Chương 1 đã trình bày tính cấp thiết, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, cùng với mục đích thực hiện của đề tài. Tiếp theo, những cơ sở lý thuyết về điều khiển từ xa, robot di động, giải thuật phản hồi và tránh vật cản áp dụng và các kiến thức sử dụng để thực hiện đề tài được trình bày trong chương 2. Nội dung chương 3 sẽ trình bày công việc thiết kế các chi tiết của hệ thống buồng lái điều khiển bằng phần mềm Solidworks 2021 và thiết kế mạch PCB cho robot di động giống Ô tô bằng EasyEDA. Kế đến, các chi tiết phần cứng của robot được thiết kế và xây dựng ở chương 4, sau đó công việc thiết kế chương trình điều khiển cho từng bộ phận của hệ thống sẽ được trình bày chi tiết trong chương 5.
Ở chương 6 chúng tôi trình bày từng bước trong quá trình thi công, lắp ráp và hiệu chỉnh các chi tiết phần cứng của hệ thống ghế lái điều khiển và robot. Trong chương 6, chúng tôi trình các kết quả thực nghiệm trên thực tế ở từng trường hợp vận hành cụ thể. Cuối cùng, chương 7 sẽ đi đến kết luận và hướng phát triển trong tương lai của đề tài.4 Giới hạn đề tài - Đề tài dừng lại ở mức điều khiển các tính năng cơ bản như tiến, lùi, dừng và đánh lái ở cả 2 hướng trái phải, chưa có hệ thống phanh và đỗ. - Mô hình robot di động giống ô tô được nhóm nghiên cứu cải tiến từ mô hình xe RC nên chưa có cơ sở đánh giá mức độ bền vững và ổn định trong suốt quá trình hoạt động.
- Chưa đề cập đến độ trễ của hệ thống điều khiển từ xa cụ thể. Trang 26 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương 2 trình bày những cơ sở lý thuyết về hệ thống điều khiển từ xa cho lĩnh vực ô tô cũng như giới thiệu về mô hình robot di động giống ô tô. Bên cạnh đó, lý thuyết về mô hình mạng diện rộng không dây áp dụng cho hệ thống cũng được nêu ra và các bộ điều khiển PID, giải thuật tránh vật cản, những lý thuyết liên quan khác cũng được thể hiện.1 Lý thuyết về hệ thống điều khiển từ xa cho lĩnh vực ô tô 2.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển từ xa cho lĩnh vực ô tô Hệ thống điều khiển từ xa (teleoperation system) cho phép con người điều khiển một thiết bị, robot, hoặc phương tiện ô tô thông qua các thiết bị vận hành, giao diện ở một khoảng cách đáng kể. Hệ thống này giúp con người hoàn thành những nhiệm vụ đơn giản hay kể cả phức tạp.1 Hệ thống điều khiển từ xa cho ô tô qua mạng Internet Không giống như những hệ thống phương tiện ô tô tự lái (autonomous vehicle) khác, hệ thống điều khiển từ xa cho ô tô yêu cầu người điều khiển được chứng nhận về khả năng điều khiển ô tô từ tổ chức có uy tín.
