Luận văn thạc sĩ về phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu và phát triển lý thuyết phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Đinh Văn Cường
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Nguyễn Bá Hải
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa
• Loại tài liệu: Luận văn cao học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước
• 1.2.1. Nghiên cứu trong nước
• 1.2.2. Nghiên cứu ngoài nước
• 1.3. Mục đích của đề tài
• 1.4. Giới hạn của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về tương tác người và xe
• 2.2. Cảm giác là gì?
• 2.2.1. Các loại cảm giác
• 2.3. Vai trò của các giác quan trong điều khiển xe trực tiếp
• 2.4. Cơ chế tạo cảm giác xúc giác
• 2.4.1. Những cảm giác xúc giác mà tay người có thể cảm nhận được khi tương tác với một vật thể
• 2.4.1.1. Cảm giác về chuyển động ngang (thô, nhám)
• 2.4.1.2. Cảm giác về áp suất (cứng, mềm)
• 2.4.1.3. Cảm giác về nhiệt độ
• 2.4.1.4. Cảm giác về trọng lượng
• 2.4.1.5. Cảm giác về đường biên, thể tích
• 2.4.1.6. Cảm giác về sức bén đường biên
• 2.5. Vai trò của xúc giác
• 2.5.1. Vai trò của xúc giác trong hoạt động của con người
• 2.5.2. Vai trò của xúc giác trong lái xe trực tiếp
• 2.6. Xúc giác trên xe là gì?
• 2.6.1. Một số cảm giác xúc giác mà con người cảm nhận được khi điều khiển xe
• 2.6.1.1. Tương tác với vô lăng
• 2.6.1.2. Tương tác với bàn đạp ga
• 2.6.1.3. Tương tác với bàn đạp phanh
• 2.6.1.4. Tương tác với cần sang số
• 2.6.1.5. Tương tác với ghế ngồi
• 2.6.1.6. Tương tác với nút nhấn
• 2.7. Giới thiệu công nghệ Haptics
• 2.8. Các ứng dụng của công nghệ Haptics
• 2.8.1. Các ứng dụng với haptics trên ô tô
• 2.8.2. Ứng dụng haptics trong y học
• 2.8.3. Haptic cho người mù
• 2.8.4. Ứng dụng haptics trong quân sự
• 2.8.5. Ứng dụng trong công nghiệp
• 2.8.6. Ứng dụng haptics trong giáo dục
• 2.9. Ứng dụng haptic trong công nghệ thông tin
• 2.10. Lực phản hồi từ môi trường lên robot di động dựa trên phương pháp Logic mờ
• 2.10.1. Tổng quan về điều khiển từ xa robot di động
• 2.10.2. Lực phản hồi từ môi trường
• 2.10.3. Quy tắc mờ trong việc biểu diễn lực phản hồi
• 2.10.4. Phân tích ổn định của hệ thống điều khiển từ xa robot di động
• 2.10.5. Haptics trong điều khiển từ xa robot di động
• 2.10.5.1. Sự tương tác ảo giữa người điều khiển, khối lượng ảo và môi trường
• 2.10.5.2. Lực ảo tạo ra bởi môi trường
• 2.10.5.3. Tương tác với người điều khiển
• 2.11. Tạo cảm giác lái cho hệ thống SBW bằng phương pháp sử dụng cảm biến dòng điện
• 2.11.1. Giới thiệu hệ thống SBW
• 2.11.2. Tái tạo cảm giác lái bằng phương pháp đo dựa trên cường độ dòng điện
• 2.11.2.1. Hoạt động của phương pháp dựa trên cảm biến dòng
• 2.12. Giới thiệu phần mềm LabVIEW
• 2.12.1. Ứng dụng LabVIEW trong thực tế
• 2.12.2. Lập trình với LabVIEW
• 2.13. Thuật toán PID và ứng dụng vào điều khiển động cơ DC
• 2.13.1. Khái niệm về thuật toán PID
• 2.13.2. Điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán PID
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁI TẠO CẢM GIÁC XÚC GIÁC TRÊN Ô TÔ
• 3.1. Phân loại phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trên ô tô
• 3.2. Tái tạo cảm giác xúc giác áp suất (cứng, mềm)
• 3.3. Tái tạo cảm giác xúc giác rung xóc cho người điều khiển ô tô
• 3.4. Tái tạo cảm giác xúc giác nhiệt độ cho người điều khiển ô tô
• 4. CHƯƠNG 4: THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Giới thiệu mô hình thí nghiệm
• 4.2. Thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác áp suất (cứng, mềm)
• 4.3. Thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác rung
• 4.4. Thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác nhiệt độ (nóng, lạnh)
• 4.5. Kết quả thí nghiệm
• 4.5.1. Kết quả thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác áp suất
• 4.5.2. Kết quả thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác nhiệt độ
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC A: Một số khối (hàm thức) phổ biến trong LabVIEW
• A1. Cấu trúc một số vòng lặp
• A2. Một số hàm Delay thời gian
• A3. Cách lấy các hàm tính toán và so sánh
• PHỤ LỤC B: Kết quả lập trình PID cho động cơ DC với LabVIEW
• B1. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu P
• B2. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PI
• B3. Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PID
• DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa

Nghiên cứu về tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hiện đại. Công nghệ này không chỉ giúp cải thiện trải nghiệm người dùng mà còn nâng cao hiệu quả điều khiển. Việc sử dụng cảm giác xúc giác cho phép người điều khiển cảm nhận được các thông tin từ môi trường, từ đó đưa ra quyết định chính xác hơn. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng việc tích hợp công nghệ này vào hệ thống điều khiển ô tô có thể mang lại nhiều lợi ích đáng kể.

1.1. Khái niệm về cảm giác xúc giác và vai trò của nó

Cảm giác xúc giác là khả năng cảm nhận các thông tin từ môi trường thông qua các giác quan. Trong điều khiển ô tô từ xa, cảm giác này giúp người điều khiển nhận biết được tình trạng của xe và môi trường xung quanh. Việc tái tạo cảm giác xúc giác có thể cải thiện khả năng phản ứng và độ chính xác trong điều khiển.

1.2. Lịch sử phát triển công nghệ tái tạo cảm giác xúc giác

Công nghệ tái tạo cảm giác xúc giác đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển. Từ những nghiên cứu ban đầu về cảm biến đến các hệ thống phức tạp hiện nay, công nghệ này đã có những bước tiến vượt bậc. Các ứng dụng trong lĩnh vực ô tô ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt là trong điều khiển từ xa.

II. Thách thức trong việc tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa

Mặc dù công nghệ tái tạo cảm giác xúc giác đã có những tiến bộ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua. Một trong những vấn đề lớn nhất là việc truyền tải thông tin một cách chính xác và nhanh chóng. Độ trễ trong việc truyền tải có thể ảnh hưởng đến trải nghiệm của người điều khiển. Ngoài ra, việc thiết kế các thiết bị cảm biến sao cho phù hợp với các điều kiện thực tế cũng là một thách thức lớn.

2.1. Độ trễ trong hệ thống điều khiển từ xa

Độ trễ trong việc truyền tải thông tin giữa người điều khiển và xe có thể gây ra những phản ứng không chính xác. Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống khẩn cấp, nơi mà thời gian phản ứng là rất quan trọng.

2.2. Thiết kế thiết bị cảm biến hiệu quả

Việc thiết kế các thiết bị cảm biến để tái tạo cảm giác xúc giác một cách chính xác là rất khó khăn. Các thiết bị này cần phải có độ nhạy cao và khả năng hoạt động trong nhiều điều kiện khác nhau.

III. Phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa

Có nhiều phương pháp khác nhau để tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng cảm biến haptic, công nghệ phản hồi lực và các hệ thống điều khiển thông minh. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Sử dụng cảm biến haptic để tái tạo cảm giác

Cảm biến haptic là một trong những công nghệ tiên tiến nhất trong việc tái tạo cảm giác xúc giác. Chúng cho phép người điều khiển cảm nhận được các lực tác động từ môi trường, từ đó nâng cao trải nghiệm điều khiển.

3.2. Công nghệ phản hồi lực trong điều khiển từ xa

Công nghệ phản hồi lực giúp người điều khiển cảm nhận được các lực tác động lên xe, từ đó đưa ra quyết định chính xác hơn. Việc tích hợp công nghệ này vào hệ thống điều khiển ô tô từ xa có thể cải thiện đáng kể hiệu quả điều khiển.

IV. Ứng dụng thực tiễn của công nghệ tái tạo cảm giác xúc giác

Công nghệ tái tạo cảm giác xúc giác không chỉ có ứng dụng trong lĩnh vực ô tô mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như y học, giáo dục và công nghiệp. Việc áp dụng công nghệ này có thể giúp cải thiện hiệu quả làm việc và giảm thiểu rủi ro trong nhiều tình huống khác nhau.

4.1. Ứng dụng trong y học

Trong y học, công nghệ tái tạo cảm giác xúc giác có thể được sử dụng để hỗ trợ bác sĩ trong các ca phẫu thuật từ xa. Điều này giúp nâng cao độ chính xác và giảm thiểu rủi ro cho bệnh nhân.

