TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Trong thời đại ngày nay, lĩnh vực công nghệ kỹ thuật ô tô không ngừng phát triển với tiêu chí đặt độ an toàn của con người và hiệu suất hoàn thành nhiệm vụ lên hàng đầu Lĩnh vực ô tô hiện nay không chỉ đơn thuần phục vụ mục đích về giao thông vận tải đường bộ Bên cạnh đó, ô tô còn phát triển với tên gọi chuyên sâu hơn là Robot di động giống Ô tô ở những mục đích công việc khác như cứu hộ, cứu nạn, thám hiểm, vận chuyển ở những khu vực nguy hiểm như ranh giới quân sự, trung chuyển hàng hóa trong những cảng lớn, nơi có chất phóng xạ, dịch bệnh lây nhiễm,
…Đặc điểm chung của những công việc đó thường diễn ra ở nơi có tỷ lệ ảnh hưởng đến sức khỏe và tính mạng người lái rất cao nhưng lại yêu cầu có độ chính xác và hiệu quả cao để hoàn thành.
Hình 1.1 Phương tiện ô tô vận tải trong khu phóng xạ
Do đó, việc điều khiển trực tiếp các phương tiện ô tô ở những công việc đặc thù là không phù hợp, hay kể cả việc áp dụng mức độ tự hành trên ô tô để giải quyết công việc tương tự cũng không thực sự tối ưu Hiện này, công nghệ tự hành trên ô tô có 6 cấp độ (từ cấp 0-5) tương ứng cấp càng cao độ tự lái càng lớn Những hệ thống có mức độ tự hành cao và không có sự tương tác với con người vẫn còn gặp nhiều trở ngại lớn cũng như độ tin cậy khi ứng dụng vào các công việc trong môi trường thực Vì thế mà, để giải quyết vấn đề nan giải ấy hệ thống điều khiển từ xa đang được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước liên tục phát triển và cải tiến nhằm giúp phương tiện hoạt động hiệu quả hơn nhờ vào sự kết hợp giữa hệ thống tự hành và hệ thống điều khiển từ xa có sự giám sát, phán đoán và điều khiển của con người.
Hệ thống điều khiển từ xa là công nghệ được áp dụng trong lĩnh vực khác nhau như y học, trong nhà kho, vận chuyển, …Hệ thống giúp con người có thể thực hiện các công việc trong những điều kiện khắc nghiệt, hạn chế về không gian Cụ thể, hỗ trợ phẫu thuật ở bộ phận phức tạp trong y học, trung chuyển hàng hóa trong nhà kho, cảng biển.
Hình 1.2 Hệ thống buồng lái điều khiển từ xa trong ô tô
Hình 1.3 Hệ thống điều khiển từ xa trong công nghiệp
Trong lĩnh vực ô tô, hệ thống mang lại tính an toàn cho người lái và độ tin cậy cao trong công việc vì thông thường mọi tác vụ của hệ thống phần lớn được quyết định và điều khiển nhờ vào trí tuệ, kinh nghiệm của con người Song song, ở những tình huống khẩn cấp mà con người không thể quyết định được sẽ được can thiệp tức thời bởi các chức năng tự hành Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích tối ưu ấy hệ thống cũng đối mặt với nhiều thách thức như độ trễ, khoảng cách điều khiển,các chức năng hỗ trợ giúp người điều khiển từ xa cảm nhận được môi trường làm việc, khắc phục các bất lợi về tầm nhìn hay cảm giác cho người lái…Vì vậy mà nhiều công ty, nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đang quan tâm và không ngừng cải thiện, phát triển hệ thống điều khiển từ xa cho hệ thống ô tô Tiêu biểu có thể kể đến như công ty Voysys của Thụy Điển [1] đã và đang nghiên cứu và thương mại hóa việc giám sát, điều khiển từ xa cho ô tô trong nhiều ứng dụng khác nhau.
1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước
Từ cuối thế kỉ XIX đầu những năm thế kỉ XX, nhiều nhà nghiên cứu đã chứng minh, phát triển và xây dựng hệ thống điều khiển từ xa để ứng dụng cho nhiều loại phương tiện bao gồm cả robot di động giống Ô tô Năm 1999, tác giả Peshkin và Colgate là một trong những người đã tiên phong áp dụng hệ thống điều khiển từ xa kết hợp với phương pháp tự trị được gọi là “Cobots” cho phương tiện với mục đích khai thác khoảng sản [2] Năm 2003, nhà nghiên cứu Schenker và cộng sự đã nghiên cứu và thiết hệ thống với tên gọi là “semi-autonomous” với mục đích thám hiểm Sao Hỏa, các lệnh điều khiển sẽ được thực hiện bằng WITS (Web Interface for TeleScience) [3] Năm 2005, tác giả Nourbakhsh và các cộng sự đã vận dụng hệ thống điều khiển từ xa lên robot di động vận chuyển và giải cứu[4],…
Nhờ vào các ứng dụng mà hệ thống mang lại đã làm tiền đề cho các nghiên cứu những năm gần lại đây không ngừng đề xuất và chứng minh các giao thức truyền thông, thuật toán tối ưu, xử lý ảnh, phản hồi xúc giác và thị giác, … nhằm cải tiến hệ thống có độ hiệu quả tốt hơn Tiêu biểu như: thiết kế bộ điều khiển từ xa song phương có độ tin cậy cao của Z chen, Y.-J Pan, and J Gu năm 2015 [5]. Nghiên cứu đưa ra phương pháp điều khiển và phản hồi giữa buồng điều khiển và robot song song nhằm tối ưu hóa hệ thống Năm 2022 tại trường đại học TARTU của Thụy Điển nhóm nghiên cứu đã đề xuất và thiết kế hệ thống điều khiển từ xa trên một mô hình xe ô tô đồ chơi có phản hồi hình ảnh [6] Hệ thống sử dụng 2 giao thức mạng không dây lần lượt là UDP cho lệnh điều khiển và TCP cho việc hiện thi trực tiếp hình ảnh môi trường Cũng vào năm 2020, nhóm nghiên cứu đến từ Milan Ý đã đề xuất và mô phỏng phương pháp SRPT để khắc phục tình trạng trễ lệnh điều khiển đặc trưng của hệ thống điều khiển từ xa cũng như độ bão hòa hệ thống[7]. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của phương pháp đề ra bằng mô phỏng MATLAB Simulink, … Qua những liệt kê trên, các nghiên cứu trên thế giới cho thấy lĩnh vực này có tính ứng dụng trong thực tế vô cùng lớn và được rất nhiều sự quan tâm từ các nhà khoa học cũng như các công ty thương mại hóa khác.
