Thiết kế chế tạo bàn mô phỏng chuyển động

Nội dung text: Thiết kế chế tạo bàn mô phỏng chuyển động

1. THIẾT KẾ CHẾ TẠO BÀN MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG DESIGN MANUFACTURE THE TABLE WHICH CAN SIMULATE MOTIONS Nguyễn Trường Thịnha, Huỳnh Trọng Đứcb Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM TÓM TẮT Bài báo này đề cập việc thiết kế và chế tạo hệ thống mô phỏng chuyển động lái xe trong môi trường thực tế ảo. Hệ thống là nền tảng cho các ứng dụng như là kiểm tra chuyển động của các loại xe mới, trong chơi game đua xe, hay trong chiếu phim 3D. Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí, với yêu cầu giá đỡ phải có khả năng giả lập đầy đủ các chuyển động của ô tô. Nên giá đỡ phải đảm bảo đầy đủ các bậc tự do và vùng hoạt động giống như một chiếc ô tô. Để người lái xe có thể cảm nhận đầy đủ các chuyển động của một chiếc ô tô thực tế đòi hỏi thiết kế phải xây dựng được bài toán động học, động lực học, bên cạnh đó còn phải đảm bảo các hệ số an toàn cần thiết. Tín hiệu chuyển động của ô tô sẽ được xử lý và điều khiển các động cơ. Sao cho các chuyển động tạo được cảm giác thực. Đó là nhiệm vụ chính của hệ thống điện. Từ khóa: mô phỏng chuyển động, thực tế ảo, giả lập, bậc tự do. ABSTRACT This article deals with the design and manufacture of motion simulator systems in virtual reality environments. The system is the basis for applications such as motion testing of new vehicles, in racing games, or in 3D movie projections. Design and manufacture of mechanical systems, with the required rack must be able to fully simulate the movement of the car. Should the racks be full of degrees of freedom and a car-like operation. In order for the driver to feel the full motion of a real car, it is imperative that the design build dynamics and dynamics, and that the safety coefficients are met. appliance. The motion of the car will be processed and controlled by the engine. Let the movements create a real sense. That is the main task of the power system. Keywords: motion simulation, virtual reality, simulator, degrees of freedom. 1. GIỚI THIỆU Khi một người lái xe thì người đó cảm thấy có sự chuyển động. Vì khi xe chuyển động thường sẽ có gia tốc, gia tốc này thay đổi thường xuyên cả về độ lớn và hướng, do vậy người
2. lái xe cảm thấy như có nhiều lực khác nhau tác động vào người. Xe chạy nhanh hơn, những rung động trở nên nghiêm trọng hơn. Các dấu hiệu chuyển động tác động vào người, tạo ra cảm giác chuyển động. Các dấu hiệu này có thể được kích thích mà không thực sự lái xe, đó là hiện thực trong mô phỏng. Các công cụ để đạt được điều này, là một hệ thống chuyển động. Hệ thống chuyển động sẽ được điều khiển tự động bằng một hệ thống điều khiển. Quan hệ tương tác giữa người lái, hệ thống chuyển động, hệ thống mô phỏng sẽ phải được phối hợp với hệ thống điều khiển. Với sự phát triển của công nghệ máy tính, ngày càng có nhiều thông tin có thể được tích hợp trực tiếp trong bộ điều khiển. Sự kết hợp giữa máy tính và hệ thống chuyển động có tính khả thi để tạo ra một hệ thống mô phỏng chuyển động ghế ngồi của người tài xế là vấn đề của đề tài nghiên cứu này. Tạo ra một hê thống có khả năng chuyển động giống một chiếc xe thực tế mà người dùng có thể tương tác, điều khiển hay cảm nhận giống như ngồi trên một chiếc xe thật. Dù thế nào đi nữa thì một hệ thống