Nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều khiển xe từ xa trong trường hợp không phản hồi hình ảnh dựa trên công nghệ haptics

v TÓM TT Đề tài: ắNghiên cu và đ xut giiăphápăđiu khin xe t xa trongătrng hp không phn hi hình nh da trên công ngh hapticsẰ đc nghiên cu ti Trng Đi Hc S Phm Kỹ Thut Tp. HCM. Thi gian thực hiện từ 02/2013 đn 08/2013 là mt trong nhng nghiên cu và gii pháp đầu tiên trên th giới đc trình bày trong lun văn này. Đim mới ca đề tài là quá trình xây dựng thut toán dẫn đng cho xe tránh các chớng ngi vt và chuyn hớng đúng dựa trên tín hiệu duy nhất là xúc giác. Từ đó, ngi lái s điều khin xe đn đc mc tiêu bằng cách s dng mt giao diện haptics. Với mô hình hệ thống điều khin xe từ xa s dng mt giao diện điều khin phn hồi xúc giác, b thu GPS, cm bin khong cách và thit b truyền d liệu không dây có băng thông thấp. Các thông tin này đc x lý, lp trình bằng phần mềm LabVIEW và tơng tác với ngi điều khin thông qua giao diện điều khin phn hồi xúc giác. Kt qu, ngi lái đư điều khin xe đi đn đc mc tiêu trong trng hp không phn hồi hình nh. Nghiên cu này đư đc kim tra, so sánh kt qu với 18 lần thực nghiệm ti khuôn viên trng Đi Hc S Phm Kỹ Thut Tp. HCM với ba trng hp: 1- Điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh. 2- Điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh và haptics. 3- Trng hp đặc biệt, điều khin xe từ xa ch có haptics (không có hình nh). Việc thực nghiệm thành công trng hp 3 đư to ra bớc ngoặt và cơ s ch to các phơng tiện tham dò, kho sát, v.v., đi đn đc nhng vùng không có hoặc thiu ánh sáng và thiu hình nh do đng truyền băng thông thấp gây ra. vi ABSTRACT This research ắA study of haptic technology-based vehicle teleoperation without vision feedbackẰ 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. vii MC LC Trang tựa TRANG Quyt đnh giao đề tài Xác nhn ca cán b hớng dẫn Lý lch khoa hc ii Li cam đoan iii Cm t iv Tóm tt v Abstract vi Mc lc vii Danh sách các ch vit tt x Danh sách các hình xi Danh sách các bng xiii Chngă1. TNG QUAN 1 1.1 Tng quan chung v lƿnhăvc nghiên cu 1 1.2 Mcăđíchăcaăđ tài 3 1.3 Nhim v caăđ tài và gii hnăđ tài 4 1.3.1 Nhiệm v ca đề tài 4 1.3.2 Giới hn ca đề tài 4 1.4 Phng pháp nghiên cu 4 Chngă2. CăS LÝ THUYT 5 2.1ăCăs lý thuyt cm giác xúc giác 5 2.1.1 Haptics 5 2.1.2 Giao diện haptics và ng dng 8 2.2. Gii thiuăcácăphngăphápăđiu khin xe t xa 10 2.2.1 Phơng pháp điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh 10 2.2.2 Phơng pháp điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh và xúc giác 12 viii 2.3ăĐng lc hcăhapticsăvƠăđiu khinăphngătin t xa 15 2.3.1 Khái quát hệ thống điều khin phơng tiện từ xa 15 2.3.2 Đng lực hc haptics trong điều khin phơng tiện từ xa 15 2.3.3 Mối quan hệ gia đng lực hc haptics và tín hiệu điện t 17 2.4ăĐng hc xe ba bánh 20 2.4.1 Mô hình xe ba bánh 20 2.4.2 Đng hc xe ba bánh khi kéo 22 2.4.3 Đng hc xe ba bánh khi đẩy 23 2.5ăĐng lc hc xe ba bánh 24 2.5.1 Đng lực hc xe ba bánh khi kéo 25 2.5.2 Đng lực hc xe ba bánh khi đẩy 26 2.6 H thngăđnh v toàn cầu GPS 28 2.6.1 Giới thiệu 28 2.6.2 Cấu trúc hệ thống đnh v toàn cầu GPS 28 2.6.3 Đnh v tuyệt đối và đnh v tơng đối 29 2.6.4 Nguyên