1. 1T ng quan chun gv lĩnh vực nghiên cu
2.10.1 LabVIEW là gì
LabVIEW là một phần mềmlập trình Graphic (lập trình G hay ngôn ngữ đồ họa) trực quan dễ sử d ng.
Labview đ ợc dùng nhiều trong phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật nh : tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử y sinh v.v. Các ng d ng c a δabVIEW có thể đ ợc tóm tắt nh sau:
Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài nh c m biến nhiệt độ, hình nh từ webcam, vận tốc động cơ .v.v.
Giao tiếp với các thiết bị ngo i vi thông qua các chuẩn giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet. Để điều khiển nh ng thiết bị những nơi con ng i không thể làm việc đ ợc.
2.10.2 ng d ng LabVIEW trong thực t
Mô phỏng và xử lí các tín hiệu thu nhận đ ợc để ph c v các m c đích nghiên c u hay m c đích c a hệ thống mà ng i lập trình mong muốn.
Xây dựng các giao diện ng i dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhiều so với các ngôn ngữ lập trình khác nh Visual Basic, εatlab,…
Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển nh PID, δogic m ( Fuzzy Logic), một cách nhanh chóng thông qua các ch c năng tích hợp sẵn trong LabVIEW.
Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình truyền thống nh C, C++, Matlab.
feel
Hình 2.43: Kh năng kết hợp các phần c ng c a δabVIEW
Hình 2.43 cho thấy dùng Card LabVIEW ta có thể giao tiếp với: motor, webcam, các c m biến… Chúng ta có thể kết nối các thiết bị này thông qua các card gắn với cổng USB, PCI. Ta cũng có thể thực hiện giao tiếp nối tiếp các thiết bị này với máy tính thông qua chuẩn giao tiếp RS232, RS485… Một lo t các ng d ng, một ví d là chúng ta có thể sử d ng card δabVIEW để giao tiếp với webcam, từ đó có thể điều đ ợc các thiết bị từ xa (ô tô chẳng h n). LabView hầu nh có mặt trong tất c các lĩnh vực khoa học công nghệ nh : Robot công nghiệp,Robot y khoa, Robot không gian, Robot di động, ô tô, máy bay điều khiển từ xa, robot giống ng i, điều khiển t ơng tác ổn định.v.v.
Hình 2.45: Một robot d ới n ớc (Spider) đ ợc phát triển dựa trên lập trình LabVIEW
2.10.3 L p trình v i LabVIEW
Để làm việc với phần mềm δabVIEW ta thao tác trên 2 cửa sổ là Front Panel và Block Diagram. Hai cửa sổ này sẽ xuất hiện sau khi ta kh i động phần mềm LabVIEW [02].
Hình 2.46: Cửa sổ Front Panel
Cửa sổ Front Panel hay còn gọi là giao diện ng i dùng. Cửa sổ này dùng để kh i t o các Control (Input) và các Indicator (ouput). Nghĩa là, trên cửa sổ này, ta có thể thiết lập các thông số đầu vào c a một ng d ng nào đó và có thể thấy đ ợc kết qu kh o sát hay tính toán c a ng d ng đó (tham kh o trong phần ph l c).
Hình 2.47: Cửa sổ Block Diagram
Cửa sổ Block Diagram là cửa sổ dùng để ng i lập trình kh i t o, viết các thuật toán cho ng d ng c a mình. Đó bao gồm các hàm toán học (cộng, trừ, nhân, chia, đ o hàm, tích phân, ma trận.v.v.), các hàm lặp (while loop), các hàm t o trễ.v.v
Nghĩa là trên cửa sổ Block Diagram ch a những thuật toán gi i quyết các bài toán ng d ng mà ng i lập trình kh i t o và có thể điều khiển và hiển thị kết qu trên cửa sổ Front Panel.
Các hàm tính toán có liên quan trong c a sổ Block Diagram đ ợc nối với nhau bằng dây dẫn theo kiểu truyền tín hiệu. Đây cũng là một lợi điểm c a LabVIEW so với các phần mềm khác tính trực quan và dễ làm việc.
2.11 Thu t toán PID và ng d ng vƠo đi u khi n đ ng c DC
2.11.1 Khái ni m v thu t toán PID
Bộđiều khiển PID (viết tắt c a: Proportional–Integral–Derivative Controller) là một trong những bộ điều khiển phổ biến và quan trọng nhất trong các thiết bị và hệ thống công nghiệp từ đĩa CD tới vận tốc xe ô tô đều đ ợc thực hiện b i các thuật toán PID.