mô phỏng hiện đại cũng nói lên được nền tảng khoa học kỹ thuật tiên tiến và những ứng dụng hữu ích của chúng thì không thể chối cãi. Vì vậy các công trình nghiên cứu về vấn đề này cũng được nhiều người quan tâm. 2. THIẾT KẾ 2.1 Khảo sát chuyển động ô tô Một chiếc ô tô chuyển động thực tế trên đường sẽ bao gồm 6 chuyển động: tịnh tiến X, quay X, tịnh tiến Y, quay Y, tịnh tiến Z, quay Z. Tịnh tiến X cho thấy xe đi tới hay lui, ảnh hưởng bởi việc đạp ga hay thắng lại. Quay X cho thấy có sự tác động khác nhau giữa 2 bánh bên phải so với 2 bánh bên trái của xe. Tịnh tiến Y cho thấy xe đang bị trượt hay đang vào khúc cua. Quay Y cho thấy có sự tác động khác nhau giữa 2 bánh trước so với 2 bánh sau của xe. Tịnh tiến Z cho thấy sự thay đổi khoảng cách khung xe so với mặt đường. Quay Z cho thấy xe đang quay tròn. Hình 1: Mô hình khảo sát dao động của ô tô
3. Chúng ta xây dựng một hệ thống mô phỏng nghĩa là chúng ta quan tâm đến những chuyển động của người ngồi trên xe hay nói cách khác ta chỉ quan tâm đến chuyển động tịnh tiến trục Z (heave) và 2 chuyển động quay quanh X, Y(roll, pitch). Hình 2: Cấu trúc hệ thống mô phỏng 2.2 Thiết kế Hình 3: Sơ đồ nguyên lý Ở mức độ mô phỏng yêu cầu độ chính xác cao, tốc độ đáp ứng nhanh, độ cứng vững cao,giá thành phù hợp ta chọn phương án như hình 3. 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 3.1 Xác định bậc tự do cơ cấu Số bậc tự do của cơ cấu theo [3]: F = (n-j-1) + fi - fp (1) Với  là bậc tự do của khâu trong không gian ( = 6)
4. n là tổng số khâu trong cơ cấu (n = 8) j là tổng số khớp trong cơ cấu (j = 9) fi là tổng số bậc tự do của các khớp trong cơ cấu (fi = 6+3x3) fp là tổng số bậc tự do thừa của cơ cấu (fp = 0) F = 6(8-9-1) + (6+3x3) - 6 = 3 3.2 Bài toán động học ngược Hình 4: Sơ đồ cơ cấu Khi bệ di động quay quanh trục x một góc , trục y một góc α thì tọa độ các điểm P1, P2, P3 trong hệ tọa độ Oxyz như sau: OP PPi OO1 O 1 O 2 O 2 Pi (2) Tìm 11 ,12 2 2 2 2 2 R(cos 1) ( PZ R sin  ) a b 12 arccos (3) 2ab Từ phương trình (3.28) ta có R(cos 1)( a b cos 12 ) b sin  12 ( PZ R sin  ) 11 arccos 2 2 (4) a b 2 ab cos12 Tìm 21 ,22
5. 2 2 2 2 2 R(cos n2 1) ( PZ R sin n 2 ) a b 22 arccos (5) 2ab R(cos n2 1)( a b cos 22 ) b sin  22 ( PZ R sin n 2 ) 21 arccos 2 2 (6) a b 2 ab cos22 Tìm 31 ,32 2 2 2 2 2 R(cos n3 1) ( PZ R sin n 3 ) a b 32 arccos (7) 2ab R(cos n3 1)( a b cos 32 ) b sin  32 ( PZ R sin n 3 ) 31 arccos 2 2 (8) a b 2 ab cos32 3.3 Ma trận Jacobian a1 b 1 c 1 d1 d 1 d 1 J x 1 a2 b 2 c 2 JJJ q x Jq d2 d 2 d 2 a b c 3 3 3 d d d 3 3 3 (9) 4. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN Mỗi tọa độ và định hướng của tấm di động được quyết định bởi góc xoay của 3 chân được điều khiển bởi 3 động cơ. Ở đây phương pháp điều khiển được chọn là phương pháp điều khiển bằng máy tính qua PLC điều khiển cơ cấu chấp hành mà thuật toán được trình bày ở hình 6.2. Quá trình bắt đầu bằng cách khởi động máy, về điểm góc của máy. Vị trí này ta sẽ có góc roll (=0), góc pitch (α=0) tọa độ điểm (0,0,0). Khi đó ta đưa giá trị các góc 11,  12 ,  13 0 .Tại đây hệ thống có thể nhận tín hiệu từ Game để chạy. Sau khi nhận tín hiệu từ Game máy tính sẽ quy đổi ra các góc: α , , tọa độ P. Tiếp đó máy tính sẽ tính các góc 11,,  12  13 và đưa lệnh xuất xung xuống PLC. Khi motor chạy máy tính sẽ lấy tín hiệu từ encoder để so sánh và điều khiển đúng vị trí.
