CHƯƠNG 1.1 Cấu trúc robot di động Car-like Một mô hình robot giống xe điển hình đã được trình bày trong Hình 1. Robot di động Car-like có cấu hình gồm bốn bánh xe, hai bánh trước để điều hướng, hai bánh sau để truyền động. Khi truyền động và điều hướng, hai bánh trước luôn song song với nhau, hai bánh sau cũng song song và cố định vào thân xe. Điều hướng như vậy gây nên hiện tượng trượt trên bánh sau.
Robot không thể di chuyển ngang tại chỗ mà phải điều hướng với tâm xoay I là điểm giao giữa bánh xe trong phía trước (theo hướng xoay) với trục của bánh sau, bán kính tối đa tùy thuộc vào cấu hình cơ khí của hai bánh trước. Cấu trúc robot di động Car-like cũng được nhóm trình bày trong bài báo của nhóm [8].1 Cấu hình của robot di động Car-like Ngoài ra robot di động Car-like bị ràng buộc Nonholonomic [9]. Ràng buộc Nonholonomic được định nghĩa là ràng buộc có chứa đạo hàm theo thời gian của các biến trong hệ thống và không thể tích phân để loại bỏ các biến đạo hàm theo thời gian đó. Ràng buộc xảy ra khi số biến đầu vào của hệ thống nhỏ hơn số bậc tự do [9].
Trong robot di động Car-like, có hai ràng buộc Nonholonomic cho mỗi cặp bánh. − xG sin + yG cos = 0 (1.2) Trong đó G là điểm giữa của trục hai bánh sau, P là điểm giữa trục hai bánh trước, là góc lệch giữa thân xe và trục Ox, là góc lệch giữa bánh trước so với thân xe.2 Lý thuyết cảm biến siêu âm 1.1 Giới thiệu cảm biến siêu âm Là loại cảm biến sử dụng sóng siêu âm phát ra từ đầu cảm biến tác động lên mặt phẳng như nước, tấm kính, vạch tường,… và thu sóng phản xạ, từ đó sẽ xác định được khoảng cách từ đầu cảm biến đến mặt phẳng.2 Cách thức hoạt động Hình 1.2 Sơ đồ thời gian hoạt động của cảm biến siêu âm Sơ đồ thời gian hoạt động của cảm biến siêu âm được mô ta trong Hình 1. Một xung 10us sẽ được đưa đến chân trigger, sau đó cảm biến sẽ phát ra một chùm sóng siêu âm 8 chu kỳ ở tần số 40KHz từ bộ phát và nâng chân echo lên mức cao. Sóng siêu âm phản xạ khi gặp vật cản, trong khi đó chân echo sẽ được kéo lên mức cao đến khi bộ thu của cảm biến nhận lại được sóng siêu âm sẽ kéo về mức thấp.
Thời gian chân echo ở mức cao sẽ được quy đổi ra khoảng cách từ cảm biến đến vật cản [10]. Công thức tính khoảng cách: 1 L = TC (1.3) 2 Trong đó L là khoảng cách từ cảm biến đến vật cản, T là thời gian ở mức cao của chân echo, C là vận tốc âm thanh.3 Ưu nhược điểm Ưu điểm: + Nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ sử dụng + Giá thành rẻ, phổ biến 2 Luan van Nhược điểm: + Không đo được vật cản ở khoảng cách xa + Góc quét của cảm biến nhỏ + Độ chính xác không cao 1.3 Lý thuyết giao tiếp UART 1.1 Khái niệm UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) là giao thức truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ. Bất đồng bộ có nghĩa là không có tín hiệu để đồng bộ hóa đầu ra của các bit từ UART truyền đến việc lấy mẫu các bit ở UART nhận. Nó là giao thức truyền thông giữa thiết bị và thiết bị được sử dụng nhiều nhất.
Giao tiếp UART truyền nhận thông qua hai đường dây được thể hiện trong Hình 1. Trong đó Tx là truyền và Rx là nhận. Các baudrate tiêu chuẩn như 4800 bps, 9600 bps, 115200 bps,… [11].3 Giao tiếp UART 1.2 Cách thức hoạt động Hình 1.4 Cách thức hoạt động của giao tiếp UART Cách thức hoạt động được minh họa trong Hình 1. Giao tiếp UART là giao tiếp nối tiếp được chuyển đổi từ giao tiếp song song.