nhân sai số 32 2.6.5 B thu GPS Holux GR ậ 213 33 2.7 Phần mn LabVIEW 34 2.7.1 LabVIEW 34 2.7.2 ng dng LabVIEW trong thực t 35 2.7.3 Lp trình với LabVIEW 36 2.8 Thut toán PID và PWM 37 Chngă3. Đ XUT GIIăPHỄPăĐIU KHIN XE T XA BNG CÔNG NGH HAPTICS TRONGăTRNG HP KHÔNG PHN HI HÌNH NH 39 3.1 Tng quan v các giiăphápăđiu khin xe t xa không phn hi hình nh 39 3.1.1 Phơng pháp bn đồ đng đi 40 3.1.2 Phơng pháp chia ô 41 3.1.3 Phơng pháp trng th năng 42 ix 3.1.4 Phơng pháp v trí tăng dần 45 3.2.ăPhơnătíchăvƠăđ xut giiăphápăđiu khin xe t xa tránh vt cn và tìm đngăđn mc tiêu bng công ngh haptics trongătrng hp không phn hi hình nh 46 3.2.1 Tổng quan về gii pháp tránh vt cn và tìm đng đn mc tiêu 46 3.2.2 Thut toán tránh vt cn và tìm đng đn mc tiêu 50 Chngă4. THC NGHIM VÀ KT QU NGHIÊN CU 53 4.1ăSăđ tng quan và nguyên lý hotăđng h thng thc nghim 53 4.1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 53 4.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hot đng hệ thống 54 4.2ăCácătrng hp thc nghim 57 4.3ăPhngătin thc nghim 57 4.3.1 Mô hình xe ba bánh 57 4.3.2 Giao diện điều khin và thut toán to phn hồi xúc giác 59 4.3.3 Các thit b khác 61 4.4ăMôiătrng thc nghim 62 4.5 Thc nghim và kt qu 63 4.5.1 Kim tra hệ thống thực nghiệm 63 4.5.2 Trng hp thực nghiệm 1 64 4.5.3 Trng hp thực nghiệm 2 66 4.5.4 Trng hp thực nghiệm 3 68 4.6ăSoăsánhăvƠăđánhăgiáăkt qu thc nghim 70 Chngă5. KT LUN 73 5.1 Kt lun 73 5.2 Hng phát trinăđ tài 74 TÀI LIU THAM KHO 75 Ph lc 77 x DANH SÁCH CÁC CH VIT TT DHA : Direct Haptic Aid ậ H tr xúc giác trực tip. IHA : Indirect Haptic Aid ậ H tr xúc giác gián tip. TCP/IP : Transfer Control Protocol/Internet Protocol ậ B giao thc kim soát truyền ti và giao thc internet. UDP : User Datagram Protocol ậ Giao thc truyền ti d liệu gia các ngi dùng. RS-232 : Recommended Standard-232 ậ Chuẩn giao tip nối tip gia thit b ngoi vi với máy tính. LabVIEW : Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench ậ Phần mềm lp trình ngôn ng đồ ha. PID : Propotional Integral Derivative ậ B điều khin vi tích phân tỷ lệ. PWM : Pulse Width Modulation ậ B điều ch đ rng xung. AMP : Amplifier ậ B khuch đi. DC : Direct Current ậ Dòng điện mt chiều. AC : Alternating current ậ Dòng điện xoay chiều. GPS : Global Positioning System ậ Hệ thống đnh v toàn cầu. WGS84 : World Geodetic Spheroid 1984 ậ Hệ thống ta đ trc đa năm 1984. WAAS : Wide Area Augmentation System ậ Hệ thống giãn rng vùng. DGPS : Differential Global Positioning System ậ Hệ thống đnh v toàn cầu vi sai. INS : Inertial Navigation System ậ Hệ thống dẫn đng quán tính. xi DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Giao diện haptics trong điều khin ô tô từ xa 8 Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh 10 Hình 2.3: Sơ đồ góc quan sát ca mt camera và góc quan sát kt hp hai cameras 11 Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh và xúc giác 12 Hình 2.5: V trí lp đặt cm bin khong cách trên phơng tiện từ xa 13 Hình 2.6: Nguyên lý đo khong cách 13 Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khin phơng tiện từ xa 15 Hình 2.8: Mô hình đng lực hc ca thit b ch/nô 15 Hình 2.9: Sơ đồ đng lực hc haptics trong điều khin