4.2. Ứng dụng trong giáo dục

Công nghệ này cũng có thể được áp dụng trong giáo dục, giúp sinh viên có thể thực hành các kỹ năng điều khiển trong môi trường an toàn và hiệu quả hơn.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu tái tạo cảm giác xúc giác

Nghiên cứu về tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa đang mở ra nhiều cơ hội mới. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến đáng kể. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ này sẽ giúp nâng cao hiệu quả điều khiển và trải nghiệm người dùng.

5.1. Tương lai của công nghệ haptic trong ô tô

Công nghệ haptic trong ô tô sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều ứng dụng mới và cải tiến trong thiết kế. Điều này sẽ giúp nâng cao trải nghiệm người dùng và cải thiện hiệu quả điều khiển.

5.2. Khuyến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác, đồng thời tìm kiếm các ứng dụng mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau để tối ưu hóa hiệu quả và giảm thiểu rủi ro.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hoạt động điều khiển phương tiện trực tiếp, thị giác cung cấp khoảng 80% đến 90% lượng thông tin dẫn đường, trong khi các giác quan xúc giác chiếm tỷ lệ 1,5% nhưng giữ vai trò quyết định trong việc cảm nhận tương tác vật lý thời gian thực giữa xe và mặt đường. Khi chuyển giao sang phương thức điều khiển ô tô từ xa, người vận hành bị cắt đứt hoàn toàn các phản hồi cơ học trực tiếp như rung xóc khung gầm, lực cản vô lăng và sự biến thiên áp suất bàn đạp. Sự thiếu hụt các kênh xúc giác này dẫn đến tình trạng giảm 45% khả năng định vị chính xác vật cản, đồng thời gia tăng đáng kể nguy cơ xảy ra va chạm khi xe vận hành trong địa hình hiểm trở hoặc môi trường độc hại.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng và hoàn thiện hệ thống cơ sở lý thuyết về tương tác xúc giác người – xe, từ đó đề xuất, thử nghiệm các phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác bao gồm áp suất, rung động và nhiệt độ cho hệ thống điều khiển ô tô từ xa. Đề tài được triển khai thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn đào tạo cao học từ năm 2011 đến năm 2013.

Công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, góp phần làm chủ công nghệ xúc giác Haptics tại Việt Nam, giảm chi phí chuyển giao công nghệ từ nước ngoài ước tính khoảng 30% đến 50%. Kết quả nghiên cứu hỗ trợ trực tiếp cho các bài toán điều khiển phương tiện quân sự không người lái, xe làm sạch môi trường hạt nhân và hệ thống cabin mô phỏng đào tạo lái xe ảo, giúp giảm thiểu 25% sai lệch điều khiển và hạn chế tối đa nguy cơ tai nạn giao thông trong quá trình huấn luyện thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết tương tác người – máy (Human-Machine Interaction) và lý thuyết điều khiển trở kháng (Impedance Control) trong không gian ảo. Bản chất của điều khiển Haptics trong môi trường điều khiển từ xa là duy trì mối quan hệ động học chặt chẽ giữa vị trí, vận tốc và lực tương tác thông qua mô hình lò xo và khối lượng ảo.

Về mặt sinh lý học thần kinh, cơ chế cảm nhận xúc giác của con người được giải thích thông qua hoạt động của các thụ thể chuyên biệt dưới bề mặt da có tổng diện tích trung bình khoảng 1,5 mét vuông:

• Thụ thể Meissner: Phân bố dày đặc tại đầu ngón tay và lòng bàn tay, đảm nhiệm chức năng thu nhận cảm giác ma sát, độ thô nhám bề mặt và tiếp xúc nông.
• Thụ thể Paccini: Phân bố ở các lớp biểu bì sâu, gân và dây chằng, chịu trách nhiệm tiếp nhận các kích thích dao động cơ học trong dải tần số từ 40 Hz đến 1000 Hz, với ngưỡng nhạy cảm tối ưu nhất đạt mức 300 Hz.
• Ngưỡng phân biệt không gian Weber: Khoảng cách phân biệt hai điểm kích thích đạt mức cực tiểu 1 mm tại đầu lưỡi, từ 2 mm đến 5 mm tại lòng bàn tay, và tăng lên mức 50 mm đến 60 mm tại vùng lưng.

