng hướng ban đầu của nó nhờ Mục vào thuật toán điều khiển tốc độ động cơ DC tiêu (PID) [xem Hình 2.3] gắn với vô lăng. Lý thuyết trường lực ảo được xây dựng dựa trên sơ đồ sau: Vành tay lái Xe (y) Thời gian trễ tín hiệu GPS Đường di Mục tiêu Giao diện điều khiển Môi trường độ thực nghiệm chuyển của xe phản hồi xúc giác G Vật cản Hình 1.1: Mô hình tổng quan hệ thống điều khiển xe từ xa Kinh e(ti) Mô hình hệ thống điều khiển xe từ xa (Hình 1.1) sử dụng + e(t ) giao diện điều khiển phản hồi xúc giác, bộ thu GPS, camera, i cảm biến khoảng cách và thiết bị truyền dữ liệu không dây. O Trường lực ảo 2. Phân tích và đề xuất thuật toán tránh vật cản và tìm Xe đường đến mục tiêu dựa trên công nghệ haptics 0 (Bắt đầu) Vĩ độ (x) 2.1 Tổng quan về phương pháp tránh vật cản và tìm Hình 2.1: Trường lực ảo và đường di chuyển của xe đường đến mục tiêu Thành phần sai lệch e được tính bởi công thức: Điều khiển phương tiện từ xa tránh các vật cản và đi đến (2.1) mục tiêu. Hiện nay có nhiều phương pháp điều khiển, phần Trong đó hệ số góc ban đầu của xe là góc giữa vector chỉ này chúng tôi trình bày phương pháp điều khiển xe từ xa phương của xe đến mục tiêu với mặt phẳng kinh độ (đối tránh vật cản và tìm đường đến mục tiêu bằng công nghệ phản với tín hiệu GPS), là các hệ số góc thay đổi khi xe di hồi xúc giác trong trường hợp không phản hồi hình ảnh như sau: Để điều khiển xe từ xa đi đến được mục tiêu thì người lái chuyển trong mặt phẳng tọa độ Oxy với i = 1, 2, 3, , n. là phải thực hiện được hai nhiệm vụ cốt lõi là tránh được vật cản vector chỉ phương của xe đến mục tiêu ở miền trên OG. là và di chuyển đúng hướng đến mục tiêu. vector chỉ phương của xe đến mục tiêu ở miền dưới OG. Nhiệm Nhóm tác giả đề xuất sử dụng cảm biến hồng , ( là tọa độ xe tại điểm bắt đầu, vụ 1: ngoại được lắp phía trước đầu xe. Khoảng cách ( là tọa độ mục tiêu, , ( là Tránh từ vật cản đến xe được cảm biến đo đạc và các vật chuyển đổi tín hiệu này thành giá trị điện áp tọa độ xe di chuyển. cản [01]. Tùy vào khoảng cách vật cản mà giá trị Lực ảo được tính bởi công thức: điện áp đầu ra trên cảm biến sẽ thay đổi. Từ đó, (2.2) tạo cảm giác xúc giác cho người điều khiển Trong đó: nhận biết tránh các vật cản nhờ vào thuật toán Fi là lực ảo tác dụng lên xe tạo độ rung khác nhau (PWM) [xem Hình 2.3] Kp là hệ số tỷ lệ dương trên vòng đeo tay. e (ti) là độ lệch hướng của xe ở thời điểm ti, với i = 1, 2, 3, , n.
3. Trường lực ảo được tạo ra bằng công nghệ haptics trên Các cảm giác trên giao diện điều khiển bao gồm: giao diện điều khiển [xem Hình 2.3]. Người điều khiển sẽ - Cảm giác lái bị lệch hướng là lực tạo ra bởi vô lăng tác dụng cảm nhận được mức độ xe bị lệch hướng di chuyển và điều lên tay người lái. chỉnh vô lăng lái sao cho phù hợp. - Cảm giác xe gần vật cản, xe đi ra xa mục tiêu và xe đã đến 2.2 Thuâṭ toá n tránh vật cản và tìm đường đến mục tiêu mục tiêu là những cường độ rung khác nhau của vòng đeo tay dựa trên công nghệ haptics Khoảng cách từ xe đến vật cản Dựa trên lý thuyết trường lực ảo được xây dựng và cách Khoảng cách từ xe đến mục tiêu lựa chọn đường đi của xe khi xe gặp vật như hình 2.1, thuật (Những đầu vào khác) toán được xây dựng như sau: Bộ chấp hành Bắt đầu PC, PWM điều khiển LabVIEW Vibrator vòng đeo tay PID điều khiển Bộ chấp hành Đọc tín hiệu tọa độ GPS Motor vành tay lái Độ lệch S Dữ liệu Dừng xe hướng e GPS Đ (Những đầu vào khác) Hiển thị tọa độ bắt đầu , tọa độ xe di Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển tạo xúc giác trên vòng đeo tay và chuyển và nhập tọa độ mục tiêu vành tay lái Tính khoảng cách từ xe tới mục tiêu , hệ số Dưạ vào các công thứ c (2.2) và các dãy thuật trên, dưạ góc ban đầu , hệ số góc ở thời điểm thay đổi trên tín hiêụ tọa độ của hệ thống định vị GPS, chuẩn kết nối tọa độ xe ( ) không dây để giải quyết bài toán tạo ra lực và cường độ rung Chạy thẳng thông qua lâp̣ trình trong LabVIEW [03]. 