Nghiên cứu và so sánh các phương pháp điều khiển phương tiện từ xa

Nội dung text: Nghiên cứu và so sánh các phương pháp điều khiển phương tiện từ xa

1. NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHƢƠNG TIỆN TỪ XA A STUDY AND COMPARISION OF CONTROL METHODS FOR VEHICLE TELEOPERATION [1]TS. Nguyễn Bá 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 Bài báo này tập trung phân tích và so sánh các phương pháp điều khiển phương tiện từ xa được sử dụng rộng rãi bao gồm: 1- Điều khiển phương tiện từ xa có phản hồi hình ảnh. 2- Điều khiển phương tiện từ xa có phản hồi hình ảnh và phản hồi xúc giác (haptics). 3- Điều khiển phương tiện từ xa không phản hồi hình ảnh. Từ những ưu nhược điểm của từng phương pháp này, nhóm tác giả đề xuất những giải pháp giải quyết các vấn đề còn tồn tại. Trong đó, vấn đề điều khiển phương tiện từ xa trong môi trường không có hoặc thiếu ánh sáng và thiếu hình ảnh do đường truyền băng thông thấp gây ra là nội dung nghiên cứu chính. Từ khóa: xúc giác, điều khiển từ xa, thiếu ánh sáng, thiếu hình ảnh, băng thông thấp, phương tiện. Abstract This paper focuses on will be analyzing and comparing of control methods for vehicle teleoperation include: 1- Vehicle teleoperation with vision feedback. 2- Vehicle teleoperation with vision feedback and haptic feedback. 3- Vehicle teleoperation with only haptic feedback (without vision feedback). From the advantages and disadvantages of each mentioned method, the authors propose the solution to solve open problems in vehicle teleoperation caused by the lack of vision feedback. Keywords: haptics, vehicle teleoperation, low light, low vision, low bandwidth. 1. Giới thiệu phương pháp này ghi lại hoạt động của đối tượng thực và tái Hệ thống điều khiển phương tiện từ xa được phát triển vào tạo chúng lại trên giao điện điều khiển. Từ đó, người sử dụng giữa những năm 1940 để xử lý nguyên liệu phóng xạ và ít có được cảm giác chân thật khi tương tác với đối tượng từ xa. người biết rằng, những hệ thống điều khiển từ xa đầu tiên trên Một trong những nhóm nghiên cứu nỗi tiếng trên thế giới là thế giới được ra đời nhằm mục đích phụ vụ cho chiến tranh nhóm nghiên cứu trường đại học công nghệ Hàn Quốc gồm như điều khiển, dẫn hướng cho các tàu chiến, xe tăng, máy giáo sư Jee-Hwan Ryu, tiến sĩ Nguyễn Bá Hải, đã có những bay, tên lửa hành trình, kích nổ những quả bom, Ngày nay, công trình nỗi bật như chế tạo giao diện điều khiển xe từ xa công nghệ tuyệt vời này tiếp tục được cải tiến để phục vụ đắc với 3 bậc tự do kiểm soát và cảm nhận xúc giác các hoạt động lực trong các lĩnh vực khảo sát dò tìm, khám phá những vùng tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải [02]. Nghiên cứu phương pháp tái tạo đất mới, giám sát và điều khiển các phương tiện từ xa, mà cảm giác lái ( xúc giác) sử dụng dòng điện đo trực tiếp từ cơ con người không thể trực tiếp làm việc những trong môi cấu chấp hành[03]. Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Christopher trường đặc biệt nguy hiểm, khó khăn hoặc độc hại. M. Schlick và Tiến sĩ Boris Trouvain trường đại học RWTH, Vấn đề điều khiển phương tiện từ xa được nhiều nhóm Đức đã và đang nghiên cứu, phát triển hai hệ thống điều khiển nghiên cứu trên thế giới thực hiện bao gồm: phương tiện không người lái trên không (UAV), hệ thống điều Một nghiên cứu và ứng dụng điều khiển phương tiện từ xa khiển phương tiện trên mặt đất (UGV) có chức năng thực hiện trong lĩnh vực dịch vụ và thương mại của nhóm gồm Tiến sĩ nhiều nhiệm vụ khó khăn trong nhiều môi trường khắc nghiệt John S. Bay, Charles E. Nunnally, Pushkin Kachroo nhằm và phản hồi thông tin chính xác từ môi trường làm việc của phục vụ vận chuyển hàng hóa, giám sát an ninh, [01] . Bằng phương tiện về giao diện điều khiển [04]. cách sử dụng hệ thống camera quan sát có khả năng quay hình 2.Phân tích các phƣơng pháp điều khiển phƣơng tiện từ xa ảnh các hoạt động của phương tiện và gửi về trung tâm điều 2.1 Phƣơng pháp điều khiển phƣơng tiện từ xa có phản hồi khiển, nhóm đang tăng cường hiệu quả điều khiển và sẽ hình ảnh thương mại sản phảm trong thời gian tới. Trong phương pháp này, những hình ảnh về môi trường Gần đây, các nghiên cứu đã tập trung vào một phương làm việc của phương tiện từ xa được truyền về giao diện điều pháp điều khiển phương tiện từ xa phản hồi xúc giác (haptics), khiển thông qua thiết bị thu phát hình ảnh cho phép người
