Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa

iv TÓM TT Đề tài “Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa” đợc thực hiện ti Trng Đi học S phm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí εinh dới sự hớng dẫn khoa học ca Tiến sĩ Nguyễn Bá Hi.Trong đề tài này, tác gi đã thực hiện tổng hợp và phân tích các công trình nghiên cu đã công bố trong và ngoài nớc có liên quan tới vấn đề cần nghiên cu, phân tích các tơng tác xúc giác giữa ngi điều khiển và ô tô trong trng hợp điều khiển ô tô trực tiếp. Trên cơ s đó, tác gi trình bày các phơng pháp tái to cm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa. Để chng minh cho những kết qu đã tìm đợc trong quá trình phân tích và nghiên cu, tác gi đã sử dng một bộ thí nghiệm to cm giác xúc giác và tiến hành ba thí nghiệm để tái to cm giác xúc giác về áp suất (cng, mềm), rung, nhiệt độ cho ngi điều khiển ô tô.Qua kết qu thí nghiệm đt đợc, tác gi đã chng minh đợc những lý thuyết đã tìm thấy trong quá trình nghiên cu và rút ra kết luận về các phơng pháp tái to cm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa. ABSTRACT This research is done at University of Technical Education Ho Chi Minh City under the scientific guidance of Dr. Nguyen Ba Hai.In this study, the author has made synthesis and analysis of researches published by domestic and international journals and conferences related to haptic interactions between the operator and vehicle. From this basis, the authors present methods to recreate the sense of touch in vehicle teleoperation. To demonstrate the results found during analysis and research, the authors have used experiments to create the sense of touch, and conducted three experiments to reproduce the tactile sensation of pressure (hard, soft), vibration, and temperature. Experimental results have shown that the theory was found in the research is significant to reproduce the senses of haptic feedback for human operators. v MC LC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Li cam đoan ii Cm t iii Tóm tắt iv Mc lc v Danh sách các từ viết tắt x Danh sách các hình xi Danh sách các bng xv Chng 1: TNG QUAN 1 1.1 Tng quan chung v lĩnh vực nghiên cu 1 1.2 Các nghiên cu trong nc vƠ ngoƠi nc 3 1.2.1 Nghiên cu trong nớc 3 1.2.2 Nghiên cu ngoài nớc 6 1.3 Mc đích ca đ tài 10 1.4 Gii hn ca đ tài 10 1.5 Phng pháp nghiên cu 10 Chng 2: C S Lụ THUYT 12 2.1 Tng quan v tng tác ngi và xe 12 2.2 Cm giác là gì? 13 2.2.1 Khái niệm 13 2.2.2 Các loi cm giác 14 2.3 Vai trò ca các giác quan trong điu khin xe trực tip 15 vi 2.4 Xúc giác là gì? 17 2.4.1 Khái niệm 17 2.4.2 Cơ chế to cm giác xúc giác 18 2.4.3 Những cm giác xúc giác mà tay ngi có thể cm nhận đợc khi tơng tác với một vật thể 22 2.4.3.1 Cm giác về chuyển động ngang (thô, nhám) 22 2.4.3.2 Cm giác về áp suất (cng, mềm ) 22 2.4.3.3 Cm giác về nhiệt độ 23 2.4.3.4 Cm giác về trọng lợng 23 2.4.3.5 Cm giác về đng biên, thể tích 24 2.4.3.6 Cm giác về sc bén đng biên 24 2.4.4 Vai trò ca xúc giác 25 2.4.4.1 Vai trò ca xúc