Xây Dựng Giao Diện Thân Thiện Điều Khiển Ô Tô Từ Xa.pdf

Untitled BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM HỮU NGHĨA XÂY DỰNG GIAO DIỆN THÂN THIỆN ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA NGÀNH KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ô T[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM HỮU NGHĨA XÂY DỰNG GIAO DIỆN THÂN THIỆN ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ơ TƠ, MÁY KÉO - 605246 S KC 0 4 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM HỮU NGHĨA XÂY DỰNG GIAO DIỆN THÂN THIỆN ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ơ TƠ MÁY KÉO - 605246 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN BÁ HẢI Tp Hồ Chí Minh, tháng 9/2013 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: PHẠM HỮU NGHĨA Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12-7-1983 Nơi sinh: An Giang Quê quán: An Giang Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 88 Cư Xá Lam Sơn P.17 Gò Vấp TPHCM Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: Email: nghia_auto@yahoo.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2001 đến 02/2006 Nơi học (trường, thành phố): TP Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ Khí Động Lực Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: THIẾT KẾ GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ GIẢNG DẠY MƠN HỌC TÍNH TỐN THIẾT KẾ Ơ TƠ Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 02/2006 Người hướng dẫn: Ths TRẦN ĐÌNH QUÝ III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2006 Công ty Western Ford Kỹ thuật viên Điện-Điện Lạnh 2008 Công ty Citi Ford Cố vấn dịch vụ 2011 Cao đẳng nghề KTCN TPHCM Giáo viên i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng năm 2013 (Ký tên ghi rõ họ tên) ii iii LỜI CẢM ƠN Trải qua tháng nghiên cứu tiến hành thực đề tài tơi gặp nhiều khó khăn Nếu khơng có giúp đỡ hỗ trợ từ nhiều phía suốt thời gian qua có lẽ tơi khơng thể hồn thành tốt đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt chân thành đến:  TS Nguyễn Bá Hải người trực tiếp hướng dẫn, tư vấn hỗ trợ tơi giải nhiều vấn đề khó khăn suốt q trình thực đề tài  Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu nhà trường, Phòng Đào Tạo Ban Chủ Nhiệm Khoa Cơ Khí Động Lực trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM tạo điều kiện tối đa cho tơi hồn thành tốt luận văn  Cảm ơn Trung tâm nghiên cứu ứng dụng Học Để Làm giúp đỡ cho thiết bị phần cứng tư vấn thuật tốn q trình thực đề tài  Cảm ơn gia đình đồng nghiệp khơng ngừng động viên, khích lệ tinh thần giúp đỡ cho nhiều thời gian qua TP.HCM, ngày 06 tháng năm 2013 PHẠM HỮU NGHĨA iii iv XÂY DỰNG GIAO DIỆN THÂN THIỆN ĐIỀU KHIỂN Ơ TƠ TỪ XA Tóm tắt Cơng nghệ điều khiển xe từ xa không ngừng phát triển ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Ngoài trang thiết bị phần cứng phần mềm phải mạnh, thuật tốn tối ưu bên cạnh giao diện điều khiển thân thiện với thao tác người góp phần nâng cao hiệu cho trình điều khiển xe từ xa Chính đề tài đưa giao diện đề xuất khác với kiểu giao diện thơng thường trước đó, giúp cho người điều khiển cảm nhận rõ điều khiển xe trực tiếp Sau tháng nghiên cứu, tác giả thiết kế chế tạo thành công giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng khơng dây có phản hồi cảm giác lái sát thực Khi điều khiển xe từ xa qua mạng khơng dây, tín hiệu tốc độ xe, góc quay rẽ trái, phải tín hiệu từ cảm biến khoảng cách gắn thân xe phản hồi phía giao diện Từ tín hiệu xử lý tính tốn tạo phản hồi lực tương ứng lên giao diện giúp cho người điều khiển cảm nhận rõ hoạt động xe Qua trình thiết kế chế tạo thực nghiệm, giao diện đề xuất đề tài cho thấy hiệu cao so với kiểu giao diện điều khiển thông thường Cùng quãng đường cho trước, giao diện đề xuất giúp xe rút ngắn thời gian di chuyển số lần va chạm chướng ngại vật so với giao diện thông thường Các cảm biến khoảng cách gắn xe cịn có tác dụng cảnh báo người lái xe gần vật cản Do hạn chế rủi ro va chạm trường hợp người điều khiển không quan sát thấy vật cản Ngoài phản hồi lực theo góc lái vận tốc xe giao diện đề xuất giúp tăng cao hiệu điều khiển xe so với giao diện thông thường phản hồi cảm giác lái iv v Abstract Technology for vehicle teleoperation is progressed continuously and applied widely in many fields In addition to the hardware and software equipments have to be powerful and the optimal algorithms, an intuitive control interface with the human manipulations will contribute to enhance the effecacy for the teleoperation process Therefore this thesis proposed an interface different from the ordinary interfaces before to support the operator for the effective feeling as driving directly After five months for researching, the author designed and made the new teleoperation interface by a wireless network with the intuitive steering force feedback successfully When take a teleoperation by a wireless network, the signal of the vehicle speed and turn-left, turn- right angle and distance sensor mounted on the vehicle will be returned to the interface From this signals, the processor will calculate the force feedback generated corresponding to the interface to enable the operator get the effective feeling of vehicle's operating Through the process of designing, manufacturing and testing, the proposed interface themes showed higher efficiency than the conventional normal console Along a given distance, the proposed interface shortened the moving time and the number of collisions less obstacles than the conventional interface The distance sensor mounted on the vehicle also work to alert the driver when the vehicle near obstructions Therefore it could limit the risk of the collision in case of the driver is not observed the obstructions In addition, the force feedback for steering angle and vehicle speed signals of the proposed interface also increase the efficiency compared with the conventional interfaces without feeling steering feedback iv Hình 3.18 Lưu đồ thuật tốn tái tạo cảm giác lái  Cảm giác điều khiển vành vô lăng rẽ trái phải Cảm giác lái tái tạo vành vơ lăng nhờ thuật tốn P control Thuật toán thiết lập để tạo cảm giác lên tay người điều khiển lực có mơ men ngược chiều với mô men mà người điều khiển tác động lên vô lăng Mô men tạo lực tác động lên tay người điều khiển Lực định yếu tố: 81 - Góc đánh lái α: góc quay vơ lăng xác định nhờ biến trở gắn với động Khi đánh lái qua trái phải người điều khiển cảm nhận lực tác động lên tay, lực lớn góc đánh lái α lớn - Vận tốc thực tế xe vtt : vận tốc xe tính từ giá trị encoder gắn với động dẫn động xe chạy tiến lùi Giá trị vận tốc truyền Sever qua TCP/IP Nếu vận tốc thực tế vtt lớn lực đánh lái nhỏ ngược lại Như vậy, lực từ vành vô lăng tác động tới tay người điều khiển phụ thuộc vào góc đánh lái α vận tốc thực tế xe vtt theo bảng 3.5 sau: Bảng 3.5Góc đánh lái α vận tốc thực tế vtt xe α Lực tác động vtt α Lực tác động vtt Nhỏ Nhỏ Nhỏ Lớn Lớn Lớn Lớn Nhỏ Tăng Tăng Tăng Giảm  Cảm giác điều khiển trục vô lăng tiến lùi Cảm giáclái tái tạo trục vơ lăng nhờ thuật tốn P control Thuật toán thiết lập để tạo cảm giác lên tay người điều khiển lực tùy thuộc vào yếu tố sau: - Vận tốc v: vận tốc người điều khiển mong muốn đẩy trục vơ lăng tới trước kéo sau góc Góc xác định nhờ biến trở tiến lùi gắn với động Thành phần lực có tác dụng cảnh báo cho người điều khiển biết độ lớn vận tốc mà người định điều khiển Vận tốc v lớn lực lớn 82 - Khoảng cách từ xe tới vật cản d: truyền từ xe qua TCP/IP Thành phần lực có tác dụng cảnh báo cho người điều khiển biết xe gặp vật cản Nếu d lớn lực lớn Nếu xe đến gần vật cản (d < 60cm) lực tăng đột ngột khiến cho người điều khiển tiếp tục đẩy vơ lăng tiến phía trước - Cường độ dòng điện i qua động dẫn động xe tiến lùi: i phụ thuộc vào tải mà động chịu Ví dụ xe chạy đường thẳng i nhỏ, xe lên dốc i tăng dần xe gặp vật cản tiếp tục di chuyển mà tín hiệu điều khiển từ sever khác i tăng mạnh Như vậy, i lớn lực tạo trục vô lăng lớn Trong trường hợp vận tốc thực tế vtt = i lớn, chương trình hiểu xe gặp vật cản khơng thể tiếp tục di chuyển, động sinh mô men lớn ngược chiều với chiều mô men người điều khiển tác động lên trục vô lăng, khiến cho trục vô lăng chuyển động theo chiều ngược lại để xe tránh khỏi vật cản  Tính tự cân vô lăng Khi người điều khiển ngừng tác động, vơ lăng phải có khả tự trả vị trí cân bằng, cụ thể: - Nếu khơng điều khiển vành vô lăng quay trái phải, vành vô lăng tự trả vị trí thẳng đứng, tức xe thẳng - Nếu không điều khiển trục vô lăng tiến lùi, trục vô lăng tự trả vị trí thẳng đứng, tức dừng xe Trong hai P control tạo cảm giác nêu trên, thành phần có giá trị đặt giá trị hai biến trở trái phải biến trở tiến lùi mơ hình vơ lăng vơ lăng vị trí cân tạo mô men ngược chiều với mô men điều khiển người điều khiển tác động lên vơ lăng 83 Hình 3.19Chiều mơ men Lưu đồ thuật tốn giúp vơ lăng tự trả vị trí cân bằng: 84 Hình 3.20Lưu đồ thuật tốn điều khiển vơ lăng tự trả vị trí cân 3.5.2 Thuật tốn xe mơ hình Các giá trị góc đánh lái α vận tốc v truyền từ sever (vô lăng) qua TCP/IP tới client (xe) Để xe hoạt động theo tín hiệu điều khiển từ vơ lăng, chương trình Client.vi xe có P control - Bộ P control điều khiển động rẽ trái phải có giá trị đặt giá trị góc đánh lái α Giá trị so sánh với giá trị góc đánh lái thực tế xe αtt đo nhờ biến trở xe, từ tính sai lệch để điều khiển động trái phải xe - Bộ P control điều khiển động dẫn động xe tiến lùi có giá trị đặt giá trị vận tốc v Giá trị so sánh với giá trị vận tốc thực tế xe vtt đo nhờ encoder xe, từ tính sai lệch để điều khiển động tiến lùi xe 85 Hình 3.21 Lưu đồ thuật tốn điều khiển xe mơ hình Đồng thời, cảm biến khoảng cách cảm biến dòng điện xe xác định thông số khoảng cách từ xe tới vật cản cường độ dòng điện qua