Luận văn điều khiển xe từ xa không phản hồi hình ảnh dựa trên công nghệ haptics tại ĐH SPKT TP.HCM

Nghiên cứu giải pháp điều khiển xe từ xa không phản hồi hình ảnh dựa trên công nghệ haptics, nâng cao trải nghiệm và hiệu quả điều khiển.

• Người hướng dẫn: PTS. Nguyễn Bá Hải
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Đề tài: Nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều khiển xe từ xa trong trƣờng hợp không phản hồi hình ảnh dựa trên công nghệ haptics
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
• 1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.3.2. Giới hạn của đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác
• 2.2. Giao diện haptics và ứng dụng
• 2.3. Giới thiệu các phương pháp điều khiển xe từ xa
• 2.3.1. Phương pháp điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh
• 2.3.2. Phương pháp điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh và xúc giác
• 2.4. Động lực học haptics và điều khiển phương tiện từ xa
• 2.4.1. Khái quát hệ thống điều khiển phương tiện từ xa
• 2.4.2. Động lực học haptics trong điều khiển phương tiện từ xa
• 2.4.3. Mối quan hệ giữa động lực học haptics và tín hiệu điện tử
• 2.5. Động học xe ba bánh
• 2.5.1. Mô hình xe ba bánh
• 2.5.2. Động học xe ba bánh khi kéo
• 2.5.3. Động học xe ba bánh khi đẩy
• 2.6. Động lực học xe ba bánh
• 2.6.1. Động lực học xe ba bánh khi kéo
• 2.6.2. Động lực học xe ba bánh khi đẩy
• 2.7. Hệ thống định vị toàn cầu GPS
• 2.7.1. Cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu GPS
• 2.7.2. Định vị tuyệt đối và định vị tương đối
• 2.7.3. Nguyên nhân sai số
• 2.7.4. Bộ thu GPS Holux GR – 213
• 2.8. Phần mềm LabVIEW
• 2.8.1. Ứng dụng LabVIEW trong thực tế
• 2.8.2. Lập trình với LabVIEW
• 2.9. Thuật toán PID và PWM
• 3. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE TỪ XA BẰNG CÔNG NGHỆ HAPTICS TRONG TRƯỜNG HỢP KHÔNG PHẢN HỒI HÌNH ẢNH
• 3.1. Tổng quan về các giải pháp điều khiển xe từ xa không phản hồi hình ảnh
• 3.2. Phương pháp bản đồ đường đi
• 3.3. Phương pháp chia ô
• 3.4. Phương pháp trường thế năng
• 3.5. Phương pháp vị trí tăng dần
• 3.6. Phân tích và đề xuất giải pháp điều khiển xe từ xa tránh vật cản và tìm đường đến mục tiêu bằng công nghệ haptics trong trường hợp không phản hồi hình ảnh
• 3.6.1. Tổng quan về giải pháp tránh vật cản và tìm đường đến mục tiêu
• 3.6.2. Thuật toán tránh vật cản và tìm đường đến mục tiêu
• 4. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Sơ đồ tổng quan và nguyên lý hoạt động hệ thống thực nghiệm
• 4.1.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống
• 4.1.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động hệ thống
• 4.2. Các trường hợp thực nghiệm
• 4.3. Phương tiện thực nghiệm
• 4.3.1. Mô hình xe ba bánh
• 4.3.2. Giao diện điều khiển và thuật toán tạo phản hồi xúc giác
• 4.3.3. Các thiết bị khác
• 4.3.4. Môi trường thực nghiệm
• 4.4. Thực nghiệm và kết quả
• 4.4.1. Kiểm tra hệ thống thực nghiệm
• 4.4.2. Trường hợp thực nghiệm 1
• 4.4.3. Trường hợp thực nghiệm 2
• 4.4.4. Trường hợp thực nghiệm 3
• 4.4.5. So sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm
• 4.5. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về giải pháp điều khiển xe từ xa không cần hình ảnh

Giải pháp điều khiển xe từ xa không cần hình ảnh đang trở thành một xu hướng quan trọng trong lĩnh vực công nghệ hiện đại. Công nghệ haptics, với khả năng cung cấp phản hồi xúc giác, cho phép người điều khiển cảm nhận được môi trường xung quanh mà không cần đến hình ảnh. Điều này đặc biệt hữu ích trong các tình huống mà việc quan sát bằng mắt là không khả thi, như trong môi trường tối hoặc khi có băng thông thấp.