giác trong hot động ca con ngi 25 2.4.4.2 Vai trò ca xúc giác trong lái xe trực tiếp 27 2.5 Xúc giác trên xe là gì? 28 2.5.1 Khái niệm 28 2.5.2 Một số cm giác xúc giác mà con ngi cm nhận đợc khi điều khiển xe 28 2.5.2.1 Tơng tác với vô lăng 28 2.5.2.2 Tơng tác với bàn đp ga 28 2.5.2.3 Tơng tác với bàn đp phanh 29 2.5.2.4 Tơng tác với cần sang số 30 2.5.2.5 Tơng tác với ghế ngồi 30 2.5.2.6 Tơng tác với nút nhấn 31 2.6 Gii thiu công ngh Haptics 32 2.7 Các ng dng ca công ngh Haptics 34 2.7.1 Các ng dng với haptics trên ô tô 34 vii 2.7.2 ng dng haptics trong y học 35 2.7.3 Haptic cho ngi mù 37 2.7.4 ng dng haptics trong quân sự 38 2.7.5 ng dng trong công nghiệp 38 2.7.6 ng dng haptics trong giáo dc 39 2.7.8 ng dng haptic trong công nghệ thông tin 40 2.8 Lực phn hi t môi trng lên robot di đng dựa trên phng pháp Logic m 41 2.8.1 Tổng quan về điều khiển từ xa robot di động 41 2.8.2 Lực phn hồi từ môi trng 42 2.8.3 Quy tắc m trong việc biểu diễn lực phn hồi 43 2.8.4 Phân tích ổn định ca hệ thống điều khiển từ xa robot di động 45 2.8.5 Haptics trong điều khiển từ xa robot di động 50 2.8.5.1 Sự tơng tác o giữa ngi điều khiển, khối lợng o và môi trng 53 2.8.5.2 Lực o to ra bi môi trng 53 2.8.5.3 Tơng tác với ngi điều khiển 55 2.9 To cm giác lái cho h thống SBW bằng phng pháp sử dng cm bin dòng đin. 57 2.9.1 Giới thiệu hệ thống SBW 57 2.9.2Tái to cm giác lái bằng phơng pháp đo dựa trên cng độ dòng điện 58 2.9.2.1Hot động ca phơng pháp dựa trên cm biến dòng 58 2.10 Gii thiu phần mm LabVIEW 62 2.10.1 LabVIEW là gì 62 2.10.2 ng dng LabVIEW trong thực tế 62 2.10.3 Lập trình với LabVIEW 64 2.11 Thut toán PID và ng dng vƠo điu khin đng c DC 65 viii 2.11.1 Khái niệm về thuật toán PID 65 2.11.2 Điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán PID 66 Chng 3: CÁC PHNG PHÁP TÁI TO CM GIÁC XÚC GIÁC TRÊN Ô TÔ 68 3.1 Phân loi phng pháp tái to cm giác xúc giác trên ô tô 68 3.2 Tái to cm giác xúc giác áp suất (cng, mm) 68 3.3 Tái to cm giác xúc giác rung xóc cho ngi điu khin ô tô 71 3.4 Tái to cm giác xúc giác nhit đ cho ngi điu khin ô tô 74 Chng 4: THÍ NGHIM VÀ KT QU NGHIÊN CU 77 4.1 Thí nghim 77 4.1.1 Giới thiệu mô hình thí nghiệm 77 4.1.2 Thí nghiệm to cm giác xúc giác áp suất (cng, mềm) 79 4.1.3 Thí nghiệm to cm giác xúc giác rung 80 4.1.4 Thí nghiệm to cm giác xúc giác nhiệt độ (nóng, lnh) 82 4.2 Kt qu thí nghim 84 4.2.1 Kết qu thí nghiệm to cm giác xúc giác áp suất 84 4.2.2 Kết qu thí nghiệm to cm giác xúc giác nhiệt độ 85 Chng 5: KT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN 87 5.1 Kt lun 87 5.2 Hng phát trin 87 TÀI LIU THAM KHO 89 PH LC 91 Ph lc A: Mt số khối (hàm thc) ph bin trong LabVIEW 91 A1 Cấu trúc một số vòng lặp 91 A2 Một số hàm Delay thi gian 93 A3 Cách lấy các hàm tính toán và so sánh 95 ix Ph lc B: Kt qu lp trình PID cho đng c DC vi LabVIEW 96 B1 Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu P 96 B2 Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PI 98 B3 Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PID 99 x