động tiến lùi Hai thông số gửi sever qua TCP/IP với giá trị góc đánh lái thực tế αtt vận tốc thực tế vtt xe để tái tạo cảm giác lái vô lăng đánh giá trình điều khiển từ xa 86 Chƣơng THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 4.1.Thực nghiệm Để đánh giá đầy đủ hiệu giao diện đề xuất đề tài, tác giả tiến hành làm thí nghiệm hai trường hợp:  Trường hợp 1: Giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng khơng dây khơng có phản hồi cảm giác xúc giác Chuyển động xe theo dõi camera quan sát gắn thân xe gửi tín hiệu máy chủ server giao diện điều khiển  Trường hợp 2: Giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng khơng dây có phản hồi cảm giác lái sát thực Xe khơng có trang bị camera quan sát Các điều kiện tiến hành thí nghiệm hai trường hợp hoàn toàn giống nhau:  Quãng đường (đơn vị mét: m): Địa hình chọn để thí nghiệm mặt sân bê tơng có bề mặt phẳng Khoảng cách từ điểm xuất phát xe đến đích khoảng cách cố định 30m  Chướng ngại vật Số lượng chướng ngại vật đặt điểm xuất phát điểm đích gồm ghế đặt cách 4m  Vận tốc xe Xe thiết lập vận tốc 0,5 m/s không thay đổi suốt trình di chuyển  Lực cản gió Thí nghiệm tiến hành điều kiện lực cản gió khơng đáng kể, gần bỏ qua 87 Hình 4.1 Thực nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng khơng dây có phản hồi cảm giác lái sát thực 4.2.Kết 4.2.1 Kết thực nghiệm giao diện trƣờng hợp Thí nghiệm thực lần liên tiếp Kết điều khiển xe thể bảng 4.1 biểu đồ 4.1 với thông số đánh giá thời gian di chuyển t (phút), quãng đường s (mét) điểm xuất phát đích, số lần va chạm n (lần) với chướng ngại vật Bảng 4.1 Kết thí nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng không dây khơng có phản hồi cảm giác xúc giác 88 Thời gian t Số lần va chạm n Quãng đƣờng s (phút) (lần) (mét) 4.05 55 3.7 46 4.25 57 Ʃ 𝑡=4 𝑛 = 4,7 𝑠 = 52,7 STT Giá trị trung bình từ phép đo trường hợp thể qua biểu đồ 4.1 Biểu đồ 4.1Kết thí nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng không dây khơng có phản hồi cảm giác xúc giác 60 52.7 50 40 30 20 10 4.7 Thời gian (phút) Số lần va chạm (lần) Quãng đường (mét) 4.2.2 Kết thực nghiệm giao diện trƣờng hợp Thí nghiệm thực lần liên tiếp Kết điều khiển xe thể bảng 4.2 biểu đồ 4.2 với thông số đánh giá thời gian di chuyển, quãng đường điểm xuất phát đích, số lần va chạm với chướng ngại vật 89 Bảng 4.2 Kết thí nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng khơng dây có phản hồi cảm giác xúc giác Thời gian t Số lần va chạm n Quãng đƣờng s (phút) (lần) (mét) 3.12 35 3.43 41 3.23 38 Ʃ 𝑡 = 3.26 𝑛 = 2,3 𝑠 = 38 STT Giá trị trung bình từ phép đo trường hợp thể qua biểu đồ 4.2 Biểu đồ 4.2 Kết thí nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng khơng dây có phản hồi cảm giác xúc giác 38 40 35 30 25 20 15 3.26 10 2.3 Thời gian (phút) Số lần va chạm (lần) 90 Quãng đường (mét) Chƣơng KẾT LUẬN 5.1.Kết luận Sau thời gian nghiên cứu kiểu giao diện điều khiển xe từ xa, tác giả đưa giao diện giúp điều khiển xe từ xa có phản hồi cảm giác lái sát thực cho người lái qua mạng không dây.