Bởi vì thế, mục tiêu của hệ thống từ xa cho ô tô là cho phép người điều khiển vận hành, tương tác và kiểm soát phương tiện từ xa giống nhất như khi họ đang hoạt động trực tiếp trên chúng.2 Ưu và nhược điểm của hệ thống điều khiển từ xa cho lĩnh vực ô tô Hệ thống điều khiển từ xa đem lại nhiều ứng dụng trong lĩnh vực ô tô như việc giúp tiếp cận và làm việc trong môi trường nguy hiểm. Hệ thống cho phép con người làm việc trong môi trường khắc nghiệt, độc hại có ảnh hưởng xấu tới sức khỏe hay tính mạng con người chẳng hạn như vận chuyển trong những khu vực có dịch Trang 27 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP bệnh lây nhiễm, có chất phóng xạ,…Nhờ vào đó con người không bị ảnh hưởng do tác động bên ngoài khi làm việc. Tuy nhiên, bên cạnh những ích lợi mà hệ thống điều khiển từ xa đem lại, hệ thống vẫn đang đối mặt một số thách thức như độ trễ của hệ thống, hạn chế về băng thông, mô phỏng lại cảm giác điều khiển thật như khi vận hành trực tiếp và đặc biệt là chi phí đầu tư tương đối cao. Tuy nhiên, những năm gần đây hệ thống đang được rất nhiều sự quan tâm, phát triển và cải tiến trong nhiều lĩnh vực vì những lợi ích mà nó mang lại rất lớn.3 Ứng dụng của hệ thống điều khiển từ xa Thực tế hiện nay trong các cảng xuất nhập khẩu ở Việt Nam cũng đang hướng tới áp dụng các hệ thống điều khiển từ xa cho các phương tiện vận chuyển do thường xuyên xảy ra tai nạn lao động khi làm việc.2 Hệ thống điều khiển từ xa cho phương tiện vận tải trong cảng biển Hơn thế nữa, trong thời điểm diễn ra dịch bệnh Covid-19 hệ thống cũng góp mặt trong việc hỗ trợ vận chuyển thuốc, lương thực đến những khu vực cách ly và còn rất nhiều lĩnh vực khác có sự góp mặt của hệ thống điều khiển từ xa.3 Hệ thống điều khiển từ xa trong đại dịch Covid-19 2.2 Lý thuyết về Robot di động giống ô tô Robot di động giống ô tô hay còn được gọi là Car-like mobile robot là một dạng trong nhóm robot di động có bánh (Wheel Mobile Robots).
Mô hình có kết cấu Trang 28 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP tương tự như một chiếc ô tô, bởi tính phổ biến cũng như dễ dàng điều khiển trong cuộc sống hằng ngày mà mô hình Robot di động giống ô tô được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh công nghiệp khác nhau.4 Robot di động giống Ô tô Robot di động giống ô tô có cấu hình bao gồm bốn bánh xe, hai bánh trước của robot sẽ đảm nhiệm việc đánh lái để thực hiện rẽ trái hoặc rẽ phải và luôn song song với nhau. Hai bánh sau được cố định và song song với thân xe, có nhiệm vụ dẫn động cho xe di chuyển.5 minh họa về cấu trúc của Robot di động giống ô tô. Mô hình toán Robot di động giống Ô tô Trong đó, (x P , yP ) là tọa độ của trung điểm trục cặp bánh xe trước P , (xQ , yQ )là tọa độ của trung điểm trục cặp bánh xe sau Q , D là khoảng cách giữa hai Trang 29 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP trục bánh xe trước và sau, v là vận tốc tuyến tính của robot, là góc định hướng của robot so với trục x , là góc đánh lái của robot. Song, mô hình robot di động giống ô tô có ràng buộc Nonholonomic (phi hình học).
Ràng buộc này xuất phát từ khả năng di chuyển của robot, trong trường hợp mô hình robot di động giống ô tô chỉ có thể di chuyển trên mặt phẳng và di chuyển theo hai hướng: tiến lên phía trước và quay góc. Ràng buộc định rõ rằng robot không thể di chuyển tự do theo bất kỳ hướng nào như robot di động đa hướng khác. Thay vào đó, để di chuyển đến 1 vị trí lệch hướng phía của mô hình, lúc này cả thông số tốc độ và góc lái phải phụ thuộc lẫn nhau để tạo thành 1 quỹ đạo đến vị trí mong muốn. Tuy nhiên, trong đồ án tốt nghiệp này nhóm sinh viên chỉ dừng ở việc điều khiển từ xa do con người điều khiển robot nên sẽ không đề cập sâu và phân tích về động học của mô hình robot di dộng giống ô tô.3 Lý thuyết về mô hình mạng LAN và WAN Mạng LAN viết tắt (Local Area Network) hay còn được gọi là mạng cục bộ được dùng trong khu vực giới hạn nhất định, tốc độ truyền tải cao.