DANH SÁCH CÁC T VIT TT DC ( Direct Current) :Dòng điện một chiều IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) :Kỹ sư điện và điện tử LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) :Ngôn ngữ lập trình đồ họa PDA (Personal Digital Asistant) :Thiết bị hỗ trợ cá nhân PID (Proportional–Integral–Derivative) :Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân SW (Switch) :Công tắc USB (Universal Serial Bus) :Chuẩn kết nối tuần tự VCC :Nguồn 5V lấy từ USB XBW (X-by-Wire) :Hệ thống điều khiển bằng dây SBW (Steering – By – Wire) :Hệ thống lái bằng dây RW (Road – Wheel) :Bánh xe HW (Hand – Wheel) :Vô lăng LAN (Wireless Local Area Network) :Mng nội bộ PCI (Peripheral Component Interconnect) :Chuẩn để truyền dữ liệu giữa các thiết bị ngoi vi đến bo mch chủ. xi DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Các giác quan bên ngoài ca con ngi 14 Hình 2.2: Cấu trúc da 18 Hình 2.3: Đng truyền xúc giác qua da 21 Hình 2.4: Cm giác chuyển động ngang 22 Hình 2.5: Cm giác về áp suất 23 Hình 2.6: Cm giác về nhiệt độ 23 Hình 2.7: Cm giác về trọng lợng 24 Hình 2.8: Cm giác đng biên 24 Hình 2.9: Cm nhận sc bén đng biên 25 Hình 2.10: Tơng tác với vô lăng 28 Hình 2.11: Tơng tác với bàn đp ga 29 Hình 2.12: Tơng tác với bàn đp phanh 30 Hình 2.13: Tơng tác với cần sang số 30 Hình 2.14: Tơng tác với ghế ngồi 31 Hình 2.15: Tơng tác với nút nhấn 32 Hình 2.16: Tơng tác với thế giới o 33 Hình 2.17: Cơ cấu Haptic một bậc tự do 34 Hình 2.18: Giao diện Haptics dùng trong điều khiển xe từ xa 35 Hình 2.19: Bng điều khiển bằng xúc giác iDrive Touch ca BεW 35 Hình 2.20: Tơng tác với hình nh ba chiều thông qua cánh tay robot 36 Hình 2.21:Tơng tác với hình nh 3D để phẫu thuật từ xa 37 Hình 2.22:Tiến sĩ Garnette Sutherland đang giới thiệu neuroArm ti Đi học Calgary 37 xii Hình 2.23:Một ngi mù trong hội ngi mù Th Đc đang thử nghiệm chiếc nón mắt thần 38 Hình 2.24: Sử dng haptics để lắp ráp bom ht nhân 38 Hình 2.25: ng dng haptics điều khiển robot từ xa 39 Hình 2.26: Thực hành lái máy xúc trong môi trng thực tế o 39 Hình 2.27: Axon Logic ra mắt chiếc tablet Haptics 40 Hình 2.28: Công nghệ phn hồi xúc giác trên điện thoi màn hình cm ng 41 Hình 2.29: Thiết bị ch và robot di động 41 Hình 2.30: Sơ đồ biểu diễn lực phn hồi dựa trên thông tin phm vi vật cn 43 Hình 2.31: Robot di động trong không gian hot động rộng và hẹp 43 Hình 2.32: Cấu trúc điều khiển từ xa robot di động với phơng pháp đề xuất biểu diễn lực phn hồi 44 Hình 2.33: Sơ đồ tổng quát hệ thống điểu khiển robot di động từ xa với lực phn hồi 47 Hình 2.34: Kết qu mô phỏng cho hệ thống điều khiển từ xa với hằng số và hệ số phn hồi thay đổi 49 Hình 2.35: Tổng quan hệ thống điều khiển từ xa robot di động 50 Hình 2.36: Sự tơng tác o với vật cn 50 Hình 2.37: Sơ đồ ca chiến lợc điều khiển robot từ xa 51 Hình 2.38: Sự chuyển đổi vận tốc ẋ ca khối lợng thành vận tốc điểm đặt 52 Hình 2.39: Mô hình ca sự tơng tác giữa ngi vận hành, khối lợng o và môi trng 53 Hình 2.40: Vị trí ca thiết bị Haptics và sự tính toán ca