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 .