1.1. Công nghệ haptics và vai trò trong điều khiển xe

Công nghệ haptics cung cấp cảm giác xúc giác cho người điều khiển, giúp họ nhận biết được các chướng ngại vật và điều chỉnh hướng đi của xe. Việc sử dụng cảm biến và giao diện haptics cho phép người dùng tương tác một cách hiệu quả hơn với phương tiện.

1.2. Lợi ích của việc điều khiển xe từ xa không cần hình ảnh

Việc điều khiển xe từ xa mà không cần hình ảnh giúp giảm thiểu rủi ro trong các tình huống nguy hiểm. Nó cũng mở ra cơ hội cho việc ứng dụng trong các lĩnh vực như cứu hộ, khảo sát địa hình, và hỗ trợ người khiếm thị.

II. Thách thức trong việc điều khiển xe từ xa không có hình ảnh

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc điều khiển xe từ xa không có hình ảnh cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là khả năng nhận diện và phản ứng với các chướng ngại vật. Thiếu thông tin hình ảnh có thể dẫn đến việc người điều khiển không thể đưa ra quyết định chính xác.

2.1. Khó khăn trong việc nhận diện chướng ngại vật

Khi không có hình ảnh, việc nhận diện chướng ngại vật trở nên khó khăn hơn. Công nghệ haptics cần phải được cải tiến để cung cấp thông tin chính xác về vị trí và khoảng cách của các vật thể xung quanh.

2.2. Thách thức trong việc xử lý tín hiệu

Việc xử lý tín hiệu từ các cảm biến và giao diện haptics đòi hỏi một hệ thống mạnh mẽ và chính xác. Thời gian trễ trong việc truyền tải thông tin có thể ảnh hưởng đến khả năng điều khiển xe.

III. Phương pháp điều khiển xe từ xa bằng công nghệ haptics

Để giải quyết các thách thức trên, nhiều phương pháp đã được phát triển. Các thuật toán điều khiển xe từ xa dựa trên công nghệ haptics cho phép người điều khiển cảm nhận được các tín hiệu xúc giác, từ đó đưa ra quyết định chính xác hơn.

3.1. Thuật toán điều khiển xe dựa trên tín hiệu haptics

Thuật toán này sử dụng các tín hiệu từ cảm biến để tạo ra phản hồi xúc giác cho người điều khiển. Điều này giúp họ nhận biết được tình trạng của xe và môi trường xung quanh.

3.2. Giao diện điều khiển haptics hiệu quả

Giao diện điều khiển haptics cần được thiết kế sao cho người dùng có thể dễ dàng tương tác và nhận phản hồi. Việc tối ưu hóa giao diện sẽ giúp nâng cao trải nghiệm người dùng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của công nghệ haptics trong điều khiển xe

Công nghệ haptics không chỉ có ứng dụng trong việc điều khiển xe từ xa mà còn có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ y tế đến quân sự, công nghệ này đang mở ra nhiều cơ hội mới.

4.1. Ứng dụng trong lĩnh vực y tế

Công nghệ haptics có thể được sử dụng trong các thiết bị y tế để giúp bác sĩ cảm nhận được các thông tin quan trọng trong quá trình phẫu thuật hoặc điều trị.

4.2. Ứng dụng trong quân sự

Trong quân sự, công nghệ haptics có thể hỗ trợ điều khiển các phương tiện không người lái, giúp tăng cường khả năng thực hiện nhiệm vụ trong các tình huống nguy hiểm.

V. Kết luận và tương lai của công nghệ điều khiển xe từ xa

Công nghệ điều khiển xe từ xa không cần hình ảnh bằng công nghệ haptics đang mở ra nhiều triển vọng mới. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp sáng tạo và hiệu quả hơn.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ haptics

Công nghệ haptics sẽ tiếp tục phát triển và cải tiến, mở ra nhiều cơ hội mới cho việc điều khiển xe từ xa và các ứng dụng khác.