ẋtrong khung tham chiếu Robot di động 56 Hình 2.41: Mô hình động lực học hệ thống SBW 57 Hình 2.42: Sơ đồ kết nối cm biến dòng 60 Hình 2.43: Kh năng kết hợp các phần cng ca δabVIEW 63 xiii Hình 2.44: Các lĩnh vực ng dng ca δabVIEW 63 Hình 2.45: Một robot dới nớc (Spider) đợc phát triển dựa trên lập trình LabVIEW 64 Hình 2.46: Cửa sổ Front Panel 64 Hình 2.47: Cửa sổ Block Diagram 65 Hình 2.48: Sơ đồ điều khiển động cơ DC theo thuật toán PID 66 Hình 2.49: Thuật toán điều khiển động cơ DC theo vị trí bằng PID 66 Hình 3.1: Mô hình tính toán phn hồi lực 69 Hình 3.2: Sự rung do lực quán tính ly tâm 72 Hình 3.3: Cơ cấu báo nguy áp suất dầu bôi trơn 73 Hình 3.4: Cơ cấu báo nguy nhiệt độ nớc làm mát động cơ 74 Hình 3.5: Mô hình phơng pháp tái to nhiệt 75 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm to cm giác xúc giác: áp suất, nhiệt độ, rung 77 Hình 4.2: Mô hình thí nghiệm to cm giác xúc giác áp suất, rung, nhiệt độ 79 Hình 4.3: δu đồ thuật toán lập trình to cm giác xúc giác áp suất 79 Hình 4.4: Giao diện điều khiển to cm giác áp suất 80 Hình 4.5: δu đồ thuật toán lập trình to cm giác xúc giác rung 81 Hình 4.6: Giao diện thí nghiệm to cm giác xúc giác rung 81 Hình 4.7: δu đồ thuật toán lập trình to cm giác xúc giác nhiệt độ 82 Hình 4.8: Giao diện điều khiển to cm giác xúc giác nhiệt độ 83 Hình 4.9: Chơng trình lập trình mô hình thí nghiệm 83 Hình 4.10: Đáp ng ca lực F và dòng i theo góc α 84 Hình 4.11: Đồ thị nhiệt độ ca bộ to nhiệt theo thi gian t 85 Hình 4.12: Biên độ rung theo thi gian 86 Hình A1.1: Lấy vòng lặp 91 [...]... Các tín hiệu dùng điều khiển là những tín hiệu gi lập 1.5 Ph ng pháp nghiên c u - Thu thập dữ liệu từ các công trình nghiên c u trong và ngoài n ớc - Nghiên c u c m giác xúc giác trong điều khiển ô tô trực tiếp, sau đó nghiên c u ph ơng pháp tái t o c m giác xúc giác đó trong điều khiển ô tô từ xa - Thiết kế và chế t o một mô hình đơn gi n để làm thí nghiệm tái t o các c m giác xúc giác trên xe - Làm... là nghiên c u một số c m giác xúc giác cơ b n c a ng i điều khiển xe c m nhận đ ợc khi trực tiếp điều khiển xe, từ đó nghiên c u ph ơng pháp tái t o c m giác xúc giác đó trong việc điều khiển ô tô từ xa nhằm đ a ra những gi i pháp giúp cho việc điều khiển ô tô từ xa chính xác hơn, an toàn hơn Cơ s khoa học để thực hiện đề tài là sử d ng lỦ thuyết về c m giác xúc giác c a con ng i và lực ph n hồi trong. .. trong điều khiển từ xa để tìm thuật toán nhằm tái t o c m giác xúc giác điều khiển ô tô từ xa 1.4 Gi i h n c a đ tài Đề tài tập trung tổng hợp tài liệu, phân tích và đ a ra các kết luận về các ph ơng pháp tái t o c m giác xúc giác trên xe Vì xúc giác trên xe là rất đa d ng và ph c t p nên đề tài này chỉ nghiên c u ph ơng pháp tái t o một số c m giác xúc giác cơ b n mà ng i lái c m nhận đ ợc trong khi điều. .. quan trọng các các thông tin nh hình nh, âm thanh Một trong những công nghệ có thể tái t o đ ợc c m giác xúc giác này chính là công nghệ Haptics Có thể nói, công nghệ Haptics là công nghệ c a ô tô trong t ơng lai