Đề tài đạt kết quả:  Thiết kế chế tạo hoàn chỉnh phần cứng giao diện đề xuất Giao diện giúp người điều khiển thao tác thuận tiện dễ dàng việc điều khiển chuyển động tiến, lùi, rẽ trái phải xe  Xây dựng thuật toán phản hồi cảm giác lái sát thực cho người lái dựa yếu tố: góc đánh lái, vận tốc xe khoảng cách với vật cản  Giao diện đề xuất hoạt động hiệu giao diện thông thường khơng có phản hồi cảm giác lái Hoạt động vận tốc đoạn đường cho trước với điều kiện thí nghiệm giống giao diện đề xuất rút ngắn thời gian di chuyển hơn, với số lần va chạm chướng ngại vật nhờ rút ngắn quãng đường di chuyển Kết luận: đề tài đạt mục tiêu nhiệm vụ ban đầu 5.2.Hạn chế  Vì thời gian điều kiện kinh phí khơng cho phép nên giao diện đề xuất dừng lại phạm vi thí nghiệm nhằm đánh giá mức độ hiệu so với giao diện thông thường  Việc điều khiển qua mạng khơng dây cịn tồn độ trễ định phụ thuộc vào cấu hình thiết bị thu phát sóng, giới hạn phạm vi hẹp 91 5.3 Hƣớng phát triển đề tài  Nếu thời gian điều kiện kinh phí dồi dàu hơn, tác giả tiếp tục cải thiện tính phản hồi cảm giác lái sát thực giao diện để ứng dụng lên điều khiển ô tô hoạt động địa hình mơi trường phức tạp hơn, chẳng hạn đường phố lớn  Đề tài cải tiến phần cứng thuật tốn điều khiển qua mạng khơng dây để chuyển sang điều khiển qua sóng radio Khi giao diện giúp xe đạt mức độ điều khiển kiểm soát đa dạng linh hoạt 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT TS Nguyễn Bá Hải, Giáo trình lập trình LabVIEW, NXB Đại Học Quốc Gia TP.HCM, 2011 TS Lâm Mai Long, Giáo trình học chuyển động tơ, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, 2001 PGS.TS Nguyễn Văn Phụng, Giáo trình ổn định dao động ô tô, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, 2001 Nguyễn Thành Tuyên, Lê Thiện Tịnh, Thiết kế giao diện haptics điều khiển xe ô tô từ xa qua mạng wifi,Khoa Cơ Khí Động Lực, Đại Học SPKT HCM, 2011 Phan Ngọc Trung, Nghiên cứu xây dựng thuật toán tái tạo cảm giác lái sát thực phục vụ đào tạo lái xe, Đại Học SPKT HCM, tháng 4/2012 TIẾNG NƢỚC NGOÀI Ba-Hai Nguyen, Jee-Hwan Ryu, A intuitive interface for the teleoperation of wheeled and tracked vehicles, International Conference on Control, Automation and Systems 2010 , Oct 27-30 Oscar A Mar Edgar A Martine, A Mobile Robots Teleoperation Interface, Institute of Engineering and Technology, 2008, Oct.29 D.W.Hainsworth, Teleoperation user interfaces for mining robot, Brisbane Qld 4069 Australia Frauke Driewer, Teleoperation Interfaces in Human-Robot Teams, Forschungsberichte in Robotic and Telematic, Band 1, University Wurzburg 93 10 Seung Keun Cho, Hong Zhe Jin, Jang Myung Lee, Teleoperation of a Mobile Robot Using a Force-Reflection Joystick With Sensing Mechanism of Rotating Magnetic Field, Senior Member, IEEE,andBinYao, Member, IEEE 11 Nicola Diolaiti, Claudio Melchiorri, Obstacle Avoidance for Teleoperated Mobile Robots by Means of Haptic Feedback, DEIS - Dept of Electronics, Computer Science and Systems, University of Bologna - Italy 12 Yih, P Gerdes, J.C, Modification of vehicle handling characteristics via steer-bywire, Control Systems Technology, IEEE Transactions,vol 13, pp 965- 976, 2005 13 Se-Wook Oh cộng sự, “The Design of a Controller for The Steer-By-Wire System”, JSME International Journal, 2004 14 Sanket Amberkar, Farhad Bolourchi, Jon Demerly and Scott Millsap, “A control system methodology for steer by wire systems”, SAE World Congress, Detroit, Michigan, 2004 94