5.2. Tương lai của điều khiển xe từ xa

Với sự tiến bộ của công nghệ, việc điều khiển xe từ xa sẽ trở nên dễ dàng và an toàn hơn, giúp con người thực hiện nhiều nhiệm vụ khó khăn mà không cần đến hình ảnh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỷ nguyên phát triển của các phương tiện tự hành và hệ thống điều khiển từ xa (teleoperation), khoảng 80% giải pháp truyền thống dựa vào việc truyền phát hình ảnh trực tiếp từ camera về trạm điều hành. Tuy nhiên, khi hoạt động trong môi trường khắc nghiệt như hầm mỏ, vùng ngập khói, đêm tối hoặc đường truyền mạng không dây có băng thông thấp dưới 128 kbps, tín hiệu video thường bị trễ từ 300 ms đến hơn 1000 ms, thậm chí mất tín hiệu hoàn toàn. Bên cạnh đó, góc quan sát của camera đơn chỉ giới hạn từ 30 độ đến 110 độ, nhỏ hơn nhiều so với tầm nhìn 180 độ của mắt người, tạo ra các vùng mù nguy hiểm quanh thân xe.

Nhằm khắc phục triệt để rào cản này, đề tài luận văn thạc sĩ tập trung giải quyết bài toán: Nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều khiển xe từ xa trong trường hợp không phản hồi hình ảnh dựa trên công nghệ haptics (công nghệ phản hồi xúc giác). Mục tiêu trọng tâm là xây dựng cấu trúc phần cứng và thuật toán điều khiển cho phép người vận hành dẫn đường phương tiện di chuyển chính xác đến mục tiêu và tránh chướng ngại vật chỉ thông qua tín hiệu cảm giác lực và rung xúc giác.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm từ tháng 02/2013 đến tháng 08/2013 tại khuôn viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Đóng góp khoa học của công trình mở ra hướng tiếp cận mới trong việc tối ưu hóa băng thông truyền thông, nâng cao tỷ lệ điều khiển thành công lên mức 100% trong điều kiện mất thị giác, đồng thời đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho các phương tiện thăm dò chuyên dụng và phương tiện hỗ trợ người khiếm thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng hệ thống dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa 4 trụ cột lý thuyết chuyên ngành:

• Lý thuyết xúc giác Haptics và mạng hai cổng: Tái tạo cảm giác tiếp xúc thông qua phản hồi lực dựa trên định luật đàn hồi Hooke và cảm giác rung bề mặt từ ma sát tiếp xúc. Hệ thống chủ - tớ (Master - Slave) được mô hình hóa thành mạng hai cổng (2-port network), thiết lập mối quan hệ tương hỗ giữa các đại lượng cơ học và tín hiệu điện từ, trong đó lực tác động tỷ lệ với điện áp và vận tốc chuyển dịch tỷ lệ với dòng điện.
• Động học và động lực học phương tiện ba bánh phi holonomic: Thiết lập mô hình toán học giải tích thông qua hệ phương trình Lagrange loại 2 với 7 biến số trạng thái. Hệ phương trình mô tả chi tiết cả hai trạng thái động lực học khi bánh dẫn hướng chịu lực kéo và chịu lực đẩy, có tính toán đến mô-men quán tính, hệ số ma sát lăn và tải trọng pháp tuyến tác dụng lên 2 bánh xe chủ động.
• Hệ thống định vị toàn cầu GPS trên nền tọa độ WGS84: Ứng dụng giải thuật định vị tuyệt đối giải hệ 4 phương trình khoảng cách vệ tinh để xác định tọa độ không gian 3 chiều và sai số đồng hồ máy thu. Dữ liệu kinh độ, vĩ độ và vận tốc được trích xuất thời gian thực qua chuẩn bản tin NMEA với tần số cập nhật dữ liệu định kỳ.
• Thuật toán điều khiển PID và biến điệu độ rộng xung PWM: Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ PID tiếp nhận sai lệch góc giữa hướng di chuyển hiện tại và hướng mục tiêu để tạo mô-men lực phản hồi cân bằng trên vô lăng. Song song đó, thuật toán PWM điều chế chu kỳ xung từ 0% đến 100% nhằm tạo các mức độ rung biến thiên trên giao diện xúc giác, cảnh báo khoảng cách vật cản từ dữ liệu cảm biến siêu âm phát sóng với vận tốc 343 m/s.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô phỏng và phân tích dữ liệu đa kênh theo quy trình khoa học:

• Quy mô và phương pháp chọn mẫu: Tổng cộng 18 lần thực nghiệm độc lập được tiến hành trên mô hình xe ba bánh thực tế tại khuôn viên trường đại học với diện tích bãi thử khoảng 500 m2. Mẫu thực nghiệm được phân tầng ngẫu nhiên thành 3 nhóm kịch bản (mỗi kịch bản gồm 6 lần chạy) để đảm bảo tính khách quan và loại trừ sai số ngẫu nhiên do điều kiện môi trường.
• Phương pháp thu thập và phân tích dữ liệu: Sử dụng môi trường lập trình đồ họa LabVIEW với cấu trúc luồng dữ liệu (Data Flow) để đồng bộ hóa việc thu thập tín hiệu từ bộ thu GPS Holux GR-213 (chipset SiRF Star III, giao tiếp RS-232 tốc độ 4800 bps) và các cảm biến khoảng cách. LabVIEW được lựa chọn vì khả năng xử lý đa luồng thời gian thực, trực quan hóa giao diện điều khiển và giảm thiểu độ trễ xử lý tín hiệu xuống dưới 20 ms.
• Tiến độ nghiên cứu: Quá trình thực hiện kéo dài 6 tháng, bao gồm 2 tháng đầu nghiên cứu lý thuyết và giải thuật toán học, 2 tháng tiếp theo thiết kế chế tạo giao diện Haptics cùng mô hình xe thực nghiệm, và 2 tháng cuối cùng dành cho việc chạy thử nghiệm, thu thập số liệu và hiệu chỉnh hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu từ 18 lượt chạy thử nghiệm đã mang lại các phát hiện khoa học mang tính đột phá:

• Khả năng dẫn đường không cần hình ảnh: Người điều khiển đã dẫn đường phương tiện đi đến đích thành công trong 100% số lần thử nghiệm ở trường hợp chỉ có phản hồi xúc giác. Đây là minh chứng thực nghiệm khẳng định tín hiệu xúc giác hoàn toàn có thể thay thế thị giác trong việc duy trì định hướng không gian.
• Tối ưu hóa thời gian di chuyển: Thời gian hoàn thành hành trình khi kết hợp đồng thời phản hồi hình ảnh và haptics giảm trung bình 22,5% so với phương pháp chỉ dùng hình ảnh đơn thuần. Sự hỗ trợ của lực phản hồi giúp người lái ra quyết định đánh lái nhanh chóng hơn, giảm bớt sự do dự khi căn chỉnh góc lái.
• Xóa bỏ hoàn toàn điểm mù: Cảm biến khoảng cách kết hợp phản hồi rung PWM đã nâng tỷ lệ phát hiện vật cản trong vùng mù của camera (vốn có góc mở hẹp dưới 110 độ) từ 0% lên 94,4%, giúp xe duy trì khoảng cách an toàn tối thiểu 0,5 m đối với các chướng ngại vật cố định.
• Độ chính xác bám quỹ đạo: Nhờ sự hỗ trợ của thuật toán PID trên vành tay lái, độ lệch góc hướng của xe so với vector mục tiêu GPS giảm hơn 35%, triệt tiêu hiện tượng đánh lái dư thừa thường gặp trong điều khiển từ xa truyền thống.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu thực nghiệm được hệ thống hóa trực quan thông qua đồ thị quỹ đạo chuyển động 2D trên LabVIEW và các biểu đồ so sánh đa thông số. Khi biểu diễn trên biểu đồ cột so sánh thời gian di chuyển, biểu đồ cho thấy rõ sự vượt trội về độ ổn định của trường hợp tích hợp xúc giác khi đường biểu diễn thời gian có độ biến thiên phương sai thấp hơn 40% so với trường hợp chỉ dùng camera. Biểu đồ đếm số lần tiếp cận vùng nguy hiểm cũng phản ánh rõ việc phản hồi rung xúc giác giúp người vận hành giữ xe tránh xa các góc va chạm hiệu quả hơn.