Thuật toán PID đ ợc mô t nh ph ơng trình
Trong đó: 0 ( ) . ( ) t ( ) ( ) p i d de t u K e t K e t d t K dt (2.33)
u : hiệu điện thế Kp : độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh
Ki : độ lợi tích phân Kd : độ lợi vi phân
e : sai số t : th i gian (hiện t i)
Thuật toán này dùng điều khiển các hệ thống vật lý nh động cơ DC, hệ thống lái tựđộng trên robot, ô tô, lò nhiệt, vv.
Hình 2.48: Sơ đồ điều khiển động cơ DC theo thuật toán PID
Bộđiều khiển này hiệu chỉnh có ph n hồi nhằm làm giá trị sai lệch c a một tín hiệu đang đ ợc điều khiển sao cho sai lệch này bằng không. Bộ PID có ba thành phần: proportional - tỷ lệ, integral - tích phân, và derivative - đ o hàm), ba thành phần này đều có vai trò đ a sai lệch về không. Tín hiệu ph n hồi (feedback signal) th ng là tín hiệu thực đ ợc đo bằng c m biến. Giá trị sai lệch là hiệu c a tín hiệu đặt (setpoint) trừ cho tín hiệu ph n hồi.
2.11.2 Đi u khi n vị trí đ ng c bằng thu t toán PID
Thuật toán PID đ ợc ng d ng vào trong LabVIEW có thể dùng để điều khiển động cơ DC theo sơ đồ sau:
Đầu tiên ta có giá trị đặt (là giá trị mà ng i điều điều khiển mong muốn) đ ợc đ a vào bộ PID. Bộ điều khiển PID sẽ đ a ra giá trị sai lệch e d ới d ng điện áp. Giá trị điện áp này đ ợc đ a ra cổng giao tiếp với ngo i vi sau đó tín hiệu này sẽ đ ợc đ a ra bộ khuếch đ i tín hiệu điện áp. Tín hiệu khuếch đ i này sẽ đ ợc đ a tới đối t ợng điều khiển. Việc lập trình điều khiển vị trí động cơ DC sẽ đ ợc thực hiện qua 3 khâu: khâu P, khâu PI, khâu PID.
Ch ng 3
CÁC PH NG PHÁP TÁI T O C M GIÁC XÚC
GIÁC TRÊN Ô TÔ
3.1 Phân lo i ph ng pháp tái t o c m giác xúc giác trên ô tô
Có rất nhiều ph ơng pháp tái t o c m giác xúc giác trên ô tô. Tuy nhiên, chúng ta có thể phân ra làm ba lo i nh sau:
- Theo các thiết bị trên xe (vô lăng, bàn đ p ga, bàn đ p phanh, ghế ngồi…) - Theo các bộ phận trên cơ thể ng i điều khiển (tay, chân, mông, l ng)
- Theo phân lo i c m giác xúc giác (Áp suất, trọng l ợng, thể tích, nhiệt độ, biên d ng, ma sát).
Tổng quát hóa các c m giác xúc giác c a ng i điều khiển ô tô ta có 6 d ng: Áp suất, trọng l ợng, thể tích, nhiệt độ, biên d ng, ma sát.
Do giới h n về kinh phí và th i gian, chúng tôi chỉ giới thiệu ph ơng pháp tái t o ba lo i c m giác xúc giác: áp suất, rung xóc, nhiệt độ.
3.2. Tái t o c m giác xúc giác áp suất (c ng, m m)
C m giác về áp lực đ ợc t o ra khi t ơng tác với một đối t ợng thông qua việc đè nén lên nó. Theo định luật 3 c a Newton, khi tác d ng lên vật một lực F thì chúng ta nhận đ ợc một ph n lực F’ cùng ph ơng ng ợc chiều và có độ lớn bằng độ lớn mà lực tác d ng lên vật. Nh vậy, thông qua ph n lực ta nhận biết đ ợc độ c ng, mềm c a vật t ơng tác.
Trong đề tài này, chúng tôi đề xuất ph ơng pháp sử d ng mô-men động cơ DC để t o c m giác về lực, vì vậy việc t o c m giác xúc giác áp suất đ ợc thay bằng việc điều khiển mô-men xoắn c a động cơ DC.
Đối với động cơ DC, c ng độ dòng điện c a động cơ điện tăng tuyến tính với t i mô-men đ ợc mô t b i trong ph ơng trình:
Trong đó:
motor: Mô-men xoắn đầu ra c a động cơ điện DC
i: C ng độ dòng điện
kt: Hệ số mô-men c a động cơ điện
: Hiệu suất động cơ điện
Để tính toán lực ph n hồi lên tay ng i điều khiển, chúng tôi đề xuất mô hình đ ợc giới thiệu trên hình 3.1.