Bên cạnh đó, đề tài tích hợp lý thuyết điều khiển phản hồi dòng điện động cơ DC, lý thuyết hệ thống lái bằng dây (Steer-By-Wire - SBW) và giải thuật điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID) nhằm kiểm soát góc quay và lực cản phản hồi trên cơ cấu chấp hành vô lăng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa tổng quan tài liệu học thuật quốc tế và thực nghiệm phần cứng có sự tham gia của con người trong vòng lặp điều khiển (Hardware-in-the-Loop). Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ bộ thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác chuyên dụng tích hợp card giao tiếp ngoại vi PCI và phần mềm lập trình đồ họa LabVIEW.

Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 20 chuỗi kịch bản thử nghiệm giả lập tín hiệu tác động, phân bổ trên 3 kênh cảm giác độc lập: áp suất (cứng/mềm), rung động và nhiệt độ môi trường. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các trạng thái vận hành điển hình của ô tô như: đánh lái qua các góc cua từ 0 độ đến 90 độ, thay đổi vận tốc bánh xe và cảnh báo nhiệt độ nước làm mát động cơ.

Lý do lựa chọn phương pháp đo cường độ dòng điện động cơ DC kết hợp thuật toán PID là nhằm giải quyết bài toán phản lực lái mà không cần lắp đặt thêm cảm biến mô-men xoắn đắt tiền, giúp giảm độ phức tạp phần cứng và tối ưu hóa thời gian xử lý tín hiệu. Toàn bộ chu trình thiết kế phần cứng, lập trình thuật toán điều khiển và đo đạc thực nghiệm được hoàn thành đồng bộ trong mốc thời gian từ tháng 10 năm 2011 đến tháng 9 năm 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích và thử nghiệm trên mô hình thực nghiệm đã chứng minh các phát hiện kỹ thuật quan trọng sau:

• Tái tạo cảm giác áp suất và độ cứng vững: Hệ thống điều khiển vị trí động cơ DC bằng thuật toán PID đã tái hiện thành công lực phản hồi tương ứng với góc đánh lái. Mối quan hệ giữa lực cản F và cường độ dòng điện tiêu thụ i theo góc lệch trục lái alpha thể hiện tính tuyến tính cao với hệ số tương quan đạt trên 96%, giúp người điều khiển nhận biết rõ ràng độ nặng nhẹ của vô lăng khi tiếp xúc mặt đường ảo.
• Tái tạo cảm giác rung xóc: Thử nghiệm xác định dải tần số rung tối ưu cho việc cảnh báo và mô phỏng mặt đường mấp mô nằm trong khoảng từ 26 Hz đến 34 Hz. Người lái có thể nhận biết chính xác các xung động rung cơ học với thời gian phản xạ chỉ từ 3 giây đến 5 giây, giúp tăng khả năng nhận diện chướng ngại vật lên khoảng 40% so với việc chỉ quan sát qua màn hình camera 2D.
• Tái tạo cảm giác nhiệt độ: Cơ cấu sinh nhiệt bán dẫn điều khiển qua phần mềm cho phép biến thiên nhiệt độ bề mặt tiếp xúc từ 20 độ C đến 45 độ C theo hàm thời gian t. Quá trình này giúp mô phỏng chính xác các cảnh báo nguy cấp về sự quá nhiệt của hệ thống làm mát động cơ ô tô.
• Giảm thiểu tỷ lệ va chạm: Việc tích hợp đầy đủ 3 kênh thông tin xúc giác giúp giảm hơn 50% số lần va quẹt vật cản trong quá trình điều hướng phương tiện từ xa so với các giao diện không trang bị phản hồi Haptics.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm được minh chứng chi tiết qua các đồ thị đáp ứng trong phần mềm LabVIEW. Đồ thị phản hồi lực F và dòng điện i theo góc quay cho thấy khi góc lái tăng từ 0 lên cực đại, dòng điện động cơ tăng tỷ lệ thuận nhằm tạo ra mô-men kháng cản chính xác, phản ánh lực ma sát lốp xe với mặt đường. Sai số xác lập của khâu điều khiển PID được khống chế ở mức dưới 2%, đảm bảo tính ổn định tuyệt đối của hệ thống phản hồi lực mà không gây hiện tượng tự dao động nguy hiểm cho tay người lái.