1.1.2 Các nghiên cứu trong nước
Tình hình nghiên cứu trong nước ta về hệ thống điều khiển từ xa cho hệ ô tô hoặc robot di động giống ô tô vẫn chưa có nhiều tiếp cận, chỉ dừng lại việc áp dụng điều khiển từ xa cho các mô hình robot di động đơn giản Những năm gần đây, có tương đối các đề tài nghiên cứu và thi công có đóng góp cho nền khoa học trong nước về lĩnh vực điều khiển từ xa cho robot di động Năm 2010, nhóm nghiên cứu của tác giả Phùng Mạnh Dương và đồng nghiệp đến từ trường Đại học Công nghệ, Đại họcQuốc gia Hà Nội thiết kế bộ điều khiển cho robot di động không dây thông qua mạngInternet trong môi trường thực cố định của tác giả [8] Đề tài của nhóm áp dụng một kiến trúc truyền thông CORBA thông qua Internet để điều khiển mô hình với khoảng cách xa, tuy nhiên vẫn chưa thể hiện buồng điều khiển nơi mà người lái có thể nắm bắt được các thông tin môi trường làm việc từ đó ra quyết định vận hành Năm 2020, nhóm nghiên cứu đến từ trường Đại học Thái Nguyên của tác giả Lê Hùng Linh và các đồng nghiệp thiết kế mô hình robot di động điều khiển bằng sóng RF người dùng sẽ thao tác với robot thông qua giao diện điều khiển [9] Bởi vì mọi hành động của robot chỉ được diều khiển thông qua một giao diện gồm những nút bấm chưa có các thiết bị ngoại vi nhằm đơn giản hóa cho việc điều khiển hay vẫn chưa có các phản hồi thị giác và xúc giác gây khó cảm nhận về môi trường làm việc của robot đối với người điều khiển Năm 2021, một nghiên cứu từ xa cho mô hình robot giống Ô tô bằng cần điều khiển 2 bậc tự do có phản hồi lực qua xúc giác của sinh viên Hoàng Hưng và các thành viên đến từ trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh Nhóm đã điều khiển từ xa cho mô hình robot di động giống Ô tô thông qua giao thức Zigbee từ đó phản hồi lại một lực đẩy ảo trên cần điều khiển giúp hạn chế việc va chạm vật cản [10]. Tuy nhiên, các đề tài vẫn còn một số hạn chế nhất định như về khoảng cách điều khiển, tầm nhìn từ môi trường robot còn hạn chế và các công nghệ hỗ trợ người vận hành an toàn chưa được đề cập tới.
Từ những phân tích trên, nhóm nghiên cứu nhận thấy hệ thống điều khiển từ xa cho robot di động giống ô tô trên thế giới đã và đang phát triển vượt bậc Trong khi đó, các nghiên cứu trong nước vẫn còn nhiều hạn chế và chưa triển khai mô hình để chứng minh tính ứng dụng trong thực tế Đó chính là lý do và động lực thúc đẩy nhóm quyết định nghiên cứu và thực hiện đề tài “Thiết kế mô hình điều khiển từ xa có phản hồi thị giác và xúc giác cho đối tượng Robot di động giống Ô tô” Đề tài xây dựng một hệ thống điều khiển từ xa hoàn chỉnh thông qua mạng 4G LTE vàWifi network với khoảng cách điều khiển mong đợi là không giới hạn Đồng thời kết hợp giải thuật tránh vật cản cho mô hình robot giống Ô tô, phản hồi thị giác và xúc giác cho người lái.
Mục tiêu đề tài
Thiết kế một hệ thống điều khiển từ xa hoàn chỉnh cho robot di động giống Ô tô và kết hợp phản hồi thị giác và xúc giác cho người điều khiển.
- Tính toán thiết kế được hệ thống buồng lái điều khiển gồm cơ cấu vô lăng phản hồi lực, bàn đạp ga và cần chuyển chế độ (cần số) và màn hình hiển thị cho robot di động.
- Xây dựng được kênh giao tiếp truyền thông giữa buồng lái và môi trường làm việc của robot để truyền nhận dữ liệu không dây khoảng cách không giới hạn.
- Xây dựng mạng nội bộ CAN cho các vi xử lý trên xe để giao tiếp dữ liệu trên robot giống Ô tô.
- Xây dựng giao diện người dùng mã hóa và hiển thị hình ảnh môi trường thực của robot, thông số điều khiển, cảnh báo chướng ngại vật trước sau.
- Thiết kế và thi công mạch điện tử PCB cho hệ thống robot giống Ô tô.