2. điều khiển quan sát khung cảnh làm việc của phương tiện từ một hoặc nhiều cameras. Vấn đề thứ nhất đặt ra, góc quan sát xa bằng mắt thường trên màn hình máy tính và thực hiện các của camera có giới hạn từ 30 đến 1100 nhỏ hơn nhiều so với thao tác điều khiển ngay tại vị trí người điều khiển ngồi. góc quan sát của hai mắt người (1800) [06] Để góc quan sát của camera được rộng hơn chúng ta sử dụng hai hoặc nhiều Camera Môi Màn cameras kết hợp nhưng ngược lại dung lượng hình ảnh từ hệ hình Kênh trường Phương thống camera tăng lên rất cao làm ảnh hưởng đến chất lượng Người máy truyền tương thông tin tiện từ xa điều tính tác hình ảnh phản hồi trên màn hình hiển thị. Góc quan sát các khiển cameras kết hợp lúc này được biểu diễn bởi sơ đồ sau. Giao diện Phương tiện từ xa và điều khiển môi trường tương tác Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển từ xa phản hồi hình ảnh B f2 Giao diện điều khiển cách đối tượng điều khiển một f1 khoảng cách từ vài trăm mét đến hàng ngàn kilomét hoặc xa hơn nữa. Thông tin được truyền vô tuyến (không dây) hoặc hữu tuyến (có dây). Như hình 2.1 bao gồm 3 khối chức năng Camera Camera L/2 L/2 Camera sau: (a) (b) - Khối xử lý hình ảnh và giao diện điều khiển: Người điều L khiển quyết định thực hiện các lệnh điều khiển phương tiện từ Hình 2.2: Sơ đồ góc quan sát của một camera (a) và góc quan xa dựa trên thông tin thị giác khi quan sát hình ảnh trên màn sát kết hợp hai cameras (b) hình máy tính. Vì lý do này, hình ảnh hiển thị phải đạt yêu cầu Trong hình 2.2 trên, góc quan sát kết hợp hai cameras được trực quan nhưng thưc tế hình ảnh truyền về luôn trễ với một tính bởi công thức: đơn vị thời gian nhất định do nhiều nguyên nhân như tốc độ (1) xử lý máy tính, loại kênh truyền thông tin, thêm vào đó việc thu hình [hình 2.2] và xử lý hình ảnh kết hợp giữa các Trong đó: cameras gặp nhiều hạn chế, gây ra hình ảnh phản hồi không là góc quan sát camera trung thực do môi trường thiếu ánh sáng, góc đạt camera và sự là góc quan sát kết hợp hai cameras rung của camera. Do đó ảnh hưởng đến việc điều khiển f 1 là tiêu cự ống kính camera phương tiện từ xa sẽ không chính xác. f 2 là tiêu cự ảo - Khối kênh truyền thông tin: có chức năng thu phát các gói L là khoảng cách lắp đặt giữa hai cameras dữ liệu theo những giao thức như TCP/IP, UDP, [05] Tốc Vấn đề thứ hai là vùng không gian mà cameras không độ truyền dữ liệu ở các kênh truyền thông tin phụ thuộc rất quan sát được trên hướng di chuyển của phương tiện hay còn nhiều vào băng thông của kênh truyền đó. Từ đó ta nhận thấy gọi là vùng mù. Như hình 2.2 (B) là vùng mù. Đây chính là rằng để truyền dữ liệu hình ảnh từ xa với tốc độ cao ta phải một trong những nhược điểm lớn nhất của phương pháp này chọn kênh truyền có băng thông lớn nhằm giảm thiểu thời khi các vật cản xuất hiện gần phương tiện. gian trễ và mất mát dữ liệu do đường truyền băng thông thấp 2.2 Phƣơng pháp điều khiển phƣơng tiện từ xa có phản hồi gây ra. Điều này làm tăng chi phí cho hệ thống. hình ảnh và phản hồi xúc giác - Khối phương tiện từ xa và thiết bị thu hình: phương tiện từ Tương tự phương pháp đã nêu trên. Điểm đột phá của xa bao gồm như ôtô, mobile robot, vv, hoạt động trong môi phương pháp này là sử dụng công nghệ phản hồi xúc giác trường rất xa mà con người không thể nhìn thấy rõ. Vì vậy, (haptics) [08] giúp người điều khiển cảm nhận được sự tương các thông tin về môi trường hoạt động của phương tiện sẽ tác giữa phương tiện từ xa với môi trường hoạt động của nó được thiết bị thu hình (lắp đặt trên phương tiện) ghi nhận bởi và gần như chân thực thông qua giao diện phản hồi xúc giác.