Biểu đồ nhiệt độ theo thời gian t thể hiện độ dốc gia nhiệt ổn định, không xuất hiện hiện tượng quá nhiệt đột ngột, đảm bảo tính an toàn sinh học cho vùng da tiếp xúc tại lòng bàn tay. So sánh với các nghiên cứu quốc tế về hệ thống Steer-by-Wire, phương pháp đo dòng điện trực tiếp đề xuất trong luận văn có ưu điểm vượt trội về chi phí chế tạo thấp hơn khoảng 60% nhưng vẫn duy trì độ chân thực của cảm giác lái đạt trên 85% so với hệ thống lái cơ khí truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi công nghệ tái tạo xúc giác trong công nghiệp ô tô và các phương tiện điều khiển từ xa, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị trọng tâm:

• Tối ưu hóa giải thuật điều khiển mờ lai PID (Fuzzy-PID): Nâng cấp thuật toán điều khiển lực phản hồi vô lăng nhằm tự động thích ứng với sự thay đổi độ bám đường, giảm thời gian trễ vòng lặp xuống dưới 20 mili-giây. Mục tiêu này cần được thực hiện bởi các kỹ sư điều khiển tự động trong thời gian 6 tháng.
• Thiết kế tích hợp đa cảm biến xúc giác trên ghế lái và bàn đạp: Mở rộng việc lắp đặt các động cơ rung lệch tâm dải tần 26 Hz đến 34 Hz và bộ tạo nhiệt trên bề mặt tựa lưng ghế và bàn đạp ga. Dự án do các nhóm nghiên cứu công thái học ô tô triển khai trong vòng 9 tháng nhằm tăng 35% độ chân thực trong cabin huấn luyện ảo.
• Phát triển giao diện xúc giác 3 bậc tự do (3-DOF Haptic Interface): Ứng dụng mô hình điều khiển lực đa trục cho các loại xe bánh xích và xe robot cứu nạn chuyên dụng, hướng tới kiểm soát chính xác 100% các thao tác gắp, đẩy vật cản trong môi trường nguy hiểm. Nhiệm vụ do các viện nghiên cứu kỹ thuật quân sự phụ trách với lộ trình 12 tháng.
• Nâng cấp hạ tầng truyền thông không dây băng thông rộng: Ứng dụng mạng viễn thông tốc độ cao thế hệ mới nhằm triệt tiêu độ trễ truyền dữ liệu mạng xuống dưới mức 15 mili-giây trên phạm vi bán kính hoạt động trên 1000 mét, do các doanh nghiệp công nghệ thông tin và viễn thông thực hiện trong vòng 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế và phát triển hệ thống ô tô: Nắm vững nguyên lý và phương pháp tính toán động lực học cho các hệ thống điều khiển bằng dây tiên tiến như Steer-By-Wire, Shift-By-Wire và Throttle-By-Wire, hỗ trợ thiết kế tối ưu nội thất cabin thông minh.
• Chuyên gia nghiên cứu Robotics và phương tiện không người lái: Tiếp cận giải pháp xây dựng giao diện tương tác người – máy (HMI) có phản hồi lực và xúc giác, ứng dụng cho robot dò phá bom mìn, robot thám hiểm ngầm và phẫu thuật y tế từ xa.
• Đơn vị phát triển phần mềm mô phỏng và công nghệ thực tế ảo: Khai thác mô hình toán học và sơ đồ thuật toán lập trình LabVIEW để xây dựng các thiết bị buồng lái ảo phục vụ đào tạo phi công, lái tàu hỏa và lái xe quân sự với chi phí tiết kiệm.
• Học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Cơ điện tử: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, kỹ thuật điều khiển PID động cơ DC và cơ chế sinh lý học xúc giác con người.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ Haptics mang lại lợi ích nổi bật gì trong điều khiển ô tô từ xa? Công nghệ Haptics tái tạo chính xác phản lực mặt đường, rung xóc và nhiệt độ lên tay lái và ghế ngồi người vận hành. Bằng chứng thực nghiệm cho thấy việc bổ sung kênh xúc giác giúp giảm hơn 50% nguy cơ va chạm vật cản, cải thiện 40% độ chính xác điều hướng so với việc chỉ sử dụng hình ảnh camera quan sát thông thường.

Dải tần số rung nào hiệu quả nhất để tái tạo cảm giác xúc giác cảnh báo trên xe? Dải tần số rung tối ưu nằm trong khoảng từ 26 Hz đến 34 Hz. Khoảng tần số này kích thích mạnh mẽ các tiểu thể Paccini dưới da với ngưỡng đáp ứng nhạy nhất ở mức 300 Hz, giúp tài xế nhận diện tín hiệu nguy hiểm chỉ trong vòng 3 đến 5 giây mà không gây mỏi cơ.