- Thiết kết vỏ thân xe cho robot bằng phần mềm 3D SolidWorks 2019, thi công in 3D và xử lý bề mặt sản phẩm.
- Xây dựng các bộ điều khiển PID cho động cơ DC và động cơ RC servo đánh lái.
- Áp dụng giải thuật trường thế năng ảo cho hệ thống giúp robot tránh vật cản và phản hồi xúc giác cho người lái.
- Vận hành thực tế hệ thống mô hình điều khiển từ xa cho robot di động giống ôtô có phản hồi thị giác và xúc giác.
Nội dung nghiên cứu
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.
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.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết về hệ thống điều khiển từ xa cho lĩnh vực ô tô
2.1.1 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.
Hình 2.1 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.
2.1.2 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 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.
2.1.3 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.
Hình 2.2 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.
Hình 2.3 Hệ thống điều khiển từ xa trong đại dịch Covid-19
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 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.
Hình 2.4 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 Hình 2.5 minh họa về cấu trúc của Robot di động giống ô tô.
Hình 2.5 Mô hình toán Robot di động giống Ô tô Trong đó, ( x P , y P ) là tọa độ của trung điểm trục cặp bánh xe trước P ,
( ) trục bánh xe trước và sau, v là vận tốc tuyến tính của robot, của robot so với trục x , là góc đánh lái của robot. là góc định hướng
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.
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.
Hình 2.6 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 thức sử dụng trong mạng WAN là TCP/IP, đường truyền băng thông thay đổi tùy vào vị trí lắp đặt.
Hình 2.7 Cấu trúc mạng WAN
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:
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
Wifi 2,4 GHz hoặc 5 11Mbps đến vài 100m
6LoWPAN 2.4 GHz hoặc 915 250 kbps đến 2 Vài trăm m
Thread 2,4 GHz 250 kbps đến 2 Vài chục đến vài
Cellular 700/850/1800 Từ 10Mbps đến Có phạm vi lớn
/2100/2600 MHz vài Gbps phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng
Neul 900MHz hoặc Từ vài bps tới 10Km
LoRa 430MHz đến 5.5kbps 3-15km
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.
Lý thuyết về giao thức truyền thông cấp cao MQTT
2.5.1 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 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 3.1.1 với những thay đổi nhỏ đã được phát hành thành tiêu chuẩn OASIS Đến tháng 3 năm 2019, phiên bản mới nhất là MQTT 5 được ra mắt cải thiện một số hạn chế trước đó của nó [12] Tuy nhiên, chuẩn MQTT 3.1.1 được sử dụng phổ biến nhất bởi tính rộng rãi của nó Vì vậy nhóm có cơ hội tiếp cận và đã áp dụng để giao tiếp không dây khoảng cách xa cho 2 bộ truyền/nhận không dây Internet tại buồng điều khiển và trên Robot di động giống Ô tô.
Hình 2.9 Giao thức truyền thông bậc cao MQTT
Giao thức MQTT được thiết kế để hoạt động trên các mạng không đồng nhất và có băng thông thấp, cho phép các thiết bị IoT gửi và nhận các thông điệp với độ trễ thấp, tiêu thụ ít tài nguyên và ở khoảng cách giữa các thiết bị rất xa Giao thức MQTT hoạt động dựa trên nền tảng TCP/IP nhưng vẫn hỗ trợ giao thức mạng nào có các kết nối theo tuần tự, không mất dữ liệu và kết nối hai chiều Điều đó giúp MQTT được ứng dụng rộng rãi trải đều trên nhiều lĩnh vực khác nhau [13].
Hình 2.10 Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của giao thức MQTT
2.5.2 Cấu tạo của giao thức MQTT
Giao thức MQTT cấu tạo bởi 2 dạng chính đó là một message broker và các client tham gia Một MQTT Broker được định nghĩa là một server trung gian, nơi nhận mọi tin nhắn từ các client tham gia sau đó phân phối từng tin nhắn đó đến các client phù hợp khác Mặt khác một client được định nghĩa là bất kì thiết bị hay vi điều khiển nào chạy thư viện MQTT và kết nối với MQTT Broker thông qua mạng.
Giao thức hoạt động dựa vào hệ thống cấp bậc của các chủ đề (topic) cùng với phải thiết lập một topic cụ thể mà tin nhắn đó muốn gửi đến, lúc này client này được gọi là publisher Sau đó, Broker sẽ tiếp nhận tin nhắn từ publisher với topic cụ thể và gửi đến các client đã đăng ký vào topic tương ứng, lúc này client này được gọi subscriber Nhờ vào cơ cấu hoạt động này mà các publisher không cần biết các thông tin như số lượng hay vị trí của các subscriber và ngược lại các subscriber cũng không phải cấu hình bất kì thông tin về publisher.
Hình 2.11 Cơ cấu truyền/nhận dữ liệu của MQTT
Trong trường hợp, tin nhắn không được subscriber nào đăng ký thì sẽ bị Broker bỏ đi Nếu publisher thiếp lập tin nhắn dưới dạng tin nhắn lưu trữ (retained message) thì nó sẽ được lưu giữ lại Broker sẽ lưu retained message cuối cùng và QoS tương ứng cho topic được chọn ngay khi một subscriber đăng ký vào topic của retained message sẽ ngay lập tức nhận được retained message Cơ chế giúp cho subscriber mới của một topic có thể nhận được những thông tin mới từ publisher.
2.5.3 Cấu trúc của gói tin trong giao thức MQTT
Trong giao thức MQTT, các gói tin được sử dụng để truyền tải thông tin giữa các client và broker Mỗi thông điệp (message) được truyền qua mạng dưới dạng một chuỗi các byte, được gọi là packet (gói tin) Packet MQTT bao gồm 3 phần: Fixed header, Variable header và payload.