3. Camera dc2 Người Màn Môi điều Kênh Cảm biến Bộ d dc1 hình trường khiển truyền Phương phát máy tương thông tin tiện từ xa Phản hồi tính tác L L1 xúc giác L2 Vật cản gần Vật cản xa Giao diện Phương tiện từ xa và điều khiển môi trường tương tác Bộ Thấu kính thu Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển phương tiện từ xa phản hồi hình ảnh và phản hồi xúc giác Hình 2.5: Nguyên lý đo khoảng cách - Hệ thống cảm biến bao gồm một hoặc nhiều loại cảm biến Tùy vào khoảng cách của vật, góc φi ( 1, 2, n) của tam giác như: cảm biến khoảng cách, cảm biến tốc độ, cảm biến áp đo sẽ thay đổi tương ứng từng giá trị Li ( 1, 2, n) trên bộ suất, cảm biến nhiệt độ, vv [07] Các loại thông tin này được thu. Từ đó, xác định khoảng cách tới vật cản cần đo dci ( 1, gửi đến giao diện điều khiển qua kênh truyền thông tin, sau đó 2, n) dựa theo công thức về hệ thức lượng trong tam giác: nó sẽ được tái tạo và phản hồi lên giao diện haptics. Từ giao diện này người điều khiển sẽ cảm nhận được sự tương tác giữa phương tiện từ xa với môi trường hoạt động của nó, hay Suy ra: (2) nói cách khách người điều khiển sẽ có được cảm giác như đang điều khiển phương tiện trực tiếp. Trong đó: dci là dãy khoảng cách vật cản, L = const là khoảng - Hơn nữa, phương pháp này sẽ khắc phục được nhươc điểm cách giữa 2 thấu kính d = const là hệ số đo của phương pháp điều khiển phương tiện từ xa chỉ có phản hồi Khi khoảng cách vật cản ở xa thì cách đo này không hiệu hình ảnh khi vật cản xuất hiện trong vùng mù của hệ thống quả vì φi giảm về không rất nhanh nên các tia phản xạ từ cameras như đã phân tích trong mục 2.1 những vật cản tập trung tại vùng lân cận của một điểm thu. Để đo được khoảng cách vật cản ở xa người ta dùng cảm biến siêu âm. Sóng này truyền đi trong không khí với vận tốc B khoảng 343 m/s. Nếu một cảm biến phát ra một sóng và thu f về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi đến lúc thu về thì ta xác định được quãng đường d c mà sóng truyền di truyền đi trong không gian. Quãng đường Vật cản truyền đi của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến đến Camera L/2 L/2 Camera vật cản theo hướng phát của sóng siêu âm. Khoảng cách từ phương tiện đến vật cản được tính bởi công thức: L Cảm biến khoảng cách (3) Hình 2.4: Vị trí lắp đặt cảm biến khoảng cách trên phương Trong đó: là khoảng cách từ cảm biến đến vật cản, v là vận tiện từ xa tốc sóng, t là thời gian sóng từ lúc phát đi đến lúc thu về. Cảm biến được lắp đặt tại vùng mù của hai cameras như 2.3. Phƣơng pháp điều khiển phƣơng tiện từ xa không hình trên, khi đó cảm biến phát hiện vật cản và đo khoảng phản hồi hình ảnh cách vật cản dựa trên góc phản xạ của chùm tia hồng ngoại từ Như đã phân tích những nhược điểm của hai phương pháp vật cản như sau: điều khiển phương tiện từ xa nêu trên thì còn một nhược điểm rất quan trọng đó là khi môi trường làm việc của phương tiện từ xa trở nên thiếu ánh sáng hoặc không có ánh sáng hay không có tín hiệu phản hồi hình ảnh thì việc điều khiển
4. phương tiện từ xa trở nên không thể. Hiện nay chỉ có một giải nó thiếu ánh sáng hoặc không có ánh sáng hay không có tín pháp là chuyển chế độ điều khiển phương tiện từ xa bằng tay hiệu phản hồi hình ảnh do đường truyền băng thông thấp và sang chế độ điều khiển tự động. Ở chế độ tự động có hai thiếu ổn định theo thời tiết là đề tài nghiên cứu cần thiết. Đề phương pháp định vị cho phương tiện là dùng mốc định tài này sẽ: hướng (hay phương pháp tìm đường toàn cục) và lý thuyết xác - Điều khiển phương tiện từ xa không phản hồi hình ảnh. suất