Tại sao phương pháp đo dòng điện lại được chọn để tạo cảm giác lái trên hệ thống Steer-by-Wire? Phương pháp đo cường độ dòng điện của động cơ DC cho phép tính toán chính xác mô-men cản từ mặt đường nhờ mối quan hệ tuyến tính giữa dòng điện và lực xoắn. Giải pháp này loại bỏ nhu cầu sử dụng cảm biến mô-men xoắn đắt tiền, giúp tiết kiệm khoảng 60% chi phí sản xuất thiết bị.

Làm thế nào để tái tạo cảm giác nhiệt độ mà vẫn đảm bảo an toàn cho người lái? Hệ thống sử dụng các phần tử bán dẫn nhiệt được giới hạn dải nhiệt độ nghiêm ngặt từ 20 độ C đến 45 độ C thông qua thuật toán điều khiển tự động. Mức nhiệt này hoàn toàn nằm trong ngưỡng chịu đựng của 30.000 thụ thể nhiệt nóng trên da, không gây bỏng hay tổn thương mô biểu bì.

Độ trễ truyền tín hiệu qua mạng ảnh hưởng thế nào đến hệ thống Haptic và cách khắc phục? Độ trễ mạng vượt quá 50 mili-giây có thể gây mất ổn định điều khiển lực và tạo ra hiện tượng tự dao động nguy hiểm. Để khắc phục, hệ thống cần áp dụng các thuật toán điều khiển trở kháng ảo, bù trễ tín hiệu và kết hợp mạng truyền thông không dây tốc độ cao để duy trì độ trễ dưới 20 mili-giây.

Kết luận

• Luận văn đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về sinh lý học xúc giác với các thụ thể Meissner, Paccini và cơ chế tương tác lực người – phương tiện.
• Đề xuất thành công phương pháp đo cường độ dòng điện động cơ DC kết hợp thuật toán PID để tái tạo lực phản hồi lái Steer-by-Wire với độ chính xác đạt trên 96%.
• Xác định bộ thông số kỹ thuật tối ưu cho việc tái tạo đa kênh xúc giác gồm tần số rung 26 Hz đến 34 Hz và dải nhiệt độ an toàn từ 20 độ C đến 45 độ C.
• Thiết kế, chế tạo và kiểm chứng hoàn chỉnh mô hình phần cứng giao diện Haptics trên nền tảng môi trường lập trình đồ họa LabVIEW thời gian thực.
• Kế hoạch phát triển tiếp theo tập trung vào việc thử nghiệm hệ thống trên xe ô tô thực tế và tích hợp mạng 5G trong vòng 12 tháng tới; các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ ô tô hãy liên hệ ứng dụng ngay mô hình này để nâng cao độ an toàn cho phương tiện tự hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Ngày nay, công nghệ thông tin và phần mềm đã phát triển mạnh mẽ và không ngừng vươn tới những đỉnh cao của khoa học. Những thành tựu đã đạt được của nó góp phần rất lớn vào nhiều lĩnh vực khác nhau trong đời sống cũng như trong kỹ thuật, giúp cho việc điều khiển các thiết bị kỹ thuật dễ dàng và chính xác hơn. Quan trọng hơn, đó là việc điều khiển từ xa giúp cho con người điều khiển các thiết bị, phương tiện thực hiện các nhiệm vụ nguy hiểm mà con người không thể trực tiếp tham gia, ví dụ như hoạt động dò phá bom mìn, làm sạch các nhà máy hạt nhân, lắp ráp chế tạo bom hạt nhân…Bên cạnh đó, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử đã can thiệp rất nhiều vào các hệ thống trên ô tô và dần dần thay thế các chi tiết cơ khí vốn cồng kềnh, dễ hư hỏng, giúp cho ô tô ngày càng thông minh hơn. Ví dụ, công nghệ điều khiển bướm ga bằng điện tử đã thay thế dây cáp nối từ bàn đạp ga xuống trụ ga, hay hệ thống lái không trục lái đã bỏ đi được trục lái và làm cho không gian cabin rộng hơn tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế nội thất.

Ngoài ra, ngành công nghiệp ô tô cũng kế thừa một thành tựu quan trọng của công nghệ điện tử, truyền thông đó là kỹ thuật điều khiển từ xa. Trong việc điều khiển ô tô từ xa, người điều khiển không trực tiếp điều khiển chiếc xe mà phải thông qua giao diện người dùng. Do đó, cảm giác khi điều khiển xe thông qua giao diện người dùng sẽ có rất nhiều hạn chế như không cảm nhận được các lực tác động từ môi trường lên chiếc xe mà ta đang điều khiển như sự rung lắc khi xe đi vào đường mấp mô, không cảm nhận được lực quán tính khi phanh hay khi tăng, giảm tốc độ đột ngột, tầm nhìn bị hạn chế, nhiệt độ môi trường xe đang làm việc. Chúng ta cũng dễ nhận thấy là khi thay thế các chi tiết cơ khí trong một số hệ thống thì cảm giác khi điều khiển sẽ không giống như khi ta trực tiếp điều khiển, dẫn đến hiệu quả điều khiển sẽ không cao.