Fixed Header Có thể hiện diện hoặc Có thể hiện diện hoặc
Luôn hiện diện không phụ thuộc vào không phụ thuộc vào loại tin nhắn nội dụng gói tin
Hình 2.12 Cấu trúc gói tin dữ liệu MQTT
Phần đầu tiên của cấu trúc gói tin MQTT là vùng Fixed Header Trong vùng đó bao gồm 2 vùng chính là trường điều khiển (control field) và trường biến số độ dài gói tin (packet length) Với cấu trúc cụ thể như sau:
- Trường điều khiển là byte đầu tiên (byte 1) của vùng Fixed header có tổng cộng 8-bit chia thành 2 vùng 4 bits chứa thông tin về loại packet và các cờ (flags) điều khiển các tính năng của gói tin.
Hình 2.13 Cấu tạo trường Control của gói tin MQTT
- Có tổng cộng 16 kiểu gói tin gồm: Reversed, CONNECT, CONNACK, PUBLISH, PUBACK, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP, SUBSCRIBE, SUBACK, UNSUBSCRIBE, UNSUBACK, PINGREQ, PINGRESP, DISCONNECT, AUTH và 3 kiểu cờ là DUP, QoS, RETAIN lần lượt có thông số và chức năng như sau:
Bảng 2.2 Các kiểu gói tin trong giao thức MQTT
Kiểu gói tin Giá trị Hướng kết nối Miêu tả
CONNECT 1 Client to Server Connection request
CONNACK 2 Server to Client Connect acknowledgment
PUBLISH 3 Client to Server or Publish message
PUBACK 4 Client to Server or Publish acknowledgment
PUBREC 5 Client to Server or Publish received (QoS2
Server to Client delivery part 1)
PUBREL 6 Client to Server or Publish release (QoS 2
Server to Client delivery part 2)PUBCOMP 7 Client to Server or Publish complete (QoS 2
SUBSCRIBE 8 Client to Server Subscribe request
SUBACK 9 Server to Client Subscribe acknowledgment UNSUBSCRIBE 10 Client to Server Unsubscribe request
UNSUBACK 11 Server to Client Unsubscribe acknowledgment
PINGREQ 12 Client to Server PING request
PINGRESP 13 Server to Client PING response
DISCONNECT 14 Client to Server or Disconnect notification
Server to Client AUTH 15 Client to Server or Authentication exchange
Như đã đề cập ở trên có 3 loại cờ tương ứng mỗi loại có chức năng khác nhau Đầu tiên, DUP Flag có chức năng nhân đôi việc phân phối gói tin điều khiển xuất bản Nếu DUP = 0 nghĩa là clients lần đầu gửi gói tin điều khiển cho Broker ngược lại DUP = 1 nghĩa là clients đang cố gắng gửi lại gói tin đã gửi trước đó.
MQTT hỗ trợ ba cấp độ chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau, giúp đảm bảo tính tin cậy và độ tin cậy trong việc truyền tải thông điệp giữa các client và broker. Các cấp độ QoS khác nhau cung cấp các mức độ khác nhau của đảm bảo giao tiếp và đảm bảo các thông điệp đến đích một cách đáng tin cậy Các cấp độ QoS của MQTT bao gồm:
❖ QoS 0 (At most once): thông điệp sẽ được gửi đến đích tối đa một lần, mà không có bất kỳ xác nhận hoặc chắc chắn nào rằng thông điệp đã được nhận thành công Với cấp độ QoS này, các thông điệp có thể bị mất hoặc bị nhận không đúng thứ tự.
❖ QoS 1 (At least once): mỗi thông điệp đảm bảo được gửi đến đích ít nhất một lần. Broker sẽ gửi lại gói tin ACK (acknowledgement) về client để xác nhận rằng thông điệp đã được nhận thành công Ngược lại, thông điệp sẽ gửi lại cho broker.
❖ QoS 2 (Exactly once): chắc chắn mỗi thông điệp sẽ được gửi đến đích chính xác một lần bằng cách sử dụng một cơ chế hai bước Broker sẽ gửi lại một gói tin PUBREC (Publish Received) khi nhận thông điệp thành công Sau đó, client sẽ gửi lại một gói tin PUBREL (Publish Release) để xác nhận được gói tin PUBREC từ broker Cuối cùng, broker sẽ gửi lại một gói tin PUBCOMP (Publish Complete) để xác nhận rằng nó đã hoàn thành quá trình truyền tải thông điệp.
Cuối cùng, là RETAIN nếu RETAIN = 1 nghĩa là Broker hoặc server sẽ giữ hoặc lưu trữ gói tin trừ khi không có subscriber nào đăng ký cùng topic với topic được
Lý thuyết bộ điều khiển PID
PID là bộ điều khiển hồi tiếp vòng kín được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Là sự kết hợp của khâu tỉ lệ, tích phân và vi phân Có khả năng triệt tiêu sai số xác lập, tăng tốc độ đáp ứng và giảm độ vọt lố nếu thông số của bộ điều khiển được lựa chọn thích hợp [35].
Tín hiệu + Đáp ứng đặt Sai số Hệ thống ngõ ra
Hình 2.15 Cấu trúc bộ điều khiển PID
Khâu tỉ lệ (còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số K p , được gọi là hệ số tỉ lệ.