6. Hình 5: Thuật toán điều khiển Hệ thống hoạt động liên tục theo chu trình khép kín trong phạm vi giới hạn của các góc , α và tọa độ điểm P. Nếu vượt quá giới hạn này hệ thống sẽ dừng lại.
7. 5. KẾT QUẢ THẢO LUẬN Do đó, mỗi giai đoạn đòi hỏi các kịch bản lái xe thích hợp, được thiết kế để đánh giá yếu tố có thể nhận thấy cho việc tịnh tiến nền tảng và cả độ nghiêng. Mỗi kịch bản có một chế độ chạy xe riêng được kiểm soát các yếu tố như tốc độ, gia tốc, độ nghiêng. Các yếu tố này được lập trình cố định theo thời gian. 5.1 Chuyển động tịnh tiến có gia tốc 5.1.1 Kịch bản lái xe theo chiều dọc Hình 6: Gia tốc tuyến tính theo chiều dọc (phải); góc quay quanh Y (trái) 5.1.2 Kịch bản lái xe chiều ngang Hình 7: Đầu ra gia tốc tuyến tính(trái),đầu ra của mô phỏng và Game cho xoay vòng quanh trục X(phải) 5.2 Chuyển động trong mặt nghiêng 5.2.1 Kịch bản nghiêng dọc
8. Hình 8: Góc nghiêng xe và góc quay nền tảng trong kịch bản nghiêng xe dọc 5.2.2 Kịch bản nghiêng ngang Hình 9: Góc nghiêng xe và góc quay nền tảng trong kịch bản nghiêng xe ngang 6. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này tác giả đã thiết kế chế tạo hệ thống cơ khí hoàn chỉnh, chế tạo mô hình thử nghiệm và đo đạc kết quả nằm trong dung sai cho phép.Xây dựng bài toán động học và động lực học cho tay máy song song không gian kiểu RRR.Lập trình một phần mềm điều khiển trên máy tính dựa trên nền tảng C# để thử nghiệm độ chính xác cơ cấu trong thực nghiệm và điều chỉnh thông số cơ cấu cho thích hợp. Những mục tiêu của đề tài gần như đã hoàn thành. Thiết kế và chế tạo được hệ thống cơ khí và điện hoàn chỉnh. Hệ thống được chạy với một chương trình game lái xe. Kiểm tra đo đạt để xác định bài toán động học đưa vào là chính xác. Điều quan trọng là cảm giác của người dùng khi sử dụng hệ thống là khá tốt.
9. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS. TS. Nguyễn Trường Thịnh, Kỹ thuật Robot, NXB ĐHQG – HCM, TP HCM 2014 [2] GS.TSKH. Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2006 [3] GS.TS. Đào Vân Hiệp,Kỹ thuật Robot , NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2006 [4] Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Việt Anh. (2006). Lập trình MATLAB và ứng dụng. NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội. [5] Sergiu-Dan Stan, Milos Manic, Vistrian Maties, Radn Balan. A Novel Virtual Reality Robot Interface of Isolide3 Parallet Robot. International Conference of Intelligent Robotics and Applications, 2008, pp. 1265-1275. [6] Blana, E. (1996) . A Survey of Driving Research Simulators Around the World. Internet: 24/6/2016. [7] Joni Sallinen, Tero Eskola, Heikki Handroos. Design of a Motion Platform for a Mobile Machine Simulator by Utilizing 6-D Measurements and Inverse Dynamics Analysis. International Capital Market Association, 2008. [8] Andrew Hamish John Jamson. Motion Cueing in Driving Simulators for Research Applications. Master of Science, The University of Leeds Institute for Transport , November 2010.
10. 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 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.