mà thế giới đang h ớng tới Nghiên c u ng d ng công nghệ Haptisc trên ô tô sẽ giúp cho việc điều khiển ô tô từ xa chính xác hơn Hơn nữa, công nghệ tái t o c m giác xúc giác cũng góp phần quan... n c vƠ ngoƠi n c c δiên quan đến vấn đề tái t o c m giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa, hiện đã có nhiều công trình nghiên c u c a các sinh viên, kỹ s trong các tr ng Đ i học t i 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” c a Nguyễn Tr ng Giang, Lê Thanh... tác và c m giác với thế giới xung quanh nói chung và với ô tô nói riêng thông qua các giác quan c a họ Đối với từng t ơng tác c thể thì vai trò c a các giác quan là không giống nhau Để tìm hiểu vai trò c a các giác quan trong quá trình điều khiển ô tô từ xa thì tr ớc hết cần tìm hiểu vai trò c a các giác quan trong quá trình điều khiển ô tô trực tiếp, từ đó ta xem xét giác quan nào là quan trọng trong. .. đó là kỹ thuật điều khiển từ xa Trong việc điều khiển ô tô từ xa, ng chiếc xe mà ph i thông qua giao diện ng xe thông qua giao diện ng i dùng Do đó, c m giác khi điều khiển i dùng sẽ có rất nhiều h n chế nh không c m nhận đ ợc các lực tác động từ môi tr lắc khi xe đi vào đ i điều khiển không trực tiếp điều khiển ng lên chiếc xe mà ta đang điều khiển nh sự rung ng mấp mô, không c m nhận đ ợc lực quán... lò xo o Đề tài Nghiên cứu giao diện haptics phục vụ điều khiển phương tiện từ xa , đề tài nghiên c u khoa học trọng điểm tr ng Đ i học S ph m Kỹ thuật Tp.HCM do TS Nguyễn Bá H i ch trì Đề tài đã nghiên c u và chế t o thành công với các c m giác xúc giác 3 tr c c a cơ cấu điều khiển (hai joystick đơn và một vô lăng) 3 Đề tài Nghiên cứu thiết kế giao diện Haptics điều khiển xe tô từ xa qua mạng wifi”... thị giác (80% - 90%), xúc giác, thính giác Tuy nhiên, trong điều khiển ô tô từ xa, ngoài thị giác thì xúc giác cũng đóng vai trò quan trọng không kém Theo nghiên c u c a nhóm tác gi Terrence Fong, Francois Conti, Sesbastien Grange, Charles Baur“Giao diện mới trong điều khiển từ xa đã chỉ ra vai trò c a thông tin ph n hồi xúc giác Nhóm nghiên c u này đã thử nghiệm thiết bị HapticDriver t i một triển. .. công nghệ tái t o xúc giác vào m c đích đào t o, huấn luyện Ví d , ta có thể t o ra một mô hình cabin ô tô trên đó có gắn các thiết bị cần thiết cho việc điều khiển ô tô nh : vô lăng, ghế ngồi, bàn đ p 2 ga, bàn đ p phanh, bàn đ p ly hợp, cần số và một màn hình quan sát mô phỏng ô tô và môi tr ng ho t động c a nó Ca bin này sẽ cho ng i tập lái c m giác gần giốngnh đang ngồi trên ca bin thật c a ô tô . giác giữa ngi điều khiển và ô tô trong trng hợp điều khiển ô tô trực tiếp. Trên cơ s đó, tác gi trình bày các phơng pháp tái to cm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa. Để chng. iv TÓM TT Đề tài Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa đợc thực hiện ti Trng Đi học S phm. PHNG PHÁP TÁI TO CM GIÁC XÚC GIÁC TRÊN Ô TÔ 68 3.1 Phân loi phng pháp tái to cm giác xúc giác trên ô tô 68 3.2 Tái to cm giác xúc giác áp suất (cng, mm) 68 3.3 Tái to cm giác xúc