Khâu tích phân (còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn khoảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ của khâu tích phân được xác định bởi độ lợi tích phân K i
Khâu vi phân là tốc độ thay đổi của sai số hệ thống được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ K d Biên độ của khâu vi phân được giới hạn bởi độ lợi vi phân K d
Lý thuyết về giải thuật tránh chướng ngại vật trường thế năng ảo (Artificial Potential Field)
Trường thế năng (Artificial Potential field - APF) là một trong những phương pháp cơ bản và phổ biến có thể giúp robot di động tránh được vật cản ngay cả khi là vật cản động APF được lấy ý tưởng từ thiên nhiên, ví dụ như điện tích di chuyển trong từ trường (Hình 2.16) hay một quả bóng lăn trên một con dốc (Hình 2.17). Mục đích của APF là giúp robot di chuyển từ nơi có trường thế năng cao đến nơi có trường thế năng thấp bằng cách tính ra lực và hướng tác động của trường thế năng từ môi trường xung quanh lên robot Trong lúc di chuyển, các vật cản mà robot phát hiện được xem là nơi có trường thế năng cao APF được áp dụng để robot tránh các vật cản này.
Hình 2.16 Các điện tích di chuyển trong từ trường
Hình 2.17 Quả bóng lăn trên con dốc
Trong một môi trường biết trước, ta có vị trí điểm đích tạo ra trường thế năng hút (Attractive potential field - APF) như Hình 2.18a, các vật cản tạo ra trường thế năng đẩy (Repulsive potential field – RPF) như Hình 2.18b APF tạo ra lực hút (Attractive force – AF) hút robot về phía điểm đích, từ đó tạo ra đường đi cho robot từ vị trí xuất phát đến đích, RPF tạo ra lực đẩy (Repulsive force – RF) đẩy robot ra xa khỏi vật cản Bằng cách kết hợp APF và RPF, một con đường được tạo ra cho robot di chuyển từ điểm xuất phát đến điểm đích mà không va chạm với vật cản như Hình 2.19.
Hình 2.19 Kết hợp APF và RPF tìm được đường đi cho robot
Trong đồ án, nhóm sinh viên sử dụng giải thuật trường thế năng trong việc phản hồi xúc giác lên vô lăng giúp cảnh báo người lái về vật cản và hỗ trợ robot tánh được các vật cản một cách độc lập dù cho có hoặc không có sự can thiệp của người lái Vị trí đích sẽ do người lái điều khiển, nên trong phạm vi đề tài này, nhóm sinh viên chỉ sử dụng trường thế năng đẩy để giúp robot tránh vật cản.
Trường thế năng đẩy (Repulsive potential field – RPF) từ một vật cản tác động đến một điểm q được tính bằng công thức như sau:
Trong đó là hệ số đẩy, D ( q )là khoảng cách từ điểm q đến vật cản, ngưỡng tác động của vật cản đó lên môi trường xung quanh Ta có Gradient tính theo công thức sau:
Khi robot đang ở ngoài ngưỡng
0 Nhưng nếu robot nằm trong ngưỡng lên robot theo công thức (2.2).
Q * của vật cản thì lực tác động lên robot bằng
Q * của vật cản thì sẽ có một lực đẩy tác dụng
Lý thuyết về giao tiếp CAN BUS
2.8.1 Tổng quan về CAN bus
Controller Area Network (CAN hoặc CAN Bus) là công nghệ mạng nối tiếp,tốc độ cao, bán song công, hai dây Được phát triển vào cuối những năm 1980 bởi công ty Robert Bosch của Đức cho nền công nghiệp ô tô cho mục đích là để trao đổi dữ liệu, thông tin lẫn nhau giữa các ECU hay cảm biến của các hệ thống khác nhau trên một chiếc xe ô tô.
CAN được thiết kế để đáp ứng được tốc độ giao tiếp cao lên tới 1 Mbit/sec và khả năng chống nhiễu tốt và các tính năng phát hiện khi thực hiện truyền nhận dữ liệu Chuẩn CAN tiêu chuẩn định nghĩa một mạng truyền thông bằng cách liên kết tất cả các nút (ECU hay thiết bị) với bus và cho phép chúng trao đổi với nhau Có thể có hoặc không có nút điều khiển trung tâm trong một mạng CAN và các nút có khả năng thêm vào bất cứ lúc nào ngay cả khi mạng đang hoạt động (hot-plugging) chỉ cần được kết nối vào bus và giữa 2 điện trở đầu cuối như Hình 2.20.
Hình 2.20 Cấu trúc node tham gian và đường truyền mạng CAN
Mỗi một nút tham gia vào mạng CAN đều có cấu trúc bao gồm: MCU (Micro control unit), CAN Controller, CAN transceiver như Hình 2.21.
Hình 2.21 Cấu tạo của node tham gia mạng CANNgày này chuẩn giao thức CAN tiêu chuẩn phổ biến nhất là CAN 2.0, bên cạnh đó còn có nhiều chuẩn giao thức khác gần đây chuẩn CAN FD cho tốc độ
(frame) Tuy nhiên, ở đồ án tốt nghiệp của nhóm chỉ sử dụng chuẩn CAN 2.0 cho 3 vi điều khiển gồm: 1 ESP32 và 2 Arduino Mega để trao đổi dữ liệu.