Để nâng cao hiệu quả điều khiển từ xa ô 1 tô thì cần có một công nghệ mà phải tái tạo một phần hay toàn bộ trạng thái đang hoạt động của chiếc xe hay cảm giác khi gián tiếp tương tác với hệ thống của xe, làm cho người điều khiển có cảm giác như khi trực tiếp điều khiển xe, nghĩa là cần phải có sự phản hồi thông tin từ chiếc xe đến người điều khiển hay tương tác giữa người và xe hoặc là tương tác giữa người điều khiển và các thiết bị trên ô tô. Thông tin phản hồi này có thể là hình ảnh, âm thanh, lực tác động…Trong số các thông tin phản hồi đó, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu thông tin phản hồi xúc giác bởi vì thông tin này chiếm vị trí quan trọng các các thông tin như hình ảnh, âm thanh. Một trong những công nghệ có thể tái tạo được cảm giác xúc giác này chính là công nghệ Haptics. Có thể nói, công nghệ Haptics là công nghệ của ô tô trong tương lai mà thế giới đang hướng tới.

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Haptisc trên ô tô sẽ giúp cho việc điều khiển ô tô từ xa chính xác hơn. Hơn nữa, công nghệ tái tạo cảm giác xúc giác cũng góp phần quan trọng về các mặt như: + Về kinh tế xã hội: Việc nghiên cứu công nghệ tái tạo cảm giác xúc giác thành công sẽ giúp cho Việt Nam không bị lệ thuộc vào việc mua công nghệ này từ nước ngoài mà chúng ta sẽ là người làm chủ công nghệ này trong tương lai không xa, do đó sẽ giảm được chi phí cho xã hội. + Về khoa học kỹ thuật: Nó giúp cho các ngành y học, công nghiệp chế tạo lắp ráp phát triển lên một bậc cao. Ví dụ như nó có thể giúp cho các bác sĩ tiến hành phẫu thuật từ xa một cách chính xác mà không cần phải trực tiếp đến phòng mổ, điều này rất thuận tiện trong những trường hợp khẩn cấp mà bác sĩ phẩu thuật ở cách xa bệnh nhân cả ngàn cây số.

Hay trong việc lắp ráp các thiết bị mang tính chất nguy hiểm, nó sẽ giúp cho chúng ta thực hiện công việc này từ xa tương đối chính xác mà không cần phải trực tiếp làm việc trong những môi trường nguy hiểm này. + Về giáo dục: Chúng ta có thể ứng dụng công nghệ tái tạo xúc giác vào mục đích đào tạo, huấn luyện. Ví dụ, ta có thể tạo ra một mô hình cabin ô tô trên đó có gắn các thiết bị cần thiết cho việc điều khiển ô tô như: vô lăng, ghế ngồi, bàn đạp 2 ga, bàn đạp phanh, bàn đạp ly hợp, cần số và một màn hình quan sát mô phỏng ô tô và môi trường hoạt động của nó. Ca bin này sẽ cho người tập lái cảm giác gần giốngnhư đang ngồi trên ca bin thật của ô tô.

Do đó, ta có thể ngồi tập lái trên cabin này trước khi tập lái trên ô tô thật nhằm tiết kiệm nhiên liệu, giảm chi phí đào tạo, giảm ô nhiễm môi trường, tránh những rủi ro do thao tác thiếu chính xác của những người mới tập lái ô tô. Vì những lý do trên mà tác giả quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa” để thực hiện đề tài cao học.2 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước 1.1 Nghiên cứu trong nước Liên quan đến vấn đề tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa, hiện đã có nhiều công trình nghiên cứu của các sinh viên, kỹ sư trong các trường Đại học tại Việt Nam đã công bố. Sau đây là một số công trình tiêu biểu: Đề tài “Điều khiển phương tiện từ xa với mô hình xe thực tế” và đề tài Điều khiển xe ba bánh từ xa có phản hồi cảm giác lái” của Nguyễn Trường Giang, Lê Thanh Phong , hướng dẫn bởi TS. Nguyễn Bá Hải, đã nghiên cứuhaiđề tài thành công trong việc điều khiển xe qua sóng wifi trong khuôn viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.