3. Kết quả thí nghiệm và so sánh, đánh giá Kiểm tra Kiểm tra Kiểm tra 3.1 Kết quả thí nghiệm vật cản Rẽ phải α Rẽphải - Trường hợp 1: Điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh S Tạo tín hiệu Đ haptics Đ * Mục Bắt đầu Xe thẳng chay và * Đ S tiêu Rẽ trái α và S chạy thẳng S Đ Vật cản Tạo tín hiệu Tạo tín hiệu haptics haptics Đ Mục tiêu * Tạo tín hiệu Rẽ phải α và S haptics chạy thẳng Hình 3.1: Giao diện thu thập số liệu và đ ồ thị bằng LabVIEW trong trường hợp thực nghiệm 1 Tạo tín hiệu haptics Kết quả thực nghiệm xác định được độ lệch chuẩn của tập hợp số liệu thời gian xe di chuyển đến mục tiêu ( : Chạy về Lùi đoạn X * Dừng mục tiêu và rẽ phải α T1 = {243, 232, 221, 248, 224, 236}, số lần thực nghiệm n = 6 Hình 2.2: Lưu đồ thuật toán tạo tín hiệu xúc giác (haptics) Trong lưu đồ hình 2.2, cách tạo tín hiệu haptics được trình (4.1) * * * bày trong hình 2.3. Các thông số như D , d , e , , X, được lấy từ kết quả thực nghiệm [xem Bảng 2.1]. - Trường hợp 2: Điều khiển xe trong trường hợp có phản hồi 2.3 Thuật toán tạo cảm giác trên giao diện điều khiển hình ảnh và phản hồi xúc giác (chỉ có cảm giác xe gần vật
4. cản). N (lần), T (phút, giây), S (dam) 12 11.45 Bắt đầu Mục Xe 11 Số lần xe tiêu 10 gặp vật 9 cản Vật cản 8 Thời gian 7 6,84 6,79 6,43 xe di Mục tiêu 6 6 chuyển đến mục 5 5 Hình 4.2: Giao diện thu thập số liệu và đồ thị b ằng LabVIEW tiêu 4,01 4 3,59 trong trường hợp thực nghiệm 2 4 Quãng Kết quả thực nghiệm xác định được độ lệch chuẩn của tập 3 đường xe hợp số liệu thời gian xe di chuyển đến mục tiêu ( : 2 di chuyển 1 đến mục T2 = {240, 242, 237, 241, 236, 238}, số lần thực nghiệm n = 6 tiêu 0 1 2 3 Trường hợp (4.2) thực nghiêm Hình 3.4: Biểu đồ kết quả thời gian, quãng đường và số lần xe gặp vật cản trong 3 trường hợp thực nghiệm - Trường hợp 3: Điều khiển xe trong trường hợp chỉ có phản Trong hình 4.4 cho ta thấy rõ: hồi xúc giác (có phản hồi cảm giác xe lệch hướng và cảm giác Số lần xe gặp vật cản trong trường hợp 2 là nhỏ nhất, trong xe gặp vật cản - không phản hồi hình ảnh). trường hợp 3 là lớn nhất. Thời gian xe di chuyển đến mục tiêu trong trường hợp 2 với trường hợp 1 xắp xĩ bằng nhau là nhỏ nhất và trong trường hợp 3 là lớn nhất. Quãng đường xe di Bắt đầu Xe chuyển đến mục tiêu trong trường hợp 2 với trường hợp 1 tương đương nhau là nhỏ nhất và trường hợp 3 là lớn nhất. Nếu đặt lần lượt là kết quả điều khiển trong ba trường hợp 1, 2 và 3 thì: Vật cản Mục tiêu Hình 3.3: Đường đi của xe trong trường hợp 3 vẽ bằng LabVIEW Từ phương trình (4.9) và (4.10) ta có: Kết quả thực nghiệm được độ lệch chuẩn của tập hợp số liệu , (4.6) thời gian xe di chuyển đến mục tiêu ( Để đánh giá hiệu quả điều khiển xe từ xa trong trường hợp T3 = {394, 428,406, 400, 375, 417}, số lần thực nghiệm n = 6 1 và trường hợp 2, ta cần xét độ lệch chuẩn của tập hợp số liệu thời gian hoặc tập hợp số liệu quãng đường xe di chuyển (4.3) đến mục tiêu trong hai trường hợp. 3.2 So sánh và đánh giá kết quả thí nghiệm Từ kết quả trung bình của các số liệu trong ba trường hợp điều khiển xe từ xa ta có biểu đồ sau:
5. - Thiết kế và thi công giao diện haptics điều khiển xe từ xa. T (s) Trường hợp 1 - Tạo được cảm giác lái khi xe bị lệch hướng di chuyển đến 250 mục tiêu, cảm giác khi xe gặp các vật cản trên đường đi và 250 Trường hợp 2 243 Trung bình cảm giác khi xe đã đến mục tiêu. 242 240 241 241 thời gian xe Măc̣ dù có nhiều cố gắng tuy nhiên với trình độ và kinh 240 240 236 di chuyển đến phí cũng như thời gian có nhiều hạn chế nên đề tài có phạm vi 237 238 238 232 mục tiêu nhất điṇ h. Trong tương lai tác giả hoàn thiêṇ các phần sau: 230 - Tối ưu hóa đường đi ngắn nhất cũng như thời gian nhanh 1 2 3 4 5 6 Lần thực nghiêm (n) nhất của xe di chuyển đến mục tiêu. Hình 3.5: Biểu đồ các kết quả thời gian xe di chuyển đến mục - Phát triển bộ thu GPS với hệ đo quán tính (INS) để kết quả tiêu trong trường hợp 1 và trường hợp 2 làm việc của xe tốt hơn dựa trên la bàn số và cảm biến gia tốc Độ lệch chuẩn của tập hợp thời gian trong trường hợp 1 giúp cho xe hoạt động được khi không có tín hiệu GPS. ( ) và trường hợp 2 ( ) - Năng cấp phiên bản giao diện điều khiển haptics và các Từ phương trình (4.1) và (4.2) ta có: thiết bị ngoại vi thu nhận thông tin về môi trường hoạt động 2,16 < 5,42 (4.7) của xe để có thể hoạt động trên mọi địa hình. Phương trình (4.7) cho thấy, độ lệch chuẩn của tập hợp số Tài liệu tham khảo liệu thời gian xe đến mục tiêu trong trường hợp 2 nhỏ hơn [01] http/www.sharp.co.jp/ecg “IR sensor” trường hợp 1. Từ đó, ta nhận xét được rằng sự ổn định trong [02] www.holux.com.tw “Holux GR – 213”. điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh và phản hồi xúc giác [03] TS. Nguyễn Bá Hải, “Giáo trình Lập trình LabVIEW”, kết hợp tốt hơn điều khiển xe từ xa chỉ có phản hồi hình ảnh. NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2012. [04] Hwan-Seok Choi, Ok-Deuk Park, Han-Sil Ki, Nếu đặt là hiệu quả điều khiển xe từ xa có phản hồi “Autonomous Mobile Robot Using GPS”, International hình ảnh và phản hồi xúc giác, là hiệu quả điều khiển xe từ Conference on Control and Automation, Hungary, 2005. xa chỉ có phản hồi hình ảnh thì: [05] S. Noga “Kinematics and Dynamics of some selected  (4.8) two-wheeled mobile robots” Archives of Civil and Mechanical Engineering, Resovia University of Technology, Đối với hiệu quả điều khiển xe từ xa chỉ có phản hồi xúc giác là trường hợp riêng, nên chúng ta không thể so sánh hiệu Poland. Volume 6, Issue 3, 2006, Pages 55–70. quả điều khiển của nó với hai trường hợp đã nêu trên. Nhưng Phụ lục có thể đánh giá được hiệu quả điều khiển của trường hợp này Bảng 2.1: Thông số kỳ vọng các tín hiệu điều khiển thông qua độ lệch chuẩn tập hợp số liệu thời gian xe đến mục Kí Các thông số kỳ vọng của tín Giá trị Đơn hiệu hiệu điều khiển Max Min vị tiêu. Từ phương trình (4.3) và ta được: D* Khoảng cách từ xe đến mục tiêu 7 2 m  (4.9) d* Khoảng cách từ xe đến vật cản 60 20 cm * Như vậy, độ lệch chuẩn thời gian trong những lần thực e Góc độ lệch hướng 3 - 3 Độ Góc mỗi lần điều chỉnh của người nghiệm ( ) so với tổng thời gian trung bình xe đến mục tiêu 2 - 2 Độ lái trên vô lăng ( ) tương đối nhỏ hay hiệu quả điều khiển xe từ xa chỉ có X Khoảng lùi của xe khi gặp vật cản 40 30 cm phản hồi xúc giác tương đối chấp nhận được. Tọa độ kinh tuyến điểm mục tiêu lon 10646.3365 4. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo Tọa độ vĩ tuyến điểm mục tiêu lat 1051.0818 Qua đề tài nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều khiển xe Tọa độ kinh tuyến điểm bắt đầu lon 10646.3908 từ xa bằng công nghệ haptics trong trường hợp không phản Tọa độ vĩ tuyến điểm bắt đầu lat 1051.0992 hồi hình ảnh. Kết qua đaṭ đươc̣ và đóng góp của đề tài chủ ̉ yếu gồm:
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.