Các thiết bị sử dụng mạng LAN có thể chia sẻ tài nguyên với nhau, mà điển hình là chia sẻ tập tin, máy in,. và một số thiết bị khác.6 Cấu trúc mạng LAN Mạng WAN ((Wide Area Network) hay còn gọi là mạng diện rộng được kết hợp giữa nhiều mạng LAN thông qua thiết bị vệ tinh, cáp quang, cáp dây điện. Mạng diện rộng được tạo ra nhằm kết nối trên một diện lớn có quy mô trên quốc gia. Giao Trang 30 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP thức sử dụng trong mạng WAN là TCP/IP, đường truyền băng thông thay đổi tùy vào vị trí lắp đặt.7 Cấu trúc mạng WAN 2.4 Lý thuyết về công nghệ giao tiếp không dây Công nghệ giao tiếp không đây được sử dụng để truyền dữ liệu, âm thanh hoặc video qua môi trường không dây.
Công nghệ có nhiều ưu điểm như tiết kiệm dây dẫn, phạm vi giao tiếp tốt, tốc độ giao tiếp cao,… Hình 2.8 Công nghệ giao tiếp không dây Công nghệ giao tiếp không dây trong thời đại công nghiệp 4.0 không ngừng phát triển và cải tiến nhiều chuẩn giao thức tùy thuộc vào các mục đích công việc mà từng giao thức sẽ đem lại lợi ích tối ưu. Một số chuẩn giao thức không dây phổ biến hiện này được trình bày trong bảng sau: Trang 31 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bảng 2.1 Các công nghệ giao tiếp không dây phổ biến Tên công nghệ Tần số Tốc độ truyền Phạm vi hoạt động Bluetooth 2,4 GHz Lên tới 1Mbps 10m Zigbee 2,4 GHz 250kbps 10-100m Wifi 2,4 GHz hoặc 5 11Mbps đến vài 100m GHz trăm Mbps Z-wave 2,4 GHz 9.4 GHz hoặc 915 250 kbps đến 2 Vài trăm m MHz Mbps Thread 2,4 GHz 250 kbps đến 2 Vài chục đến vài Mbps trăm m Cellular 700/850/1800 Từ 10Mbps đến Có phạm vi lớn /2100/2600 MHz vài Gbps phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng NFC 13,56MHz 100–420kbps 10 cm Sigfox 868-902 MHz 100 bps 1-100Km Neul 900MHz hoặc Từ vài bps tới 10Km 458MHz 100kbps LoRa 430MHz đến 5.5kbps 3-15km 915MHz Theo như Bảng 2.1 các công nghệ giao tiếp không dây Internet như Wifi, Cellular (4G, 5G), Thread, …có tốc độ truyền dữ liệu nhanh cùng với phạm vi hoạt động tốt. Công nghệ giao tiếp không dây Internet cho phép kết nối và truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị thông qua sóng radio, sóng vô tuyến. Đó cũng là lý do mà đề tài nghiên cứu quyết định sử dụng công nghệ không dây Wifi và Cellular (4G) kết hợp cùng giao thức truyền thông bậc cao MQTT để xây dựng một mô hình giao tiếp không dây khoảng cách xa.5 Lý thuyết về giao thức truyền thông cấp cao MQTT 2.1 Tổng quan về giao thức MQTT Năm 1999, Andy Stanford-Clark và Arlen Nipper là những người phát triển phiên bản đầu tiên cho giao thức MQTT (Message Queue Telemetry Transport).
Giao thức lúc đầu được áp dụng để giám sát các đường ống dẫn dầu trong hệ thống SCADA. MQTT là một giao thức mạng khối lượng nhẹ (lightweight), hoạt động dựa Trang 32 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP trên mô hình xuất bản- đăng ký (publisher-subscriber). Giao thức được sử dụng cho các ứng dụng chạy bằng pin trên các mạng không hỗ trợ bộ giao thức TCP/IP, Zigbee[11]. Vào tháng 10 năm 2014 MQTT 3.1 với những thay đổi nhỏ đã được phát hành thành tiêu chuẩn OASIS.