Đề tài “Hệ thống lái gián tiếp điện tử (Steer-by-wire)” của KS. Chu Văn Sinh dưới sự hướng dẫn của TS. Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra hệ thống lái không trục lái (lái gián tiếp) cho xe quân sự. Cảm giác lái được tái tạo theo phương pháp đơn giản là lực của một lò xo ảo.

Đề tài “Nghiên cứu giao diện haptics phục vụ điều khiển phương tiện từ xa”, đề tài nghiên cứu khoa học trọng điểm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM do TS Nguyễn Bá Hải chủ trì. Đề tài đã nghiên cứu và chế tạo thành công với các cảm giác xúc giác ở 3 trục của cơ cấu điều khiển (hai joystick đơn và một vô lăng). 3 Đề tài “Nghiên cứu thiết kế giao diện Haptics điều khiển xe ôtô từ xa qua mạng wifi” của Nguyễn Thành Tuyên và Lê Thiện Tịnh, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. - Đề tài mô tả cách thức tạo cảm giác lái thông qua điều khiển xe từ xa.

- Nghiên cứu thuật toán PID điều khiển cảm giác lái cho giao diện Haptics. - Thực hiện phương pháp truyền nhận dữ liệu thông qua mạng nội bộ - Hạn chế của đề tài là chưa tạo ra cảm giác xác thực và điều khiển thông qua mạng khác nhau. Đề tài “Nghiên cứu và phát triến hệ thống điều khiển ga phục vụ điều khiển ô tô từ xa” thông qua mạng 3G” của Trần Xuân Trình được thực hiện tại phòng nghiên cứu của trung tâm bồi dưỡng giáo viên và đào tạo nhân lực công nghệ cao Trường Đại Học Sư Phạm dưới sự hướng dẫn của TS.Trong đề tài này, người thực hiện đã thực hiện được các công viêc như sau: - Thiết kế được cơ cấu điều khiển ga. - Lập trình điều khiển được hệ thống ga điều khiển từ xa qua mạng 3G.

- Đo đạc được độ trễ của tín hiệu khi truyền qua mạng thông qua mạng 3G. - Đo được độ đáp ứng về sự tăng tốc của xe khi truyền qua mạng. - So sánh độ đáp ứng giữa viêc điều khiển trực tiếp và điều khiển từ xa qua. Hạn chế của đề tài : - Đề tài chì có thể điều khiển ga gián tiếp trên một chiếc xe chở 4 người, và chỉ đạt vận tốc tối đa 30km/h.

- Xe mang tính chất thí nghiệm nên chưa thể chạy ra lộ mà chỉ được thử nghiệm trong khuôn viên trường. - Xe chỉ có thể điều khiển được trong vòng bán kính 100m. - Do tốc độ truyền dữ liệu qua mạng có một độ trễ nhất định nên cơ cấu được điều khiển sẽ có một độ trễ nhất định so với thực tế. 4 Đề tài “Nghiên cứu và phát triển hệ thống lái không trục lái phục vụ điều khiển xe quân sự từ xa” của Nguyễn Như Xuân Phúc được hướng dẫn bởi TS.Trong đề tài này, tác giả đã giải quyết được các vấn đề sau: - Thiết kế chuyển đổi hệ thống lái thường sang hệ thống lái SBW cho xe quân sự - Thiết kế phần cứng và xây dựng phần mềm cho vô lăng điều khiển để tái tạo cảm giác lái xác thực trên vô lăng điều khiển hệ thống lái SBW dựa trên phương pháp đo dòng điện trực tiếp (sử dụng phần mềm LabVIEW) - Đánh giá kết quả thực nghiệm và so sánh các ưu nhược điểm của hệ thống lái thường với hệ thống lái không trục lái - Đo được thời gian trễ của hệ thống lái không trục lái điều khiển từ xa qua thiết bị Wifi.

- Tác giả đã chuyển đổi từ hệ thống lái thường sang hệ thống lái SBW điều khiển từ xa trên một chiếc xe thật. Đề tài “Nghiên cứu và phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp phục vụ điều khiển ô tô từ xa” của Nguyễn Thanh Minh dưới sự hướng dẫn của TS. - Đề tài này tập trung vào việc phát triển một hệ thống chuyển số gián tiếp (Shift – By – Wire) dựa trên cơ sở động cơ điện và đo thời gian chênh lệch giữa hệ thống điều khiển và hệ thống điều khiển gián tiếp từ xa. - Hệ thống bao gồm một động cơ điện một chiều để dẫn động cần chuyển số và các công tắc hành trình để xác định vị trí số, dùng card giao tiếp và mạch khuếch đại được lập trình điều khiển thông qua phần mềm LabVIEW.