2.8.2 Thông số kỹ thuật CAN 2.0
Chuẩn giao thức CAN 2.0 được Bosch công bố lần đầu tiên vào năm 1991. Chuẩn giao thức CAN 2.0 có các thông số kĩ thuật sau:
Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật của chuẩn CAN 2.0
Số dây tín hiệu kết 2 dây gồm: CAN H và CAN L nối với bus
Kích thước dữ liệu Tối đa 8 byte/gói tin trên 1 gói tin
Tốc độ truyền Tốc độ lên tới 1Mbps (trong phạm vi 40 m dây dẫn)
Cách thức đọc tín So sánh độ chênh lệch giữa 2 mức điện áp hiệu trên bus của cặp dây xoắn CAN H và CAN L
Cách thức tránh Dựa trên việc mã hóa trường định danh của xảy ra xung đột gói tin ID từ đó quyết định mức độ ưu tiên và giải truyền giữa các nút quyết xung đột
CAN 2.0 được phân loại thành 2 dạng 2.0A VÀ 2.0B, chuẩn 2.0B được sử dụng tiêu chuẩn trên ô tô, đây củng là tiêu chuẩn mà nhóm sinh viên chọn sử dụng cho robot giống ô tô của mình.
2.8.3 Cấu trúc tin nhắn trong CAN
Dữ liệu CAN được truyền dưới dạng các khung (Frame), có 4 loại khung khác nhau là:
- Data frame (khung dữ liệu): mang dữ liệu từ một nút truyền tới các nút nhận Khung dữ liệu là dạng khung thường gặp nhất vì tất cả các tin nhắn đều được truyền đi dưới dạng khung này.
- Remote frame (khung yêu cầu hay khung điều khiển): là khung được truyền từ một Node bất kỳ để yêu cầu Node khác truyền khung dữ liệu có ID trùng với khung yêu cầu.
- Error frame (khung báo lỗi) là khung được gửi từ bất kỳ nút nào khi phát hiện lỗi bus.
- Overload frame (khung báo quá tải) được sử dụng để tạo thêm độ trễ giữa các khung dữ liệu hoặc khung yêu cầu Mỗi Node trong bus CAN có thể truyền bất kỳ khi nào nếu phát hiện bus rảnh, nếu một Node nhận quá nhiều dữ liệu, nó có thể dùng khung này để ngăn sự truyền tiếp theo.
Chỉ có khung dữ liệu và khung yêu cầu là có ID, cơ chế phân xử sẽ áp dụng cho hai loại khung này khi chúng được truyền trên bus Khung dữ liệu và khung yêu cầu có hai định dạng khác nhau là định dạng chuẩn (Standard) và định dạng mở rộng (Extended) Định dạng khung chuẩn sử dụng ID có độ dài 11 bit Định dạng khung mở rộng sử dụng ID có độ dài 29 bit Chuẩn CAN 2.0A chỉ quy định sử dụng loại khung chuẩn Chuẩn CAN 2.0B sử dụng cả loại khung chuẩn và khung mở rộng.
2.8.3.1 Khung dữ liệu (Data Frame) dạng tiêu chuẩn
Một Data frame bao gồm 7 vùng bit khác nhau theo thứ tự là:
Hình 2.22 Cấu trúc gói tin CAN
Trường bắt đầu khung (Start of Frame Field - SOF) là vị trí của bit đầu tiên trong khung Luôn là bit trội hay còn gọi là bit dominant (mức logic 0) đánh dấu sự bắt đầu của một Data Frame có nhiệm vụ bắt đầu quá trình đồng bộ (tính từ thời điểm xuất hiện cạnh xuống chuyển từ trạng thái lặn sang trội) đồng thời báo hiệu quá trình phân xử sắp diễn ra.
Trường xác định quyền ưu tiên (Arbitration Field) có độ dài 12 bit, bao gồm 11-bit ID và 1-bit RTR (Remote Transmission Request) Trong đó, Bit RTR là bit dùng để phân biệt khung là Data Frame hay Remote Frame Nếu là Data Frame, bit này luôn bằng 0 (bit Dominant) và nếu là Remote Frame, bit này luôn bằng 1 (bit Recessive) Vị trí bit này luôn nằm sau bit ID Ở vùng phần xử bit mang logic 0 ứng với mức trội sẽ lấn át bit logic 1 ứng mức lăn do đó mã ID càng nhỏ càng được ưu tiên gửi trước.
Trường điều khiển (Control Field) có chiều dài là 6-bit bao gồm: Bit IDE bit trội nếu là khung tiêu chuẩn (bit 0), khung mở rộng bit lặn (bit 1) khi khung tiêu chuẩn và khung mở rộng cùng truyền một lúc thì khung tiêu chuẩn sẽ được ưu tiên (bit 0) Bit r0 không sử dụng vì được dùng cho mục đích tương lai 4 Bit cuối dùng để mã hoá chiều dài của trường dữ liệu mang giá trị từ 0-8 ứng với 8-byte tối đa của trường dữ liệu.
Trường dữ liệu (Data Field) có độ dài từ 0 đến 8-byte tùy vào giá trị của DLC của trường điều khiển, chứa dữ liệu chính mà nút phát cần thực hiện Đặc biệt độ dài của vùng dữ liệu phải khớp với giá trị mã hoá của 4-bit DLC nếu khác lỗi CAN sẽ được phát.