Dữ liệu được truyền từ vi điều khiển dưới dạng giao tiếp song song thông qua bus dữ liệu đến UART 1. Sau khi dữ liệu đến với UART 1, một bit Start, một bit Stop và một bit chẵn lẻ sẽ được thêm vào tạo ra gói dữ liệu. Gói dữ liệu sẽ được chuyển và xuất ra từng bit ở chân Tx để truyền đi dưới dạng 3 Luan van nối tiếp. Chân Rx của UART 2 sẽ nhận dữ liệu theo từng bit từ gói dữ liệu.
Sau đó dữ liệu sẽ được loại bỏ các bit Start, Stop, chẵn lẻ và chuyển đổi thành dạng dữ liệu song song. Cuối cùng dữ liệu song song được chuyển qua bus dữ liệu đến với vi điều khiển.5 Gói dữ liệu trong UART Gói dữ liệu trong UART được trình bày trong Hình 1.5 bao gồm: - Start Bit: • Ở đầu gói dữ liệu. • Đường truyền dữ liệu thông thường sẽ ở mức cao khi không hoạt động. • Khi bắt đầu truyền dữ liệu: UART kéo đường dữ liệu xuống mức thấp.
- Stop Bit: • Được đặt ở phần cuối gói dữ liệu. • Dài 2 bit nhưng thông thường chỉ sử dụng 1 bit. • Để kết thúc gói dữ liệu, UART giữ đường dữ liệu ở mức điện áp cao. - Parity Bit: kiểm tra dữ liệu truyền.
- Data bit: 5-9 bits (9 bits khi không có parity bit, 8 bits khi không parity bit).3 Ưu nhược điểm Về ưu điểm: - Chỉ sử dụng hai dây để truyền nhận dữ liệu. - Không cần tín hiệu CLK. - Có bit chẵn lẻ để kiểm tra lỗi. - Cấu trúc của gói dữ liệu có thể thay đổi.
- Phương pháp truyển đơn giản, giá thành thấp. Về nhược điểm: - Khung dữ liệu bị giới hạn, tối đa là 9 bit dữ liệu. - Không phù hợp với các hệ thống đòi hỏi nhiều chủ, tớ. - Tốc độ truyền nhận của mỗi UART phải nằm trong khoảng 10% của nhau.4 Lý thuyết giao tiếp bằng chuẩn Zigbee sử dụng sóng RF 1.1 Khái niệm Zigbee là công nghệ không dây được phát triển như một tiêu chuẩn toàn cầu sử dụng tín hiệu vô tuyến kỹ thuật số năng lượng thấp cho các mạng khu vực cá nhân.
Zigbee là một dạng truyền thông zigzac kiểu tổ ong, cho phép thiết lập các lớp khác nhau mà từ đó thiết bị của các hãng có thể nhận biết ra nhau và tự kết nối với nhau dễ dàng. Zigbee hoạt động ở một trong ba dải tần số: - Dải 868 MHz – Châu Âu và Nhật: chỉ có một kênh, tốc độ truyền thấp 20 kb/s. - Dải 915 MHz – Bắc Mỹ: có 10 kênh, tốc độ truyền khoảng 40 kb/s.4 GHz – các nước còn lại: có tới 16 kênh, tốc độ truyền tải cao 250 kb/s. Sóng RF (Radio Frequency) hay còn được gọi là sóng siêu âm vô tuyến điện là loại sóng được ứng dụng nhiều trong radio, truyền thanh, truyền hình để truyền tải phát sóng hình ảnh, âm thanh.
Sóng RF lan truyền trong không gian, không khí như một làn sóng điện từ, có tần số trong khoảng từ 3kHz đến 300gHz.2 Cách thức hoạt động của sóng RF Hình 1.6 Cách thức hoạt động của sóng RF Cách thức hoạt động được minh họa ở Hình 1. Ở khối phát tín hiệu thông tin ở tần số thấp là tín hiệu cần truyền đi được đưa đến mã hóa kết hợp với tín hiệu sóng mang tần số cao. Sau khi mã hóa tín hiệu sẽ được khuếch đại để bức xạ ra không gian. Tín hiệu truyền trong không gian theo một tần số nhất định, sau đó sẽ được khối thu tín hiệu 5 Luan van thu được nhờ cộng hưởng.