phơng tiện từ xa 17 Hình 2.10: Mô hình chuyn đổi tín hiệu cơ khí thành tín hiệu điện 17 Hình 2.11: Sơ đồ điều khin từ xa với hai cổng kt nối 18 Hình 2.12: Mô hình giao diện haptics trong điều khin phơng tiện từ xa 19 Hình 2.13: Mô hình xe ba bánh 20 Hình 2.14: Mô hình đng hc ca bánh xe 21 Hình 2.15: Mô hình đơn gin xe ba bánh trong hai trng hp kéo và đẩy 21 Hình 2.16: Sơ đồ đng hc xe ba bánh khi kéo 22 Hình 2.17: Sơ đồ đng hc xe ba bánh khi đẩy 23 Hình 2.18: Mô hình đng lực hc xe ba bánh 24 Hình 2.19: Quỹ đo các vệ tinh và cấu trúc hệ thống đnh v toàn cầu GPS 29 Hình 2.20: Các lĩnh vực ng dng ca LabVIEW 35 Hình 2.21: Mã nguồn vit bằng LabVIEW 36 H̀nhă2.22: Sơ đô điêu khiê ̉ n thuâ ̣ t toa  n PID 37 Hình 2.23: Sơ đồ xung điện áp thut toán PWM 38 Hình 3.1: Phơng pháp đồ th trực quan và phơng pháp sơ đồ Voronoi 40 xii Hình 3.2: Phơng pháp chia ô chính xác và phơng pháp chia ô gần đúng 41 Hình 3.3: Trng th năng và trng lực đẩy biu din dới dng biu đồ đim 42 Hình 3.4: Tổng hp lực o tác đng lên xe 44 Hình 3.5: Minh ha phơng pháp đnh v tăng dần 45 Hình 3.6: Trng lực o và đng di chuyn ca xe 47 Hình 3.7: Sơ đồ khong cách từ xe đn mc tiêu 48 Hình 3.8: Đng di chuyn ca xe khi gặp mt vt cn và gặp nhiều vt cn 49 Hình 3.9: Lu đồ thut tránh vt cn và tìm đng đn mc tiêu 50 Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khin xe từ xa 53 Hình 4.2: Cấu trúc mô hình hệ thống điều khin xe từ xa bằng công nghệ haptics 54 Hình 4.3: Mô hình xe ba bánh 57 Hình 4.4: Giao diện điều khin phn hồi xúc giác 59 Hình 4.5: Cấu trúc giao diện điều khin phn hồi xúc giác 60 Hình 4.6: Sơ đồ điều khin to xúc giác trên vòng đeo tay và vành tay lái 60 Hình 4.7: Sơ đồ môi trng thực nghiệm 62 Hình 4.8: Giao diện thu thp số liệu và đồ th bằng LabVIEW trong trng hp 1 64 Hình 4.9: Giao diện thu thp số liệu và đồ th bằng LabVIEW trong trng hp 2 66 Hình 4.10: Đng đi ca xe trong trng hp 3 v bằng LabVIEW 68 Hình 4.11: Biu đồ kt qu thi gian, quưng đng xe di chuyn đn mc tiêu và số lần xe gặp vt cn trong 3 trng hp thực nghiệm 70 Hình 4.12: Biu đồ các kt qu thi gian xe di chuyn đn mc tiêu trong trng hp 1 và trng hp 2 72 xiii DANH SÁCH CÁC BNG BNG TRANG Bng 2.1: Các dng cm nhn về trng thái vt th. 6 Bng 2.2: Các ng dng công nghệ haptics 9 Bng 2.3: Mt ví d tin nhn b thu GPS Holux GR ậ 213. 33 Bng 3.1: Nhiệm v ngi lái điều khin xe đn mc tiêu trong trng hp không phn hồi hình nh 46 Bng 3.2: Thông số kỳ vng các tín hiệu điều khin 52 Bng 4.1: Thông số kỳ vng các tín hiệu điều khin trong thực nghiệm 56 Bng 4.2: Bng các trng hp thực nghiệm 57 Bng 4.3: Đặc tính kỹ thut ca mô hình xe ba bánh 58 Bng 4.4: Danh sách các thit b khác h tr trong quá trình thực nghiệm 61 Bng 4.5: Số liệu kim tra chất lng hệ thống thực nghiệm 63 Bng 4.6: Số liệu thu thp trong thực nghiệm trng hp 1 65 Bng 4.7: Số liệu thu thp trong thực nghiệm trng hp 2 67 Bng 4.8: Số liệu thu thp trong thực nghiệm trng hp 3 69 1 Chngă1 TNG QUAN 1.1 Tng quan chung v lƿnhăvc nghiên cu Chúng ta đang sống trong th kỷ 21, th kỷ ca nền tri thc và nền khoa hc kỹ thut vt bt. Trong th kỷ này, khoa hc công nghệ cao đư và đang dần khẳng đnh v trí ca mình trong tất c các mặt ca đi sống con