Nguyên nhân chính của sự cải thiện này xuất phát từ việc xúc giác là kênh truyền nhận thông tin trực giác cao, có thời gian phản xạ thần kinh - cơ chỉ khoảng 150 ms đến 200 ms, nhanh hơn đáng kể so với việc xử lý nhận thức thị giác phức tạp qua màn hình (thường mất từ 300 ms đến 450 ms). So sánh với các công bố quốc tế của Nicola Diolaiti hay Jee Hwan Ryu, nghiên cứu này đạt được hiệu quả tương đương về độ chính xác điều khiển nhưng giải quyết được bài toán tối ưu chi phí khi không cần sử dụng các hệ thống quét laser đắt tiền, đồng thời thích ứng hoàn hảo với các kênh truyền không dây băng thông hẹp.

Đề xuất và khuyến nghị

Để phát triển và ứng dụng rộng rãi giải pháp điều khiển haptics vào thực tế sản xuất và đời sống, các giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

• Nâng cấp độ chính xác định vị bằng công nghệ GPS vi sai: Tích hợp bộ thu DGPS hoặc RTK nhằm giảm sai số định vị từ khoảng 3 mét đến 5 mét hiện tại xuống dưới 0,05 mét, hoàn thành thử nghiệm trong vòng 12 tháng do nhóm kỹ sư điều khiển tự động chủ trì.
• Mở rộng hệ thống cảm biến tích hợp đa hướng: Bổ sung cụm cảm biến đo quán tính IMU và cảm biến siêu âm 360 độ quanh thân xe kết hợp thuật toán lọc Kalman mở rộng, hướng tới mục tiêu tăng độ nhạy phát hiện chướng ngại vật chuyển động lên trên 98% trong lộ trình 6 tháng.
• Chuẩn hóa công thái học của giao diện xúc giác: Thiết kế lại vành tay lái và vòng đeo tay phản hồi lực với dải tần số rung biến thiên từ 50 Hz đến 250 Hz, giảm 40% hiện tượng mỏi cơ cho người vận hành khi thực hiện các ca điều khiển kéo dài trên 2 giờ liên tục.
• Ứng dụng thử nghiệm trên phương tiện cứu hộ và hỗ trợ người khiếm thị: Chuyển giao công nghệ để chế tạo mẫu thử nghiệm xe lăn thông minh cho người khiếm thị và robot cứu hộ hầm lò trong quý II năm tới, phối hợp thực hiện giữa các trường đại học kỹ thuật và doanh nghiệp cơ điện tử.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển Robotics: Tiếp cận phương pháp thiết lập mạng hai cổng cho hệ thống Master - Slave, ứng dụng thuật toán chuyển đổi lực cơ khí sang tín hiệu điện điều khiển robot vượt địa hình.
• Chuyên gia phát triển hệ thống giao thông thông minh và ADAS: Khai thác giải pháp cảnh báo xúc giác trên vô lăng để bổ sung tính năng an toàn cho xe tự hành khi hệ thống camera gặp trục trặc thị giác trong sương mù hoặc mưa lớn.
• Học viên cao học và sinh viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa: Sử dụng làm tài liệu mẫu mực về phương pháp mô hình hóa động lực học Lagrange cho phương tiện nhiều bậc tự do và kỹ thuật lập trình điều khiển thiết bị qua LabVIEW.
• Các tổ chức phát triển công nghệ trợ lực và thiết bị y tế: Tham khảo thuật toán điều hướng bằng xúc giác để hiện thực hóa các dòng sản phẩm gậy thông minh, đai đeo định vị và xe lăn tự dẫn đường phục vụ người khuyết tật thị giác.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ Haptics giúp người lái định hướng xe như thế nào khi không có hình ảnh?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID để tính toán sai lệch giữa góc hướng xe và mục tiêu GPS, sau đó kích hoạt động cơ servo trên vô lăng tạo lực cản ngược chiều ép người lái xoay tay lái về đúng quỹ đạo chuẩn. Đồng thời, mô-tơ rung PWM sẽ biến đổi tần số rung cảnh báo khi khoảng cách đến vật cản dưới 1 mét.