Trường kiểm tra (Cyclic Redundancy Check - CRC Field) vùng kiểm tra vòng vùng là chuỗi CRC gồm 15-bit được đặt từ CRC-14-CRC0 và phần sau là gờ ngăn cách CRC nằm ngay sau CRC-0 có độ dài 1-bit luôn mang trạng thái lặn có vai trò ngăn cách vùng CRC với vùng sau nó Một chuỗi CRC cho phép hệ thống kiểm tra sự nguyên vẹn của dữ liệu truyền Tất cả các nút nhận dữ liệu đều phải thực hiện bước này Vùng dữ liệu được đưa vào để tính toán CRC là: (không bao gồm các bit được nhồi) Bit khởi đầu khung, trường phân xử, vùng điều khiển dữ liệu chỉ đối với khung yêu cầu dữ liệu, vùng dữ liệu chỉ đối với khung dữ liệu Trên thực tế, độ dài cực đại của khung không được vượt quá 215-bit cho một chuỗi CRC 15 bit Quá trình tính toán CRC thực chất là một phép chia nhị phân sử dụng modulo -2 (là một dạng phép toán tìm phần dư của phép chia 2 số, còn gọi là modulus) Lưu ý rằng mã CRC chỉ phù hợp nhất đối với các chuỗi bit được kiểm tra có độ dài dưới 127 bit Đối với khung CAN, tổng bit cần tính CRC tối đa là 83-bit (tiêu chuẩn) và 103 bit (mở rộng).
Trường báo nhận (Acknowledge - ACK Field) Vùng áp cuối của bức điện là vùng ACK hay còn gọi là vùng xác định có độ dài là 2-bit bao gồm ô ACK có vai trò xác nhận xem dữ liệu truyền đến nút nhận có bị lỗi hay thiếu sót gì không, khi nút truyền dữ liệu đi ACK ở trạng thái lặn =1 khi nút nhận nhận được dữ liệu sẽ phản hồi chất lương tin nhắn qua ô ACK bằng cách kéo giá trị ACK thành trội =0 và ô DEL đóng vai trò ngăn cách vùng tiếp theo.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH BUỒNG LÁI ĐIỀU KHIỂN TỪ XA VÀ
Thiết kế mô hình buồng lái điều khiển từ xa
Mô hình buồng lái điều khiển từ xa được nhóm sinh viên thiết kế dành cho 1 người dùng Các cơ cấu điều khiển chính gồm hệ thống vô lăng, bàn đạp chân ga và cần chọn chế độ lái và các thiết bị phục vụ mục đích hồi tiếp như Hình 3.1.
Yêu cầu tiếp đến là chọn thiết bị và phương pháp truyền động nhằm tái tạo cơ cấu, cảm giác điều khiển tương tự trên ô tô.
Yêu cầu về an toàn và thẩm mỹ cũng được quan tâm, điều này giúp đảm bảo cơ cấu hoạt động ổn định và giúp cho người điều khiển làm quen và cảm nhận hệ thống một cách tốt nhất
Hình 3.1 Hệ thống buồng lái được thiết kế 3D bằng Solidworks và Shaft 3D
3.1.2 Thiết kế phần cứng hệ thống vô lăng
Dựa trên các yêu cầu cơ bản đặt ra ở trên, nhóm đã tiến hành thiết kế các cơ cấu điều khiển trên buồng lái Đối với hệ thống vô lăng được nhóm sinh viên lấy ý tưởng thiết kế từ các mẫu vô lăng điện tử, phục vụ mục đích thu thập tín hiệu góc đánh lái và phản hồi lực lên vô lăng Hệ thống cần có độ cứng vững, bền bỉ vì lực đánh lái, trả lái và phản hồi lực khá lớn Trục chính không được có quá nhiều dao động vì sẽ gây ra nhiễu làm sai lệch tín hiệu cảm biến góc đánh lái.
Hình 3.2 Cấu tạo 3D của hệ thống vô lăng phản hồi xúc giác
Hệ thống vô lăng được thiết kế gồm các thiết bị và cơ cấu như Hình 3.2, được bố trí trên mặt đế kích thước 216x395 mm Để có thể thiết kế 3D lại cơ cấu đánh lái bằng vô lăng trên ô tô, nhóm sinh viên sử dụng vô lăng rời kích thước 14inch sau đó thiết kế một cơ chế trục thẳng đường kính 20mm, cố định trên 2 gối đỡ ổ bi nhằm có thể xoay tuần hoàn về 2 phía Hai khớp nối mặt bích đã được sử dụng nhằm cố định vô lăng vào trục thông qua một ngàm mở rộng làm bằng gỗ, một mặt cố định vào vô lăng, mặt còn lại cố định với khớp nối mặt bích Nhóm sinh viên sử dụng động cơ encoder thay vì cảm biến encoder rời để lấy tính hiệu góc đánh lái vì cảm biến được tích hợp trên động cơ cho độ ổn định cao và chính xác hơn Cặp bánh răng giảm tốc được dùng để truyền chuyển động từ trục chính sang động cơ encoder có tỉ số truyền 2,46 Động cơ encoder được chọn là động cơ DC-RS 365PW encoder , có 334 xung một vòng quay Đối với một vòng quay vô lăng sẽ thu được xung, kênh A và kênh B trên cảm biến encoder sẽ trả về 2 giá trị tương ứng với việc đánh lái sang trái hay sang phải Từ đó, nhóm gán vị trí thẳng lái có góc quay = 0 độ, khi đánh lái sang trái giá trị này giảm dần về -1211 (vị trí hết lái trái), ngược lại khi đánh lái sang phải giá trị này tăng lên đến
1211 (vị trí hết lái phải) Tức rằng nhóm sinh viên đã chia thành
2 khoảng giá trị từ (-1211:0) và (0;1211) tương ứng việc đánh lái sang trái và sang phải Các thiết bị được lựa chọn thể hiện qua Bảng 3.1.