ngi. Với tốc đ phát trin nhanh chóng ca các ngành khoa hc kỹ thut, ngành kỹ thut điều khin phơng tiện từ xa đang có nhng bớc đt phá mới thông qua ng dng công nghệ haptics (công nghệ phn hồi xúc giác). Việc ng dng công nghệ này không nhng giúp cho con ngi điều khin các phơng tiện từ xa thực hiện các nhiệm v đặc biệt khó khăn, nguy him, đc hi trong các môi trng công nghiệp, y hc, quân sự, hàng không vũ tr, v.v., mà còn năng cao kh năng tơng tác gia con ngi và phơng tiện từ xa đt hiệu qu thit thực. Đặc biệt, công nghệ haptics đư và đang xuất hiện trong nhiều hệ thống trên xe, trong đó ng dng công nghệ haptics vào hệ thống điều khin xe từ xa là đề tài nghiên cu mang tính thi đi. Nicola Diolaiti và Claudio Melchiorri [01] đư trình bày việc s dng mt giao diện haptics đ năng cao kh năng cm nhn ca ngi điều khin với môi trng làm việc ca phơng tiện từ xa, bằng cách s dng mt hệ thống tơng tác o đc tính dựa trên lực cn xung quanh tác dng lên phơng tiện đ ngăn chặn các tip xúc nguy him. Sự th đng ca toàn b hệ thống đc bo tồn. Do đó, sự tơng tác o đc đm bo. Khong cách từ các chớng ngi vt đc đo bằng máy quét laser gn kt trên phơng tiện, đ s dng tính toán lực phn hồi lên giao diện haptics. Stephen Hughes, Ian Oakley, Andy Brady và Sile O’Modhrain [02] đư đa ra mt hệ thống tính toán gia tốc ca xe, từ đó to tín hiệu đng lực hc tác đng lên ngi điều khin dới dng thông tin xúc giác, bằng cách so sánh các biu đồ đng hc ca xe đư đc cài đặt trớc với biu đồ mà hệ thống tính toán đc. Hệ thống này đc thit k đ h tr vn hành, kim soát vn tốc xe từ xa. [...]... khi xe lệch h ớng m c tiêu, xe gặp v t c n và xe đư đ n m c tiêu Thi t k , thi công giao diện haptics Thực nghiệm và đánh giá k t qu trong ba tr ng h p: - Điều khi n xe từ xa có ph n hồi hình nh - Điều khi n xe từ xa có ph n hồi hình nh và ph n hồi xúc giác - Điều khi n xe từ xa ch có ph n hồi xúc giác (không có hình nh) So sánh các k t qu nghiên c u với các công trình nghiên c u đư thu th p đ c 1.3.2... tiện từ xa nói chung hay hệ thống điều khi n xe từ xa nói riêng thì còn nhiều mặt h n ch Trong đó, vấn đề điều khi n xe từ xa trong môi tr ng ho t đ ng c a xe từ xa không có hoặc thi u ánh sáng hay thi u hình nh do đ ng truyền băng thông thấp gây ra là m t bài toán rất khó ch a có l i gi i đáp hoàn h o Vì v y, đề tài: Nghiên c uăvƠăđ xu t gi i pháp đi u khi n xe t xa trong tr ng h p không ph n h i hình. .. khi m th trong điều khi n xe 3 1.3 Nhi m v c aăđ tài và gi i h năđ tài 1.3.1 Nhi m v c aăđ tài Tìm hi u và nghiên c u các ph ơng pháp điều khi n xe từ xa Nghiên c u lý thuy t GPS và thu th p x lý tín hiệu t a đ GPS trong phần mềm LabVIEW Xây dựng thu t toán điều khi n xe từ xa đi đ n m c tiêu trong tr không ph n hồi hình nh và thu t toán t o c m giác xúc giác cho ng ng h p i điều khi n khi xe lệch h... h p không ph n h i hình nh d a trên công ngh haptics là vấn đề nghiên c u th t sự cần thi t 1.2 M căđíchăc aăđ tài Gi i bài toán điều khi n xe từ xa trong tr môi tr ng h p không ph n hồi hình nh do ng không có hoặc thi u ánh sáng hoặc thi u hình nh do đ ng truyền băng thông thấp gây ra Nhằm hoàn thiện hệ thống điều khi n xe từ xa trong tr ng h p không ph n