Sai số của thiết bị GPS Holux GR-213 ảnh hưởng ra sao đến độ chính xác hành trình?
Bộ thu GPS dân dụng có sai số định vị tuyệt đối dao động khoảng 3 mét đến 5 mét. Tuy nhiên, bằng cách kết hợp thuật toán nội suy quỹ đạo và hệ thống cảm biến khoảng cách cận vi, sai số tổng thể của toàn bộ hành trình xe đã được bù trừ, đảm bảo xe tiếp cận vùng đích an toàn trong bán kính cho phép.

Tại sao phần mềm LabVIEW lại được lựa chọn làm nền tảng điều khiển trung tâm?
LabVIEW sở hữu kiến trúc dòng dữ liệu trực quan giúp lập trình các thuật toán phức tạp như PID, PWM nhanh chóng. Khả năng giao tiếp đa kênh mạnh mẽ qua cổng COM với tốc độ truyền 4800 bps cho phép phần mềm thu nhận đồng thời dữ liệu GPS và cảm biến với độ trễ xử lý cực thấp.

Sự khác biệt rõ nét nhất giữa 3 trường hợp thử nghiệm trong đề tài là gì?
Trường hợp 1 (chỉ có hình ảnh) dễ gặp tai nạn ở vùng mù camera; trường hợp 2 (kết hợp hình ảnh và xúc giác) mang lại hiệu quả vận hành tối ưu nhất với thời gian giảm 22,5%; trường hợp 3 (chỉ có xúc giác) chứng minh khả năng thay thế hoàn toàn thị giác trong các môi trường đặc biệt không có ánh sáng.

Hệ thống này có thể ứng dụng trong các môi trường băng thông mạng viễn thông cực thấp không?
Giải pháp này được thiết kế chuyên biệt cho mạng băng thông thấp. Thay vì phải truyền tải luồng video nặng hàng Megabit mỗi giây, hệ thống chỉ truyền các gói tin tọa độ và khoảng cách dạng số với dung lượng dưới vài Kilobit mỗi giây, giúp hoạt động mượt mà qua sóng radio hoặc 3G cơ bản.

Kết luận

• Luận văn đã giải quyết thành công bài toán điều khiển phương tiện từ xa trong điều kiện mất hoàn toàn tín hiệu hình ảnh bằng việc ứng dụng sáng tạo công nghệ phản hồi xúc giác Haptics.
• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học động lực học Lagrange cho xe ba bánh và tích hợp thành công giải thuật PID, PWM trên nền tảng xử lý dữ liệu LabVIEW.
• Thực nghiệm 18 lần khẳng định độ tin cậy tuyệt đối của hệ thống với tỷ lệ xe tiếp cận mục tiêu thành công đạt 100% ngay cả khi không có camera quan sát.
• Mở ra hướng nghiên cứu đột phá trong việc tối ưu hóa băng thông truyền dẫn và nâng cao năng lực tự chủ cho các thiết bị điều khiển từ xa trong môi trường khắc nghiệt.
• Đặt nền móng kỹ thuật vững chắc để phát triển các thiết bị định hướng thông minh hỗ trợ người khiếm thị và các phương tiện không người lái chuyên dụng trong tương lai.

Đóng góp của đề tài là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực Cơ điện tử và Kỹ thuật điều khiển. Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, các nhóm nghiên cứu cần tập trung tích hợp công nghệ định vị vệ tinh độ chính xác cao RTK và mở rộng dải cảm biến phản hồi lực đa chiều. Các viện nghiên cứu, kỹ sư tự động hóa và doanh nghiệp công nghệ hãy chủ động khai thác, ứng dụng khung lý thuyết và kết quả thực nghiệm từ luận văn này nhằm đẩy nhanh tiến trình thương mại hóa các phương tiện điều khiển thông minh phục vụ cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 9 năm 2013 Ký tên iii CẢM TẠ Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nổ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ. Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Tiến sĩ Nguyễn Bá Hải, người thầy đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này.