Hình 3.1: Mô hình tính toán ph n hồi lực Trong hình 3.1:
AB: là thanh thẳng có chiều dài R đ ợc gắn trên tr c c a động cơ DC F: là lực mà ng i điều khiển tác d ng lên đầu B c a thanh AB M: Mô-men do lực F gây ra t i A
l: Chiều dài cung BB’(độ dịch chuyển c a thanh AB khỏi vị trí cân bằng)
Để đẩy đ ợc thanh AB dịch chuyển đi một đo n l thì mô-men do lực F gây ra ph i lớn hơn mô-men xoắn c a động cơ DC. Vì chiều dài thanh AB là không đổi nên
B R motor Tr c DC motor B’ α F l A M motor ikt (3.1)
muốn tăng mô-men M cần ph i tăng lực F. Nh vậy, mô-men xoắn trên động cơ DC t o ra càng lớn thì áp lực tác d ng lên tay ng i điều khiển càng lớn. Theo công th c (3.2), để tăng motor cần ph i tăng dòng điện i. Giá trị dòng điện i đ ợc đo bằng c m biến dòng. Ph ơng pháp t o c m giác về áp lực này đ ợc gọi là ph ơng pháp dựa trên c m biến dòng.
Do thanh AB đ ợc nối vào tr c động cơ nên khi thanh AB dịch chuyển sẽ làm thay đổi vị trí c a góc quay c a tr c động cơ thay đổi theo. Góc quay này đ ợc đo bằng một biến tr . Giá trị góc quay này đ ợc gửi tới bộ điều khiển PID. T i bộ điều khiển này sẽ tính toán tỉ lệ sai lệch và gửi dòng điều khiển tới bộ khuếch đ i động cơ. Bộ khuếch đ i sẽ nâng dòng lên đ công suất để điều khiển động cơ, làm động cơ ho t động. Động cơ ho t động t o ra mô-men làm thay đổi h ớng quay c a thanh AB. δực do ng i điều khiển tác d ng lên đầu A c a thanh AB làm tăng mô-men c n trên tr c động cơ. Khi đó, dòng điện cấp cho động cơ t i bộ khuếch đ i tăng lên và để bộ điều khiển lực biết đ ợc điều này cần c m biến dòng gửi tín hiệu về bộ điều khiển lực. Bộ điều khiển lực sẽ tính toán lực cần thiết và gửi tín hiệu tới bộ khuếch đ i. Bộ khuếch đ i sẽ tăng dòng điều khiển đáp ng công suất động cơ. Nh vậy dựa trên tín hiệu c m biến dòng để tái t o c m giác lực cho ng i điều khiển.
Trong mô hình trên hình 3.1, khi góc quay thanh AB càng lớn thì lực tác d ng lên ng i điều khiển càng lớn, nghĩa là mô-men c n do động cơ t o ra ph i càng lớn. δúc đó, ng i điều khiển có c m giác c ng hơn. Dòng điện cung cấp cho mô-tơ tăng tuyến tính theo góc quay thanh AB theo ph ơng trình:
Trong đó: i (A): C ng độ dòng điện k: Hằng số thực nghiệm α: Góc quay thanh AB (3.2) = .
T i vị trí cân bằng thì mô-men do lực F gây ra bằng mô-men do động cơ DC gây ra, ta có:
Nh vậy, lực tác d ng lên tay ng i điều khiển là:
3.3 Tái t o c m giác xúc giác rung xóc cho ng i đi u khi n ô tô
C m giác rung xóc mà ng i điều khiển ô tô c m nhận đ ợc là do sự dao động c a ô tô. Các nguồn gây dao động ô tô bao gồm :
- Độ lệch tâm và hình d ng không đồng đều c a các bánh xe, độ không cân bằng c a các bánh xe và các chi tiết quay c a động cơ, hệ thống truyền lực. - Các ngo i lực xuất hiện khi tăng tốc, khi phanh, khi quay vòng
- Các mấp mô bề mặt đ ng
Cho đến nay, mấp mô biên d ng đ ng vẫn đ ợc coi là nguồn chính gây ra dao động ô tô. Dao động này tác động lên ng i điều khiển qua các đ ng truyền nh từ vô lăng vào tay ng i lái, tác động vào phần mông thông qua ghế ngồi, tác động vào chân thông qua sàn xe.