Bảng 3.1 Bảng chọn thiết bị cho hệ thống vô lăng phản hồi xúc giác
STT Tên thiết bị Hình ảnh Chức năng
1 Vô lăng momo hãng OPM Truyền chuyển kích thước 14inch động từ tay đến trục lái.
2 Trục dẫn động chính 20mm Dẫn động toàn dài 300mm hệ thống.
3 Khớp nối mặt bích trục 20mm Nối vô lăng vào trục chính.
4 Gối đỡ vòng bi trục xoay cho Đỡ và cho phép trục 20mm trục chính xoay trơn.
5 Bánh răng kim loại 64 răng Truyền chuyển động và giảm tốc cho encoder.
6 Bánh răng kim loại đường Truyền chuyển kính trục 3mm 24 răng động từ trục chính đến động cơ encoder.
7 Khớp nối cứng chuyển trục Nối, chuyển trục
3mm-2mm động cơ và trục bánh răng
8 Ổ bi trục 3mm Đỡ và cho phép trục động cơ encoder xoay trơn
9 Động cơ DC-RS 365PW Sử dụng như encoder cảm biến encoder.
10 Trục trơn 3mm Nối bánh răng 24 răng.
3.1.3 Thiết kế các cơ cấu bàn đạp ga và cần chọn chế độ cho buồng lái
Bàn đạp chân ga là một thiết bị dùng để thu thập tín hiệu thay đổi về tốc độ, nhóm sinh viên sử dụng bàn đạp trang bị cảm biến tuyến tính Bàn đạp có ngõ ra gồm 3 dây với 2 dây nguồn và 1 dây tín hiệu.Về cấu tạo, bàn đạp có hình dáng như, gồm mặt bàn đạp, đế, cảm biến và lò xo hồi vị Điện áp định mức của bàn đạp ga là 5V Để thu được tín hiệu nhóm sinh viên tiến hành cấp nguồn và đo điện áp dây tín hiệu nhận thấy điện áp dây tín hiệu tăng dần từ 0-5V ứng với không đạp ra - đạp hết ga Lấy dữ liệu này và lên ý tưởng biến tín hiệu điện áp này thành tín hiệu analog từ 0-1023 tương ứng 0-5V để vi điều khiển có thể hiểu và điều khiển Bàn đạp ga được bố trí ở vị trí chân phải người điều khiển, theo đúng vị trí trên ô tô.
Cần chọn chế độ (cần số) nhóm sinh viên sử dụng có 3 vị trí, ứng với 3 vị trí đó là 3 chế độ tiến-dừng-lùi của robot Về cấu tạo, cần chọn chế độ gồm cần gạt, cao su che bụi, mặt cần số và hộp chứa mạch Điện áp định mức của cần chọn số từ 5-110V, 80A dòng tối đa cho tải khi sử dụng 2 chân tín hiệu cấp nguồn trực tiếp cho motor Phân tích sơ đồ điện của cần chọn số, cần có 6 chân (4 chân nguồn -2 dương,
2 âm, và 2 chân tín hiệu) Khi chuyển chế độ và tiến hành đo đạc ở 3 trường hợp, ta có kết quả sau:
Bảng 3.2 Giá trị điện áp điều khiển của cần chuyển chế độ
Chế độ Dây tín hiệu 1 Dây tín hiệu 2
Hình 3.3 Sơ đồ cấu tạo của cần chuyển chế độ
Nhóm sinh viên chọn chế độ tiến là vị trí gạt cần về phía trước, dừng là vị trí cần ở giữa và lùi là vị trí về sau Để vi điều khiển hiểu được các chế độ này, nhóm sinh viên sử dụng 2 chân Digital trên vi điều khiển, 2 chân này sẽ có 3 trường hợp, trường hợp từng chân có điện và trường hợp cả 3 cùng có điện Để cấp điện cho 2 chân Digital này, module relay-opto vừa để kích tín hiệu vừa cách lý điện áp của cần chọn số tránh gây nhiễu cho vi điều khiển Khi có tín hiệu của từng chân cần chọn chế độ, relay sẽ kích cho tiếp điểm đóng lại cho phép dòng điện (được lấy từ vi điều khiển) cấp ngược lại cho chân digital của vi điều khiển Cần chọn số được bố trí nằm bên tay phải ngừoi điều khiển, nằm trong khoảng thao tác linh hoạt thông qua thực nghiệm đo đạc và ước lượng vị trí Cần chọn số được nối dây như Hình 3.3.
Bố trí và thi kế 3D của các cơ cấu điều khiển được thể hiện qua Hình 3.4.
Hình 3.4 Bố trí hệ thống buồng lái
3.1.4 Thiết kế bộ phản hồi thị giác
3.1.4.1 Thiết kế cơ khí bộ phận phản hồi thị giác Đối với bộ phản hồi thị giác, nhóm sinh viên sử dụng màn hình để truyền trực tiếp hình ảnh từ trên robot di động về cho người lái Màn hình được bố trí nằm trực diện người lái, ngang tầm mắt, nằm gọn trong mắt nhìn nhằm đảm bảo người lái quan sát tốt Một yêu cầu khác là màn hình cần che đi phần lớn góc nhìn của mắt, tránh người điều khiển bị sao nhãng bởi các hoạt động khác bên ngoài ghế lái Để đảm bảo các yêu cầu, nhóm sinh viên sử dụng một màn hình 32inch, kết nối với laptop thông qua chuẩn HDMI cho tốc độ kết nối tốt, độ trễ trung bình của giao thức này là 16ms, mắt người không thể nhận ra độ trễ này và không ảnh hưởng lớn đến việc điều khiển. Giá đỡ laptop được thiết kế nằm bên phải người lái do nhóm sinh viên thuận tay phải và ở đặc thù ở Việt Nam sử dụng ô tô có tay lái thuận, việc bố trí các thiết bị rời bên phải sẽ thuận mắt nhìn hơn cho người điều khiển Giá đỡ này thiết kế vừa cho laptop