Tín hiệu khi đó đã bị suy giảm do khoảng cách truyền, vì vậy sẽ đưa qua bộ khuếch đại để đạt được tần số mong muốn. Tín hiệu tiếp tục đưa qua bộ giải mã để loại bỏ tín hiệu sóng mang tần số cao. Tín hiệu thông tin thu được tiếp tục được khuếch đại lên đủ mức giao tiếp để đến đầu ra [12].3 Ưu nhược điểm của chuẩn truyền Zigbee Về ưu điểm: - Cấu trúc mạng linh hoạt - Số lượng nút lớn khoảng 65000 nút - Mức tiêu thụ điện năng thấp - Thiết lập đơn giản và dễ dàng - Chi phí thấp Về nhược điểm: - Phạm vi tần số có thể truy cập bằng công nghệ hiện có bị hạn chế - Bảo mật không an toàn như wifi 1.5 Tổng quan điều khiển Haptic 1.1 Các dạng điều khiển Haptic Thiết bị Haptic phản hồi lực có hai dạng điều khiển được áp dụng: - Impedance Control: tín hiệu vào là vị trí điểm đầu cuối mà người điều khiển tác động, tín hiệu ra là lực để điều khiển vị trí điểm đầu cuối. Dạng này thường được sử dụng cho các thiết bị Haptic đơn giản, ít bậc tự do.
- Admittance Control: tín hiệu vào là lực của người điều khiển tác động lên điểm đầu cuối, tín hiệu ra là vị trí điểm đầu cuối. Dạng này thường được sử dụng cho các thiết bị Haptic phức tạp, nhiều bậc tự do và mang lại cảm giác phản hồi lực chính xác hơn.2 Phân loại thiết bị điều khiển Haptic Có nhiều cách để phân loại thiết bị điều khiển Haptic, từ phân loại theo bộ phận cơ thể con người mà thiết bị điều khiển được gắn lên [13], tới phân loại kiểu xúc giác mà con người cảm nhận được [14]. Để phù hợp với mục tiêu nghiên cứu và đối tượng robot di động điều khiển, nhóm sẽ phân loại thiết bị điều khiển Haptic dạng tay cầm Joystick xếp theo bậc tự do – Degree Of Freedom (DOF) của thiết bị và đưa ra các thông số trong Bảng 1.1 Các thiết bị điều khiển Haptic dạng Joystick theo bậc tự do 6 Luan van Thiết bị điều khiển Haptic Mô tả Số liên kết cơ khí: 1 Không gian làm việc: 5 cm Loại kết cấu: Nối tiếp Mô hình điều khiển: Impedance Lực tối đa: 10 N Ứng dụng: Kit dạy học, giải trí, thực tế ảo Hình 1.7 Thiết bị Haptic 1-DOF [15] Số liên kết cơ khí: 5 Không gian làm việc: 17.6 cm Loại kết cấu: Song song Mô hình điều khiển: Impedance Lực tối đa: 20 N Ứng dụng: Tay cầm chơi game, điều khiển từ xa, thực tế ảo.8 Thiết bị Haptic 2-DOF [16] Số liên kết cơ khí: 12 Không gian làm việc: 40x40x26 cm Loại kết cấu: Song song Mô hình điều khiển: Impedance Lực tối đa: 20 N Ứng dụng: Điều khiển từ xa, thực tế ảo Hình 1.9 Thiết bị Haptic 3-DOF – Delta.3 [17] 7 Luan van Số liên kết cơ khí: 12 Không gian làm việc: 40.9 cm, 90° Loại kết cấu: Nối tiếp và song song Mô hình điều khiển: Impedance Lực tối đa: 45.3 N Ứng dụng: Thực tế ảo, CAD,… Hình 1.10 Thiết bị Haptic 4-DOF [18] Không gian làm việc: 150x150x0 cm Loại kết cấu: Nối tiếp Mô hình điều khiển: Impedance Lực tối đa: 1.7 N Ứng dụng: Thực tế ảo, huấn luyện, Hình 1.