Haptics là 1 từ g c Hy Lạp đ chỉ cảm giác xúc giác (sense of touch). Haptics bao gồm lực tác động (c ng, m m), cảm giác v b mặt (thô, nhám, sắc, trơn…) cảm giác v chuy n động mà con ng i có th cảm nhận thông qua tiếp xúc, cầm, nắm, s .
Hình 2.21: Những tác động c a tay lên một vật th đ cảm nhận trạng thái c a vật th
GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 47 - HVTH: Trần Xuân Trình
2.2.1 ng d ng c a công ngh Haptics 2.2.1.1 ng trên ô tô
Thi t bị giao di n đi u khi n xe: Với giao diện hình 2.8 có 3 bậc tự do, mỗi bậc tự do có trang b một biến tr , giao diện là hình dạng c a vô lăng, ng i thực hiện đi u khi n bằng trực giác có th thay đổi các tín hiệu nh t c độ, chân gas, tiến, lùi…Khi chúng ta đi u khi n giao diện bằng trực giác, đi u này làm thay đổi v trí, góc lái, t c độ, rẽ trái, rẽ phải…Cảm giác này truy n trực tiếp lên vô lăng đến tay ng i lái nh một cảm giác, xúc giác.
Hình 2.22: Giao diện Haptics sử dụng trong đi u khi n xe từ xa
Tùy theo mục đích đi u khi n mà trong giao diện hình 2.22 có các trạng thái đi u khi n khác nhau.
Giao diện Hình 2.23, ng i đi u khi n bằng trực giác có th thay đổi góc lái biến tr tay lái bên phải và thay đổi t c độ xe bằng tay lái bên trái.
GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 48 - HVTH: Trần Xuân Trình Đ hệ th ng đi u khi n ga gián tiếp hoạt động hiệu quả thì cảm giác tại bàn đạp ga (truy n từ b ớm ga đến chân ng i lái) phải đ ợc tái tạo lại vì cảm giác này là một trong những yếu t mà con ng i cảm nhận đ ợc khi đạp bàn đạp ga trực tiếp. Các nhà khoa h c đư đ xuất nhi u giải pháp đ giải quyết vấn đ cảm giác tạibàn đạp ga trên ô tô nh đư nêu trên. Tuy nhiên, đ tài này chỉ tập trung vào hai vấn đ chính là: Thiết kế hệ th ng đi u khi n ga gián tiếp cho ô tô và thử nghiệm, đánh giá hiệu quả đáp ng c a hệ th ng đi u khi n ga thông qua hai yếu t th i gian tăng t c và th i gian trễ.
B ng xúc giác iDrive Touch trang bị trên BMW: Đầu tiên là giao diện hình vẽ mới dành cho toàn bộ hệ th ng, bao gồm n n màu đen và các hiệu ng ánh sáng. Bên cạnh đó là ph ơng th c xem bản đồ mới có tên 3D City Models.
Hình 2.24: Giao diện hệ th ng đ nh v tích hợp c a BMW
Bảng đi u khi n bằng xúc giác iDrive Touch. Có đ ng kính 45 mm, bảng xúc giác có th đ ợc sử dụng đ nhập liệu và phóng to hình ảnh khi ng i lái xem bản đồ. Ngoài ra, khi hãng BMW bổsung tính năng trình duyệt, bảng xúc giác sẽ có ch c năng chỉnh con tr chuột bằng cách rê ngón tay trên b mặt núm xoay.
GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 49 - HVTH: Trần Xuân Trình
Hình 2.25: Công nghệ haptics trong hệ th ng iDrive c a hãng BMW
(Nguồn từ http://autopro.com.vn/20120713054642755ca4935/bmw-connecteddrive- dang-cap-cong-nghe-thong-tin-giai-tri.chn#ixzz1SERNVpEB)
2.2.1.2 ng d ng haptic trong robot gi ng ng i
Robot gi ng ng i Icub: ICub là con robot mang dáng ng i, đ ợc phát tri n nh là một phần c a dự án EU RobotCub và sau đó đ ợc tiếp nhận b i hơn 20 phòng thí nghiệm trên toàn thế giới. Nó có th nghe và nhìn, có cảm biến xúc giác và chuy n động. Icub mang hình hài c a đ a trẻ 3-4 tuổi.
GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 50 - HVTH: Trần Xuân Trình
ICub đ ợc “dạy” đ thực hiện các kỹ năng cơ bản. Việc robot có th “h c” là b ớc tiến lớn giúp con ng i đẩy nhanh quá trình đ a robot làm thay các công việc th ng nhật cho ng i già và khuyết tật.
Robot gi ng ng i ASIMO : Có th nhận dạng nhi u vật th đang chuy n động, đánh giá khoảng cách và h ớng đi bằng cách sử dụng thông tin th giác do camera đ ợc gắn trên đầu cung cấp.
Hình 2.27: ASIMO đang xu ng cầu thang
Đặc biệt là nó có th đi theo một ng i, chào m i ng i khi h tới gần và bắt ch ớc cử động c a h . Dựa trên thông tin th giác, ASIMO có th diễn d ch v trí và chuy n động c a một bàn tay, nhận ra dáng điệu và cử chỉ. Do đó, ng i máy thông minh này không chỉ phản ng với các mệnh lệnh bằng gi ng nói mà còn phản ng với những chuy n động tự nhiên c a con ng i. Chẳng hạn nó có th nhận ra một v trí đ ợc chỉ và di chuy n tới đó, bắt tay một ng i khi ng i đó mu n bắt tay và biết vẫy tay đáp lại.
2.2.1.3 ng d ng haptic trong y t
Công nghệ Haptic từ xa đ ợc th hiện khá rõ trong nghành y tế với những thành quả đạt đ ợc hiện nay. Các Robot đi u khi n từ xa này hoạt động trên qui tắc gi ng nh qui trình xử lý vấn đ tren con ng i thông cảm giác xúc giác.
GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 51 - HVTH: Trần Xuân Trình Từ bên mặt da não bộ nhận biết đ ợc v trí và lực từđó đ a lệnh tới các bộ phận thực hiện cơ đ thực hiện chuy n động theo mong mu n và v trí và lục đ ợc cập nhật liên tục thông qua b mặt da.
Các cảm biến sẽ nhận biết v v trí và lực và gửi v máy tính xử lý và đ a ra tín hiệu đi u khi n đến các cơ cấu chấp hành đ thực hiện chuy n đông theo quy đnh. Các cảm biến cập nhật liên tục v trí và lực c a cơ cấu chấp hành gửi v máy tính và máy tính đ ơc ra các tín hiệu đi u khi n liên tục đ có th đạt đ ợc v trí yêu cầu.
Hình 2.28: T ơng tác với hình ảnh ba chi u thông qua cánh tay robot
Haptics trong ph u thu t o và hi n di n t xa: Các kỹ s và khoa h c gia c a Canada vừa phát tri n một robot với xúc giác khá nhạy cho phép các bác sĩ thực hiện những ca vi phẫu thuật nưo ng i.
GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 52 - HVTH: Trần Xuân Trình Dự kiến robot này, đ ợc g i là neuroArm, sẽ đ ợc sử dụng trong ca phẫu thuật đầu tiên vào mùa hè này tại bệnh viện Foothills thuộc ĐH Calgary. Nó cho phép các bác sĩ phẫu thuật nưo thực hiện công việcđầymay r i c a mình trên các bệnh nhân với một máy chụp cắt lớp cộng h ng từ (MRI), cung cấp khá rõ hình ảnh 3-D c a cả những dây thần kinh nh nhất.“Nó sẽ giúp phẫu thuật các khối u não mà các bác sĩ con người không đủ khéo léo để thực hiện”, nhà giải phẫu thần kinh Garnette Sutherland thuộc ĐH Calgary, ng i đ ng đầu dự án nói.
Hình 2.30: Tiến sĩ Garnette Sutherland đang giới thiệu neuroArm tại ĐH
Calgary ( nh: Reuters)
NeuroArm đ ợc đi u khi n từ một căn phòng trông nh buồng lái phi công, nơi các bác sĩ đi u khi n có th cảm nhận đ ợc áp suất và cấu tạo nưo, ngăn không cho các mạch máu và các mô khác b chèn ép - những việc làm cực khó trong các ca phẫu thuật nưo.
2.2.1.4 Haptic cho ng i mù
"Mắt thần" cho ng i mù là dự án dành cho ng i mù c a Thầy Nguyễn Bá Hải - giảng viên Trung tâm bồi d ỡng giáo viên và đào tạo nhân lực công nghệ cao, ĐH S phạm kỹ thuật TP.HCM.
Ng i mù chỉ cần đeo thiết b vào đầu, không cần dùng gậy vẫn không b va chạm vào ng i, vật cản.
GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 53 - HVTH: Trần Xuân Trình Tất cả nh hai “mắt thần” gắn trên thiết b . Khi gặp vật cản tr ớc mặt,cảm biến sẽ gửi tín hiệu v cho máy tính từ đó máy tính, máy tính xử lý và đ a ra tín hiệu đi u khi n cho một motor sẽ rung và giúp ng i mù tránh đ ợc vật cản. Vật cản càng gần thì độ rung càng mạnh. Phạm vi quan sát c a “mắt thần” từ 30 – 300m.
Hình 2.31: Các cô chú trong hội ng i mù Th Đ c đang thử nghiệm chiếc nón "mắt thần"
2.2.1.5 ng d ng haptic trong công ngh thông tin
Nghành công nghệ thông tin là nghành ng dụng rất nhi u nh : điện thoại cảm ng, máy tính bảng cảm ng.v.v.
GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 54 - HVTH: Trần Xuân Trình Trong những năm tới, công nghệ cảm ng sẽ xuất hiện trên màn hình khổng lồ, thẻ tín dụng thay vì chỉ có ch yếu trên điện thoại, tablet nh hiện nay.
Trong video đ ợc chia sẻ trên website Youku, smartphone hay máy tính bảng còn có khả năng chiếu hình 3Dra không gian tạo thành màn hình lớn.
Hình 2.33: Ng i phụ nữ có th trả l i mail ngay trong nhà tắm
Tr ớc đó, vào tháng 2/2012, công ty Corning Incorporated cũng chia sẻ video với kỹ xảo đồ h a gi ng nh phim viễn t ng nói v sự phát tri n và muôn mặt ng dụng c a màn hình cảm ng trong những năm tới. (Theo: http://vnexpress.net/gl/vi- tinh/giai-tri/2012/05/video-cong-nghe-cam-ung-tran-ngap-the-gioi-tuong-lai/)
2.3 Gi i thi u ph n m m LabVIEW 2.3.1 LabVIEW là gì 2.3.1 LabVIEW là gì
LabVIEW là một phần m m lập trình Graphic (lập trình G hay ngôn ngữ đồ h a) trực quan dễ sử dụng.
Labview đ ợc dùng nhi u trong phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa h c kĩ thuật nh : tự động hóa, đi u khi n, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử y sinh.v.v.
Các ng dụng c a LabVIEW có th đ ợc tóm tắt nh sau:
Thu thập tín hiệu từ các thiết b bên ngoài nh cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận t c động cơ .v.v.
GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 55 - HVTH: Trần Xuân Trình Giao tiếp với các thiết b ngoại vi thông qua các chuẩn giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet. Đ đi u khi n nh ng thiết b những nơi con ng i không th làm việc đ ợc.
2.3.2 ng d ng LabVIEW trong th c t
Mô ph ng và xử lí các tín hiệu thu nhận đ ợc đ phục vụ các mục đích nghiên c u hay mục đích c a hệ th ng mà ng i lập trình mong mu n.
Xây dựng các giao diện ng i dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhi u so với các ngôn ngữ lập trình khác nh Visual Basic, Matlab,…
Cho phép thực hiện các thuật toán đi u khi n nh PID, Logic m ( Fuzzy Logic), một cách nhanh chóng thông qua các ch c năng tích hợp sẵn trong LabVIEW.
Cho phép kết hợp với nhi u ngôn ngữ lập trình truy n th ng nh C, C++,
Matlab
Hình 2.34: Khảnăng kết hợp các phần c ng c a LabVIEW
Nh trên hình ta thấy dùng Card LabVIEW ta có th giao tiếp với : motor, webcam, các cảm biến… Chúng ta có th kết n i các thiết b này thông qua các card
GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 56 - HVTH: Trần Xuân Trình gắn với cổng USB, PCI. Ta cũng có th thực hiện giao tiếp n i tiếp các thiết b này với máy tính thông qua chuẩn giao tiếp RS232, RS485… Nh trên hình vẽ ta thấy một loạt các ng dụng, một ví dụ là chúng ta có th sử dụng card LabVIEW đ giao tiếp với webcam, từđó có th đi u đ ợc các thiết b từ xa (ô tô chẳng hạn).
LabView hầu nh có mặt trong tất cả các lĩnh vực khoa h c công nghệ nh : Robot công nghiệp,Robot y khoa, Robot không gian, Robot di động, ô tô, máy bay đi u khi n từ xa, robot gi ng ng i,đi u khi n t ơng tác ổn đ nh.v.v.
GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 57 - HVTH: Trần Xuân Trình
Hình 2.36: Đại h c Virginia Tech, Hoa kỳphát tri n Robot gi ng ng i sử dụng LabVIEW
Hình 2.37: Phát tri n máy bay không ng i lái
2.3.2 L p trình v i LabVIEW
Đ làm việc với phần m m LabVIEW 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 m m LabVIEW.
GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 58 - HVTH: Trần Xuân Trình
Hình 2.38 : Cửa sổ Front Panel
Cửa sổ Front Panel hay còn g i là giao diện ng i dùng. C a sổnày dùng đ kh i tạo các Control (Input) và các Indicator (ouput). Nghĩa là trên cửa sổ này ta có th thiết lập các thông s đầu vào c a một ng dụng nào đó và có th thấy đ ợc kết quả khảo sát hay tính toán c a ng dụng đó (tham khảo trong phần phụ lục).
Hình 2.39: Cửa sổ Block Diagram
Cửa sổ Block Diagram là cửa sổ dùng đ ng i lập trình kh i tạo, viết các thuật toán cho ng dụng c a mình. Đó bao gồm các hàm toán h c (cộng, trừ, nhân, chia, đạo hàm, tích phân, ma trận.v.v.), các hàm lặp (while loop), các hàm tạo trễ.v.v Nghĩa là trên cửa sổ Block Diagram ch a những thuật toán giải quyết các bài toán ng dụng mà
GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 59 - HVTH: Trần Xuân Trình ng i lập trình kh i tạo và có th đi u khi n và hi n th kết quả trên cửa sổ Front Panel.
Các hàm tính toán có liên quan trong c a sổ Block Diagram đ ợc n i với nhau bằng dây dẫn theo ki u truy n tín hiệu. Đây cũng là một lợi đi m c a LabVIEW so với các phần m m khác tính trực quan và dễ làm việc.
Các hàm thông dụng khi lập trình với LabVIEW ( tham khảo phụ lục A).
2.4 Thu t toán PID và ng d ng vƠo đi u khi n đ ng c DC2.4.1 Khái ni m v thu t toán PID 2.4.1 Khái ni m v thu t toán PID
Bộđi u khi n PID (viết tắt c a: Proportional–Integral–Derivative Controller) là một trong những bộ đi u khi n phổ biến và quan tr ng nhất trong các thiết b và hệ th ng công nghiệp từ đĩa CD tới vận t c xe ô tô đ u đ ợc thực hiện b i các thuật toán PID.
Thuật toán PID nh sau:
0 ( ) . ( ) t ( ) ( ) p i d de t u K e t K e t d t K dt
Trong đó:U : hiệu điện thế Kp : đô ̣ lợi tố̉ lê ̣, thông sô điêu chố̉nh Ki : đô ̣ lợi tốch phân Kd : độ lợi vi phân
e : sai sô t : thơi gian (hiê ̣n ta ̣i)
Thuật toán này dùng đi u khi n các hệ th ng vật lý nh động cơ DC, hệ th ng lái tựđộng trên robot, ô tô, lò nhiệt, vv.
GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 60 - HVTH: Trần Xuân Trình
Hình 2.40: Sơ đồđi u khi n động cơ DC theo thuật toán PID
Bộ đi u khi n này hiệu chỉnh có phản hồi nhằm làm giá tr sai lệch c a một tín hiệu đang đ ợc đi u khi n sao cho sai lệch này bằng không. Bộ PID có ba thành phần: proportional - tỷ lệ, integral - tích phân, và derivative - đạo hàm), ba thành phần này đ u có vai trò đ a sai lệch v không. Tín hiệu phản hồi (feedback signal) th ng là tín hiệu thực đ ợc đo bằng cảm biến. Giá tr sai lệch là hiệu c a tín hiệu đặt (setpoint) trừ cho tín hiệu phản hồi.
2.4.2 Đi u khi n vịtrí đ ng c bằng thu t toán PID
Thuật toán PID đ ợc ng dụng vào trong LabVIEW có th dùng đ đi u khi n động cơ DC theo sơ đồ sau:
Hình 2.41: Thuật toán đi u khi n động cơ DC theo v trí bằng PID Cảm biến đo giá tr thực Bộđi u khi n PID Bộ vào/ra (I/O) Bộ khuếch đại + e