hồi hình nh Nghiên c u này làm cơ s ng d ng... n hồi xúc giác (haptics) giúp ng sự t ơng tác gi a xe từ xa với môi tr i điều khi n c m nh n đ c ng ho t đ ng c a nó và gần nh chân thực thông qua giao diện ph n hồi xúc giác Ng Camera C m bi n i điều khi n Màn hình máy tính Ph n hồi xúc giác Kênh truyền thông tin Môi tr ng t ơng Xe tác Giao diện điều khi n Xe và môi tr ng t ơng tác Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống điều khi n xe từ xa có ph n hồi hình nh và. .. sau: (2.9) Mô hình hệ thống điện và haptics (xem Hình 2.10) 18 Ng i điều khi n Giao diện haptics bm fop fm k op mm mop bop Môi tr τm Vm Ng i điều khi n + fm − Giao diện haptics − Vs + − fs ng thực t Môi tr ng thực t Hình 2.12: Mô hình giao diện haptics trong điều khi n ph ơng tiện từ xa 19 2.4 Đ ng h c xe ba bánh 2.4.1 Mô hình xe ba bánh hình 2.13, [18] đ Mô hình xe ba bánh trình bày - Không có sự tr... ơng Xe tác Xe và môi tr ng t ơng tác Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khi n xe từ xa có ph n hồi hình nh Giao diện điều khi n cách xe m t kho ng cách từ vài trăm (m) đ n hàng ngàn (km) hoặc xa hơn n a Thông tin đ c truyền vô tuy n (không dây) hoặc h u tuy n (có dây) Nh hình 2.2 bao gồm 3 khối ch c năng sau: - Khối x lý hình nh và giao diện điều khi n: Ng i điều khi n quy t đ nh thực hiện các lệnh điều. .. Bresciani và Heinrich H Bulthoff [07] đư nghiên c u và thực nghiệm so sánh, đánh giá hiệu qu hai ph ơng pháp điều khi n ph ơng tiện từ xa, điều khi n ph n hồi xúc giác trực ti p (DHA) và điều khi n ph n hồi xúc giác gián ti p (IHA) K t qu nghiên c u đư xác đ nh đ c hiệu qu điều khi n IHA rất cao, đây là b ớc ngoặt mới cho công nghệ điều khi n ph ơng tiện từ xa trong t ơng lai B.H Nguyen, J.H Ryu [08] đư nghiên. .. Trong ph ơng pháp này, nh ng hình nh về môi tr đ ng làm việc c a xe từ xa c truyền về giao diện điều khi n thông qua thi t b thu phát hình nh cho phép ng i điều khi n quan sát khung c nh làm việc c a xe từ xa bằng m t th ng trên màn hình máy tính và thực hiện các thao tác điều khi n ngay t i v trí ng i điều khi n ngồi Camera Ng i điều khi n Màn hình máy tính Kênh truyền thông tin Giao diện điều khi n... giao diện điều khi n qua kênh truyền thông tin, sau c tái t o và ph n hồi lên giao diện haptics Từ giao diện này, ng điều khi n s c m nh n đ c sự t ơng tác gi a xe từ xa với môi tr c a nó, hay nói cách khác ng i ng ho t đ ng i điều khi n s có c m giác nh đang điều khi n xe trực ti p 12 Hơn n a, ph ơng pháp này s kh c ph c đ c nh c đi m c a ph ơng pháp điều khi n ph ơng tiện từ xa ch có ph n hồi hình nh . trng hp: 1- Điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh. 2- Điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh và haptics. 3- Trng hp đặc biệt, điều khin xe từ xa ch có haptics (không có hình nh) khin xe từ xa 53 Hình 4.2: Cấu trúc mô hình hệ thống điều khin xe từ xa bằng công nghệ haptics 54 Hình 4.3: Mô hình xe ba bánh 57 Hình 4.4: Giao diện điều khin phn hồi xúc giác 59 Hình. ngi và phơng tiện từ xa đt hiệu qu thit thực. Đặc biệt, công nghệ haptics đư và đang xuất hiện trong nhiều hệ thống trên xe, trong đó ng dng công nghệ haptics vào hệ thống điều khin xe