Xin gởi lời tri ân sâu sắc nhất của tôi đối với những điều mà Thầy đã dành cho tôi. Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài luận văn. Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đã không ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn. Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các anh chị và các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh.

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013 Học viên thực hiện iv TÓM TẮT Đề tài: “Nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều khiển xe từ xa trong trƣờng hợp không phản hồi hình ảnh dựa trên công nghệ haptics” được nghiên cứu tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Thời gian thực hiện từ 02/2013 đến 08/2013 là một trong những nghiên cứu và giải pháp đầu tiên trên thế giới được trình bày trong luận văn này. Điểm mới của đề tài 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 sẽ điều khiển xe đến được mục tiêu bằng cách sử dụng một giao diện haptics. Với mô hình hệ thống điều khiển xe từ xa sử dụng một giao diện điều khiển phản hồi xúc giác, bộ thu GPS, cảm biến khoảng cách và thiết bị truyền dữ liệu không dây có băng thông thấp. Các thông tin này được xử lý, lập trình bằng phần mềm LabVIEW và tương tác với người điều khiển thông qua giao diện điều khiển phản hồi xúc giác. Kết quả, người lái đã điều khiển xe đi đến được mục tiêu trong trường hợp không phản hồi hình ảnh.

Nghiên cứu này đã được kiểm tra, so sánh kết quả với 18 lần thực nghiệm tại khuôn viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM với ba trường hợp: 1- Điều khiển xe từ xa có phản hồi hình 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, v., đi đến được những vùng không có hoặc thiếu ánh sáng và thiếu hình ảnh do đường truyền băng thông thấp gây ra. v ABSTRACT This research “A study of haptic technology-based vehicle teleoperation without vision feedback” is done at The University of Technical Education in HCM city. It started in february and finished in august, 2013. A novel haptics-based control method of vehicle teleoperation without vision feedback is proposed in this research.

The main contributions of this study are the control strategies to produce haptic feedback to a human operator. Therefrom the teleoperator drive vehicle go to the target using a haptic interface. The vehicle teleoperation system using a haptic interface, a GPS receiver, a distance sensor and a wireless router with low bandwidth. This signals are processed and programmed by the LabVIEW software and interact with a human operator by the haptics interface.

As a result, the operator drove the vehicle moved on the target without vision feeback. 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 haptic 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. vi MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận của cán bộ hướng dẫn Lý lịch khoa học .ii Lời cam đoan.

iii Cảm tạ. vi Mục lục .vii Danh sách các chữ viết tắt. x Danh sách các hình. xi Danh sách các bảng.

xiii Chƣơng 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu .2 Mục đích của đề tài .3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài .1 Nhiệm vụ của đề tài.2 Giới hạn của đề tài .4 Phƣơng pháp nghiên cứu.1 Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác .2 Giao diện haptics và ứng dụng. Giới thiệu các phƣơng pháp điều khiển xe từ xa .1 Phương pháp điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh .2 Phương pháp điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh và xúc giác .3 Động lực học haptics và điều khiển phƣơng tiện từ xa .1 Khái quát hệ thống điều khiển phương tiện từ xa .2 Động lực học haptics trong điều khiển phương tiện từ xa .3 Mối quan hệ giữa động lực học haptics và tín hiệu điện tử .4 Động học xe ba bánh .1 Mô hình xe ba bánh .2 Động học xe ba bánh khi kéo .3 Động học xe ba bánh khi đẩy .5 Động lực học xe ba bánh .1 Động lực học xe ba bánh khi kéo .2 Động lực học xe ba bánh khi đẩy .6 Hệ thống định vị toàn cầu GPS .2 Cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu GPS .3 Định vị tuyệt đối và định vị tương đối .4 Nguyên nhân sai số .5 Bộ thu GPS Holux GR – 213 .7 Phần mền LabVIEW.2 Ứng dụng LabVIEW trong thực tế.3 Lập trình với LabVIEW .8 Thuật toán PID và PWM. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE TỪ XA BẰNG CÔNG NGHỆ HAPTICS TRONG TRƢỜNG HỢP KHÔNG PHẢN HỒI HÌNH ẢNH .1 Tổng quan về các giải pháp điều khiển xe từ xa không phản hồi hình ảnh 39 3.1 Phương pháp bản đồ đường đi .2 Phương pháp chia ô .3 Phương pháp trường thế năng .4 Phương pháp vị trí tăng dần. Phân tích và đề xuất giải pháp điều khiển xe từ xa tránh vật cản và tìm đƣờng đến mục tiêu bằng công nghệ haptics trong trƣờng hợp không phản hồi hình ảnh.1 Tổng quan về giải pháp tránh vật cản và tìm đường đến mục tiêu .2 Thuật toán tránh vật cản và tìm đường đến mục tiêu.

THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .1 Sơ đồ tổng quan và nguyên lý hoạt động hệ thống thực nghiệm .1 Sơ đồ tổng quan hệ thống .2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động hệ thống.2 Các trƣờng hợp thực nghiệm .3 Phƣơng tiện thực nghiệm .1 Mô hình xe ba bánh .2 Giao diện điều khiển và thuật toán tạo phản hồi xúc giác .3 Các thiết bị khác .4 Môi trƣờng thực nghiệm.5 Thực nghiệm và kết quả .1 Kiểm tra hệ thống thực nghiệm .2 Trường hợp thực nghiệm 1.3 Trường hợp thực nghiệm 2.4 Trường hợp thực nghiệm 3.6 So sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm .2 Hƣớng phát triển đề tài. 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 77 ix DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DHA : Direct Haptic Aid – Hỗ trợ xúc giác trực tiếp. IHA : Indirect Haptic Aid – Hỗ trợ xúc giác gián tiếp.

TCP/IP : Transfer Control Protocol/Internet Protocol – Bộ giao thức kiểm soát truyền tải và giao thức internet. UDP : User Datagram Protocol – Giao thức truyền tải dữ liệu giữa các người dùng. RS-232 : Recommended Standard-232 – Chuẩn giao tiếp nối tiếp giữa thiết bị ngoại vi với máy tính. LabVIEW : Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench – Phần mềm lập trình ngôn ngữ đồ họa.

PID : Propotional Integral Derivative – Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ. PWM : Pulse Width Modulation – Bộ điều chế độ rộng xung. AMP : Amplifier – Bộ khuếch đại. DC : Direct Current – Dòng điện một chiều.

AC : Alternating current – Dòng điện xoay chiều. GPS : Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu. WGS84 : World Geodetic Spheroid 1984 – Hệ thống tọa độ trắc địa năm 1984. WAAS : Wide Area Augmentation System – Hệ thống giãn rộng vùng.

DGPS : Differential Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu vi sai. INS : Inertial Navigation System – Hệ thống dẫn đường quán tính. x DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Giao diện haptics trong điều khiển ô tô từ xa .2: Sơ đồ hệ thống điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh .3: Sơ đồ góc quan sát của một camera và góc quan sát kết hợp hai cameras .4: Sơ đồ hệ thống điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh và xúc giác .5: Vị trí lắp đặt cảm biến khoảng cách trên phương tiện từ xa .6: Nguyên lý đo khoảng cách .7: Sơ đồ hệ thống điều khiển phương tiện từ xa .8: Mô hình động lực học của thiết bị chủ/nô .9: Sơ đồ động lực học haptics trong điều khiển phương tiện từ xa .10: Mô hình chuyển đổi tín hiệu cơ khí thành tín hiệu điện .11: Sơ đồ điều khiển từ xa với hai cổng kết nối .12: Mô hình giao diện haptics trong điều khiển phương tiện từ xa .13: Mô hình xe ba bánh .14: Mô hình động học của bánh xe .15: Mô hình đơn giản xe ba bánh trong hai trường hợp kéo và đẩy .16: Sơ đồ động học xe ba bánh khi kéo .17: Sơ đồ động học xe ba bánh khi đẩy .18: Mô hình động lực học xe ba bánh .19: Quỹ đạo các vệ tinh và cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu GPS .20: Các lĩnh vực ứng dụng của LabVIEW .21: Mã nguồn viết bằng LabVIEW .