Bài toán dao động ô tô là một bài toán hết s c ph c t p vì ô tô là một hệ dao động cơ học gồm nhiều khối l ợng có mối liên kết với nhau và nằm trong mối liên hệ chặt chẽ với bề mặt đ ng có biên d ng ph c t p. Do đó, việc làm cho ng i điều khiển c m giác đ ợc sự dao động c a ô tô trong quá trình điều khiển từ xa giống nh khi điều khiển trực tiếp là một nhiệm v không đơn gi n vì chúng ta ph i tính đến nhiều yếu tố nh thông số kết cấu hệ thống treo, lo i gi m chấn, khối l ợng ô tô và nhiều th khác.
B i vậy trong ph m vi đề tài này, chúng tôi chỉ giới thiệu ph ơng pháp tái t o c m giác rung xóc đơn gi n (dựa trên sự phân lo i c m giác xúc giác xúc giác) cho ng i điều khiển chỉ với m c đích dùng làm tín hiệu c nh báo về một hiện
= (3.4)
t ợng bất th ng nào đó c a xe. Việc sử d ng tín hiệu rung này để c nh báo hiện t ợng gì trên xe và vị trí lắp đặt cũng nh điều khiển tín hiệu rung nh thế nào là tùy m c đích ng i sử d ng, nó thuộc về việc thiết kế chế t o cho một hệ thống riêng nên chúng tôi không đề cập đây. Để t o c m giác rung cho ng i điều khiển, chúng tôi sử d ng động cơ DC có gắn một đĩa lệch tâm lên tr c mô tơ DC. Lợi d ng sự mất cân bằng khi quay c a đĩa lệch tâm để t o ra sự rung. Sự rung trong tr ng hợp này là do lực quán tính ly tâm.
Hình 3.2 : Sự rung do lực quán tính ly tâm Lực rung đ ợc tính nh công th c:
Trong đó:
m (kg): Khối l ợng c a đĩa lệch tâm
ω (rad/s): Vận tốc góc c a rô to
e (m): Kho ng lệch tâm
Fql (N): Lực quán tính ly tâm
Vì hai thông số m và e là không đổi nên để thay c ng độ rung hay lực quán tính li tâm ta thay đổi ω. Vì đĩa đ ợc gắn trên tr c động cơ DC nên việc thay đổi tốc độ c a đĩa quay cũng chính là thay đổi tốc độ quay c a động cơ DC. Nh vậy, c ng độ rung chỉ còn ph thuộc vào tốc độ c a động cơ DC. Số rung động trong một chu kỳ ph thuộc vào tần số rung động f. Tần số rung đ ợc tính theo công
= sin( + ) (3.5) Fql t e Fql O meω2 -meω2
th c:
Trong đó:
n (Vòng/ phút): tốc độ quay c a rô to
f (Hz): Tần số rung
Tần số f càng lớn thì sự rung sẽ càng nhanh, nghĩa là số lần rung trong một chu kỳ sẽ càng nhiều. Để c thể hóa vấn đề, chúng tôi sử d ng tín hiệu rung để c nh báo áp suất nhớt c a động cơ. Khi áp suất nhớt thấp hơn giá trị quy định thì bộ t o rung sẽ phát tín hiệu rung c nh báo ng i điều khiển, từ đó ng i điều khiển có ph ơng pháp để xử lỦ đ m b o an toàn cho động cơ. Nguyên lý c a bộ báo nguy áp suất nhớt động cơ nh sau:
Hình 3.3: Cơ cấu báo nguy áp suất dầu bôi trơn
1-Công tắc máy; 2- Nắp; 3- Đèn hiệu; 4- Các má vít b c; 5- Giá tiếp điểm; 6- Màng áp suất; 7- Buồng áp suất; 8- Núm có ren
Khi động cơ ô tô làm việc, nhớt từ hệ thống bôi trơn sẽ qua lỗ c a núm 8 vào buồng 7 và khi áp suất nhớt trong buồng 7 lớn hơn 0,4 – 0,7 kg/cm2 thì màng 6 sẽ cong lên nâng cần tiếp điểm di động và tiếp điểm 4 m ra, đèn báo 3 tắt.
Trong tr ng hợp này, tín hiệu ánh sáng từ đèn báo 3 đ ợc c m nhận bằng thị giác c a ng i điều khiển. Tuy nhiên, đây chúng tôi muốn gi m t i thông tin cho thị giác nên không dùng đèn báo mà thay vào đó là dùng tín hiệu rung đ ợc
=
c m nhận b i xúc giác để c nh báo cho tài xế. Vì không có điều kiện thử nghiệm trên ô tô thật nên chúng tôi sử d ng tín hiệu gi lập c a bộ báo nguy áp suất dầu bôi