dựa trên bản đồ (hay phương pháp tìm đường cục bộ). - Sử dụng kênh truyền dữ liệu từ xa với băng thông thấp. - Phương pháp thứ nhất sử dụng các mốc định hướng trong Đề tài sẽ được nhóm tác giả nghiên cứu và thực hiện thí môi trường giúp cho việc định vị được liên tục và nhờ đó nghiệm. Nội dung của giải pháp điều khiển và kết quả thí giảm được các lỗi đo hành trình. Giải pháp phổ biến là chọn nghiệm được trình bày trong bài báo tiếp theo. một tập hợp các mốc định hướng tại những vị trí cho trước để Tài liệu tham khảo hướng dẫn phương tiện đi đến mục tiêu như định vị GPS, [01] Nikolai Schlegel, John S. Bay., “Autonomous Vehicle phương pháp trường thế năng, [08] , [09] Control using Image Processing”, American Control - Phương pháp định vị theo cách thứ hai như hiện nay hầu hết Conference, 1997 đều dựa trên cơ sở các bộ lọc Bayesian, Kalman filter và [02] Ba-Hai Nguyen, Jee-Hwan Ryu, “Haptic interface for Monte Carlo Localization [10] Phương pháp này dựa trên sự intuitive teleoperation of wheeled and tracked vehicles”, trùng khớp giữ dữ liệu cảm biến thu thập được tại một vị trí IEEE World Haptics Conference 2011, 21-24 Istanbul, Turkey tức thời với một mô hình đã cho trước của môi trường. Các kỹ [03] Ba-Hai Nguyen, Jee-Hwan Ryu, “Direct Current thuật định vị phổ biến dựa trên phương pháp này như phương Measurement Based Steer-By-Wire. Systems for Realistic pháp bản đồ đường đi, phương pháp chia ô, phương pháp định Driving Feeling”. ISIE 2009. IEEE International Symposium vị tăng dần, [11] on Industrial Electronics, 2009. Korea. Những ưu điểm của phương pháp điều khiển phương tiện [04] Boris Trouvain “Teleoperation of Unmanned Vehicles: từ xa làm việc hoàn toàn tự động thì đó cũng là nhược điểm The Human Factor ”, Nato, 2003 mà người điều khiển không thể giám sát, cảm nhận được sự [05] S. Giannoulis, C. Antonopoulos, E. Topalis “TCP vs. tương tác giữa đối tượng điều khiển với môi trường hoạt động UDP Performance Evaluation for CBR” của nó. [06] Sony Corporation “The Basics of Camera Technology” 3. Những khó khăn kỹ thuật chƣa giải quyết đƣợc trong [07] IR sensor, http/www.sharp.co.jp/ecg điều khiển phƣơng tiện từ xa [08] Hwan-Seok Choi, Ok-Deuk Park, Han-Sil Ki, Các phương pháp điều khiển phương tiện từ xa trên thế “Autonomous Mobile Robot Using GPS”, International giới hiện tại chưa giải quyết triệt để bài toán điều khiển Conference on Control and Automation, Hungary, 2005. phương tiện từ xa đến chủ động kiểm soát hoạt động của [09] Dr. ir. L.F.P Etman, Dr. ir. G.J.L. Naus “ An Obstacle phương tiện như: Avoidance Algorithm for a Mobile Robot Based upon the - Thu phát các thông tin trong hoạt động điều khiển phương Potential Field Method” TU/e Eindhoven, 2011 tiện từ xa với kênh truyền băng thông thấp. [10] Scott Ferson “Bayesian methods in risk assessment” - Tái tạo các thông tin về môi trường hoạt động của phương Applied Biomathematics 100 North Country Road Setauket, tiện theo đúng điều kiện thực tế New York 11733 USA - Điều khiển phương tiện từ xa đi đến mục tiêu trong trường [11] Franz Aurenhammer “Voronoi Diagrams — A Survey of hợp không phản hồi hình ảnh. a Fundamental Geometric Data Structure” Institute fur 4. Kết luận và hƣớng nghiên cứu tiếp theo Informationsverarbeitung Technische Universitat Graz, Sch Qua phân tích các phương pháp điều khiển phương tiện từ iet!stattgasse 4a, Austria. xa có những mặc hạn chế như đã nêu trên, trong đó vấn đề điều khiển phương tiện từ xa trong môi trường hoạt động của
5. 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.